本發(fā)明涉及火工品測(cè)試技術(shù)，特別涉及電引火藥頭發(fā)火壓力的測(cè)試。

背景技術(shù)：

常用的延期電雷管，其延期藥的點(diǎn)火方式為電引火藥頭受熱燃燒點(diǎn)火。目前，我國(guó)常用的電引火藥頭多為橋絲式、鋼片式，在其上涂有一定量的點(diǎn)火藥，通電后橋絲或鋼片升溫引燃點(diǎn)火藥，為延期藥提供起始能量。電引火藥頭產(chǎn)生的發(fā)火壓力會(huì)使延期藥的點(diǎn)火時(shí)間、燃燒環(huán)境壓力和燃燒速度不同，從而影響延期電雷管的延期精度。所以對(duì)電引火藥頭發(fā)火壓力的測(cè)試還是尤為重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法，能夠精確測(cè)量出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動(dòng)態(tài)變化，可作為評(píng)估電引火藥頭性能及測(cè)量電引火藥頭發(fā)火壓力對(duì)延期藥延期精度影響的一種測(cè)試手段，為提高延期電雷管精度提供理論指導(dǎo)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：真空條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)與電引火藥頭接觸的飛片，利用高速攝像機(jī)拍攝電引火藥頭發(fā)火過程中飛片在測(cè)試管中的運(yùn)動(dòng)軌跡，簡(jiǎn)化成物理模型，利用數(shù)學(xué)手段處理飛片運(yùn)動(dòng)模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，求解飛片的受力，即為所測(cè)電引火藥頭的發(fā)火壓力。

其理論推導(dǎo)為：

飛片為質(zhì)量m，半徑R、厚h的均質(zhì)剛性圓片，在下述測(cè)試過程中受到?jīng)_擊，飛片在測(cè)試管中一邊以飛片中心旋轉(zhuǎn)，一邊向前運(yùn)動(dòng)；表明作用于飛片的力包括：使飛片旋轉(zhuǎn)的扭矩和推動(dòng)飛片平動(dòng)的軸向壓力。將飛片運(yùn)動(dòng)過程分解成定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿測(cè)試管平動(dòng)兩個(gè)過程，分別求解電引火藥頭發(fā)火時(shí)產(chǎn)生的扭矩和軸向壓力。

對(duì)飛片定軸旋轉(zhuǎn)過程：

將飛片看成由若干薄圓環(huán)組成，取任一半徑為r、寬度為dr、質(zhì)量為dm的薄圓環(huán)，此薄圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量dJ為：

dJ＝r²dm (1)

dm＝ρdV＝ρ·2πrhdr (2)

式(2)中ρ為飛片密度，dV為薄圓環(huán)的體積，將式(2)代入式(1)得：

dJ＝2πr³hρdr (3)

將式(3)在飛片半徑范圍內(nèi)進(jìn)行積分，求解飛片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：

$J=\∫dJ={\∫}_0^{R}2{\mathrm{\πr}}^{3}h\mathrm{\ρ}dr=\frac{1}{2}{\mathrm{\πR}}^{4}h\·\mathrm{\ρ}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{m}{{\mathrm{\πR}}^{2}h}---\left(5\right)$

將式(5)代入式(4)得：

$J=\frac{1}{2}{\mathrm{mR}}^2---\left(6\right)$

由式(6)可得：J與h無(wú)關(guān)，即飛片繞圓心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與其厚度無(wú)關(guān)；

飛片轉(zhuǎn)動(dòng)所受合扭矩為：

M＝J·β (7)

式(7)中，M為飛片轉(zhuǎn)動(dòng)所受合扭矩，β為飛片轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；

β的求解方法：高速攝像機(jī)拍攝側(cè)面設(shè)有刻線的飛片在測(cè)試管內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，采集飛片轉(zhuǎn)動(dòng)角度與所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擬合飛片轉(zhuǎn)動(dòng)角度α與時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系，其多項(xiàng)式方程:

α＝A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+A₄T⁴+…A_nTⁿ (8)

式(8)中，A₀…A_n為待定系數(shù)；式(8)對(duì)時(shí)間T連續(xù)兩次求導(dǎo)，得飛片繞圓心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度β與時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系：

β＝2A₂+6A₃T¹+12A₄T²…(n-1)nA_nT^n-2 (9)

通過式(9)，可求解任意時(shí)刻飛片繞圓心軸線旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角加速度β；

將式(6)代入式(7)得：

$M=\frac{1}{2}{\mathrm{mR}}^2\mathrm{\β}---\left(10\right)$

式(10)中，M值即為電引火藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生的扭矩；

式(10)中，將飛片旋轉(zhuǎn)角加速度β，飛片質(zhì)量m看作常數(shù)，變換得：

$M=\frac{\mathrm{\β}m}{2}\·R^2---\left(11\right)$

式(11)可知：合扭矩M與R²成正比，且在飛片半徑范圍內(nèi)呈連續(xù)線性變化，扭矩M單位為N·m，將其對(duì)飛片半徑求導(dǎo)，得飛片所受扭矩力F_r沿飛片半徑的分布函數(shù)：

$F_r=\frac{dM}{dr}=\mathrm{\β}m\·R---\left(12\right)$

式(12)中，將飛片旋轉(zhuǎn)角加速度β、飛片質(zhì)量m看作常數(shù)，飛片所受扭矩力F_r沿著飛片半徑R呈線性增長(zhǎng)，且飛片中心(R＝0)處作用力F_r＝0，則飛片所受扭矩力的平均值為：

${\stackrel{\‾}{F}}_r=\frac{1}{2}\mathrm{\β}m\·R---\left(13\right)$

飛片及測(cè)試管均采用剛性材料，兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力忽略不計(jì)，將式(9)帶入式(13)整理，得飛片所受扭矩力的平均值

${\stackrel{\‾}{F}}_r=\frac{mR}{2}(2A_2+6A_3{T}^1+12A_4{T}^2...(n-1\left){\mathrm{nA}}_n{T}^{n-2}\right)---\left(14\right)$

式(14)中即為電引火藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生扭矩力的平均值；

對(duì)飛片沿測(cè)試管平動(dòng)過程，利用動(dòng)量守恒定律：

F·t＝m·v＝I (15)

對(duì)飛片受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)用動(dòng)量守恒定律，則有：

∫(P(t)·S-f_l)dt＝Δ(m·v)＝m·v (16)

式(16)中，P(t)為t時(shí)刻電引火藥頭發(fā)火過程推動(dòng)飛片平動(dòng)的軸向壓力，S為軸向壓力作用的面積，即飛片底面面積，f_l為飛片平動(dòng)受到測(cè)試管的摩擦力，其值可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，v為飛片平動(dòng)速度；

式(16)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)、變換，可得：

m·a+f_l＝P(t)·S (17)

式(17)中：a為飛片平動(dòng)加速度，可通過高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)求得；

a的求解方法：高速攝像機(jī)拍攝測(cè)試管內(nèi)飛片平動(dòng)軌跡，采集飛片平動(dòng)距離與所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擬合飛片平動(dòng)距離D與時(shí)間T的關(guān)系，其多項(xiàng)式方程:

D＝B₀+B₁T¹+B₂T²+B₃T³+B₄T⁴+…B_nTⁿ (18)

式(18)中：B₀…B_n為待定系數(shù)，式(18)連續(xù)兩次對(duì)時(shí)間T求導(dǎo)，得飛片平動(dòng)加速度a與時(shí)間T的多項(xiàng)式方程：

a＝2B₂+6B₃T¹+12B₄T²+20B₅T³+…(n-1)nB_nT^n-2 (19)

將式(19)代入式(17)，整理得：

$P\left(t\right)=\frac{f_l}{S}+\frac{m}{S}(2B_2+6B_3{T}^1+12B_4{T}^2+20B_5{T}^3+...(n-1\left){\mathrm{nB}}_n{T}^{n-2}\right)---\left(20\right)$

由于力是矢量，求解力學(xué)問題不能夠簡(jiǎn)單的數(shù)值加和，故只能分別求解出電引火藥頭發(fā)火壓力產(chǎn)生的扭矩和軸向壓力。根據(jù)式(8)先擬合出飛片繞圓心軸線旋轉(zhuǎn)的角度α與時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系，再由式(9)求解轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度β與時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系，由式(9)、(10)結(jié)合飛片質(zhì)量m、飛片半徑R，求解飛片轉(zhuǎn)動(dòng)所受扭矩M及其動(dòng)態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火時(shí)產(chǎn)生的扭矩其動(dòng)態(tài)變化；再由式(9)、(14)結(jié)合飛片質(zhì)量m、飛片半徑R，求解飛片所受扭矩力的平均值及其動(dòng)態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生扭矩力的平均值及其動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)式(18)、(19)擬合出飛片平動(dòng)距離D和平動(dòng)加速度a與時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系，再由式(9)、(20)結(jié)合飛片與測(cè)試管之間的平動(dòng)摩擦力f_l、飛片底面積S、飛片質(zhì)量m，求解飛片所受的垂直于飛片底面的軸向壓力P(t)及其動(dòng)態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生的軸向壓力及其動(dòng)態(tài)變化。

為了實(shí)現(xiàn)上述過程，本發(fā)明的裝置設(shè)計(jì)包括：測(cè)試管，飛片，固定塞，真空箱，高速攝像機(jī)，記錄裝置，真空泵和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。所述測(cè)試管為一根設(shè)有刻度線的中空透明剛性管體；所述飛片為一輕質(zhì)剛性圓片結(jié)構(gòu)，其直徑略小于測(cè)試管內(nèi)徑，飛片側(cè)面設(shè)刻線；所述固定塞為圓柱體結(jié)構(gòu)，外徑與測(cè)試管內(nèi)徑契合，其中軸設(shè)孔，孔徑與電引火藥頭上的塑料塞外徑一致；所述真空箱為一長(zhǎng)方體透明箱，其上設(shè)抽氣孔、發(fā)爆器。

常用電引火藥頭發(fā)火時(shí)間為毫秒級(jí)，則高速攝像機(jī)拍攝頻率至少為1000幀/秒。

測(cè)量所需為普通真空條件，普通實(shí)驗(yàn)用真空泵即可。

測(cè)試時(shí)，先通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得飛片與測(cè)試管的平動(dòng)摩擦阻力f_l，再將電引火藥頭的腳線穿過固定塞的孔中，至電引火藥頭的塑料塞與固定塞的孔相契合為止，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞插入測(cè)試管一端，由固定塞固定，膠水密封；飛片由測(cè)試管另一端放入，將飛片推至待測(cè)壓力處，將電引火藥頭的腳線連接至真空箱上的發(fā)爆器；將連接后的測(cè)試管水平置于真空箱內(nèi)，密封真空箱；用真空泵經(jīng)抽氣孔將真空箱內(nèi)抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔；高速攝像機(jī)垂直于測(cè)試管軸線放置，高速攝像機(jī)與記錄裝置連接。啟動(dòng)高速攝像機(jī)、記錄裝置；發(fā)爆器充電后引燃電引火藥頭，在藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生的沖擊力、氣體壓力作用下，飛片在測(cè)試管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沿軸線向前運(yùn)動(dòng)，飛片停止后關(guān)閉高速攝像機(jī)，飛片運(yùn)動(dòng)過程由記錄裝置記錄。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置記錄的飛片不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的測(cè)試管上刻度線的位置，以及不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飛片側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火時(shí)飛片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)，從而求解出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動(dòng)態(tài)變化。

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法，涉及的測(cè)試管為一根中空的透明剛性管，便于高速攝像機(jī)拍攝飛片的運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)試管上刻度線是為了準(zhǔn)確定位飛片的平動(dòng)距離，擬合飛片平動(dòng)的相關(guān)函數(shù)。飛片整體為輕質(zhì)剛性圓片結(jié)構(gòu)，其直徑略小于測(cè)試管內(nèi)徑，便于飛片在測(cè)試管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，又使在抽真空過程中，飛片兩側(cè)的氣壓與真空箱內(nèi)的氣壓保持一致，從而保證抽真空過程中不會(huì)因?yàn)閮?nèi)外氣壓差導(dǎo)致的飛片移動(dòng)，由于該縫隙很小，電引火藥頭發(fā)火過程為毫秒級(jí)，點(diǎn)火藥化學(xué)反應(yīng)快，產(chǎn)氣速率快，氣體快速向抵抗力小的飛片端膨脹，在氣體快速膨脹的過程中，極少量的氣體從飛片與測(cè)試管之間的狹小縫隙流向真空箱，其對(duì)飛片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和測(cè)試結(jié)果的影響很小，可忽略不計(jì)；飛片底面為電引火藥頭發(fā)火壓力作用面，飛片具有一定的厚度，能很好的固定飛片在測(cè)試管中運(yùn)動(dòng)的角度；飛片側(cè)面設(shè)刻線，便于高速攝像機(jī)拍攝飛片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，擬合飛片轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)函數(shù)；圓片型結(jié)構(gòu)是為了減輕飛片的質(zhì)量，減輕飛片與測(cè)試管的摩擦，質(zhì)量輕、摩擦小，利于飛片的運(yùn)動(dòng)，飛片平動(dòng)距離變長(zhǎng)，相當(dāng)于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，擬合的飛片平動(dòng)函數(shù)更為精確，使得測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確。固定塞中軸設(shè)孔，可將電引火藥頭固定于測(cè)試管一端。所述真空箱透明，便于高速攝像機(jī)拍攝；抽氣孔的設(shè)置，便于真空泵將真空箱內(nèi)抽真空，防止大氣壓對(duì)飛片的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果誤差過大。

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：該測(cè)試方法及裝置可通過測(cè)量飛片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，間接測(cè)量出電引火藥頭的發(fā)火壓力及其動(dòng)態(tài)變化，可以此來評(píng)估電引火藥頭的性能和探究電引火藥頭發(fā)火壓力對(duì)延期藥延期精度的影響。本發(fā)明有可靠的理論依據(jù)，操作方便，測(cè)量結(jié)果精確，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法的技術(shù)方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法的測(cè)試管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法的飛片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法飛片與測(cè)試管組合示意圖；

圖4是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火壓力測(cè)試方法原理圖。

具體實(shí)施方式

高速攝像機(jī)選用NAC Memr ecam HX-3型彩色高速攝像機(jī)，拍攝頻率為130萬(wàn)fps。

真空泵選用藤原FUJIWARA型二級(jí)真空泵，真空度可達(dá)-98kpa。

測(cè)試時(shí)，將電引火藥頭的腳線3穿過固定塞4的孔，至電引火藥頭的塑料塞與固定塞4的孔相契合為止，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞4插入測(cè)試管1一端，由固定塞4固定，膠水密封。飛片2由測(cè)試管1另一端放入，將飛片2推至待測(cè)壓力處，將電引火藥頭的腳線3密封連接至真空箱6上的發(fā)爆器8；將連接后的測(cè)試管1水平置于真空箱6內(nèi)，密封真空箱6；用真空泵經(jīng)抽氣孔7將真空箱6內(nèi)部抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔7；將高速攝像機(jī)9垂直于測(cè)試管1軸線放置，記錄裝置10與高速攝像機(jī)9連接。啟動(dòng)高速攝像機(jī)9、記錄裝置10；發(fā)爆器8充電后引燃電引火藥頭，在電引火藥頭發(fā)火過程產(chǎn)生的沖擊力、氣體壓力作用下，飛片2沿著測(cè)試管1軸線旋轉(zhuǎn)向前運(yùn)動(dòng)，飛片2停止后關(guān)閉高速攝像機(jī)9，飛片2運(yùn)動(dòng)過程由記錄裝置10記錄。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置10記錄的飛片2不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的測(cè)試管1上刻度線的位置，以及不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飛片2側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火過程飛片2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)，從而求解出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動(dòng)態(tài)變化。

實(shí)施例一

參照?qǐng)D1，測(cè)試管1為一根長(zhǎng)550mm，內(nèi)徑10mm，壁厚1.50mm的中空透明石英管，其上設(shè)有量程為550mm的刻度線，相鄰刻度值為1mm。

參照?qǐng)D2，飛片2為圓片結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為彩色輕質(zhì)高強(qiáng)度石英，直徑9.96mm，厚1mm，其側(cè)面等間距設(shè)360條刻線，相鄰兩條刻線對(duì)應(yīng)圓心角為1°。彩色飛片使高速攝像機(jī)拍攝飛片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更為清晰，利于測(cè)量精度的提高。

參照?qǐng)D3，將飛片2置入測(cè)試管1，石英硬度高，摩擦系數(shù)小。

參照?qǐng)D4，固定塞4外徑10mm，其中軸設(shè)孔徑8mm的孔，將橋絲式電引火藥頭的腳線3穿過固定塞4的孔，至電引火藥頭的塑料塞與固定塞4的孔相契合，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞4從測(cè)試管1一端置入，飛片2由測(cè)試管1另一端置入，推至待測(cè)壓力處。

參照?qǐng)D5，將電引火藥頭的腳線3與發(fā)爆器8密封連接，測(cè)試管1水平放于真空箱6內(nèi)，密封真空箱6，用真空泵經(jīng)抽氣孔7將真空箱6抽真空，密封抽氣孔7，高速攝像機(jī)9垂直于測(cè)試管1軸線放置，高速攝像機(jī)9與記錄裝置10連接。

結(jié)合上述理論推導(dǎo)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置10記錄的飛片2不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的測(cè)試管1上刻度線的位置，以及不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的飛片2側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火時(shí)飛片2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)，從而求解出電引火藥頭的發(fā)火壓力及其動(dòng)態(tài)變化。

上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。