小口徑步槍熱散現(xiàn)象研究

藍(lán)維彬，楊 臻，龍建華

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400054)

槍管是步槍的核心零件，而槍彈的因素將直接影響自動(dòng)武器的性能，其中槍械的射擊精度是武器性能的重要指標(biāo)。精度包括射擊準(zhǔn)確度和射擊密集度(即射彈散布)，而隨著射彈數(shù)的增加，槍管在火藥燃?xì)獾募訜嵯轮饾u升溫，高溫影響槍管材料的力學(xué)性能，材料性能的變化影響了彈丸在膛內(nèi)的變形及運(yùn)動(dòng)，有可能引起熱槍狀態(tài)彈丸出槍口的姿態(tài)和初速發(fā)生變化，出現(xiàn)熱偏和熱散現(xiàn)象。

對(duì)于熱偏熱散的研究，Joseph South等[1]針對(duì)5.56 mm步槍進(jìn)行了不同速度下的擠進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)比了不同速度下的擠進(jìn)阻力、環(huán)向應(yīng)變、刻痕深度及質(zhì)量損失情況；劉國慶等對(duì)某狙擊步槍準(zhǔn)靜態(tài)彈頭擠進(jìn)力及彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究[2-3]；曹帥等對(duì)不同溫度下槍管材料的力學(xué)性能差異進(jìn)行研究,得到不同溫度下槍管材料的力學(xué)性能變化情況，為深入了解槍械的熱偏熱散機(jī)理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-5]；孫全兆等建立了某大口徑榴彈炮彈帶擠進(jìn)過程模型，得出動(dòng)態(tài)擠進(jìn)阻力以及彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律[6]。

槍械熱偏熱散機(jī)理的研究是一個(gè)復(fù)雜而又系統(tǒng)的課題，但現(xiàn)階段的研究大多是理論分析與仿真計(jì)算，缺少完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)步槍因槍管溫度而導(dǎo)致精度下降的現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不夠完善。

1 彈丸結(jié)構(gòu)與被甲材料特性

彈丸的構(gòu)成主要由被甲、鉛套與鋼芯3部分組成，如圖1所示。其中被甲與槍管內(nèi)壁發(fā)生直接作用，因此被甲的材料特性直接決定擠進(jìn)過程。

目前彈丸被甲材料主要分為H90銅和覆銅鋼兩種材料。H90黃銅即含銅量90%，有良好的力學(xué)性能和壓力加工性能，表面處理性能好，可鍍金屬及涂敷琺瑯，是彈丸被甲主要材料；覆銅鋼由中間一層低碳鋼和上下兩層很薄的黃銅復(fù)合而成，有良好的延展性、足夠的強(qiáng)度和彈性，以及一定的密封性和小的摩擦系數(shù)，與純銅相比，覆銅鋼具有價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。表1為常溫下兩種材料及其他彈丸參數(shù)的力學(xué)特性。

表1 彈丸材料機(jī)械性能參數(shù)

2 不同被甲材料射擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

研究對(duì)象：兩支某小口徑自動(dòng)步槍(新槍)及兩種被甲的試驗(yàn)槍彈，被甲材料分別為H90銅和覆銅鋼。試驗(yàn)槍彈技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)槍彈技術(shù)參數(shù)

為了便于比較試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)說明試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，對(duì)兩種試驗(yàn)槍彈各抽取一定數(shù)量進(jìn)行初始狀態(tài)性能測量，技術(shù)狀態(tài)如表3所示。

表3 試驗(yàn)時(shí)具體技術(shù)狀態(tài)

試驗(yàn)時(shí)兩支試驗(yàn)槍固定在夾持試驗(yàn)臺(tái)上，如圖2所示，分別對(duì)應(yīng)使用兩種不同材料被甲的試驗(yàn)槍彈對(duì)100 m處靶進(jìn)行試驗(yàn)射擊。

射擊規(guī)則：先進(jìn)行1組20發(fā)試驗(yàn)彈單發(fā)精度射擊，隨后進(jìn)行150發(fā)的無冷卻射擊，單發(fā)、點(diǎn)射、連發(fā)射彈量分別為10%，70%，20%。再進(jìn)行1組20發(fā)單發(fā)精度射擊。

測量數(shù)據(jù)：兩種不同材料被甲對(duì)應(yīng)的射擊時(shí)槍管溫升、彈丸初速、射擊精度及槍管內(nèi)膛受損情況、槍管內(nèi)徑的變化。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 冷槍狀態(tài)下精度試驗(yàn)

初速或然誤差，是用來表征初速試驗(yàn)結(jié)果散布大小的量，一般用下面的公式[7]來計(jì)算：

(1)

本試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)分別對(duì)發(fā)射兩種不同被甲材料的彈丸出膛口速度進(jìn)行測量，再通過對(duì)100 m靶進(jìn)行射擊，分別測出不同彈丸被甲所對(duì)應(yīng)的射擊精度。測量數(shù)據(jù)如圖3～5所示。

根據(jù)試驗(yàn)測量可知，冷槍狀態(tài)下銅被甲彈射擊的平均初速為885.7 m/s，初速或然誤差值為5.28 m/s，初速下降幅度值為23.8 m/s，散布中心坐標(biāo)為(4 cm,-0.4 cm)，散布中心距離為4 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為4.7 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為10.2 cm；覆銅鋼被甲彈射擊的平均初速為897.5 m/s，初速或然誤差值為3.19 m/s，初速下降幅度值為14.8 m/s，散布中心坐標(biāo)為(5.7 cm,0.3 cm)，散布中心距離為5.7 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為5 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為7.8 cm。

由試驗(yàn)可知，銅被甲彈的精度較覆銅鋼被甲彈差，銅被甲彈的平均初速較覆銅鋼被甲彈更低，銅被甲彈的初速或然誤差也更大，同時(shí)由試驗(yàn)時(shí)的技術(shù)狀態(tài)可知，銅被甲彈的彈重、彈長等技術(shù)參數(shù)的跳差較覆銅鋼被甲彈更大，使得銅被甲彈的精度參數(shù)均不如覆銅鋼被甲彈。

2.2.2 熱散溫升射擊試驗(yàn)

分別進(jìn)行150發(fā)的無冷卻射擊，單發(fā)、點(diǎn)射、連發(fā)射彈量分別為10%，70%，20%。由于射擊時(shí)槍管內(nèi)膛的工作環(huán)境惡劣，到目前為止，還難以用一般的溫度傳感器測出連續(xù)射擊時(shí)的內(nèi)膛表面溫度值。即使是為了測試槍管膛面溫度而研制的表面熱電偶，壽命也只有20發(fā)左右，不能滿足使用要求。因此，試驗(yàn)采用紅外熱成像儀直接測量身管外壁的溫度歷程，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可為后序仿真值進(jìn)行可信性驗(yàn)證。測量結(jié)果如圖6所示。

由試驗(yàn)測量槍管外表面溫度可知，單發(fā)射擊結(jié)束時(shí)，兩種彈導(dǎo)致的槍管溫度變化情況基本一致；而到了點(diǎn)射和連射階段，射擊銅被甲彈時(shí)槍管溫升較射擊覆銅鋼被甲彈更劇烈；熱散試驗(yàn)結(jié)束后，射擊銅被甲彈時(shí)槍管溫度更高。

2.2.3 熱槍狀態(tài)下精度試驗(yàn)

經(jīng)過150發(fā)的無冷卻射擊后，槍管溫度較初始階段有明顯升高，此時(shí)再進(jìn)行1組單發(fā)精度射擊，測出每一發(fā)彈的初速以及兩種彈在熱槍狀態(tài)下的射擊精度，如圖7～9所示。

根據(jù)試驗(yàn)測量可知，熱槍狀態(tài)下銅被甲彈射擊的平均初速為882.8 m/s，初速或然誤差值為3.69 m/s，初速下降幅度值為22.1 m/s，散布中心坐標(biāo)為(3.4 cm,9.9 cm)，散布中心距離為10.4 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為6.3 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為21.6 cm；覆銅鋼被甲彈射擊的平均初速為895.3 m/s，初速或然誤差值為3.58 m/s，初速下降幅度值為20.5 m/s，散布中心坐標(biāo)為(4.6 cm,5.3 cm)，散布中心距離為7 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為4.1 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為12.4 cm。

2.2.4 槍管內(nèi)膛測量

射擊開始前，先對(duì)兩支試驗(yàn)槍槍管的內(nèi)膛尺寸進(jìn)行了測量。從口部測量時(shí)，兩支槍管可進(jìn)入的最大量規(guī)為5.83 mm，可深入225 mm；從尾部測量時(shí)，兩支槍管可進(jìn)入的最大量規(guī)為5.83 mm，可深入91 mm。

為了能更好觀察射彈結(jié)束之后槍管內(nèi)膛磨損情況，采用工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)槍管內(nèi)膛受損情況進(jìn)行觀察，如圖10～11所示，而后采用不同尺寸量規(guī)從槍管尾端對(duì)槍管內(nèi)膛尺寸變化進(jìn)行測量，得到射擊兩種彈后槍管內(nèi)膛尺寸；測量完畢后用隨槍附件和白布條蘸上除銅劑，均勻涂覆在槍管內(nèi)膛表面,涂覆3次，放置5 min后，用隨槍附件油毛刷蘸上除銅劑，連續(xù)擦拭槍管內(nèi)膛20次，除銅完畢后在此對(duì)槍管內(nèi)膛尺寸進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖12所示。

熱散試驗(yàn)后，兩支槍管內(nèi)膛尺寸都有明顯增大。射擊結(jié)束后5.85 mm量規(guī)可從尾端深入射擊覆銅鋼被甲彈槍管41 mm，從圖10～11來看射擊覆銅鋼被甲彈的槍管的內(nèi)膛磨損較嚴(yán)重。

兩支槍管內(nèi)膛尺寸變化測量如圖12所示，射擊銅被甲彈的槍管尺寸反而變“小”，從尾部測量，5.83 mm量規(guī)只能進(jìn)入26 mm，5.84 mm量規(guī)則無法進(jìn)入；而從口部測量，5.82 mm量規(guī)則無法全通。對(duì)槍管內(nèi)膛擦拭除銅后，從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入18 mm；從口部測量，5.84 mm量規(guī)可深入40 mm。

對(duì)于射擊覆銅鋼被甲彈的槍管，除銅前從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入24 mm；從口部測量，5.84 mm量規(guī)可深入36 mm。對(duì)槍管內(nèi)膛擦拭除銅后，從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入34 mm；從口部測量，5.85 mm量規(guī)可深入15 mm。

2.3 結(jié)果分析與討論

由冷熱槍試驗(yàn)結(jié)果可知，熱槍/冷槍R100變大倍率，銅被甲彈為2.08，覆銅鋼被甲彈為1.59；熱槍/冷槍平均彈著點(diǎn)偏差，銅被甲彈為10.3 cm，覆銅鋼被甲彈為5.1 cm；熱槍/冷槍膛口平均初速下降率銅被甲彈為6.7%，覆銅鋼被甲彈為5.8%，銅被甲彈的熱散現(xiàn)象明顯較覆銅鋼被甲彈更明顯。根據(jù)紅外測溫結(jié)果可知，射擊銅被甲彈槍管溫升較劇烈；而試驗(yàn)后對(duì)槍管內(nèi)膛的觀察與測量可知，射擊銅被甲彈會(huì)在槍管內(nèi)膛留下較多的附著物，即出現(xiàn)較明顯的“掛銅”現(xiàn)象，對(duì)彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)有一定的影響；而通過對(duì)槍管內(nèi)膛尺寸的測量可知，射擊銅被甲彈槍管內(nèi)膛尺寸變化幅度較射擊覆銅鋼被甲彈大，槍管不同位置內(nèi)徑差異較明顯。

3 結(jié)論

對(duì)于造成某步槍射擊不同材料槍彈的精度變化的因素進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了熱槍狀態(tài)下精度下降的原因，具體結(jié)論如下：由于被甲材料的不同，兩種槍彈在與槍管內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)不同，導(dǎo)致銅被甲在擠進(jìn)過程中的擠進(jìn)阻力與彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的摩擦力比覆銅鋼被甲彈大，使銅被甲彈的初速下降比覆銅鋼被甲彈的初速下降更快；射擊銅被甲彈的槍管內(nèi)壁產(chǎn)生過多的附著物，“掛銅”現(xiàn)象明顯；同時(shí)，射擊銅被甲彈的槍管溫度更高，會(huì)導(dǎo)致槍管熱彎曲加劇，對(duì)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)和槍口的擾動(dòng)有較大影響；雖然覆銅鋼被甲彈的熱散現(xiàn)象沒有銅被甲彈突出，但射擊覆銅鋼被甲彈對(duì)槍管內(nèi)膛磨損較嚴(yán)重，大量使用覆銅鋼被甲彈會(huì)使槍管壽命下降。

試驗(yàn)得出不同被甲材料的槍彈的射擊精度隨溫升變化的規(guī)律，可為進(jìn)一步提高射擊精度和槍管壽命的研究提供參考依據(jù)。

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