某型药筒底火穿孔故障分析

陈永刚,程广伟,张国平

(西北机电工程研究所,陕西咸阳 712099)

某型药筒底火穿孔故障分析

陈永刚,程广伟,张国平

(西北机电工程研究所,陕西咸阳 712099)

在某自行高炮试验过程中,药筒在强度射击试验时出现底火穿孔现象。针对该现象,对该型药筒底火在射击过程中的受力进行了分析,给出了火帽所受剪应力公式及影响火帽剪应力的关键因素;在对比了类似自动机的闭锁机构和击针直径后,经过火帽剪应力计算,找到了底火穿孔的原因。在不改变现有底火火帽厚度的前提下,对闩体、击针等进行了改进设计,经试验验证使底火穿孔问题得以解决。该文解决底火穿孔的思路、方法对解决类似问题有启迪作用,对自动机击发机构具有一定借鉴作用。

机械设计;药筒;底火穿孔;击针;击针孔;火帽

某型自动机进行了全装药常温弹、低温弹和高温弹等多种试验科目的检验,累计射弹数千发,都未发现底火穿孔现象,而该自动机在进行强装药弹射击试验时,发现抛出的药筒均出现底火穿孔现象,如图1所示。伴随该现象的出现,紧接着出现了击针头部烧蚀、击针长度减短现象,直接影响研制进程,必须及时分析解决。

1 原因分析

1.1 受力分析

依据闭锁机构工作原理,炮闩闭锁后,击针撞击火帽[1-2],使火帽发生塑性变形,挤压点火药发火,同时火帽厚度会变薄,火炮击发过程中,闩体镜面始终是抵着药筒底缘后端面,击针击发底火后也一直抵在底火铜质火帽上,如图2所示,膛内火药气体通过传火孔作用于底火内侧,火帽承受挤压应力,而在闩座带动击针后坐到开锁前自由行程时如图3所示,火帽先向闩体击针孔内凸出,发生拉伸变形,厚度变薄,击针回收后火帽在火药气体作用下承受剪切应力。实际上闩体击针孔边缘尖锐程度对火帽剪切应力有一定影响,为简化分析,不考虑其影响。

如图4所示,pq为闩座带动击针后坐时火帽内侧火药气体压力,t为火帽厚度(不考虑击发时火帽塑性变形所引起的火帽厚度变化),D为闩体击针孔直径,则火帽所受剪应力为:

从上式可以看出火帽所受剪应力大小与闩体击针孔直径D、闩座带动击针后坐时火帽内侧火药气体压力pq成正比,与火帽厚度t成反比。

1.2 结构参数对比分析

由于某自动机工作原理与35KDC型自动机原理相同,且两型自动机的闩体闭锁机构相似,弹药型号一致,底火为制式底火,未发现35KDC型自动机在使用过程中出现底火穿孔现象,因此,首先将某自动机与35KDC型自动机对比分析,发现主要区别是闩体击针孔直径[3]不同,某型自动机为 Φ 3.85 mm,而35KDC型自动机为 Φ 2.87 mm 。

1.3 剪切应力分析计算

为进一步确认故障造成的原因,考虑到35KDC自动机的成熟性,对某自动机和35KDC自动机的击针孔面积、开闩时被击发火帽承受压力、击针孔周长、火帽剪切应力等进行了对比计算,计算结果见表1。

该自动机与35KDC自动机闭锁机构、内弹道和开锁时机基本一致,因此假定某型自动机闩座带动击针后坐时火帽内侧火药气体压力pq1与35KDC自动机闩座带动击针后坐时火帽内侧火药气体压力pq2相同,则某型自动机与35KDC自动机开锁时火帽剪切应力之比为:

表1 该自动机与35KDC型自动机击针相关参数对比Tab.1 Comparison of firing pin relative parameters in the automatic cannon and type 35KDCautomatic cannon

从上表对比计算表明:该自动机在同样条件下底火剪切应力比35KDC自动机增加33%,因此,上述两型自动机击针结构尺寸的不同,是造成药筒底火穿孔的原因,药筒底火穿孔后高温、高压火药燃气冲刷、烧蚀击针,导致击针长度减短。

经过对某自动机强装药弹内弹道分析计算,在弹丸运动3.65 ms后闩座带动击针后坐,对应该时刻膛底压力pt=95.85 MPa,假定火帽内侧火药气体压力等于膛底压力,即pq1=pt=95.85 MPa,已知火帽厚度 t=0.8 mm,材质为 H62黄铜[4],σb=294 MPa取[5-6][τ]=σb=98 MPa,则由式(3)得:

τ＞[τ],某自动机闩座带动击针后坐时火帽的剪切应力超过材料许用应力,火帽有可能被火药气体压力击穿。

由式(4)得:

τ＜[τ],35KDC自动机闩座带动击针后坐时火帽的剪切应力小于材料许用应力,火帽不被火药气体击穿。

2 采取的措施和试验验证

2.1 制定的措施

根据上述故障原因分析,制定了减小击针孔直径措施并进行了射击试验验证。具体情况如下:

参照 35KDC自动机,将闩体击针孔直径由Φ 3.85 mm改为 Φ 2.87 mm,同时击针头直径也相应由 Φ 3.4 mm改为 Φ 2.6 mm,同时闩体击针孔边缘倒R0.2 mm圆角。

2.2 试验验证结果

经射击12个单发,2组5连发,共计22发强装药弹未出现底火穿孔现象,初步验证结果表明底火穿孔问题的原因定位准确,措施有效。后经强装药炮弹800余发强度试验和寿命试验考核,再未出现底火穿孔现象,底火穿孔问题得到彻底解决。

3 结 论

某型自动机在强装药弹强度射击试验时出现了药筒底火击穿现象,引起击针头部烧蚀,击针寿命降低。通过与某(同类)型号自动机击针结构的类比分析、底火受力和剪切应力计算,采取了减小击针孔直径等项措施,经试验验证表明,再未出现底火击穿现象,改进措施有效。该文解决底火穿孔问题的思路和方法对解决类似问题有启迪作用,对自动机击发机构设计具有一定借鉴作用。

References)

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CHENG Da-xian.The machine designs handbook(No.1 volume)[M].Beijing:Chemical Industry Press,2002:3-196.(in Chinese)

[5]成大先.机械设计手册(第3卷)[M].北京:化学工业出版社,2002:11-15.

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ZHANG Ying-hui,LIU Hui-hang,WANG De-cheng.Spring handbook[M].Beijing:China Machine Press,2002:210.(in Chinese)

Analysis on Perforated Primer Failure in A Type of Cartridge

CHEN Yong-gang,CHENG Guang-wei,ZHANG Guo-ping

(Northwest Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China)

In the experiment process of a type of SPAAG,the cartridge primer was perforated during the course of intensive ammunition firing.Aimed at this phenomenon,the force diagram of cartridge primer in the firing process was analyzed,the formula of shear stress of fire cap suffered from the firing was given,and the key factors influencing on the shear stress were also analyzed.In contrast with a similar locking mechanism and firing pin,the different shear stresses of fire cap were calculated,and the cause of the primer perforation was found with the aid of the calculation results.Under the premise of without changing the thickness of the existing primer cap,the firing pin and the breechblock body were modified and designed.By use of test and verification study,the problem of primer perforation was solved.The solution of perforated primer can provide revealing effect for solving similar problems and give some references for the firing mechanism design of automatic cannon.

mechanical design;cartridge;primer perforation;firing pin;firing pin hole;primer cap

TJ35

A

1673-6524(2010)04-0103-03

2010-03-08;

2010-05-07

陈永刚(1976-),男,高级工程师,主要从事自动机总体技术研究。E-mail:chenyonggang1976@126.com