無煙/有煙煙火藥劑發射藥動摩擦系數對比研究

郭 聳， 姜夕博， 姬 龍， 馮 淞， 彭金華

(1. 南京理工大學 化工學院，南京 210094； 2. 中國兵器工業第二〇三研究所，西安 710065)

煙火藥劑發射藥指能將花炮星體或禮花彈體推送至空中的火藥，是煙花類產品基本裝藥[1-2]，某些煙花類產品中發射藥用量甚至超過煙花藥劑總量的50%。主要有兩種，一種為傳統的發射藥，以硝酸鉀、木炭、硫磺配置的黑火藥，但由于此發射藥燃燒時產生大量煙霧，故無煙發射藥成為黑火藥類發射藥的理想替代品，該無煙發射藥主要采用軍用退役單基藥為主原料，燃燒時產生的煙霧量少，能保持傳統發射藥的發射力及點火性，為退役單基藥資源化利用開辟了新途徑[3-4]。

煙火藥劑發射藥作為易燃易爆危險品，不安定因素客觀存在[5-6]，一旦發生反應，后果非常嚴重。如2012年福銀高速爆炸事故因車輛在行駛中側翻，導致黑火藥受到摩擦、撞擊作用發生爆炸，致3人死亡多人受傷； 2007年內蒙古敖漢旗生產黑火藥工廠發生爆炸，原因為摩擦產生靜電引爆黑火藥所致。Sivapirakasam[7]詳細分析煙火藥劑在生產、運輸及儲存過程各環節可能由摩擦引起的爆炸事故，若藥劑在摩擦作用下產生的能量處理不當，即會導致熱量積累而發生爆炸性。因此煙火藥劑發射藥在摩擦作用下點火是導致發生意外爆炸的重要原因之一。定量研究煙火藥劑的摩擦作用對安全利用煙火藥劑具有重要意義。而動摩擦系數是衡量在摩擦作用下獲得能量的關鍵參數，對預測在摩擦作用下的危險性程度具有重要意義[8-9]。然而目前尚未見對煙火藥劑的摩擦過程進行定量的研究，亦無煙火藥劑動摩擦系數相關數據，其原因為與煙火藥劑發射藥自身的爆炸特性及動摩擦系數影響因素眾多[10-11]等因素有關。為安全合理預測煙火藥劑發射藥的動摩擦系數，本文采用理論計算與實驗測量相結合方法，測算黑火藥及退役單基藥兩種煙火藥劑發射藥的動摩擦系數，研究正壓力與滑動速度對兩動摩擦系數范圍影響，為進一步預測煙火藥劑發射藥在摩擦作用下的危險性程度奠定基礎。

1 動摩擦系數測算方法

1.1 測定原理

實驗采用MGY-1型擺式摩擦儀，實現測定動摩擦系數原理為：擺錘由一定擺角下落，擊中擊桿，擊桿推動上滑柱在試樣表面運動一定距離。在運動過程中，上滑柱與試樣間發生滑動摩擦，試樣摩擦做功能力用上滑柱移動距離表示。摩擦做功能力亦可據含有試樣摩擦系數的摩擦做功計算式求得。基于此，建立移動距離與摩擦系數間對應關系式，進而據上滑柱移動距離推算試樣與鋼間動摩擦系數。實驗設備及簡圖見圖1。

1.擊桿 2.上頂柱 3.上滑柱 4.試樣 5.套筒 6.下滑柱 7.下頂柱 8.擊桿端面 9.儀器壁面 G.擺錘下落方向

實驗中用專測間隙距離塞尺測量上滑柱移動距離：在加壓、擺錘未下落前測量擊桿端面與儀器壁面距離，擺錘下落后再測量擊桿端面與儀器壁面距離，兩者差值即為上滑柱實際移動距離。

1.2 理論建模

擺式摩擦儀測定時將試樣置于上下滑柱之間，通過油壓機加壓，上下滑柱頂在上下頂柱之間使試樣承受一定壓力。將擺錘懸掛到所需擺角后釋放，在未擊中擊桿前，擺錘受重力及轉軸反作用力共同作用。擊中擊桿后同擊桿與上滑柱共同運動，上滑柱在試樣表面發生滑動摩擦，直至上滑柱停止運動。上滑柱運動距離與壓力、擺角及試樣動摩擦系數有關。為簡化運算，理論建模中假設：① 忽略空氣阻力及轉軸摩擦力；② 試樣在下滑柱表面均勻分布，外力在試樣表面平均分布；③ 擺體撞擊擊桿后仍沿水平方向運動，不反彈；④ 忽略擺體、擊桿及上滑柱內的彈性壓縮，三者無形變。據運動過程及假設、擺錘運動方程、動量守恒定律及能量定理，得任意時刻t、上滑柱移動距離s表達式為：

(1)

(2)

式中：各符號含義見表1。

表1 數學符號及含義

式(2)中擺錘質量等設備參數為已知量，若能測定上滑柱移動距離，只剩試樣與鋼之間動摩擦系數μ一個未知量。因此對式(2)用數值計算方法求解，用軟件編程，即獲得用于計算動摩擦系數程序。在程序中輸入動摩擦系數預估值，可計算出相應的上滑柱移動距離并與實測移動距離比較，若不同，則改變動摩擦系數值，直至計算獲得與實測值相符，則該動摩擦系數值即為試樣的動摩擦系數。

1.3 方法驗證

測試中上滑柱與上頂柱之間同時發生滑動摩擦，而上下滑柱及上頂柱均為同種鋼材料。若上下滑柱間未置試樣，則三者間的相互摩擦均為鋼與鋼的摩擦，即μ=μs。由于鋼與鋼之間的動摩擦系數有測定值，故可據此驗證理論模型的可靠性。

本文實驗為擺角、表壓分別為30°、2.5 MPa及50°、4.9 MPa兩種條件未置試樣的空白實驗，每種條件進行10次，實驗結果見表2。

表2 兩種實驗條件下鋼與鋼之間動摩擦系數

由表2看出，兩種實驗條件下鋼與鋼之間動摩擦系數分別為0.18，0.17。而文獻[12]調研鋼與鋼之間在無潤滑情況下動摩擦系數為0.15，與本文結果吻合較好，證明本文的測算結果準確、可靠，可用于測算煙火藥劑發射藥的動摩擦系數。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗樣品及結果

實驗用黑火藥及退役單基藥原料由煙花爆竹生產企業提供，粒度在120～150 μm之間。實驗中每次稱取20 mg試樣平鋪在下滑柱表面，旋轉套筒使試樣在下滑柱表面分布均勻。實驗測定兩種試樣在擺角、表壓分別為50°，4.9 MPa時上滑柱移動距離，每種試樣進行十次，試樣均未發生反應，所得結果見表3。

表3 上滑柱移動距離實測值

由表3看出，兩種試樣上滑柱移動距離并非確定值，存在一定范圍。但變化范圍不大，其中黑火藥移動距離在0.3 ～0.4 mm之間；退役單基藥移動距離在0.4～0.6 mm之間，大于黑火藥的移動距離。實際上，上滑柱移動距離為范圍值的原因與試樣自身性質、動摩擦系數等諸多影響因素有關。

2.2 動摩擦系數測算結果

若測試次數足夠多，上滑柱移動距離近似滿足正態分布。為合理描述上滑柱移動距離范圍，采用均值置信水平為0.95的置信區間表示上滑柱移動距離[13]：

(3)

表4 兩種試樣與鋼之間動摩擦系數計算值

由表4看出：① 兩種試樣的動摩擦系數均為范圍值，但兩者變化幅度不同，黑火藥變化幅度為0.12，而退役單基藥變化幅度為0.07；② 黑火藥動摩擦系數大于退役單基藥動摩擦系數。

實際上界面之間的動摩擦力本身較復雜，且影響因素眾多。由于本文所選試樣具有一定粒徑范圍的粉狀，除受測量過程本身復雜性影響外，亦受試樣粒徑、顆粒形狀等因素影響，不同粒徑、顆粒形狀試樣與上滑柱之間的接觸面積及動摩擦力存在差異[14]，致兩種試樣與鋼之間的動摩擦系數存在一定變化范圍。而黑火藥動摩擦系數大于退役單基藥動摩擦系數，是由兩種試樣自身性質如顆粒表面光滑程度等因素決定的。

3 實驗條件對兩種試樣動摩擦系數范圍影響

影響動摩擦系數因素較多，包括試樣自身性質、壓力、滑動速度、溫度、濕度等。其中壓力、滑動速度為影響動摩擦系數研究最重要的兩因素[15]。改變壓力、滑動速度可能引起試樣顆粒形狀改變、顆粒在下滑柱表面分布情況變化、甚至試樣表面溫度變化，進而影響試樣的動摩擦系數。故重點研究正壓力及滑動速度對兩種煙火藥劑發射藥動摩擦系數范圍影響。

3.1 正壓力對動摩擦系數范圍影響

表5 不同壓力下上滑柱移動距離

表6 不同壓力下試樣動摩擦系數

由表6看出：① 兩種實驗條件下，黑火藥動摩擦系數均大于退役單基藥動摩擦系數；② 當表壓由2.5 MPa升到4.9 MPa時，黑火藥動摩擦系數范圍由0.26～0.37變為0.20～0.32，即動摩擦系數變化幅度基本一致，但變化范圍朝向降低的方向移動。退役單基藥動摩擦系數范圍由0.13～0.19變到0.10～0.17，表現出與黑火藥相同的規律。可初步推測，在一定壓力范圍內，兩種煙火藥劑發射藥的動摩擦系數范圍隨壓力的升高有下降趨勢。

3.2 滑動速度對動摩擦系數范圍影響

滑動速度指上滑柱在試樣的滑動速度，該速度與擺角大小直接相關。擺角增大表明擺錘下落勢能增大，傳遞給擊桿的動能相應增大，而擊桿與上滑柱直接接觸，導致上滑柱滑動速度增大。在表壓2.5 MPa時，實驗分別測定擺角為30°、50°兩種發射藥的上滑柱移動距離見表7。

表7 不同擺角時上滑柱移動距離

由表7看出，擺角不同，黑火藥及退役單基藥的上滑柱移動距離亦為一范圍值。利用本文計算方法結合區間估計所得上滑柱移動距離置信區間及動摩擦系數同樣為范圍值，見表8。

表8 不同擺角時試樣動摩擦系數

由表8看出，兩種實驗條件的黑火藥動摩擦系數均大于退役單基藥動摩擦系數。擺角由30°增加到50°時隨滑動速度增大，兩者動摩擦系數變化范圍、變化幅度不同，即黑火藥動摩擦系數范圍由0.22～0.52變到0.26～0.37，變化范圍未發生變化，但變化幅度減小；退役單基藥動摩擦系數范圍由0.15～ 0.22變到0.13～0.19，變化幅度基本相同，但變化范圍朝降低方向移動。

4 結 論

本文通過實驗測定及理論研究，定量給出黑火藥、退役單基藥兩種常用煙火藥劑發射藥的動摩擦系數，結論如下：

(1) 兩種試樣動摩擦系數均為范圍值，其原因與測量過程本身的復雜性及試樣粒徑、顆粒形狀等因素有關；

(2) 隨壓力的升高，兩種試樣動摩擦系數變化范圍均有下降趨勢；

(3) 擺角升高即上滑柱滑動速度增大，兩種試樣動摩擦系數變化幅度及變化范圍不同。黑火藥動摩擦系數變化范圍未發生變化，變化幅度減小；退役單基藥動摩擦系數變化范圍有減小趨勢，變化幅度基本相同；

(4) 黑火藥動摩擦系數均大于退役單基藥動摩擦系數，與試樣自身性質如顆粒形狀差異、顆粒表面光滑程度差異等因素有關。

參 考 文 獻

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