劉幫俊，陳榮剛，吳 斌

(中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

【后勤保障與裝備管理】

火炮身管失效機(jī)理和壽命預(yù)測

劉幫俊，陳榮剛，吳 斌

(中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

針對身管壽命預(yù)測這個(gè)長期研究的難點(diǎn)問題，概括了當(dāng)前預(yù)測身管壽命的主要方法和模型，并對各自的特點(diǎn)和不足進(jìn)行了分析。鑒于傳統(tǒng)身管壽命預(yù)測技術(shù)不能準(zhǔn)確預(yù)測身管失效時(shí)間，根據(jù)身管損傷狀況、外壁面應(yīng)變和射彈數(shù)(壽命)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了基于身管外壁面應(yīng)變變化量的身管壽命預(yù)測方法。

身管失效；壽命預(yù)測；應(yīng)變變化量

身管是火炮的重要零部件之一，其壽命是指火炮按射擊規(guī)范進(jìn)行射擊，彈道性能降低到戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)允許值以下或發(fā)生疲勞破壞前身管所發(fā)射的當(dāng)量全裝藥的射彈數(shù)目，前者稱身管燒蝕磨損壽命，后者稱身管疲勞壽命[1]。當(dāng)量減裝藥的身管壽命，通過火炮減裝藥等效換算為全裝藥的方法轉(zhuǎn)換得到[2]?；鹋谏砉艿墓ぷ鳝h(huán)境為高溫、高壓、高速火藥燃?xì)夂蛷棊C(jī)械摩擦的復(fù)合作用，燒蝕磨損和疲勞是影響身管壽命的主要因素。在復(fù)雜工況下，通過直接測量的方法對身管健康狀況進(jìn)行監(jiān)測十分困難。身管壽命的長短關(guān)系到火炮作戰(zhàn)效能的高低和使用者的安全，對整個(gè)火炮系統(tǒng)具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者對燒蝕磨損和疲勞引發(fā)的身管失效機(jī)理和壽命預(yù)測進(jìn)行了大量研究，取得了諸多成果。本文對燒蝕磨損和疲勞影響身管壽命的研究狀況與身管壽命的預(yù)測方法進(jìn)行概述，并針對現(xiàn)有身管壽命預(yù)測方法的不足，提出一種身管壽命預(yù)測方法。

1 身管燒蝕磨損

1.1 燒蝕磨損

火炮發(fā)射過程中，燃?xì)鉁囟冗_(dá)2 500～3 200 ℃，身管內(nèi)表面0.01～0.2 mm厚金屬層溫度在2 ms的時(shí)間內(nèi)能達(dá)1 000 ℃以上[3]。高溫下，身管內(nèi)表面金屬變脆、產(chǎn)生裂紋；與燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)生成FeO、FeC3等比炮鋼熔點(diǎn)低250～300 ℃的化合物和奧氏體、馬氏體[4]；彈帶擠進(jìn)時(shí)的擠壓力、摩擦力及高速燃?xì)鉀_刷作用，使身管內(nèi)表面局部熔化，產(chǎn)生燒蝕磨損。

Cote[5]研究了滲碳、氫蝕、氫脆等化學(xué)因素對身管燒蝕磨損的影響。Lawton[6]分析了身管的熱-化學(xué)腐蝕，指出身管磨損量與內(nèi)表面最高溫度的指數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)[7]對射擊過程中熱對身管的影響進(jìn)行了簡要綜述。文獻(xiàn)[8]研究了身管與彈帶的機(jī)械磨損。文獻(xiàn)[9]就熱-機(jī)械裂紋和機(jī)械磨損對大口徑身管的損傷情況進(jìn)行了模擬研究。研究表明身管燒蝕磨損是熱、化學(xué)和機(jī)械三者耦合作用的結(jié)果[10]，其中熱作用是首要的[11]。圖1描述發(fā)射過程身管的燒蝕作用機(jī)理[12]。圖2為燒蝕后的身管內(nèi)膛照片。

圖1 身管熱-化學(xué)-機(jī)械燒蝕作用模型

1.2 彈帶擠進(jìn)過程

彈帶擠過程是指在燃?xì)鈮毫推動(dòng)下，彈帶材料與坡膛碰撞、擠壓，首先產(chǎn)生彈性變形；隨彈底壓力增加，彈帶材料達(dá)到屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而擠進(jìn)膛線并被膛線完全侵徹的過程[13]。

經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)將彈帶擠進(jìn)假設(shè)為瞬時(shí)過程，忽略其對身管壽命的影響。但擠進(jìn)過程中彈帶與膛線摩擦等因素，加快膛線燒蝕磨損速率，縮短身管壽命。因此，不能忽略其對身管壽命的影響。因擠進(jìn)過程持續(xù)時(shí)間在μs量級[14]，用實(shí)彈射擊方法對其進(jìn)行研究成本較高、難度較大。因此，主要通過數(shù)值模擬、仿真、有限元分析及模擬實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行研究，其結(jié)果與實(shí)際擠進(jìn)過程相近[15-20]。

圖2 燒蝕后身管內(nèi)膛

1.3 燒蝕磨損壽命

身管壽命判定準(zhǔn)則：凡出現(xiàn)初速下降超過5%、彈帶削光及橫彈等情況，身管壽命終止[21]。研究表明[22]：初速偏差10 m/s，命中概率為64%；初速偏差20 m/s，命中概率為5%；初速偏差30 m/s，命中概率為0。因此，直接或間接分析初速下降量是研究身管燒蝕磨損壽命的主要途徑，其方法有：膛線徑向磨損量W法(簡稱W法)、藥室增長量ΔL法、炮口初速測量法。

1.3.1 膛線徑向磨損量W法

隨身管內(nèi)膛磨損，啟動(dòng)壓力P0、最大膛壓Pmax及初速均下降，初速下降超過允許值時(shí)，身管壽命終止；擠壓應(yīng)力增加，當(dāng)其增加到一定程度后，彈帶削光，身管壽命終止[23]。據(jù)此，目前國內(nèi)外學(xué)者較多采用W法判別身管壽命終止與否。研究表明：膛線起始部向前約1～1.5倍口徑段膛線磨損最為嚴(yán)重。因此，測量內(nèi)膛徑向磨損量就是在此段膛線上確定測量點(diǎn)，利用測徑儀測量身管直徑，計(jì)算出增量。為了提高測量精度，提出和改進(jìn)了相應(yīng)的測量方法與測量系統(tǒng)[24]。但因操作的不可控性、每次測量點(diǎn)不完全重合等因素影響，測量結(jié)果相對誤差較大，不能精確評估身管壽命。表1為某測量員對某炮內(nèi)膛定點(diǎn)徑向磨損量的測量值[25]，其結(jié)果表明誤差較大。

表1 某炮內(nèi)膛定點(diǎn)徑向磨損量測量數(shù)據(jù) mm

序號(hào)測量方向右右下下左下左左上上右上徑向磨損量10.8100.8200.8420.8400.8040.7860.8680.8200.82320.8500.7380.8100.7650.7620.7810.8010.7580.78330.7250.7280.8070.7770.7100.7780.8190.7710.76440.7770.7340.8100.7600.7570.7990.7680.7820.77350.7610.7860.7770.7790.7610.7810.7500.7690.770極差0.0890.0920.0650.0800.0940.0210.1180.0720.059相對誤差/%12.2812.648.37010.5313.242.70015.739.5007.720

針對W法測量誤差大的情況，文獻(xiàn)[25]提出了陽線坡膛段錐度法：即通過測量與計(jì)算坡膛段的斜率，根據(jù)其變化量評估身管燒蝕磨損壽命。此方法減小了測量點(diǎn)定位難等問題引起的誤差，以研究坡膛段的磨損代替點(diǎn)的磨損，提高預(yù)測的可靠性。

1.3.2 藥室增長量ΔL法

研究認(rèn)為，每次彈丸裝填時(shí)彈帶的初始擠進(jìn)量一定，即藥室長度一定。隨射彈數(shù)增加，內(nèi)膛直徑增大，若彈帶初始擠進(jìn)量不變，則藥室增長。即測量藥室增長量ΔL可知初速變化，進(jìn)而預(yù)測身管壽命。但因彈丸裝填力度、系統(tǒng)誤差和測量誤差等，難以精確地確定藥室增長量與初速下降量的關(guān)系，預(yù)測精度低。文獻(xiàn)[26]中對近百根身管的藥室增長量進(jìn)行測量分析表明：ΔL法計(jì)算初速下降量的相對誤差達(dá)3.79%?，F(xiàn)已不采用此方法預(yù)測評估身管的燒蝕磨損壽命。

1.3.3 炮口初速測量法

此方法在研究早期有所發(fā)展，測速方式有：炮口初速測定器測速、測速雷達(dá)測速、靶網(wǎng)測速和紅外區(qū)截測速等。文獻(xiàn)[27]中結(jié)合紅外線發(fā)光管與光敏管，采用光纖傳感器測量彈丸通過紅外光區(qū)域時(shí)光通量突變的脈沖信號(hào)，測定彈丸初速，預(yù)測身管壽命。初速測量法雖能直接評估身管壽命，但由于其對測量環(huán)境要求高、測量儀操作復(fù)雜及價(jià)格昂貴等因素，難以在部隊(duì)使用。

2 身管疲勞壽命

2.1 身管疲勞破壞的機(jī)理

疲勞破壞是指構(gòu)件在交變載荷作用下，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的交變應(yīng)力和應(yīng)變，發(fā)生疲勞損傷。其特征有：構(gòu)件在整體應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限σb時(shí)破壞、無明顯塑性變形的突然破壞、局部破壞和損傷積累等。

身管的疲勞破壞是指發(fā)射過程中，火藥燃?xì)庾饔檬股砉軆?nèi)表面溫度達(dá)1 000 ℃甚至更高、壓力達(dá)300～700 MPa，并處于升溫、降溫、加壓、卸壓的環(huán)境。連續(xù)射擊時(shí)循環(huán)熱應(yīng)力與燃?xì)鈮毫ι砉艹掷m(xù)作用。當(dāng)達(dá)到一定射彈數(shù)時(shí)身管內(nèi)表面產(chǎn)生網(wǎng)狀龜裂紋。隨射彈數(shù)增加，初始裂紋沿身管徑向和軸向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，身管急劇失穩(wěn)，發(fā)生斷裂的疲勞破壞。同時(shí)，在不同射擊頻率下，擠進(jìn)過程中急劇增大與變化的擠壓應(yīng)力和摩擦力亦造成身管疲勞破壞[28]。身管疲勞本質(zhì)上屬于熱機(jī)械疲勞，發(fā)射時(shí)，身管在同時(shí)受到溫度和機(jī)械的作用下工作，熱積累效應(yīng)對熱應(yīng)力影響顯著[29]。

2.2 疲勞壽命

疲勞壽命是指火炮多次射擊，熱化學(xué)和應(yīng)力等反復(fù)作用，身管機(jī)械性能下降，內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋并不斷生長、擴(kuò)展至最終斷裂，身管壽命終止。從疲勞損傷的發(fā)展過程看，火炮身管的疲勞壽命分為裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和快速斷裂3個(gè)階段。因第三階段裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，身管快速斷裂，所以將前兩個(gè)階段稱為疲勞全壽命階段[30]。介于疲勞破壞特征，身管的疲勞破壞往往在沒有明顯征兆的情況下發(fā)生。如美軍175 mm加榴炮，曾在沒有任何異常或持續(xù)膛壓的情況下發(fā)生炸膛事件。因此，研究身管疲勞壽命對武器系統(tǒng)的安全性、可靠性具有重要意義。

國內(nèi)外身管疲勞壽命的確定方法有3種[31]：法1：實(shí)彈射擊試驗(yàn)。能真實(shí)準(zhǔn)確地確定身管疲勞壽命，但人力物資消耗巨大、試驗(yàn)周期長且不安全，不再采用。法2：液壓疲勞模擬實(shí)驗(yàn)。適應(yīng)性強(qiáng)、費(fèi)用低、結(jié)果可靠及操作安全，被英、美、德等多國采用。法3：用斷裂力學(xué)理論估算身管疲勞壽命，目前國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。

大量數(shù)據(jù)表明：在100～200發(fā)實(shí)彈后，火炮身管內(nèi)表面初始裂紋深度a0約為0.5～1.0 mm。交變載荷作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)其達(dá)到臨界裂紋深度ac時(shí)，身管發(fā)生破壞。將裂紋由a0擴(kuò)展到ac的階段稱為裂紋擴(kuò)展階段。研究表明，內(nèi)膛初始裂紋數(shù)目和尺寸對身管疲勞壽命有著顯著影響[32]。身管疲勞試驗(yàn)的目的即是通過計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率da/dN來預(yù)測身管疲勞壽命。文獻(xiàn)[1]中通過分析已有初始裂紋身管的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的da/dN-a、a-N曲線圖，預(yù)測身管疲勞壽命。文獻(xiàn)[33]中通過有限元仿真，分析了擠進(jìn)壓力、燃?xì)鈮毫ι砉芷趬勖挠绊?，其結(jié)果與美軍同型號(hào)火炮身管實(shí)彈試驗(yàn)相近。針對身管內(nèi)表面裂紋深度測量難等問題，研究者提出射線探傷、磁粉探傷和超聲探傷等無損檢測法來測量裂紋深度。文獻(xiàn)[34]中提出用相控聚焦超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)檢測身管不同損傷的特征信號(hào)，進(jìn)而分析身管損傷情況及損傷速率。

3 身管壽命預(yù)測

火炮發(fā)射過程中，因燒蝕磨損和疲勞造成的身管損傷及壽命終止問題，極大地降低了火炮系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，如何在復(fù)雜工況下對身管壽命進(jìn)行定性定量評估是火炮研究者與使用者亟待解決的問題?，F(xiàn)對應(yīng)用較多的W法預(yù)測身管壽命進(jìn)行闡述，并針對現(xiàn)有身管壽命預(yù)測方法存在的不足，提出一種新的身管壽命預(yù)測方法。

3.1 W法預(yù)測身管壽命

W法是建立內(nèi)膛直徑與射彈數(shù)、炮口初速間的關(guān)系，通過測量身管內(nèi)膛直徑預(yù)測身管壽命。文獻(xiàn)[12]建立身管內(nèi)膛定點(diǎn)磨損量與射彈數(shù)的關(guān)系判別身管壽命

Wmax=2(tsh+A)

(1)

式中：tsh為膛線高度；A為常數(shù)。

N=n[(W→Wmax)/L]

(2)

式中：n[ (W→Wmax)/L]為身管軸向L處內(nèi)膛磨損量W達(dá)到極限膛徑磨損量Wmax時(shí)的射彈數(shù)。文獻(xiàn)[35]建立內(nèi)膛磨損量與初速下降率的關(guān)系判別身管壽命

Δv0(Y)=C·WK

(3)

式中：ΔV0=(V0-Von/V0)100%; ΔV0(Y)為預(yù)測的相對初速下降率；W為內(nèi)膛磨損量；C,K為擬合參數(shù)。

N=n[Δv0=V0max]

(4)

(5)

式中：SN(Y)為預(yù)測的火炮剩余壽命百分?jǐn)?shù)；V0max為壽命終止時(shí)的相對初速下降率。

3.2 基于局部應(yīng)變的身管壽命預(yù)測方法

目前身管壽命預(yù)測方法均不能做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，且是單方面考慮燒蝕磨損或疲勞對身管壽命的影響。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對火炮性能要求的提高，能承受高膛壓、高強(qiáng)度及質(zhì)量輕的身管以及燒蝕磨損與疲勞耦合作用下身管壽命的預(yù)測成為新的研究重點(diǎn)。

3.2.1 方法可行性

研究表明：相同加載條件下，不同的結(jié)構(gòu)其應(yīng)變不同，反之，通過應(yīng)變的變化可以推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的變化。文獻(xiàn)[36]研究了輸油管道內(nèi)表面有無磨損時(shí)的應(yīng)變情況，文獻(xiàn)[37]研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)在有無疲勞裂紋時(shí)的應(yīng)變情況，并通過其應(yīng)變的變化確定磨損量的大小和疲勞裂紋的深度，分析結(jié)構(gòu)的壽命。由此表明通過應(yīng)變分析結(jié)構(gòu)損傷的方法是可行的。

燒蝕磨損和疲勞耦合作用下，身管內(nèi)表面局部磨損與形成裂紋，在燃?xì)鈮毫ΑD壓力和摩擦力等作用下，身管外壁面應(yīng)變會(huì)發(fā)生變化?；诜磫栴}研究思想，可以通過測量分析身管外壁面應(yīng)變的變化來分析身管結(jié)構(gòu)的損傷情況，進(jìn)而預(yù)測身管壽命。

建立完好的和有4處2 mm深損傷的155 mm火炮身管橫截面二維模型，在其內(nèi)表面加載351.5 MPa壓強(qiáng)，通過ANSYS仿真得其應(yīng)變?nèi)鐖D3、圖4所示。

圖3 完好身管應(yīng)變圖

圖4 損傷身管應(yīng)變圖

分析可知：完好身管最外部應(yīng)變?yōu)? 200 με,損傷身管最外部應(yīng)變?yōu)?00 με，從理論上證實(shí)了不同身管結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的應(yīng)變。文獻(xiàn)[38-39]對發(fā)射過程中身管軸向和徑向應(yīng)變情況進(jìn)行了仿真分析，文獻(xiàn)[40]對155 mm火炮身管發(fā)射過程中外表面的應(yīng)力與應(yīng)變情況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)與測量分析，得出身管外表面應(yīng)變隨著身管磨損、疲勞裂紋等變化而變化。為通過分析應(yīng)變變化情況研究身管損傷和壽命預(yù)測提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

3.2.2 方法與模型簡述

槍炮發(fā)射涉及彈、炮、藥三者組成的系統(tǒng)，通過測試分析不同射彈數(shù)后身管外表面應(yīng)變預(yù)測身管壽命的方法[41]，即建立身管外壁面應(yīng)變測試系統(tǒng)，分析彈帶直徑db、彈帶長度lb、彈帶結(jié)構(gòu)sb、彈帶材料mb、膛線結(jié)構(gòu)sr、膛線類型kr、坡膛結(jié)構(gòu)sc、身管內(nèi)表面狀態(tài)sB及發(fā)射藥種類、裝藥量等因素在膛壓和彈帶作用力等作用下對身管外壁面應(yīng)變?chǔ)诺挠绊懸?guī)律，即

ε=f(db,lb,sb,mb,sr,kr,sc,sB,rL)

(6)

式中：rL為發(fā)射藥的影響。

新炮啟用開始，每一發(fā)射彈其外表面均產(chǎn)生唯一的應(yīng)變?chǔ)牛钌砉軌勖鼮镹發(fā)，建立第i發(fā)射彈的應(yīng)變?chǔ)舏與射彈發(fā)數(shù)Ri的函數(shù)關(guān)系模型，即

Ri=f(εi)i=1～N

(7)

前后相鄰的任意兩發(fā)同種彈的應(yīng)變增量為

Δεi=εi-εi+1i=1～N-1

(8)

式中：εi反映了第i發(fā)彈射擊后的身管健康狀況；Δεi表征射擊第i+1發(fā)彈給身管造成的新?lián)p傷。即第一發(fā)彈和壽命終止時(shí)第N發(fā)彈之間的應(yīng)變增量總和為

(9)

根據(jù)以上分析，通過模擬、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與實(shí)彈驗(yàn)證等，建立身管射彈數(shù)Ri+1與應(yīng)變?chǔ)?、?yīng)變增量Δε的壽命預(yù)測模型

Ri+1=f(εi,Δεi)i=1～N

(10)

3.2.3 方法的對比分析

如前所述，W法預(yù)測身管壽命，其測量的可操作性差、模型的適用性不強(qiáng)及預(yù)測精度低。而基于外壁面應(yīng)變的身管壽命預(yù)測方法，綜合考慮了燒蝕磨損與疲勞耦合作用對身管壽命的影響，應(yīng)變?chǔ)抛鳛樯砉芙】禒顩r的特征參數(shù)科學(xué)性強(qiáng)，應(yīng)變測量操作方便且其精度高，使身管壽命預(yù)測更加實(shí)時(shí)精確。

4 結(jié)束語

本文對燒蝕磨損、疲勞等導(dǎo)致身管失效的機(jī)理、影響因素等研究進(jìn)行了總結(jié)歸納，分析了現(xiàn)有身管壽命預(yù)測方法和模型。針對其存在的不足，為提高身管壽命評估方法的科學(xué)性、適用性和可操作性，提出一種以身管外壁面應(yīng)變?yōu)閰?shù)特征的壽命預(yù)測新方法。該方法體現(xiàn)了彈-炮-藥系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，應(yīng)變參數(shù)的演變過程與身管壽命的衰變過程有明確的映射關(guān)系，能更好地表征磨損和疲勞耦合作用下的身管損傷情況。該方法的科學(xué)性和實(shí)際可操作性更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)槍炮射擊過程中身管健康的實(shí)時(shí)評估，可提高身管壽命預(yù)測的精度。

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(責(zé)任編輯唐定國)

Failure Mechanism and Life Prediction of Gun Barrel

LIU Bang-jun, CHEN Rong-gang, WU Bin

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China)

Aiming at the difficult point in the long-term research on the life prediction of gun barrel, this paper summarized the methods and models of the life prediction of gun barrel, and analyzed the characteristics and shortcomings. In view of the traditional life prediction methods could not accurately assess the failure time of gun barrel. According to the relationship among the barrel health, outside surface strain and rounds (barrel life), a way of life prediction of gun barrel which based on strain variation was put forward.

failure mechanism; life prediction; strain variation

2016-07-25；

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475471)

劉幫俊(1992—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械電子工程研究,E-mail:rogy07@163.com。 陳榮剛(1960—)，男，博士，教授，主要從事機(jī)械電子工程研究。 吳斌(1971—)，男，博士，副教授，主要從事槍炮，摩擦學(xué)與表面工程研究，E-mail:mewubin@tom.com。

10.11809/scbgxb2016.12.028

format:LIU Bang-jun, CHEN Rong-gang, WU Bin.Failure Mechanism and Life Prediction of Gun Barrel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):121-125.

TJ3

A

2096-2304(2016)12-0121-06

劉幫俊，陳榮剛，吳斌.火炮身管失效機(jī)理和壽命預(yù)測[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):121-125.

修回日期：2016-08-30