CN106556292B - 电引火药头产气量及产气速率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电引火药头产气量及产气速率测试方法，通过测量气体产物的体积和体积扩大速率，来表示电引火药头产气量及产气速率。真空条件下，设计一个与电引火药头接触的活塞，利用高速摄像机拍摄电引火药头发火过程中活塞在测试管中的运动轨迹，简化成活塞运动模型，利用数学手段处理活塞运动模型的相关数据，得出电引火药头的产气量、产气速率及其动态变化。本发明解决了电引火药头产气量及产气速率动态测量的难题，有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确。

Description

电引火药头产气量及产气速率测试方法

技术领域

本发明涉及火工品测试技术，特别涉及电引火药头产气量及产气速率的测试。

背景技术

常用的延期电雷管，其延期药的点火方式为电引火药头受热燃烧点火。目前，我国常用的电引火药头多为桥丝式、钢片式，在其上涂有一定量的点火药，通电后桥丝或钢片升温引燃点火药，为延期药提供起始能量。电引火药头发火过程中产生气体的量及产生气体的速率会使延期药的点火时间、燃烧环境压力和燃烧速度不同，从而影响延期电雷管的延期精度。所以对电引火药头产气量及产气速率的测试还是尤为重要的。

发明内容

本发明提供的电引火药头产气量及产气速率测试方法，能够精确测量出电引火药头的产气量及产气速率随时间的动态变化，可作为评估电引火药头性能和测量电引火药头产气量及产气速率对延期药延期精度影响的一种测试手段，为提高延期电雷管精度提供一定的理论指导。

本发明采用的技术方案是：通过测量气体产物的体积和体积扩大速率，来表示电引火药头产气量及产气速率；真空条件下，设计一个与电引火药头接触的活塞，利用高速摄像机拍摄电引火药头发火过程中活塞在测试管中的运动轨迹，简化成活塞运动模型，利用数学手段处理活塞运动模型的相关数据，得出电引火药头上点火药燃烧产生气体的量及产生气体的速率。

其理论推导为：

活塞为底面圆形，中心纵切面为“凹”型的结构，测试过程中受到冲击，活塞在测试管中一边以活塞中心旋转，一边沿测试管轴线向前运动。将该过程分解成定轴旋转运动和沿测试管平动两个过程，且电引火药头产气量及产气速率只与活塞平动过程与测试管内壁之间形成的空间体积有关，故只需求解出活塞平动的相关函数。

对活塞沿测试管平动过程：

高速摄像机拍摄测试管内活塞平动轨迹，采集活塞平动距离与所对应时刻，利用数据处理系统拟合活塞平动距离D与时间T的函数关系：

D＝A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+…A_nTⁿ (1)

式(1)中：A₀…A_n为待定系数；

在电引火药头发火过程气体产物的作用下，活塞平动与测试管内壁形成圆柱体空间，其体积值即为电引火药头的产气量，结合测试管内壁半径d：

V＝πd²·D＝πd²·(A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+…A_nTⁿ) (2)

式(2)即为产气量V随时间T变化的函数关系，式(2)对时间T求导：

则产气速率u为：

u＝πd²·(A₁+2A₂T+3A₃T²+…nA_nT^n-1) (4)

由数据处理系统拟合出活塞平动的函数式(1)，根据式(2)求解电引火药头的产气量随时间的动态变化，再由式(3)、(4)求解电引火药头的产气速率随时间的动态变化情况。

为了实现上述过程，本发明的装置设计包括：测试管，活塞，固定塞，真空箱，高速摄像机，记录装置，真空泵和数据处理系统；所述测试管为一根设有刻度线的中空透明刚性管体；活塞为刚性材质，底面为圆形，中心纵切面为“凹”型，其底面外径略小于测试管内径；固定塞为圆柱体结构，其外径与测试管内径契合，中轴设孔，其孔径与电引火药头的塑料塞外径一致；真空箱为一长方体透明箱，其上设抽气孔、发爆器。

常用电引火药头发火时间为毫秒级，则高速摄像机拍摄频率至少为1000帧/秒。

测量所需为普通真空条件，普通实验用真空泵即可。

测试时，将电引火药头的脚线穿过固定塞中轴的孔，至电引火药头的塑料塞与固定塞的孔相契合，用胶水固定、密封；将固定有电引火药头的固定塞插入测试管一端，由固定塞固定，胶水密封；活塞由测试管另一端放入，其“凹”型结构底面对准电引火药头，至活塞底面与药头相接触，将电引火药头的脚线连接至真空箱上的发爆器；将连接后的测试管水平置于真空箱内，密封真空箱；用真空泵经抽气孔将真空箱内抽至真空状态，密封抽气孔；高速摄像机垂直于测试管轴线放置，记录装置与高速摄像机连接。启动高速摄像机、记录装置；发爆器充电后引燃电引火药头，活塞在测试管中旋转沿轴线向前运动，活塞停止后关闭高速摄像机，活塞运动过程由记录装置记录。数据处理系统根据记录装置记录的活塞不同时刻所对应的测试管上刻度线的位置，拟合出电引火药头发火时活塞的运动状态函数，结合测试管内壁半径，求解产气量、产气速率及其随时间的动态变化。

本发明提供的电引火药头产气量及产气速率测试方法，所涉及的测试管为一根中空的透明刚性管，便于高速摄像机拍摄活塞的运动轨迹，测试管上刻度线是为了准确定位活塞的平动距离，拟合活塞平动的相关函数；活塞为刚性结构，其底面直径略小于测试管内径，便于活塞在测试管内的运动，又使在抽真空过程中，活塞两侧的气压与真空箱内的气压保持一致，从而保证抽真空过程中不会因为内外气压差导致的活塞移动，由于该缝隙很小，电引火药头发火过程为毫秒级，点火药化学反应快、产气速率快，气体快速向抵抗力小的活塞端膨胀，极少量的气体从活塞与测试管之间的狭小缝隙流向真空箱，其对活塞运动状态和最终测试结果的影响很小，可忽略不计；活塞“凹”型结构边缘，能很好的固定活塞在测试管中运动的角度；“凹”型结构是为了减轻活塞的质量，减轻活塞与测试管的摩擦，质量轻、摩擦小，利于电引火药头发火过程中活塞的运动，活塞平动距离变长，相当于扩大实验现象，拟合出的活塞平动函数更为精确，使得测试结果更为准确。固定塞中轴设孔，可将电引火药头固定于测试管一端。所述真空箱透明，便于高速摄像机拍摄，抽气孔的设置，便于真空泵将真空箱内抽真空，防止大气压对活塞的运动产生影响，导致测试结果误差过大。

本发明提供的电引火药头产气量及产气速率测试方法的优点和积极效果在于：可精确测量发火过程中，电引火药头的产气量、产气速率及其动态变化，以此来评估电引火药头的性能和探究电引火药头产气量及产气速率对延期药延期精度的影响。本发明有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确，为实际生产提供一定的理论依据。

下面结合实施例详细描述本发明提供的电引火药头产气量及产气速率测试方法的技术方案。

附图说明

图1是本发明电引火药头产气量及产气速率测试方法的测试管结构示意图；

图2是本发明电引火药头产气量及产气速率测试方法的活塞结构示意图；

图3是本发明电引火药头产气量及产气速率测试方法部分结构示意图；

图4是本发明电引火药头产气量及产气速率测试方法原理图。

具体实施方式

高速摄像机选用NAC Memr ecam HX-3型彩色高速摄像机，拍摄频率为130万fps。

真空泵选用藤原FUJIWARA型二级真空泵，真空度可达-98kpa。

测试时，将电引火药头的脚线3穿过固定塞4的孔，至电引火药头的塑料塞与固定塞4的孔相契合为止，用胶水固定、密封；将固定有电引火药头的固定塞4插入测试管1一端，由固定塞4固定，胶水密封。活塞2由测试管1另一端放入，至活塞2与电引火药头相接触，其底面对准电引火药头，将电引火药头的脚线3密封连接至真空箱6上的发爆器8；将连接后的测试管1水平置于真空箱6内，密封真空箱6；用真空泵经抽气孔7将真空箱6内部抽至真空状态，密封抽气孔7；将高速摄像机9垂直于测试管1轴线放置，记录装置10与高速摄像机9连接。启动高速摄像机9、记录装置10；发爆器8充电后引燃电引火药头，活塞2瞬间沿着测试管1轴线旋转向前运动，活塞2停止后关闭高速摄像机9，活塞2运动过程由记录装置10记录。

数据处理系统根据记录装置10记录的活塞2不同时刻所对应的测试管1上刻度线的位置，拟合出活塞2的运动状态函数，求解电引火药头的产气量、产气速率及其动态变化。

实施例一

参照图1，测试管1为一根长550mm，内径10mm，壁厚1.50mm的中空透明石英管，其上设有量程为550mm的刻度线，相邻刻度值为1mm。

参照图2，活塞2为底面圆形，中心纵切面为“凹”型的结构，其材质为彩色高强度石英，底面直径9.96mm，厚1mm，其侧壁长2mm、厚0.50mm。彩色活塞使高速摄像机拍摄活塞运动状态更为清晰，利于测量精度的提高。

参照图3，固定塞4外径10mm，其中轴设孔径8mm的孔，将桥丝式电引火药头的脚线3穿过固定塞4的孔，至电引火药头的塑料塞与固定塞4的孔相契合，用胶水固定、密封；将固定有电引火药头的固定塞4从测试管1一端置入，将活塞2于测试管1另一端置入，至活塞2与电引火药头相接触，其底面对准电引火药头。

参照图4，将电引火药头的脚线3与发爆器8密封连接，测试管1水平置于真空箱6内，密封真空箱6，用真空泵经抽气孔7将真空箱6内抽真空，密封抽气孔7，高速摄像机9垂直于测试管1轴线放置，记录装置10与高速摄像机9连接。

结合上述理论推导，数据处理系统根据记录装置10记录的活塞2不同时刻所对应刻度线的位置，拟合出活塞2的平动函数，结合测试管1内壁半径求解电引火药头的产气量、产气速率及其动态变化。

上面所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.电引火药头产气量及产气速率测试方法，与其配套的测试装置包括：测试管，活塞，固定塞，真空箱，高速摄像机，记录装置，真空泵和数据处理系统；其特征在于：所述测试管为一根长550mm，内径10mm，壁厚1.50mm的中空透明石英管，其上设有量程为550mm的刻度线，相邻刻度值为1mm；所述活塞为底面圆形，中心纵切面为“凹”型的结构，其材质为石英，底面直径9.96mm，厚1mm，其侧壁长2mm、厚0.50mm；所述固定塞外径10mm，其中轴设孔径8mm的孔，与电引火药头上塑料塞的外径一致；所述真空箱为一长方体透明箱，其上设抽气孔、发爆器；其测试方法的特征在于：通过测量气体产物的体积和体积扩大速率，来表示电引火药头的产气量及产气速率；真空条件下设计一个与电引火药头接触的活塞，利用高速摄像机拍摄电引火药头发火过程中活塞在测试管中的运动轨迹，简化成活塞运动模型，利用数学手段处理活塞运动模型的相关数据，得出电引火药头上点火药燃烧产生气体的量及产生气体的速率；

活塞测试过程中受到冲击，在测试管中一边以活塞中心旋转，一边沿测试管轴线向前运动；将该过程分解成一个定轴旋转运动和沿测试管平动两个过程，且电引火药头产气量及产气速率只与活塞平动过程与测试管内壁之间形成的空间体积有关，故只需求解出活塞平动的相关函数；

对活塞沿测试管平动过程：

高速摄像机拍摄测试管内活塞平动轨迹，采集活塞平动距离与所对应时刻，利用数据处理系统拟合活塞平动距离D与时间T的函数关系：

D＝A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+…A_nTⁿ (1)

式(1)中：A₀…A_n为待定系数；

在电引火药头发火过程气体产物的作用下，活塞平动与测试管内壁形成圆柱体空间，其体积值即为电引火药头的产气量，结合测试管内壁半径d：

V＝πd²·D＝πd²·(A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+…A_nTⁿ) (2)

式(2)即为产气量V随时间T变化的函数关系，式(2)对时间T求导：

<mrow> <mi>u</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;pi;d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

则产气速率u为：

u＝πd²·(A₁+2A₂T+3A₃T²+…nA_nT^n-1) (4)

由数据处理系统拟合出活塞平动的函数式(1)，根据式(2)求解电引火药头的产气量随时间的动态变化，再由式(3)、(4)求解电引火药头的产气速率随时间的动态变化。