发射药落锤撞击试验及评价方法研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001 ̄8352. 2014. 02. 004 发射药落锤撞击试验及评价方法研究 ❋ 周 敬 杨丽侠 陈晓明 张邹邹 西安近代化学研究所陕西西安ꎬ710065 [摘 要] 提出了一种新的评价高能发射药动态力学强度的方法ꎬ即采用落锤撞击发射药粒ꎬ用药粒发生临界损 伤时的撞击能和极限抗冲应力来表征发射药的动态力学性能ꎮ 结果表明ꎬ该方法能够定量评价发射药的动态力学 强度ꎬ并得到太根药、硝胺药、硝基胍药等3 种发射药的临界撞击能分别为18. 8 J/ cm2、14. 2 J/ cm2、3. 8 J/ cm2ꎬ极限 抗冲应力分别为 247. 2 MPa、214. 2 MPa、118. 5 MPaꎮ [关键词] 应用化学ꎻ高能发射药ꎻ落锤撞击ꎻ临界撞击能ꎻ极限抗冲应力 [分类号] TQ562 引言 随着各种新型高能发射药及高性能火炮装药技 术的发展ꎬ发射药自身的力学结构体系和其在火炮 膛内所处的动态力学环境变得越来越复杂ꎬ特别是 低温环境下ꎬ高能发射药的冷脆特性使其在火炮膛 内易受到压力波动而破碎ꎬ导致燃面增加ꎬ改变药床 的燃气生成规律ꎬ严重时导致膛压剧增而发生不安 全事故 [1 ̄3]ꎮ 为了研究高能发射药在火炮膛内的使用安全 性ꎬ提高其动态力学性能ꎬ近几十年来ꎬ国内外学者 从不同角度建立了多种检测装置和方法ꎮ 由于火炮 发射过程受力环境复杂且过程短暂ꎬ要想直接测量 膛内发射药的受力状况相当困难[4]ꎬ因此多采用模 拟膛内环境的方法ꎬ如气体炮冲击试验法、伺服液压 试验法、霍普金森杆试验法、落锤撞击试验法[5 ̄6]等ꎮ 其中ꎬ落锤撞击试验法可模拟发射药在膛内受到压 力波冲击而撞击弹底的过程ꎬ如撞击瞬间的高应变 速率、撞击能以及撞击力等ꎬ常用于高能发射药材料 动态强度的对比研究[7]ꎮ 通常该方法是将撞击前 后的发射药进行密闭爆发器燃烧试验ꎬ用相对燃面 变化计算撞击发射药的破碎度ꎬ来评价发射药的强 度ꎻ但是研究过程中发现ꎬ落锤撞击后进行药粒收集 时ꎬ可能会造成药粒的二次破坏ꎬ改变损伤药粒的表 面积ꎬ另外在计算发射药破碎度的过程中引入了平 行层燃烧以及撞击前后密度 ρ、燃速系数 u1、燃速压 力指数 n 不变等多个假设ꎬ这些综合因素的影响导 致试验结果与实际偏差较大ꎬ造成平行试样结果重 复性、稳定性差等一系列问题ꎬ使得该方法难以区分 动态力学强度相近的高能发射药ꎬ无法满足力学增 强机理研究的需要ꎮ 本研究对通用落锤装置进行改进ꎬ设计了适合 发射药结构形状的工装ꎬ并在装置上安装力传感器 系统ꎬ直接检测撞击瞬间发射药粒受到的力值变化 过程ꎬ提出采用发射药发生临界损伤时的撞击能和 极限抗冲应力来表征发射药的动态力学强度ꎬ用于 高能发射药配方调节、工艺改进等试验研究ꎮ 1 试验方法 1. 1 试验原理 本试验系统由落锤撞击装置、力传感器、数据采 集系统、撞击工装及发射药等组成ꎬ见图1 所示ꎮ 试 验时ꎬ一定质量的落锤本次试验选用 5 kg 的落锤 从某高度0 100 cm自由滑落ꎬ以一定的动态撞 击能作用于安装发射药粒的工装上ꎬ并传递给发射 药粒ꎬ用工装底部的力传感器检测发射药粒受到的 力值变化过程ꎬ获得撞击瞬间药粒所受到的轴向力 值变化过程F ̄t曲线ꎬ并观测记录样品撞击后的响 应情况ꎮ 1. 2 试验条件 试验样品为对比发射药材料本身的动态力学 强度ꎬ应使样品的弧厚、孔径、药粒长度尽可能一致ꎻ 样品多使用制式大口径火炮常用的 19 孔花边发射 药粒ꎬ与实际发射装药药形一致ꎻ为使撞击能均匀作 用于被试样品的横截面上ꎬ试验前对发射药粒两端 面进行磨平处理ꎮ 512014 年 4 月 发射药落锤撞击试验及评价方法研究 周 敬ꎬ等 ❋ 收稿日期 2013 ̄11 ̄05 作者简介 周敬1988 ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ从事发射药性能表征与评估研究ꎮ E ̄mail zj3172@163. com 通信作者 杨丽侠1964 ꎬ女ꎬ研究员ꎬ从事发射药装药及性能检测与评估研究ꎮ E ̄mail yang_lxxa@ sina. com 1 - 底座ꎻ2 - 力传感器ꎻ3 - 撞击工装ꎻ4 - 落锤ꎻ 5 - 发射药ꎻ6 - 传压塞ꎻ7 - 力传感器转接头 图 1 发射药落锤撞击试验原理简图 Fig. 1 Experimental schematic of dropping hammer impact test of propellants 工装设计如图 2 所示ꎬ工装由 3 个部分组成ꎬ 分别为撞击头、套筒及底座ꎮ 将药粒装入工装ꎬ可防 止撞击后破碎药粒飞溅ꎬ且试验后较易收集ꎮ 撞击 工装设计原则一是撞击头在落锤撞击前伸入套筒 的高度不小于 5 mmꎬ并在落锤撞击后仍具有一定向 下运行的高度ꎻ二是套筒内径比药粒外径要大 6 mm 以上ꎬ但不能过大ꎬ否则易造成药粒在工装内的摆 动ꎻ三是在套筒侧面进行开孔处理ꎬ用以保证落锤撞 击后若药粒发生引燃有足够空间释放燃气及压力ꎮ 另外ꎬ在装配好的工装外侧包裹塑料薄膜ꎬ使工装在 移动和撞击过程中ꎬ结构稳固不松动ꎮ a撞击头ꎻb套筒ꎻ c底座 图 2 撞击工装 Fig. 2 Assemble tooling of propellant 试验温度经研究发现ꎬ发射药粒在常温和高温 时发生塑性变形ꎬ不易发生破碎ꎬ而低温下药粒变 脆ꎬ抗冲击和抗挤压的能力减弱ꎬ容易破碎ꎬ引起不 安全事故ꎬ在发射药安全性研究中也证实了这一 点[8]ꎮ 故本方法重点研究低温 - 40 ℃发射药的 动态力学强度ꎮ 试验时ꎬ将装配好发射药粒的工装 提前放入保温箱中ꎬ在 -40 ℃保温 2 h 待试ꎮ 2 试验结果及表征参量分析 2. 1 试验结果分析 图3、图4为某发射药在同一落高下出现的3 种典型响应状态及对应的F ̄t曲线ꎮ可以看出ꎬ发 a无响应ꎻb裂纹ꎻc破碎 图 3 发射药同一落高下的 3 种响应状态 Fig. 3 Three response states of propellants under the same impact height a b c a无响应ꎻb裂纹ꎻc破碎 图 4 发射药不同响应状态对应的 F ̄t 曲线 Fig. 4 F ̄t curves of propellants in different response states 射药无响应时ꎬ承受的力值最大ꎬ脉宽最窄ꎻ破碎时 力值最小ꎬ脉宽最宽ꎻ出现裂纹时ꎬ力值及脉宽均介 于无响应和破碎两种状态之间ꎮ 另外ꎬ也可看出药 粒在无响应和出现裂纹时ꎬ曲线走势大致相同ꎬ都为 单峰ꎬ但药粒无响应时ꎬF ̄t 曲线波峰较为尖锐ꎬ出现 61 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期 裂纹时ꎬF ̄t 曲线较平缓ꎬ最大力值下降约 10% 20%ꎻ而药粒发生破碎时ꎬ最大力值与无响应状态相 比ꎬ最大可下降 50% 左右ꎬF ̄t 曲线也发生明显变 化ꎬ出现两个峰值ꎮ 这是因为在撞击瞬间ꎬ药粒无响 应和出现裂纹时ꎬ落锤没有继续向下运动的空间ꎬ在 撞击工装反作用力下就会向上反弹ꎬ故出现单峰ꎻ而 发射药破碎时ꎬ药粒向周围散开图 5ꎬ落锤会随撞 击工装的撞击头一起向下运动ꎬ继续撞击挤压发射 药ꎬ延长药粒受力时间ꎮ 整个受力过程中ꎬ落锤撞击 瞬间会出现第一个力的变化峰ꎬ药粒破碎ꎬ落锤继续 向下撞击挤压的过程出现第二个峰值ꎮ 由此可知药 粒的撞击损伤情况可通过 F ̄t 曲线反映出来ꎮ a未破碎ꎻb破碎 图 5 发射药破碎前后的响应示意图 Fig. 5 Response schematic of a propellant before and after broken 在试验过程中ꎬ有些微裂纹用肉眼较难分辨ꎬ故 在平行试验中ꎬ若某样品撞击后的最大力值比其它 无响应的发射药明显下降ꎬ则需仔细观测其响应状 态ꎬ必要时在放大镜下观察ꎮ 2. 2 动态力学强度表征参量分析 经过撞击试验可得到发射药在不同撞击高度下 的响应情况和对应的 F ̄t 曲线ꎬ根据落高可计算发 射药粒受到的撞击能ꎬ经过分析提出采用临界撞击 能和极限抗冲应力两个特征参量来表征发射药的动 态力学强度ꎮ 2. 2. 1 临界撞击能 由于发射药药形不可能做到完全一致ꎬ为相互 比较ꎬ故选用单位面积上的撞击能为表征参量ꎮ 在 某撞击高度下ꎬ50% 发射药粒无响应ꎬ其余 50% 出 现裂纹或裂开ꎬ此时发射药单位面积上受到的撞击 能为该高度下的临界撞击能[9]ꎬ撞击高度为临界损 伤落高ꎮ 根据式1可算得发射药的临界撞击能 ER= mgHR S ꎮ1 式中ER为发射药单位面积上的临界撞击能ꎬ J/ cm2ꎻ m 为落锤质量ꎬkgꎻg 为当地重力加速度ꎬ m/ s2ꎻHR为临界损伤落高ꎬcmꎻS 为样品端面面积ꎬ mm2ꎮ 要确定发射药的临界撞击能ꎬ必须先确定临界 损伤落高 HRꎬ在 HR上下各选择 5 个不同落高 Hiꎬ 对应每个落高 Hiꎬ试验一组样品逐个撞击每个药 粒ꎬ记录药粒响应情况和 F ̄t 曲线ꎬ得到该落高下 药粒无响应的百分数 yiꎬ全部落高试验结束后ꎬ得到 一组数据Hiꎬyiꎬ利用一元线性回归分析的方 法[10]ꎬ求出 y 和 H 的回归方程ꎬ将 y =50 代入方程ꎬ 求出临界损伤落高 HRꎮ 2. 2. 2 极限抗冲应力 极限抗冲应力是指发射药发生临界损伤ꎬ药粒 无响应时单位面积受到的最大力值ꎮ 根据式2可 算得各发射药的极限抗冲应力ꎬ该值同样可用来表 征发射药的动态力学强度ꎮ σm= Fm S ꎮ2 式中σm为样品承受的极限应力ꎬMPa ꎻFm为临界 点处样品能承受的最大力值ꎬkNꎮ 图 6 为 3 种典型发射药太根药、硝铵药、硝基 胍药在临界撞击能处ꎬ无响应药粒对应的 F ̄t 曲 线ꎮ 由图可知ꎬ3 种发射药最大力值 Fm差别明显ꎬ 但脉宽值相差不大ꎮ 故可采用临界撞击能下ꎬ药粒 无响应时的 Fm值来表征发射药动态力学强度ꎮ 另 外ꎬ考虑到药形的微小差别ꎬ则采用药粒无响应时单 位面积上的最大力值ꎬ即极限抗冲应力来表征发射 药动态力学强度ꎮ 图 6 3 种发射药临界撞击能处的 F ̄t 曲线 Fig. 6 F ̄t curves of three kinds of propellants at the state of critical impact energy 3 典型发射药评价试验 采用该试验方法ꎬ对太根药、硝胺药、硝基胍药 等 3 种典型 19 孔花边形发射药的动态力学强度进 行评 价ꎮ 其 中ꎬ 3 种 发 射 药 的 药 形 尺 寸 按 照 GJB770B2005 中 412. 1 小型药药形尺寸测量法测 量ꎬ按照式3计算各发射药的横截面积 S[11]ꎬ结果 712014 年 4 月 发射药落锤撞击试验及评价方法研究 周 敬ꎬ等 见表 1ꎮ S = π 4 [34e + d2+ 36 32e + d2 π -21d2]ꎮ 3 表 1 3 种发射药的药形尺寸 Tab. 1 Grain sizes of three kinds of propellants 样品 孔道直径 d/ mm 弧厚 2e/ mm 药粒长度 h/ mm 横截面积 S/ mm2 太根药0. 402. 0913. 50143. 4 硝胺药0. 461. 9813. 50135. 3 硝基胍药0. 422. 0413. 50139. 1 用一元线性回归的方法分别求出 3 种发射药的 临界损伤落高 HRꎬHR处药粒无响应的最大力值 Fm、脉宽 Δt脉宽计算的起点和终点为 5% 的最大 力值对应的时间点分别是 HR附近各高度处 Fm、Δt 的统计平均值ꎬ根据式1、2计算的特征参量见 表 2ꎮ 其中在计算 Fm、Δt、σm过程中ꎬ按照统计方法 剔除粗大误差ꎮ 表 2 3 种发射药特征参量计算结果 Tab. 2 Characteristic parameters of impact energy for three kinds of propellants 样品 临界撞击能/ Jcm -2 Fm/ kN σm/ MPa Δt/ ms 太根药18. 835. 5247. 21. 2 硝胺药14. 229. 0214. 21. 2 硝基胍药3. 816. 5118. 51. 3 根据临界撞击能和极限抗冲应力ꎬ得到 3 种发 射药的动态力学强度由强至弱的顺序是太根药、硝 胺药、硝基胍药ꎬ这与典型发射药在实际应用过程中 的经验相吻合ꎮ 因为太根药中含有增塑剂 TEGNꎬ它对硝化棉 有很好的溶解和塑化能力ꎬ减少了发射药体系中的 应力集中点ꎬ故表现出较高的强度ꎻ而硝胺药和硝基 胍药都含有固体组分ꎬ质量分数均在 25% 以上ꎬ在 受到撞击时ꎬ易发生“脱湿”现象ꎬ故强度均低于太 根药ꎮ 硝胺药中固体组分为 RDXꎬ 质量分数为 25%ꎬ硝基胍药中固体组分为硝基胍NGUꎬ质量 分数为 47%ꎬ一方面是由于硝胺药的固体组分较 少ꎬ另一方面是因为 RDX 与吸收药片的界面张力较 小[12]ꎬ表面能比较相近ꎬ具有较好的相容性ꎬ而硝基 胍的表面能较高ꎬ对发射药力学性能有不利影响ꎬ故 硝胺药的强度高于硝基胍药ꎮ 上述试验及分析表明ꎬ该方法可用于表征高能 发射药动态力学强度ꎮ 4 结论 1对落锤装置进行了改进ꎬ建立了高能发射药 动态力学强度试验方法ꎮ 2提出了定量表征发射药动态撞击强度的特 征参量ꎬ即药粒发生临界损伤时的临界撞击能和极 限抗冲应力ꎮ 3对典型发射药进行了评价试验ꎬ得到太根 药、硝胺药、硝基胍药 3 种发射药在 - 40 ℃ 的临界 撞击能分别为 18. 8 J/ cm2、14. 2 J/ cm2、3. 8 J/ cm2ꎬ 极限抗冲应力为 247. 2 MPa、214. 2 MPa、118. 5 MPaꎮ 参 考 文 献 [1] 芮筱亭ꎬ 贠来峰ꎬ 王国平ꎬ 等. 弹药发射安全性导论 [M]. 北京 国防工业出版社ꎬ 2009. Rui Xiaotingꎬ Yun LaifengꎬWang Guopingꎬ et al. Direc ̄ tion to launch safety of ammunition [ M ].Beijing National Defense Industry Pressꎬ2009. [2] 芮筱亭ꎬ冯宾宾ꎬ 王国平. 发射装药发射安全性评估 方法[J]. 兵工自动化ꎬ2011ꎬ305 56 ̄59. Rui Xiaotingꎬ Feng Binbinꎬ Wang Guoping. Evaluation method of launch safety of propellant charge[J]. Ord ̄ nance Industry Automationꎬ 2011ꎬ305 56 ̄59. [3] 冯宾宾ꎬ芮筱亭ꎬ徐浩ꎬ等. 发射过程中某硝胺发射装 药的动态挤压破碎情况[J]. 火炸药学报ꎬ 2012ꎬ35 2 70 ̄73ꎬ85. Feng BinbinꎬRui XiaotingꎬXu Haoꎬ et al. Dynamic com ̄ pression fracture condition of one nitroamine propellant charge during launch course [ J].Chinese Journal of Explosives and Propellantsꎬ 2012ꎬ 352 70 ̄73ꎬ85. [4] 陈言坤ꎬ罗兴柏ꎬ甄建伟ꎬ 等. 发射药动态力学性能的 研究进展[J]. 含能材料ꎬ 2013ꎬ215 675 ̄680. Chen Yankunꎬ Luo Xingbaiꎬ Zhen Jianweiꎬ et al. Review on dynamical mechanical properties of propellants[J]. Chinese Journal of Energetic Materialsꎬ 2013ꎬ215 675 ̄680. [5] Lieb R J . Correlation of the failure modulus to fracture ̄ generated surface area in uniaxially compressed M43 gun propellant[R]. Spring FieldNTISꎬ1995. [6] Lieb R Jꎬ Fischer T J. Hoffman H J. High strain rate response of gun propellant using the hopkinson split bar [R]. Spring FieldNTISꎬ1991. [7] 黄金. 发射药动态力学性能检测技术及评价方法研究 [D]. 南京南京理工大学ꎬ 2012. [8] 贠来峰ꎬ 芮筱亭ꎬ 王浩ꎬ等. 对发射装药引起膛炸机理 的讨论[J]. 兵工学报ꎬ 2007ꎬ 282 153 ̄157. Yun Lai fengꎬ Rui Xiaotingꎬ Wang Haoꎬ et al. Discus ̄ sion about mechanism of breech ̄blow caused by gun pro ̄ pellant charge[J]. Acta Armamentariiꎬ 2007ꎬ28 2 81 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期 153 ̄157. [9] 赵毅. 高能发射药的力学性能及刚性模块装药研究 [D]. 南京南京理工大学ꎬ2004. Zhao Yi. Study of mechanical performance of the high ̄ energy propellant and rigid modular charge[D]. Nan ̄ jing Nanjing University of Science and Technologyꎬ 2004. [10] 邢浴仁. 粒状发射药抗冲强度落锤试验方法[J]. 火 炸药ꎬ1994 2 12 ̄18ꎬ22. [11] 金志明. 枪炮内弹道学[M]. 北京北京理工大学出 版社ꎬ2004. [12] 赵毅ꎬ黄振亚ꎬ刘少武ꎬ等. 改善高能硝胺发射药力学 性能研究[J]. 火炸药学报ꎬ2005ꎬ 2831 ̄3. Zhao Yiꎬ Huang Zhenyaꎬ Liu Shaowuꎬ et al. Study of improvingmechanicalperformanceofhigh ̄energy nitroamine propellant[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellantsꎬ 2005ꎬ2831 ̄3. Research on the Experiment and Evaluation Methods of Propellants in Dropping Hammer Impact Test ZHOU Jingꎬ YANG Lixiaꎬ CHEN Xiaomingꎬ ZHANG Zouzou Xian Modern Chemistry Research Institute Shaanxi Xianꎬ 710065 [ABSTRACT] A new evaluation method of dynamic strength of high energy propellants was proposed. Dynamic mechani ̄ cal property of the propellants is characterized by the critical impact energy and the limit impact stress when the critical damage to the granular propellants by a dropping hammer occurs. Results indicate that the evaluation method can quantita ̄ tively reflect the dynamic mechanical strength of the propellants. The critical impact energy of TEGDN propellantꎬ nitra ̄ mine propellant and nitroguanidine propellant is 18. 8 J/ cm2ꎬ14. 2 J/ cm2and 3. 8 J/ cm2ꎬ and the limit impact stress 247. 2 MPaꎬ214. 2 MPa and 118. 5 MPaꎬ respectively. [KEY WORDS] applied chemistryꎻ high energy propellantꎻ dropping hammer impactꎻ critical impact energyꎻ limit impact stress 第十六届中国科协年会第九分会场 含能材料及绿色民爆产业发展论坛即将召开 由中国科协和云南省人民政府联合主办的第十六届中国科协年会将于 2014 年 5 月 24 26 日在云南省昆明市举行ꎮ 中 国兵工学会承办其第九分会场ꎬ主题是“含能材料及绿色民爆产业发展”ꎮ 含能材料火炸药与民爆产业的发展对国家安全 和经济社会发展影响巨大ꎮ 研讨含能材料以及绿色民爆器材技术ꎬ对于促进我国含能材料技术水平提高ꎬ推进民爆行业结构 调整和技术进步ꎬ实现安全、绿色、可持续发展ꎬ具有十分重要的意义ꎮ 该论坛由中国兵工学会、南京理工大学、云南省国防科技工业局联合承办ꎬ中国兵器工业第二○四研究所、中国工程物理 研究院化工材料研究所、北理工火炸药研究院、北方特种能源集团有限公司、云南省民爆集团联合协办ꎮ 第九分会场主题含能材料及绿色民爆产业发展ꎬ探讨的范围有含能材料火炸药及民爆器材的发展战略与方向ꎻ设计 原理与设计方法ꎻ新型基础原材料的合成与制备ꎻ新工艺与新设备ꎻ性能测试与评估ꎻ产品应用技术ꎻ安全、环保与节能减排技 术ꎻ工业化与信息化ꎻ军民技术融合ꎻ火工品与烟花爆竹相关技术ꎻ工程爆破技术ꎻ管理科学与企业文化ꎮ 论坛将邀请相关领域的院士、专家、国防科技工业部门、军队系统以及中国兵器工业集团公司和中国兵器装备集团公司 领导及所属单位的专家、论文作者参加ꎮ 会议报到时间2014 年 5 月 23 日全天 报到地点云南昆明云安会都 联系方式 1中国兵工学会学术交流部 安玉德13601231652 电话010 ̄68962552 祝 翠13810108511 电话010 ̄68963154 传 真010 ̄68963154 Emailanyd@ cos. org. cnꎻbqzscui@163. com 2南京理工大学 陆 明025 -84315030ꎬ13851804485 周 勤025 -84315530ꎬ13813988227 3云南省国防科技工业局 吕云枫 0871 ̄65326134ꎬ13700650073 这是一次火炸药和民用爆破技术领域的高端学术盛会ꎬ欢迎全国从事含能材料及民爆器材研究、设计、教学、生产、使用、 安全评价、工程爆破和管理工作的广大科技人员积极参加ꎮ 爆破器材编辑部 912014 年 4 月 发射药落锤撞击试验及评价方法研究 周 敬ꎬ等