李貴虎, 徐家剛, 周 偉, 劉 洋, 渠志剛

(1.山西北方機械制造有限責任公司, 山西 太原 030051;2.中國北方工業(yè)有限公司, 北京 100053;3.北京某軍事代表局, 北京 100042)

0 引 言

某滑膛坦克炮配置炮射導(dǎo)彈、 穿甲彈、 破甲彈和殺傷爆破彈等多種炮彈[1], 具有威力大、 精度高的優(yōu)點, 但其重量大、 后坐阻力大, 為實現(xiàn)輕量化以滿足適配輕型裝甲底盤承載的需要, 首次通過加裝炮口制退器來實現(xiàn)減輕火炮質(zhì)量[2]、 降低后坐阻力的總體要求。 炮口制退器效率[3]是火炮設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù), 是衡量減少后坐部分動能的量, 一般采用阻力功法[4]來測定, 測試時需選配專用減裝藥[5], 而在選配裝藥試驗時會出現(xiàn)減裝殺傷爆破彈近彈[6]現(xiàn)象, 導(dǎo)致試驗中斷。

本文以某滑膛坦克炮發(fā)射減裝殺傷爆破彈近彈為背景, 建立了近彈故障樹[7], 并對故障樹進行了定性分析, 然后按照故障樹對故障模式進行了逐一的排查, 對排查過程中尚不能確定的可能引起近彈故障的膛壓不足的故障模式進行了分析與模擬驗證, 并通過仿真分析優(yōu)選了解決方案,經(jīng)試驗驗證, 該解決措施有效。

1 故障情況

某滑膛坦克炮進行選配專用減裝藥(炮口制退器效率測試用)時, 發(fā)射3發(fā)殺傷爆破彈減裝藥彈, 出現(xiàn)2 發(fā)近彈(計算射程6 km), 其中,第2發(fā)、 第3發(fā)分別位于射向試驗過程中為近彈,出膛后聽見異常旋轉(zhuǎn)嘯叫聲并分別向彈道線右側(cè)、左側(cè)各飛行2 km 左右落地, 落地距彈道線約1 km, 其中僅第3發(fā)回收, 經(jīng)查,4片僅1片尾翼張開(見圖1、 圖2及表1), 試驗中斷。

圖1 殺傷爆破彈(發(fā)射前)Fig.1 Killer explosion bomb (before launch)

圖2 殺傷爆破彈(回收后)Fig.2 Killer explosion bomb (after recycling)

表1 射擊試驗情況Tab.1 Shooting test condition

2 發(fā)射機理分析

2.1 發(fā)射機理

滑膛炮只能發(fā)射尾翼彈,尾翼彈有前張式、后張式、 次口徑、 鴨舵式等眾多種類[8], 而某滑膛坦克炮配用的殺傷爆破彈為尾翼穩(wěn)定的定裝式彈藥[9-10], 為方便存儲與裝填, 采用彈丸和藥筒分裝式結(jié)構(gòu)。 彈丸(見圖3)主要由引信、 彈體、 穩(wěn)定裝置等組成。 藥筒(見圖4)主要由底座、 底火、 發(fā)射裝藥、 可燃藥筒、 密封蓋等組成。 發(fā)射裝藥主要由粒狀藥和管狀藥構(gòu)成, 發(fā)射裝藥采用管、 ?；旌涎b藥, 其中管狀藥是主裝藥。

圖3 彈丸組成Fig.3 Pill composition

圖4 藥筒組成Fig.4 Cartridge composition

穩(wěn)定裝置由尾翼、 銷、 轉(zhuǎn)軸、 基座和卡座組成, 基座與彈體連接于一體,4片尾翼通過轉(zhuǎn)軸安裝于基座上, 轉(zhuǎn)軸遠離尾翼重心, 尾翼前端通過銷固定, 后端由可燃燒的卡座固定。

火炮發(fā)射時, 底火引燃發(fā)射藥, 在膛內(nèi)建立高壓, 推動彈丸向膛口運動直到獲得初速飛離炮口, 在發(fā)射過程中, 卡座在膛內(nèi)燃盡, 同時受燃氣壓力作用尾翼剪斷銷, 尾翼在慣性力作用下尾翼片由前向后轉(zhuǎn)動張開到位并與彈軸垂直, 在氣動力作用下產(chǎn)生穩(wěn)定力矩實現(xiàn)對彈丸的穩(wěn)定作用。

2.2 尾翼穩(wěn)定作用的條件

穩(wěn)定裝置的銷直徑為?3.80-0.11mm, 材質(zhì)為7A04, 熱處理狀態(tài)為T6, 對應(yīng)抗拉強度Rm≤490 MPa。 依據(jù)第三強度理論, 剪切破壞時, 銷能承受的剪切應(yīng)力為

式中:F翼為翼片受到的慣性力;F銷為銷受到的剪切力;L為銷受到的剪切力力臂長;L為翼片受到的慣性力力臂長。

圖5 尾翼受力情況Fig.5 Empennage stress condition

同時, 翼片的F翼由火炮發(fā)射時膛壓作用下的慣性力產(chǎn)生。

3 故障樹分析

3.1 建立故障樹

根據(jù)文獻[11], 尾翼穩(wěn)定裝置不僅對彈丸射程有影響, 還對彈丸精度和可靠性有著巨大影響。某滑膛炮采用的尾翼穩(wěn)定裝置是火藥氣體直接作用的尾翼, 其結(jié)構(gòu)比較簡單, 易滿足強度校核的要求, 但如果有炮口裝置時, 還需要解決尾翼張開可靠性與尾翼破損炮口制退器之間的矛盾。 而根據(jù)文獻[12], 發(fā)射尾翼彈的火炮在炮口制退器設(shè)計上, 中央彈孔須保持對尾翼的約束和噴火孔設(shè)計應(yīng)保證尾翼壓力分布較均勻, 才可避免翼片與炮口制退器中央彈孔碰撞。 基于某滑膛坦克炮是首次配置炮口制退器并進行減裝藥彈發(fā)射試驗,以及回收彈不完全打開的故障現(xiàn)象, 建立了近彈故障樹, 見圖6。

圖6 近彈故障樹Fig.6 Failure tree of short round

近彈故障樹中以近彈故障為頂事件, 彈與炮口制退器不匹配、 尾翼打開不正常作為中間事件,若這2個中間事件任一事件發(fā)生, 則頂事件就會發(fā)生, 故障事件編碼見表2。

表2 故障事件代碼Tab.2 Fault event code

3.2 故障樹的定性分析

故障樹定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能原因及其組合, 識別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的故障模式, 分析系統(tǒng)潛在的故障, 定性地認識系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié), 同時也為故障樹定量分析打下基礎(chǔ), 以便改進設(shè)計[7]。 在故障樹中, 凡是能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的底事件的集合稱之為一個割集,最小割集是那些屬于去掉其中任何一個底事件就不再成為割集的底事件集合, 僅當最小割集所包含的底事件同時存在時, 頂事件才發(fā)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樹的最小割集[14], 求解過程如下

故近彈的最小割集為{x1},{x2},{x3},…,{x10}。

通過以上分析, 機械擊發(fā)故障樹的10個最小割集, 代表了系統(tǒng)發(fā)生故障的10種模式, 由于最小割集均為一個基本事件組成的一階割集, 因此,每一基本事件的發(fā)生都會導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。

3.3 故障的初步排查情況

故障排查見表3。

表3 故障排查情況表Tab.3 Form of troubleshooting condition

備注:

1) 對X5的分析過程中, 依據(jù)文獻[2], 對中央彈孔尺寸d0進行了復(fù)核

式中:λ為炮口制退器膨脹行程;dH為火炮口徑;l0為炮口制退器氣流膨脹行程;β為中央彈孔中心線與炮膛軸線裝配后的夾角;δ為彈丸出膛時的章動角。

經(jīng)復(fù)核,d0=128.5 mm, 滿足相關(guān)規(guī)定。

2) 在X8的排查過程中對裝藥量的確定進行了分析, 根據(jù)專用減裝藥選配方法[5], 根據(jù)炮口效率設(shè)計值和殺傷爆破彈初速確定了專用減裝藥初速V0專=680 m/s, 并按單一裝藥考慮計算得出了專用減裝藥總裝藥量, 按發(fā)射裝藥配比對管狀藥和粒狀藥進行了分配, 射擊試驗過程中, 依據(jù)首發(fā)初速調(diào)整了藥量, 計算分析過程中未對膛壓以及尾翼剪切條件予以考慮, 這是出現(xiàn)近彈的根本原因。

4 內(nèi)彈道計算

混合裝藥是2種或以上不同種類火炮混合作為發(fā)射裝藥, 通過調(diào)整各組分火藥比值以及總裝藥量, 可以有效控制內(nèi)彈道性能[15]。 依據(jù)文獻[16]提供的方法, 應(yīng)用Matlab軟件對已試驗彈的膛壓與初速進行了混合裝藥內(nèi)彈道仿真, 發(fā)射裝藥參數(shù)見表4, 分析結(jié)果匯見表5。 仿真表明,初速與測試值接近, 第1發(fā)仿真膛壓大于剪切壓力, 炮彈飛行正常, 第2、3發(fā)仿真膛壓低于銷剪切壓力, 表明尾翼不會正常打開近而出現(xiàn)近彈。膛壓和初速仿真情況見圖7～圖12。

圖7 第1發(fā)v-l曲線Fig.7 The v-l curve of first firing shell

圖8 第2發(fā)v-l曲線Fig.8 The v-l curve of second firing shell

圖9 第3發(fā)v-l曲線Fig.9 The v-l curve of third firing shell

圖10 第1發(fā)P-t曲線Fig.10 The P-t curve of first firing shell

圖11 第2發(fā)P-t曲線Fig.11 The P-t curve of second firing shell

圖12 第3發(fā)P-t曲線Fig.12 The P-t curve of third firing shell

表4 裝藥情況Tab.4 Powder charge condition

表5 試驗仿真結(jié)果Tab.5 Results of test simulation

因此, 應(yīng)用Matlab軟件對混合裝藥的初速、膛壓進行模擬仿真的結(jié)果是可信的, 可以指導(dǎo)內(nèi)彈道裝藥設(shè)計。

為確保任務(wù)完成, 以減裝藥初速[675,685](單位為m/s)和膛壓不小于[260,265](單位為MPa)為內(nèi)彈道裝藥調(diào)整為目標, 應(yīng)用Matlab軟件, 對混合裝藥的配比進行了3種技術(shù)方案的仿真分析, 最終確定了專用減裝藥的配比, 詳見表6和圖13～圖14, 其中, 圖13中顯示方案3在2.95 m/s時膛壓達到最大為263.6 MPa, 圖14中顯示方案3初速為680.6 m/s, 表明方案3同時滿足了初速與膛壓2個要求。

圖13 裝藥優(yōu)選方案P-t曲線Fig.13 The P-t curve of favorable project of powder charge

圖14 裝藥優(yōu)選方案v-l曲線Fig.14 The v-l curve of favorable project of powder charge

表6 裝藥優(yōu)選方案Tab.6 Favorable project of powder charge

5 試驗驗證

調(diào)整裝藥及炮位后, 射擊減裝彈8發(fā), 彈丸飛行正常(見表7)。

表7 試驗結(jié)果Tab.7 Results of test

6 結(jié)束語

通過尾翼穩(wěn)定彈減裝藥近彈故障的分析研究表明:

1) 某滑膛坦克炮殺傷爆破彈采用火藥氣體直接作用式尾翼穩(wěn)定裝置, 射擊時須滿足其最低膛壓的要求, 使用條件受限, 建議改進為氣缸式尾翼穩(wěn)定裝置, 由彈尾氣缸在膛內(nèi)時注入高壓火藥氣體蓄能, 降低了對膛壓的要求, 具有張開迅速、同步性好且作用比較可靠等特點[17];

2) 由于初速與裝藥重量和裝藥配比相關(guān), 而現(xiàn)行國軍標規(guī)定的阻力功法對炮口效率測試的方法中只考慮了初速與裝藥重量的關(guān)系, 因此, 該方法已不適用, 其只能進行粗略的測試;

3) 采用現(xiàn)行國軍標規(guī)定的專用減裝藥選配方法不適用于有混合裝藥的彈藥的火炮, 在選配時需采用混合裝藥內(nèi)彈道計算方法予以調(diào)整。