大口径机枪枪管内膛损伤的试验研究_沈超.pdf

书书书第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 08 02;修回日期:2022 09 22基金项目:国家自然科学基金项目(11802138)作者简介:沈超(1992)，男，博士，高级工程师，E-mail:shenchao njust edu cn。通信作者:周克栋(1964)，男，博士，教授，博士生导师，E-mail:zkd81151126 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304001大口径机枪枪管内膛损伤的试验研究沈超1，周克栋2，陆野2，李峻松3(1 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082;2 南京理工大学 机械工程学院，南京210094;3 中国兵器工业第 208 研究所，北京102202)摘要:针对大口径机枪枪管寿命显著低于国外同类型枪械的问题，开展了枪管综合寿命试验。以某 12 7 mm 大口径机枪枪管为研究对象，对各支枪管在寿终前各寿命阶段的初速、精度、内膛直径和内膛表面形貌等进行了测量或内窥。通过对枪管综合寿命试验的结果进行深入分析，获得了大口径机枪枪管内膛损伤的主要形式，验证了各支枪管在相同制造工艺下寿命极限和内膛损伤形式的一致性。可以得出以下结论:枪管内膛损伤形式分为均匀磨损和局部损伤 2 类;按损伤规律的不同沿枪管轴向可以分为 4 个区域，各区域轴向长短不一，内膛损伤在这 4 个区域之间表现出较大的差异性。研究结果可以为建立准确的损伤枪管弹/枪相互作用模型提供依据。关键词:内膛损伤;大口径机枪;枪管寿命;内/外弹道;弹枪耦合;试验研究本文引用格式:沈超，周克栋，陆野，等 大口径机枪枪管内膛损伤的试验研究J 兵器装备工程学报，2023，44(4):1 8Citation format:SHEN Chao，ZHOU Kedong，LU Ye，et al Experimental research on bore damage of large caliber machinegun barrels J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):1 8中图分类号:TJ201文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0001 08Experimental research on bore damage of largecaliber machine gun barrelsSHEN Chao1，ZHOU Kedong2，LU Ye2，LI Junsong3(1 China Ship Scientific esearch Center，Wuxi 214082，China;2 School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;3 No 208 esearch Institute of China Ordnance Industries，Beijing 102202，China)Abstract:Aiming at the problem that the barrel life of a large caliber machine gun is significantly lowerthan that of the same type of a foreign gun，this paper carries out a comprehensive life test of barrelsTaking the barrels of 12 7 mm large caliber machine guns as the research objects，this paper measures orviews muzzle velocity，accuracy，bore diameter and bore surface morphology of each barrel at each lifeperiod before the end of life Through an in-depth analysis of the results of the comprehensive life test ofthe barrels，main damage forms of the barrel bore of the large caliber machine guns are acquired，and theconsistency of the life limit and damage forms of the barrel bore under the same manufacturing process isverified The following conclusions can be acquired:even wear and local damage are the main forms ofbore damage;according to different damage laws，a barrel can be divided into four areas axially The axiallength of each area is different，and the damage in the bore shows great difference among these four areasThe experiment results can provide a basis for the establishment of an accurate model of damaged barrel/gun interactionKey words:bore damage;large caliber machine gun;barrel life;interior/exterior ballistics;bullet-barrelcoupling;experiment research0引言枪弹发射时为减少火药气体的泄露，膛线与弹头壳之间呈紧密接触状态，并且阳线会在弹头上形成若干道刻槽。刻槽与阳线之间的接触力，可以分解为周向的导转力和枪管轴向的挤进阻力，前者使得弹头产生高速自转，以保证弹头出膛后的飞行稳定性1 2。弹头的表面形貌直接由线膛结构参数(如阴、阳线宽度，阳线高度，膛线缠度等)所决定。随着内膛的磨损加重，阳线高度、宽度等会随之降低，这会使得弹头上的刻槽高度等随之降低。此外，内膛表面还分布着裂纹，烧蚀坑和剥落的镀铬层等损伤，在弹头高速运动过程中会划伤弹头表面，破坏弹头的表面完整性，进而影响其气动参数和外弹道性能3。因此，不同寿命阶段枪管内膛损伤的差异是导致弹头内/外弹道性能产生变化的主要原因。要深入探究枪管内膛损伤导致枪管寿终的内在机理，首先要对不同寿命阶段枪管的内膛损伤对弹头内/外弹道过程的影响规律进行研究，在此之前必须要获得内膛轴向不同位置处的主要损伤形式和分布规律，以及损伤随射弹量增加的演化规律，枪管综合寿命试验是获得损伤分布及演化规律的最直接有效的方法。对于身管类武器的内膛损伤和弹/枪相互作用过程，目前的研究大多对内膛损伤形式做出了较大的简化，并不能反映身管真实的内膛损伤形式(如裂纹、烧蚀坑、铬层剥落及磨损等)。例如田桂军4 基于试验获得了火炮不同寿命阶段内膛的烧蚀磨损情况，以内膛磨损最大处(磨损特征点)的磨损量代替整个内膛的磨损量，建立了理论模型，研究了由于内膛磨损而引起的火炮身管寿命的变化情况。丁传俊5 6 建立了磨损内膛的弹炮耦合模型，采用参数化方法对含磨损的身管内膛进行了建模，分析了火炮内弹道膛压和弹丸初速随内膛损伤的退化过程。张喜发、卢兴华7 对身管内膛烧蚀磨损条件下的内弹道性能变化规律进行了研究，对弹道诸元进行了求解，并对内膛磨损枪管发射弹丸的初速进行了修正。Montgomery8 9 运用销 盘摩擦试验机研究了身管与弹带间的摩擦状态，认为弹带对于身管的高速摩擦作用会使弹带受热熔化去除，弹带的熔化会形成流体动压润滑，使得弹带与身管间的摩擦系数降低。Sopok 等10 通过对各种镀层身管的实弹射击、模拟试验后的烧蚀磨损测定，提出了热 化学 机械烧蚀磨损模型，随后该模型被用于发展各个特定火炮的烧蚀磨损模型及烧蚀磨损的预测工作。Wu 等11 基于有限元方法模拟了镀层与基体界面间的应力分布，发现基体裂纹附近是界面正应力和切应力最高的位置，也是最容易发生界面分离的位置。Lawton12 建立了身管烧蚀磨损率与初始温度、瞬时最高温度和发射药烧蚀性的关系式，为身管的磨损量预测提供了依据。为了更深入地研究枪管内膛损伤导致枪管寿终的机理，同时考虑大口径机枪的枪管寿命问题尤为严峻这一现实情况13 15，本文以某 12 7 mm 大口径机枪为研究对象，对若干支相同材料、结构和加工工艺的 12 7 mm 机枪枪管按照GJB348498 枪械性能试验方法16 的相关规定进行综合寿命试验，对各支枪管在寿终前各寿命阶段的初速、精度、内膛直径和内膛表面形貌等进行测量或内窥，获得枪管内膛损伤在不同射弹量时的主要形式及分布规律，为损伤枪管内/外弹道过程理论模型的建立提供前提条件及验证标准。1枪管综合寿命试验1 1枪管寿终判据依据 GJB348498 相关指标要求，某大口径机枪枪管综合寿命试验中出现下列 3 项之一即判定枪管寿终:1)弹头膛口初速下降率超过 15%。2)任意一组 20 发射弹中，100 m 靶处椭圆弹孔(弹孔长轴与短轴比大于 1 25)数超过射弹数的 50%。3)100 m 靶处连续 3 靶各 20 发射弹的散布密集度平均值 5030 cm。以上 3 项指标分别对弹头的初速、姿态和密集度提出了要求，可以较好地反映枪械的性能，当任一指标不能满足时，表明枪械的性能已经出现了明显的下降，需要更换枪管或整支枪械。1 2枪管综合寿命试验测试项目1)初速测试。在枪管寿命试验的不同阶段测量弹头出膛初速，初速下降率超过 15%则判定枪管寿终。2)精度测试。在枪管寿命试验的不同阶段，测量 100 m靶处 20 发射弹的散布圆半径、直径以及椭圆弹孔率以判断枪管是否寿终。3)枪管内膛尺寸检测。在枪管寿命试验的不同阶段测试枪管内膛尺寸沿枪管轴向的分布情况，得到不同阶段枪管内膛磨损状态。4)枪管内膛形貌内窥检测。在枪管寿命试验的不同阶段使用内窥装置对枪管内膛表面形貌进行内窥，保留内窥视频，以得到枪管内膛裂纹、烧蚀坑、铬层剥落等损伤的分布情况。1 3枪管综合寿命试验方案为保证试验条件和环境的一致性，试验过程对多支(3支以上)检测合格的具有相同材料、相同结构及相同加工工2兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/艺的某 12 7 mm 口径机枪枪管进行了综合寿命试验，并在综合寿命试验过程中的不同阶段测量或观察各支枪管的初速、精度、内膛尺寸及表面形貌状态等，部分试验用枪如图 1 所示。在综合寿命的任一阶段，若初速、精度或椭圆弹孔率达到枪管寿终判据中的相应指标值，则该枪管寿终，中止该枪管的寿命试验。图 1部分试验用枪Fig 1 Partial machine guns for experiment依据 GJB348498 中关于大口径机枪枪管综合寿命试验的规定，该 12 7 mm 大口径机枪综合寿命试验包含 2 个循环(2 个循环射弹量相等)，每个循环又各有 3 个阶段，分别为常温试验(20 5)阶段、高温试验(50 2)阶段及低温试验(49 2)阶段。射弹量按照 4 000 发设计，其中第 1 循环内常温、高温、低温寿命试验用弹量分别占寿命试验用弹总数的 20%、15%、15%，第 2 个循环内常温、高温、低温寿命试验用弹量分别占寿命试验用弹总数的 25%、15%、10%，2 个循环内各 3