大口径机枪枪管内膛损伤的试验研究

沈 超,周克栋,陆 野,李峻松

(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)

0 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。Montgomery[8-9]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。Lawton[12]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GJB3484—98《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GJB3484—98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R50≥30 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GJB3484—98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个阶段的射弹量情况如表1所示。若4 000发弹药射击结束后枪管没有寿终,则重复上述2个循环,直到枪管寿终,枪管寿终前的每一阶段结束后,均要对弹头初速、射击精度、枪管内膛尺寸等进行测量,并对内膛表面形貌进行内窥,记录测量数据及保存内窥视频。

表1 试验射弹量Table 1 Amount of experimental projectiles

依据GJB3484—98规定,在以上综合寿命的6个阶段试验中,均用固定枪架夹持枪械(图2),所采取的射击规范为:每一个冷却周期射弹量为120发,每个冷却周期2个供弹具,每个供弹具含60发弹,每个供弹具的60发弹按3∶7的比例分为短点射(5～8发)及长点射(20～30发),两次点射之间间隔2～3 s。每个冷却周期内枪管冷却方案如下:若在常温或高温试验阶段,则先射击60发弹并空冷3 min,再射击60发弹后先空冷3 min,然后水冷至室温;若在低温试验阶段,则先射击60发弹并空冷3 min,再射击60发弹并直接空冷至室温。

图2 固定枪架夹持枪械图Fig.2 Photo of gun fixed on the rack

2 枪管内膛尺寸测量及内膛表面形貌内窥

2.1 内膛损伤的主要形式

按照上述试验方案进行某12.7 mm大口径机枪枪管的综合寿命试验后发现,试验时采用的多根相同材料、结构及加工工艺的枪管寿终时所经历的射弹数都在6 000发左右,且由枪管综合寿命试验结果可以发现,内膛的主要损伤形式可以总结为以下2类:

1) 第1类损伤:内膛表层金属材料的磨损导致的内膛截面阴、阳线半径整体的扩大。

2) 第2类损伤:由于内膛所受机械压力作用、火药烧蚀作用及热应力作用等不均匀导致的局部裂纹、烧蚀坑及镀铬层的剥落等。

试验结果与文献[9]中对身管内膛破坏特点的描述相同。要获得不同寿命阶段的枪管不同轴向截面位置上的内膛尺寸(对应于第1类损伤)及表面形貌(对应于第2类损伤)随射弹量增加的变化情况,进而获得枪管内膛损伤程度随累积射弹量及枪管轴向截面位置的变化规律,必须要分别对枪管寿终前各阶段的内膛尺寸和内膛表面形貌进行测量和内窥。其中,第1类损伤形式的磨损量可以通过使用塞规伸入枪管内测量枪管轴向各位置处的直径的方式得到;第2类内膛损伤形式及其分布规律的获得一般采用对枪管进行内窥观察的方法。

2.2 枪管内膛尺寸测量试验系统及原理

内膛尺寸测量的目的是获得综合寿命试验中处于不同阶段的枪管内膛轴向各处的直径,从而确定第1类损伤(磨损)值的大小。试验采用的直径测量设备为一组长度相同、直径递变的塞规(图3),由于枪管口部及尾部的磨损量均大于枪管中部,故需分别将不同直径的塞规从枪管口部及尾部伸入枪管,测量其进入枪管的深度,塞规头部终止位置截面内径即为该塞规直径。在阳线完全磨光前试验所采用的塞规所测量的直径为阳线直径,此时阴线的磨损量较小,阴线的第1类损伤可以忽略;在阳线完全磨光后即可用塞规测量得到阴线的磨损量。以塞规从口部伸入为例,如图4所示,依此方法,采用不同直径的塞规,即可测得枪管不同轴向截面位置枪管直径。所测得直径与原直径之差的一半即为枪管该截面的磨损量。

图3 直径递变的塞规Fig.3 Insert gauges of different diameters

图4 枪管内膛直径测量示意图Fig.4 Schematic diagram of bore diameter measurement

在试验过程中,为了便于记录,当塞规未完全进入枪管时,记录露出枪管的塞规长度,记为负值;当塞规完全进入枪管时,用一根枪管通条将塞规轻推入枪管内部至不能移动为止,并记录通条进入枪管内部的长度,记为正值;若塞规完全通过枪管,记为“通”;若塞规完全不能进入枪管,则记为“止”。塞规从枪管口部伸入记为S1,从枪管尾部伸入记为S2。以塞规从口部伸入为例,测量内膛各截面直径的过程示意图如图5所示。

图5 试验记录方法示意图Fig.5 Schematic diagram of recording methods

2.3 枪管内膛表面形貌内窥系统

枪管综合寿命试验中,各寿命阶段枪管内膛表面形貌的数据采集过程如下,即将内窥探头由枪管尾部伸入枪管,并缓慢向枪管口部移动,内窥设备自动保存整个过程的内窥视频,内窥过程中会在若干关键位置(尤其是损伤最严重的线膛起始段)记录探头伸入线膛的长度,并对该处的内膛形貌重点进行观察,枪管内膛各处的表面形貌数据直接保存于内窥视频及内窥过程所记录的探头伸入线膛的长度数据中。

3 多根枪管内膛损伤的一致性研究

3.1 枪管内膛尺寸

以寿命试验中的某3支枪管为例,其在寿命中期(第2循环常温阶段后,对应射弹量为3 000发)时内膛轴向直径沿轴向的分布情况如图6所示。可以看出这3根枪管相同轴向位置处的截面直径值十分相近,同一位置处最大直径差仅为0.01 mm。根据前文所述,身管内膛直径变化对应于内膛损伤的第1类损伤形式,可见对于该12.7 mm大口径机枪,多根枪管的内膛的第1类损伤值随射弹量增加的变化规律是一致的。

图6 3 000发射弹后枪管内径轴向分布试验曲线Fig.6 Experiment curve of bore diameters along axial direction after 3 000 rounds of shoots

3.2 枪管内膛表面形貌

以寿命试验中处于寿命中期(第2循环常温阶段后,对应射弹量为3 000发)的3支枪管为例,其内膛损伤最严重的线膛起始段表面形貌内窥图如图7所示。

图7 3 000发射弹后枪管线膛起始区域内膛表面形貌Fig.7 Surface morphology at the beginning of rifle after 3 000 rounds of shoots

由图7可以发现,3支相同的该12.7 mm机枪枪管在相同射弹量时,内膛相同位置处的表面形貌状态是非常相近的,即多支枪管轴向各位置处的损伤的分布规律及第2类损伤随射弹量增加的演化规律是一致的。

综上所述,由枪管综合寿命试验的内膛尺寸测量结果及内膛表面形貌内窥结果可以发现,对于该12.7 mm重机枪枪管,在枪管材料、结构及加工工艺相同时,枪管内膛的第1类损伤和第2类损伤的分布规律及损伤随射弹量增加的演化规律表现出了较强的一致性,这为本文基于枪管综合寿命试验研究枪管内膛损伤随射弹量增加的分布及演化规律提供了依据。

4 内膛损伤的分布及演化规律

由于射弹量相差不多时枪管内膛的第1类损伤及第2类损伤也增加的不明显,区分度不高,因此选取射弹量分别为0发(寿命试验前)、1 400发(第1循环高温后)、3 000发(第2循环常温后)及约6 000发(第3循环低温后,寿终)的枪管作为研究对象以研究2类内膛损伤形式的分布规律及其随射弹量增加的演化规律。枪管经历上述4个射弹数后分别处于无损伤阶段、寿命中前期阶段、寿命中期阶段和寿终阶段,并将处于这4个寿命阶段的枪管按射弹数从低到高分别编号为1号枪管、2号枪管、3号枪管及4号枪管,以便于叙述。其中对第1类损伤,枪管内膛直径取综合寿命试验中3支枪管内膛直径的平均值;对第2类损伤则选取试验中一支有代表性的枪管为例分析其内膛表面形貌在轴向各处的分布及演化规律,其余各支枪管的损伤分布及演化规律与之相同。

4.1 第1类损伤形式随射弹量增加的分布及演化规律

枪管综合寿命试验中,3支枪管处于上述4个寿命阶段时的阳线直径测量值的平均值沿枪管轴向的分布如图8所示。

图8 4个寿命阶段枪管内膛直径轴向分布图Fig.8 Bore dimeters of 4 barrels along the axis

从图8可以看出,枪管阳线的初始直径为12.66 mm,随射弹量的增加,轴向各处的磨损量也随之增加。此外,可以发现枪管在不同寿命阶段的阳线直径的变化规律是相似的:可以将枪管沿轴向划分为4个区域,Ⅰ区域为从阳线起点向枪口方向约12倍口径长度上,该区域内枪管内膛磨损最大值出现在膛线起始段,向枪口方向磨损量迅速下降至各自的稳定值后,磨损量在Ⅱ区域前由一小段保持不变的平台区,平台区长度随着射弹数的增加而逐渐缩小,枪管寿终时平台区长度为20 mm;Ⅱ区域为Ⅰ区末端到枪管中部位置,该区域内枪管内膛磨损量沿轴向向枪口方向呈非线性快速增加;Ⅲ区域为枪管中部到枪口后约2倍口径距离处,该区域的内膛磨损量沿枪管轴向呈线性变化;Ⅳ区域为枪口后约2倍口径长度内,该区域内枪管内膛磨损量沿轴向突然增大,呈现类似“喇叭口”的形状。本文将Ⅰ、Ⅱ区域称为主要磨损区,Ⅲ区域称为均匀磨损区,Ⅳ区域称为枪口磨损区。

4.2 第2类损伤形式随射弹量增加的分布及演化规律

由5.1节可知,枪管内膛沿轴向可分为4个损伤区域,各区域之间第1类损伤情况表现出较大差异。因此,对于第2类内膛损伤形式,内窥过程中有针对性地分别对这4个区域及区域交界处的内膛表面形貌进行了内窥。

该12.7 mm机枪枪管线膛截面如图9所示(从枪管尾部向口部看),膛线由8条阴线和8条阳线组成,阴、阳线直径分别为RG和RL。因为膛线是右旋膛线,从图示角度看,阳线的左侧为导转侧(使弹头产生旋转运动的施力侧),本文所列出的所有枪管内膛内窥图的观察角度均为从枪管尾部看向枪管口部,即内窥照片中阳线左侧也对应着膛线的导转侧。

图9 线膛截面图(从枪管尾部向口部看)Fig.9 Cross section of the rifle (from the breech)

综合寿命试验中枪管在上述4个寿命阶段进行内窥得到的Ⅰ区损伤最严重的线膛起始段内膛表面形貌情况如图10所示,Ⅰ区域末端及Ⅰ、Ⅱ区域交界处的内膛表面形貌状态如图11所示。

从图10可以看出,在损伤最为严重的线膛起始区域,内膛第2类损伤的主要形式是由裂纹延伸及扩展形成的铬层剥落和高温高压的火药燃气快速冲刷烧蚀造成的烧蚀坑。由图10 (b)可以发现,在寿命试验的中前期枪管线膛起点处就已存在明显的铬层的剥落和烧蚀坑现象。结合图10(b)—图10 (d)可以得到内膛第2类损伤在线膛起始段的分布规律:随射弹数的增加,枪管内膛阳线的损伤首先出现在线膛起点处,并随着射弹量的增加沿阳线向枪口及枪尾方向延伸,阳线导转侧的损伤较非导转侧更为严重,这是因为阳线起始段和导转侧受力条件更为苛刻;阴线的损伤同样首先出现在线膛点,并随着射弹数的增加轴向主要向枪管口部延伸,周向向两侧延伸并最终与阳线的损伤相连,这是因为阴线的损伤主要是火药气体的冲刷而造成的烧蚀坑,弹头挤进完成前,弹头外部材料与阴线贴合紧密,火药气体对线膛起点之前的坡膛部位阴线的冲刷作用较小,因而此区域阴线的损伤也较小。此外,由图11可以发现,在枪管寿命的末期,膛线阴、阳线上的第2类损伤已经延伸到了Ⅰ区域末端并与Ⅱ区域的第2类损伤相连。

图10 各寿命阶段枪管Ⅰ区域起始段表面形貌内窥图Fig.10 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 1

图11 各寿命阶段枪管Ⅰ、Ⅱ区域交界处表面形貌内窥图Fig.11 Endoscopic figures of bore damage between Area 1 and Area 2

该12.7 mm机枪枪管Ⅱ区域在4个寿命阶段时内膛表面形貌情况如图12所示。由图12可以看出,Ⅱ区域的内膛损伤在枪管寿命中前期主要表现为纯磨损。随着射弹量增加,枪管阳线导转侧由于铬层局部剥落会产生坑状缺陷,该坑状缺陷沿膛线向枪管前后方向均有扩展,在枪管寿命后期,该区域内的阴线表面会出现少量火药气体烧蚀坑。这是因为在枪管寿命中后期,Ⅰ区域的内膛损伤已较为严重,弹头在枪管内的轴向运动得不到较好的约束,使得弹头在垂直枪管轴线平面内的扰动量增大,增大了弹头对枪管Ⅱ区域的作用力;该区域同时也是枪管轴向温度场的最高温度区域[15],存在较大的热应力,铬层相对容易剥落;并且由于弹头运动到该区域时的膛内压力仍较大,弹头的轴向加速度、转动角加速度均较大,阳线导转侧受力也较大,从而导致铬层的剥落主要在膛线导转侧。枪管寿命后期阴线烧蚀坑的形成是由于该区域内膛损伤量在后期显著增加,弹头-枪管间隙扩大,火药燃气及未完全燃烧的火药固体颗粒泄漏量增大,阴线在其冲刷下形成烧蚀坑。

图12 各寿命阶段枪管内膛Ⅱ区域表面形貌内窥图Fig.12 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 2

图13是该枪管4寿命阶段Ⅲ区域的表面形貌内窥图,这一区域承受膛压较低,弹头轴向加速度、转动角加速度较低,弹头运动较平稳,内膛以均匀磨损损伤为主(第1类损伤),无烧蚀坑及铬层剥落等第2类损伤。Ⅳ区域“喇叭口”段也是均匀磨损段,如图14所示,枪管口部直径由于只比Ⅲ区域末端扩大了0.01 mm,内窥图中凭肉眼不能明显看出与Ⅲ区域的分界,但在图8中可明显看出口部呈现“喇叭”状。

图14 各寿命阶段枪管内膛Ⅳ区域表面形貌内窥图Fig.14 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 4

5 结论

为了更深入地研究枪管内膛损伤随射弹量增加的演化规律,本文对若干支相同材料、结构和加工工艺的某12.7 mm大口径机枪枪管按照GJB3484—98的相关规定进行了综合寿命试验,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,可以得出以下结论:

1) 枪管内膛损伤形式可以分为2类,分别为第1类损伤:由内膛表层金属材料的磨损导致的内膛截面阴、阳线半径的扩大;第2类损伤:由于所受机械压力作用、火药烧蚀作用及热应力作用等不均匀导致的局部裂纹、烧蚀坑及镀铬层的剥落等。

2) 第1类损伤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,且第1类损伤在这4个区域之间表现出较大的差异性。对于第2类损伤形式,枪管尾部比枪管口部严重、阳线比阴线严重、阳线导转侧比非导转侧严重。

3) 通过对内膛损伤数据进行分析,获得了该12.7 mm机枪枪管内膛损伤沿轴向的分布规律及其随射弹数增加的演化规律,为建立准确的损伤枪管弹/枪相互作用模型提供了依据。