火炮身管內徑測量現狀及發展趨勢

朱建杰，鄭立評，曹營修，曹進華

(軍械工程學院 火炮工程系， 石家莊 050003)

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【裝備理論與裝備技術】

火炮身管內徑測量現狀及發展趨勢

朱建杰，鄭立評，曹營修，曹進華

(軍械工程學院 火炮工程系， 石家莊 050003)

火炮身管在高溫高壓火藥氣體和高速彈丸的反復作用下，內膛受到不同程度磨損，其徑向磨損量的測量對于確定火炮射擊性能及身管剩余壽命具有重要意義。針對各種火炮身管內徑測量方法和技術進行了分析和比較，研究了非接觸測徑技術及與徑向磨損量密切相關的身管剩余壽命預測的發展趨勢。

內徑測量；身管壽命；初速減退量；非接觸測量

火炮在實現遠射程、高初速、高射速的同時，由于高溫、高壓火藥氣體及高速彈丸的反復作用，造成身管內膛結構磨損，而內膛磨損降低了火炮射擊性能，同時影響其服役年限，特別是對于大中型口徑火炮，身管作為關重件，其購置費用約占全炮的30%～40%，可以說身管壽命就是火炮壽命[1-2]。

現階段常用的4項身管剩余壽命判別條件為：火炮初速下降10%、彈帶削光、彈丸引信不能解脫保險和射彈散布面積超過射表規定值的8倍，以上判別條件在檢測原理、判別條件的確立和應用環境上存在不同程度的局限性，因而不能準確評估火炮身管壽命[3]。西方國家常以膛線起始部因燒蝕、磨損引起的內膛擴張量作為評價標準，近年來我國也廣泛使用這種標準[4]。徑向磨損量Δd適合于靜態檢測，無需動態測試(實彈射擊)的大量經費消耗，測徑工具操作簡單，方便易行，測量結果準確可靠，滿足部隊實際需求。目前研究人員通過對已有火炮壽命試驗數據的采集分析，用身管徑向磨損量標定火炮初速變化[5]，從而預判身管剩余壽命，建立了比較完整的多種火炮身管壽命預測模型。因此，研究高效、精準的火炮身管內徑檢測方法對于判別火炮射擊性能及剩余壽命具有重要意義。

1 典型身管內徑測量方法

當前國內外對火炮身管內徑的測量，按測量結果獲得方式分為直接測量、間接測量和綜合測量，按測量觸頭接觸內壁與否分為接觸式測量和非接觸式測量，按傳感器測量原理不同又分為機械式、電子式、光學式傳感器測量等[6]。通過文獻檢索和實地調研，從部隊和工廠實際應用情況來看，主要為以下幾種。

1.1 B283內徑測量系統

由奧地利AVL公司研制的身管測量系統測徑范圍廣，能夠對所測數據實時處理[7]。該系統針對不同口徑范圍的身管，設計了4種不同型號的測量工具。其中，B283型號測徑儀器的各項性能表現較為突出，可同時測量陰、陽線直徑，測徑范圍為75～210mm，系統精度可達50μm，其結構如圖1所示，測桿前后各有一個帶3個鼓狀小輪的彈性支撐結構，測量時6個小輪同時滾動擠壓內膛表面，以確保測桿軸線與身管軸線一致。

圖1 B283型號測徑儀器

B283型測徑儀的測頭行程為5 mm，可滿足中小口徑火炮的內徑測量，然而試驗發現，我國某些大口徑火炮壽命終止時其身管徑向磨損量達到6.17～8.06 mm，顯然，此時該測量系統不能達到測量要求，且該套設備價格昂貴，不適合部隊推廣使用。

1.2 機械星型測徑儀

20世紀60年代，機械星型測徑儀從前蘇聯引進，作為測量炮身內徑最原始、最經典的測徑儀，可測量20～152 mm的各種線膛炮內徑，在部隊應用了40余年，目前主要在火炮生產和大修廠使用[8]。其結構如圖2所示，主要由帶有刻度的直管、基本游標尺、定心支撐環、微調螺等組成。測量時將測徑桿調整到炮膛直徑的公稱尺寸，游標尺歸零，將儀器從炮口部裝入炮膛內，移動帶拉桿的手柄，拉桿及錐體使測頭上的量爪向外抵住內膛壁，通過游標尺讀取測量值，身管內徑實際尺寸則為測量值與公稱尺寸之和。

星型測徑儀使用簡便，測量可靠，由于采用固定直徑的定心盤，當膛內有嚴重燒蝕、機械損傷和疵病時無法進行準確定心測量，其測試效率不高，不能滿足部隊要求。

圖2 機械星型測徑儀結構

1.3 電感測徑儀

電感測徑儀由陸軍軍官學院在本世紀初研制，是將內徑千分尺和電感傳感器相結合的擺式測徑儀。其原理如圖3所示[9]，從炮尾對炮膛進行測量時，測桿上的深度指示器緊貼炮尾，擺動測量桿，徑向測量值通過彈簧加載的楔形體被轉換為軸向測量值，再通過電感傳感器轉化為數字信號，從而讀出最小測量值。此時測頭軸線過截面中心且與炮膛軸線垂直，可確保所測截面為正截面，測量值為截面直徑數值。從結構和原理分析來看，擺式測徑儀無法測量陰線磨損，適合滑膛炮的測量，該測徑儀在民用部門的管道和深孔測量等領域使用較為廣泛。

圖3 電感測徑儀原理圖

1.4 傘狀光柵測徑儀

傘狀光柵測徑儀由軍械工程學院在2012年研制[10]，如圖4所示，檢測裝置由雙傘彈性定心結構、窺膛傳感器、測徑傳感器、測試連接桿組、軸向定位機構等組成。具體工作過程：從炮尾伸進測徑裝置，軸向定位至各型火炮身管理論最大磨損處，依次按“米”字型轉動測桿手柄，計算機檢測系統界面則會顯示出內徑磨損數值。全膛測量時還可將測頭放于兩定位傘之間，增加對測頭的定位支撐，以此確保測量系統的可靠性。

圖4 身管內膛檢測裝置

該測徑儀應用光柵測微傳感器提高了系統靈敏度；按照阿貝原則[11]，設計了新型雙傘定位結構，定心精度高；設計攝像頭窺膛配合測徑儀同時使用，有利于觀察測頭適合的測量點；運用莫氏組合技術[12]，保證測量機構安裝精度，實現了測頭、定位傘和視頻檢查機構的靈活組合。

2 對比分析

根據不同需要，工廠、試驗場及部隊運用各類測徑儀器對多種類火炮進行了內徑測量，以上介紹的幾種典型火炮身管測徑儀特點明顯，受到使用部門的認可。它們在功能上大體相似，結構、技術、測量精度有所不同，具體分析見表1所示。

3 發展趨勢

目前，國內外對身管內徑磨損量的測量大多停留在測徑儀器的傳感器選用和定心結構設計上，雖然大體上能滿足實際測量需要，但各測量系統存在不同程度復雜性，效率偏低。隨著現代測試技術的發展，未來身管徑向磨損量的測量應向智能化、高效化、多能化轉變。

1) 測量方式非接觸化

現有的測徑工具不論是測頭還是定心裝置，總會與身管內膛接觸，易對管壁造成一定損傷，并且僅能完成兩點測量，效率不高，而非接觸測量可以很好地解決這些問題。

應用各種電、光學原理的測量方法，諸如光斑法、光纖傳感法及激光衍射法等是在2000年左右發展起來的幾種檢測新技術[13]，利用這些方法進行非接觸測量，測量時無測力、無磨損、無變形。光學測量方法在保證較高的測量精度的同時，具有較高的測量速度，能實現在線檢測。但是傳感器的安裝對測量精度影響較大，因此對于操作人員水平要求較高，并且光學測量法采用的檢測傳感器造價高、結構復雜，限制了它的應用。

目前研究較多的是采用身管機器人結合光學、激光測距等方式進行內徑測量。激光測量以其高精度為人們熟知，其單色性、方向性、相干性好，測量時受干擾較小，可以用于精確定位。通過在定心軸上加裝旋轉機構，可實現單截面多達400個數據的周向測量[14]。

機器學習是近年來人工智能、計算機視覺、虛擬現實等領域研究的熱點和難點[15]，將其應用于測量領域是一種全新的理念。利用一臺高清照相機和光源，對同類型全新火炮和磨損火炮的身管陽線起始截面進行多幅高清圖像拍攝，采用灰度化、邊緣檢測等數字圖像處理操作[16]，通過從大量數據里提取規則或模式把數據轉換成信息，從而自動學習出特征與目標類型的各種關系，可對比分析嚴重磨損截面磨損量大小。

2) 測試功能多樣化

作為影響火炮內彈道性能及身管壽命的主要因素，徑向磨損量的測量固然重要，但身管內膛破壞是一個非常復雜的過程，包含掛銅、燒蝕等情況，因此要綜合考慮各項因素，研究新型高效多能的身管檢測系統，構建完整全面的身管評價平臺。

表1 測徑儀器性能對比

基于圖像的三維重構技術能夠根據二維圖像中的灰度信息重構物體的三維形狀，因其具有操作簡單、成本低、效率高、適用范圍廣等特點而備受關注[17-19]。針對身管使用中常出現的銹蝕、裂紋、燒蝕、掛銅、斷裂等疵病[20-22]，可以通過窺膛攝像頭獲取的二維圖像重建內膛表面的3D立體形狀，獲取各受損區域的三維信息。同時定期對破壞區域的圖像進行存儲歸檔，供裝備管理部門實時掌握身管使用狀態。此外，還可以建立各類火炮內膛疵病庫，實現疵病自動提取及庫匹配，快速準確識別疵病類型[23]。

3) 壽命預測準確化

對于高膛壓炮，其陽線磨損規律曲線如圖5所示，在膛線起始部磨損最嚴重，即圖中“I”區，該區域內火藥氣體沖刷劇烈，導致身管內徑急劇磨損。大量研究和試驗證明，不管火炮在哪個地區使用，使用條件如何，裝藥號數、射彈發數如何，只要同種數門火炮徑向磨損量Δd相同，在其他使用、裝填條件相同的情況下，各炮下一組彈藥的彈道性能的變化情況是相同的。因此，內膛徑向磨損量可以把火炮壽命終止時的各項條件有機結合起來，預測火炮內彈道性能變化情況及身管剩余壽命[24-25]。

圖5 沿身管長度陽線磨損規律曲線

火炮嚴重磨損區域內徑最大磨損量Δdmax決定了身管壽命，不同類型火炮的最大徑向磨損量不同，通過Δd=f(n) 的數學關系式可預知火炮壽命終止時的射彈發數。對于已經進行全壽命試驗或部分全壽命試驗的火炮，文獻[26-29]中分別基于BP神經網絡、多元線性回歸方法、最小二乘支持向量機和灰色線性回歸組合模型建立了與Δd相關的各種模型對火炮壽命進行預測和評估，結果表明，模型預測值與實測值誤差相對較小，可供部隊軍械管理部門參考。

然而并非所有類型火炮都進行了全壽命試驗，因而在單發或少量射彈發數的前提下進行火炮壽命預測是亟待解決的問題。隨著機器學習、AI等的不斷發展，少量訓練樣本前提下的泛化能力較強的模型在某些問題的解決上已初見成效[30]，為火炮壽命預測提供了有益借鑒。

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(責任編輯 周江川)

Status and Development Trend of Measuring Internal Diameter of Gun Barrel

ZHU Jian-jie, ZHENG Li-ping, CAO Ying-xiu， CAO Jin-hua

(Department of Artillery Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Under the repeated action of high temperature and high pressure gunpowder gas and high speed projectile, the inner bore was worn at different degree. Measuring its radial wear is important to the firing performance and the remaining life of the gun barrel. The measurement methods and techniques of the inner diameter of various gun barrels were analyzed and compared. The development trend of non-contact caliper measurement technology and the prediction of the gun’s residual life which are closely related to the radial wear quantity were discussed.

inner diameter measurement; barrel life; initial velocity decrease; non-contact measurement

2017-02-20；

2017-03-16

朱建杰(1993—),男,碩士研究生,主要從事武器性能檢測研究。

10.11809/scbgxb2017.06.013

format:ZHU Jian-jie, ZHENG Li-ping, CAO Ying-xiu，et al.Status and Development Trend of Measuring Internal Diameter of Gun Barrel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):62-65.

TJ306

A

2096-2304(2017)06-0062-04

本文引用格式：朱建杰，鄭立評，曹營修，等.火炮身管內徑測量現狀及發展趨勢[J].兵器裝備工程學報，2017(6):62-65.