大口徑火炮雙錐度坡膛身管設(shè)計(jì)方法

李建廣，袁志華，尹建平，張 斐

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159)

【火炮和自動(dòng)武器】

大口徑火炮雙錐度坡膛身管設(shè)計(jì)方法

李建廣1，袁志華2，尹建平1，張 斐1

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159)

可設(shè)計(jì)優(yōu)良的大口徑雙錐度坡膛身管結(jié)構(gòu)，并借鑒國內(nèi)外身管延壽技術(shù)應(yīng)用在雙錐度坡膛加工處理和后期保養(yǎng)上，延長大口徑身管壽命。

大口徑火炮；身管設(shè)計(jì)；雙錐度坡膛

大口徑火炮是軍隊(duì)重要的壓制武器，并且隨著我國國力的提升，大口徑火炮出口具有很大潛力。無論是自身需要，還是出于發(fā)展武器工業(yè)經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)大戰(zhàn)略，大口徑火炮設(shè)計(jì)方法需要有一個(gè)成熟且有創(chuàng)新的“方法庫”。大口徑火炮廣受各國喜愛，主要是打的遠(yuǎn)，威力大，經(jīng)濟(jì)性好。但是身管壽命問題一直是大口徑火炮的難題。由于大口徑火炮的高膛壓和高初速，身管燒蝕和磨損嚴(yán)重，膛線磨損加快，隨后彈帶削光便是身管壽命終止[1]。坡膛處是磨損最嚴(yán)重的的部位，研究坡膛設(shè)計(jì)方法是對(duì)提高火炮性能的基礎(chǔ)性提升的一種較好的方式。高膛壓意味著裝藥量大，產(chǎn)生的火藥氣體對(duì)內(nèi)膛的燒蝕就越嚴(yán)重[2]。高初速意味著彈丸擠進(jìn)能量大，彈帶瞬間變形的同時(shí)，也極大地產(chǎn)生火炮坡膛磨損[3]，導(dǎo)致彈帶對(duì)內(nèi)膛的磨損加重。高強(qiáng)度燒蝕和磨損使身管膛線損傷加快，如何避免或者減弱燒蝕和磨損便是大口徑火炮身管設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)。所以既滿足高初速又要保證火炮壽命一直是火炮身管設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 雙錐度坡膛

坡膛是彈丸擠進(jìn)炮膛的第一受力部位，磨損是難免的。坡膛有單錐度和雙錐度兩種，是連接藥室與導(dǎo)向部的錐形部分，是彈帶擠入膛線開始塑性變形的部位[4]，所以是膛線磨損最嚴(yán)重的地方，嚴(yán)重影響身管的使用壽命。在結(jié)構(gòu)方面改進(jìn)坡膛，目前的雙錐度坡膛是常用手段。雙錐度坡膛是坡膛部位改變了通常的單錐度坡膛結(jié)構(gòu)，在靠近藥室的第一段坡膛為大錐度坡膛，錐度約為1/10，第二段坡膛錐度為1/60～1/20。大錐度坡膛有利于彈道穩(wěn)定，但是會(huì)加劇坡膛磨損，且燃?xì)庠诖颂幮纬蓧毫Σㄓ绊憠毫鬟f。小錐度坡膛卻可以避免大錐度的不足，但不利于彈道穩(wěn)定。大口徑火炮采用雙錐度坡膛，便兼具大錐度和小錐度的優(yōu)點(diǎn)。

坡膛的研究因?yàn)榭紤]到深孔機(jī)械加工困難，多向其他方面發(fā)展，比如炮鋼材料的改善，改進(jìn)熱處理工藝，機(jī)械自緊技術(shù)。外形結(jié)構(gòu)則沿用經(jīng)驗(yàn)公式保持至今。

2 大口徑火炮身管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大口徑火炮身管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三部分，首先是內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，然后是內(nèi)膛設(shè)計(jì)，最后是炮身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.1 內(nèi)彈道設(shè)計(jì)

內(nèi)彈道設(shè)計(jì)是由初始要求參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)得到藥室和炮膛的長度和截面積。大致過程是：由口徑，彈重和初速已知參數(shù)，選定最大膛壓和火藥類型、裝填密度、裝藥量等火藥參數(shù)，計(jì)算出藥室容積、藥室長度、炮膛橫截面積和彈丸行程全長，得到身管內(nèi)膛的藥室、炮膛長度和橫截面積。通過計(jì)算出的結(jié)果和火藥參數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行內(nèi)彈道參數(shù)方程驗(yàn)證最大膛壓符合標(biāo)準(zhǔn)，得出p-l曲線和v-l曲線及最大膛壓，結(jié)果如圖1所示。如果Matlab軟件計(jì)算出的膛壓超出最大膛壓選定值，則重新選定火藥參數(shù)，再次進(jìn)行計(jì)算[5]。

圖1 p-l曲線和v-l曲線

2.2 內(nèi)膛設(shè)計(jì)

內(nèi)膛設(shè)計(jì)是由內(nèi)彈道設(shè)計(jì)得出的藥室和炮膛的長度、截面積，根據(jù)火炮要求設(shè)計(jì)藥室結(jié)構(gòu)和膛線結(jié)構(gòu)，然后計(jì)算得到藥室和炮膛結(jié)構(gòu)參量。雙錐度坡膛按照經(jīng)驗(yàn)公式選擇，靠近藥室的第一錐度約為1/10[6]，第二錐度約為1/60～1/20，由此計(jì)算雙錐度坡膛的結(jié)構(gòu)參量，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙錐度坡膛結(jié)構(gòu)圖

2.3 炮身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炮身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以利用平均壓力法，由p-l曲線得到平均壓力曲線以及炮膛各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的膛壓值[7]。選取安全系數(shù)，得到身管理論強(qiáng)度曲線。

選取炮鋼材料，然后進(jìn)行身管理論外形尺寸設(shè)計(jì)，調(diào)整個(gè)別部位之后，得到身管實(shí)際外形尺寸，即身管各點(diǎn)的內(nèi)外徑尺寸。

最后利用外形尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核，超過強(qiáng)度極限則改變參數(shù)重新設(shè)計(jì)，符合強(qiáng)度極限則完成設(shè)計(jì)。

3 后期設(shè)計(jì)

身管設(shè)計(jì)是為得到更優(yōu)良的身管，前面只是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙錐度坡膛在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了改進(jìn)，要想得到更優(yōu)良的身管，再從生產(chǎn)加工工藝方面和使用維護(hù)方面入手，這便是本文的后期設(shè)計(jì)。

3.1 生產(chǎn)加工設(shè)計(jì)方法

提高身管的抗燒蝕能力，可以在設(shè)計(jì)中添加生產(chǎn)加工設(shè)計(jì)。這次生產(chǎn)加工設(shè)計(jì)不是簡單地車磨刨銑的加工工藝，而是參考了當(dāng)今的機(jī)加新工藝應(yīng)用到身管設(shè)計(jì)方法里面。主要介紹兩個(gè)方面：身管內(nèi)膛激光熱處理技術(shù)和身管內(nèi)膛涂層技術(shù)[8]。身管內(nèi)膛激光熱處理技術(shù)是從炮膛外激光器發(fā)射出高能密度激光束，經(jīng)炮膛內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)向，快速照射到身管內(nèi)膛表面，由光能轉(zhuǎn)為熱能，從而強(qiáng)化內(nèi)膛表面材料組織。內(nèi)膛涂層技術(shù)是內(nèi)膛表面制備耐磨耐燒蝕涂層，利用近代表面技術(shù)提高材料機(jī)械性能。包含熱熔覆技術(shù)和化學(xué)氣相沉淀法等等[9]。

3.2 后期保養(yǎng)設(shè)計(jì)方法

火炮內(nèi)膛擦拭是炮兵部隊(duì)維護(hù)和保養(yǎng)火炮正常程序。無論在射擊之前的準(zhǔn)備工作還是實(shí)彈射擊之后的維護(hù)，均需要炮膛擦拭。除火炮擦拭保養(yǎng)方面，在發(fā)射前對(duì)雙錐度坡膛進(jìn)行涂油處理[10]，雖然增加工作量，但是可以減小彈丸與內(nèi)膛的摩擦系數(shù)，從而減輕坡膛磨損。

4 結(jié)論

筆者考慮身管壽命，進(jìn)行了大口徑火炮雙錐度坡膛身管設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新。不僅外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還糅合國內(nèi)外的身管延壽技術(shù)，附加了身管坡膛加工處理的設(shè)計(jì)理念，可為火炮專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供參考。

[1] 劉海平.基于DEFORM的火炮膛線表面應(yīng)力分析[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2005(2):21-24.

[2] 陳永才.國內(nèi)外火炮身管延壽技術(shù)研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào),2006,27(2):30-334.

[3] 馬明迪.大口徑火炮彈丸擠進(jìn)過程坡膛動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(3):263-269.

[4] 米糧川.內(nèi)彈道彈帶擠進(jìn)過程仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2012,32(1):133-135.

[5] 李正偉.基于Pro/E二次開發(fā)和Matlab聯(lián)合的火炮身管設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2014,35(4):20-24.

[6] 孫河洋.坡膛結(jié)構(gòu)變化對(duì)火炮內(nèi)彈道性能影響的研究[J].兵工學(xué)報(bào),2012,33(6):669-675.

[7] 望經(jīng)緯.某超高射速武器身管設(shè)計(jì)方法[J].裝備制造技術(shù),2014(2):262-263.

[8] 陳永才.火炮身管內(nèi)膛涂層制備及檢驗(yàn)方法[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2008(4):53-58.

[9] WANG Bao-sheng.The advanced coating technology of gun barrel used in Oak Ridge National Laboratory[J].Weapon News,2003(38):10-12.

[10] 彭志國.火炮坡膛涂油擠進(jìn)摩擦模型與分析[J].彈道學(xué)報(bào),2007,19(3):68-72.

DesignMethodofDouble-TaperSlopeBentforLargeCaliberGun

LI Jianguang1, YUAN Zhihua2, YIN Jianping1, ZHANG Fei1

(1.School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.School of Equipment Engineering, Shenyang ligong University, Shenyang 110159, China)

Design an excellent structure of barrel that large-diameter and double-taper breech,and learn from the technology of extend the barrel life at home and abroad applied to double taper slope bore processing and maintenance,to extend the life of large-caliber barrel.

large caliber artillery； barrel design； double taper slope

2017-09-23；

2017-10-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572291);山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助項(xiàng)目(20160033，20170028)

李建廣(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.007

本文引用格式：李建廣，袁志華，尹建平，等.大口徑火炮雙錐度坡膛身管設(shè)計(jì)方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):29-30,51.

formatLI Jianguang, YUAN Zhihua, YIN Jianping,et al.Design Method of Double-Taper Slope Bent for Large Caliber Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):29-30,51.

TJ30

A

2096-2304(2017)12-0029-02

(責(zé)任編輯周江川)