大口徑機槍槍管內膛損傷的試驗研究

沈 超,周克棟,陸 野,李峻松

(1.中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082; 2.南京理工大學 機械工程學院, 南京 210094;3.中國兵器工業第208研究所, 北京 102202)

0 引言

槍彈發射時為減少火藥氣體的泄露,膛線與彈頭殼之間呈緊密接觸狀態,并且陽線會在彈頭上形成若干道刻槽。刻槽與陽線之間的接觸力,可以分解為周向的導轉力和槍管軸向的擠進阻力,前者使得彈頭產生高速自轉,以保證彈頭出膛后的飛行穩定性[1-2]。彈頭的表面形貌直接由線膛結構參數(如陰、陽線寬度,陽線高度,膛線纏度等)所決定。隨著內膛的磨損加重,陽線高度、寬度等會隨之降低,這會使得彈頭上的刻槽高度等隨之降低。此外,內膛表面還分布著裂紋,燒蝕坑和剝落的鍍鉻層等損傷,在彈頭高速運動過程中會劃傷彈頭表面,破壞彈頭的表面完整性,進而影響其氣動參數和外彈道性能[3]。因此,不同壽命階段槍管內膛損傷的差異是導致彈頭內/外彈道性能產生變化的主要原因。要深入探究槍管內膛損傷導致槍管壽終的內在機理,首先要對不同壽命階段槍管的內膛損傷對彈頭內/外彈道過程的影響規律進行研究,在此之前必須要獲得內膛軸向不同位置處的主要損傷形式和分布規律,以及損傷隨射彈量增加的演化規律,槍管綜合壽命試驗是獲得損傷分布及演化規律的最直接有效的方法。

對于身管類武器的內膛損傷和彈/槍相互作用過程,目前的研究大多對內膛損傷形式做出了較大的簡化,并不能反映身管真實的內膛損傷形式(如裂紋、燒蝕坑、鉻層剝落及磨損等)。例如田桂軍[4]基于試驗獲得了火炮不同壽命階段內膛的燒蝕磨損情況,以內膛磨損最大處(磨損特征點)的磨損量代替整個內膛的磨損量,建立了理論模型,研究了由于內膛磨損而引起的火炮身管壽命的變化情況。丁傳俊[5-6]建立了磨損內膛的彈炮耦合模型,采用參數化方法對含磨損的身管內膛進行了建模,分析了火炮內彈道膛壓和彈丸初速隨內膛損傷的退化過程。張喜發、盧興華[7]對身管內膛燒蝕磨損條件下的內彈道性能變化規律進行了研究,對彈道諸元進行了求解,并對內膛磨損槍管發射彈丸的初速進行了修正。Montgomery[8-9]運用銷-盤摩擦試驗機研究了身管與彈帶間的摩擦狀態,認為彈帶對于身管的高速摩擦作用會使彈帶受熱熔化去除,彈帶的熔化會形成流體動壓潤滑,使得彈帶與身管間的摩擦系數降低。Sopok等[10]通過對各種鍍層身管的實彈射擊、模擬試驗后的燒蝕磨損測定,提出了熱-化學-機械燒蝕磨損模型,隨后該模型被用于發展各個特定火炮的燒蝕磨損模型及燒蝕磨損的預測工作。Wu等[11]基于有限元方法模擬了鍍層與基體界面間的應力分布,發現基體裂紋附近是界面正應力和切應力最高的位置,也是最容易發生界面分離的位置。Lawton[12]建立了身管燒蝕磨損率與初始溫度、瞬時最高溫度和發射藥燒蝕性的關系式,為身管的磨損量預測提供了依據。

為了更深入地研究槍管內膛損傷導致槍管壽終的機理,同時考慮大口徑機槍的槍管壽命問題尤為嚴峻這一現實情況[13-15],本文以某12.7 mm大口徑機槍為研究對象,對若干支相同材料、結構和加工工藝的12.7 mm機槍槍管按照GJB3484—98《槍械性能試驗方法》[16]的相關規定進行綜合壽命試驗,對各支槍管在壽終前各壽命階段的初速、精度、內膛直徑和內膛表面形貌等進行測量或內窺,獲得槍管內膛損傷在不同射彈量時的主要形式及分布規律,為損傷槍管內/外彈道過程理論模型的建立提供前提條件及驗證標準。

1 槍管綜合壽命試驗

1.1 槍管壽終判據

依據GJB3484—98相關指標要求,某大口徑機槍槍管綜合壽命試驗中出現下列3項之一即判定槍管壽終:

1) 彈頭膛口初速下降率超過15%。

2) 任意一組20發射彈中,100 m靶處橢圓彈孔(彈孔長軸與短軸比大于1.25)數超過射彈數的50%。

3) 100 m靶處連續3靶各20發射彈的散布密集度平均值R50≥30 cm。

以上3項指標分別對彈頭的初速、姿態和密集度提出了要求,可以較好地反映槍械的性能,當任一指標不能滿足時,表明槍械的性能已經出現了明顯的下降,需要更換槍管或整支槍械。

1.2 槍管綜合壽命試驗測試項目

1) 初速測試。在槍管壽命試驗的不同階段測量彈頭出膛初速,初速下降率超過15%則判定槍管壽終。

2) 精度測試。在槍管壽命試驗的不同階段,測量100 m靶處20發射彈的散布圓半徑、直徑以及橢圓彈孔率以判斷槍管是否壽終。

3) 槍管內膛尺寸檢測。在槍管壽命試驗的不同階段測試槍管內膛尺寸沿槍管軸向的分布情況,得到不同階段槍管內膛磨損狀態。

4) 槍管內膛形貌內窺檢測。在槍管壽命試驗的不同階段使用內窺裝置對槍管內膛表面形貌進行內窺,保留內窺視頻,以得到槍管內膛裂紋、燒蝕坑、鉻層剝落等損傷的分布情況。

1.3 槍管綜合壽命試驗方案

為保證試驗條件和環境的一致性,試驗過程對多支(3支以上)檢測合格的具有相同材料、相同結構及相同加工工藝的某12.7 mm口徑機槍槍管進行了綜合壽命試驗,并在綜合壽命試驗過程中的不同階段測量或觀察各支槍管的初速、精度、內膛尺寸及表面形貌狀態等,部分試驗用槍如圖1所示。在綜合壽命的任一階段,若初速、精度或橢圓彈孔率達到槍管壽終判據中的相應指標值,則該槍管壽終,中止該槍管的壽命試驗。

圖1 部分試驗用槍Fig.1 Partial machine guns for experiment

依據GJB3484—98中關于大口徑機槍槍管綜合壽命試驗的規定,該12.7 mm大口徑機槍綜合壽命試驗包含2個循環(2個循環射彈量相等),每個循環又各有3個階段,分別為常溫試驗(20±5 ℃)階段、高溫試驗(50±2 ℃)階段及低溫試驗(-49±2 ℃)階段。射彈量按照4 000發設計,其中第1循環內常溫、高溫、低溫壽命試驗用彈量分別占壽命試驗用彈總數的20%、15%、15%,第2個循環內常溫、高溫、低溫壽命試驗用彈量分別占壽命試驗用彈總數的25%、15%、10%,2個循環內各3個階段的射彈量情況如表1所示。若4 000發彈藥射擊結束后槍管沒有壽終,則重復上述2個循環,直到槍管壽終,槍管壽終前的每一階段結束后,均要對彈頭初速、射擊精度、槍管內膛尺寸等進行測量,并對內膛表面形貌進行內窺,記錄測量數據及保存內窺視頻。

表1 試驗射彈量Table 1 Amount of experimental projectiles

依據GJB3484—98規定,在以上綜合壽命的6個階段試驗中,均用固定槍架夾持槍械(圖2),所采取的射擊規范為:每一個冷卻周期射彈量為120發,每個冷卻周期2個供彈具,每個供彈具含60發彈,每個供彈具的60發彈按3∶7的比例分為短點射(5～8發)及長點射(20～30發),兩次點射之間間隔2～3 s。每個冷卻周期內槍管冷卻方案如下:若在常溫或高溫試驗階段,則先射擊60發彈并空冷3 min,再射擊60發彈后先空冷3 min,然后水冷至室溫;若在低溫試驗階段,則先射擊60發彈并空冷3 min,再射擊60發彈并直接空冷至室溫。

圖2 固定槍架夾持槍械圖Fig.2 Photo of gun fixed on the rack

2 槍管內膛尺寸測量及內膛表面形貌內窺

2.1 內膛損傷的主要形式

按照上述試驗方案進行某12.7 mm大口徑機槍槍管的綜合壽命試驗后發現,試驗時采用的多根相同材料、結構及加工工藝的槍管壽終時所經歷的射彈數都在6 000發左右,且由槍管綜合壽命試驗結果可以發現,內膛的主要損傷形式可以總結為以下2類:

1) 第1類損傷:內膛表層金屬材料的磨損導致的內膛截面陰、陽線半徑整體的擴大。

2) 第2類損傷:由于內膛所受機械壓力作用、火藥燒蝕作用及熱應力作用等不均勻導致的局部裂紋、燒蝕坑及鍍鉻層的剝落等。

試驗結果與文獻[9]中對身管內膛破壞特點的描述相同。要獲得不同壽命階段的槍管不同軸向截面位置上的內膛尺寸(對應于第1類損傷)及表面形貌(對應于第2類損傷)隨射彈量增加的變化情況,進而獲得槍管內膛損傷程度隨累積射彈量及槍管軸向截面位置的變化規律,必須要分別對槍管壽終前各階段的內膛尺寸和內膛表面形貌進行測量和內窺。其中,第1類損傷形式的磨損量可以通過使用塞規伸入槍管內測量槍管軸向各位置處的直徑的方式得到;第2類內膛損傷形式及其分布規律的獲得一般采用對槍管進行內窺觀察的方法。

2.2 槍管內膛尺寸測量試驗系統及原理

內膛尺寸測量的目的是獲得綜合壽命試驗中處于不同階段的槍管內膛軸向各處的直徑,從而確定第1類損傷(磨損)值的大小。試驗采用的直徑測量設備為一組長度相同、直徑遞變的塞規(圖3),由于槍管口部及尾部的磨損量均大于槍管中部,故需分別將不同直徑的塞規從槍管口部及尾部伸入槍管,測量其進入槍管的深度,塞規頭部終止位置截面內徑即為該塞規直徑。在陽線完全磨光前試驗所采用的塞規所測量的直徑為陽線直徑,此時陰線的磨損量較小,陰線的第1類損傷可以忽略;在陽線完全磨光后即可用塞規測量得到陰線的磨損量。以塞規從口部伸入為例,如圖4所示,依此方法,采用不同直徑的塞規,即可測得槍管不同軸向截面位置槍管直徑。所測得直徑與原直徑之差的一半即為槍管該截面的磨損量。

圖3 直徑遞變的塞規Fig.3 Insert gauges of different diameters

圖4 槍管內膛直徑測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of bore diameter measurement

在試驗過程中,為了便于記錄,當塞規未完全進入槍管時,記錄露出槍管的塞規長度,記為負值;當塞規完全進入槍管時,用一根槍管通條將塞規輕推入槍管內部至不能移動為止,并記錄通條進入槍管內部的長度,記為正值;若塞規完全通過槍管,記為“通”;若塞規完全不能進入槍管,則記為“止”。塞規從槍管口部伸入記為S1,從槍管尾部伸入記為S2。以塞規從口部伸入為例,測量內膛各截面直徑的過程示意圖如圖5所示。

圖5 試驗記錄方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of recording methods

2.3 槍管內膛表面形貌內窺系統

槍管綜合壽命試驗中,各壽命階段槍管內膛表面形貌的數據采集過程如下,即將內窺探頭由槍管尾部伸入槍管,并緩慢向槍管口部移動,內窺設備自動保存整個過程的內窺視頻,內窺過程中會在若干關鍵位置(尤其是損傷最嚴重的線膛起始段)記錄探頭伸入線膛的長度,并對該處的內膛形貌重點進行觀察,槍管內膛各處的表面形貌數據直接保存于內窺視頻及內窺過程所記錄的探頭伸入線膛的長度數據中。

3 多根槍管內膛損傷的一致性研究

3.1 槍管內膛尺寸

以壽命試驗中的某3支槍管為例,其在壽命中期(第2循環常溫階段后,對應射彈量為3 000發)時內膛軸向直徑沿軸向的分布情況如圖6所示。可以看出這3根槍管相同軸向位置處的截面直徑值十分相近,同一位置處最大直徑差僅為0.01 mm。根據前文所述,身管內膛直徑變化對應于內膛損傷的第1類損傷形式,可見對于該12.7 mm大口徑機槍,多根槍管的內膛的第1類損傷值隨射彈量增加的變化規律是一致的。

圖6 3 000發射彈后槍管內徑軸向分布試驗曲線Fig.6 Experiment curve of bore diameters along axial direction after 3 000 rounds of shoots

3.2 槍管內膛表面形貌

以壽命試驗中處于壽命中期(第2循環常溫階段后,對應射彈量為3 000發)的3支槍管為例,其內膛損傷最嚴重的線膛起始段表面形貌內窺圖如圖7所示。

圖7 3 000發射彈后槍管線膛起始區域內膛表面形貌Fig.7 Surface morphology at the beginning of rifle after 3 000 rounds of shoots

由圖7可以發現,3支相同的該12.7 mm機槍槍管在相同射彈量時,內膛相同位置處的表面形貌狀態是非常相近的,即多支槍管軸向各位置處的損傷的分布規律及第2類損傷隨射彈量增加的演化規律是一致的。

綜上所述,由槍管綜合壽命試驗的內膛尺寸測量結果及內膛表面形貌內窺結果可以發現,對于該12.7 mm重機槍槍管,在槍管材料、結構及加工工藝相同時,槍管內膛的第1類損傷和第2類損傷的分布規律及損傷隨射彈量增加的演化規律表現出了較強的一致性,這為本文基于槍管綜合壽命試驗研究槍管內膛損傷隨射彈量增加的分布及演化規律提供了依據。

4 內膛損傷的分布及演化規律

由于射彈量相差不多時槍管內膛的第1類損傷及第2類損傷也增加的不明顯,區分度不高,因此選取射彈量分別為0發(壽命試驗前)、1 400發(第1循環高溫后)、3 000發(第2循環常溫后)及約6 000發(第3循環低溫后,壽終)的槍管作為研究對象以研究2類內膛損傷形式的分布規律及其隨射彈量增加的演化規律。槍管經歷上述4個射彈數后分別處于無損傷階段、壽命中前期階段、壽命中期階段和壽終階段,并將處于這4個壽命階段的槍管按射彈數從低到高分別編號為1號槍管、2號槍管、3號槍管及4號槍管,以便于敘述。其中對第1類損傷,槍管內膛直徑取綜合壽命試驗中3支槍管內膛直徑的平均值;對第2類損傷則選取試驗中一支有代表性的槍管為例分析其內膛表面形貌在軸向各處的分布及演化規律,其余各支槍管的損傷分布及演化規律與之相同。

4.1 第1類損傷形式隨射彈量增加的分布及演化規律

槍管綜合壽命試驗中,3支槍管處于上述4個壽命階段時的陽線直徑測量值的平均值沿槍管軸向的分布如圖8所示。

圖8 4個壽命階段槍管內膛直徑軸向分布圖Fig.8 Bore dimeters of 4 barrels along the axis

從圖8可以看出,槍管陽線的初始直徑為12.66 mm,隨射彈量的增加,軸向各處的磨損量也隨之增加。此外,可以發現槍管在不同壽命階段的陽線直徑的變化規律是相似的:可以將槍管沿軸向劃分為4個區域,Ⅰ區域為從陽線起點向槍口方向約12倍口徑長度上,該區域內槍管內膛磨損最大值出現在膛線起始段,向槍口方向磨損量迅速下降至各自的穩定值后,磨損量在Ⅱ區域前由一小段保持不變的平臺區,平臺區長度隨著射彈數的增加而逐漸縮小,槍管壽終時平臺區長度為20 mm;Ⅱ區域為Ⅰ區末端到槍管中部位置,該區域內槍管內膛磨損量沿軸向向槍口方向呈非線性快速增加;Ⅲ區域為槍管中部到槍口后約2倍口徑距離處,該區域的內膛磨損量沿槍管軸向呈線性變化;Ⅳ區域為槍口后約2倍口徑長度內,該區域內槍管內膛磨損量沿軸向突然增大,呈現類似“喇叭口”的形狀。本文將Ⅰ、Ⅱ區域稱為主要磨損區,Ⅲ區域稱為均勻磨損區,Ⅳ區域稱為槍口磨損區。

4.2 第2類損傷形式隨射彈量增加的分布及演化規律

由5.1節可知,槍管內膛沿軸向可分為4個損傷區域,各區域之間第1類損傷情況表現出較大差異。因此,對于第2類內膛損傷形式,內窺過程中有針對性地分別對這4個區域及區域交界處的內膛表面形貌進行了內窺。

該12.7 mm機槍槍管線膛截面如圖9所示(從槍管尾部向口部看),膛線由8條陰線和8條陽線組成,陰、陽線直徑分別為RG和RL。因為膛線是右旋膛線,從圖示角度看,陽線的左側為導轉側(使彈頭產生旋轉運動的施力側),本文所列出的所有槍管內膛內窺圖的觀察角度均為從槍管尾部看向槍管口部,即內窺照片中陽線左側也對應著膛線的導轉側。

圖9 線膛截面圖(從槍管尾部向口部看)Fig.9 Cross section of the rifle (from the breech)

綜合壽命試驗中槍管在上述4個壽命階段進行內窺得到的Ⅰ區損傷最嚴重的線膛起始段內膛表面形貌情況如圖10所示,Ⅰ區域末端及Ⅰ、Ⅱ區域交界處的內膛表面形貌狀態如圖11所示。

從圖10可以看出,在損傷最為嚴重的線膛起始區域,內膛第2類損傷的主要形式是由裂紋延伸及擴展形成的鉻層剝落和高溫高壓的火藥燃氣快速沖刷燒蝕造成的燒蝕坑。由圖10 (b)可以發現,在壽命試驗的中前期槍管線膛起點處就已存在明顯的鉻層的剝落和燒蝕坑現象。結合圖10(b)—圖10 (d)可以得到內膛第2類損傷在線膛起始段的分布規律:隨射彈數的增加,槍管內膛陽線的損傷首先出現在線膛起點處,并隨著射彈量的增加沿陽線向槍口及槍尾方向延伸,陽線導轉側的損傷較非導轉側更為嚴重,這是因為陽線起始段和導轉側受力條件更為苛刻;陰線的損傷同樣首先出現在線膛點,并隨著射彈數的增加軸向主要向槍管口部延伸,周向向兩側延伸并最終與陽線的損傷相連,這是因為陰線的損傷主要是火藥氣體的沖刷而造成的燒蝕坑,彈頭擠進完成前,彈頭外部材料與陰線貼合緊密,火藥氣體對線膛起點之前的坡膛部位陰線的沖刷作用較小,因而此區域陰線的損傷也較小。此外,由圖11可以發現,在槍管壽命的末期,膛線陰、陽線上的第2類損傷已經延伸到了Ⅰ區域末端并與Ⅱ區域的第2類損傷相連。

圖10 各壽命階段槍管Ⅰ區域起始段表面形貌內窺圖Fig.10 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 1

圖11 各壽命階段槍管Ⅰ、Ⅱ區域交界處表面形貌內窺圖Fig.11 Endoscopic figures of bore damage between Area 1 and Area 2

該12.7 mm機槍槍管Ⅱ區域在4個壽命階段時內膛表面形貌情況如圖12所示。由圖12可以看出,Ⅱ區域的內膛損傷在槍管壽命中前期主要表現為純磨損。隨著射彈量增加,槍管陽線導轉側由于鉻層局部剝落會產生坑狀缺陷,該坑狀缺陷沿膛線向槍管前后方向均有擴展,在槍管壽命后期,該區域內的陰線表面會出現少量火藥氣體燒蝕坑。這是因為在槍管壽命中后期,Ⅰ區域的內膛損傷已較為嚴重,彈頭在槍管內的軸向運動得不到較好的約束,使得彈頭在垂直槍管軸線平面內的擾動量增大,增大了彈頭對槍管Ⅱ區域的作用力;該區域同時也是槍管軸向溫度場的最高溫度區域[15],存在較大的熱應力,鉻層相對容易剝落;并且由于彈頭運動到該區域時的膛內壓力仍較大,彈頭的軸向加速度、轉動角加速度均較大,陽線導轉側受力也較大,從而導致鉻層的剝落主要在膛線導轉側。槍管壽命后期陰線燒蝕坑的形成是由于該區域內膛損傷量在后期顯著增加,彈頭-槍管間隙擴大,火藥燃氣及未完全燃燒的火藥固體顆粒泄漏量增大,陰線在其沖刷下形成燒蝕坑。

圖12 各壽命階段槍管內膛Ⅱ區域表面形貌內窺圖Fig.12 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 2

圖13是該槍管4壽命階段Ⅲ區域的表面形貌內窺圖,這一區域承受膛壓較低,彈頭軸向加速度、轉動角加速度較低,彈頭運動較平穩,內膛以均勻磨損損傷為主(第1類損傷),無燒蝕坑及鉻層剝落等第2類損傷。Ⅳ區域“喇叭口”段也是均勻磨損段,如圖14所示,槍管口部直徑由于只比Ⅲ區域末端擴大了0.01 mm,內窺圖中憑肉眼不能明顯看出與Ⅲ區域的分界,但在圖8中可明顯看出口部呈現“喇叭”狀。

圖14 各壽命階段槍管內膛Ⅳ區域表面形貌內窺圖Fig.14 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 4

5 結論

為了更深入地研究槍管內膛損傷隨射彈量增加的演化規律,本文對若干支相同材料、結構和加工工藝的某12.7 mm大口徑機槍槍管按照GJB3484—98的相關規定進行了綜合壽命試驗,對各支槍管在壽終前各壽命階段的初速、精度、內膛直徑和內膛表面形貌等進行了測量或內窺,通過對槍管綜合壽命試驗的結果進行深入分析,可以得出以下結論:

1) 槍管內膛損傷形式可以分為2類,分別為第1類損傷:由內膛表層金屬材料的磨損導致的內膛截面陰、陽線半徑的擴大;第2類損傷:由于所受機械壓力作用、火藥燒蝕作用及熱應力作用等不均勻導致的局部裂紋、燒蝕坑及鍍鉻層的剝落等。

2) 第1類損傷按損傷規律的不同沿槍管軸向可以分為4個區域,各區域軸向長短不一,且第1類損傷在這4個區域之間表現出較大的差異性。對于第2類損傷形式,槍管尾部比槍管口部嚴重、陽線比陰線嚴重、陽線導轉側比非導轉側嚴重。

3) 通過對內膛損傷數據進行分析,獲得了該12.7 mm機槍槍管內膛損傷沿軸向的分布規律及其隨射彈數增加的演化規律,為建立準確的損傷槍管彈/槍相互作用模型提供了依據。