火炮身管壽命研究?

蔣澤一，李 強(qiáng)，薄玉成

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

身管是火炮的重要部件之一，其使用狀況直接影響武器的運(yùn)用效果和人機(jī)功效。身管壽命是火炮自動武器的一個重要的評判指標(biāo)。

火炮發(fā)射過程是一個極其復(fù)雜的過程，它包括多種形式的運(yùn)動以及能量轉(zhuǎn)換。火炮身管在一定程度上可視為超高壓壓力容器，其核心作用在于把火藥氣體的熱能轉(zhuǎn)化為彈丸運(yùn)動的動能。在此過程中，還伴隨著火藥點(diǎn)、傳火產(chǎn)生的壓力波的傳遞和反射，彈體與膛壁的摩擦與傳熱等復(fù)雜問題。顯而易見，上述各種現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展不是孤立的，而是相互影響、相互滲透的，它們共同構(gòu)成了身管受力的復(fù)雜過程。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，越來越追求高膛壓、高初速的火炮，因此，推進(jìn)對身管壽命的深入研究具有重要的理論意義和實(shí)用價值。

1 身管壽命概念

對于槍炮而言，身管壽命包括損傷壽命和疲勞壽命。

1.1 損傷壽命

損傷壽命是指經(jīng)過若干次射擊后，身管由于內(nèi)膛燒蝕磨損而達(dá)不到規(guī)定的彈道性能所構(gòu)成的損傷壽命。

射擊時，身管在高溫下受熱膨脹，身管受熱應(yīng)力而產(chǎn)生一定的向外徑方向的彈性變形，必須給身管一定的彈性變形空間。如果身管在彈性變形時受到某方面的約束，這樣身管在受熱應(yīng)力的同時，還會受到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，幾種應(yīng)力耦合疊加后若超過身管的強(qiáng)度極限，身管就會產(chǎn)生塑性變形，同時，身管在彈變時接觸到約束，會由于熱應(yīng)力還未消失而向相反的方向膨脹，如果膨脹超過回復(fù)位置，使身管內(nèi)徑變小，此段就形成了縮徑。

彈丸在膛內(nèi)高速運(yùn)動時，彈體強(qiáng)烈擠壓膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)。當(dāng)彈體擠壓膛壁的壓強(qiáng)高于身管材料的屈服極限時，陽線薄弱部位發(fā)生形變。輕則塑形變形，形成凹坑；重則致使陽線脫落，喪失導(dǎo)轉(zhuǎn)功能。概括地說：彈體在膛壁約束下前進(jìn)，膛線被拉傷。

由于身管損傷導(dǎo)致線膛身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)施加給彈丸上的力不再有規(guī)律性，彈丸出炮口速度不能滿足彈丸旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的要求。彈丸散布增大，射擊精度下降，亦即身管不能滿足火炮的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)要求指標(biāo)而告壽終。

1.2 疲勞壽命

身管作為周期受載荷作用的壓力容器，還要受疲勞壽命的影響。

疲勞壽命是指機(jī)械或結(jié)構(gòu)直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時間。具體在火炮使用的語境下，身管疲勞壽命是指身管在發(fā)生疲勞破壞前所能發(fā)射的當(dāng)量全裝藥的射彈數(shù)目。

從疲勞損傷的發(fā)展過程看，火炮身管的疲勞壽命可以分為裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和快速斷裂3個階段。裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命合稱為火炮身管疲勞全壽命。在最后一階段，將出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，身管會很快斷裂不可用。

實(shí)戰(zhàn)和訓(xùn)練所得的大量數(shù)據(jù)表明，火炮身管通常在一二百發(fā)炮彈射擊后，膛內(nèi)表面裂紋深度即可達(dá)0.5mm～1.0mm。

2 身管延壽措施

從歷史上看，身管壽命問題一直與火炮的發(fā)展相伴相生。目前，身管延壽的措施很多，下面分別從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等幾個方面具體闡述。

2.1 身管結(jié)構(gòu)

彈帶的結(jié)構(gòu)、材料以及炮膛尤其是炮膛起始部的結(jié)構(gòu)對身管的壽命有著重要的影響。改善火炮的膛線結(jié)構(gòu)及彈帶材料可以減輕內(nèi)膛的損傷狀況，從而有效地提高身管壽命。

2.2 生產(chǎn)工藝

表面技術(shù)可以從材料層面提高工件的機(jī)械性能，延長工件的使用壽命。有關(guān)資料表明，將鍍鉻、激光淬火、超聲波強(qiáng)化等成熟技術(shù)引入身管內(nèi)膛表面處理，均可不同程度地改善內(nèi)膛的力學(xué)性能，提高身管壽命。

2.3 身管材料

復(fù)合身管由兩層或兩層以上相異材料構(gòu)成。較之普通身管，其高強(qiáng)度與高剛度的特點(diǎn)尤為突出。在高膛壓、高初速的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)要求背景之下，應(yīng)用發(fā)展條件成熟的復(fù)合材料還可以達(dá)到減重的目的，對提高火炮的機(jī)動性和火力的及時性有著重要的意義。

復(fù)合材料身管的制備工藝有復(fù)雜性的一面，需要深入研究其工藝規(guī)程，形成較為成熟穩(wěn)定的生產(chǎn)流程，進(jìn)而縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。發(fā)射過程中，多層復(fù)合材料間溫度梯度造成的身管變形問題是一個值得關(guān)注的研究方向。

3 結(jié)論

在以上工作的基礎(chǔ)上，我們得到以下具有指引意義的有益結(jié)論：

（1）在發(fā)射時，火炮身管經(jīng)歷的是一個反復(fù)加卸壓、升降溫的過程。這一過程中，身管受載情況不僅隨著裝藥量、裝藥點(diǎn)火方式的不同而變化，還不可避免地受到身管內(nèi)膛與彈丸的相對運(yùn)動作用以及彈帶與膛壁、膛線之間的相互擠壓作用等。簡言之，身管是由于內(nèi)膛損傷和材料疲勞而導(dǎo)致壽終的。

（2）要深入研究身管壽命問題，必須從藥、彈、炮三方面全局考慮。

（3）必須在大量實(shí)彈射擊的基礎(chǔ)上鉆研數(shù)學(xué)、力學(xué)知識，才有可能建立起一套完整可行的壽命預(yù)測公式。

［1］甘霖，陶鳳和，盧興華，等.火炮身管延壽研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2006，9（3）：10-14.

［2］潘玉田.炮身設(shè)計(jì)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2007.

［3］金志明，袁亞雄，宋明.現(xiàn)代內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.