楊麗俠

(西安近代化學(xué)研究所，陜西，西安710065)

0 引言

塑性變形測(cè)壓法使用方便，只需一個(gè)塑性測(cè)壓器件(塑性敏感元件、測(cè)壓器);操作簡(jiǎn)單，可不破壞被試武器;數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠且經(jīng)濟(jì)，因此，仍是我國(guó)乃至世界各國(guó)火炮膛壓檢驗(yàn)的主要手段。目前我國(guó)大部分的火炮武器均采用塑性測(cè)壓器材測(cè)量膛內(nèi)火藥燃?xì)獾姆逯祲毫?，其測(cè)試結(jié)果被用來(lái)評(píng)定火炮裝藥、彈丸及引信等產(chǎn)品的彈道性能，也作為科研、生產(chǎn)特別是產(chǎn)品交驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要依據(jù)。因此，研究塑性測(cè)壓技術(shù)的計(jì)量發(fā)展，獲得準(zhǔn)確可靠的膛內(nèi)峰值壓力，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的量值傳遞和計(jì)量保障，并與國(guó)際壓力基準(zhǔn)接軌，既方便兵器技術(shù)交流和產(chǎn)品進(jìn)出口等，也對(duì)常規(guī)兵器的研究和發(fā)展具有十分重要的意義。

1 實(shí)施動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是塑性測(cè)壓的發(fā)展方向

用塑性測(cè)壓法測(cè)量火炮膛內(nèi)的峰值壓力，直接測(cè)量的是敏感元件(銅球、銅柱)的變形量或壓后高度，因此，使用之前必須先測(cè)出敏感元件塑性變形量和壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，編制壓力換算表，再進(jìn)行校準(zhǔn)。塑性測(cè)壓法根據(jù)敏感元件校準(zhǔn)方法的不同，又分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)(準(zhǔn)動(dòng)態(tài))校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理示意圖分別見(jiàn)圖1 和圖2。

靜態(tài)校準(zhǔn)是在杠桿式力機(jī)上對(duì)敏感元件進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到不同力與銅柱壓后高或變形量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)所使用測(cè)壓器的活塞面積，將力值折算成對(duì)應(yīng)壓力值，獲得壓力值與壓后高或變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行靜態(tài)壓力對(duì)照表的編制。

動(dòng)態(tài)(準(zhǔn)動(dòng)態(tài))校準(zhǔn)是在落錘液壓校準(zhǔn)裝置(簡(jiǎn)稱落錘裝置)上進(jìn)行試驗(yàn)，利用落錘裝置中的造壓油缸產(chǎn)生半正弦壓力源，類似火炮膛壓的P －t 曲線，由4 路壓電傳感器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試壓力峰值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)壓力Pm，在壓力源相同位置上安裝的塑性測(cè)壓敏感元件接受相同的壓力而產(chǎn)生塑性變形△h 或h，變形量與所承受壓力之間通過(guò)數(shù)學(xué)處理編制壓力對(duì)照表，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)壓敏感元件的壓力校準(zhǔn)。高、低溫試驗(yàn)箱用于對(duì)測(cè)壓敏感元件進(jìn)行高、低溫校準(zhǔn)，修正溫度的影響。

膛壓電測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使人們發(fā)現(xiàn)利用靜態(tài)校準(zhǔn)的銅柱銅球等塑性敏感元件，對(duì)快速變化的動(dòng)態(tài)膛壓存在一定的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)誤差，靜態(tài)校準(zhǔn)方法所測(cè)膛壓存在嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差，一般比“真值”要低5% ～30%，因此，國(guó)內(nèi)外都在研究新的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)手段［1－4］，國(guó)際膛壓塑性測(cè)壓正在從靜態(tài)校準(zhǔn)向動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)演變，美、英、北約集團(tuán)等率先采用電測(cè)法測(cè)壓，用接近真值的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的敏感元件測(cè)壓代替靜態(tài)校準(zhǔn)的塑性測(cè)壓，到了20 世紀(jì)90 年代初，英、美和北約等已建立了塑性測(cè)壓的校準(zhǔn)體系，并將其標(biāo)準(zhǔn)化［5－7］。以電測(cè)法作為約定真值的比對(duì)式動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，可實(shí)現(xiàn)塑性測(cè)壓法與電測(cè)法測(cè)試壓力峰值的互轉(zhuǎn)，并可通過(guò)壓電傳感器溯源到ISO 國(guó)際壓力基準(zhǔn)。因此，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)已被美、英、北約等西方國(guó)家普遍采用，是國(guó)際膛壓檢測(cè)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展方向。

圖1 靜態(tài)校準(zhǔn)原理示意圖

圖2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)原理示意圖

2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析

2.1 塑性測(cè)壓靜動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法并存，銅柱及測(cè)壓器品種繁雜，壓力數(shù)據(jù)無(wú)可比性

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)沿襲前蘇聯(lián)的塑性測(cè)壓靜態(tài)校準(zhǔn)方法，針對(duì)不同的武器系統(tǒng)使用不同規(guī)格的銅柱作為敏感元件，導(dǎo)致現(xiàn)行大部分的武器系統(tǒng)均采用靜態(tài)校準(zhǔn)銅柱進(jìn)行產(chǎn)品交驗(yàn)，柱形銅柱、錐形銅柱多達(dá)十種，銅柱測(cè)壓器也品種繁多［8－11］。然而，隨著電測(cè)技術(shù)和國(guó)際塑性測(cè)壓動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)校準(zhǔn)方法阻礙了我國(guó)高性能火炮的設(shè)計(jì)和研制，制約了兵器產(chǎn)品的進(jìn)出口。為了仿研美國(guó)型號(hào)武器，迫使我國(guó)進(jìn)口并仿研了美國(guó)的銅球和測(cè)壓器，實(shí)施動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，因此，形成了以靜態(tài)校準(zhǔn)為主，靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)并存的局面，導(dǎo)致同一壓力源下出現(xiàn)多種不同的測(cè)量結(jié)果，膛壓數(shù)據(jù)無(wú)可比性，表1 為我國(guó)典型火炮裝藥交驗(yàn)用測(cè)壓器材及校準(zhǔn)方法。

表1 我國(guó)典型火炮裝藥交驗(yàn)用測(cè)壓器材及校準(zhǔn)方法

2.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)尚未建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，且高膛壓火炮無(wú)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的測(cè)壓器材可用

我國(guó)實(shí)施動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的測(cè)壓器材僅為仿研美國(guó)的銅球和測(cè)壓器，其穩(wěn)定的測(cè)壓范圍為100 ～500 MPa，用于以仿研為主的火炮武器，銅球和測(cè)壓器沒(méi)有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及量傳手段和方法;隨著身管武器向高膛壓高初速的方向發(fā)展，為增加威力和射程，越來(lái)越多的武器系統(tǒng)采用高能發(fā)射裝藥，我國(guó)制式火炮彈藥產(chǎn)品的交驗(yàn)已從膛壓峰值為300 MPa 左右提高到450 ～600 MPa，高膛壓武器系統(tǒng)的峰壓最高可達(dá)690 MPa，如125 mm坦克炮等，武器性能提升伴隨著膛壓提高，而我國(guó)無(wú)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)高壓測(cè)壓器材，現(xiàn)行的部分高膛壓武器又回到靜態(tài)校準(zhǔn)的銅柱，如4 mm ×8 mm 靜校銅柱和38 cm3測(cè)壓器，其測(cè)壓范圍為300 ～600 MPa。武器膛壓越高，動(dòng)靜差問(wèn)題越突出，影響了火炮產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。

3 塑性測(cè)壓的計(jì)量發(fā)展思路

針對(duì)塑性測(cè)壓校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)火炮膛壓塑性測(cè)壓器材的技術(shù)現(xiàn)狀，探討塑性測(cè)壓器材及校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展思路。

3.1 研究測(cè)壓范圍為20 ～700 MPa、小型化、規(guī)格單一化的銅柱及測(cè)壓器

1)敏感元件實(shí)施動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是塑性測(cè)壓的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)南京理工大學(xué)朱明武教授已成功研究了落錘校準(zhǔn)裝置，用于對(duì)仿研銅球進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，火炸藥計(jì)量一級(jí)站［12］也建立了高精度的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置，測(cè)試系統(tǒng)的不確定度為0.5%，我國(guó)塑性測(cè)壓實(shí)施動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)已有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2)簡(jiǎn)化銅柱規(guī)格、減小測(cè)壓器的體積，可通過(guò)優(yōu)化銅柱的直徑、長(zhǎng)徑比、質(zhì)量等，調(diào)節(jié)測(cè)壓器的活塞面積及配合間隙等擴(kuò)大測(cè)壓范圍，可以解決我國(guó)上述火炮膛壓塑性測(cè)壓的數(shù)據(jù)無(wú)法比較的問(wèn)題。表1 為北約組織各成員的塑性測(cè)壓器［5］，可以看到，北約各成員國(guó)使用較少的銅柱或銅球規(guī)格，實(shí)現(xiàn)較寬的測(cè)壓范圍。我國(guó)學(xué)者［3］也對(duì)此進(jìn)行了理論分析，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法針對(duì)φ4 ×8，φ3.5 ×8.75 兩種型號(hào)的銅柱進(jìn)行分析，并縮少測(cè)壓活塞面積為0.1cm2，可擴(kuò)大壓力范圍達(dá)20 ～800 MPa，使測(cè)壓器小型化，體積＜15 cm3，火炮初步試驗(yàn)有一定的可行性。因此，應(yīng)盡快研究定型我國(guó)自主創(chuàng)新的塑性測(cè)壓動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)器材，以統(tǒng)一塑性測(cè)壓的量值。

表1 北約組織的塑性測(cè)壓器

3.2 建立塑性測(cè)壓動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，形成溯源和量值傳遞體系

3.2.1 鑒選標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓器件，建立標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表

1)通過(guò)精選銅材、優(yōu)化銅柱加工工藝，多批次銅柱加工等措施，使用壓力機(jī)加載試驗(yàn)、落錘校準(zhǔn)試驗(yàn)，研究銅柱熱處理溫度、工藝條件等對(duì)銅柱的變形量及一致性的影響，研究銅柱表面強(qiáng)度、堅(jiān)強(qiáng)性、變形規(guī)律及影響因素等，鑒選標(biāo)準(zhǔn)批銅柱。

2)建立高壓模擬裝置，獲得火炮膛內(nèi)－t 曲線的全過(guò)程壓力環(huán)境，通過(guò)火藥燃?xì)庾鳛閴毫υ纯己藴y(cè)壓器的抗燒蝕性、密封性、初溫變化，特別是高低溫環(huán)境下測(cè)壓器的動(dòng)態(tài)測(cè)壓性能，防止測(cè)壓器在高溫高壓下火藥氣體泄入本體，低溫下活塞不被“抱死”等，將塑性測(cè)壓器與電測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，鑒選動(dòng)態(tài)測(cè)壓性能優(yōu)良的測(cè)壓器為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)測(cè)壓器。

3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)銅柱及測(cè)壓器，研究定值分段范圍、預(yù)壓值等，并在測(cè)壓范圍內(nèi)選取9 ～11 個(gè)壓力點(diǎn)下進(jìn)行落錘校準(zhǔn)試驗(yàn)，進(jìn)行3 ～5 次的系列重復(fù)試驗(yàn)，采用多項(xiàng)式回歸分析，建立變形量與壓力的數(shù)學(xué)模型，編制20℃、脈寬為6 ms 下的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表，對(duì)一種規(guī)格的銅柱(球)和測(cè)壓器只編制1 套(2 ～3個(gè))標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表;該方法代替我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的十幾種測(cè)壓銅柱和大大小小的測(cè)壓器及仿美的銅球和測(cè)壓器等所需的多種且每批編一次表的繁亂的狀況，解決了現(xiàn)有靜態(tài)校準(zhǔn)的系統(tǒng)誤差，可確定并提高塑性測(cè)壓動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度，便于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)更新、拓寬和計(jì)量管理，可與國(guó)際膛壓塑性測(cè)壓的校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)接軌。

4)溫度和壓力－時(shí)間曲線的脈寬是影響銅柱變形量的主要因素，在不同壓力下每攝氏度引起的誤差約為0.1% ～0.2%，當(dāng)測(cè)壓時(shí)環(huán)境溫度與編表校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫度相差數(shù)十度時(shí)，銅柱測(cè)壓將產(chǎn)生5% ～10%的測(cè)量誤差;當(dāng)脈寬在2 ～14 ms 范圍變化時(shí)，與脈寬為6 ms 時(shí)編表值相比，將產(chǎn)生－3% ～+6%的測(cè)量誤差，在脈寬小于6 ms 時(shí)，誤差為負(fù)，在脈寬大于6 ms 時(shí)，誤差為正。為盡可能覆蓋我國(guó)火炮系統(tǒng)膛壓曲線的環(huán)境溫度和脈寬范圍，提高塑性測(cè)壓精度，通過(guò)落錘裝置改變溫度和脈寬，研建標(biāo)準(zhǔn)銅柱動(dòng)態(tài)壓力對(duì)照表高低溫和脈寬修正模型。

3.2.2 形成動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的溯源和量值傳遞體系

1)研建敏感元件量值傳遞的校準(zhǔn)裝置，如落錘裝置造壓油缸改造、模擬炮等，研究量值傳遞方法和判據(jù)，考核被試批和標(biāo)準(zhǔn)批之間的差異，以確定不同批次的銅球銅柱和測(cè)壓器的性能和等級(jí)，考核可分敏感元件和測(cè)壓器兩類。

2)使用標(biāo)準(zhǔn)的敏感元件(銅球、銅柱)、測(cè)壓器及建立的標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表對(duì)敏感元件進(jìn)行量值傳遞，同種銅線原材料下同種規(guī)格的銅柱銅球不再編表，經(jīng)考核合格后，直接使用標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表;考核使用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的半正弦形落錘裝置，與標(biāo)準(zhǔn)批比對(duì)校準(zhǔn)，以比較不同批次敏感元件與標(biāo)準(zhǔn)批塑性變形的差異，確定標(biāo)準(zhǔn)壓力對(duì)照表的適應(yīng)性，對(duì)敏感元件進(jìn)行分級(jí)，如標(biāo)準(zhǔn)、合格及不合格等。

3)對(duì)于測(cè)壓器具的動(dòng)態(tài)性能考核，使用高壓(達(dá)700 MPa)動(dòng)態(tài)模擬炮裝置，將被考核測(cè)壓器與高級(jí)別測(cè)壓器放置在火藥燃?xì)馑幨业耐唤孛妫M(jìn)行比對(duì)式動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，根據(jù)考核試驗(yàn)結(jié)果，確定測(cè)壓器的等級(jí)。該方法對(duì)塑性測(cè)壓器材進(jìn)行日常性能考核和分級(jí)，無(wú)須在藥室身管開(kāi)電測(cè)孔，可降低塑性測(cè)壓器材生產(chǎn)考核的成本，操作方便，并與現(xiàn)行靜態(tài)校準(zhǔn)體系的測(cè)壓器考核接軌［13－14］，可實(shí)施性強(qiáng)。

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