基于连续压导探针的炸药爆速和临界直径测试方法

doi ： 10.3969/j. issn. 1001-8352.2016.06.012

基

于

连

续

压

导

探

针

的

炸

药

爆

速

和

临

界

直

径

测

试

方

法

+

繆玉松李晓杰闰鸿浩王小红李科斌 大连理工大学工程力学系（大连辽宁，116024)

[摘要]

临界直径是确定炸药合理装药直径、预防炸药拒爆和不完全爆轰的重要指标，对炸药性能提高和高效

利用有着十分重要的意义。设计了一种连续压导探针和楔形装药装置，在对炸药爆速进行测试的同时，利用炸药 在临界直径不完全爆轰的特征，通过寻找爆轰波传播的拐点确定炸药临界直径。试验结果表明:装药密度为0.9 g/cm3的铵油炸药爆速为3 261 mA，临界直径为12.5 mm。提供了一种可同时测得炸药爆速和临界直径的方法，

该方法简单，试验费用低，对炸药参数测试具有一定的指导意义。[关键词][分类号]

爆炸力学；临界直径；压导探针；爆速；炸药参数 TD235.1

引言

炸药的临界直径是描述炸药能否完全爆轰的重 要参数。传统的炸药临界直径测试方法是通过对不 同装药直径的药卷进行传爆能力试验，通过观察药 卷的传爆情况来确定炸药的临界直径，由于该方法 分组多，难以保证每组试验参数的一致性[1]。因 此，新型的试验测试和模型计算方法被研制出来。 何远航等[2]基于二维定常爆轰理论和阵面形状控 制方程，给出了获取炸药临界直径的理论方法;于国 强等[3]通过建立炸药临界直径的Elman神经网络 预测模型，较准确地预测了 RDX、PA和TNT 3种炸 药的临界直径;张建雄等[4]利用末端带有聚能罩的

药柱形成聚能流的特性，通过见证板得到PBX炸药 的临界直径;梅震华等[5]通过板痕试验，得出膨化 铵油炸药的临界直径介于12 ~ 15 mm之间；冯志 红[6]应用有限元软件LS-DYNA3D对楔形和圆柱形 装药结构进行模拟，得出不同装药结构下的爆轰波 传播过程及楔形药柱下的炸药拒爆特性;李吉光[7] 通过自制的压药装置测定了不同乳化基质和乳化炸 药的临界药层厚度;腾威等[8]在分析同药卷直径炸 药性能的基础上，通过楔形装药测定了炸药的临界 直径。本文中，在炸药爆轰波传播特性的基础上，采 用连续压导探针和楔形装药的测试方法，得出炸药 爆速，进而推导出炸药的临界直径。1

临界直径

由于炸药爆轰时存在有侧向膨胀现象，致使反

应区的能量密度降低，爆轰波阵面强度降低，炸药反 应剧烈程度下降，进而使得爆轰波的传播速度降低。 当药柱直径减少到某一值时，爆轰反应区内的能量 已不足以补偿侧面能量损失，炸药则不能够达到稳 定爆轰的条件，称此时的装药直径为炸药的临界直 径尤。如图1所示，假设稀疏波到达炸药中心轴线 的时间为^，爆轰波阵面内的化学反应时间为k当 ^ 时，说明在稀疏波到达炸药轴线之前炸药已

经反应完全，反应区内的炸药能够到达完全爆轰;反 之，稀疏波到达炸药轴线增加爆轰波能量的损耗，致 使支撑爆轰波的能量不足，形成未完全爆轰区，最终 导致炸药的熄爆。

哈里顿在考虑爆轰能量侧向损失问题的基础

图1稀疏波对炸药爆轰的影响示意图 influenced by rarefaction wave

Fig. 1 Schematic diagram of detonation

来收稿日期:2016-07-10

作者简介:缪玉松（1986 -)，博士研究生，主要从事工程爆破和岩土工程研究。E-mail:393291800@qq. com

通信作者:李晓杰（1963 -)，博士，教授，博士生导师，主要从事爆炸力学、爆炸加工和特种爆破方面的研究。E-mail: dalian03@qq. com

• 62 •爆破器材

Explosive Materials

第45卷第6期

上，给出临界直径的估算公式[9]:尤二 2以2 〇

式中:C为爆轰产物的平均声速。

1)

( 1 }

楔形装药时，炸药在大于临界直径的情况下能 够正常爆轰，在高温高压的爆轰产物作用下，原处于 短路状态的电阻探针被压制导通，随着爆轰波的不 断推进，探针长度和电阻值均连续减小。探针随爆 轰的传播过程。当炸药达到临界直径位置时，炸药 因拒爆而不能产生致使探针导通的压力。因此，在

炸药临界直径受自身和外界多因素的影响。的结构均匀性要好很多，在爆轰过程中能量更为分

散，难以形成热点，在爆轰过程中需要更高的压力， 因此，一般液态要比固态炸药的临界直径要大。

炸药自身物理状态。同种炸药液态比固态 轰传播电阻值逐渐减小的过程，实际上就是炸药爆

知道楔形装药结构参数的基础上，通过导通段探针

2) 炸药化学反应速率。一般来讲，反应速率越 的电阻随时间的变化，得出爆轰波的推进距离，就可 快的炸药其反应宽度越窄，稀疏波越难以到达炸药 推出炸药的临界直径。中心轴线，临界直径也就越小。

3)

炸药颗粒度的影响。颗粒度越小，爆轰反应

速率越高，炸药爆轰阵面内的化学反应时间^也就 越小，炸药临界直径也相对越低。

4) 炸药密度的影响。在压实密度范围内，临界 直径一般随装药密度的增大而减小。

5)

炸药所处空间的影响。由于药柱所处介质 引起的侧向膨胀能量损失不同，因此，炸药的临界直 径也不同。

2连续压导探针测试方法 2.1

压导探针测试原理

爆速是衡量炸药及爆轰波传播性能的一个重要 参数。目前，常用的爆速测量方法可分为3大类， 即:类比法[1〇-11](导爆索法和导爆管法）、电测法[12] (电阻丝法和箔式探极法等）、光测法[13](光导索法 和扫描转镜法等）。压导探针测量技术隶属于电阻 丝法，其基本原理是利用爆轰产物的高压作用，将探 针导通，使测试回路形成连续变化的电信号，通过对 信号的采集、传输、放大和分析，实现对爆轰波速度 的连续测量。

在探针制作过程中，首先使用螺纹钢丝绳作为 骨架;然后将双股不间断电阻丝沿骨架布置（亦可 环绕）；为了避免电阻丝受外界电磁波、金属射流和 “管道效应”的影响[14]，在电阻丝布置完毕后沿骨架 缠绕铜箔;为防止探针在运送和安装过程中被破坏， 用热塑套管将上述元件包络在一起，最终得到外径 为2. 3 mm的压导探针，结构如图2所示。

1 -起爆点;2 -爆轰波;3 -热塑套管;4 -铜箔;5 -螺纹

钢丝绳;6 -电阻丝;7 -地线;8 - HandiTrapn接收器。

图2

连续压导探针剖面及作业示意图Fig. 2 Profile and operation schematic diagram

of pressure-conduction probe

2.2

数据处理方法

为保证探针导通数据的准确性和完整性，采用

加拿大MERL公司生产的Handitrapn连续爆速记录

仪进行数据的记录和储存。由于压导探针在爆轰波

压缩的过程中长度不断减小，其电阻值也不断减小， 设电阻丝电阻率为及。，探针长度为L。，则探针原有 电阻^可表示为：

RI = R0 • L0。

(2)

回路总电阻为：

R总=Ri + c。

(3)式中:C为常量，其值为测试回路中导线和仪器自身 的电阻。

假定测试过程中仪器提供的恒定电流值为/， 则测试回路中的初始电压R为：

V0=I(RI + C) =1 • R0 • L0+IC。 (4)

随着爆轰波阵面往前推进，探针长度逐渐缩短，

当其长度缩减为AL时，则单位时间At的电压下降 值AV为：

AV IR〇AL

At= At。

（5)

式中：AL/ At为单位时间内探针的缩短速率，实际

上为炸药爆轰传播的速度^，则

AL= 1 AVAt =IR0 . At。(6)

3临界直径测试 3.1

测试方法

制作楔形装药筒，装药筒中心布置有压导探针。 为保证探针与装药筒中心轴线的平行度，在装药筒 制作时，通过两端固定装置，提前在实验室内将探针 安插在装药筒内；同时，为避免雷管和炸药未达到稳

定爆轰而对测试结果有影响，探针头部预留炸药起

爆端距离为15 cm，现场试验装置如图3所示。

炸药的临界直径尤可由下式计算得到：^ c ~ ^1

(^1 _ ^2)。

(7)

2016年12月基于连续压导探针的炸药爆速和临界直径测试方法缪玉松，等• 63 •

表1 爆速和临界直径试验结果

Tab. 1 Test results of detonation velocity and critical diameter

图3

现场试验装置图

编

号

1#

0. 93 209

2#0. 93 299

3#0. 93 2750. 203

Fig. 3 Installation diagram of onsite test密度 p/(g • cm_3)爆速 D/(m • s_1)时间〖/ms

式中:^1为探针初始压导处的装药直径（由于炸药 从引爆到达到稳定爆轰需要一段距离，因此，探针头

部要留出一定的安全距离），cm;D为拟合得到的爆 轰波速度，m/s;i为爆轰波出现拐点的时间，ms;好 为楔形装药长度，m;尖为楔形装药小头直径，cm。 0.2110. 202

7. 50. 5

d1/ cm

d2/cm

测试电fi/Q

310

3173213.2

结论与分析

图4给出了一次试验得到的炸药爆轰波传播距 离的时程曲线图，由于在测试时预留了炸药达到稳 定爆轰段的距离，因此，数据可从探针被导通的最初 端开始，对数据进行一次曲线拟合，该曲线的斜率即 为爆轰波的传播速度。通过拟合曲线，可直接得出 密度为0.9 g/cm3的铵油炸药爆速为3 299 m/s，且 拟合相关度系数达到0. 997 6，说明该拟合值精度较 高。从图4中可以直接看出，拟合曲线和实际测量 在0. 202 ms时出现了拐点（如图中圆圈所示，拐点 前表示炸药正常爆轰段，拐点后表示冲击波作用 段），这样，通过式（7)和楔形装药参数就能够计算 出炸药的临界直径。

表1列出了密度为0.9 g/cm3的铵油炸药的试 验结果，其中，该铵油炸药的平均爆速为3 261 m/s， 临界直径均值为12. 5 mm。4

结论1)

通过楔形装药对炸药爆速和临界直径测试

试验得知，炸药的装药直径小于某一临界直径时，炸 药不能完全爆轰或产生拒爆的现象。

2)

连续压导探针得到的爆速测试结果与厂商

提供的参数（>2 800 m/s)基本一致，且拟合相关度 系数达到0. 997 6，说明连续压导探针在爆速测量方 面有着较高的可信度。

测试临界直径dc/mm

11.812.8

12.9

3)利用炸药在临界直径不完全爆轰的特征，通 过楔形装药和压导探针连续测量技术寻找炸药爆轰 拐点，可方便地获得炸药的临界直径。

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Detonation Velocity and Critical Diameter Testing Method for Explosive

Based on Pressure-conduct Probe Design

MIAO Yusong，LI Xiaojie，YAN Honghao，WANG Xiaohong，LI Kebin

Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology (Liaoning Dalian，116024)

[ ABSTRACT] As an important parameter to determine the reasonable charge diameter and avoid misfire and incomplete

detonation，the critical diameter of explosive has a vital signification on performance improvement and utilization efficiency. In this paper， a continuous pressure-conduct probe and wedge charge device was designed to measure the detonation veloci­ty of the explosive and its critical diameter was determined using the incomplete detonation characteristics and locating the detonation inflection point. The experimental results on the ANFO having a charge density of 0.9 gcm3 show a detonation velocity of 3 261 m/s and a critical diameter of 12.5 mm. It provides a simple and low cost method for testing detonation velocity and critical diameter of explosives at one time， which can be taken as a guideline for the determination of explosive parameters.[KEYWORDS ] mechanics of explosion ； critical diameter ； pressure-conduct probe ； detonation velocity ； explosive parameters