不同长径比药柱的空气冲击波参数特性研究.pdf

第2 9 卷第3 期 爆破 V o l 2 9N o 3 2 0 1 2 年9 月B L A S T I N GS e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 1 2 不同长径比药柱的空气冲击波参数特性研究水 张建华1 ，肖雄1 ，张丑2 ，吴芳1 ，杜文烨1 1 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 ；2 ．安徽理工大学化学工程学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要 为了研究爆破实践中常采用的不同长径比的柱状药包空气冲击波参数特性。根据动力模型实验 的相似关系，设计制作了6 组不同长径比的R D X 黑索今 药包，并完成了爆炸冲击波参数的测试实验。实 验结果表明药包长径比对冲击波性质有一定影响，冲击波最大压力上升时间随长径比的增大总体上表现为 增大趋势；冲击波峰值超压随长径比的增大表现为减小趋势；冲击波正压和负压作用时间随长径比的增大基 本保持不变。此研究的结果可作为进一步了解冲击波的参数特性和防爆安全的参考。 关键词‘爆炸冲击波；长径比；最大压力上升时间；峰值超压；正压作用时间；负压作用时间 中图分类号0 3 8 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 0 5 0 0 4 R e s e a r c ho fS h o c kW a v eS t r u c t u r eP a r a m e t e r so n D i f f e r e n tL e n g t h - d i a m e t e rR a t i o Z H A N GJ i a n h u a l ，X I A OX i o n 9 1 ，Z H A N GL i 2 ，删F a n 9 1 ，D UW e n y e l 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ；2S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ， A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T os t u d yt h es h o c kw a v es t r u c t u r eo fc o l u m nc h a r g ei nb l a s t i n ge n g i n e e r i n gw i t hd i f f e r e n tl e n g t h d i a m e t e rr a t i o ，a c c o r d i n gt ot h es i m i l a rr e l a t i o n s h i po fd y n a m i cm o d e lt e s t ，s i xg r o u p so fd i f f e r e n tl e n g t h d i a m e t e rr a t i o R D Xc o l u m nc h a r g e sw e r ed e s i g n e d ．T h ee x p l o s i o ns h o c kw a v ep a r a m e t e r st e s t i n gw e r ea l s op e r f o r m e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h el e n I g t h d i a m e t e rr a t i op l a y e dr o l ei nt h es h o c kw a v es t r u c t u r e ．T h et i m eu pt op e a kp r e s s u r ei n c r e a s e s a n dt h ep e a kp r e s s u r ed e c r e a s e sw i t ht h el e n g t h d i a m e t e rr a t i oi n c r e a s i n g 。W h i l et h e a c t i o nd u r a t i o no fs h o c kw a v e p r e s s u r ea n dn e g a t i v ep r e s s u r er e m a i n su n c h a n g e dw i t ht h el e n g t h d i a m e t e rr a t i oi n c r e a s i n g ． K e yw o r d s s h o c kw a v e ；l e n g t h ．d i a m e t e rr a t i o ；m a x i m u mp r e s s u r er i s et i m e ；m a i m u me x p l o s i o np r e s s u r e ； p o s i t i v ep r e s s u r ee f f e c tt i m e ；n e g a t i v ep r e s s u r ee f f e c tt i m e 目前，人们对冲击波的研究已深入到炸药在空 气、水和岩石等介质中爆炸的物理现象，用各种先进 的仪器来测量爆炸冲击波的各种参数，以用精确的 数字和公式来表征冲击波的特征⋯。人们对不同 形状的药包 如球形，条柱形，线形等 、同一形状而 收稿日期2 0 1 2 0 5 0 8 作者简介张建华 1 9 6 3 一 ，男，教授、博士生导师，从事采矿技术与 工程研究， E - m a i l z j h w u t s i n a ．c o m 。 基金项目贵州科技计划项目 黔科合2 0 1 0 3 0 6 5 号 ；武汉理工大学 研究生自主创新基金 2 0 m ．Z Y ．Z H ．0 2 3 不同密度药包、不同形状不同密度药包爆炸冲击波 各种性质和参数做了很多研究，对生产实践起到很 好的指导和帮助。然而我们做的各项研究都还不 够，现实的生产实践也确实说明了我们还需对不同 长径比的柱状装药爆炸冲击波进行研究，不同长径 比的柱状装药在实际生产实践中有很多应用，而且 不同长径比的装药爆炸产生的冲击波的性质也不一 样，产生的爆炸效应也就不一样。主要通过实验对 不同长径比下R D X 药柱爆炸冲击波参数最大压力 上长时间t ，、冲击波峰压△p 。、正压作用时间t 、负 万方数据 第2 9 卷第3 期张建华，肖雄，张立，等不同长径比药柱的空气冲击波参数特性研究 5 1 压作用时间t 一进行记录，研究，分析得出冲击波参 数随长径比A 的变化情况。 1 实验原理 装药在空气中爆炸时，爆炸所的生的高温、高速 爆轰产物强烈地冲击和压缩爆炸点周围的空气，而 形成了空气波⋯，如图l 。 ●’ 图1冲击波在空气中传播示意图 F i g ．1S p e c t r u mo fs h o c kw a v es p r e a d i n gi nt h ea i r 球形药包的装药半径为r ，以爆炸点为中心，在 距中心的距离为R 7 1 4 r 的范围内，是爆炸产 物的主要作用区；在距中心的距离为R 1 4 2 0 r 的范围内，是爆炸产物和冲击波共同作用区；而在 R 2 0 r 的范围内，主要是冲击波作用区【2 j 。研究空 气冲击波的性质和传播规律，可由实验来进行测量， 即通过实验来确定冲击波的参数冲击波压力A p 。， 最大压力上长时间t ，，正压、负压区作用时间t 、t 一。 爆炸参数有冲击波压力，正压、负压区作用时间 和冲量，而其中主要是研究冲击波压力随时间变化 的关系，简称尸 f 曲线。装药爆炸后，产生的冲击 波强烈压缩周围气体介质，当波阵面作用到自由场 压力传感器上时，使敏感元件发生形变，产生正比于 波阵面压力的电荷，该电荷经放大器放大后，被数字 化存储示波器存储并在屏幕上显示测试到的P t 曲线，从P t 曲线中可以得到冲击波压力△p 。，正 压作用时间t 、负压作用时间t 一、和冲量i ，如 图2 。“自由场”是指未受到外界扰动的流场日J ，在爆 炸冲击波测试中，自由场压力测试是一个重要的方 面。在自由场压力测量中要求传感器的外形、支撑 物的尺寸都有特殊的要求。这类传感器的敏感元件 安装在一个细长的流线型壳体的顶端，敏感面面向 两侧以保持一个流线型的整体。测量时将流线型传 感器的轴线平行于冲击波的传播方向，敏感元件工 作在“掠入射”状态，以确保不干扰原流场引。 凸p A p ． A ＼＼A p r 0 ，＼＼ ．． } f I _ ＼丫I j 图2 理想的空气冲击波P t 曲线 F i g ．2 T h ei d e a la i rs h o c kw a v eP t c u r v e 2 实验 2 ．1 实验测试系统 冲击波参数测试系统如图3 ，利用A H U T 爆破 实验室现有的实验设备组成如下的测试系统。 图3 空气冲击波参数测试系统示意图 F i g ．3 S c h e m a t i co fs h o c kw a v ep a r a m e t e r st e s ts y s t e m 所需设备与器材包括爆炸碉堡、C Y ．Y D - 2 0 2 自 由场压力传感器、S T Y V - 2 低噪音电缆线、Y E 5 8 5 3 电荷放大器、5 4 8 1 5 A 存储示波器及其他材料 8 号 工业电雷管1 8 个、钝化R D X P 1 ．1g ／c m 3 、放炮 线、起爆器、导通表、粘土泥、牛皮纸、胶水、剪刀、工 具刀、钢尺、游标卡尺等 。 2 ．2 实验过程 1 按照实验要求连接好测量系统。 2 用手指轻轻弹击自由场压力传感器的敏感 元件，以测试其是否正常工作。 3 按实验要求制作药卷，P 1 ．1g ／c m 3 每个药 包装钝化R D X 5 0g ①长径比A 0 ．5 ，直径d 5 ．2 0c m ，L 2 ．6 0 2 4 ．6 0c m ②长径比A 1 ，直径d 4 ．1 3c m ，L 4 ．1 3 2 6 ．1 3c m ③长径比A 1 ．5 ，直径d 3 ．6c m ，L 5 ．4 2 7 ．4e m ④长径比A 2 ，直径d 3 ．2 8e m ，L 6 ．5 6 2 8 ．5 6c m ⑤长径比A 2 ．5 ，直径d 3 ．0 4c m ，L 7 ．6 万方数据 5 2爆破 2 0 1 2 年9 月 2 9 ．6c m ⑥长径比A 3 ，直径d 2 ．8 6e m ，L 8 ．5 9 2 1 0 ．5 9c m 用牛皮纸并用胶水糊6 层，做3 组药卷，2 组对 照，1 组备用。 3 制作药包将土泥压实于药卷底部约1c m 高，然后将已剪好的圆纸板 直径与药卷相同 垫在 压实的土泥上，把5 0g 钝化R D X 一点点地倒人药 卷，边装边压实；在最上面再垫上已插入空雷管壳的 圆纸板，最后再填上封泥。 ‘ 4 将电荷放大器调整到适当的档位，使放大 器和示波器都处于等待触发状态。 5 从①号药包开始，将其送人爆炸碉堡中，悬 空在空中，使其中心对正传感器，并调整与传感器尖 端的距离为5 0c m ，人员撤离到安全地点后，起爆器 充电，起爆。．． 6 判读波形，读取数据并存盘。 7 重复以上步骤，进行下一炮测试。 2 ．3 实验数据处理及结果 1 冲击波峰值超压 ．k ‘S 烈 △p m 2 玄首 2 冲击波正压、负压作用时间￡ 、￡一分别为坐 标横轴上下曲线的时间。 ‘3 最大压力上长时间t ， t 一t ， 9 0 ％ 式中V m 为示波器显示的峰值电压，m V ；K 为电荷放 大器的灵敏度，m V ／p C ；S 。为传感器的压力一电荷敏 感度，p C ／M P a ；S q i 女为设定的灵敏度。 图4 即为实验中运用Y E 5 8 5 3 电荷放大器 最大输 入电荷量1 0 5p C ；电荷灵敏度0 ．1 ～1 1 3 0 0m V ／p C ；频率 范围l 一1 0 0l - l z ；精度误差 1 ．5 ％ 和5 4 8 1 5 A 存储示 波器 带宽5 0 0M H z ；最高采样率lG a s ／s ；通道数 4 个；内存3 2k B ／通道；分辨率1 2b i t ；垂直灵敏度 1m V ／d i v - 5V ／d i v ；时基范围5 0 0p s ／d i v 一2 0 s ／d i v 记 录导出的第1 组A O ．5 药包爆炸波形图。 根据实验测得的波形读取数据并处理，得到表l 。 a 4 为0 ．5 的5 0 9 R D X 第1 炮 b 彳为0 ．5 的5 0 9 R D X 第2 炮 图4 爆炸波形图 F i g ．4 B l a s tw a v e f i g u r e s 表1 实验数据处理结果 T a b l e1 E x p e r i m e n t a ld a 协p r o c e s s i n gr e s u l t s 万方数据 第2 9 卷第3 期 张建华，肖雄，张立，等不同长径比药柱的空气冲击波参数特性研究 5 3 2 ．4 实验结果分析 的曲线，如图5 。 根据表2 ，分别做出长径比A 和￡，、△p 。t 、t 一 ∞ i 匿 鲁 隶 J j 斗 蟮 表2 数据平均值 T a b l e2D a t aa v e r a g e 翌3 4 6 耋裟 营荔 藉3 1 6 量3 1 0 长径比4 a 长径比与最大上升时间关系 长径比4 C 长径比与冲击波正压作用时间关系 日0 ． 钆 窆O ． 弘 爝0 ． 宴o ． 差 萎 羹 长径比4 b 长径比与冲击波超压关系 长径比4 d 长径比与冲击波负压作用时间关系 图5 长径比A 与冲击波参数曲线图 F i g ．5 C u r v e so fAa n ds h o c kw a v ep a r a m e t e r s 1 根据A t ，曲线，分析可知药包随着其长径比 A 的增大冲击波的最大压力上升时间t ，呈上升趋势。 2 根据A 一卸。曲线，分析可知药包随着其长径 比A 的增大冲击波峰值超压△p 。总体上呈下降趋势。 3 根据A 叫 曲线，分析可知药包随着其长径 比A 的增大冲击波正压区作用时间t 基本没有多 大变化，在3 2 2 恤s 上下浮动。 4 根据A 叫一曲线，分析可知药包随着其长径 比A 的增大冲击波负压区作用时间t 一总体上没有 多大变化，7 5 0I x s 上下浮动。 3 结语 研究了不同长径比药包爆炸的空气冲击波的特 性，以冲击波理论知识为基础，通过实验手段，测得 冲击波的基本参数￡，、卸。、t 、t 一，在实验数据的基 础上，绘制A 一￡，、A 一△p m 、A 叫 和A f 一曲线，可以 得到结论冲击波最大压力上升时间随长径比的增 大总体上表现为增大趋势；冲击波峰值超压随长径 比的增大表现为减小趋势；冲击波正压和负压作用 时间随长径比的增大基本保持不变。对于我们进一 步了解冲击波的性质，为研究爆炸气体动力学、防爆 安全工程和炸药实际应用提供一些理论和实验基 础。考虑到实验过程中有一些误差，如制作药卷中 可能存在制作工艺的差异、装药时可能存在的称量 和药的压药密度的差异、雷管安装时不能做到完全 一样、传感器受到杂电干扰或其本身存在误差以及 最后读取数据时存在的误差等等，都可能造成实验 结果存在一定的偏差，因此，对于研究结论还有待进 一步论证。 下转第6 9 页 万方数据 第2 9 卷第3 期吴晓龙地下厂房桥机梁岩台基础开挖施工技术 6 9 上接第5 3 页 参考文献【R e f e r e n c e s 张立．爆破器材性能与爆炸效应测试[ M ] ．合肥．中 国科学技术大学出版社2 4 9 - 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