火炮鍍鉻身管性能退化規(guī)律及機理研究

羅 業(yè)，徐 達(dá)，黃 勇，辛 兵

(1.裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072；2.中國人民解放軍駐152廠 軍事代表室，重慶 401120)

火炮鍍鉻身管性能退化規(guī)律及機理研究

羅 業(yè)1，徐 達(dá)1，黃 勇2，辛 兵2

(1.裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京100072；2.中國人民解放軍駐152廠 軍事代表室，重慶401120)

依據(jù)多年積累的30mm小口徑火炮鑒定試驗、工廠驗收試驗和延壽試驗測試數(shù)據(jù)，以其中有代表性的典型身管為例，給出了小口徑火炮驗收試驗方法和檢測方案，分析了小口徑火炮鍍鉻身管初速、射彈散布、內(nèi)膛尺寸和內(nèi)膛表面等關(guān)鍵身管性能參數(shù)的退化規(guī)律，揭示了鍍鉻身管內(nèi)膛燒蝕磨損機理，為小口徑火炮的驗收、使用和和健康管理提供了可靠的依據(jù)。

小口徑火炮；鍍鉻身管；性能退化；退化規(guī)律

火炮在射擊過程中，身管內(nèi)膛在高溫、高壓、高速火藥燃?xì)馀c彈帶的綜合作用下，內(nèi)膛形狀和尺寸變化進(jìn)而導(dǎo)致彈丸裝填位置前移、啟動壓力下降、外彈道性能退化[1-5]。國內(nèi)外在身管內(nèi)膛燒蝕機理、加速壽命試驗設(shè)計、性能退化趨勢以及壽命預(yù)測等方面做了大量工作，文獻(xiàn)[6-8]從傳熱學(xué)的角度對內(nèi)膛燒蝕機理，及其對身管性能的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[9-10]對大口徑機槍身管失效規(guī)律及加速壽命試驗方案進(jìn)行了研究，明確了失效原因，確定了減少彈藥消耗的方案；文獻(xiàn)[11-13]分別采用內(nèi)表面熔化理論、優(yōu)化的Verhulst模型及多截面綜合模型，根據(jù)內(nèi)徑燒蝕磨損量建立了身管剩余壽命的預(yù)測模型。但由于火炮壽命試驗需要消耗大量彈藥，故有關(guān)身管內(nèi)膛鍍鉻小口徑自動炮的完整試驗數(shù)據(jù)極其珍貴，導(dǎo)致對小口徑火炮鍍鉻身管的性能退化規(guī)律缺乏客觀深入的定量分析，大多只停留在定性分析和仿真分析層面。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合多種類型試驗過程中積累的數(shù)據(jù)，對影響小口徑鍍鉻身管作戰(zhàn)使用效能的幾個關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并揭示了其燒蝕磨損機理。

1 試驗方法和檢測方案

1.1試驗方法

30mm小口徑火炮鍍鉻身管的核定壽命為6000發(fā)，試驗時每根身管1個冷卻周期射彈100發(fā)，分14～20個點射完成，每個點射5～7發(fā)，點射間隔時間6s，每個射擊循環(huán)結(jié)束后對炮管進(jìn)行充分冷卻，至常溫，并對內(nèi)膛進(jìn)行清洗擦拭。

1.2檢測數(shù)據(jù)的采集

1.2.1檢測儀器

使用內(nèi)膛檢測儀檢測內(nèi)膛表面質(zhì)量和內(nèi)膛尺寸，內(nèi)膛檢測儀及其檢測過程如圖1所示。

初速檢測采用天幕靶和測時儀，密集度檢測使用木板靶。

1.2.2檢測時機

驗收試驗在核定壽命期內(nèi)是依據(jù)試驗總則進(jìn)行的，同時為了充分掌握身管壽命末期的退化情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了延壽試驗。密集度檢測節(jié)點分為驗收試驗階段和延壽試驗階段，分3個10連發(fā)射擊；初速檢測是在試驗前和密集度試驗之后進(jìn)行8個單發(fā)射擊，取后7發(fā)平均值后得到的；射彈在5800～5900發(fā)和7000～7100發(fā)期間進(jìn)行橫彈試驗；此外，在初速試驗后進(jìn)行內(nèi)膛尺寸檢測，在試驗初期、中期和末期各進(jìn)行一次內(nèi)膛質(zhì)量檢驗。試驗過程中各項目的檢測時機如表1所示。

表1 各項目的檢測時機 發(fā)

1.2.3 檢測項目及方法

1)身管。試驗前檢測內(nèi)膛尺寸及表面鉻層脫落情況，試驗過程中使用內(nèi)膛檢測儀觀察、拍攝身管膛線燒蝕磨損和鉻層脫落情況。

2)立靶密集度。每根身管對100 m距離的3個立靶各連續(xù)射擊10發(fā)，記錄各立靶散布坐標(biāo)(yi,zi)，i=1,2,…,10，yi表示高低散布坐標(biāo)，zi表示方位散布坐標(biāo)。由數(shù)理統(tǒng)計[14]得到用于表示立靶密集度的概率誤差(Ey,Ez)，用概率誤差除以射程X，并以角度的形式表示立靶密集度，即

式中：By為高低散布密集度,密位；Bz為方位散布密集度，密位 。

3)初速。進(jìn)行8個單發(fā)射擊試驗，取初速平均值。

4)橫彈數(shù)。橫彈試驗時，射擊100發(fā)，每次射擊5～7發(fā)，檢查并記錄橫彈數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

我國的GJB2975—1997從初速、膛壓、散布指標(biāo)、橫彈率、彈帶全部削光及引信連續(xù)瞎火等方面對身管壽命做了相應(yīng)規(guī)定，只要其中的一項指標(biāo)超過了規(guī)定值即認(rèn)為壽命終止。實際使用中不同身管的壽命終止標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重有所不同。小口徑火炮身管壽命試驗合格判定標(biāo)準(zhǔn)為：初速下降率≤10%；連續(xù)3靶散布密集度平均值≤1.0×1.0密位；橫彈試驗中的橫彈數(shù)量不超過射彈數(shù)50%。

試驗抽取兩根身管按照以上方案進(jìn)行驗收試驗和延壽試驗。試驗前測得1#、2#身管的初速分別為976.52、972.3m/s；驗收試驗結(jié)束(射彈5950發(fā))時，其初速下降率、密集度散布值和橫彈率均未超標(biāo)，身管合格；延壽試驗中，身管在射彈7130發(fā)后密集度和橫彈率有較大裕度，而1#身管初速下降為887.61m/s，下降率9.88%，繼續(xù)射擊100發(fā)后壽命終止；2#身管初速下降為859.97m/s，下降率達(dá)10.83%>10%，壽命終止。下面分別從初速衰減規(guī)律、散布精度變化情況、內(nèi)膛變化情況3個方面進(jìn)行分析。

2.1初速衰減規(guī)律

根據(jù)《30mm自動炮制造與驗收規(guī)范》要求，每根身管的核定壽命≥6000發(fā)。試驗時，當(dāng)驗收射擊合格后進(jìn)行延壽對比試驗，直至身管壽終。驗收射擊結(jié)束時1#身管初速下降率為5.4%，橫彈13發(fā)，密集度為0.65×0.57密位；2#身管初速下降率為4.9%，橫彈10發(fā)，密集度為0.55×0.55密位；均未出現(xiàn)疲勞損傷，身管驗收合格。延壽射擊，1#身管射擊7230發(fā)，2#身管射擊7130發(fā)后初速較其他指標(biāo)率先達(dá)到閾值(此時1#身管橫彈21發(fā)、密集度0.68×0.74密位，2#身管橫彈17發(fā)、密集度0.63×0.61密位)。每一個節(jié)點的初速值和初速下降率見表2，其中N為射彈數(shù)，δ為試驗時初速相對于試驗前初速變化量的絕對值，Δ為初速下降率。

表2 初速及初速下降率規(guī)律

1#和2#身管的初速在試驗前差不多，整個試驗過程中的變化趨勢也基本一致，可分為以下3個時期：試驗初期，對應(yīng)于射彈量從0增加到3 000發(fā)左右的過程，該時期，炮口初速隨著射彈量增加而緩慢下降，表明鉻層對內(nèi)膛起到了很好的防護作用；試驗中期，即射彈量增加到5 000發(fā)左右的過程，該時期，鉻層的脫落及鋼基體的燒蝕磨損，造成了彈丸啟動壓力下降，加快了初速的下降過程；試驗?zāi)┢冢鋸? 000發(fā)以后，內(nèi)膛燒蝕磨損程度加劇，導(dǎo)致初速衰減速率進(jìn)一步增加；壽命終止時，1#身管比2#身管多100發(fā)左右。1#和2#身管的初速衰減變化規(guī)律如圖2所示。

近幾年共進(jìn)行了多次驗收射擊試驗，其中壽命試驗過程初速統(tǒng)計如表3所示。可知，身管試驗射擊5 950發(fā)時初速下降率平均為4.51%，遠(yuǎn)小于指標(biāo)規(guī)定初速下降率不大于10%的要求，試驗身管壽命值有較大裕度，實際壽命值比核定壽終值高。

表3 壽命試驗過程初速統(tǒng)計表

2.2射彈散布變化規(guī)律

大量射擊時，內(nèi)膛不斷受到火藥燃?xì)夂蛷椡璧臒g磨損作用，內(nèi)徑增大。一方面造成炮口初速下降；另一方面彈丸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生變化，彈丸飛行穩(wěn)定性下降。兩方面綜合作用使得彈丸精度下降。驗收規(guī)范中規(guī)定該身管兩方向密集度閾值都是1.0密位，實際試驗時直至延壽試驗結(jié)束，身管的密集度指標(biāo)都未超標(biāo)。1#和2#身管綜合壽命試驗過程中散布精度變化情況如表4～5和圖3所示。

表4 1#身管散布精度變化

表5 2#身管散布精度變化

表6 驗收試驗散布精度統(tǒng)計

2.3內(nèi)膛變化規(guī)律

2.3.1內(nèi)膛尺寸

試驗過程中，膛線起始截面的內(nèi)徑與初速變化過程相似，可分為3個時期。試驗初期，在鉻層的防護作用下內(nèi)徑變化緩慢；試驗中期，鉻層產(chǎn)生裂紋或脫落，而將基體材料直接暴露在火藥燃?xì)庵校觿×藘?nèi)膛燒蝕磨損；試驗?zāi)┢?，膛壁表面質(zhì)量惡化，產(chǎn)生的燒蝕坑和龜裂裂紋，進(jìn)一步加快了內(nèi)徑的增加速度。試驗過程中膛線起始截面內(nèi)徑的增量Δd變化規(guī)律如圖4所示。內(nèi)徑與初速基本相同的變化規(guī)律表明內(nèi)膛的燒蝕磨損狀況對初速變化有重要影響。

驗收試驗?zāi)┢?，從炮口至炮尾的?nèi)徑燒蝕磨損量變化規(guī)律如表7、8所示。

表7 1#身管Δd沿軸向分布規(guī)律 mm

表8 2#身管Δd沿軸向分布規(guī)律 mm

從表中可知，膛線起始部、最大膛壓處和距炮口50 mm處的內(nèi)徑變化尤為顯著。這是由于膛線起始部一方面承受火藥燃?xì)饧皬棊鳠岬臒g作用;另一方面彈帶與膛線起始部配合的過盈量大，擠進(jìn)壓力大，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致膛線起始部尺寸急劇增大；最大膛壓截面一方面也承受火藥燃?xì)鈩×业臒g磨損作用;另一方面彈丸剛進(jìn)入圓柱段后運動狀態(tài)還不穩(wěn)定，在不定向流火藥燃?xì)馔苿酉聫椡柙趶较驎刑鴦?，加劇?nèi)膛磨損，這些與最大膛壓的綜合作用，導(dǎo)致該部位尺寸急劇增大；彈丸運動到炮口時速度高、轉(zhuǎn)速高，膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)受力大且易受擾動，彈丸與膛線碰撞加劇炮口附近的磨損。

2.3.2 內(nèi)膛表面

射擊過程中，身管內(nèi)膛一方面承受著高溫、高壓、高速火藥燃?xì)獾臒g作用;一方面承受著彈帶及高速流動的燃藥顆粒的磨損作用;另一方面還承受著燃?xì)馀c內(nèi)膛材料的化學(xué)作用。這些作用造成鉻層磨損、開裂甚至脫落，加快了基體的燒蝕磨損過程，使得內(nèi)膛表面質(zhì)量急劇惡化。同時，彈丸自重使得彈帶密封不均勻且隨著內(nèi)徑的增大彈帶對火藥燃?xì)獾拿芊庑宰儾?，?dǎo)致高溫高壓火藥燃?xì)飧咚偻ㄟ^配合間隙發(fā)生氣蝕，出現(xiàn)沖刷溝并呈現(xiàn)橢圓形態(tài)。

使用內(nèi)膛檢測儀在驗收試驗中期和延壽試驗?zāi)┢?，觀察并拍攝內(nèi)膛燒蝕磨損嚴(yán)重區(qū)表面形態(tài)，兩身管變化規(guī)律基本相同，如圖5～6所示。試驗中期，膛線起始部火藥燃?xì)鉁囟茸罡?、擠進(jìn)阻力最大，造成陽線磨損、陰線燒蝕，鉻層緩解了燒蝕磨損程度；最大膛壓處陰線鉻層出現(xiàn)縱向裂紋及脫落，暴露部分基體；距炮口45～55 mm左右位置陽線磨損，鉻層變薄，未見基體暴露。末期，內(nèi)膛表面形態(tài)惡化，膛線起始部出現(xiàn)燒蝕坑和龜裂裂紋，此時基體已經(jīng)嚴(yán)重?zé)g變形；最大膛壓處陰線鉻層出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋及大面積鉻層脫落、陽線磨平和基體暴露；炮口陽線被磨平，陰線磨損并暴露基體。

3 結(jié)論

通過驗收試驗和延壽試驗，獲得了小口徑火炮身管較為完整的性能衰減數(shù)據(jù)，分析了內(nèi)膛形態(tài)退化過程，揭示了小口徑火炮鍍鉻身管的性能退化規(guī)律。試驗表明：

1)初速下降超出壽命標(biāo)準(zhǔn)后，身管的橫彈率和散布密集度均具有較大裕度，從而確定了初速作為該身管壽命終止的判定指標(biāo)。

2)確定了膛線起始截面內(nèi)徑隨射彈量的變化規(guī)律及沿軸向的變化規(guī)律。

3)初速衰減與膛線起始截面內(nèi)徑變化規(guī)律相同，下一步可以通過建立該截面內(nèi)徑與初速的相互關(guān)系，實現(xiàn)該身管剩余壽命預(yù)測。

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PerformanceDecayLawAnalysisofArtilleryChromedBarrel

LUO Ye1,XU Da1, HUANG Yong2, XIN Bing2

(1.Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China; >2.The Military Representative Office of the PLA in No.152Factory, Chongqing401120, China)

According to the test data of30mm minor-caliber artillery accumulated during qualification tests, factory acceptance inspection tests and extension tests for so many years, the representative and typical artillery barrel are chosen to confirm the testing method and project, with the key performance parameters degradation law of muzzle velocity, projectile dispersion, of bore size and inner surface analyzed, to reveal the erosion and wear mechanism of chromed barrel, and to provide a reliable basis for the acceptance inspection, use and health management of small caliber artillery.

minor-caliber artillery; chromed barrel; performance decay; decay law

TJ306+.1

： A

：1673-6524(2017)03-0063-06

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.013

2016-09-30

羅業(yè)(1991—)，男，博士研究生，主要從事車載武器系統(tǒng)發(fā)射理論與技術(shù)方面的研究。E-mail：15050556783@163.com