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1、一种高安全性钝感电起爆器的设计何锋彦;杨正才;刘海旭;常峰;胡淑娟;张文卿【摘 要】针对某钝感电起爆器 1.5A/2.25W5min 不发火的钝感要求和通6A/20ms 直流电流牢靠发火的要求,通过分析影响电起爆器安全性、发火牢靠性及作用时间的影响因素,进展了相关设计及试验.争论说明:合理的散热构造与桥路设计, 以及钝感耐高温药剂设计可满足高安全性与牢靠发火要求;点火药剂中金属锆粉粒度小于 2m、粘合剂氟橡胶含量为 0.5、压药压力为 85MPa 时,发火时间精度最正确.该设计为电起爆器类火工品的钝感化争论供给一种的思路.【期刊名称】火工品【年(卷),期】2023(000)004【总页数】4
2、页(P10-13)【关键词】电起爆器;安全;点火;钝感;作用时间【作 者】何锋彦;杨正才;刘海旭;常峰;胡淑娟;张文卿【作者单位】北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025;北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025;北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025;北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025;北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025;北方特种能源集团西安庆华公司,陕西 西安,710025【正文语种】中 文【中图分类】TJ45+2电起爆器是武器弹药系统中的始发元件,也是最敏感的装置。在制造、运输、勤务处理、贮存及使用中,存
3、在着各种因素的静电积存和电磁干扰,加之各种大功率雷达、高频无线电放射机和振荡源等电磁场的影响,电起爆器因静电或射频能量引起意外爆炸或提前发火的事例不乏报道。因此,电起爆器的安全性愈来愈受到重视, 其安全指标已远远超过 GJB 344A-2023 钝感电起爆器通用标准中 1A/1W5min 的安全性要求1,需要满足 1.5A/2.25W5min 超钝感要求。这给电起爆器的钝感化设计带来确定的困难。本争论针对超钝感的设计要求,开展电起爆器构造设计及关键技术分析,并进展了相关试验验证。电起爆器为单桥发火构造,产品的桥路电阻为 0.91.1;电起爆器经受1.5A/2.25W5min 不发火试验,产品不
4、应发火或失效;通入直流 6A/20ms 电流, 电起爆器从通电到发火的工作时间不大于 10ms,同批验收产品的发火时间极差不大于 3ms。目前,钝感型火工品主要有桥丝式火工品、桥带式火工品、半导体桥式火工品及桥 膜式火工品。桥丝式火工品具有作用时间短、作用时间全都性好的特点;桥带式火 工品通过桥带的集散热技术实现产品的安全性和发火性,作用时间较长,全都性略 低于桥丝式火工品;半导体桥式火工品具有高瞬发的特点;桥膜火工品发火时间短, 电阻全都性好,但桥膜与电极的附着力全都性较难把握,工艺检测困难2-3。鉴于桥带式火工品作用时间较长,半导体桥式火工品和桥膜式火工品工艺简洁,所以选用技术最成熟的桥丝
5、式火工品。通过选择桥丝材料、直径和药剂来满足安全性与发火时间的要求。依据技术途径分析,将电起爆器设计为四针单桥构造,通过玻璃封接实现产品的耐压密封性能,产品输出端承受激光焊接技术实现产品密封。具体构造如图1 所示。目前,钝感火工品一般依据通电 1A/1W 5min 不发火,通电 5A/50ms 的直流电流脉冲牢靠发火的电性能进展设计。该型电起爆器安全性指标为 1.5A/2.25W5min 不发火,发火电流为 6A/20ms 的直流电流脉冲,与常规钝感火工品相比,安全能量提高了 125%,而发火电流只提高了 20%,同时要求发火时间短、全都性好。因此,安全性、发火牢靠性和发火时间是电起爆器设计中
6、的关键技术。2.2.1 电起爆器的安全性设计依据能量守衡定律,桥丝式电起爆器发火过程的能量变化可视为输入的电能量转化为桥丝加热所需的能量和桥丝向外散失的能量4。电起爆器通以直流电流1.5A/2.25W5min 不发火,即输入的能量仅用以抵消散失于四周的能量,构成稳态条件,桥丝加热后的温度达不到药剂的发火点。因此,高效的散热构造设计和高发火点的药剂选择是安全性设计的关键技术。(1) 散热构造设计:如图 1 所示,桥丝加热产生的热量向外散失途径为:与桥丝接触的电极通过玻璃封接体传导到壳体;与桥丝接触的药剂向四周传递;与桥丝、药剂接触的装药室传导到壳体。在满足电极与壳体的电绝缘强度的前提下,玻璃封接
7、体的壁越薄越有利于电极向壳体传导热量,从绝缘强度的裕度和玻璃封接的工艺性考虑,设计电极与外壳之间的最小间距为0.320.02mm最小击穿电压为900V,满足 500V 电压不击穿的绝缘强度要求,有效提高散热效率。同时药室材料选择非金属材料,选用导热系数相对较大的陶瓷材料加工成装药室,提高热量散失力气。(2) 桥丝的选择及焊桥方式:桥丝材料选择电阻率较高、电阻温度系数小、特征值较小、熔点高、比热容大及与药剂有良好相容性的 6J20 镍铬电阻合金丝。依据桥路电阻要求 0.91.1,依据文献2中电阻与桥丝长度的关系,通过计算确定桥丝直径为 0.070 mm、桥距为3.20.02mm。通常桥丝焊接方法
8、有锡钎焊和储能焊,锡钎焊是用溶化的焊锡把桥丝和电极包覆在一起,不利于高过载的冲击, 且工艺较简洁;储能焊是通过电容放电产生的高温加以适当的压力,将桥丝与电极 熔为一体,它的焊点强度高。因此,电起爆器选用储能焊接工艺。(3) 点火药的选择及装填方式:目前,在 1A/ 1W5min 不发火的钝感火工品设计中,点火药常选用起爆药或混合药剂。经测试起爆药虽能满足 1A/1W5min 不发火的要求,但满足不了 1.5A/ 2.25W 5min 不发火的要求。因此,可选热导系数大和分解温度较高的混合点火药。目前桥丝式火工品常用的混合药剂主要有氯化钾/硫氢化铅/铬酸铅点火药和锆粉/高氯酸钾点火药。经测试氯化
9、钾/硫氢化铅/铬酸铅点火药可燃剂为硫氢化铅,氧化剂为氯化钾和铬酸铅,外加硝化棉分解温度大约在 200300,药剂中没有金属粒子,不利于热量的传导。因此常用于敏感火工品如点火头、点火具等。锆粉/高氯酸钾点火药可燃剂锆粉、氧化剂高氯酸钾,外加粘合剂氟橡胶分解温度为 480以上。锆粉/高氯酸钾点火药中含有金属锆粒子,有利于热量的传递,高氯酸钾为强氧化剂,也具有助燃作用,氟橡胶具有导热不导电、长贮安定性好的特性。将该药剂直接压装在桥丝上,并对不同的压装压力进展了比照试验。结果见表 1。由试验可看出,当装药压力超过 60MPa 后可保证安全,且具有确定的安全裕度。2.2.2 发火时间的影响因素电起爆器通
10、 6A/20ms 的直流电流应牢靠发火,发火时间不大于 10ms,同批验收时间差不大于 3ms。桥丝式电起爆器发火时间在输入能量和桥丝确定的条件下主要与药剂有关。减小药剂粒度能改善药剂与桥丝的接触程度,药剂与桥丝的接触严密可减小发火能量、提高发火率、缩短发火时间6。点火药为混合药剂,对每个组分的粒度进展发火测时试验压药压力均为 70MPa。(1) 锆粉粒度的影响:选取不同粒度的锆粉混制成点火药,各装配 5 发产品进展发火时间测试,试验结果见表 2。表 2 试验数据说明,使用粒度较粗的锆粉混制的点火药发火时间为 4.595.45ms, 平均 4.978ms,标准偏差 0.32,使用粒度较细的锆粉
11、混制的点火药点火时间为4.194.62ms,平均 4.396ms,标准偏差 0.17。通过比照,使用粒度较细的锆粉混制的点火药发火时间短,并且全都性好。(2) 高氯酸钾粒度的影响:选取不同粒度的高氯酸钾混制成点火药,各装配 5 发产品进展发火时间测试,试验结果见表 3。表 3 试验数据说明,高氯酸钾粒度对点火药的发火时间影响不明显。(3) 氟橡胶含量的影响:选取不同含量的氟橡胶粘合剂混制成点火药,各装配 5 发产品进展发火时间测试,试验结果见表 4。表 4 试验数据说明,当粘合剂为 1%时,点火时间为 4.184.87ms,平均4.592ms,标准偏差 0.27,粘合剂为 0.5%时,点火时间
12、为 4.264.89ms,平均4.54ms,标准偏差 0.23。通过验证比照,当粘合剂为 0.5%时,发火时间较短, 发火时间全都性较好。(4) 压药压力对发火时间的影响:增加装药压力能改善药剂与桥丝的接触程度, 减小发火能量,提高发火率,缩短发火时间。但增大密度后,增加散热也可能会延长发火时间5。因此,选取不同的装药压力各装配 5 发产品进展发火时间测试, 试验结果见表 5。从表 5 试验结果可以看出,当压药压力把握在 85MPa 时,发火时间精度较好。2.2.3 发火牢靠性设计桥丝发热点燃点火药的牢靠性主要由桥丝与点火药的接触状况和点火药的特性打算, 桥丝与点火药的接触状况可通过热瞬态检测
13、进展检验,在确保桥丝与点火药严密接 触的状况下,桥丝在通入 6A 的直流电流 20ms 时桥丝的温升大于药剂的发火点即可保证点火药牢靠作用。当给桥丝式火工品快速通电时,桥温上升时间将比冷却时 间小得多,此时可无视热损失即假设输入能量只用于加热桥丝,则桥温 3为: 式1中:cp 为桥丝材料比热容,J/(g);I 为通入电流,A;R0 为桥丝电阻, ;t 为时间,s;a 为桥丝温度系数,-1。将 cp=0.46J/(g)、I=6A,R0=1、t=20ms、a=5010-6-1代入式1,得 T=1 565,点火药的发火点为 480,此时桥丝上升的温度大于点火药的发火点,产品牢靠发火。电起爆器的安全性
14、设计主要是避开发生意外发火。对电起爆器进展了安全摸底试验, 结果见表 6。经产品安全性试验验证,其最大不发火条件为 1.8A/3.24W5min,相比技术安全指标 1.5A/2.25W 5min,具有较高裕度1.2。电起爆器是通过电流的输入使装药发火,输入的电流值应能使电起爆器牢靠发火。发火电流摸底试验结果见表 7。由表 7 可见,最小全发火电流为 2.7A,而发火电流为 6A,发火电流具有较高裕度2.2。技术指标要求通入直流 6A/20ms 电流,从通电到发火的工作时间不大于 10ms, 同批验收产品的发火时间极差不大于 3ms。作用时间摸底试验结果见表 8。由表 8 可见,电起爆器的发火时
15、间在 4.014.81ms,平均值 4.43ms,标准差0.27ms,发火时间极差 0.8ms,满足从通电到发火的工作时间不大于 10ms,同批验收产品的发火时间极差不大于 3ms 的要求,并具有确定裕度。通过合理的桥路及散热构造设计,承受钝感的耐高温药剂,解决了1.5A/2.25W5min 不发火的高安全性和 6A/20ms 牢靠发火的难题。与常规1A/1W5min 不发火钝感火工品相比,安全能量提高了 125%,而发火电流只提高了 20%。经试验验证药剂中金属锆粉粒度与粘合剂氟橡胶含量是影响发火时间的关键,高氯酸钾粒度影响不明显。通过试验验证压制点火药的压药压力为 85MPa 时,点火时间精度最好。本争论为高安全性钝感电起爆器设计供给了技术支持。【相关文献】1 GJB 344A-2023 钝感电起爆器通用标准S.国防科学技术委员会,2023.2 王凯民.火工品工程M.北京:国防工业出版社, 2023.3 蔡瑞娇.火工品设计原理M.北京:北京理工大学出版社.1999.4 李金名,等.电桥构造对电火工品感度影响争论J.爆破器材,2023,33(1):28-31.5 佑全.灼热桥丝电雷管作用时间争论J.火工品,1994(2):4-7.6 杨庆玲.点火药粒度变化对产品性能的影响争论J.火工品,2023(4):26-29.
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