铜柱测压器分级鉴选装置研究

潘孝斌,谈乐斌,孔德仁

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

铜柱测压器分级鉴选装置研究

潘孝斌,谈乐斌,孔德仁

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

为了对1 cm2旋入式铜柱测压器进行分级鉴选,设计一种专用测压试验装置,通过膛内扩容减压的方法,提供满足试验要求的压力源。通过内弹道过程分析,结合腔室流量方程,建立了该测压装置内弹道数学模型。通过仿真,分析了火药燃气在膛内与集气室间的正向流动和回流过程,以及各腔室压力变化过程,分析了高压集气室初始容积、导气孔位置对腔内最大压力的影响。在已知参数条件下,高压集气室内最大压力可调节至约39.0 MPa,与试验结果对比,最大偏差为4.9%,满足旋入式测压器分级鉴选试验要求。

兵器科学与技术;测压器;鉴选;内弹道

0 引言

铜柱测压法是常规兵器膛压测试体系中的重要测试手段,在膛压作用下,铜柱产生永久塑性变形,根据变形量度量火药燃气压力大小。旋入式测压器主要用于口径较小的枪、炮火药燃气压力测量。测压器的鉴选是从测压精度和量值传递的角度上提出的,是十分重要的工程问题。为确保工程压力的测量精度及满足量值溯源的要求,测压器分为4级,即标准级、副标准级、检验级和工作级,这4级测压器从计量上用于量值传递和校准[1]。目前,我国现行的测压器材没有相关法规约束,鉴选设备老化或报废,测压元件无法向国家压力基准溯源。因此,提高铜柱测压法的测压精度,研究建立我国测压器和铜柱的鉴选方法和标准,对形成完善的塑性测压量值传递和溯源体系有着意要的意义。

显然,在工程上如何实现各级测压器的鉴选十分重要,在分级鉴选时需要提供一个稳定、可靠的压力源用于鉴选试验。常用的标准级、副标准级、检验级旋入式测压器的活塞杆面积为1 cm2,检测压力范围≤50 MPa.根据文献[2]要求,检测压力点分别为390kgf/cm2(约 38.22 MPa)和 90 kgf/cm2(约8.82 MPa),允许偏差±10%.因此,需要研制一套能模拟火药燃气压力环境、压力变化特征的高压及低压的模拟试验装置,提供符合旋入式测压器分级鉴选试验要求的压力检测点的压力源,并且能同时安装多个旋入式测压器,以便测压器的分级鉴选或各级别测压器的检校。

1 试验方案

为了能较好地模拟小口径枪、炮及枪榴弹的压力环境,满足旋入式测压器分级鉴选试验要求,并考虑到易于操作、试验成本低,以弹道枪作为压力产生源是最为直接、可靠的方法。由于56式7.62 mm弹道枪膛压较高,约290 MPa,与旋入式测压器的压力检测点差别较大,可通过弹后空间扩容减压的方法,将部分火药燃气通过导气孔引入集气室进行减压,通过控制集气室内初始容积大小以及导气孔开启位置,可获得试验要求范围内的压力源。

在集气室设计时,主要考虑以下因素:1)导气孔通道尽量短,减少管道效应的影响;2)集气室内腔直径和高度在尺寸上应差别不大,不应该是细长型或扁平型的内腔,影响压力传播;3)要能够在一个平面内周向均布安装3～4个测压器,且便于加工安装;4)满足强度要求。设计的鉴选装置结构如图1所示,称之为旋入式测压器分级鉴选装置。该装置由56式7.62 mm弹道枪、旋入式测压器、集气室、调节螺塞和密封垫等构成。

图1 分级鉴选装置结构Fig.1 Schematic diagram of identification device

导气孔通过螺纹连接高、低压集气室,分别用于两个不同的压力检测点,每个集气室上可同时安装4个旋入式测压器。集气室装配结构如图2所示,集气室及其内腔空间大小可通过内弹道仿真及旋入式测压器安装要求初步确定,然后通过改变调节螺塞内孔深度h对集气室内初始容积进行微调。

图2 集气室结构Fig.2 Sketch of chamber

为了保证高、低压集气室上安装的测压器获得相同压力源,设计时将4个测压器安装孔沿圆周方向上均匀分布,并且各安装孔轴线在同一平面上,调节螺塞的轴线与集气室轴线同轴,在机械加工上都能够保证足够精度要求。

2 鉴选装置内弹道建模

2.1 内弹道过程分析

该装置采用的是56式7.62 mm弹道枪,发射的是7.62 mm标准弹,该分析过程应属于内弹道正面计算。常规内弹道计算方法已比较成熟,但在弹道枪上开启导气孔后,由于弹后空间突然增加,改变了原内弹道过程。在身管上开启导气孔,并利用膛内压力进行工作的类似结构在部分枪械设计中也有所应用[3-6],关于导气室及膛内压力变化过程的相关计算方法的研究文献较少,大部分是采用经验公式进行分析。

由于旋入式测压器通过集气室本体安装在弹道枪上,火药气体在燃烧过程中除了弹丸向前运动增加的弹后空间外,还突然增加了集气室内的容积,而且容积的增加是发生在火药燃烧期间,火药燃烧速度与膛内压力直接相关,弹后空间容积的改变也影响了火药燃烧过程,这都与常规内弹道过程有所区别。

根据位置的不同,可分为高压集气室和低压集气室,都可以简化考虑成是一固定容积的腔室,容积大小根据设计需要有所不同。为描述方便,将高压集气室称为集气室A,低压集气室成为集气室B,对应的导气孔称为导气孔A和导气孔B.击发后,火药燃气推动弹丸向前运动,在弹丸越过导气孔A前边缘线之前,与常规内弹道一致。当弹丸越过导气孔A前边缘线后,膛内部分火药燃气流入集气室A.在火药燃气流入集气室A过程中,其内压力变化根据流量大小逐渐上升。随着弹丸向前运动,弹后空间继续增加,若膛内压力小于集气室A内压力,则有部分火药燃气流回至膛内。同理,集气室B内燃气流动与集气室A相似,存在燃气流入和流出情况。

2.2 内弹道数学模型

专用测压装置内弹道过程的假设条件与常规内弹道相似,主要不同在于内弹道能量方程中考虑了燃气流动情况及流量方程。通过以上分析,可推导得内弹道过程中各方程[7]:

1)火药燃烧速度方程

式中:S为枪膛截面积(m2);pd为枪管膛内压力(Pa);l为弹丸运动位移(m);lψ为药室容积等效行程(m);f为火药力(J/kg);ω为装药量(kg);θ为比热比;φ为次要功系数;m为弹丸质量(kg);v为弹丸速度(m/s);V0为药室初始容积(m3);γ为火药密度(kg/m3);α为火药气体余容(m3/kg);Qmi、V0i分别为集气室流量和初始容积,计算集气室A时下标i为“1”,计算集气室B时下标i为“2”,下同。(6)式和(7)式中:μb为通道流量系数;pi为集气室压力(Pa);Ai为导气孔有效面积(m2);ρi为集气室内气体密度(kg/m3);b为临界压力比。

7)导气孔流通面积计算

式中:li为导气孔至坡膛距离(m);Ri为导气孔半径(m)。

(1)式～(8)式即构成旋入式测压器专用测压装置内弹道过程数学模型。根据上述数学模型,本文在Matlab/Simulink下建立仿真模型,采用定步长4阶Runge-Kutta法进行求解,以时间为自变量,步长设定为1 μs,当弹丸运动至枪口后仿真结束。

3 仿真与试验

3.1 仿真结果分析

专用测压装置内弹道主要计算参数如表 1所示。

表1 内弹道仿真初始计算参数Tab.1 Initial parameters of interior ballis tic model

通过仿真,专用测压装置膛内和集气室压力变化如图3所示,膛内最大压力约为216 MPa,较原弹道枪约290 MPa有大幅下降。当弹丸通过导气孔A后,集气室A内压力迅速上升至约39.0 MPa,随着弹丸向前运动,压力逐渐下降。当弹丸越过导气孔B后,集气室B压力上升,但上升速度较集气室A明显缓慢。

图3 膛内和集气室压力变化Fig.3 Pressure characteristics of bore and chambers

集气室A和B的流量变化如图4所示,当弹丸越过导气孔A后,进入集气室A流量迅速上升,随着上、下游压力趋于平衡,流量逐渐下降。当集气室A流量开始为负时,即表示火药燃气从集气室A中回流到膛内,该时刻对应图3中应为集气室A压力与膛内压力平衡时刻。当弹丸越过导气孔B后,进入集气室B流量上升,由于压差较小,最大流量低于集气室A.

图4 集气室流量变化Fig.4 Flow characteristics of the chambers

3.2 结构参数对集气室压力影响

由于集气室B内压力计算方法与集气室A类似,并且流动过程是单向的,无回流现象,限于篇幅,本文主要针对集气室A结构参数对弹道的影响进行讨论。影响集气室A压力的主要结构参数包括导气孔直径、开启位置及集气室的内腔容积。导气通道应尽可能大、短,减少管道效应影响,结合以往测试经验,本文认为导气孔直径为5 mm是合适。

图5为不同导气孔A的位置与集气室A内最大压力的关系。根据该专用测压装置的目的,是为分级鉴选旋入式测压器提供合适的压力源,高压检测点为38.22 MPa,允许偏差±10%.根据图5仿真结果,在不同初始容积下,导气孔A位置也应开启在不同位置处,这两个参数应相互匹配。考虑到加工对弹道枪内膛的破坏、加工毛刺修整、测压器的安装和操作方便性等因素,本文选择导气孔A开启位置距膛线起始5～6 mm处,对应集气室A初始容积为13×10-6m3,能够提供满足试验要求的压力源。

图5 集气室A位置与最大压力关系Fig.5 The relationship of maximum pressure and position of Chamber A

3.3 仿真与试验对比

根据以上分析结果,在56式7.62 mm弹道枪基础上研制了该专用测压装置,并进行了实弹射击试验,装置试验照片如图6所示,集气室结构如图7所示。

图6 鉴选装置试验Fig.6 Experiment on identification device

由于实验室测压器数量有限,没有同时进行高、低压试验,暂用专用堵头将集气室B上各安装孔堵上,该堵头与测压器口部形状完全一致。正式试验前先用3发普通弹进行预热,同时用硅胶涂绕各螺纹连接口进行密封性判断,正式试验采用20℃保温超过1 h的标准弹,每发在取出后半分钟内射击, 5发为1组有效数据。

图7 集气室结构Fig.7 Chamber structure

试验结果如表2所示,试验压力值均在旋入式测压器压力检测点允许偏差范围内,与集气室A内最大压力仿真结果39.0 MPa相比,最大偏差为4.9%,表明建立的内弹道数学模型是正确、可信的,研制的铜柱测压器分级鉴选装置能够满足鉴选试验要求。

4 结论

1)为了对1 cm2旋入式测压器进行分级鉴选,在56式7.62 mm弹道枪基础上提出并设计了一种专用测压试验装置,能同时对8个旋入式测压器进行分级鉴选,能够提供满足试验要求的压力源。

2)通过对其内弹道过程分析,考虑膛内与集气室之间的变质量热力学过程,建立了包含内弹道与集气室耦合的数学模型,反映出火药燃气在膛内与集气室间的正向流动和回流情况,分析了集气室容积与其压力影响关系,为旋入式测压器分级鉴选试验提供理论依据。

3)仿真分析与试验结果表明,高压集气室初始容积取约为13×10-6m3,导气孔开启位置在距膛线起始5～6 mm处是合适的,并以试验验证了该模型的正确性,最大偏差为4.9%,满足旋入式测压器分级鉴选试验要求。

表2 集气室A测压器试验情况Tab.2 The experiment results of gauges on Chamber A MPa

References)

[1] 孔德仁,狄长安,范启胜.塑性测压技术[M].北京:兵器工业出版社,2006.

KONG De-ren,DI Chang-an,FAN Qi-sheng.Plastic pressure measuring technology[M].Beijing:Publishing House of Ordnance Industry,2006.(in Chinese)

[2] 中国人民解放军总装备部.GJB3196.27A—2005枪弹试验方法:膛压测试铜柱法[S].北京:中国人民解放军总装备部, 2005.

Chinese PLA General Armament Department.GJB 3196.27A—2005 test methods of cartridge:chamber pressure measurementcopper cylinder method[S].Beijing:Chinese PLA General Armament Department,2005.(in Chinese)

[3] 刘智纲,姚养无.气室冲量模拟器建模与仿真研究[J].火炮发射与控制学报,2009(1):59-62.

LIU Zhi-gang,YAO Yang-wu.Study on modelling and simulation of gas chamber impulse simulator[J].Journal of Gun Launch& Control,2009(1):59-62.(in Chinese)

[4] 赵静,姚养无.大口径机枪内弹道及导气室压力的计算[J].科技情报开发与经济,2006,16(24):198-199.

ZHAO Jing,YAO Yang-wu.Calculation of the pressure of the internal trajectory and the gas-operated chamber of the heavy caliber machine gun[J].Sci-Tech Information Development&Economy, 2006,16(24):198-199.(in Chinese)

[5] 吴海静.某转管机枪导气装置的动力学分析[J].兵工自动化,2009,28(8):4-7.

WU Hai-jing.Analysis on dynamics of a gatling gun's airway equipment[J].Ordnance Industry Automation,2009,28(8):4-7.(in Chinese)

[6] 易声耀,尚建忠.步枪系统发射过程的动力学建模[J].弹道学报,2008,20(1):85-90.

YI Sheng-yao,SHANG Jian-zhong.Modelling on rifle system dynamics during shooting process[J].Journal of Ballistics,2008, 20(1):85-90.(in Chinese)

[7] 钱林方,侯保林.火炮弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

QIAN Lin-fang,HOU Bao-lin.Gun ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2009.(in Chinese)

[8] 冉景禄,徐诚,赵彦峻.导气式自动武器变质量热力学计算模型研究[J].兵工学报,2011,32(4):408-413.

RAN Jing-lu,XU Cheng,ZHAO Yan-jun.Gas-operated automatic weapon variable-mass thermodynamics calculation model[J]. Acta Armamentarii,2011,32(4):408-413.(in Chinese)

Research on the Identification Device of Copper Crusher Gauge

PAN Xiao-bin,TAN Le-bin,KONG De-ren
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to distinguish 1 cm2copper crusher gauge,a special experimental device which can supply required pressure source by volume expansion is proposed and designed.An interior ballistic model of the device is set up and simulated based on the interior ballistic analysis and the flow equation of the working chambers.The pressure and flow characteristics of propellant gas between bore and chamber are obtained.And the influences of initial volume and position of the high pressure chamber on its maximum pressure are studied.The maximum pressure of the high pressure chamber can be adjusted to about 39.0 MPa under the condition of the known parameters.Compared with the experimental results,the maximum deviation is 4.9%.The device can meet the requirement of identifying copper crusher gauge.

ordnance science and technology;copper crusher gauge;identification;interior ballistics

TJ012.1;TJ06

:A

:1000-1093(2014)08-1313-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.027

2013-08-06

潘孝斌(1979—),男,讲师,博士。E-mail:dollor_pan@163.com