提高某自動(dòng)機(jī)初速的技術(shù)途徑探討

戴 涌，張國(guó)平，楊 東，劉 彥

(1.國(guó)營(yíng)第497廠，重慶 400071； 2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

考慮到零件加工的波動(dòng)性，自動(dòng)機(jī)的初速可能超出戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的初速要求。身管使用到壽命末期，其初速有可能超出射表允許的修正范圍。這給該研制產(chǎn)品使用制式彈藥及其射表、產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后的生產(chǎn)帶來(lái)諸多困難。為此，通過(guò)內(nèi)彈道分析，采用加長(zhǎng)身管和減小身管與轉(zhuǎn)膛體相關(guān)零件之間的氣體泄漏等措施，使該自動(dòng)機(jī)的初速盡可能提高到初速指標(biāo)規(guī)定的中間值。為了保證該自動(dòng)機(jī)在1 000發(fā)/分射速情況下具有良好的射擊精度，通過(guò)有限元分析，將身管外形改為星形斷面結(jié)構(gòu)，使加長(zhǎng)身管的剛度與原身管基本相當(dāng)，保證了火炮的射擊精度滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求[1]。

1 火藥氣體泄漏機(jī)理分析

某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的身管和轉(zhuǎn)膛體結(jié)構(gòu)如圖1所示，自動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程如下[2]：

從膛內(nèi)導(dǎo)出的火藥氣體驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)件(轉(zhuǎn)膛滑板等)向后運(yùn)動(dòng)，在輸彈簧的推力作用下，輸彈滑筒帶動(dòng)轉(zhuǎn)膛滑板向前運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)膛滑板通過(guò)轉(zhuǎn)膛滑板上的“人”字形曲線槽驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)膛軸和齒輪，帶動(dòng)撥彈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，依次完成供彈、輸彈、擊發(fā)、抽拋殼等機(jī)構(gòu)動(dòng)作。轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是轉(zhuǎn)膛體和身管分離，供彈、輸彈、閉鎖擊發(fā)、抽殼、拋殼等循環(huán)動(dòng)作重疊進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)單管自動(dòng)機(jī)高射速發(fā)射。

身管和轉(zhuǎn)膛體裝在炮箱上。轉(zhuǎn)膛體為4膛結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)膛滑板后坐和復(fù)進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)膛體各轉(zhuǎn)動(dòng)45°。轉(zhuǎn)膛滑板復(fù)進(jìn)到距前端0～40 mm位置，轉(zhuǎn)膛體中的1個(gè)彈膛與身管軸線對(duì)齊。每射擊1發(fā)彈，轉(zhuǎn)膛體都要轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中1個(gè)彈膛與身管中心對(duì)齊，經(jīng)歷一次身管與彈膛分離、結(jié)合的過(guò)程。這種彈膛和身管分離結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)膛和身管之間的高溫高壓氣體密封成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

轉(zhuǎn)膛體每個(gè)彈膛內(nèi)有1個(gè)活動(dòng)的轉(zhuǎn)膛襯套，身管尾部有1個(gè)身管襯套，襯套均采用超高強(qiáng)度鋼材制造。每個(gè)襯套的外表面設(shè)計(jì)有氣體動(dòng)態(tài)密封槽。擊發(fā)底火，發(fā)射藥點(diǎn)燃，火藥氣體推彈彈丸向前的同時(shí)，推動(dòng)轉(zhuǎn)膛襯套向前，使其前端面抵在身管襯套的后端面上，防止火藥氣體從兩襯套端面逸出。轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)膛襯套縮回。轉(zhuǎn)膛體的襯套孔和轉(zhuǎn)膛襯套在熱處理之后，進(jìn)行一道精加工，以保證轉(zhuǎn)膛襯套的運(yùn)動(dòng)靈活性和閉氣性。

但是，轉(zhuǎn)膛襯套要在轉(zhuǎn)膛體內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)膛襯套與轉(zhuǎn)膛襯套孔之間必須留有間隙，火藥氣體會(huì)從間隙中向外泄露；身管與炮箱采用斷隔螺方式連接，身管襯套前端面與身管襯套孔前端面也存在間隙，同時(shí)身管襯套與身管襯套孔之間有一定間隙，火藥氣體也會(huì)從這些間隙中向外泄露。在身管長(zhǎng)度和彈藥狀態(tài)同樣情況下，身管壽命初期的初速降低約1.8%；在射彈1 000發(fā)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)膛襯套后部外側(cè)有多道深約0.5 mm的沖蝕溝槽；身管襯套前端的內(nèi)徑比后端大0.5 mm左右，呈一個(gè)倒喇叭形狀(通常情況下，身管內(nèi)膛燒蝕是后部大、前部小)；射后身管襯套和轉(zhuǎn)膛襯套外表面均有被火藥氣體熏黑現(xiàn)象。從能量角度分析，初速下降必然有能量損失，在身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)相同情況下，只可能是火藥氣體泄露引起能量損失。從射后零件的結(jié)構(gòu)尺寸變化來(lái)看，也是由于火藥氣體沖蝕引起零件尺寸變化和反常規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)采用身管與彈膛分離結(jié)構(gòu)，從工作原理上講，就存在漏氣現(xiàn)象。盡管采取了多項(xiàng)密封措施，只能減小而不能杜絕漏氣現(xiàn)象。

2 提高初速的技術(shù)途徑

根據(jù)該轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、指標(biāo)要求和工程實(shí)現(xiàn)的可行性諸方面，在不改變自動(dòng)機(jī)使用彈藥參數(shù)前提下，從如下3個(gè)技術(shù)途徑來(lái)提高該自動(dòng)機(jī)的初速：

1)轉(zhuǎn)膛襯套外表面的動(dòng)態(tài)密封槽由3道增加到5道，采用后密前疏布置；將身管襯套前端與身管襯套孔端面的間隙控制到最小(身管能裝入炮箱，靜態(tài)情況下該間隙幾乎為0)，減小襯套配合間隙的漏氣。

2)將轉(zhuǎn)膛襯套內(nèi)的陰線寬度設(shè)計(jì)成略大于身管陰線寬度，使彈帶通過(guò)轉(zhuǎn)膛襯套、身管線膛時(shí)形成更好的氣體密封，減小火藥氣體從彈帶處泄漏。

3)適當(dāng)增加身管長(zhǎng)度，增加火藥氣體對(duì)彈丸的作用時(shí)間，來(lái)提高初速。但身管口部裝有約9 kg重的炮口裝置，身管加長(zhǎng)后會(huì)引起剛度降低，影響射擊精度。因此，要通過(guò)內(nèi)彈道計(jì)算和身管的有限元分析，一同考慮身管加長(zhǎng)與不使剛度降低的技術(shù)途徑。

2.1 考慮漏氣情況的內(nèi)彈道方程

考慮漏氣情況下，彈丸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到火藥燃燒結(jié)束瞬間，內(nèi)彈道計(jì)算方程為[3]:

幾何燃速方程

ψ=χZ+χλZ2

(1)

燃燒速率方程

(2)

彈丸運(yùn)動(dòng)方程

(3)

(4)

內(nèi)彈道基本方程

(5)

式中：τ=T1/T≈1；

lψ=l0[1-Δ/γ-(α-1/γ)Δψ+Δαη];

式中：η為相對(duì)氣體流出量；T1為定容情況下火藥燃燒溫度；T為火藥氣體溫度；μ為間隙氣體流量系數(shù)；Se為間隙氣體流過(guò)的橫斷面面積。

考慮漏氣情況下，火藥燃燒結(jié)束瞬間到彈丸出膛口之間，內(nèi)彈道計(jì)算方程為:

幾何燃速方程

ψ=1

彈丸運(yùn)動(dòng)方程

內(nèi)彈道基本方程

(6)

式中：l1=l0[1-Δα(1-η)]

2.2 漏氣時(shí)加長(zhǎng)身管的內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果

取炮膛斷面面積S=1 004.5 mm2，彈丸質(zhì)量m=0.55 kg, 絕熱指數(shù)k=1.3，火藥燃燒與壓力的指數(shù)υ=1.02，次要功系數(shù)φ=1.24。先按原身管長(zhǎng)度3 150 mm，全裝藥量ω=0.334 kg符合計(jì)算出規(guī)定初速v0=1 175 m/s。在其他參數(shù)不變、考慮漏氣情況下，計(jì)算出原身管長(zhǎng)度下的初速值，與試驗(yàn)測(cè)試值比較，確定間隙氣體流量系數(shù)μ。已知轉(zhuǎn)膛體襯套孔與襯套之間的間隙面積為0.785 mm2，求得μ=0.2[4]。在此基礎(chǔ)上，在計(jì)算漏氣情況下加長(zhǎng)身管的初速值。

表1 不同身管長(zhǎng)度情況下的初速計(jì)算結(jié)果

表1是不同身管長(zhǎng)度情況下的初速計(jì)算結(jié)果。根據(jù)內(nèi)彈道計(jì)算和身管的剛度分析結(jié)果，綜合考慮取加長(zhǎng)后身管的長(zhǎng)度為3 360 mm，理論上可滿(mǎn)足初速指標(biāo)要求。

2.3 加長(zhǎng)身管剛度的有限元分析

采用具有二次形函數(shù)的高階SOLID92號(hào)單元，對(duì)星形斷面結(jié)構(gòu)形狀的身管進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。計(jì)算的條件是：原身管長(zhǎng)度為3 150 mm；加長(zhǎng)身管的長(zhǎng)度為3 360 mm(加長(zhǎng)了210 mm)；計(jì)算時(shí)炮口加有炮口制退器的質(zhì)量9.4 kg。身管的實(shí)際工作狀態(tài)可看作是一端固定的懸臂梁。身管材料為PCrNi3MoVA，其性能參數(shù)如下：

熱處理 Q835

彈性模量E=2.06×105MPa

泊松比μ=0.3

密度ρ=7 800 kg/m3

根據(jù)上述已知參數(shù)，對(duì)原長(zhǎng)身管和加長(zhǎng)身管分別進(jìn)行固有頻率和炮口撓度分析計(jì)算。調(diào)整身管錐部底圓直徑d1及星型截面槽深h1、h2，使加長(zhǎng)身管與原長(zhǎng)身管的固有頻率和炮口撓度基本相同，身管質(zhì)量盡量輕。炮口撓度的計(jì)算方法是在炮口垂直身管軸線方向加載2 000 N，分別計(jì)算炮口處、距炮口88.5 mm和170 mm處身管的變形量。身管的固有頻率和炮口繞度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加長(zhǎng)身管的固有頻率及炮口撓度

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：在原身管長(zhǎng)度基礎(chǔ)上增加210 mm，初速基本可滿(mǎn)足(1 175±20) m/s規(guī)定指標(biāo)的要求。與原長(zhǎng)身管相比，加長(zhǎng)身管的一階固有頻率高0.4 Hz，二階固有頻率低6.4 Hz，炮口撓度更小一些。身管質(zhì)量增加20.3 kg，質(zhì)心位置前移45.9 mm，身管質(zhì)心前移可通過(guò)調(diào)整平衡機(jī)設(shè)計(jì)達(dá)到整體要求。根據(jù)上述分析和原長(zhǎng)身管立靶密集度試驗(yàn)結(jié)果，加長(zhǎng)身管的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足武器系統(tǒng)射擊精度要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

在身管射擊100發(fā)彈后，加長(zhǎng)身管的初速測(cè)試值為v0=1 165.8 m/s，比計(jì)算值小2.8 m/s，這主要是漏氣的流量系數(shù)取值與實(shí)際狀況有差異所致。加長(zhǎng)身管的初速在戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)允許偏差范圍之內(nèi)。

用錘激法和射擊后身管的橫向振動(dòng)加速度信號(hào)求其身管的一階固有頻率，原長(zhǎng)身管的一階固有頻率為fnq=9.9～10.3 Hz，加長(zhǎng)身管的一階固有頻率為fnq=10.2～10.6 Hz，與計(jì)算結(jié)果基本一致。自動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上的200 m立靶密集度為：原長(zhǎng)身管，3組10連發(fā)的平均射速為924發(fā)/分，方位、高低的中間偏差為0.60×1.37密位；加長(zhǎng)身管，3組10連發(fā)的平均射速為991發(fā)/分，方位、高低的中間偏差為0.64×1.39密位，二者立靶密集度基本一致。

4 結(jié) 論

轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)采用身管與彈膛分離結(jié)構(gòu)，從工作原理上講，就存在漏氣現(xiàn)象。在保持同類(lèi)彈藥通用、不改變彈藥參數(shù)的前提下，通過(guò)適當(dāng)加長(zhǎng)身管長(zhǎng)度和增加轉(zhuǎn)膛襯套外表面的動(dòng)態(tài)密封槽、改變轉(zhuǎn)膛襯套引線寬度等減小火藥氣體泄漏措施，提高了初速，滿(mǎn)足了戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求。與此同時(shí)，改進(jìn)了身管外形設(shè)計(jì)，采用星形斷面身管結(jié)構(gòu)，盡量減少身管質(zhì)量的增加，使加長(zhǎng)身管與原長(zhǎng)身管的固有頻率和炮口撓度基本相當(dāng)，滿(mǎn)足了自動(dòng)機(jī)的射擊精度要求。射擊試驗(yàn)結(jié)果表明，加長(zhǎng)身管使初速提高的措施有效。

[1] 王茂林，黃 強(qiáng)，張國(guó)平,等. 襯套徑向間隙部位火藥氣體壓力計(jì)算[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2009(3):49-52.

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[2] 尤國(guó)釗．自動(dòng)武器設(shè)計(jì)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1992.

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[3] 何志強(qiáng)，黃守仁，李載弘．航空自動(dòng)武器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990.

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[4] 陸家鵬．自動(dòng)武器學(xué):氣體動(dòng)力學(xué)分冊(cè)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988.

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