CN115586216A - 一种用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，包括：坑道主体与测试系统，所述坑道主体包括：加固段和试验段，所述加固段位于坑道一端的端口，加固段顶部的钢板上焊接多个用于悬挂炸药的挂钩，坑道主体的其余部分为试验段，试验段内均布有若干组传感器辅助固定机构；所述测试系统，包括：冲击波测试单元，采集坑道内空气冲击波的压力、冲击波速度数据；热效应测试单元，采集火球在坑道内运动时的温度；耗氧测试单元，对冲击传播过程中燃料粒子的反应特点进行量测。有益效果：通过设置爆源的加固段、设置传感器辅助固定机构的试验段配合围绕坑道搭建的测试系统以反映真实的爆炸释能，使得定量描述第二、第三阶段爆炸释能过程变得可行。

Description

一种用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置
技术领域
本发明涉及爆炸及工程防护技术领域，尤其涉及一种用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置。
背景技术
温压炸药由高爆炸药、高热值金属粉和其他添加剂组成，起爆后具有明显的三阶段释能过程，各阶段对爆炸毁伤元威力都有不同的贡献，准确描述各阶段能量释放特点对于评估温压炸药毁伤能力和指导温压炸药的配方优化具有重要意义。但第二阶段的无氧燃烧与第三阶段有氧燃烧都有燃料粒子参与反应，且燃料粒子在两阶段的反应具有不同的时空尺度，在封闭、半封闭等空间约束作用下可以得到不同的释能条件，因此第二、第三阶段爆炸释能过程是非定常、不理想的，因此难以通过现有爆炸力学理论和数值模拟进行定量描述。
搭建坑道模型，通过坑道的狭长空间约束作用限制燃料粒子在波阵面上的散失速度，能够放大温压炸药第二、三阶段的时空尺度，使第二、三阶段的释能过程对毁伤元威力贡献的区别更加明显。对爆炸冲击波、温度、耗氧等毁伤元进行测试，得到的时空分布特征进以及传播规律，进而分析温压炸药的爆炸释能机制是一种可行的办法。但目前没有以研究温压炸药释能过程为目标的坑道模型，在已有的坑道试验中，测量得到的冲击波、温度、氧浓度变化等试验数据受到了测试手段响应频率、采集频率、通道数等方面的限制，不能反映真实的爆炸释能过程。
发明内容
本发明目的在于针对现有温压炸药爆炸释能机制研究所设计的试验装置和试验技术的不足，提供了一种能够开展不同当量梯度的温压炸药爆炸试验的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，具体由以下技术方案实现：
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，包括：坑道主体与测试系统，所述坑道主体包括：加固段和试验段，所述加固段位于坑道一端的端口，加固段贴合于混凝土坑道的内外壁布置有用于提高抗爆性的钢板，加固段的顶部焊接多个用于悬挂炸药的挂钩，坑道主体的其余部分为试验段，试验段内均布有若干组传感器辅助固定机构；所述测试系统，包括：
冲击波测试单元，采集坑道内空气冲击波的压力、冲击波速度数据；
热效应测试单元，采集火球在坑道内运动时的温度，推演爆轰近区的火球演化过程；
耗氧测试单元，对冲击波传播过程中所在位置燃料粒子耗氧百分比进行量测。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述钢板的底端焊接多根钢筋，所述钢筋向地下打入锚索，并通过注浆进行锚固。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述传感器辅助固定机构包括布置于坑道中心线的立式传感器支架与布置于地面和坑道主体侧墙的圆罐式安装座。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述冲击波测试单元包含：
空气超压传感器，采用笔形自由场传感器，将采集到的应力信号转化成电信号，进行记录和存储；
地面压力传感器与侧壁面压力传感器，采用杆式PCB压力传感器，所述杆式PCB压力传感器的敏感面与地面或壁面齐平，将采集到的力学信号转化为电信号，进行记录和存储
冲击波到时传感器，采用光纤圈传感器，将监测到的瞬间光信号突跃转化为电信号，进行记录储存。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述笔形自由场传感器的数目不少于16支，其中13支分别安装在所述立式传感器支架上，其余笔形传感器安放在坑道外，笔形自由场传感器的针尖指向爆心。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述杆式PCB压力传感器安装于所述圆罐式安装座中，杆式PCB传感器的数量不少于29支，其中26支分别安装在坑道地面和侧壁面上，其余杆式PCB传感器布置在坑道外。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述光纤圈传感器的半径大于5cm。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述光纤圈传感器在坑道内三倍等效直径距离范围内紧密布置于铁丝上，其余的光纤传感器设置于立式传感器支架上。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，光纤圈传感器与立式支架或铁丝间通过泡沫双面胶带粘接以防止爆炸地震波引起的光纤圈信号误导。
所述用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的进一步设计在于，所述热效应测试单元包括：
瞬态多谱线测温器，通过布设于坑道口外的光纤探头采集到的光信号转化成电信号；
接触式热电偶测温器，固定于立式传感器支架上，对所述爆炸当量范围内温压炸药爆炸释能各阶段的温度变化特征进行捕捉。
本发明的优点：
本发明的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置通过设置爆源的加固段、设置传感器辅助固定机构的试验段配合围绕坑道搭建的测试系统以反映真实的爆炸释能，使得定量描述第二、第三阶段爆炸释能过程变得可行。
附图说明
图1为本发明用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的结构示意图。
图2为本发明用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的加固段的截面示意图。
图3为本发明用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置的试验段的截面示意图。
图4为传感器布置示意图。图5为冲击波到时测量系统中的光纤圈传感器布置示意图。
图6为温压爆炸试验的坑道内空气冲击波超压时程演化过程示意图。
图7为温压爆炸试验的坑道内地面压力时程演化过程示意图。
图8为温压爆炸试验的坑道内侧壁面压力时程演化过程示意图。
图9为温压爆炸试验的氧气浓度变化示意图。
图10为温压爆炸试验的热电偶温度测试结果。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
本实施例的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，主要由坑道主体与测试系统组成。坑道主体包括：加固段1和试验段2，参见图1。本实施例的坑道主体由钢筋混凝土浇筑而成，断面形状为直墙半圆拱形，直墙高度为1.8m，半圆拱形直径为1.8m，主体结构长度为30m，坑道长径比约为16.7:1，坑道外覆厚土层，厚土层可以吸收爆炸后传递至坑道结构上的应力波，避免裸坑道结构出现的反射拉伸破坏。加固段1位于坑道一端的端口，加固段1贴合于混凝土坑道的内外壁布置有用于提高抗爆性的钢板，加固段1顶部的钢板上焊接多个用于悬挂炸药的挂钩12。坑道主体的其余部分为试验段2，试验段2内均布有若干组传感器辅助固定机构21、22。
测试系统围绕坑道搭建，主要由：冲击波测试单元、热效应测试单元以及耗氧测试单元组成。其中，冲击波测试单元，采集坑道内空气冲击波的压力、冲击波速度数据。热效应测试单元，采集火球在坑道内运动时的温度，推演爆轰近区的火球演化过程。耗氧测试单元，对冲击波传播过程中所在位置燃料粒子耗氧百分比进行量测。
如图1，钢板11的底端焊接多根钢筋13，钢筋向地下打入锚索14，并通过注浆进行锚固。
如图2，本实施例的传感器辅助固定机构主要由布置于坑道中心线的立式传感器支架21与布置于地面和坑道主体侧墙的圆罐式安装座22组成。墙体上还预留有供各传感器通讯数据线缆通过的PVC管道23。
本实施例的冲击波测试单元主要由：空气超压传感器、地面压力传感器与侧壁面压力传感器以及冲击波到时传感器组成。空气超压传感器，采用笔形自由场传感器，将采集到的应力信号转化成电信号，进行记录和存储。地面压力传感器与侧壁面压力传感器，采用杆式PCB压力传感器，杆式PCB压力传感器的敏感面与地面或壁面齐平，将采集到的力学信号转化为电信号，进行记录和存储。冲击波到时传感器，采用光纤圈传感器，将监测到的瞬间光信号突跃转化为电信号，进行记录储存。
本实施例的笔形自由场传感器的数目不少于16支，其中13支分别安装在立式传感器支架上，其余笔形传感器安放在坑道外，笔形自由场传感器的的针尖指向爆心。本实施例的笔形传感器为高响频传感器，响应时间在1us之内，采样频率1MHz/s，用于记录温压炸药爆炸释能过程中坑道内及自由场空间空气冲击波压力的时程变化，量程在3.4MPa-0.34MPa之间，能够采集波速为350-2000m/s的冲击波的时程曲线。
本实施例的杆式PCB压力传感器安装于圆罐式安装座中，杆式PCB传感器的数量不少于29支，其中26支分别安装在坑道地面和侧壁面上，其余杆式PCB传感器布置在坑道外。本实施例的杆式PCB压力传感器为高响频传感器，响应时间在1us之内，传感器量程在0.34MPa-6.8 MPa之间，能够对具有燃料粒子在坑道地面和壁面约束作用下产生的后燃效应进行测量。
光纤圈传感器的半径大于5cm，能够在数百兆帕（MPa）-数十千帕(kpa)的空气冲击波作用下发生弯曲，影响输入光纤内光信号的传播，形成信号突跃，响应时间为微秒级，因此可以记录为应力波到达时间，并根据所述到达时间和记录位置可以确定冲击波在坑道的速度变化过程。
光纤圈传感器在坑道内三倍等效直径（等效直径为根据坑道等效截面积计算得到的直径，该定义为本领域技术人员所熟知的公知常识）距离范围内紧密布置于铁丝上，其余的光纤传感器设置于立式传感器支架上。本实施例具体为：在前5根立式传感器支架上，各布置5支光纤圈传感器，用于确定冲击波波阵面的演化过程。在悬挂炸药的铁丝与第4根立式传感器支架之间连接一个细铁丝，每20cm固定一只光纤圈传感器。从第五根立式支架起，每根支架上固定一只光纤传感器，用于记录温压炸药爆轰及无氧爆燃后空气冲击波在坑道内的流动过程。根据所述布置方式形成了局部加密，整体布置的布置特点，速度测量精度可达5m/s。
光纤圈传感器与立式支架或铁丝间通过泡沫双面胶带粘接以防止爆炸地震波引起的光纤圈信号误导。
热效应测试单元主要由：瞬态多谱线测温器、接触式热电偶测温器组成。其中，瞬态多谱线测温器，通过布设于坑道口外的光纤探头采集到的光信号转化成电信号。触式热电偶测温器，固定于立式传感器支架上，对爆炸当量范围内温压炸药爆炸释能各阶段的温度变化特征进行捕捉。
本实施例的耗氧测试单元采用若干个氧浓度传感器，氧浓度传感器分别固定于坑道侧壁底端。
以下本实施给出一则具体试验示例：
本实施例搭建的用于研究温压炸药爆炸释能规律的坑道装置的坑道主体加固段长3m，坑道内外壁贴合包覆1cm厚钢板，坑道试验段长27m，试验段内每2m搭建一组传感器固定结构，每组传感器固定结构包括一个立式传感器支架，两个圆罐式安装座，其中立式传感器支架位于坑道中心线上，圆罐式安装座分别预埋在坑道内的地面和侧墙内，圆罐式安装座与PVC管相连接。在立式传感器支架上安装了笔形自由场传感器，自第一个至最后一个，量程分别为：3.4MPa、3.4MPa、1.7MPa、1.7MPa、1.7MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa。在地面和侧墙预埋的圆罐式安装座安装了杆式PCB传感器，杆式PCB传感器的量程分为：6.8MPa、3.8MPa、3.4MPa、3.4MPa、1.7MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa、0.34MPa。在第1、2、3、4、7、9、12个立式传感器支架上同时固定了铂铑丝热电偶温度传感器。在坑道外部布置三根立式传感器支架，预埋三只圆罐式安装座，位置与坑道内靠近口部的固定结构位置相同，分别安装笔形自由场传感器、铂铑丝热电偶温度传感器以及杆式PCB压力传感器。在坑道内安装4个氧浓度传感器，分别固定在距离爆心7m，11m，19m和23m坑道侧壁底端。调试完成以上测试系统后，开展了药量为0.3kg、0.5kg、1kg、2kg和3kg的温压爆炸试验，部分试验结果如图6-图10所示。结合氧浓度的变化特点、压力时程曲线以及温度时程曲线可以看到温压炸药爆炸后不同位置处的能量释放特点，对应着温压炸药的第二、三阶段的释能过程。证明本发明专利提出的坑道试验装置是有效的。
在本发明的进一步设计方案中，根据所述加固方式，坑道模型的抗爆性能大幅提高，能够开展口内爆炸实验，同时能够开展更大爆炸当量的堵口爆炸实验和口外爆炸实验，使所述坑道具有当量梯度宽阔的温压炸药爆炸实验能力，所述当量梯度具体体现在：口内爆炸当量最高可达6kg，堵口爆炸10kg，口外1m-7.5m的范围内可以开展1-400kgTNT当量的温压炸药爆炸实验。
所述坑道具有狭长的空间特点，对波阵面的扩展和粒子的散失具有约束作用，能够避免波阵面持续扩张引起的燃料粒子浓度下降，使波阵面能够携带燃料粒子在试验段流动相对较长的时间，产生的空气冲击波在坑道内传播70ms以上，为温压炸药各阶段的释能过程提供充足的时空区间。
本发明的进一步设计方案中，围绕坑道开展口内爆炸、堵口爆炸和口外爆炸三种爆炸的实验可以得到坑道内温压炸药爆炸能量不同耦合程度下的冲击波传播规律。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于包括：坑道主体与测试系统，所述坑道主体包括：加固段和试验段，所述加固段位于坑道一端的端口，加固段贴合于混凝土坑道的内外壁布置有用于提高抗爆性的钢板，加固段的顶部焊接多个用于悬挂炸药的挂钩，坑道主体的其余部分为试验段，试验段内均布有若干组传感器辅助固定机构；所述测试系统，包括：
冲击波测试单元，采集坑道内空气冲击波的压力、冲击波速度数据；
热效应测试单元，采集火球在坑道内运动时的温度，推演爆轰近区的火球演化过程；
耗氧测试单元，对冲击波传播过程中所在位置燃料粒子耗氧百分比进行量测。
2.根据权利要求1所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述钢板的底端焊接多根钢筋，所述钢筋向地下打入锚索，并通过注浆进行锚固。
3.根据权利要求1所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述传感器辅助固定机构包括布置于坑道中心线的立式传感器支架与布置于地面和坑道主体侧墙的圆罐式安装座。
4.根据权利要求3所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述冲击波测试单元包含：
空气超压传感器，采用笔形自由场传感器，将采集到的应力信号转化成电信号，进行记录和存储；
地面压力传感器与侧壁面压力传感器，采用杆式PCB压力传感器，所述杆式PCB压力传感器的敏感面与地面或壁面齐平，将采集到的力学信号转化为电信号，进行记录和存储
冲击波到时传感器，采用光纤圈传感器，将监测到的瞬间光信号突跃转化为电信号，进行记录储存。
5.根据权利要求4所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述笔形自由场传感器的数目不少于16支，其中13支分别安装在所述立式传感器支架上，其余笔形传感器安放在坑道外，笔形自由场传感器的针尖指向爆心。
6.根据权利要求4所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述杆式PCB压力传感器安装于所述圆罐式安装座中，杆式PCB传感器的数量不少于29支，其中26支分别安装在坑道地面和侧壁面上，其余杆式PCB传感器布置在坑道外。
7.根据权利要求4所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述光纤圈传感器的半径大于5cm。
8.根据权利要求4所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述光纤圈传感器在坑道内三倍等效直径距离范围内紧密布置于铁丝上，其余的光纤传感器设置于立式传感器支架上。
9.根据权利要求8所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于光纤圈传感器与立式支架或铁丝间通过泡沫双面胶带粘接以防止爆炸地震波引起的光纤圈信号误导。
10.根据权利要求1所述的用于研究温压炸药爆炸释能机制的坑道装置，其特征在于所述热效应测试单元包括：
瞬态多谱线测温器，通过布设于坑道口外的光纤探头采集到的光信号转化成电信号；
接触式热电偶测温器，固定于立式传感器支架上，对所述爆炸当量范围内温压炸药爆炸释能各阶段的温度变化特征进行捕捉。
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