火炮身管內(nèi)徑測(cè)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

朱建杰，鄭立評(píng)，曹營(yíng)修，曹進(jìn)華

(軍械工程學(xué)院 火炮工程系， 石家莊 050003)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

火炮身管內(nèi)徑測(cè)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

朱建杰，鄭立評(píng)，曹營(yíng)修，曹進(jìn)華

(軍械工程學(xué)院 火炮工程系， 石家莊 050003)

火炮身管在高溫高壓火藥氣體和高速彈丸的反復(fù)作用下，內(nèi)膛受到不同程度磨損，其徑向磨損量的測(cè)量對(duì)于確定火炮射擊性能及身管剩余壽命具有重要意義。針對(duì)各種火炮身管內(nèi)徑測(cè)量方法和技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，研究了非接觸測(cè)徑技術(shù)及與徑向磨損量密切相關(guān)的身管剩余壽命預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

內(nèi)徑測(cè)量；身管壽命；初速減退量；非接觸測(cè)量

火炮在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)射程、高初速、高射速的同時(shí)，由于高溫、高壓火藥氣體及高速彈丸的反復(fù)作用，造成身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)磨損，而內(nèi)膛磨損降低了火炮射擊性能，同時(shí)影響其服役年限，特別是對(duì)于大中型口徑火炮，身管作為關(guān)重件，其購置費(fèi)用約占全炮的30%～40%，可以說身管壽命就是火炮壽命[1-2]。

現(xiàn)階段常用的4項(xiàng)身管剩余壽命判別條件為：火炮初速下降10%、彈帶削光、彈丸引信不能解脫保險(xiǎn)和射彈散布面積超過射表規(guī)定值的8倍，以上判別條件在檢測(cè)原理、判別條件的確立和應(yīng)用環(huán)境上存在不同程度的局限性，因而不能準(zhǔn)確評(píng)估火炮身管壽命[3]。西方國家常以膛線起始部因燒蝕、磨損引起的內(nèi)膛擴(kuò)張量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，近年來我國也廣泛使用這種標(biāo)準(zhǔn)[4]。徑向磨損量Δd適合于靜態(tài)檢測(cè)，無需動(dòng)態(tài)測(cè)試(實(shí)彈射擊)的大量經(jīng)費(fèi)消耗，測(cè)徑工具操作簡(jiǎn)單，方便易行，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足部隊(duì)實(shí)際需求。目前研究人員通過對(duì)已有火炮壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析，用身管徑向磨損量標(biāo)定火炮初速變化[5]，從而預(yù)判身管剩余壽命，建立了比較完整的多種火炮身管壽命預(yù)測(cè)模型。因此，研究高效、精準(zhǔn)的火炮身管內(nèi)徑檢測(cè)方法對(duì)于判別火炮射擊性能及剩余壽命具有重要意義。

1 典型身管內(nèi)徑測(cè)量方法

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)火炮身管內(nèi)徑的測(cè)量，按測(cè)量結(jié)果獲得方式分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和綜合測(cè)量，按測(cè)量觸頭接觸內(nèi)壁與否分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，按傳感器測(cè)量原理不同又分為機(jī)械式、電子式、光學(xué)式傳感器測(cè)量等[6]。通過文獻(xiàn)檢索和實(shí)地調(diào)研，從部隊(duì)和工廠實(shí)際應(yīng)用情況來看，主要為以下幾種。

1.1 B283內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)

由奧地利AVL公司研制的身管測(cè)量系統(tǒng)測(cè)徑范圍廣，能夠?qū)λ鶞y(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理[7]。該系統(tǒng)針對(duì)不同口徑范圍的身管，設(shè)計(jì)了4種不同型號(hào)的測(cè)量工具。其中，B283型號(hào)測(cè)徑儀器的各項(xiàng)性能表現(xiàn)較為突出，可同時(shí)測(cè)量陰、陽線直徑，測(cè)徑范圍為75～210mm，系統(tǒng)精度可達(dá)50μm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)桿前后各有一個(gè)帶3個(gè)鼓狀小輪的彈性支撐結(jié)構(gòu)，測(cè)量時(shí)6個(gè)小輪同時(shí)滾動(dòng)擠壓內(nèi)膛表面，以確保測(cè)桿軸線與身管軸線一致。

圖1 B283型號(hào)測(cè)徑儀器

B283型測(cè)徑儀的測(cè)頭行程為5 mm，可滿足中小口徑火炮的內(nèi)徑測(cè)量，然而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我國某些大口徑火炮壽命終止時(shí)其身管徑向磨損量達(dá)到6.17～8.06 mm，顯然，此時(shí)該測(cè)量系統(tǒng)不能達(dá)到測(cè)量要求，且該套設(shè)備價(jià)格昂貴，不適合部隊(duì)推廣使用。

1.2 機(jī)械星型測(cè)徑儀

20世紀(jì)60年代，機(jī)械星型測(cè)徑儀從前蘇聯(lián)引進(jìn)，作為測(cè)量炮身內(nèi)徑最原始、最經(jīng)典的測(cè)徑儀，可測(cè)量20～152 mm的各種線膛炮內(nèi)徑，在部隊(duì)?wèi)?yīng)用了40余年，目前主要在火炮生產(chǎn)和大修廠使用[8]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由帶有刻度的直管、基本游標(biāo)尺、定心支撐環(huán)、微調(diào)螺等組成。測(cè)量時(shí)將測(cè)徑桿調(diào)整到炮膛直徑的公稱尺寸，游標(biāo)尺歸零，將儀器從炮口部裝入炮膛內(nèi)，移動(dòng)帶拉桿的手柄，拉桿及錐體使測(cè)頭上的量爪向外抵住內(nèi)膛壁，通過游標(biāo)尺讀取測(cè)量值，身管內(nèi)徑實(shí)際尺寸則為測(cè)量值與公稱尺寸之和。

星型測(cè)徑儀使用簡(jiǎn)便，測(cè)量可靠，由于采用固定直徑的定心盤，當(dāng)膛內(nèi)有嚴(yán)重?zé)g、機(jī)械損傷和疵病時(shí)無法進(jìn)行準(zhǔn)確定心測(cè)量，其測(cè)試效率不高，不能滿足部隊(duì)要求。

圖2 機(jī)械星型測(cè)徑儀結(jié)構(gòu)

1.3 電感測(cè)徑儀

電感測(cè)徑儀由陸軍軍官學(xué)院在本世紀(jì)初研制，是將內(nèi)徑千分尺和電感傳感器相結(jié)合的擺式測(cè)徑儀。其原理如圖3所示[9]，從炮尾對(duì)炮膛進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)桿上的深度指示器緊貼炮尾，擺動(dòng)測(cè)量桿，徑向測(cè)量值通過彈簧加載的楔形體被轉(zhuǎn)換為軸向測(cè)量值，再通過電感傳感器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而讀出最小測(cè)量值。此時(shí)測(cè)頭軸線過截面中心且與炮膛軸線垂直，可確保所測(cè)截面為正截面，測(cè)量值為截面直徑數(shù)值。從結(jié)構(gòu)和原理分析來看，擺式測(cè)徑儀無法測(cè)量陰線磨損，適合滑膛炮的測(cè)量，該測(cè)徑儀在民用部門的管道和深孔測(cè)量等領(lǐng)域使用較為廣泛。

圖3 電感測(cè)徑儀原理圖

1.4 傘狀光柵測(cè)徑儀

傘狀光柵測(cè)徑儀由軍械工程學(xué)院在2012年研制[10]，如圖4所示，檢測(cè)裝置由雙傘彈性定心結(jié)構(gòu)、窺膛傳感器、測(cè)徑傳感器、測(cè)試連接桿組、軸向定位機(jī)構(gòu)等組成。具體工作過程：從炮尾伸進(jìn)測(cè)徑裝置，軸向定位至各型火炮身管理論最大磨損處，依次按“米”字型轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)桿手柄，計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)界面則會(huì)顯示出內(nèi)徑磨損數(shù)值。全膛測(cè)量時(shí)還可將測(cè)頭放于兩定位傘之間，增加對(duì)測(cè)頭的定位支撐，以此確保測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

圖4 身管內(nèi)膛檢測(cè)裝置

該測(cè)徑儀應(yīng)用光柵測(cè)微傳感器提高了系統(tǒng)靈敏度；按照阿貝原則[11]，設(shè)計(jì)了新型雙傘定位結(jié)構(gòu)，定心精度高；設(shè)計(jì)攝像頭窺膛配合測(cè)徑儀同時(shí)使用，有利于觀察測(cè)頭適合的測(cè)量點(diǎn)；運(yùn)用莫氏組合技術(shù)[12]，保證測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝精度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)頭、定位傘和視頻檢查機(jī)構(gòu)的靈活組合。

2 對(duì)比分析

根據(jù)不同需要，工廠、試驗(yàn)場(chǎng)及部隊(duì)運(yùn)用各類測(cè)徑儀器對(duì)多種類火炮進(jìn)行了內(nèi)徑測(cè)量，以上介紹的幾種典型火炮身管測(cè)徑儀特點(diǎn)明顯，受到使用部門的認(rèn)可。它們?cè)诠δ苌洗篌w相似，結(jié)構(gòu)、技術(shù)、測(cè)量精度有所不同，具體分析見表1所示。

3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，國內(nèi)外對(duì)身管內(nèi)徑磨損量的測(cè)量大多停留在測(cè)徑儀器的傳感器選用和定心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，雖然大體上能滿足實(shí)際測(cè)量需要，但各測(cè)量系統(tǒng)存在不同程度復(fù)雜性，效率偏低。隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，未來身管徑向磨損量的測(cè)量應(yīng)向智能化、高效化、多能化轉(zhuǎn)變。

1) 測(cè)量方式非接觸化

現(xiàn)有的測(cè)徑工具不論是測(cè)頭還是定心裝置，總會(huì)與身管內(nèi)膛接觸，易對(duì)管壁造成一定損傷，并且僅能完成兩點(diǎn)測(cè)量，效率不高，而非接觸測(cè)量可以很好地解決這些問題。

應(yīng)用各種電、光學(xué)原理的測(cè)量方法，諸如光斑法、光纖傳感法及激光衍射法等是在2000年左右發(fā)展起來的幾種檢測(cè)新技術(shù)[13]，利用這些方法進(jìn)行非接觸測(cè)量，測(cè)量時(shí)無測(cè)力、無磨損、無變形。光學(xué)測(cè)量方法在保證較高的測(cè)量精度的同時(shí)，具有較高的測(cè)量速度，能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。但是傳感器的安裝對(duì)測(cè)量精度影響較大，因此對(duì)于操作人員水平要求較高，并且光學(xué)測(cè)量法采用的檢測(cè)傳感器造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了它的應(yīng)用。

目前研究較多的是采用身管機(jī)器人結(jié)合光學(xué)、激光測(cè)距等方式進(jìn)行內(nèi)徑測(cè)量。激光測(cè)量以其高精度為人們熟知，其單色性、方向性、相干性好，測(cè)量時(shí)受干擾較小，可以用于精確定位。通過在定心軸上加裝旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單截面多達(dá)400個(gè)數(shù)據(jù)的周向測(cè)量[14]。

機(jī)器學(xué)習(xí)是近年來人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[15]，將其應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域是一種全新的理念。利用一臺(tái)高清照相機(jī)和光源，對(duì)同類型全新火炮和磨損火炮的身管陽線起始截面進(jìn)行多幅高清圖像拍攝，采用灰度化、邊緣檢測(cè)等數(shù)字圖像處理操作[16]，通過從大量數(shù)據(jù)里提取規(guī)則或模式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，從而自動(dòng)學(xué)習(xí)出特征與目標(biāo)類型的各種關(guān)系，可對(duì)比分析嚴(yán)重磨損截面磨損量大小。

2) 測(cè)試功能多樣化

作為影響火炮內(nèi)彈道性能及身管壽命的主要因素，徑向磨損量的測(cè)量固然重要，但身管內(nèi)膛破壞是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，包含掛銅、燒蝕等情況，因此要綜合考慮各項(xiàng)因素，研究新型高效多能的身管檢測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建完整全面的身管評(píng)價(jià)平臺(tái)。

表1 測(cè)徑儀器性能對(duì)比

基于圖像的三維重構(gòu)技術(shù)能夠根據(jù)二維圖像中的灰度信息重構(gòu)物體的三維形狀，因其具有操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高、適用范圍廣等特點(diǎn)而備受關(guān)注[17-19]。針對(duì)身管使用中常出現(xiàn)的銹蝕、裂紋、燒蝕、掛銅、斷裂等疵病[20-22]，可以通過窺膛攝像頭獲取的二維圖像重建內(nèi)膛表面的3D立體形狀，獲取各受損區(qū)域的三維信息。同時(shí)定期對(duì)破壞區(qū)域的圖像進(jìn)行存儲(chǔ)歸檔，供裝備管理部門實(shí)時(shí)掌握身管使用狀態(tài)。此外，還可以建立各類火炮內(nèi)膛疵病庫，實(shí)現(xiàn)疵病自動(dòng)提取及庫匹配，快速準(zhǔn)確識(shí)別疵病類型[23]。

3) 壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確化

對(duì)于高膛壓炮，其陽線磨損規(guī)律曲線如圖5所示，在膛線起始部磨損最嚴(yán)重，即圖中“I”區(qū)，該區(qū)域內(nèi)火藥氣體沖刷劇烈，導(dǎo)致身管內(nèi)徑急劇磨損。大量研究和試驗(yàn)證明，不管火炮在哪個(gè)地區(qū)使用，使用條件如何，裝藥號(hào)數(shù)、射彈發(fā)數(shù)如何，只要同種數(shù)門火炮徑向磨損量Δd相同，在其他使用、裝填條件相同的情況下，各炮下一組彈藥的彈道性能的變化情況是相同的。因此，內(nèi)膛徑向磨損量可以把火炮壽命終止時(shí)的各項(xiàng)條件有機(jī)結(jié)合起來，預(yù)測(cè)火炮內(nèi)彈道性能變化情況及身管剩余壽命[24-25]。

圖5 沿身管長(zhǎng)度陽線磨損規(guī)律曲線

火炮嚴(yán)重磨損區(qū)域內(nèi)徑最大磨損量Δdmax決定了身管壽命，不同類型火炮的最大徑向磨損量不同，通過Δd=f(n) 的數(shù)學(xué)關(guān)系式可預(yù)知火炮壽命終止時(shí)的射彈發(fā)數(shù)。對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行全壽命試驗(yàn)或部分全壽命試驗(yàn)的火炮，文獻(xiàn)[26-29]中分別基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸方法、最小二乘支持向量機(jī)和灰色線性回歸組合模型建立了與Δd相關(guān)的各種模型對(duì)火炮壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，結(jié)果表明，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，可供部隊(duì)軍械管理部門參考。

然而并非所有類型火炮都進(jìn)行了全壽命試驗(yàn)，因而在單發(fā)或少量射彈發(fā)數(shù)的前提下進(jìn)行火炮壽命預(yù)測(cè)是亟待解決的問題。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、AI等的不斷發(fā)展，少量訓(xùn)練樣本前提下的泛化能力較強(qiáng)的模型在某些問題的解決上已初見成效[30]，為火炮壽命預(yù)測(cè)提供了有益借鑒。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Status and Development Trend of Measuring Internal Diameter of Gun Barrel

ZHU Jian-jie, ZHENG Li-ping, CAO Ying-xiu， CAO Jin-hua

(Department of Artillery Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Under the repeated action of high temperature and high pressure gunpowder gas and high speed projectile, the inner bore was worn at different degree. Measuring its radial wear is important to the firing performance and the remaining life of the gun barrel. The measurement methods and techniques of the inner diameter of various gun barrels were analyzed and compared. The development trend of non-contact caliper measurement technology and the prediction of the gun’s residual life which are closely related to the radial wear quantity were discussed.

inner diameter measurement; barrel life; initial velocity decrease; non-contact measurement

2017-02-20；

2017-03-16

朱建杰(1993—),男,碩士研究生,主要從事武器性能檢測(cè)研究。

10.11809/scbgxb2017.06.013

format:ZHU Jian-jie, ZHENG Li-ping, CAO Ying-xiu，et al.Status and Development Trend of Measuring Internal Diameter of Gun Barrel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):62-65.

TJ306

A

2096-2304(2017)06-0062-04

本文引用格式：朱建杰，鄭立評(píng)，曹營(yíng)修，等.火炮身管內(nèi)徑測(cè)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):62-65.