基于高速攝像技術(shù)的長間距爆速試驗研究

基于高速攝像技術(shù)的長間距爆速試驗研究

導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度在加工過程中，導(dǎo)爆管中的藥物粉末不足，且在安裝和運(yùn)輸過程中受到支撐和振動，導(dǎo)致管道藥品粉末破裂。斷藥導(dǎo)爆管在傳爆時,管內(nèi)爆轟波的能量在斷藥區(qū)內(nèi)將會不斷衰減,斷藥長度較短時可能會引起爆速波動;斷藥長度過長時可能使導(dǎo)爆管出現(xiàn)斷爆,導(dǎo)致與其連接的起爆系統(tǒng)發(fā)生拒爆。陳士海、郝建春、廖小翠對導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度進(jìn)行過研究,在各自試驗條件下,分別得到最大斷藥長度為15cm、17cm及19cm的結(jié)論。試驗旨在通過對不同斷藥長度的導(dǎo)爆管傳爆過程進(jìn)行高速攝像觀測,一方面對導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度的有關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗證;另一方面觀察導(dǎo)爆管出現(xiàn)斷藥時,在斷藥前后及在斷藥管內(nèi)爆轟波或沖擊波的變化情況,分析其斷藥傳爆機(jī)理。1試驗方法試驗所用器材主要為高速攝像機(jī)、導(dǎo)爆管、電腦、起爆針、起爆器、導(dǎo)線、游標(biāo)卡尺、卷尺、普通刀片、透明膠布、半框形木架等。其中導(dǎo)爆管為普通塑料導(dǎo)爆管,外徑為(3.2±0.1)mm,內(nèi)徑為(1.5±0.1)mm。試驗采用日本Photron公司的FastcamSA1.1型高速攝像機(jī)。該相機(jī)在全畫幅1024×1024像素的分辨率下能夠達(dá)到5400幀/秒的拍攝速率,在降低至64×64像素的最小分辨率時可達(dá)到最高為67.5×104幀/秒的拍攝速率。最快的電子快門為370ns;可選擇AVI、TIFF、JPG、BMP等圖像存儲格式。高速攝像試驗系統(tǒng)(圖1)由高速攝像機(jī)、裝有專業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦、被測導(dǎo)爆管、起爆器、同步控制儀等組成,由于導(dǎo)爆管在傳爆過程中會發(fā)出亮光,所以無需外加光源。2試驗2:導(dǎo)爆管長為5cm,積極開展試驗準(zhǔn)備40cm長的導(dǎo)爆管試樣若干,在已傳爆過的導(dǎo)爆管上截取一定長度作為試驗中的斷藥管,用強(qiáng)力透明膠布將斷藥管兩端與兩段正常的導(dǎo)爆管對接起來,以此組合成完整的試驗用不同斷藥長度的導(dǎo)爆管試樣。制作一內(nèi)寬為40.0cm的半框形木架,并在木架兩木條的同一高度處,各刻深度為1cm,寬度比導(dǎo)爆管內(nèi)徑略小的凹槽,以此卡住試驗用的導(dǎo)爆管,使其保持平直狀態(tài),便于高速攝像機(jī)觀測。裝好斷藥導(dǎo)爆管并插入起爆針的木架如圖2所示。試驗時以19cm斷藥長度起始值,1cm為步長進(jìn)行試驗。為使試驗結(jié)果可靠,每組試驗至少進(jìn)行10次。每次試驗都輔以高速攝像機(jī)記錄其傳爆過程。在正式拍攝前,以正常導(dǎo)爆管為對象進(jìn)行預(yù)拍攝來調(diào)試相機(jī),確定合適的拍攝參數(shù)。3試驗結(jié)果與圖像3.1維持該導(dǎo)爆管可靠傳爆長度的影響對不同斷藥長度的導(dǎo)爆管,進(jìn)行了多次的試驗,每次試驗后,通過觀察分析試驗后的導(dǎo)爆管及高速攝像圖像來辨別是否傳爆,其試驗結(jié)果見表1。由表1可知,維持該導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度為20cm,超過25cm必然導(dǎo)致傳爆中斷,斷藥長度在20cm與25cm之間時則可能傳爆,也可能不會傳爆。該試驗結(jié)論只適合試驗所選爆速為1745m/s的導(dǎo)爆管,與文獻(xiàn)的結(jié)論(15~19cm)稍有不同。實際上,不同廠家生產(chǎn)的導(dǎo)爆管,其管內(nèi)涂藥品種、裝藥量、線密度及粒度不同,導(dǎo)爆管的起爆及傳爆性能也不同,因此維持導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度也不同。3.2拍攝速率分析由于每組不同斷藥試驗的高速攝像圖像具有相似性,這里只列出3組作為分析,如圖3、圖4、圖5所示。其拍攝速率均為12.5×104幀/秒,物距均為4.25m,視場寬度均為41.0cm。20、23、24cm斷藥分別始于視場左起7.7cm、6.6cm及2.5cm。4圖像數(shù)據(jù)處理和分析4.1爆速的計算與分析為便于觀察與測量,首先在計算機(jī)上對每幅圖像進(jìn)行統(tǒng)一的適當(dāng)?shù)姆糯蠹叭レF處理。然后用尺寸測量軟件測出經(jīng)放大的每幅圖像中光信號最前端離左邊緣的距離及放大后圖像的寬度,得到二者的比值;圖像的實際視場寬度每次試驗時可以測得,且在相機(jī)參數(shù)一定的情況下,視寬與物距成正比。從而可得每幅圖像中光信號最前端離左邊緣的實際距離;計算相鄰兩圖幅間光信號的位移,而相鄰圖幅的時間間隔為拍攝速率的倒數(shù),從而可得各相鄰時刻間導(dǎo)爆管傳爆的平均速度。按此方法多次試驗計算,得到導(dǎo)爆管爆速在1710~1770m/s之間,均值為1745m/s,且對于任意兩根用透明膠布對接的正常導(dǎo)爆管,對接前后爆速幾乎無變化。為準(zhǔn)確分析斷藥導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波或沖擊波的變化情況,對20cm斷藥導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波的爆速進(jìn)行了計算。圖3中第56幅圖像開始其波陣面已傳至拍攝范圍外,故僅對前55幅圖像進(jìn)行爆速計算與分析。為節(jié)省篇幅,這里只列出其中部分圖幅對應(yīng)的爆速,如表2所示。根據(jù)每幅圖像對應(yīng)的爆速,可以作出20cm斷藥導(dǎo)爆管的爆速與對應(yīng)像幅的關(guān)系曲線,見圖6。4.2導(dǎo)爆管起爆時長為7.7cm時的試驗結(jié)果對比圖3和圖4可以看出,成功傳爆的斷藥導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波的變化特征很明顯,且類似。在開始一段距離內(nèi),導(dǎo)爆管正常傳爆,光區(qū)亮度較強(qiáng);之后光區(qū)亮度逐漸且明顯變暗,說明爆轟波傳爆到斷藥部位;經(jīng)過一個較暗的區(qū)域后,亮光又逐漸增強(qiáng),說明導(dǎo)爆管又傳爆到正常段。圖中的光信號回傳現(xiàn)象是由高溫爆轟氣體導(dǎo)致的。兩組圖像又有著明顯的不同,圖4中暗圖更多。其原因是由于圖4中沖擊波經(jīng)歷的無藥歷程較圖3更長,波的衰減更嚴(yán)重,將導(dǎo)爆管重新激發(fā)的過程就更艱難。圖5管內(nèi)沖擊波由強(qiáng)變?nèi)醯奶卣髋c成功傳爆時相似,所不同的是,光區(qū)亮度沒有出現(xiàn)由暗變亮,而是越來越暗,直至完全湮滅。顯然其原因是導(dǎo)爆管斷藥長度太長,沖擊波能量得不到及時的補(bǔ)充,在重新進(jìn)入涂藥導(dǎo)爆管時,其強(qiáng)度已衰減得非常弱小,不能激起足夠多的藥粉參與化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生能量,維持沖擊波傳播,致使傳爆終止。圖3中,斷藥始于像幅視場自左起7.7cm,止于27.7cm,從表2可以看出,7.7cm對應(yīng)于第5像幅與第6像幅之間(將圖像放大觀察也可看出),爆轟波在進(jìn)入到無藥區(qū)后,由于缺乏有效的能量補(bǔ)充,沖擊波強(qiáng)度及速度逐漸降低,光亮度逐漸減弱。27.7cm對應(yīng)于第31與第32幅圖像之間,沖擊波以620m/s左右的速度自無藥區(qū)進(jìn)入有藥區(qū),但圖中并未顯示出第32幅圖像與其相鄰圖像有何明顯不同,且之后一段時間其爆速和亮度仍繼續(xù)降低。至第43幅圖像,沖擊波已進(jìn)入有藥管內(nèi)約4.5cm,波速降至最低值400m/s,之后速度逐漸提高。自第32到第55幅圖像,沖擊波已進(jìn)入有藥管內(nèi)約12.6cm,據(jù)圖像信號波亮度可知,至第58幅時爆轟波波速完全達(dá)到正常,此時離斷藥區(qū)距離約為16.8cm。這一距離同另一高速攝像試驗所測得的18.5cm以及文獻(xiàn)的16.7cm的導(dǎo)爆管在起爆針作用下的爆轟不穩(wěn)定段長度接近。導(dǎo)爆管內(nèi)的沖擊波自斷藥段進(jìn)入到正常段并成功傳爆的過程,實質(zhì)是導(dǎo)爆管在軸向弱激發(fā)下的起爆過程。導(dǎo)爆管能否被軸向起爆,取決于導(dǎo)爆管本身性能和激發(fā)沖量的強(qiáng)度及作用過程。每種導(dǎo)爆管起爆時都要求起爆沖擊波的傳播速度達(dá)到或超過某一臨界值,這是起爆導(dǎo)爆管的第一個必要條件。另一個必要條件是起爆沖擊波對導(dǎo)爆管持續(xù)作用的時間必須足夠長,以保證所引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)放出的能量使起爆沖擊波陣面維持必要的壓力。當(dāng)弱沖擊波剛傳入涂藥管內(nèi)時,其傳播速度仍持續(xù)下降,圖像亮度繼續(xù)變暗,說明沖擊波初進(jìn)入涂藥管階段僅有少量炸藥顆粒被激發(fā)。其原因就是由于未達(dá)到導(dǎo)爆管起爆的第二個必要條件,即起爆沖擊波對導(dǎo)爆管持續(xù)作用的時間必須足夠長。初始激發(fā)沖量越弱,炸藥顆粒的爆發(fā)延滯期越長。在該弱沖擊波繼續(xù)衰減前行的同時,藥粉雖然未被立即激發(fā),但是一直在承受著該弱沖擊波的持續(xù)作用,隨著作用時間的增長,炸藥顆粒的溫度逐漸升高,越來越多的炸藥顆粒逐漸達(dá)到活化狀態(tài)并發(fā)生化學(xué)反應(yīng),為該弱沖擊波補(bǔ)充能量,沖擊波能量的增強(qiáng)也將激發(fā)更多的炸藥顆粒,最終促使弱沖擊波轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的爆轟波,斷藥導(dǎo)爆管成功傳爆。以上分析可知,沖擊波經(jīng)過一定長度斷藥導(dǎo)爆管后仍能成功傳爆的原因主要是導(dǎo)爆管內(nèi)有效反應(yīng)區(qū)長度較長,且管道效應(yīng)減輕了爆轟波能量的衰減,衰減后的沖擊波速度大于某一臨界值時,便能重新起爆涂藥導(dǎo)爆管;若斷藥長度過長,爆轟波衰減至小于該臨界值時,則不能重新起爆涂藥導(dǎo)爆管,傳爆終止。20cm間距斷藥導(dǎo)爆管試驗中,沖擊波速度最低值為400m/s時,仍成功傳爆,而20cm為可靠傳爆的最大斷藥長度,因此可以認(rèn)為該臨界值為400m/s。總結(jié)爆轟波或沖擊波在斷藥導(dǎo)爆管內(nèi)的變化情況得出:從沖擊波進(jìn)入斷藥區(qū)直至進(jìn)入涂藥區(qū)區(qū)間內(nèi),其波速一直衰減,衰減至最低后,再逐漸上升至正常速度。波速由下降到上升的拐點,是出現(xiàn)在進(jìn)入正常有藥區(qū)一段不長的距離處。5爆速值對比利用高速攝像機(jī)對不同長度斷藥的導(dǎo)爆管進(jìn)行了試驗研究,得到如下主要結(jié)論:1)隨著導(dǎo)爆管斷藥長度的增加,導(dǎo)爆管成功傳爆的可能性逐漸減小。不同廠家生產(chǎn)的導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度值不同,本試驗所用爆速值為1745m/s的普通塑料導(dǎo)爆管可靠傳爆的最大斷藥長度為20cm,超過25cm必然斷爆,這一結(jié)果與其他研究者所得