火炮身管自緊技術(shù)及其特性分析

陳 瑤，高永宏，郭傳祥

(中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院, 太原 030051)

0 引言

火炮是指以發(fā)射藥為能源，口徑20 mm以上的身管武器的總稱?；鹋谏砉茏鳛榛鹋诘闹饕獦?gòu)成部件，幾乎決定了身管武器的使用壽命。經(jīng)過多次的彈藥發(fā)射后，火炮身管膛內(nèi)壁會產(chǎn)生龜裂，繼續(xù)射擊可能會因?yàn)槠诹鸭y而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，火炮武器安全的主要問題來源于火炮身管。身管的自緊指在火炮身管的最后精加工之前，通過一定的工藝手段在炮管壁內(nèi)制造與發(fā)射應(yīng)力相反的殘余應(yīng)力的一種工藝方法。自緊完成后的身管膛壁內(nèi)會形成一種壓縮殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力既能抵消部分火炮發(fā)射時(shí)制造的膛壓，又能延遲內(nèi)膛面裂紋的生成和限制疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而達(dá)到延長身管武器壽命的目的。

1 身管自緊技術(shù)發(fā)展

1.1 國外自緊技術(shù)發(fā)展

身管火炮大都采用了自緊技術(shù)以滿足武器自身的需要。根據(jù)目前資料，德國至少有4種火炮采用了自緊身管，即豹1坦克L7A3式105 mm坦克炮、豹2坦克120 mm滑膛炮，F(xiàn)H70式(牽引)和SP70式(自行)155 mm榴彈炮。萊茵金屬公司研制生產(chǎn)的豹2坦克120 mm滑膛炮身經(jīng)液壓自緊和炮膛鍍鉻處理，初速為1 330 m/s，膛壓為5.4 kPa，炮身壽命可達(dá)1 000發(fā)。美國目前采用自緊身管的火炮品種有: M107式175 mm自行加農(nóng)炮、M102式105 mm牽引榴彈炮、XM104式和M108式105 mm自行榴彈炮等。英國火炮身管武器采用自緊技術(shù)的有: M1式105 mm輕型榴彈炮、L7 型105 mm坦克炮、GBTI55 mm自行榴彈炮和L11型120 mm線膛坦克炮。

1.2 國內(nèi)身管自緊技術(shù)的發(fā)展

自緊原理最早由法國科學(xué)家圣-維南于1872年提出，其研究了厚壁圓筒在受內(nèi)壓作用下材料進(jìn)入全塑性時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。近年來在模擬試驗(yàn)和全尺寸身管的研制過程中，開展了液壓自緊技術(shù)、高膛壓火炮身管機(jī)械自緊技術(shù)基礎(chǔ)、高效液壓自緊技術(shù)、自緊實(shí)際控制、火炮身管疲勞壽命等課題研究以及較大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

98式主戰(zhàn)坦克上安裝了ZPT-98式50倍徑的125 mm高膛壓滑膛坦克炮，通過對身管進(jìn)行液壓自緊，來滿足高膛壓火炮對其身管自身強(qiáng)度的要求?；鹋谏砉懿捎萌佩冦t工藝，其主要作用是提高身管耐磨損、耐燒蝕的能力和壽命，使其壽命大大提高，達(dá)到世界先進(jìn)水平，炮口動(dòng)能比俄羅斯2A46M-1型125 mm坦克炮提高近45%。

中國86式100 mm滑膛反坦克炮是在73式100 mm滑膛反坦克炮基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，該炮的身管由電渣重熔高強(qiáng)度炮鋼制成，并經(jīng)液壓自緊處理，現(xiàn)已批量生產(chǎn)裝備部隊(duì)。我國的炮兵武器已有100 mm和120 mm滑膛炮、125 mm 坦克炮和152 mm自行加農(nóng)炮、81式105 mm坦克炮和83式105 mm坦克炮等，其身管采用了自緊技術(shù)。

2 火炮身管自緊技術(shù)

身管自緊技術(shù)有3種，即液壓自緊、機(jī)械自緊和爆炸自緊。機(jī)械自緊技術(shù)和液壓自緊技術(shù)已經(jīng)投入了實(shí)際的生產(chǎn)，并得到廣泛的應(yīng)用。而爆炸自緊由于技術(shù)的不完善，至今還未在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

2.1 身管自緊技術(shù)的原理

液壓自緊加工技術(shù)是利用超高壓泵產(chǎn)生高壓液體直接作用于身管內(nèi)表面，通過施以高壓來完成自緊的一種工藝方法。液壓自緊系統(tǒng)主要由超高壓發(fā)生器(高壓泵和倍壓器等)框架、芯軸等專用公裝、芯軸移動(dòng)系統(tǒng)、超高壓管道和接頭、密封裝置和測試儀器等組成，因此被廣泛應(yīng)用。目前世界上火炮身管自緊高壓泵(含雙向作用的高壓缸)的壓力已達(dá)1 400 MPa，屬于超高壓范圍。因此液壓自緊存在的關(guān)鍵問題就是需要配備超高壓設(shè)備(1 000～1 500 MPa的高壓泵)和解決超高壓密封問題，壓力越高密封越困難。

機(jī)械自緊也稱沖頭擠擴(kuò)自緊法。其主要原理是強(qiáng)迫具有一定過盈量的沖頭通過毛坯身管，使毛坯身管內(nèi)膛產(chǎn)生塑性變形，從而形成一層冷作硬化層, 其合理的殘余應(yīng)力分布可以抵消一部分火炮發(fā)射時(shí)工作膛壓造成的應(yīng)力,既提高了火炮的強(qiáng)度,又提高了光潔度和內(nèi)表面硬度,從而增強(qiáng)了耐磨性,降低了裂紋擴(kuò)展速率,延長了身管的疲勞壽命。機(jī)械自緊的驅(qū)動(dòng)方式有兩種:高壓液體驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。

爆炸自緊是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓使炮膛產(chǎn)生塑性變形的一種自緊方法。圖1為爆炸自緊的結(jié)構(gòu)圖，炸藥置于身管毛坯的中心位置，用導(dǎo)爆索和電雷管相連，炸藥周圍介質(zhì)可以是水或空氣，自緊管外部可以有限制變形的模具，也可以沒有。

圖1 爆炸自緊結(jié)構(gòu)簡圖

通過水槽外部的導(dǎo)爆索引燃身管毛坯內(nèi)的炸藥，炸藥爆炸后的沖擊波通過防護(hù)層直接作用到身管毛坯內(nèi)表面上，在微秒級時(shí)間內(nèi)完成。機(jī)械自緊法和液壓自緊法的工藝類似于爆炸成型，爆轟波通過水介質(zhì)對構(gòu)件施加沖擊內(nèi)壓，整個(gè)過程在毫秒級時(shí)間內(nèi)完成。

2.2 自緊技術(shù)原理分析

以上3種自緊技術(shù)都是通過借助外力對身管內(nèi)表面施以高壓來達(dá)到自緊效果，其主要區(qū)別在于借助的外力有所不同。機(jī)械自緊技術(shù)和液壓自緊技術(shù)是直接作用于身管表面，提前給火炮身管一定的預(yù)應(yīng)力來達(dá)到自緊效果。爆炸自緊技術(shù)是將炸藥置于身管內(nèi)部，通過爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用于身管內(nèi)表面從而達(dá)到自緊效果。因此，爆炸自緊法不需要配備超高壓設(shè)備和解決超高壓密封問題，成本較低，并且爆炸自緊技術(shù)可以用于不同形狀的內(nèi)膛身管的自緊。

2.3 自緊身管的計(jì)算

2.3.1 液壓自緊計(jì)算

由于自緊管材形狀比較復(fù)雜，各段尺寸不同，因此在計(jì)算各段彈性極限時(shí)不能用同一個(gè)公式進(jìn)行，所以大多數(shù)炮管都采用局部自緊，即只對藥室和膛線起始部自緊。為了解決以上問題，通過對液壓自緊管材彈性極限優(yōu)化得出以下計(jì)算方法。

自緊管材彈性極限壓力的公式為：

(1)

式中：為彈性極限壓力；為管壁中任意點(diǎn)的半徑；為壓力。可知管材結(jié)構(gòu)尺寸已定，它與自緊壓力及自緊毛坯結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系為:

(2)

式中：為自緊壓力；為自緊身管內(nèi)徑；為自緊身管外徑?？梢钥闯觯跃o管材最佳強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是最佳自緊壓力和自緊毛坯的設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)尺寸已定的條件下，得到一組約束條件:1≤≤10；1≤≤10；0≤≤1200×10；0≤(-)(-)≤0.8。

2.3.2 機(jī)械自緊計(jì)算

為研究各自緊度下的身管截面在加載時(shí)的應(yīng)力和卸載后的殘余應(yīng)力，需要對不同情況下自緊身管所需要的壓力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[15]得到了自緊度身管的自緊壓力計(jì)算方法。圖2為身管彈塑性區(qū)分布示意圖。

圖2 身管彈塑性區(qū)分布示意圖

Mises屈服條件下，以理想彈塑性炮鋼本構(gòu)模型以及厚壁圓筒Lame方程可以計(jì)算出自緊壓力加載時(shí)的身管應(yīng)力狀態(tài)，由于Mises屈服條件下求出的應(yīng)力表達(dá)式相當(dāng)復(fù)雜，通常采用修正的Mises屈服條件，其身管徑向、切向應(yīng)力、計(jì)算方法為：

1)塑性區(qū)

(3)

(4)

2)彈性區(qū)

(5)

(6)

Tresca屈服準(zhǔn)則也可用做自緊壓力的計(jì)算，但它沒有考慮中間應(yīng)力的影響，當(dāng)3個(gè)主應(yīng)力大小順序未知時(shí)使用很不便。而Mises屈服準(zhǔn)則不僅考慮到了屈服和破壞的影響，而且簡單實(shí)用、材料參數(shù)少、易于實(shí)驗(yàn)測定，利于塑性應(yīng)變增量方向的確定和數(shù)值計(jì)算。

2.3.3 爆炸自緊計(jì)算

單筒身管強(qiáng)度計(jì)算公式按第三強(qiáng)度理論為：

(7)

1)半彈塑性自緊管壁內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)=時(shí)，便可求得半彈塑性狀態(tài)下自緊身管的自緊壓力公式：

(8)

(9)

式中，上角標(biāo)P為塑性區(qū)。

彈性區(qū)(≤≤)受力狀況如同單筒身管，外壓為零，按第三強(qiáng)度理論，彈性區(qū)的相當(dāng)應(yīng)力為：

(10)

式中：為剪切強(qiáng)度；上角標(biāo)e表示彈性區(qū)。當(dāng)=時(shí)，2=。

2)全塑性自緊管的自緊壓力和應(yīng)力計(jì)算

令=便可求得全塑性自緊管的自緊壓力公式為：

(11)

式中：上角標(biāo)“O”表示全塑性，即100%過應(yīng)變管。

按第三強(qiáng)度理論，當(dāng)=便可求得全塑性自緊管壁內(nèi)的應(yīng)力：

(12)

由以上可得出全塑性爆炸自緊管加載時(shí)的應(yīng)力。

3)爆炸自緊炸藥量的計(jì)算

炸藥在無限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)沖擊波超壓可用以下公式估算：

(13)

式中：Δ為沖擊波正面上的超壓(MPa)；為裝藥的TNT當(dāng)量(kg)；為到爆心距離(m)。

當(dāng)炸藥在地面上爆炸時(shí)，地面反射使爆炸效應(yīng)加強(qiáng)。對于剛性較大的混凝土、巖石表面等，相當(dāng)于2倍裝藥量的效應(yīng)。如果地面是土壤，相當(dāng)藥量可取1.7～1.8。

小藥量爆炸的沖擊超壓波計(jì)算公式為：

當(dāng)Δ>1.013 MPa時(shí)，

(14)

當(dāng)Δ<1.013 MPa時(shí)，

(15)

當(dāng)沖擊波運(yùn)動(dòng)方向與障礙物剛性壁表面平行時(shí)，作用于剛性壁上的最大載荷Δ=Δ;當(dāng)沖擊波運(yùn)動(dòng)方向垂直于剛性壁表面時(shí)，其所受載荷大大增加，即：

由式(16)可見，若取=1.4，對于超壓值較小的弱沖擊波垂直入射時(shí)，剛性壁所受載荷最大值為Δ=2Δ；對于垂直入射強(qiáng)沖擊波，剛性壁所受最大載荷為Δ=8Δ；如果以一定傾角入射剛性壁時(shí)，沖擊波將產(chǎn)生斜反射甚至產(chǎn)生形成馬赫波的非正規(guī)反射。

2.4 自緊身管的計(jì)算分析

相比較于機(jī)械自緊技術(shù)和液壓自緊技術(shù)的計(jì)算過程，爆炸自緊技術(shù)多了一步炸藥藥量的計(jì)算，但是少了很多繁瑣的工藝裝卸過程，生產(chǎn)周期短。較高的超應(yīng)變度可以獲得更高的疲勞壽命。炸藥爆炸后的沖擊波通過防護(hù)層直接作用到構(gòu)件內(nèi)表面上,在微秒級的時(shí)間內(nèi)完成。動(dòng)液壓法的爆轟波通過水介質(zhì)對構(gòu)件施加沖擊內(nèi)壓,整個(gè)過程在毫秒級時(shí)間內(nèi)完成，可以獲得更大的變形而本身仍完好無損,對構(gòu)件也更加安全。因此，合理的炸藥量可以使自緊過程更加安全高效。

2.5 自緊技術(shù)的主要問題

液壓自緊存在的關(guān)鍵問題就是需要配備超高壓設(shè)備(1 000～1 500 MPa的高壓泵)和解決超高壓密封問題，壓力越高密封越困難。一般的密封方式無法滿足液壓自緊，需要采用一種軸向自緊式密封方法，這種方法的原理是利用高壓液體產(chǎn)生的軸向壓力作用于密封件使其變形，隨著壓力逐漸升高，高壓下的密封效果也逐漸加強(qiáng)，從而達(dá)到高壓下所需要的密封效果。

機(jī)械自緊技術(shù)成功與否的關(guān)鍵之一是潤滑劑。因此，機(jī)械自緊技術(shù)在沖頭和身管毛坯的各項(xiàng)參數(shù)確定后，就需要在沖頭和身管毛坯內(nèi)壁之間進(jìn)行潤滑，其主要目的是降低摩擦力和防止沖頭和身管毛坯內(nèi)壁發(fā)生咬黏現(xiàn)象。早期為了避免自緊時(shí)炮膛表面被沖頭擦傷并減少自緊推力，通常在炮膛表面電鍍一層鉛作潤滑劑。由于鍍鉛的成本高，電鍍時(shí)更換陽極的操作頻繁，鉛又有毒，特別是曾發(fā)現(xiàn)炮管橫向斷裂與鉛潤滑劑有關(guān)，促使對其它潤滑劑進(jìn)行了大量研究。

爆炸自緊技術(shù)理論上指出自緊壓力在壁厚比一定的情況下，只與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)，只有滿足一定壁厚比的情況下才能成立，因此爆炸自緊技術(shù)的適用范圍需要根據(jù)毛坯身管的壁厚比才可以確定是否適用。

3 自緊加工技術(shù)發(fā)展

目前，機(jī)械自緊和液壓自緊技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于對爆炸自緊技術(shù)深入研究的匱乏，導(dǎo)致其并未被應(yīng)用于實(shí)際。但這3種自緊技術(shù)的特點(diǎn)致使它們有著廣闊的發(fā)展前景，具體優(yōu)勢體現(xiàn)在：

液壓自緊技術(shù)分為開端自緊和閉端自緊。當(dāng)進(jìn)行開端自緊時(shí)，方法簡單、經(jīng)濟(jì)，適用于大批量生產(chǎn)。閉端自緊時(shí)由于身管有軸向拉伸，身管彎曲較小。

機(jī)械自緊技術(shù)沖頭的運(yùn)動(dòng)方式有兩種，一種高壓液體驅(qū)動(dòng)方式，另一種是機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)使用高壓液體驅(qū)動(dòng)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量來控制沖頭的速度。這種驅(qū)動(dòng)方式不僅密封難度低，還降低了工藝過程的危險(xiǎn)性。

爆炸自緊法不需要配備超高壓設(shè)備和解決超高壓密封問題，成本較低，并且爆炸自緊技術(shù)可以用于不同形狀的內(nèi)膛身管的自緊，例如類似于柱塞泵液力端的三通或四通構(gòu)件，其主要危險(xiǎn)部位在兩孔的相貫線處，爆炸自緊加工工藝也可以對其內(nèi)壁進(jìn)行自緊處理，這就大大的簡化了自緊工藝。爆炸自緊過程中材料在高應(yīng)變速率下完成彈塑性變形，較之常規(guī)加載方式可以獲得更大的變形而本身仍完好無損，因此對構(gòu)件更加安全。

通過上述分析可以清楚的了解到，爆炸自緊、機(jī)械自緊和液壓自緊都可以成功的對身管毛坯構(gòu)件實(shí)施自增強(qiáng)處理。它們的特點(diǎn)決定了它們適用于不同的身管自增強(qiáng)加工處理場合。雖然爆炸自緊技術(shù)還未得到廣泛的關(guān)注，還存在許多問題尚未解決，但毫無疑問，爆炸自緊技術(shù)的發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?/p>