某小型电雷管作用时间超差的原因分析与改进*

樊龙龙

(海军装备部 西安 710025)



某小型电雷管作用时间超差的原因分析与改进*

樊龙龙

(海军装备部 西安 710025)

某电雷管在摸底试验中出现作用时间超差,经分析:电雷管作用时间超差主要原因为起爆药粒度过大和管壳设计不合理。为验证此分析结果,论文对不同批次的起爆药进行了大量的摸底试验,并用ANSYS有限元分析对管壳设计合理性进行了模拟验证。试验结果表明,起爆药粒度过大是导致电雷管作用时间超差的主要原因,而管壳的合理优化在一定程度上降低了因装配因素导致电雷管作用时间超差的问题。

电雷管; 作用时间; 起爆药; 超差

Class Number TJ455

1 问题提出

根据技术指标要求,某电雷管(以下简称电雷管,结构见图1)在电容为0.2μF±0.02μF,充电电压为70V±3V的条件下,对电雷管两脚线间进行放电,电雷管应可靠发火,其发火时间应不大于10μs。

在对该电雷管正样机鉴定前阶段(B批)进行摸底试验时,15发样品中出现1发作用时间为15μs。而电雷管(A批)在方案及初样机阶段摸底试验、验收试验以及系统应用中1000余发的样本量作用时间最大为5μs。所以对此情况进行了分析,发现两批次电雷管除所用起爆药为不同批次外,其设计图纸、工艺及其它相关材料皆为同一规格。A批电雷管所用起爆药08-1批,而B批电雷管所用起爆药为10-1批。故分析作用时间超差可能是因为起爆药粒度发生变化及管壳结构设计不合理。本文从上述两种分析出发,对电雷管出现的时间超差问题进行分析以及相关研究。

1-管壳 2-电发火件 3-第一层起爆药 4-第二层起爆药 5-炸药图1 电雷管结构图

2 原因分析

2.1 起爆药粒度导致作用时间超差分析

雷管作用时间是指激发能量输入到雷管爆轰完毕所经历的时间[1～3],电雷管作用时间是桥丝升温时间、起爆药传爆时间和炸药传爆时间之和。当能量固定时桥丝升温时间为一定值,炸药传爆时间由其药剂爆速和药高决定,可定为固定值,所以决定电雷管作用时间的因素为桥丝与第一层起爆药之间以及起爆药与炸药之间的能量传递时间。对于小尺寸电雷管,当起爆药密度达到规定要求,药高约为1.5mm时炸药均能被可靠起爆[4～7]。

根据灼热桥丝式电火工品能量平衡方程:

cpdT/dt=γ(T-T0)+P(t)+qZe-E/RTω

(1)

式中:cp为桥丝热容,J/g·℃;γ为散热系数;T为桥丝温度,℃;T0为环境温度,℃;t为时间,s;Z为频率因子;E为活化能,J/mol;R为气体常数,J/mol;ω为药剂反应分数;q为单位质量药剂的反应热J/g;cpdT/dt为桥丝升温;γ(T-T0)为热能散失;P(t)为输入电功率J/s;qZe-E/RT为药剂反应放出热量。

可知当桥丝与起爆药接触不紧密时,γ值有所增大,γ(T-T0)除了包括轴向散热外,还有一部分热能传递给药剂,但是药剂升温慢,在桥丝熔断之前还达不到药剂的爆发点,由于药剂作用是放热反应,qZe-E/RTω>0,在桥丝熔断之后药剂温度可以继续上升以至于达到药剂的爆发点,这样雷管作用时间较长;当桥丝和点火药紧密接触时,桥丝转化的热能可以快速传递给点火药,使点火药药温迅速升高到药剂的爆发点,电雷管作用时桥丝还未熔断,作用时间非常短,可以认为qZe-E/RTω=0[8～10]。引起桥丝与药剂接触面不紧密的原因主要表现为药剂密度偏小,而密度主要受压药压力和药剂粒度影响,压力一定时,当药剂粒度大时使药剂不能完全包覆桥丝,且药剂之间接触不紧密。解决上述问题的措施为:减小粉末氮化铅粒度,提高桥丝周围氮化铅的密实性,能使药剂完全紧密包覆桥丝,减少发火过程中的能量损失。

而本文所述电雷管起爆药高约为1.6mm,能够可靠起爆炸药,且时间稳定,不会导致电雷管作用时间超差。故我们分析引起电雷管作用时间超差的原因可能是桥丝与起爆药界面之间能量传递时间过长。

2.2 结构设计导致时间超差分析

电雷管结构设计上借鉴了成熟的设计思路,起爆药选用了常用的粉末叠氮化铅和羧甲基纤维素叠氮化铅,炸药选用奥克托今;装配方式为先在管壳中装入电发火件,然后装入粉末氮化铅和羧甲基纤维素叠氮化铅,最后装入奥克托今,压药压强为130MPa。为验证电雷管再结构设计合理性,应用ANSYS有限元分析软件对电雷管压药和收口进行模拟分析,经分析确定,收口过程中的管壳变形可能会导致电雷管作用时间超差。电雷管收口时用1300N的压力,试验结果如图2所示。

图2 ANSYS有限元分析图

由图2可知在电雷管收口时,管壳发生了轻微的变化,最大变形出现在距离管壳底2.3mm处,最大变形量为0.5×10-3cm。根据产品尺寸链计算:电雷管在收口时发火件桥丝与第一层药剂接触面与用ANSYS仿真软件模拟电雷管收口时产生的最大变形处处于同一位置,由于此位置径向尺寸变大,使得与桥丝接触的起爆药密度发生变化,即密度减小,由2.1分析可知会导致电雷管作用时间超差,所以收口可能会导致极少数的电雷管作用时间超差。

3 改进研究

3.1 起爆药粒度对比试验

依据分析结果选用不同粒度的起爆药进行了对比试验,其余状态均保持不变,试验结果如表1所示。

表1 起爆药不同粒度作用时间对比试验

由表1可知,与桥丝接触的起爆药粒度对电雷管作用时间影响较明显,粒度越大,电雷管作用时间越长,起爆药粒度越小,电雷管作用时间越短,且趋于稳定。为验证小粒度起爆药在各种环境下的作用时间,装配320发各种环境下的摸底试验,试验结果如表2所示。

表2 环境适应性摸底试验

3.2 管壳结构优化

为了防止电雷管收口时,发生管壳变形,在距离管壳底部2.8mm以上管壳孔径增加0.3mm,使收口产生的最大变形处不在桥丝与药剂的接触面处,之后对优化后的管壳进行ANSYS仿真软件模拟分析可知,管壳的最大变形处大概发生在距离管壳底部2.9mm处。优化前、后结构图如图3所示。

图3 管壳优化前、后结构示意图

4 结语

1) 电雷管作用时间与起爆药粒度称正比关系,随着粒度增大,作用时间变长;

2) 管壳优化后,电雷管在收口时管壳变形不会影响与桥丝接触的起爆药装药密度;

3) 通过用ANSYS仿真软件精确的模拟电雷管压药和收口,有效的反映了在压药和收口过程中管壳形变过程,从而依据模拟分析结果优化了管壳结构,降低了电雷管因装配条件造成作用时间超差的问题。

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Reason Analysis and Improvement of A Small Electric Detonators Action Time Tolerance

FAN Longlong

(Navy Equipment Department of PLA, Xi’an 710025)

Action time tolerance was found in diagnostic test on an electric detonator, with main reasons of large particle size and poor tube deign of primary explosive. To verify the analysis results, lots of diagnostic test were carried out on different sets of primary explosives, and tube design rationality was analyzed by simulation soft of ANSYS FEM. Experimental results showed that large size of primary explosive particle mainly caused the action time tolerance of electric detonator, while rational optimization on the detonator tube could reduce the tolerance due to the assembly factor to some extent.

electric detonators, reaction time, primary explosive, ultra-poor

2015年6月3日,

2015年7月26日

樊龙龙,男,硕士,工程师,研究方向:火工品质量监督。

TJ455

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.032