枪炮发射过程中压力测试系统的设计

张凯奇，周春桂，王志军，尹建平，吴国东，孙艳馥

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【系统工程、测量与控制】

枪炮发射过程中压力测试系统的设计

张凯奇，周春桂，王志军，尹建平，吴国东，孙艳馥

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

为了对枪炮进行发射过程中压力测试，本着简单方便，易操作的设计原则，设计了一个铜柱测压器。以雷明顿870散弹枪为例，利用铜柱测压器与枪管进行螺纹连接测量枪内燃气压力。利用UG软件对散弹枪结构以及铜柱测压器进行三维实体建模。然后给定一个压力，利用ANSYS软件对铜柱进行变形分析，并通过铜柱的变形量查表得出膛内的燃气压力。研究成果可供迅速测量枪炮发射过程中任意位置的膛内压力，简单方便，成本低。

散弹枪；铜柱测压器；三维实体建模；变形分析

根据测试原理的不同，枪炮发射过程中压力测试方法主要分为两大类：一类是以铜柱测压为代表的塑性测压法。自19世纪60年代诺贝尔首次使用铜柱测压法测得膛内火药燃气最大压力后，一百多年来，古老的铜柱测压法在“实用弹道学”领域内一直是膛压测量的主要技术手段。其测量原理是通过对其因膛内高压气体而产生变形的铜柱高度进行测量，然后查表换算得到膛内的压力。一类是以压电测压为代表的弹性测压法，它的典型代表是压电测压法。根据实现方式的不同，压电测压法又分为存储式和引线式。其中存储式电子测压器的外形和方式与铜柱测压法相似，但其核心是测压传感和存储电路[1-2]。可是由于造价过高，且测试装置体积过大，使用场合受到一定限制。引线式测压法具有测量精度高，反应速度快，能自动、连续的进行测量，能远距离传输以及易于和许多后续数据处理仪器和计算机连用等优点。其测量原理是火药燃气通过测压孔作用在压力传感器上使其输出相应的电信号，通过电信号调理电路进行调理后送至计算机进行测量、分析。

铜柱测压法虽然古老，但其优点简便可靠，能反映膛内压力的稳定性并能迅速得出膛压的结果。它非常适合工厂产品校验和选装药量，至今被国家采用验收产品。李静研究了对放入式测压器分级判据及测量不确定度[3]；吴晋军，张新庆，蒋燕等研究了铜柱测压在高能气体压裂技术中的应用[4]；邓欣伟研究了内弹道的膛压检测方法[5]；尤文斌，马铁华，丁永红，张晋业等研究了电子测压器与铜柱测压器在膛压测试中结果差异分析[6]；吴安森研究了关于铜柱测压法的新探索[7]。以上这些学者主要是对铜柱测压法进行了研究，但对于铜柱测压法只能测量膛内压力峰值，测量不灵活的缺点研究很少。

为了减少成本，使测量简单灵活，克服铜柱测压器只能测量膛内压力峰值的缺点，根据铜柱测压法原理设计出铜柱测压器，并且通过一个螺母把铜柱测压器与枪管相连接，从而测出枪发射程中膛内的压力。再利用ANSYS软件[8]对铜柱进行变形分析，根据铜柱的变形量通过查表得出理论膛压，并与指标膛压比较，验证所设计的铜柱测压器。该设计同样适用于火炮，本文仅以雷明顿870散弹枪为例。

1 铜柱测压器

1.1 结构设计

由于本次设计是以测量雷明顿870散弹枪发射过程中的压力为例，所以根据雷明顿870散弹枪膛内燃气压力变化的情况及铜柱塑性变形要求的情况初步选定铜柱直径为3 mm，铜柱长度5 mm。为了配合铜柱的大小选用了国标M10这款螺栓，再根据螺栓设计出铜柱测压器的本体，本体外径为16 mm，本体内径为12 mm，本体长为17 mm；根据本体的内径以及螺纹可确定螺母长7 mm，螺纹大径12.5 mm，螺纹小径12 mm。根据本体的内径与螺母的内径可确定活塞顶部直径8 mm，活塞顶部长度2 mm，活塞撞杆直径8 mm，活塞撞杆长度8 mm。根据铜柱的直径与本体的内径可确定橡胶圈外径为12 mm，橡胶圈内径3 mm，橡胶圈外圈厚度2 mm，橡胶圈内圈厚度1 mm。铜柱测压器的零件如图1所示。

图1 铜柱测压器各零件图

本次设计的铜柱测压器是通过螺栓与本体连接后，将橡胶圈装进本体内，按照橡胶圈的位置安装好铜柱，接着弹簧安装在活塞上一起放进本体，紧挨铜柱的底面，最后用螺母按螺纹连接的方式跟本体连接起来。这样铜柱测压器的装配便已完成，装配图如图2所示。

图2 铜柱测压器装配图

综上所述:铜柱测压器各零件的尺寸汇总成表如表1所示。

表1 铜柱测压器各零件尺寸 mm

1.2 工作原理

该装置在受到膛内高压气体作用时，活塞撞杆由于受到瞬间的超高压力气体的推动作用，相对本体进行轴向运动，进而对铜柱造成压力，同时铜柱也受到橡胶圈的压力进而造成纵向的变形。测试完成后，取出铜柱测量其纵向变形量，根据变形量对照该铜柱的压力表即可得出测量的压力值。

1.3 特点

该装置的特点主要是可以用螺纹跟枪管或炮管连接从而测量出枪炮的膛内压力，同时也可以测量枪炮发射工程中各个时间段的膛内压力，降低了测量成本，增加了测量的灵活性。

1.4 与枪管的连接

该装置可测量多种武器膛内压力，这里仅以雷明顿870散弹枪为例，对雷明顿870散弹枪的枪管进行改造，在要测量的位置上开出一个螺纹孔，使铜柱测压器和枪管进行连接，铜柱测压器与枪管连接方式如图3所示。

2 测压系统的三维实体建模以及铜柱的变形分析

2.1 实体建模

UG是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。UG实体建模，通过拉伸、旋转、扫描等建模方法，并辅之以布尔运算，使用户既可以进行参数化建模，又可以方便地使用非参数方法生成三维模型。另外还可以对部分参数化或非参数化模型再进行二次编辑，以方便生成复杂机械零件的实体模型。本文分别对铜柱测压器各个零件以及改造过的枪管进行了实体建模，如图4所示。随后将铜柱测压器进行装配如图5所示。再将枪管与铜柱测压器连接起来，如图6所示。

图3 铜柱测压器与枪管的连接方式

图4 枪管以及铜柱测压器各零件实体建模

图5 铜柱测压器实体建模装配图

2.2 变形分析

根据指标膛压，对铜柱施加一个固定的载荷，然后运用ANSYS软件对铜柱变形进行分析，得到铜柱X以及Y方向变形图,X方向变形图如图7所示，Y方向变形图如图8所示。根据X以及Y方向的变形量通过查表和计算即可得出所测得压力。

图6 枪管与铜柱测压器连接方式的实体建模

图7 X方向位移

图8 Y方向位移

3 结论

1) 铜柱测压器较好地解决了传统铜柱测压法测量压力不够灵活，只能测试压力峰值的缺点。

2) 铜柱测压器在与发射结构连接中，使用螺纹连接，增强了测压腔内的密闭性，保证了测压器使用的可靠性。

3) 铜柱测压器结构简单，安装方便，成本低廉，可重复使用。对枪炮发射过程中膛压的测试有一定的参考价值。

[1] 何强，马铁华，张瑜，等.存储式电子测压器应用环境下动态校准[J].中国测试，2009，35(1):43-45.

[2] 席海军,韩华,张瑜,马英卓.基于单片机的微型存储式电子测压器设计[J].电子测试，2012(10):56-60.

[3] 李静.放入式测压器分级判据及测量不确定度研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[4] 吴晋军，张新庆，蒋燕.铜柱测压在高能气体压裂技术中的应用[J].石油钻采工艺，1999(1):59-63,107.

[5] 邓欣伟.内弹道的膛压检测方法研究[J].沈阳理工大学学报，2008(3):9-11.

[6] 尤文斌，马铁华，丁永红，等.电子测压器与铜柱测压器在膛压测试中结果差异分析[J].爆炸与冲击，2017，37(3):571-576.

[7] 吴安森.关于铜柱测压法的新探索[J].测试技术学报，1996(2)：191-194.

[8] 郝艳娥，兰永强.基于ANSYS软件的结构非线性有限元分析及应用实例[J].电子测试，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

国家自然科学基金资助(11572291)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助(20160033，20170028)

张凯奇(1991—)，男，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.036

本文引用格式：张凯奇，周春桂，王志军，等.枪炮发射过程中压力测试系统的设计[J].兵器装备工程学报，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

(责任编辑唐定国)