本實用新型涉及火工品測試技術，特別涉及電引火藥頭發(fā)火壓力的測試。

背景技術：

常用的延期電雷管，其延期藥的點火方式為電引火藥頭受熱燃燒點火。目前，我國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火藥，通電后橋絲或鋼片升溫引燃點火藥，為延期藥提供起始能量。電引火藥頭產生的發(fā)火壓力會使延期藥的點火時間、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。所以對電引火藥頭發(fā)火壓力的測試還是尤為重要的。

技術實現要素：

本實用新型提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置，能夠精確測量出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動態(tài)變化，可作為評估電引火藥頭性能及測量電引火藥頭發(fā)火壓力對延期藥延期精度影響的一種測試手段，為提高延期電雷管精度提供理論指導。

本實用新型采用的技術方案是：真空條件下，設計一個與電引火藥頭接觸的飛片，利用高速攝像機拍攝電引火藥頭發(fā)火過程中飛片在測試管中的運動軌跡，簡化成物理模型，利用數學手段處理飛片運動模型的相關數據，求解飛片的受力，即為所測電引火藥頭的發(fā)火壓力。

其理論推導為：

飛片為質量m，半徑R、厚h的均質剛性圓片，在下述測試過程中受到沖擊，飛片在測試管中一邊以飛片中心旋轉，一邊向前運動；表明作用于飛片的力包括：使飛片旋轉的扭矩和推動飛片平動的軸向壓力。將飛片運動過程分解成定軸旋轉運動和沿測試管平動兩個過程，分別求解電引火藥頭發(fā)火時產生的扭矩和軸向壓力。

對飛片定軸旋轉過程：

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、質量為dm的薄圓環(huán)，此薄圓環(huán)的轉動慣量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)在飛片半徑范圍內進行積分，求解飛片繞中心軸轉動慣量J：

將式(5)代入式(4)得：

由式(6)可得：J與h無關，即飛片繞圓心軸線的轉動慣量與其厚度無關；

飛片轉動所受合扭矩為：

M＝J·β (7)

式(7)中，M為飛片轉動所受合扭矩，β為飛片轉動角加速度；

β的求解方法：高速攝像機拍攝側面設有刻線的飛片在測試管內的轉動軌跡，采集飛片轉動角度與所對應的時間，利用數據處理系統(tǒng)擬合飛片轉動角度α與時間T的函數關系，其多項式方程:

α＝A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+A₄T⁴+…A_nTⁿ (8)

式(8)中，A₀…A_n為待定系數；式(8)對時間T連續(xù)兩次求導，得飛片繞圓心軸線轉動角加速度β與時間T的函數關系：

β＝2A₂+6A₃T¹+12A₄T²…(n-1)nA_nT^n-2 (9)

通過式(9)，可求解任意時刻飛片繞圓心軸線旋轉的瞬時角加速度β；

將式(6)代入式(7)得：

式(10)中，M值即為電引火藥頭發(fā)火過程產生的扭矩；

式(10)中，將飛片旋轉角加速度β，飛片質量m看作常數，變換得：

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

式(12)中，將飛片旋轉角加速度β、飛片質量m看作常數，飛片所受扭矩力F_r沿著飛片半徑R呈線性增長，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：

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

式(14)中即為電引火藥頭發(fā)火過程產生扭矩力的平均值；

對飛片沿測試管平動過程，利用動量守恒定律：

F·t＝m·v＝I (15)

對飛片受力及運動狀態(tài)應用動量守恒定律，則有：

∫(P(t)·S-f_l)dt＝Δ(m·v)＝m·v (16)

式(16)中，P(t)為t時刻電引火藥頭發(fā)火過程推動飛片平動的軸向壓力，S為軸向壓力作用的面積，即飛片底面面積，f_l為飛片平動受到測試管的摩擦力，其值可通過實驗測得，v為飛片平動速度；

式(16)對時間求導、變換，可得：

m·a+f_l＝P(t)·S (17)

式(17)中：a為飛片平動加速度，可通過高速攝像機和數據處理系統(tǒng)求得；

a的求解方法：高速攝像機拍攝測試管內飛片平動軌跡，采集飛片平動距離與所對應的時刻，利用數據處理系統(tǒng)擬合飛片平動距離D與時間T的關系，其多項式方程:

D＝B₀+B₁T¹+B₂T²+B₃T³+B₄T⁴+…B_nTⁿ (18)

式(18)中：B₀…B_n為待定系數，式(18)連續(xù)兩次對時間T求導，得飛片平動加速度a與時間T的多項式方程：

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

將式(19)代入式(17)，整理得：

由于力是矢量，求解力學問題不能夠簡單的數值加和，故只能分別求解出電引火藥頭發(fā)火壓力產生的扭矩和軸向壓力。根據式(8)先擬合出飛片繞圓心軸線旋轉的角度α與時間T的函數關系，再由式(9)求解轉動角加速度β與時間T的函數關系，由式(9)、(10)結合飛片質量m、飛片半徑R，求解飛片轉動所受扭矩M及其動態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火時產生的扭矩其動態(tài)變化；再由式(9)、(14)結合飛片質量m、飛片半徑R，求解飛片所受扭矩力的平均值及其動態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火過程產生扭矩力的平均值及其動態(tài)變化。根據式(18)、(19)擬合出飛片平動距離D和平動加速度a與時間T的函數關系，再由式(9)、(20)結合飛片與測試管之間的平動摩擦力f_l、飛片底面積S、飛片質量m，求解飛片所受的垂直于飛片底面的軸向壓力P(t)及其動態(tài)變化，即電引火藥頭發(fā)火過程產生的軸向壓力及其動態(tài)變化。

為了實現上述過程，本實用新型的裝置設計包括：測試管，飛片，固定塞，真空箱，高速攝像機，記錄裝置，真空泵和數據處理系統(tǒng)。所述測試管為一根設有刻度線的中空透明剛性管體；所述飛片為一輕質剛性圓片結構，其直徑略小于測試管內徑，飛片側面設刻線；所述固定塞為圓柱體結構，外徑與測試管內徑契合，其中軸設孔，孔徑與電引火藥頭上的塑料塞外徑一致；所述真空箱為一長方體透明箱，其上設抽氣孔、發(fā)爆器。

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

測量所需為普通真空條件，普通實驗用真空泵即可。

測試時，先通過實驗測得飛片與測試管的平動摩擦阻力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試管一端，由固定塞固定，膠水密封；飛片由測試管另一端放入，將飛片推至待測壓力處，將電引火藥頭的腳線連接至真空箱上的發(fā)爆器；將連接后的測試管水平置于真空箱內，密封真空箱；用真空泵經抽氣孔將真空箱內抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔；高速攝像機垂直于測試管軸線放置，高速攝像機與記錄裝置連接。啟動高速攝像機、記錄裝置；發(fā)爆器充電后引燃電引火藥頭，在藥頭發(fā)火過程產生的沖擊力、氣體壓力作用下，飛片在測試管內旋轉沿軸線向前運動，飛片停止后關閉高速攝像機，飛片運動過程由記錄裝置記錄。數據處理系統(tǒng)根據記錄裝置記錄的飛片不同時刻所對應的測試管上刻度線的位置，以及不同時刻所對應的飛片側面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火時飛片的運動狀態(tài)函數，從而求解出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動態(tài)變化。

本實用新型提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置，涉及的測試管為一根中空的透明剛性管，便于高速攝像機拍攝飛片的運動軌跡，測試管上刻度線是為了準確定位飛片的平動距離，擬合飛片平動的相關函數。飛片整體為輕質剛性圓片結構，其直徑略小于測試管內徑，便于飛片在測試管內運動，又使在抽真空過程中，飛片兩側的氣壓與真空箱內的氣壓保持一致，從而保證抽真空過程中不會因為內外氣壓差導致的飛片移動，由于該縫隙很小，電引火藥頭發(fā)火過程為毫秒級，點火藥化學反應快，產氣速率快，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試管之間的狹小縫隙流向真空箱，其對飛片運動狀態(tài)和測試結果的影響很小，可忽略不計；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試管中運動的角度；飛片側面設刻線，便于高速攝像機拍攝飛片的旋轉運動軌跡，擬合飛片轉動的相關運動函數；圓片型結構是為了減輕飛片的質量，減輕飛片與測試管的摩擦，質量輕、摩擦小，利于飛片的運動，飛片平動距離變長，相當于擴大實驗現象，擬合的飛片平動函數更為精確，使得測試結果更為準確。固定塞中軸設孔，可將電引火藥頭固定于測試管一端。所述真空箱透明，便于高速攝像機拍攝；抽氣孔的設置，便于真空泵將真空箱內抽真空，防止大氣壓對飛片的運動產生影響，導致測試結果誤差過大。

本實用新型提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置的優(yōu)點和積極效果在于：該測試方法及裝置可通過測量飛片的運動狀態(tài)，間接測量出電引火藥頭的發(fā)火壓力及其動態(tài)變化，可以此來評估電引火藥頭的性能和探究電引火藥頭發(fā)火壓力對延期藥延期精度的影響。本實用新型有可靠的理論依據，操作方便，測量結果精確，為實際生產提供一定的理論依據。

下面結合實施例詳細描述本實用新型提供的電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置的技術方案。

附圖說明

圖1是本實用新型電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置的測試管結構示意圖；

圖2是本實用新型電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置的飛片結構示意圖；

圖3是本實用新型電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置飛片與測試管組合示意圖；

圖4是本實用新型電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置部分結構示意圖；

圖5是本實用新型電引火藥頭發(fā)火壓力測試裝置原理圖。

具體實施方式

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

真空泵選用藤原FUJIWARA型二級真空泵，真空度可達-98kpa。

測試時，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插入測試管1一端，由固定塞4固定，膠水密封。飛片2由測試管1另一端放入，將飛片2推至待測壓力處，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；將連接后的測試管1水平置于真空箱6內，密封真空箱6；用真空泵經抽氣孔7將真空箱6內部抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔7；將高速攝像機9垂直于測試管1軸線放置，記錄裝置10與高速攝像機9連接。啟動高速攝像機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)火過程產生的沖擊力、氣體壓力作用下，飛片2沿著測試管1軸線旋轉向前運動，飛片2停止后關閉高速攝像機9，飛片2運動過程由記錄裝置10記錄。

數據處理系統(tǒng)根據記錄裝置10記錄的飛片2不同時刻所對應的測試管1上刻度線的位置，以及不同時刻所對應的飛片2側面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火過程飛片2的運動狀態(tài)函數，從而求解出電引火藥頭發(fā)火壓力及其動態(tài)變化。

實施例一

參照圖1，測試管1為一根長550mm，內徑10mm，壁厚1.50mm的中空透明石英管，其上設有量程為550mm的刻度線，相鄰刻度值為1mm。

參照圖2，飛片2為圓片結構，材質為彩色輕質高強度石英，直徑9.96mm，厚1mm，其側面等間距設360條刻線，相鄰兩條刻線對應圓心角為1°。彩色飛片使高速攝像機拍攝飛片運動狀態(tài)更為清晰，利于測量精度的提高。

參照圖3，將飛片2置入測試管1，石英硬度高，摩擦系數小。

參照圖4，固定塞4外徑10mm，其中軸設孔徑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從測試管1一端置入，飛片2由測試管1另一端置入，推至待測壓力處。

參照圖5，將電引火藥頭的腳線3與發(fā)爆器8密封連接，測試管1水平放于真空箱6內，密封真空箱6，用真空泵經抽氣孔7將真空箱6抽真空，密封抽氣孔7，高速攝像機9垂直于測試管1軸線放置，高速攝像機9與記錄裝置10連接。

結合上述理論推導，數據處理系統(tǒng)根據記錄裝置10記錄的飛片2不同時刻所對應的測試管1上刻度線的位置，以及不同時刻所對應的飛片2側面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火時飛片2的運動狀態(tài)函數，從而求解出電引火藥頭的發(fā)火壓力及其動態(tài)變化。

上面所述的實施例僅僅是對本實用新型優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新型的構思和范圍進行限定。在不脫離本實用新型設計構思的前提下，本領域普通人員對本實用新型的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本實用新型的保護范圍，本實用新型請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。