齊玉輝， 楊明華， 單永海， 徐誠

(1.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094； 2.裝甲兵工程學院 兵器工程系， 北京 100072；3.63856部隊， 吉林 白城 137001)

?

典型使用條件對大口徑機槍槍管壽命影響研究

齊玉輝1， 楊明華2， 單永海3， 徐誠1

(1.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094； 2.裝甲兵工程學院 兵器工程系， 北京 100072；3.63856部隊， 吉林 白城 137001)

大口徑機槍槍管壽命與使用方式、使用條件密切相關(guān)，研究使用條件對大口徑機槍槍管壽命的影響問題對于安全、有效地使用該類武器具有重要意義。選擇環(huán)境溫度、冷卻周期射彈總量和換彈箱停留間隔時間3個使用條件，采用槍管熱- 彈耦合有限元模型計算槍管鉻鋼結(jié)合部位瞬態(tài)應力，使用局部應力- 應變法計算槍管鉻鋼結(jié)合部位壽命，分析使用條件對槍管使用壽命的影響情況。進一步采用實物壽命試驗驗證使用條件對槍管使用壽命的影響，獲得了定量影響規(guī)律，建立了環(huán)境溫度、冷卻周期射彈量、換彈箱停留間隔時間與壽命關(guān)系近似模型，為科學地使用該類大口徑機槍提供了參考依據(jù)。

兵器科學與技術(shù)； 機槍； 槍管壽命； 使用條件； 熱弾耦合； 壽命建模

0 引言

大口徑機槍是目前國內(nèi)外陸軍廣泛裝備和使用的一種主要班組支援武器，該類武器的使用壽命主要取決于槍管壽命，連續(xù)射擊時，在一個射擊循環(huán)將在幾分鐘內(nèi)連續(xù)發(fā)射幾百發(fā)子彈，槍管承受連續(xù)多次高溫(3 000 K)、高壓(300 MPa)火藥氣體作用，環(huán)境溫度和冷卻周期射彈總量等使用條件對該類武器槍管壽命產(chǎn)生重要影響，研究使用條件對大口徑機槍槍管壽命影響問題對于安全、有效地使用該類武器具有重要意義。

國內(nèi)外學者一直關(guān)注大口徑機槍槍管壽命問題，已開展了大量影響因素、機理和壽命預測研究工作[1-16]。文獻[1，12，14]研究了大口徑機槍槍管鍍鉻層和基體的燒蝕機理；文獻[2]分析了大口徑機槍槍管鍍鉻層質(zhì)量對壽命的影響情況；文獻[3]分析了射擊規(guī)范對大口徑機槍槍管壽命的影響；文獻[4]研究了大口徑機槍槍管瞬態(tài)熱- 彈耦合有限元分析方法；文獻[5，11]研究了全壽命過程中14.5 mm大口徑機槍槍管性能衰減情況；文獻[6]對大口徑機槍槍管加速壽命試驗技術(shù)進行了研究，并建立了加速壽命試驗經(jīng)驗公式；文獻[7]采用最小二乘支持向量機法建立了機槍槍管加速壽命試驗預測模型；文獻[8]考慮彈帶擠進壓力和火藥氣體壓力，計算了身管疲勞壽命；文獻[9-10]分別提出了兩種機槍槍管壽命預估方法。但目前國內(nèi)外關(guān)于使用條件對大口徑機槍槍管壽命影響的定量研究很少，無法規(guī)范和指導大口徑機槍的科學使用。本文選擇環(huán)境溫度、冷卻周期射彈總量和換彈箱停留間隔時間3個典型使用條件，研究其對大口徑機槍槍管使用壽命影響問題，為大口徑機槍科學、有效地使用提供參考依據(jù)。

1 理論計算

大口徑機槍綜合壽命試驗發(fā)現(xiàn)，連發(fā)射擊時，槍管壁面承受多次劇烈的火藥氣體脈沖熱和膛壓載荷作用，鉻層發(fā)生疲勞破壞，疲勞裂紋萌生和擴展將首先出現(xiàn)在接合力薄弱的兩種金屬接觸面—鉻層與鋼體結(jié)合部位，該部位疲勞破壞最終將導致槍管鉻層的脫落。無鉻層防護的內(nèi)膛經(jīng)過幾十發(fā)射擊后會完全燒蝕，膛線破壞，初速下降，出現(xiàn)橫彈，這種損壞機理是連續(xù)射擊的大口徑機槍槍管損壞機理。依據(jù)該損壞機理，考慮到熱、膛壓載荷的特性和槍管材料的疲勞試驗結(jié)果，本文采用槍管熱- 彈耦合有限元模型計算槍管鉻層與鋼體結(jié)合部應力[4]，使用Manson-Coffin疲勞方程[16]結(jié)合Miner線性疲勞累積損傷理論[17]計算槍管鉻層與鋼體結(jié)合部位壽命，分析不同的環(huán)境溫度、冷卻周期射彈量和換彈箱停留間隔時間對槍管使用壽命的影響情況。槍管鉻鋼結(jié)合部位疲勞損傷壽命計算模型[16-17]為

(1)

(2)

(3)

以某12.7 mm大口徑機槍為研究對象，計算采用的基準射擊方案為：50發(fā)/彈箱，其中前25發(fā)點射(8發(fā)-8發(fā)-9發(fā)方式)，間隔3 s，后25發(fā)點射(8發(fā)-8發(fā)-9發(fā)方式)，換彈箱停留間隔時間2.0 min，共3個彈箱射擊150發(fā)，射速550發(fā)/min，環(huán)境溫度293 K. 理論計算膛線起始部位、槍管最大膛壓部位和槍口部位的疲勞壽命，以疲勞壽命射彈發(fā)數(shù)最小為判據(jù)。發(fā)現(xiàn)膛線起始部位疲勞壽命值最低，最先達到壽終，這與壽命試驗結(jié)果也是一致的。下文選膛線起始部位的鉻層與基體結(jié)合部為槍管危險點(稱為A截面)，重點給出使用條件對該截面壽命影響的計算結(jié)果。

1.1 環(huán)境溫度變化的影響

為研究環(huán)境溫度對槍管壽命的影響，設定5種環(huán)境溫度方案進行計算和對比分析，具體參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境溫度影響計算的使用方案

在冷卻周期每1發(fā)射彈作用下鉻鋼結(jié)合面的Von Mises應力和等幅載荷壽命計算結(jié)果如圖1和圖2所示，在其他因素相同的情況下，環(huán)境溫度的變化對于槍管鉻鋼結(jié)合面上的每1發(fā)Von Mises應力水平、等幅載荷壽命和總體壽命有著很大影響。環(huán)境溫度越低，每1發(fā)的Von Mises應力越小，對應的等幅載荷壽命越高，槍管總壽命越高。環(huán)境溫度方案中第1組前25發(fā)中的第25發(fā)彈時，環(huán)境溫度為228 K方案的等幅載荷壽命比環(huán)境溫度為323 K的方案高81.9%；隨著射彈數(shù)的增加，不同環(huán)境溫度導致的每1發(fā)等幅載荷壽命差異更加明顯；至第150發(fā)彈時，環(huán)境溫度為228 K方案的等幅載荷壽命比環(huán)境溫度為323 K的方案高221.6%. 比較環(huán)境溫度方案4與方案5可以看出，在環(huán)境溫度相同的情況下，換彈箱間隔時間對于100發(fā)射擊范圍內(nèi)槍管鉻鋼結(jié)合面上的每1發(fā)Von Mises應力、等幅載荷壽命均有一定的影響，但總體差別不大。

圖1 每1發(fā)彈的平均應力比較(A截面)Fig.1 Comparison of average stresses(Section A)

圖2 每1發(fā)彈的等幅載荷壽命比較(A截面)Fig.2 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

表2是不同環(huán)境溫度時的槍管總壽命計算結(jié)果，環(huán)境溫度為228 K時槍管總壽命比環(huán)境溫度為293 K狀態(tài)高65.9%；環(huán)境溫度為248 K狀態(tài)槍管總壽命比環(huán)境溫度為293 K狀態(tài)高14.4%；而環(huán)境溫度為323 K的方案槍管總壽命比環(huán)境溫度為293 K狀態(tài)低25.6%. 比較環(huán)境溫度方案4與方案5可以看出，在環(huán)境溫度相同的情況下，即使方案5的換彈箱間隔時間較短，槍管鉻鋼結(jié)合面上的每1發(fā)Von Mises應力水平較大，每1發(fā)的等幅載荷壽命稍小。但由于其在一個冷卻周期中的總射彈量較少了50發(fā)，致使槍管溫度低，其槍管總壽命仍然較方案4增加55.6%. 綜上所述，環(huán)境溫度的降低對于提高槍管使用總壽命有利。

表2 不同環(huán)境溫度時的槍管總壽命(A截面)

1.2 一個冷卻周期射彈量變化的影響

一個冷卻周期射彈總量是另一個重要的使用條件，為分析一個冷卻周期射彈總量變化對槍管壽命的影響，設定4種冷卻周期射彈量方案進行計算與對比分析，具體參數(shù)如表3所示。

計算結(jié)果如圖3和圖4所示，在其他因素相同的情況下，一個冷卻周期射彈總量的變化對于槍管鉻鋼結(jié)合面上每1發(fā)彈的平均Von Mises應力水平、等幅載荷壽命和總壽命影響很大。一個冷卻周期的射彈總量越大，最后一個彈箱每1發(fā)彈的平均Von Mises應力越大，每1發(fā)彈的等幅載荷壽命越低。與冷卻周期方案1的第250發(fā)彈相比，冷卻周期方案2的第200發(fā)彈的平均Von Mises應力降低13.7%，等幅載荷壽命增加5.5倍；冷卻周期方案3第150發(fā)彈的平均Von Mises應力降低28.6%，等幅載荷壽命增加27.3倍；冷卻周期方案4的第100發(fā)彈的平均Von Mises應力降低44.9%，等幅載荷壽命增加70.8倍。

表3 冷卻周期射彈量影響計算的使用方案

圖3 每1發(fā)彈的平均應力比較(A截面)Fig.3 Comparison of average stresses(Section A)

圖4 每1發(fā)彈的等幅載荷壽命比較(A截面)Fig.4 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

由表4可以看出，一個冷卻周期的射彈總量越小，槍管總壽命越大。與冷卻周期方案1相比，冷卻周期方案2的槍管總壽命增加2.88倍，冷卻周期方案3的槍管總壽命增加3.47倍，冷卻周期方案4的槍管總壽命增加5.97倍。綜上所示，減小一個冷卻周期的射彈總量可以有效提高槍管總壽命。

表4 不同使用方案的槍管總壽命(A截面)

1.3 換彈箱停留間隔時間變化的影響

換彈箱停留間隔時間是另一個使用條件，為比較不同換彈箱間隔時間對槍管壽命的影響，計算采用的使用方案如表5所示。

表5 換彈箱停留間隔時間影響計算的使用方案

圖5 每1發(fā)彈的平均應力比較(A截面)Fig.5 Comparison of average stresses(Section A)

計算結(jié)果如圖5和圖6所示，換彈箱停留間隔時間的改變對于槍管鉻鋼結(jié)合面每1發(fā)的VonMises應力水平和等幅載荷壽命有重要的影響。由圖6可以看出，換彈箱停留間隔時間對每1發(fā)彈的等幅載荷壽命影響較大，每經(jīng)過1個換彈箱停留間隔，槍管每1發(fā)的等幅載荷壽命回升。由表6可以看出，相對于換彈箱方案1，采用換彈箱方案2的槍管使用總壽命增加約13.1%，采用換彈箱方案3的槍管使用總壽命增加約34.2%，采用換彈箱方案4的槍管使用總壽命增加約51.4%. 綜上所示，換彈箱停留間隔時間對槍管使用壽命有較大影響。

圖6 每1發(fā)彈的等幅載荷壽命比較(A截面)Fig.6 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

方案名稱總壽命/發(fā)換彈箱方案12724換彈箱方案23082換彈箱方案33655換彈箱方案44123

2 試驗研究與使用壽命建模

試驗對象為某12.7 mm重機槍，共5挺(10根槍管)，基準射擊方案與計算相同。按不同的環(huán)境溫度、冷卻周期射彈量和換彈箱停留間隔時間，進行槍管使用壽命試驗，在初始及每射擊600發(fā)彈后進行槍管初速、精度、槍管內(nèi)膛燒蝕等檢測，壽終判據(jù)為：初速下降15%;射擊密集度增大2.5倍；出現(xiàn)20%橢園孔或橫彈。

2.1 環(huán)境溫度對槍管壽命影響試驗結(jié)果及近似建模

冷卻周期射彈量為150發(fā)，在換彈箱停留間隔時間為2 min時，試驗獲得不同環(huán)境溫度的機槍壽命數(shù)據(jù)如表7所示。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過2次多項式擬合可以建立環(huán)境溫度與使用壽命關(guān)系近似模型為

830，

圖7是環(huán)境溫度與壽命關(guān)系近似模型與試驗結(jié)果、第1節(jié)理論計算結(jié)果的比較，曲線是近似模型結(jié)果，圓點是試驗結(jié)果，三角是理論計算結(jié)果?？梢钥闯鰯M合的2次多項式近似模型與試驗數(shù)據(jù)點吻合較好，使用環(huán)境溫度越高，使用壽命越低；理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果有一定差別，但變化規(guī)律基本一致。

圖7 環(huán)境溫度與壽命關(guān)系Fig.7 Relationship between ambient temperature and life

2.2 冷卻周期射彈量對槍管壽命影響試驗結(jié)果及近似建模

在換彈箱停留間隔時間為0.5 min，環(huán)境溫度22℃時，試驗獲得不同冷卻周期射彈總量時的使用壽命的如表8所示。

表8 冷卻周期射彈量與壽命關(guān)系數(shù)據(jù)表

利用試驗數(shù)據(jù)使用2次多項式擬合可以獲得冷卻周期射彈量與壽命關(guān)系近似模型為

Nc=N/150.

圖8是冷卻周期射彈量與壽命關(guān)系近似模型與試驗結(jié)果、第1節(jié)理論計算結(jié)果的比較，可以看出擬合的2次多項式與試驗數(shù)據(jù)點吻合較好，隨冷卻周期射彈量增加，使用壽命整體呈下降趨勢，理論計算與試驗結(jié)果基本一致。

圖8 冷卻周期射彈量與壽命關(guān)系Fig.8 Relationship between projectile number and life in cooling cycle

2.3 換彈箱停留間隔時間對槍管壽命影響試驗結(jié)果及近似建模

冷卻周期射彈量為150發(fā)，環(huán)境溫度22 ℃時，試驗獲得的不同換彈箱停留間隔時間狀態(tài)槍管使用壽命數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 換彈箱停留間隔時間與壽命關(guān)系數(shù)據(jù)表

利用試驗數(shù)據(jù)，通過2次多項式擬合得到的換彈箱停留間隔時間與壽命關(guān)系近似模型為

tc=t/2.

圖9是換彈箱停留間隔時間與壽命關(guān)系近似模型與試驗結(jié)果、第1節(jié)理論計算結(jié)果的比較，可以看出換彈箱停留間隔時間與壽命整體關(guān)系呈上升趨勢，這與理論計算相基本一致。圖9中經(jīng)驗公式結(jié)果預試驗數(shù)據(jù)點符合更好。

圖9 換彈箱停留間隔時間與壽命的關(guān)系Fig.9 Relationship between the interval time of box magazine exchanges and life

2.4 3個使用條件對槍管壽命影響的綜合建模

1.042 2tcTc+3.408tcNc-0.070 7TcNc-

0.259 2tc+0.331 7Tc-12.301 3Nc+9.742 7,

式中：ξc是無量綱化壽命射彈數(shù)，ξc=ξ/1 000. 圖10是試驗壽命數(shù)據(jù)與近似模型計算結(jié)果的對比，試驗壽命與近似模型計算壽命吻合的較好，說明了擬合的3個使用條件經(jīng)驗模型的正確性。

圖10 試驗壽命與近似模型計算壽命對比圖Fig.10 Comparison of approximately calculated and test barrel lifeves

3 結(jié)論

1)采用槍管熱- 彈耦合有限元模型計算槍管鉻層與鋼體結(jié)合部位瞬態(tài)應力，使用局部應力- 應變法計算槍管鉻層與鋼體結(jié)合部位壽命。通過計算獲得了某12.7 mm大口徑機槍環(huán)境溫度、冷卻周期射彈量和換彈箱停留間隔時間對槍管鉻層與鋼體結(jié)合部位Von Mises應力水平和槍管壽命影響情況，較準確地預測了3個使用條件對某12.7 mm大口徑機槍壽命的影響規(guī)律。

2)通過試驗獲得了環(huán)境溫度、冷卻周期射彈量和換彈箱停留間隔時間對某12.7 mm大口徑機槍使用壽命的定量影響規(guī)律，建立了環(huán)境溫度與使用壽命關(guān)系近似模型、冷卻周期射彈量與壽命關(guān)系近似模型、換彈箱停留間隔時間與壽命關(guān)系近似模型和3個使用條件與槍管壽命關(guān)系模型，為該口徑機槍科學、安全、有效使用提供了參考依據(jù)。

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Influences of Typical Service Conditions on the Barrel Life of Large-caliber Machine Gun

QI Yu-hui1， YANG Ming-hua2， SHAN Yong-hai3， XU Cheng1

(1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China; 2.Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 3.Unit 63856 of PLA，Baicheng 137001, Jilin, China)

The barrel life of large-caliber machine gun is closely related to the service mode and condition. The research on the influences of service conditions on barrel life is of great importance to the safe and effective use of this kind of weapons. The influences of the ambient temperature, the total amount of projectiles shot in a cooling cycle and the interval time of box magazine exchanges on barrel life of large-caliber machine gun are studied. The interface transient stress between chrome layer and steel body in barrel bore is obtained by thermoelastic coupling FEA model of gun barrel. The fatigue life of interface between chrome layer and steel body in barrel bore is solved by using local stress-strain method. The influences of service conditions on barrel life are analyzed. The influences of three service conditions on barrel life are also studied. The rules of quantitative influences of three service conditions on barrel life are obtained. A life approximation model of 12.7 mm machine-gun barrel based on the ambient temperature, the total amount of projectiles shot in a cooling cycle and the interval time of box magazine exchanges is established.

ordnance science and technology; machine gun； barrel life； service condition； thermoelastic coupling； life modeling

2016-02-02

國家自然科學基金項目(51575279)

齊玉輝(1977—)，男，副研究員， 博士研究生。E-mail:yhqi@njust.edu.cn； 徐誠(1962—)，男，教授， 博士生導師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn

TJ25

A

1000-1093(2016)11-1976-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.002