УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДЕТОНАТОРОВ НА ИНИЦИИРУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ Российский патент 1998 года по МПК F42B35/00 

Изобретение относится к устройствам испытания взрывчатых материалов вообще, а в частности к испытанию детонаторов на инициирующую способность косвенным методом.

Известны несколько способов определения инициирующей способности детонаторов, например, по пробитию свинцовой пластины, задействования контрольного заряда через инертную прокладку [1].

Вообще при конструировании детонатора разработчик принимает конструктивные параметры детонатора таковыми, чтобы в основном его заряде, как правило, выполненного из мощного бризантного вещества, его детонация вышла на предельный режим.

Таким образом суть любого косвенного метода должна заключаться в том, чтобы установить факт выхода детонации в основном заряде детонатора на предельный режим. Отсюда следует вывод, что самым эффективным способом контроля качества работы детонатора является измерение скорости детонации на выходе основного заряда.

Технически это несложная проблема, однако она связана, как правило, с использованием электронных методов регистрации временных интервалов от датчиков измерения скорости детонации.

Возможно применение метода Дотриша, однако его разрешающая способность и относительная громоздкость не позволяют его использовать в серийном производстве.

В связи с изложенным ныне господствует метод пробития пластины, которая и принята за аналог [1].

Этот метод, однако, дает неточную информацию, так как его суть в измерении полного импульса, а не факта выхода детонации на предельный режим.

Вот почему при использовании метода пробития свинцовой пластины дополнительным критерием является обязательное наличие радиальных царапин на пластине, как это показано на фиг. 1, где приведено фото из монографии Андреева К.К. и Беляева А.Ф. Теория взрывчатых веществ [2].

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества оценки инициирующей способности детонатора путем установления факта выхода детонации основного заряда детонатора в зону предельного режима.

Эта цель достигается тем, что факт выхода детонации на предельный режим фиксируется методом откола.

Известно, что при выходе мощной ударной волны на свободную поверхность инертного вещества при определенных условиях возникает явление откола. Суть явления откола заключается в том, что после сжатия вещества на фронте ударной волны наступает фаза разгрузки, что приводит к тому, что часть вещества на стороне выхода ударной волны получает достаточное количество энергии, чтобы оторваться и отлететь.

Явление откола хорошо описано в ряде фундаментальных работ, из которых следует вывод, что откол возможен только в том случае, если передний фронт ударной волны достаточно крутой и волна разгрузки также не затянута. Естественно и амплитуда ударной волны должна быть достаточной для создания явления откола в конкретном веществе.

При выходе детонации на предельный режим указанные условия выполняются. Отсюда следует вывод, что достаточно подобрать надлежащее инертное вещество по прочности, выбрать нужные размеры пластины-отметчика.

Суть предложенного метода заключается в следующем.

Капсюль-детонатор устанавливается на пластину-отметчик, так же как это делается при использовании свинцовой пластины, взятой за аналог.

Материал пластины, ее геометрические размеры и форма выбраны таким образом, что на свободной поверхности пластины наблюдается явление полного откола с отлетом откольной части при сохранении целостности пластины. Это достигается за счет выполнения пластины из материала с анизотропными свойствами, по крайней мере по направлению движения ударной волны, с удельной массой и энергией разрушения, обеспечивающих сохранность целостности пластины от действия импульса взрыва испытуемого детонатора.

Наиболее подходящим материалом для этой цели является сталь.

Изобретение поясняется на фиг. 1-10.

Приспособление, предлагаемое для испытаний, показано на фиг. 2, где 1 - корпус; 2 - пластина-отметчик; 3 - детонатор; 4 - втулка; 5 - гайка; 6 - отверстие для задействования детонатора.

Пластина 2 устанавливается в корпус 1, снабженный посадочным местом, равным диаметру пластины. Пластина 2 по краям свободно оперта на кромки отверстия. Детонатор 3 размещен в пенопластовой втулке 4 в полости гайки 5. Задействование детонатора 3 осуществляется через отверстие 6 в гайке 5.

При определенной толщине пластины 2 имеет место явление откола. Однако, как это видно на фото, приведенном на фиг. 3, откол носит не ярко выраженный характер по однородности от опыта к опыту при прочих равных условиях. Дело заключается в том, что при относительно малом диаметре детонатора отрыв откольной части происходит неоднородно.

Для устранения этого недостатка предложено на свободной поверхности пластины-отметчика выполнить узкую кольцевую канавку диаметром, равным диаметру ВВ заряда детонатора, как это показано на фиг. 4, где: d - диаметр пластины; d_н - наружный диаметр канавки; d_вн - внутренний диаметр канавки; δ - глубина канавки; H - толщина пластины; t - ширина канавки, равная .

Механизм стабилизирующего действия кольцевой канавки будет понятен из рассмотрения картины распространения ударных волн в пластине ступенчатой формы, как это описано в [3]. На фиг. 5 показана форма ступенчатого тела и распространения в нем ударных волн, где: УВ - ударная волна; V - массовая скорость вещества; D - скорость ударной волны; C - скорость звука в веществе; 1 - пластина; 2 - фронт УВ при выходе ее на свободную поверхность; t - время прохождения ударной волны со скоростью D до свободной поверхности.

Рассмотрим динамику движения ударных волн.

После выхода УВ на плоскость ступеньки в точке О начинается боковая разгрузка. Возмущения от разгрузки догоняют фронт УВ и ослабляются. На ослабленном участке ЕВ скорость УВ уменьшается, а поверхность фронта 2 искривляется, центральный участок УВ остается плоским. Точку В начала ослабления УВ легко найти из геометрических соображений.

За время t от момента прохождения УВ плоскости ступеньки О фронт УВ уходит на расстояние Dt.

Вещество, ранее находившееся около точки О, сносится вперед по ходу УВ на расстояние Vt, а самые ранние возмущения, которые родились в момент прохождения угла O и которые распространяются по веществу со скоростью звука C, к этому моменту достигают сферы с радиусом Ct, описанной из точки A, так что ослабление УВ начинается в точке B. Рассматривая треугольник OBE и ABE, можно связать скорость звука С со скоростями V и D и тангенсом угла разгрузки α .

tgαFb/Dt; (Fb)²=(Ct)²-(Dt-Vt)²;

По экспериментальным данным из [3] для железа D = 5,34 км/с, V = 0,98 км/с, а C = 7,15 км/с, тогда

что соответствует углу разгрузки α =46,5^o.

Таким образом, откольное явление в этом случае будет ограничено контуром с радиусом, оканчивающимся в зоне BE в зависимости от интенсивности YB. А так как толщина пластины выбирается по начальной стадии откола, то безоткольная зона будет близко соответствовать ширине кольца FB.

Для определения конструктивных параметров пластины выполним расчеты по изложенной ниже методике.

Расчетная схема пластины показана на фиг. [4], где: r_o - радиус заряда; r_в - радиус верхний конуса ударной волны; r_с - средний радиус; r_н - нижний радиус; H - толщина пластины, l - высота заряда; γ - угол скола.

Импульс взрыва I заряда, действующий на площадь контакта заряда с преградой πr2o

, придает в конечном итоге части преграды, заштрихованной на фиг. 6, равной массе M, некоторую кинетическую энергию E_к.

Если учесть прочность плиты, то часть этой энергии E_р затрачивается на отрыв массы M от плиты и ее частичное разрушение, а другая часть находится в виде кинетической энергии, равной , где U - скорость отлета массы M, т.е.

Для определения минимально допустимой толщины H пластины-отметчика, сохраняющей целостность, примем граничное условие, исключающее отлет массы M, т.е. U = 0. По соотношениям [4].

где
θ - коэффициент осреднения массовых скоростей разрушаемого участка пластины, а I_р - теперь импульс разрушения.

Масса M в первом приближении может быть определена из схемы, изображенной на фиг. 7, как масса усеченного конуса
M = πr2c

Hρ_п, (3)
где ρ_п - плотность вещества пластины,

Для стальных и дюралевых пластин по данным (Л. 4, с. 654)

где

γ - половина угла усеченного конуса, равная 45^o (±5^o) для указанных материалов.

Примем γ =45^o, т.е. tgγ =1.

Подставим в формулу 2 значение M из формулы 3 и выведем (H).

Определим r_c, подставив в (4) значения r_в и r_н, выраженные через H и

но т. к. r_в= r_н-H, то для критического случая, т.е. границы разрушения r_o≥ H/η , тогда

и

В свою очередь: объем сжимаемого вещества
тогда

Подставим значения M и E_р в формулу (Л.4)

Это минимальная толщина пластины-отметчика, которая еще сохраняет целостность при действии заряда ТЭНа в составе детонатора диаметром 6 мм.

Экспериментальные исследования подтверждают эти расчетные соотношения. Так, например, для ЭДО59 толщина пластины была принята равной 4,1 мм, при этом имела место частость полного откола 70%.

Таким образом, для выбора толщины пластины может быть рекомендована формула с учетом коэффициента запаса K_э = 1,3.

где
I_в - импульс взрыва испытуемого заряда, равный

где
ρ_o - плотность BB, г/см³;
r_о - радиус заряда, см;
D - скорость детонации BB заряда, см/с;
g - ускорение силы тяжести;
θ - коэффициент, учитывающий осреднение массовых скоростей для сталей и дюралей, равен ~0,84, [4, с. 628];
ρ_п - плотность материала пластины, г/см³;
A_рд - удельная энергия разрушения динамическая, г/см².

Удельная энергия динамического разрушения может быть определена по статической удельной энергии с учетом коэффициента динамичности.

Для сталей рекомендуется коэффициент динамичности в диапазоне 1,6^oC2,0, для сплавов алюминиевых 1,3^oC1,7, для сталей нержавеющих 1.

С учетом этих рекомендаций формула для определения толщины пластины из стали может быть упрощена:

Для сплавов алюминиевых:

Толщина откольной части определяется моментом, который соответствует приобретению массой вещества в зоне разгрузки количества движения, создающего в зоне перехода сжатия-разряжения напряжения в материале более разрывных. Физически разрыв вещества происходит за счет энергии, накопленной в упругой деформации при его сжатии падающей ударной волной.

Поскольку падающая и отраженная волны по форме близки к сферической, то и поверхность откола должна иметь сферическую поверхность (фиг. 7).

По разрезу откола, изображенного на фиг. 8, из [4], где 1 - пластина; 2 - вмятина; 3 - откольная часть; 4 - вторичные отколы; 5 - боковые трещины; 6, 7 - точки контура расщепления, видно, что по разрезу откола на фиг. 8 линии откола представляют собой незавершенные по контуру дугообразные разрывы. Из этого можно сделать вывод, что отрыв откольной части по наружному контуру происходит по обычному прочностному разрушению при изгибе. Действительно, после образования откольного разрыва часть вещества начинает опережающее движение в сторону действия падающей волны. Откольная часть вещества, еще будучи соединенной по контуру с основной, подобна мембране, защемленной по контуру. Известно, что такая мембрана в зоне ее защемления испытывает изгибные напряжения.

Таким образом, отрыв откольной части возможен только в том случае, если кинетической энергии, приобретенной откольной частью в момент отрыва, будет достаточно для разрушения материала по контуру соединения откольной части вещества с основной.

На схеме откола фиг. 8 это показано в точке 6 и 7 контура разрушения.

При разрыве вещества по контуру в направлениях 6 и 7 (в данном случае по кольцевому контуру) будет происходить расщепление материала за счет усилий отрыва отколовшейся части. Разрушение связи откольной части с основным материалом произойдет на каком-то диаметре d_р. Так как процесс расщепления зависит от структуры материала, ее однородности и т.д., то контур разрыва будет далек от окружности.

Проведенные эксперименты однозначно подтверждают это, как видно на фото (фиг. 3), характер контура разрыва при отколе неровен, нет повторяемости.

Естественно, по таким данным дать однозначную оценку стабильности откольного явления практически трудно, если не невозможно.

Для устранения этого неприятного момента было предложено использовать явление канализации ударной волны при ее движении в ограниченном с боков пространстве.

Если ударная волна движется по протяженному телу в направлении продольной оси, то ее фронт имеет более плоский характер. Для реализации этого явления было предложено на тыльной стороне пластины выполнить кольцевую канавку, как это было показано на фиг. 4. Механизм распространения ударной волны при такой конфигурации уже был рассмотрен на основе данных из работы [3].

Для определения внутреннего диаметра будем исходить из следующих предпосылок. Во-первых, размер откола должен быть достаточно большим, чтобы легко фиксировался невооруженным глазом. Во-вторых, инициирование заряда BB детонатором осуществляется в очаге инициирования, диаметр которого не превосходит диаметр усилительного заряда детонатора. Следовательно, диаметр откола должен быть соизмерим с диаметром BB усилительного заряда детонатора.

Примем внутренний диаметр d_вн канавки, равный диаметру BB усилительного заряда детонатора. Фактический диаметр откольной зоны будет несколько меньше внутреннего диаметра канавки, так как из-за боковой разгрузки, что хорошо видно про профилю падающей волны на фиг. 5, имеет место образование кольцевой безоткольной зоны. Это иллюстрируется в опытах, приведенных на фото на фиг. 9 и 10, где ширина безоткольной кольцевой зоны в пределах 0,5 мм.

Глубина канавки. Глубина канавки должна быть больше толщины откола, ибо в противном случае вместо откола произойдет отрыв тыльной части пластины по слабому сечению.

Оценим ожидаемую толщину откола. Как уже было оговорено, откол - это, когда сжатое вещество с тыльной стороны начнет разжиматься, т.е. приобретать массовую скорость, которая примерно равна скорости сжатия вещества. Так для стали массовая скорость V равна ~1 км/с [4].

Откол части вещества произойдет тогда, когда разгружаемая часть вещества приобретет кинетическую энергию, большую энергии разрыва вещества A_рд.

По уравнению баланса можно определить толщину откола.

где
Δ - толщина откола, см;
ρ_п - плотность вещества г/см³; для стали - 7,8 г/с;
A_рд - динамическая энергия разрушения вещества для стали 155000 г/см²;
g - ускорение силы тяжести, 981 см/с².

Из этого уравнения вычислим толщину ожидаемого откола Δ

Для стали это даст следующий результат:

Таким образом, для стали глубина канавки должна быть 0,4 мм и она не зависит от параметров испытуемого детонатора. Для применения целесообразно рекомендовать для стали глубину канавки 0,5 мм.

Выбор ширины канавки. Ширина канавки t_к (или наружный диаметр канавки) не является принципиальным с точки зрения работоспособности пластины по факту откола. Она выбирается из конструктивно технологических соображений. Удобно выполнить ширину канавки равной ее глубине.

Технологически выполнение канавки размером 0,5х0,5 мм не представляет особой сложности.

Апробация метода была начата на пластинах из стали без канавок. На фиг. 3 приведены фотографии, на которых видно откольное явление. Однако характер откола был разный по форме и с большим разбросом по характеру откола. Это был не откол, а отрыв.

Канавка стабилизировала процесс откола, что хорошо видно на фиг. 9 и 10.

На фото (фиг. 10) показаны сравнительные испытания на свинцовых и откольных пластинах.

Таким образом, если металлическую пластину отметчик для испытания детонаторов выполнить, например, из стали толщиной и канавкой с размерами, определенным по нижеприведенной формуле, то достоверность результатов опытов будет существенно выше, а частость отколов будет являться численной оценкой инициирующей способности.

Литература
1. Физика взрыва, под редакцией Баума, М.: Наука, 1975, с. 180.

2. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ, Оборонгиз, 1960.

3. Зельдович Я. Б. и Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М.: Наука, 1966, с. 56, 581.

4. Физика взрыва под ред. К.П. Станюковича, М.: Наука, 1975, с. 653.

Пластина-отметчик предназначена для испытания детонаторов на инициирующую способность косвенным методом. Пластина выполнена из стали с анизотропной структурой. Толщина пластины обеспечивает сохранение ее целостности после действия продуктов взрыва испытуемого детонатора. На тыльной стороне пластины выполнена кольцевая канавка. 10 ил.

Металлическая пластина-отметчик для оценки работоспособности детонаторов, отличающаяся тем, что, с целью повышения информативности результатов, пластина выполнена из стали с анизотропной структурой, толщина которой определяется соотношением

где J - импульс взрыва взрывчатого вещества заряда испытуемого детонатора, равный

где ρ_o - плотность взрывчатого вещества заряда детонатора, г/см³;
r₀ - радиус заряда детонатора, см;
D - скорость детонации взрывчатого вещества заряда детонатора, см/с;
g - ускорение силы тяжести, 981 см/с²;
θ - коэффициент осреднения массовых скоростей, равный 0,84;
ρ_п - плотность материала пластины, г/см³;
А_р д - удельная энергия динамического разрушения материала пластины, г/см²,