高转速下高聚物黏性炸药(PBX)材料径向位移实时测试方法

狄长安，孟 郁，彭 澎

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)



高转速下高聚物黏性炸药(PBX)材料径向位移实时测试方法

狄长安，孟 郁，彭 澎

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对高转速下PBX径向大变形测试的问题，设计了专用测量装置，采用同一电涡流传感器对圆环状PBX模拟材料0～12000r/min转速范围的对应转速及径向位移进行了测试，得到该材料径向位移与转速的关系，并针对试样环实验数据进行了分析。结果表明，随着转速的增加，该材料的径向位移成线性增长，最大值超过0.9mm。

高转速； 电涡流； PBX； 大位移

1 引 言

高聚物黏结炸药(polymer bonded explosive，PBX)充分利用了高能炸药的爆轰性能和高分子材料的力学性能，使药剂的综合指标远远优于传统的铸装炸药和蜡钝感炸药，能量密度与机械强度较高，感度较低，加工成型性能和环境适应能力良好，适用于各种装药工艺，且能量可在一定范围内适当调节[1]。PBX问世以来，在现代军事、国防建设等领域获得了广泛的应用，重要性日益显现。

由于炸药的使用环境比较复杂，在生产、加工、运输、发射过程中或发生意外时会产生碰撞，受到不同类型瞬态载荷的作用。在这些载荷作用下，炸药会表现出不同的力学响应特性。炸药的力学性能不仅与武器的生存能力及使用寿命密切相关，还会进一步影响其爆轰性能[2]。因此，研究炸药在复杂瞬态载荷下的力学性能，获得其各种力学响应随载荷变化的规律对于指导武器战斗部设计和安全性能研究都具有重要意义。

目前，国内外的专家学者针对PBX炸药在不同条件下的力学性能做了大量的研究[3-6]，但是这些研究基本均是针对药柱的轴向力学性能的，而在火炮实际射击时，弹体在身管内运动除了受到轴向的推进力，还受到膛线的作用，产生高速的旋转。弹体的高速旋转会使药柱在径向产生应力作用，进而影响药柱的完整性和起爆性，因此，有必要对高速旋转下PBX药柱的径向动态力学特性进行研究。

为了研究PBX药柱的径向动态力学性能，需要对高速旋转状态下药柱的径向位移进行测量。浇注的PBX药柱具有软材料特征和大变形能力。与常见金属材料的微应变相比，药柱应变数值可能会更大[7]。目前电阻应变片在材料力学性能研究方面已成为常用的测试技术，其应变测量范围可达20%[8]，但电阻应变片为接触式测量，与PBX粘结时会影响其自身变形[9]。目前，国内外针对高速旋转下PBX的径向动态力学特性方面的研究还不多见。本文针对高转速下PBX径向大变形测试的问题，提出了一种基于电涡流传感器的径向位移测试方法，即采用电涡流传感器对高速旋转速度及其对应下的PBX模拟材料径向位移进行实验测试，并分析了转速与位移之间的关系。

2 基于电涡流的转速及径向大变形测量原理

出于安全性和方便性考虑，本文采用具有类似PBX材料力学性能的模拟材料代替PBX进行力学研究。将PBX模拟材料制成圆环状，将电涡流感应材料粘贴在试样环内侧，电涡流传感器感应探头通过夹具固定在环型材料的中空部位，使探头正对感应材料，如图1所示。当PBX模拟材料发生变形时，带动感应材料一起运动，使得感应材料与电涡流传感器之间的轴向方向位移发生变化，电涡流传感器的输出电压U与位移d之间的关系如下：

U=kzd+U0

(1)

式中：U为传感器的输出电压，单位为V；kz为传感器的轴向灵敏度，单位为V/mm；d为线圈与被测导体之间的距离，单位为mm；U0为传感器的起始偏置电压，单位为V。由式(1)，即可获得PBX模拟材料的变形量，同时，利用示波器记录电涡流传感器的多个波形，通过公式N=60*n/t计算出转速，这里的感应材料只有一块，所以n=1，t为两波峰之间的时间间隔。由此，可利用电涡流传感器同时测量转速及其对应的位移。

图1 电涡流与试样环相对位置示意图Fig.1 Relative position of the eddy current and the sample ring

3 PBX径向变形测试系统设计

3.1 测量系统组成及工作原理

高速旋转下电涡流转速及径向位移测试系统如图2所示，测试系统由高速旋转台架、试样环、安装盘、电涡流传感器和示波器组成。

图2 实验系统组成图Fig.2 Composition of experimental system

高速旋转台架由变频器、电机及其安装支架组成，电机最高转速可达12000r/min。试样环内嵌在安装盘内，安装盘安装在电机转轴上；电涡流传感器通过专用支架安装在安装盘的中心；电涡流传感器输出信号经前置放大器放大后，由存储式数字示波器记录，并计算转速及其对应的位移。

3.2 试样环及专用安装盘设计

(1)试样环设计：根据电机的负载能力确定试样环为外径φ110mm，内径φ86mm，高30mm的圆环，如图3(a)所示。试样环中的感应材料为铝箔，因为铝箔的质量非常小，所以高速旋转时铝箔产生的离心力对被测材料位移的影响可忽略不计。

(2)专用安装盘设计：专用安装盘由上压板和转盘主体组成，上压板和转盘主体通过螺纹连接，如图3(b)所示。上压板是为了防止高速旋转时，试样环飞出，对测试仪器和人员造成伤害；转盘主体设计成台阶状是为了防止直径尺寸骤减，造成骤减处的应力集中；专用安装盘采用铝质材料，这样可以减小自身的重量。

试样环和转盘主体连接到一起，然后旋上上压板，如图3(c)所示。

图3 实验材料与专用安装盘连接示意图 (a)试样环示意图； (b)实验材料与专用安装盘连接分解示意图； (c)试样环与专用安装盘装配图Fig.3 Connection of the sample and special mounting plate(a) Sample ring; (b) Experimental materials and Special mounting plate; (c) Connection of the sample ring and special mounting plate

电涡流装置固定如图4所示，通过连接件将电涡流传感器固定在铝型材料上，并调节其与样品内壁垂直，安装盘通过螺纹与电机轴连接到一起。

图4 电涡流传感器安装图Fig.4 Installation of the eddy current

4 实验测试及其分析

实验前调整电涡流探头安装位置，使其正对铝箔且距离内壁1.58mm。实验系统如图5所示。

图5 实验系统实物图Fig.5 Physical experimental system

在电机转动前用手带动电机转动，记录初始状态下电涡流传感器测得的电压值。然后控制电机加速，记录下材料在各转速下电涡流传感器的感应波形。

根据实验数据得到的试样环内壁位移量—转速曲线图如图6所示。图中转速可以通过公式N=60/t计算得到，t为两个波峰之间的时间间隔。

图6 实验试样转速-位移曲线图Fig.6 Rotational Speed and strain curve of the experimental sample

对实验结果分析如下：

(1)变形量最小为0.145mm，最大为0.966mm，传感器的测量范围为5mm，精度为0.01mm，可满足测量要求；

(2)随着转速增加，PBX模拟材料的位移逐渐增加，并近似成线性关系；

(3)对于线性材料，位移和转速的平方是成正比的，但是实验中PBX模拟材料的转速与位移成正比，说明PBX材料具有一定的非线性性质。

5 结 论

本文针对高转速下PBX径向大变形测试的问题，提出了一种基于电涡流传感器的径向位移测试方法，采用电涡流传感器对高速旋转速度及其对应下的PBX模拟材料径向位移进行了实验测试，获得了圆环状PBX模拟材料在0～12000r/min转速范围内的转速与径向位移的对应关系，为类似材料的径向大变形测量提供了一种简易的测量方法。

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Radial Strain Real-time Measurement of PBX Material at High Rotation Speed

DI Changan， MENG Yu， PENG Peng

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing210094, China)

Aiming at the problem with measuring the radial deformation of PBX at high rotation speed, a special device was designed for measurement. For the rotational speed varying from 0 to 12,000 rpm, corresponding radial displacements of a circular ring PBX material were tested by the same eddy current sensor simultaneously. Relationship between the radial displacement and rotational speed of the material thus obtained, and the experimental data was analysed. Experimental results show that, with the increase of rotational speed, displacement of the material increases linearly and the maximum reaches 0.9mm.

high rotating speed； eddy current sensor； PBX； strain

1673-2812(2017)02-0321-04

2015-11-30；

2016-02-25

狄长安(1973-)，教授，主要研究方向为智能传感器及测试技术、特种测试技术、生物医疗仪器等。

孟 郁。E-mail：15365181259@163.com。

TH879

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.031