某火炮身管壽命問題探討

張國平， 王茂林， 楊 東， 朱文芳， 劉 彥

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某小口徑火炮在身管壽命考核試驗中，采用相同的射擊規(guī)范，自動機B身管的壽命僅為自動機A的64%～70%。兩種自動機身管的材料、內(nèi)膛結(jié)構(gòu)和工藝完全相同，使用彈藥的彈道性能基本相同。唯一不同的是自動機A的額定射速為550發(fā)/min，自動機B的額定射速為1 000發(fā)/min。

筆者以射擊過程中身管外壁溫度測試結(jié)果為基礎，對身管溫度分析程序中的計算參數(shù)進行復核，然后對身管內(nèi)膛溫升進行熱分析計算。從身管溫升角度，用類比法，估算自動機B身管的壽命，并分析其壽命降低的原因。根據(jù)身管內(nèi)膛壁溫度不得超過其材料相變的臨界溫度點原則，制定合理的射擊規(guī)范。

1 壽命判據(jù)及影響壽命的主要因素

身管壽命系指火炮以最大允許發(fā)射速度射擊(或控制身管、駐退液溫度不超過規(guī)定的極限溫度)，直至身管喪失戰(zhàn)斗性能瞬間所發(fā)射的全裝藥最少彈數(shù)。以彈帶削光、彈丸在彈道上失去穩(wěn)定、初速下降、初速或然誤差增大、射擊精度變差，不能完成作戰(zhàn)目的為表征[1]。

身管壽命判定準則：凡出現(xiàn)下述情況之一的，即認為身管壽命終止[2]：

1)初速下降量超過5%。

2)立靶上出現(xiàn)橫彈數(shù)超過50%。

3)彈丸導帶全部削光，無膛線印痕。

4)立靶散布試驗值超過指標的8倍[1]。

5)射擊試驗中，某一特征量超過戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標中規(guī)定的壽命標準[2]。

試驗表明，該種火炮身管壽命告終的明顯特征是出現(xiàn)橫彈、彈丸導帶全部削光。

影響身管壽命的主要因素是發(fā)射過程中對身管內(nèi)膛的作用，主要表現(xiàn)在：熱應力和化學作用、火藥氣體的沖刷和燒蝕作用、彈丸對膛線的機械磨損作用。在高溫狀態(tài)下，內(nèi)膛表面金屬已發(fā)生相變(如圖1所示)。

在連發(fā)射擊過程中，內(nèi)膛表面溫度的變化為鋸齒形，彈丸在膛內(nèi)運動和后效期期間，內(nèi)表面溫度升到該發(fā)射彈時的極大值，然后下降。下一發(fā)射彈時內(nèi)表面的溫度高于前一發(fā)射彈開始時的溫度，并不斷重復這一過程(如圖2所示)。

當連發(fā)射彈時，擊發(fā)瞬時內(nèi)膛表面溫度變化為O-K-D曲線，身管內(nèi)膛表面溫度超過臨界狀態(tài)D(身管回火溫度)，身管磨損加劇。因此為了提高身管壽命，連發(fā)擊發(fā)瞬時內(nèi)膛表面溫度應在亞臨界溫度值(如臨界溫度的90%，圖2中A點)以下，等身管冷卻后繼續(xù)射擊(例如按擊發(fā)瞬時內(nèi)膛表面溫度變化O-A-B-C曲線方式射擊)。同時瞬時最高溫度G也不得超過身管材料的熔點。

上述3種因素對身管的燒蝕過程是相互作用的，熱為氣體和金屬的化學反應提供了高溫條件，氣體沖刷、彈丸對內(nèi)膛的機械磨損也因金屬受熱軟化而加劇[3-4]。

2 身管內(nèi)、外壁溫升變化情況的計算

2.1 計算初始條件

自動機A、B的內(nèi)彈道計算初始參數(shù)見表1。

表1 自動機A、B的內(nèi)彈道計算參數(shù)

2.2 邊界條件

1)身管內(nèi)壁條件為：在內(nèi)彈道過程開始至后效期結(jié)束，身管內(nèi)壁與膛內(nèi)火藥燃燒氣體進行對流換熱、輻射換熱，根據(jù)兩相流內(nèi)彈道理論計算得出的膛內(nèi)氣體溫度，通過換熱計算得出身管內(nèi)壁沿軸向的溫度分布；后效期結(jié)束后身管內(nèi)壁視為絕熱情況。

2)身管外壁條件為：身管外壁表面與周圍環(huán)境進行自然對流換熱。

2.3 計算結(jié)果

2.3.1 與身管口部溫度測試結(jié)果的擬合計算對比

為了驗證計算程序和選取參數(shù)的正確性，按身管口部溫度測試結(jié)果進行了符合計算。在身管口部200 mm處的外壁上，對其表面溫度進行了連續(xù)測量，測試結(jié)果與計算結(jié)果的對比情況見表2。

表2 測試結(jié)果與計算結(jié)果的對比

由表2可看出，計算結(jié)果在射擊結(jié)束短時間內(nèi)與試驗結(jié)果偏差較小，但隨著時間的推移，計算值比實測值低一些。原因是計算模型中假設緊靠身管外側(cè)的空氣溫度為常溫，而實際上隨著時間推移，緊靠身管外側(cè)的空氣溫度不斷增加，身管外壁面與周圍環(huán)境進行自然對流換熱，邊界條件和初始條件已發(fā)生變化。

2.3.2 自動機A、B的身管溫度計算結(jié)果

分別對自動機A、B的連發(fā)射擊過程進行了身管內(nèi)膛溫度分析計算。連發(fā)射擊情況下，每發(fā)擊發(fā)瞬間身管內(nèi)壁最高溫度情況見表3。身管線膛起始點(下稱A斷面)內(nèi)壁溫度情況見表4。

表3 33連發(fā)擊發(fā)瞬間身管內(nèi)壁最高溫度情況

注：1.溫度差=自動機B身管溫度-自動機A身管溫度。2.溫度差平均值為65.5℃，標準差為5.25℃。

表4 33連發(fā)擊發(fā)瞬間身管A斷面內(nèi)壁溫度變化情況

注：1.溫度差=自動機B的身管溫度-自動機A的身管溫度。2.溫度差平均值為60.0℃，標準差為5.37℃。

自動機B連發(fā)射擊A斷面身管壁溫度的徑向分布規(guī)律見圖3(圖中曲線自下而上分別為第1至第15發(fā))和圖4。

不同點射長度射擊結(jié)束后身管內(nèi)壁溫度沿軸向的分布規(guī)律見圖5(圖中曲線自下而上分別為第1、4、7、10、15、20、25、30、33發(fā))。身管內(nèi)壁A斷面溫度隨射擊發(fā)數(shù)的變化曲線見圖6。

2.4 計算結(jié)果分析

從上述身管熱分析計算圖表中可以看出：

1) 連發(fā)射擊過程中，擊發(fā)瞬時身管內(nèi)膛表面溫度近似按指數(shù)規(guī)律不斷升高；1次點射結(jié)束，其溫度又按指數(shù)規(guī)律下降。

2) 擊發(fā)瞬時身管A斷面的內(nèi)膛溫度較高；在某一瞬時，身管內(nèi)膛表面溫度沿身管軸線從后向前呈下降趨勢。

3)射速愈高，身管內(nèi)膛表面的溫升愈快愈高。

3 用類比法估算自動機B身管壽命

3.1 自動機A、B身管壽命試驗中的溫度差計算

在身管材料、內(nèi)膛結(jié)構(gòu)、彈藥條件和加工工藝相同條件下，僅考慮由于溫升引起內(nèi)膛燒蝕磨損的身管壽命。以自動機A身管壽命為基礎，采用類比等效原則，估算自動機B的身管壽命。兩種自動機連續(xù)射擊5、10、15、33發(fā)的情況下(見表4和表5)，加權(quán)平均溫度差TW經(jīng)計算平均值為73.98℃，其中加權(quán)系數(shù)身管壽命試驗中各種點射的射彈發(fā)數(shù)統(tǒng)計結(jié)果確定的。

表5 自動機A、B身管擊發(fā)瞬間A斷面溫差平均值

3.2 自動機B的身管壽命估算

身管壽命估算公式基于影響身管壽命的諸多因素，根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)和判定，取舍不同影響因素擬合而成。其中法國學者卡波基于身管材料熱因素和燒蝕磨損因素建立的公式[5]。對于身管內(nèi)膛截面形狀、膛線纏度變化相同的身管來說，壽命告終時膛線直徑的增大量Dm幾乎是一樣的，與身管的射擊規(guī)范無關(guān)?；谏鲜黾僭O，瑞士厄利空公司[3]、Simth、O’Brasky和國內(nèi)學者[4]基于內(nèi)膛燒蝕理論建立了身管壽命估算公式；Simth和O’Brasky估算公式是先基于熱因素求得平均磨損率，然后求出身管壽命的估計值[6]。

身管壽命終結(jié)時內(nèi)膛陽線徑向磨損量達到最大值Δdm，身管壽命N和平均磨損速率W有關(guān)：

(1)

Simth和O’Brasky根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出的身管平均磨損速率估算的模型為：

W=AeαTW

(2)

連發(fā)射擊的身管磨損率計算公式為:

W=0.421 6e-0.004 9(TW+Ti)

(3)

式中：A、α為經(jīng)驗常數(shù)，與身管的材料和發(fā)射藥的性質(zhì)有關(guān)。

設自動機A的身管壽命為NA，自動機B的身管壽命為NB，于是:

(4)

4 身管內(nèi)膛達到回火溫度時的射擊方式

身管壽命與射擊規(guī)范密切相關(guān)，就身管本身而言，取決于身管材料的高溫強度和陽線表面擠壓應力的臨界狀態(tài)，即內(nèi)膛瞬時溫度不超過1 250 ℃(材料熔點為1 400 ℃～1 500 ℃)、擊發(fā)瞬間內(nèi)膛表面溫度不超過580 ℃(材料回火溫度值)。

由身管熱分析計算可知，擊發(fā)過程內(nèi)膛表面瞬時高溫(當發(fā)最高瞬時溫度的65%以上)持續(xù)時間不大于5 ms，其作用時間很短。表6給出了擊發(fā)過程內(nèi)膛表面各發(fā)瞬時最高溫度值，及最高溫度與A斷面擊發(fā)瞬間溫度之差的平均值。因此，只要擊發(fā)瞬間內(nèi)膛表面溫度不超過580 ℃，瞬時溫度一般不超過身管材料的熔點，射擊規(guī)范按擊發(fā)瞬間內(nèi)膛表面溫度不超過580 ℃的原則來制定。

表6 身管內(nèi)壁A斷面各發(fā)瞬時最高溫度情況 ℃

注: 兩者之差的平均值：5連發(fā)為784.2 ℃，10連發(fā)為721.0 ℃，15連發(fā)為686.6 ℃，20連發(fā)為663.5 ℃，33連發(fā)為626.3 ℃。

根據(jù)射后身管溫度測試結(jié)果和分析計算結(jié)果，用曲線擬合方法，求得射擊結(jié)束后內(nèi)膛表面溫度隨時間變化的近似擬合公式為:

ΔTj=(TA0-TCW)-(TA0-TCW)e-0.015t

(5)

式中:ΔTj為射擊結(jié)束后t時刻內(nèi)膛表面溫度降，T為從點射最后一發(fā)彈擊發(fā)60 ms后開始計算的時間，TCW為環(huán)境溫度，TA0為點射最后一發(fā)彈擊發(fā)60 ms時的內(nèi)膛表面溫度。

自動機 B在連發(fā)結(jié)束瞬間身管A斷面內(nèi)膛的溫升情況見表7 。

表7 幾種點射結(jié)束瞬間身管A斷面的溫升情況 ℃

根據(jù)不同的點射長度、A斷面對應的溫升ΔTsi和最后一發(fā)結(jié)束后60 ms時的溫度TAoi、停射間隔時間Δti，按下式確定合適的射擊方式和規(guī)范:

(6)

按公式(5)和(6)、表7，可組合成不同的點射方式。表8給出了不同點射組合方式的射擊規(guī)范示例。

表8 不同點射組合方式的射擊規(guī)范示例

5 結(jié) 論

在彈藥、身管材料和加工工藝相同條件下，筆者考慮了由于溫升引起內(nèi)膛燒蝕磨損的身管壽命，對射擊過程中身管的溫升進行了熱分析，以自動機A身管壽命為基礎，采用類比等效原則估算，自動機B的身管壽命為自動機A的69.6%，估算結(jié)果與試驗結(jié)果接近。

國軍標規(guī)定連續(xù)點射使身管口部外側(cè)溫度達到400℃時停止射擊，以此方法考核身管壽命。目前炮鋼材料建議射擊規(guī)范應以內(nèi)膛瞬時溫度不超過1 250 ℃、擊發(fā)瞬間內(nèi)膛表面溫度不超過580 ℃為原則來制定。其溫度值用試驗測試值去擬合計算參數(shù)，在用身管熱仿真分析求得射擊過程內(nèi)膛(線膛起始段)表面溫度和停射后的溫度下降規(guī)律，以確定每次點射后間隔時間。按此原則確定的射擊規(guī)范比較符合身管的實際使用壽命。

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