機(jī)槍槍管溫度影響因素與綜合性能分析

丁述宇，單永海，王 平，徐云華

(1.中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì)， 吉林 白城 137001; 2.陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072)

1 引言

在常規(guī)槍械試驗(yàn)中，槍管內(nèi)膛在射擊過程中承受高溫、高壓及高速的火藥氣體作用，多種因素耦合作用下槍管內(nèi)膛易出現(xiàn)燒蝕、磨損及化學(xué)侵蝕，導(dǎo)致槍管的初速等綜合性能下降，使其不滿足規(guī)定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)而壽終[1-2]。同時(shí)，槍管溫度對(duì)槍管壽命具有重要影響，控制射擊過程中機(jī)槍槍管溫度對(duì)延長(zhǎng)槍管使用壽命、指導(dǎo)部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練運(yùn)用意義重大[3]。

近年來，科研人員針對(duì)槍管壽命失效領(lǐng)域展開了相應(yīng)的研究，單永海等[4]研究了身管在常溫工況下綜合壽命的影響因素，并提出了加速壽命試驗(yàn)研究的方法。喬治平等[5]分別選用兩根材料不同的身管，通過大量試驗(yàn)探究了機(jī)槍槍管失效規(guī)律，分析了槍管失效的形式與原因。上述研究是在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過分析數(shù)據(jù)得到槍管失效規(guī)律與原因。而Lawton B等[6-7]則以數(shù)值模擬的方式，形象直觀地從微觀角度展示了槍管的失效形式，分析其失效規(guī)律。但前期研究主要是針對(duì)某種口徑或者特定工況下槍管的失效規(guī)律研究，而不同口徑的槍管在不同工況下的失效規(guī)律研究?jī)?nèi)容比較少，通過綜合對(duì)比與分析尋找槍管失效的基本規(guī)律具有重要意義。

本文研究了高溫、常溫、低溫等不同環(huán)境試驗(yàn)條件下槍管外壁最高溫度與環(huán)境溫度、換箱間隔等試驗(yàn)條件之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了累計(jì)射彈量對(duì)不同口徑槍管初速、射擊密集度R50、最大膛壓、最大加速度、彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間等綜合性能的影響。

1 槍管溫度影響因素分析

槍管溫度與槍管壽命息息相關(guān)，為研究并有效掌握槍管溫度影響因素及其影響規(guī)律，針對(duì)性地開展了高溫、常溫和低溫等環(huán)境條件下的試驗(yàn)研究，主要包括環(huán)境溫度、換箱間隔與點(diǎn)射長(zhǎng)對(duì)槍管外壁溫度的影響。測(cè)量射擊過程中槍管的外壁溫度的方法有手動(dòng)靜態(tài)和紅外動(dòng)態(tài)2種方式，其中手動(dòng)靜態(tài)測(cè)試方法為間斷性的溫度點(diǎn)，受周圍環(huán)境因素、槍管材質(zhì)的金屬折射率等因素影響較大，測(cè)量值準(zhǔn)確度不高；而紅外動(dòng)態(tài)測(cè)試可獲取相機(jī)視場(chǎng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)槍管溫度隨時(shí)間變化的曲線，測(cè)量方式數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確度高。因此，選取紅外動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)獲取相應(yīng)的槍管外壁溫度[8-9]。

1.1 點(diǎn)射長(zhǎng)對(duì)槍管溫度的影響

為研究不同點(diǎn)射長(zhǎng)(即一個(gè)點(diǎn)射連續(xù)射擊的彈丸數(shù)量)對(duì)槍管外壁最高溫度的影響，在射彈量為100發(fā)時(shí)，結(jié)合不同的溫度工況，從多維度展現(xiàn)點(diǎn)射長(zhǎng)在溫度演變中發(fā)揮的作用。

表1為常溫、高溫與低溫條件下不同點(diǎn)射長(zhǎng)對(duì)槍管溫度的影響，通過分析其數(shù)據(jù)可知，在相同溫度工況下槍管外壁溫度變化幅度不超過3%，因此不同點(diǎn)射長(zhǎng)對(duì)槍管外壁最高溫度基本沒有影響。

表1 不同外界環(huán)境下點(diǎn)射長(zhǎng)對(duì)槍管外壁溫度的影響

1.2 環(huán)境溫度對(duì)槍管溫度的影響

為進(jìn)一步分析環(huán)境溫度對(duì)槍管外壁最高溫度的影響，通過分析數(shù)據(jù)，如圖1所示。射擊過程中采取不同的點(diǎn)射長(zhǎng)，槍管外壁溫度均是隨著環(huán)境溫度的升高而升高。由于高溫火藥氣體將其熱量傳遞給槍管，使槍管溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度，因此決定槍管最終溫度的因素為槍管外壁與周圍環(huán)境的溫度差。外界環(huán)境溫度越高，槍管由于射擊產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍環(huán)境越少；當(dāng)外界環(huán)境越低，槍管的熱量傳遞給外界環(huán)境就越多。綜上所述，環(huán)境溫度與槍管最高溫度呈正相關(guān)：環(huán)境溫度越高，溫度差越小，槍管傳遞給環(huán)境的熱量越少，槍管外壁最高溫度也就越大。環(huán)境溫度從常溫到高溫變化時(shí)，槍管外壁最高溫度增加14.6%；當(dāng)環(huán)境溫度從低溫到常溫變化時(shí)，槍管外壁最高溫度增加5.03%。

圖1 環(huán)境溫度與槍管外壁最高溫度直方圖

1.3 換箱間隔對(duì)槍管溫度的影響

在不同環(huán)境溫度(高溫、常溫和低溫)下，研究換箱間隔對(duì)槍管外壁最高溫度的影響。如圖2所示，通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可明顯看出換箱間隔與槍管外壁最高溫度呈線性負(fù)相關(guān)，隨著換箱間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，槍管外壁的溫度線性降低。另外一方面，環(huán)境溫度與換箱間隔還存在著對(duì)槍管溫度的交互影響，環(huán)境溫度除了影響槍管外壁最高溫度，還影響單位時(shí)間下槍管外壁溫度的變化率。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的誘因?yàn)闃尮芡獗谂c環(huán)境的溫度差，且在低溫工況下其變化率最大，即單位時(shí)間槍管外壁溫度下降89 ℃。

圖2 不同溫度工況下?lián)Q箱間隔對(duì)槍管外壁最高溫度的影響曲線

高溫環(huán)境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達(dá)式：

T=595.58-67.53t

(1)

常溫環(huán)境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達(dá)式：

T=531.29-15.25t

(2)

低溫環(huán)境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達(dá)式：

T=484.5-89t

(3)

溫度作為影響槍管壽命的重要因素，以上重點(diǎn)研究了影響槍管壽命的因素。并對(duì)其進(jìn)行定量定性分析，為槍管壽命研究工作奠定了一定基礎(chǔ)，但表征槍管壽命的參數(shù)要從其綜合性能進(jìn)行分析(初速、密集度等)。為進(jìn)一步深入研究機(jī)槍槍管壽命，從多因素對(duì)槍管壽命進(jìn)行表征，研究不同參數(shù)作用下槍管壽終的評(píng)價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn)工作開展。

2 槍管綜合性能分析

2.1 彈丸初速分析

彈丸在火藥氣體作用下，在槍管內(nèi)膛加速并從槍口出膛，對(duì)大口徑機(jī)槍而言，當(dāng)彈丸初速降低至原來的85%以下(初速下降率大于等于15%)時(shí)，可認(rèn)定該槍管已經(jīng)失效，因此彈丸初速可作為槍管壽命的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了研究射彈量與彈丸初速之間的關(guān)系，分別選取3種不同口徑的機(jī)槍(1#、2#與3#)的各兩支槍管(分別將其命名為X-1或者X-2)進(jìn)行試驗(yàn)。通過綜合分析其彈丸初速隨射彈量的變化關(guān)系，如圖3所示?？蓪⑵鋭澐譃?個(gè)階段(StageI和StageII)。在階段一(StageI)，彈丸初速隨著射彈量的增加而不斷升高，并且在射彈量為700發(fā)時(shí)，彈丸初速達(dá)到最高；而后進(jìn)入階段二(StageII),隨著射彈量的增加，彈丸初速不斷降低向著槍管失效的方向不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致槍管失效并且壽命終止?？梢姡猿跛僮鳛闃尮軌勖碚鲄⒘窟€是比較合理可行的。

圖3 彈丸初速與射彈量的關(guān)系曲線

彈丸初速呈現(xiàn)先升后降2個(gè)階段的主要原因是，在StageI槍管內(nèi)壁存在一些阻礙彈丸加速運(yùn)動(dòng)的毛刺，隨著射彈量的增加，通過彈丸外壁與槍管內(nèi)壁的摩擦，使槍管內(nèi)壁平滑，減少?gòu)椡柙跇尮軆?nèi)壁加速運(yùn)動(dòng)的阻礙。但槍管內(nèi)壁阻礙彈丸運(yùn)動(dòng)的因素清除后，進(jìn)一步增大射彈量而產(chǎn)生的火藥氣體將燒蝕與磨損槍管內(nèi)壁，使彈丸外壁與槍管內(nèi)壁間隙變大，火藥氣體不全作用在彈丸底部使其加速，因此相應(yīng)的彈丸初速也降低(見圖4)。

圖4 彈丸在槍管內(nèi)膛運(yùn)動(dòng)示意圖

2.2 射擊密集度分析

射擊密集度作為槍管壽命的另外一個(gè)指標(biāo)，通常R50達(dá)到初始值的2.5倍時(shí)，可認(rèn)定槍管壽終。如圖5所示，從3種槍管1#、2#與3#中，選取兩支來研究射擊密集度，以此分析槍管壽命?？擅黠@看出，射彈量在2 000發(fā)以下時(shí)，射擊密集度隨射彈量的變化呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，但波動(dòng)過程中其射擊密集度的上限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失效臨界點(diǎn)。

圖5 射擊密集度與射彈量的關(guān)系曲線

通過數(shù)據(jù)分析可知，整個(gè)過程中存在個(gè)別誤差點(diǎn)，如口徑1#的第一支槍管射彈量在720發(fā)時(shí)，其射擊密集度超過失效界限。但從整體的角度而言，屬于正常的誤差范圍內(nèi)，可能是測(cè)量或者是試驗(yàn)過程的操作誤差造成的。當(dāng)射彈量超過2 000發(fā)后，隨著射彈量的增加，射擊密集度呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，并朝著槍管失效的方向發(fā)展。因此，為減少試驗(yàn)工作量，在壽命試驗(yàn)累計(jì)射彈2 000發(fā)以前不建議進(jìn)行R50檢測(cè)。

2.3 其他性能分析

在射彈量對(duì)彈丸初速與射擊密集度影響研究基礎(chǔ)上，結(jié)合3種機(jī)槍槍管測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)最大膛壓、最大加速度、彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間等槍管內(nèi)膛動(dòng)態(tài)參數(shù)與射彈量的關(guān)系進(jìn)行了分析，如表2所示。

表2 射彈量與槍管綜合性能關(guān)系

研究結(jié)果表明，當(dāng)射彈量數(shù)目低于700發(fā)時(shí)，槍管最大膛壓與最大加速度呈波動(dòng)式變化，但整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。究其原因初始狀態(tài)的槍管內(nèi)膛由于加工粗糙，火藥氣體利用率不充分，彈丸擠進(jìn)槍膛阻力大，因此射擊開始前槍管膛壓與加速度相對(duì)較低，而后彈丸與槍管內(nèi)膛的不斷磨合，克服了加工粗糙區(qū)域帶來的不良影響，提高了火藥氣體利用率，槍管膛壓與加速度隨之波動(dòng)式增長(zhǎng)。并且隨著射彈量的進(jìn)一步增加，兩者的數(shù)值均相應(yīng)的進(jìn)行減小，并朝著槍管失效的方向發(fā)展。

如圖6所示，隨著射彈量的增加，彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。從整體的角度上看，射彈量對(duì)槍管綜合性能影響分為2個(gè)階段，在第一階段，槍管綜合性能呈現(xiàn)波動(dòng)式變化；進(jìn)入第二階段，槍管綜合性能數(shù)值迅速下降，并向槍管壽終方向變化。

與2.1節(jié)初速分析類似，槍管內(nèi)膛動(dòng)態(tài)參數(shù)變化呈現(xiàn)兩階段的原因主要是槍管內(nèi)壁與彈殼外壁之間間隙變化造成的，如圖4(a)所示，早期兩者之間貼合緊密火藥氣體能夠用于推動(dòng)彈丸的加速運(yùn)動(dòng)。隨著射彈量增加，兩者之間間隙變大，如圖4(b)所示，火藥氣體不完全作用于彈丸，從間隙之間流向槍口，則最大膛壓、最大加速度等均隨之降低。

圖6 彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與射彈量的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1) 槍管外壁溫度與點(diǎn)射長(zhǎng)無關(guān)，環(huán)境溫度、換箱間隔是影響槍管外壁溫度的2個(gè)主要因素，且換箱間隔與槍管外壁溫度呈一階線性負(fù)相關(guān)、環(huán)境溫度與槍管外壁溫度呈正相關(guān)；

2) 槍管初始狀態(tài)與環(huán)境溫度的溫度差影響槍管外壁最高溫度峰值和溫度變化率：環(huán)境溫度從常溫到高溫變化時(shí)，槍管外壁最高溫度增加14.6%；當(dāng)環(huán)境溫度從低溫到常溫變化時(shí)，槍管外壁最高溫度增加5.03%，并且槍管與環(huán)境溫度差越大，溫度變化率最快，即在低溫工作時(shí)最明顯；

3) 射彈量對(duì)彈丸初速的影響以射彈量700發(fā)為臨界點(diǎn)，在到達(dá)臨界點(diǎn)之前，彈丸初速不斷提高，超過臨界點(diǎn)后彈丸速度不斷降低，并最終出現(xiàn)壽終現(xiàn)象；而射擊密集度是以射彈量2 000發(fā)為臨界點(diǎn)，在射彈量低于2 000發(fā)時(shí)，射擊密集度呈波浪式變化，射彈量超過臨界點(diǎn)后，射擊密集度逐漸變大；

4) 最大膛壓、最大加速度在射彈量數(shù)目少時(shí)，呈現(xiàn)波浪式增長(zhǎng)，隨著射彈量增加，其性能不斷降低；彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間則隨著射彈量增加不斷下降。