尾翼稳定弹近弹故障分析

2023-01-16李贵虎徐家刚渠志刚

测试技术学报 2023年1期

李贵虎, 徐家刚, 周伟, 刘洋, 渠志刚

(1.山西北方机械制造有限责任公司, 山西太原 030051;2.中国北方工业有限公司, 北京 100053;3.北京某军事代表局, 北京 100042)

0 引言

某滑膛坦克炮配置炮射导弹、穿甲弹、破甲弹和杀伤爆破弹等多种炮弹[1], 具有威力大、精度高的优点, 但其重量大、后坐阻力大, 为实现轻量化以满足适配轻型装甲底盘承载的需要, 首次通过加装炮口制退器来实现减轻火炮质量[2]、降低后坐阻力的总体要求。炮口制退器效率[3]是火炮设计的主要技术参数, 是衡量减少后坐部分动能的量, 一般采用阻力功法[4]来测定, 测试时需选配专用减装药[5], 而在选配装药试验时会出现减装杀伤爆破弹近弹[6]现象, 导致试验中断。

本文以某滑膛坦克炮发射减装杀伤爆破弹近弹为背景, 建立了近弹故障树[7], 并对故障树进行了定性分析, 然后按照故障树对故障模式进行了逐一的排查, 对排查过程中尚不能确定的可能引起近弹故障的膛压不足的故障模式进行了分析与模拟验证, 并通过仿真分析优选了解决方案,经试验验证, 该解决措施有效。

1 故障情况

某滑膛坦克炮进行选配专用减装药(炮口制退器效率测试用)时, 发射3发杀伤爆破弹减装药弹, 出现2 发近弹(计算射程6 km), 其中,第2发、第3发分别位于射向试验过程中为近弹,出膛后听见异常旋转啸叫声并分别向弹道线右侧、左侧各飞行2 km 左右落地, 落地距弹道线约1 km, 其中仅第3发回收, 经查,4片仅1片尾翼张开(见图1、图2及表1), 试验中断。

图1 杀伤爆破弹(发射前)Fig.1 Killer explosion bomb (before launch)

图2 杀伤爆破弹(回收后)Fig.2 Killer explosion bomb (after recycling)

表1 射击试验情况Tab.1 Shooting test condition

2 发射机理分析

2.1 发射机理

滑膛炮只能发射尾翼弹,尾翼弹有前张式、后张式、次口径、鸭舵式等众多种类[8], 而某滑膛坦克炮配用的杀伤爆破弹为尾翼稳定的定装式弹药[9-10], 为方便存储与装填, 采用弹丸和药筒分装式结构。弹丸(见图3)主要由引信、弹体、稳定装置等组成。药筒(见图4)主要由底座、底火、发射装药、可燃药筒、密封盖等组成。发射装药主要由粒状药和管状药构成, 发射装药采用管、粒混合装药, 其中管状药是主装药。

图3 弹丸组成Fig.3 Pill composition

图4 药筒组成Fig.4 Cartridge composition

稳定装置由尾翼、销、转轴、基座和卡座组成, 基座与弹体连接于一体,4片尾翼通过转轴安装于基座上, 转轴远离尾翼重心, 尾翼前端通过销固定, 后端由可燃烧的卡座固定。

火炮发射时, 底火引燃发射药, 在膛内建立高压, 推动弹丸向膛口运动直到获得初速飞离炮口, 在发射过程中, 卡座在膛内燃尽, 同时受燃气压力作用尾翼剪断销, 尾翼在惯性力作用下尾翼片由前向后转动张开到位并与弹轴垂直, 在气动力作用下产生稳定力矩实现对弹丸的稳定作用。

2.2 尾翼稳定作用的条件

稳定装置的销直径为∅3.80-0.11mm, 材质为7A04, 热处理状态为T6, 对应抗拉强度Rm≤490 MPa。依据第三强度理论, 剪切破坏时, 销能承受的剪切应力为

式中:F翼为翼片受到的惯性力;F销为销受到的剪切力;L为销受到的剪切力力臂长;L为翼片受到的惯性力力臂长。

图5 尾翼受力情况Fig.5 Empennage stress condition

同时, 翼片的F翼由火炮发射时膛压作用下的惯性力产生。

3 故障树分析

3.1 建立故障树

根据文献[11], 尾翼稳定装置不仅对弹丸射程有影响, 还对弹丸精度和可靠性有着巨大影响。某滑膛炮采用的尾翼稳定装置是火药气体直接作用的尾翼, 其结构比较简单, 易满足强度校核的要求, 但如果有炮口装置时, 还需要解决尾翼张开可靠性与尾翼破损炮口制退器之间的矛盾。而根据文献[12], 发射尾翼弹的火炮在炮口制退器设计上, 中央弹孔须保持对尾翼的约束和喷火孔设计应保证尾翼压力分布较均匀, 才可避免翼片与炮口制退器中央弹孔碰撞。基于某滑膛坦克炮是首次配置炮口制退器并进行减装药弹发射试验,以及回收弹不完全打开的故障现象, 建立了近弹故障树, 见图6。

图6 近弹故障树Fig.6 Failure tree of short round

近弹故障树中以近弹故障为顶事件, 弹与炮口制退器不匹配、尾翼打开不正常作为中间事件,若这2个中间事件任一事件发生, 则顶事件就会发生, 故障事件编码见表2。

表2 故障事件代码Tab.2 Fault event code

3.2 故障树的定性分析

故障树定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的全部可能原因及其组合, 识别导致顶事件发生的故障模式, 分析系统潜在的故障, 定性地认识系统的薄弱环节, 同时也为故障树定量分析打下基础, 以便改进设计[7]。在故障树中, 凡是能导致顶事件发生的底事件的集合称之为一个割集,最小割集是那些属于去掉其中任何一个底事件就不再成为割集的底事件集合, 仅当最小割集所包含的底事件同时存在时, 顶事件才发生[13]。求解最小割集最常用的方法主要有上行法和下行法,文中用上行法求故障树的最小割集[14], 求解过程如下

故近弹的最小割集为{x1},{x2},{x3},…,{x10}。

通过以上分析, 机械击发故障树的10个最小割集, 代表了系统发生故障的10种模式, 由于最小割集均为一个基本事件组成的一阶割集, 因此,每一基本事件的发生都会导致顶事件的发生。

3.3 故障的初步排查情况

故障排查见表3。

表3 故障排查情况表Tab.3 Form of troubleshooting condition

备注:

1) 对X5的分析过程中, 依据文献[2], 对中央弹孔尺寸d0进行了复核

式中:λ为炮口制退器膨胀行程;dH为火炮口径;l0为炮口制退器气流膨胀行程;β为中央弹孔中心线与炮膛轴线装配后的夹角;δ为弹丸出膛时的章动角。

经复核,d0=128.5 mm, 满足相关规定。

2) 在X8的排查过程中对装药量的确定进行了分析, 根据专用减装药选配方法[5], 根据炮口效率设计值和杀伤爆破弹初速确定了专用减装药初速V0专=680 m/s, 并按单一装药考虑计算得出了专用减装药总装药量, 按发射装药配比对管状药和粒状药进行了分配, 射击试验过程中, 依据首发初速调整了药量, 计算分析过程中未对膛压以及尾翼剪切条件予以考虑, 这是出现近弹的根本原因。

4 内弹道计算

混合装药是2种或以上不同种类火炮混合作为发射装药, 通过调整各组分火药比值以及总装药量, 可以有效控制内弹道性能[15]。依据文献[16]提供的方法, 应用Matlab软件对已试验弹的膛压与初速进行了混合装药内弹道仿真, 发射装药参数见表4, 分析结果汇见表5。仿真表明,初速与测试值接近, 第1发仿真膛压大于剪切压力, 炮弹飞行正常, 第2、3发仿真膛压低于销剪切压力, 表明尾翼不会正常打开近而出现近弹。膛压和初速仿真情况见图7～图12。

图7 第1发v-l曲线Fig.7 The v-l curve of first firing shell

图8 第2发v-l曲线Fig.8 The v-l curve of second firing shell

图9 第3发v-l曲线Fig.9 The v-l curve of third firing shell

图10 第1发P-t曲线Fig.10 The P-t curve of first firing shell

图11 第2发P-t曲线Fig.11 The P-t curve of second firing shell

图12 第3发P-t曲线Fig.12 The P-t curve of third firing shell

表4 装药情况Tab.4 Powder charge condition

表5 试验仿真结果Tab.5 Results of test simulation

因此, 应用Matlab软件对混合装药的初速、膛压进行模拟仿真的结果是可信的, 可以指导内弹道装药设计。

为确保任务完成, 以减装药初速[675,685](单位为m/s)和膛压不小于[260,265](单位为MPa)为内弹道装药调整为目标, 应用Matlab软件, 对混合装药的配比进行了3种技术方案的仿真分析, 最终确定了专用减装药的配比, 详见表6和图13～图14, 其中, 图13中显示方案3在2.95 m/s时膛压达到最大为263.6 MPa, 图14中显示方案3初速为680.6 m/s, 表明方案3同时满足了初速与膛压2个要求。