槍炮發射過程中壓力測試系統的設計

張凱奇，周春桂，王志軍，尹建平，吳國東，孫艷馥

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

【系統工程、測量與控制】

槍炮發射過程中壓力測試系統的設計

張凱奇，周春桂，王志軍，尹建平，吳國東，孫艷馥

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

為了對槍炮進行發射過程中壓力測試，本著簡單方便，易操作的設計原則，設計了一個銅柱測壓器。以雷明頓870散彈槍為例，利用銅柱測壓器與槍管進行螺紋連接測量槍內燃氣壓力。利用UG軟件對散彈槍結構以及銅柱測壓器進行三維實體建模。然后給定一個壓力，利用ANSYS軟件對銅柱進行變形分析，并通過銅柱的變形量查表得出膛內的燃氣壓力。研究成果可供迅速測量槍炮發射過程中任意位置的膛內壓力，簡單方便，成本低。

散彈槍；銅柱測壓器；三維實體建模；變形分析

根據測試原理的不同，槍炮發射過程中壓力測試方法主要分為兩大類：一類是以銅柱測壓為代表的塑性測壓法。自19世紀60年代諾貝爾首次使用銅柱測壓法測得膛內火藥燃氣最大壓力后，一百多年來，古老的銅柱測壓法在“實用彈道學”領域內一直是膛壓測量的主要技術手段。其測量原理是通過對其因膛內高壓氣體而產生變形的銅柱高度進行測量，然后查表換算得到膛內的壓力。一類是以壓電測壓為代表的彈性測壓法，它的典型代表是壓電測壓法。根據實現方式的不同，壓電測壓法又分為存儲式和引線式。其中存儲式電子測壓器的外形和方式與銅柱測壓法相似，但其核心是測壓傳感和存儲電路[1-2]。可是由于造價過高，且測試裝置體積過大，使用場合受到一定限制。引線式測壓法具有測量精度高，反應速度快，能自動、連續的進行測量，能遠距離傳輸以及易于和許多后續數據處理儀器和計算機連用等優點。其測量原理是火藥燃氣通過測壓孔作用在壓力傳感器上使其輸出相應的電信號，通過電信號調理電路進行調理后送至計算機進行測量、分析。

銅柱測壓法雖然古老，但其優點簡便可靠，能反映膛內壓力的穩定性并能迅速得出膛壓的結果。它非常適合工廠產品校驗和選裝藥量，至今被國家采用驗收產品。李靜研究了對放入式測壓器分級判據及測量不確定度[3]；吳晉軍，張新慶，蔣燕等研究了銅柱測壓在高能氣體壓裂技術中的應用[4]；鄧欣偉研究了內彈道的膛壓檢測方法[5]；尤文斌，馬鐵華，丁永紅，張晉業等研究了電子測壓器與銅柱測壓器在膛壓測試中結果差異分析[6]；吳安森研究了關于銅柱測壓法的新探索[7]。以上這些學者主要是對銅柱測壓法進行了研究，但對于銅柱測壓法只能測量膛內壓力峰值，測量不靈活的缺點研究很少。

為了減少成本，使測量簡單靈活，克服銅柱測壓器只能測量膛內壓力峰值的缺點，根據銅柱測壓法原理設計出銅柱測壓器，并且通過一個螺母把銅柱測壓器與槍管相連接，從而測出槍發射程中膛內的壓力。再利用ANSYS軟件[8]對銅柱進行變形分析，根據銅柱的變形量通過查表得出理論膛壓，并與指標膛壓比較，驗證所設計的銅柱測壓器。該設計同樣適用于火炮，本文僅以雷明頓870散彈槍為例。

1 銅柱測壓器

1.1 結構設計

由于本次設計是以測量雷明頓870散彈槍發射過程中的壓力為例，所以根據雷明頓870散彈槍膛內燃氣壓力變化的情況及銅柱塑性變形要求的情況初步選定銅柱直徑為3 mm，銅柱長度5 mm。為了配合銅柱的大小選用了國標M10這款螺栓，再根據螺栓設計出銅柱測壓器的本體，本體外徑為16 mm，本體內徑為12 mm，本體長為17 mm；根據本體的內徑以及螺紋可確定螺母長7 mm，螺紋大徑12.5 mm，螺紋小徑12 mm。根據本體的內徑與螺母的內徑可確定活塞頂部直徑8 mm，活塞頂部長度2 mm，活塞撞桿直徑8 mm，活塞撞桿長度8 mm。根據銅柱的直徑與本體的內徑可確定橡膠圈外徑為12 mm，橡膠圈內徑3 mm，橡膠圈外圈厚度2 mm，橡膠圈內圈厚度1 mm。銅柱測壓器的零件如圖1所示。

圖1 銅柱測壓器各零件圖

本次設計的銅柱測壓器是通過螺栓與本體連接后，將橡膠圈裝進本體內，按照橡膠圈的位置安裝好銅柱，接著彈簧安裝在活塞上一起放進本體，緊挨銅柱的底面，最后用螺母按螺紋連接的方式跟本體連接起來。這樣銅柱測壓器的裝配便已完成，裝配圖如圖2所示。

圖2 銅柱測壓器裝配圖

綜上所述:銅柱測壓器各零件的尺寸匯總成表如表1所示。

表1 銅柱測壓器各零件尺寸 mm

1.2 工作原理

該裝置在受到膛內高壓氣體作用時，活塞撞桿由于受到瞬間的超高壓力氣體的推動作用，相對本體進行軸向運動，進而對銅柱造成壓力，同時銅柱也受到橡膠圈的壓力進而造成縱向的變形。測試完成后，取出銅柱測量其縱向變形量，根據變形量對照該銅柱的壓力表即可得出測量的壓力值。

1.3 特點

該裝置的特點主要是可以用螺紋跟槍管或炮管連接從而測量出槍炮的膛內壓力，同時也可以測量槍炮發射工程中各個時間段的膛內壓力，降低了測量成本，增加了測量的靈活性。

1.4 與槍管的連接

該裝置可測量多種武器膛內壓力，這里僅以雷明頓870散彈槍為例，對雷明頓870散彈槍的槍管進行改造，在要測量的位置上開出一個螺紋孔，使銅柱測壓器和槍管進行連接，銅柱測壓器與槍管連接方式如圖3所示。

2 測壓系統的三維實體建模以及銅柱的變形分析

2.1 實體建模

UG是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統，它功能強大，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構。UG實體建模，通過拉伸、旋轉、掃描等建模方法，并輔之以布爾運算，使用戶既可以進行參數化建模，又可以方便地使用非參數方法生成三維模型。另外還可以對部分參數化或非參數化模型再進行二次編輯，以方便生成復雜機械零件的實體模型。本文分別對銅柱測壓器各個零件以及改造過的槍管進行了實體建模，如圖4所示。隨后將銅柱測壓器進行裝配如圖5所示。再將槍管與銅柱測壓器連接起來，如圖6所示。

圖3 銅柱測壓器與槍管的連接方式

圖4 槍管以及銅柱測壓器各零件實體建模

圖5 銅柱測壓器實體建模裝配圖

2.2 變形分析

根據指標膛壓，對銅柱施加一個固定的載荷，然后運用ANSYS軟件對銅柱變形進行分析，得到銅柱X以及Y方向變形圖,X方向變形圖如圖7所示，Y方向變形圖如圖8所示。根據X以及Y方向的變形量通過查表和計算即可得出所測得壓力。

圖6 槍管與銅柱測壓器連接方式的實體建模

圖7 X方向位移

圖8 Y方向位移

3 結論

1) 銅柱測壓器較好地解決了傳統銅柱測壓法測量壓力不夠靈活，只能測試壓力峰值的缺點。

2) 銅柱測壓器在與發射結構連接中，使用螺紋連接，增強了測壓腔內的密閉性，保證了測壓器使用的可靠性。

3) 銅柱測壓器結構簡單，安裝方便，成本低廉，可重復使用。對槍炮發射過程中膛壓的測試有一定的參考價值。

[1] 何強，馬鐵華，張瑜，等.存儲式電子測壓器應用環境下動態校準[J].中國測試，2009，35(1):43-45.

[2] 席海軍,韓華,張瑜,馬英卓.基于單片機的微型存儲式電子測壓器設計[J].電子測試，2012(10):56-60.

[3] 李靜.放入式測壓器分級判據及測量不確定度研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[4] 吳晉軍，張新慶，蔣燕.銅柱測壓在高能氣體壓裂技術中的應用[J].石油鉆采工藝，1999(1):59-63,107.

[5] 鄧欣偉.內彈道的膛壓檢測方法研究[J].沈陽理工大學學報，2008(3):9-11.

[6] 尤文斌，馬鐵華，丁永紅，等.電子測壓器與銅柱測壓器在膛壓測試中結果差異分析[J].爆炸與沖擊，2017，37(3):571-576.

[7] 吳安森.關于銅柱測壓法的新探索[J].測試技術學報，1996(2)：191-194.

[8] 郝艷娥，蘭永強.基于ANSYS軟件的結構非線性有限元分析及應用實例[J].電子測試，2014(21):166-167.

DesignofPressureTestSysteminGunFiringProcess

ZHANG Kaiqi， ZHOU Chungui, WANG Zhijun,YIN Jianping, WU Guodong, SUN Yanfu

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to test the pressure in the firing process of the gun, a copper column pressure gauge is designed based on the design principle of simple and easy operation. Taking remm 870 shotgun as an example, the gas pressure in the gun is measured by using the copper column pressure gauge and the barrel. The structure of shotgun and the copper of copper column are modeled by ug software. Then, a pressure is given, the deformation analysis of the copper column is carried out by ANSYS software, and the gas pressure in the bore is obtained through the deformation of the copper column. The research results can quickly measure the pressure of any position in the gun firing process, and it is simple and convenient, and the cost is low. The results can provide some reference value for the pressure test in the firing process.

shotgun; copper column pressure gauge; three-dimensional entity modeling; deformation analysis

2017-10-12；

2017-11-02

國家自然科學基金資助(11572291)；山西省研究生聯合培養基地人才培養項目資助(20160033，20170028)

張凱奇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.036

本文引用格式：張凱奇，周春桂，王志軍，等.槍炮發射過程中壓力測試系統的設計[J].兵器裝備工程學報，2017(12):159-162.

formatZHANG Kaiqi，ZHOU Chungui,WANG Zhijun,et al.Design of Pressure Test System in Gun Firing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):159-162.

TJ012.1

A

2096-2304(2017)12-0159-04

(責任編輯唐定國)