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1、雷管起爆能力及其影响因素 火工品课程设计说明书 题 目： 雷管起爆能力及其影响因素 专 业： 特种能源技术与工程 学 号： * 姓 名： * 能源与水利学院摘 要 本文简要地讨论了雷管引爆炸药的机理，认为雷管引爆炸药的方式虽然可以分为爆轰波和破片两种，但在引爆矿山炸药的情况下，还应以雷管给出的爆轰波为主。只是在考虑雷管的安全距离时，由于破片飞得远，其作用是不容忽视的，这种讨论不论对雷管的设计者，还是使用者都是有益的。同时，研究覆铜管体和RDX装药量对雷管起爆能力的影响，通过用不同管体材质和不同RDX装药量制成的雷管起爆含水量不同的粉状炸药做实验，得出管体强度大的雷管起爆能力大的结论，以及研究工

2、程爆破雷管不同底部形状时的起爆能力。以此来分析出雷管起爆能力及其影响因素。关键词：爆轰波; 破片；起爆能力；装药量1 雷管起爆能力三要素通常把雷管的输出简化为三个要素，即冲击波、破片和热爆炸气体。根据具体实验条件不同，各起爆要素的作用不同。一般说来，雷管与装药直接接触时以冲击波方式起爆为主；有空气隙时以破片为主；而爆炸气体是在壳破之后才对起爆对象有压缩（冲击波）和热的作用。1.1 冲击波的起爆作用雷管中炸药爆炸后输出的冲击波压力为P，其值大小由雷管装药种类决定，作用时间取决于雷管中装药长度。 雷管在音信传爆序列中起爆下一级火工品或炸药时，由于彼此间经常有隔板、空气隙。纸垫等隔开，这样雷管爆炸输

3、出的冲击波要经过包括雷管壳底在内的多层介质的衰减，衰减后火速处的冲击波强度才是用于起爆的冲击波强度。 当一个药柱从一端引爆时，用高速摄影技术就可以发现:爆炸时从引爆端开始，以很高的速度(约1护米/秒)传到另一端。这样高速的爆炸我们称之为爆轰。近代的爆轰理论认为，炸药的爆轰可视为一个爆轰波在炸药中的传递。爆轰波是一个有自持化学反应的冲击波，当爆轰波通过炸药时，在爆轰波前沿上(厚度为1一10一4毫米)冲击波强烈地压缩炸药，使炸药发生化学变化，化学反应放出的热量，抵消了冲击波在传递过程中的能量损失(例如，粘性的损失等等)，使冲击波速度不衰减，能以一个稳定的速度传递。所以，爆轰波是一个自持的、稳定的、

4、有化学变化伴随着的冲击波。炸药的化学反应给爆轰波的能量越多，则爆轰波的速度也越高。在爆轰波后面，高温高压的爆炸气体产物随波向前运动。爆轰波波峰上的压力叫作爆压，爆压值随爆速而增加。对一般炸药来说，爆压P为: （1.1）式中D爆速(米/秒);p。炸药密度(克/厘米“);一般炸药”一3。例如黑索金，当其密度为1.8克/厘米“时，爆速为名800米/秒，则其爆压P=1/4x1.8x88002=350千巴。爆轰波给出的能量和波的爆压(峰压)及波的持续时间有关: （1.2）式中E能量(卡/厘米“); 41.84单位换算系数; P爆压(千巴); p炸药密度; 持续时间(微秒); D炸药爆速。将（1.2）式在

5、坐标上作图，见图1.1。 图1.1 临界爆炸条件时，爆压P和时间的关系1.2 破片的起爆作用 如果雷管和受主药柱之间存在空气隙，则雷管引爆后，雷管中高温高压的爆炸产物气体吧雷管壳炸破，并把壳的破片（近距离时是整个底片）推出，破片随距离加速至一定速度后又开始衰减。实验证明这种破片可以飞得很远，切衰减的很慢，不像爆炸气体压力随距离迅速下降。 高速破片撞击被发炸药上的起爆作用，和飛片起爆类似，属冲击波起爆。不同的是破片在炸药中所产生的是方形波，其起爆能量以表示，其中O为破片在炸药中造成的冲击波压力，为冲击波在破片中走一个来回的时间，故随破片厚度增加，P由雷管装药的威力造成的破片速度决定。 破片起爆炸

6、药时，起爆概率随破片速度增加而增大，但当雷管装药量一定时，破片速度会因破片质量增加而下降，冲击波持续时间则会随破片质量、厚度增加而增加。可见破片质量有反正两种作用，存在一个最佳值。因为破片故 设雷管破片的起爆模型如图1.1.1，并将计算结果以参数为坐标绘制成图1.1.2。由图可见，有一个最佳的破片厚度和总高的比，过着说最佳的药高中所占的百分数。由图中看到雷管底材料为铁时，破片起爆的最佳厚度比值小于铝与尼龙材料的最佳比值。图1.1.1 雷管破片起爆模型 图1.1.2 破片厚度和起爆能量的关系 1-铁；2-铝；3-尼龙1.3 热爆炸气体 在雷管壳破碎的瞬间，爆炸产物气体迅速冲出，具有高的温度和压力

7、，但此温度和压力随距离迅速下降。只在和被起爆炸药直接接触时有引燃引爆作用。同事考虑到爆炸时破片起爆作用在先，热爆炸气体在后，起爆作用主要由破片完成，一般就将爆炸气体的引爆作用忽略了。 总结上述，雷管起爆能力要素主要是冲击波（包括爆炸气体）和破片，近距离时以冲击波为主，距离较远时以破片为主。2 雷管起爆能力的空间分布2.1 雷管爆炸的方向性在使用雷管引爆炸药时，有时是利用其轴向起爆能力，有时也利用其侧向起爆能力，或二者同时利用。在工程爆破时将雷管插入炸药包引爆就是二者同时利用。曾将雷管支在空间，在其周围安放背起包的炸药块（药量要少到彼此之间不致殉爆），引爆雷管测出其起爆能力F的分布规律，见图2.

8、1.1中虚线。从图看出，轴向起爆能力比侧向更强些。Ja-hanson曾经做过一个实验，他把一个高爆速药柱放在炸药包中，测定各点的爆轰速度（见图2.1.2），也证明侧向的爆速不如轴向大。轴向为6000m/s，而侧向仅4400m/s。图2.1.1 雷管爆炸时的起爆能力分布图 图2.1.2 高速炸药引爆时的爆速分布上述说明雷管起爆能力空间分布有一死区A，引信设计中采用雷管和导爆药互相错开打到隔离保险的办法正式利用这一区域。2.1.2 雷管轴向起爆能力从雷管起爆要素看，其综合起爆能力是冲击波和破片两要素的加和，如图2.1.3。其中s线为雷管输出冲击波起爆能力沿轴向分布，它随离雷管底的距离增加而迅速衰减

9、，f线为雷管破片起爆能力沿轴向分布，由于雷管爆炸输出冲击波时，管壳有一个膨胀与鼓破过程，故破片和冲击波相比是过一定时间后先加速在衰减，雷管综合起爆能力j线是两者加合的结果，在冲击波衰减，破片起爆能力还未兴城市会出现一个起爆能力最低点。 图2.1.3 雷管轴向起爆能力3 雷管起爆能力的影响因素3.1 雷管装药的最佳径高比假设雷管的输出大小只与雷管中所装的猛炸药有关，这样可以用有效药高度与药柱长度L的关系可由图3.1.1表示。图中侧向角度以外的炸药对一维起爆没有贡献。其中有效装药高度的关系为：理论上装药的径向稀疏波平均速度约等于装药爆速D的二分之一，因此可以由下式确定: 图3.1.1 雷管有效装药

10、示意图 （a）Ld/由此，以直径d=3.0mm的雷管为例，其有效装药高度为比较可知：因此，雷管的最佳装药量设计科按照装药高等于雷管装药致敬时相对应的装药量。3.2 雷管中炸药的装药密度雷管输出主要取决于猛炸药。这样，猛炸药密度高时爆速大，输出冲击波的压力也大，起爆能力增加。故雷管中猛炸药装药密度一方面要求保证爆轰成长期短，另一方面又要求起爆能力大。较好的方法是炸药分两层装药，在和起爆药接触的一层密度低些，输出端密度适当大些。部分带加强帽的雷管压药时采用主装药用较大压力压药后，再加松装药并和加强帽一起用较小压力压合就是这一目的。炸药爆速随装药密度增加的例子见表3.2。由表可见，如果能用高密度的起

11、爆药来引爆高密度的猛炸药对提高雷管起爆能力有利。 表3.2 炸药装药密度与爆速的关系3.3 管壳材料和底厚利用轴向起爆能力时，增加管壳侧向强度是有利的。当侧壁强度足够是，其材料冲击阻抗大的轴向起爆能力好。壳底厚度的增加对直接解除起爆起衰减的作用，对于有空隙时的破片起爆，一般也是不利的。正如前面所讨论的那样，底的最佳厚度是很薄的。如果雷管中装药量少，则底片更应该薄，尤其是对只利用轴向起爆能力而起爆距离又不大（例如小于2mm）的雷管来说更是如此。如起爆距离比较大，破片质量大时动能也大，则底厚增加有好处。曾做过改变30针刺雷管底盖片厚度对起爆能力的影响，结果见图3.3。由图看，尽管因铝片厚度改变不大

12、，底厚对起爆能力影响不明显，但仍能看出起爆距离增大时，厚底片衰减慢。3.4 雷管底部形状对起爆能力的影响 雷管底部形状改变时，冲击波(和爆炸气体)和破片(或金属流)之间的能量分配和能流方向将有所改变。例如，在平底雷管中，由于引爆的局限(可以当作点起爆)以及其中药柱的直径小而受侧向的影响，可以看作雷管中的爆轰波面呈微凸形，爆轰波到底部时，冲击波和爆炸气体稍呈发散形。如果是凹形底，则爆炸波先到达凹底的顶点，然后逐步向下，即沿着凹底锥形面四周自顶向下(见图3.4.1)。由于爆炸气体有垂直于界面表面的性质，因而产生了会聚现象，从四周向锥形中心压缩。如果在空气中，就形成为聚能气流。这一聚能流由于切面积的

13、变化能量密度也变化（如图3.4.2）。在到达F点之前，随着离雷管底距离的增加，能量密度也增加;到达F点后，由于气流中质点的相互撞击而迅速地散开，能量密度减小。F点的准确位置难以测定，不过在空气中产生这种聚能现象时很明显的，而且可以认为在焦点F上有最高的能量密度，但作用面积很小。如在炸药中，只能说对被发炸药柱面的四周加压而已。因为炸药的反应自界面上开始，所以就等不到聚能流的作用了。当然整个锥形表面的反应是随着爆轰的进行而有先后的。如果是凸形底，而且凸的几何形状又和爆轰波阵面符合，则被发炸药有最大的同时起爆的面积。这种起爆面积的增加，是有利于爆轰成长的。平底的起爆面积介于凹、凸底之间。可见，凹底起

14、聚能作用增加单位面积上的能量密度，有利于起爆，但却牺牲了起爆面积，二者究竟谁是主要的要看实验结果来决定。 图3.4.1 凹底爆炸波运动方向示意图 图3.4.2 聚能流的变化形态3.4.1 试验方法和结果 实验采用了三种管壳材料，用同样工艺条件，装同样炸药(见图3.4.3)。纸管壳是六层牛皮纸卷成，没有底，雷管底部在装药时压成凹、平两种形状。铜管和铝管分别有凹、平、凸三种底部形状，其底形示意图见图3.1.2。受试炸药用2防水矿药和过筛的梯恩梯。 图3.4.3 雷管底部形状整个实验中采用了三种测试方法: 爆速法实验的装置见图3.4.4。用BS一2型爆速仪(测试精度0.1微秒)测定两靶(电探针)线间

15、的时间。每种雷管共测二点，即前中和后中，二者均在轴心。前中在雷管底安第一靶，后中在距雷管底50毫米处安第一靶，靶距50毫米。 图3.4.3 雷管装药条件实验结果见表3.4.1。由表中看到，不论哪一种雷管，几乎所有平底雷管起爆药包的前中部位爆速都比凹底雷管的爆速稍高。 表3.4 不同雷管引爆矿山炸药时爆轰成长期平均爆速 2.铅块炸坑体积法实验装置见图3.4.5。雷管放在纸圆筒内，筒中装炸药，上层炸药l克包在雷管周围，底层炸药量从1克增加到4克。装药时先装底层药，震平，放入雷管，再在雷管周围倒入上层药1克，然后轻轻放上有孔冲头，使雷管进入冲头中心孔，并将200克重铅块放在冲头上，借铅块的重量使炸药

16、的密度达到约1.。克/厘来3，而雷管要直立于炸药中。 图3.4.4 爆速测定装配示意图(单位为毫米)图3.4.5 铅块炸坑实验装置 雷管引爆后，在铅块中炸出凹坑。凹坑最低点深度用千分尺测量。凹坑体积用60#筛过筛、洗净、凉干的砂子填满，刮平，倒出砂子在台称上称重。台称精度为0.01克。砂子松装密度为1.28克/厘米“。凹坑边缘需在测量前磨去，使之和铅块表面平齐。 实验结果见表3.4.2。画成图为3.5、3.6、3.7、3.8。各图中a是砂重和底药重的关系;b是凹坑深度和底药重的关系。 表3.4.2 不同底形雷管起爆后铅块凹坑测量结果图3.5a纸管起爆时底药重和铅凹体积图 3.5b纸管起爆时底药

17、重和铅凹深关系 关系1一平底，2一凹底。 1一平底，2一凹底。图3.6a铜管起爆时底药重和铅凹体积 3.7b铝管起爆时底药重和铅凹深度关系 关系l一平底，2一凹底，3一凸底。 l一平底，2一凹底，3一凸底。图3.6b铜管起爆时底药重和铅凹深度 3.8a纸管起爆时底药梯恩梯重和铅关系 凹体积关系 1一平底，2一凹底，3一凸底。 l一平底12一凹底。图3.7a铝管起爆时底药重和铅凹体积 3.8b纸管起爆时底药梯恩梯重和铅凹关系 深度关系 1一平底，2一凹底，3一凸底。 1一平底，2一凹底。由图可以看到砂重和药量曲线的规律性较好，而凹深和药量关系曲线有的点离曲线较远，规律性较差。这是因为炸坑中心常出

18、现一个小而深的坑，这坑估计是雷管的作用，而不是被引爆的炸药造成的。测凹深时此小坑的影响很大。如果用炸坑体积(即砂重)来表示被发炸药的爆炸完全性，那么平底和凸底的比凹底的要好些。4 测定方法及差异 “铅板试验”是在规定的试验条件( 铅板规格、点火方式) 下，把雷管直立于铅板中心位置上起爆以铅板穿孔孔径表示其威力( 6 号和 8 号雷管的铅板厚度分别为 4 mm 和 5 mm) 。雷管底部爆炸冲击波、气体产物和破片( 如有聚能穴还产生射流) 综合作用于铅板，以铅板孔的平均直径大小衡量雷管起爆能力，从一定程度上能反映雷管的起爆能力，这种试验方法通常作为生产厂对雷管起爆能力验收检验项目。适用于工业电雷

19、管、导爆管雷管等雷管及试验用铅板的检验。 “铅板试验”又可称雷管的猛度测试试验，根据雷管装药的长径比，猛度理论计算出只有部分炸药作用于铅板，即 (4,1)式中: 为有效装药量; r 为装药半径; 为装药密度。 “高低温试验”是将雷管分别存放低温至 40 、常温和高温至 + 90 环境 4 h，取出后把雷管直立在边长 50 mm 50 mm，厚度 10 mm 的铝制见证板中心，测算低温与常温、高温与常温条件下铝板被炸出凹坑深度的比值。“水下爆炸试验”是雷管在一定容积水池内水下某一深度，爆炸产生球形冲击波和一定体积且膨胀 收缩的气泡脉动，冲击波峰值压力与衰减时间常数、气泡脉动周期与雷管装药的爆炸能

20、量具有对应关系。因而通过测量冲击波峰值压力、冲击波和气泡第一次收缩至最小直径之间的时间间隔，计算这些参数即可得出等效冲击波能和等效气泡能。综合上述的测定方法可以看出:“铅板试验”方法简单易行，用过的铅板可以回收，重铸后还可以反复使用，比较经济。但长期使用铅制品及熔铸铅挥发的铅蒸气会对操作人员产生积累性铅中毒，同时铅也会造成环境污染，是一种定性衡量起爆能力的方法。“高低温试验”考虑了很大范围的温度因素对起爆能力的影响，不使用铅制品，避免了操作人员铅中毒和环境污染。“水下爆炸试验”则利用传压性能好、各向同性的水介质传递，可分别测出的雷管爆炸能量，以规定炸药品种、装药量、压药压力、管壳材料和尺寸的参

21、比雷管为标准，被测雷管平均的冲击波能和气泡能与之相比应 90%。设计较为科学、严谨，是一种定量衡量起爆能力的方法。4.1 实验结果 为了测量飞片雷管的输出能量，与8号工业雷管进行起爆能力的比较，飞片雷管采用总药量为1.09、0.99、0.89三种装药。用分析夭平称药，装入复铜壳内，放入压模内用杠杆压力机压药，以保证药量准确，密度一致。各样品装药条件如表2.3.1。 表4.1 各样品装药条件参考文献 愠寿榕，赵衡阳，爆炸力学，北京：国防工业出版社，2005 牟金磊，朱锡，李海涛，等，炸药水下爆炸能量输出特性研究， 高压物理学报， 2010,24（2）：88-92 张立，爆破器材性能与爆炸性能效应测试，合肥： 中国科技大学出版社，2006 张立，水下爆破用ICP压力传感器的动态标定.煤矿爆破，1999,46（3）：710. CoLe P.水下爆炸.罗耀杰，译，北京：国防工业出版社，1960. 胡企强等，简易飞片无起爆药雷管研究，爆破器材，1994,23（1）：14 陈福梅，火工品原理与设计，北京：兵器工业出版社，1990