某超高射速艦炮彈藥筒膛內(nèi)橫斷問題技術(shù)分析

馬獻(xiàn)懷

(海軍裝備部西安局，陜西 西安710043)

摘要：針對(duì)某超高射速艦炮及其彈道炮試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的藥筒膛內(nèi)橫斷問題，通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、理論分析和故障還原試驗(yàn)，確定了故障原因。根據(jù)故障機(jī)理，經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，提出了解決措施，經(jīng)過后續(xù)多次射擊試驗(yàn)驗(yàn)證，故障再未復(fù)現(xiàn)，證明了解決措施的可行有效。分析結(jié)果對(duì)解決速射火炮類似故障有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超高射速；火炮；藥筒；橫斷；間隙

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2014-04-30；修回日期： 2014-07-08

作者簡(jiǎn)介：馬獻(xiàn)懷(1962-)，男，高級(jí)工程師，主要從事艦炮武器系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：maxianhuai@sina.com

Technical Analysis of Cartridge Breaking in Bore for Super-high

Firing Rate Naval Gun

MA Xianhuai

(Xi’an Bureau of Naval Equipment Department, Xi’an710043, Shaanxi, China)

Abstract:Aimed at the cartridge breaking problem occurred during the test of super-high firing rate naval gun and ballistic gun, the failure causes were determined by site investigation, theoretical analysis and failure reproduction test. The solution was proposed based on the failure mechanism and technology research. The same failure hasn't occurred again during many firing test. The results show the solution is reasonable and feasible, which provides an important reference value for solving similar failure of rapid-fire gun.

Key words：super-high firing rate; gun; cartridge; break; gap

速射火炮藥筒膛內(nèi)橫斷是火炮射擊中嚴(yán)重的故障，易造成自動(dòng)機(jī)損毀，此類問題一直被高度關(guān)注和重視。針對(duì)某超高射速艦炮及其彈道炮試驗(yàn)中多次出現(xiàn)的藥筒膛內(nèi)橫斷問題，通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、理論分析和故障還原試驗(yàn)，確定了故障原因，提出了解決措施。

1藥筒橫斷故障現(xiàn)象

在某超高射速艦炮及其彈道炮的射擊試驗(yàn)中，出現(xiàn)了3次藥筒膛內(nèi)橫斷現(xiàn)象，故障現(xiàn)象如下：

1)彈道炮上出現(xiàn)2次藥筒膛內(nèi)橫斷現(xiàn)象。2發(fā)藥筒均在距底部約36 mm處發(fā)生斷裂，如圖1所示，射后檢查，并未發(fā)現(xiàn)彈道炮其他零部件損毀，留膛斷裂藥筒易取出。

2)自動(dòng)炮上出現(xiàn)1次藥筒膛內(nèi)橫斷現(xiàn)象。藥筒斷裂部位發(fā)生在距筒口部約35 mm處，如圖2所示。檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂藥筒前部留膛，造成自動(dòng)機(jī)卡滯，機(jī)芯頭與機(jī)芯體配合的導(dǎo)引槽發(fā)生斷裂，開鎖凸輪前端面嚴(yán)重劃傷，炮箱后螺旋槽塊擠壓留痕;并因射擊堵轉(zhuǎn)造成射擊控制系統(tǒng)變頻器驅(qū)動(dòng)模板電容爆裂，發(fā)火機(jī)燒蝕，大功率保險(xiǎn)損壞等。

2故障分析

2.1　藥筒變形和位移過程分析

根據(jù)膛內(nèi)壓力變化，可將藥筒在膛內(nèi)的變形和位移分為4個(gè)階段[1-2]：

1)第1階段為消除初始間隙階段，此階段是發(fā)射藥燃燒初期，膛內(nèi)壓力較低，藥筒膨脹消除徑向初始間隙，形成閉氣密封。隨著彈丸膛內(nèi)前移，火藥氣體壓力使藥筒同時(shí)產(chǎn)生軸向位移，消除軸向初始間隙。

2)第2階段從消除初始間隙到最大膛壓出現(xiàn)，此階段藥筒和炮膛均產(chǎn)生最大變形，炮膛為彈性變形，藥筒為彈塑性變形。在軸向力的作用下，藥筒的軸向位移和拉伸變形達(dá)到了最大值，如圖3所示。

3)第3階段是從膛壓最大值到后效作用期終了。隨著膛壓下降，炮膛和其他機(jī)構(gòu)彈性恢復(fù)至初始位置，而藥筒只能部分彈性恢復(fù)，其發(fā)生的塑性變形使藥筒和炮膛處于過盈狀態(tài)。由于藥筒各區(qū)壁厚差異及塑性變形對(duì)材料的強(qiáng)化，過盈程度從藥筒下至上部逐漸增大；同時(shí)，由于火炮機(jī)構(gòu)軸向彈性變形完全恢復(fù)，藥筒彈塑性變形部分恢復(fù)，使炮閂推動(dòng)藥筒軸向前移，藥筒楔緊炮膛。

4)第4階段是指從后效作用終了至膛壓恢復(fù)到大氣壓力階段。此時(shí)火炮機(jī)構(gòu)和藥筒彈性恢復(fù)完成，藥筒塑性變形最終形成殘余變形。

2.2　尺寸鏈分析

通常情況下，軸向變形是造成藥筒膛內(nèi)橫斷的主要因素之一，美國(guó)曾公布了20 mm彈藥黃銅藥筒膛內(nèi)允許拉伸量是0.381 mm，在推斷30 mm鋼質(zhì)藥筒膛內(nèi)允許拉伸量上可參考此數(shù)據(jù)[3]。

由藥筒制造工藝可知，藥筒3次沖壓延伸形成的壁厚有3個(gè)區(qū)段，如圖4所示，可分為上A、中B和下C 3個(gè)區(qū)，D截面為圖1中斷裂截面，E截面為圖2中斷裂截面。

根據(jù)藥筒與炮膛的尺寸鏈分析，炮膛一錐、二錐軸向設(shè)計(jì)尺寸分別為123.5+0.1mm、131.64+0.1mm，炮膛尾端距炮閂鏡面設(shè)計(jì)尺寸為11.5+0.1mm，藥筒一錐、二錐軸向設(shè)計(jì)尺寸分別為135-0.63mm、143-0.63mm，計(jì)算可知，炮膛與藥筒一錐、二錐軸向最大間隙可達(dá)0.83 mm和0.97 mm。

2.3　藥筒與炮膛間隙實(shí)測(cè)

為驗(yàn)證上述分析，對(duì)彈炮藥室匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，選擇352發(fā)不同批次合格彈藥與彈道炮和全形規(guī)合膛，發(fā)現(xiàn)彈底面與炮膛后端面間隙值范圍為9.3～10.5 mm，相差1.2 mm，彈底面與全形規(guī)端面間隙值范圍是-0.4～0.9 mm，相差1.3 mm，兩種測(cè)量方式結(jié)果基本一致。經(jīng)三百余組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，繪出的彈和炮膛配合軸向間隙數(shù)值曲線，如圖5所示，基本呈正態(tài)分布。同時(shí)這也表明，藥筒空間形位尺寸分布會(huì)直接影響藥室彈膛間軸向間隙。

2.4　故障原因定位

通過藥筒變形和位移過程分析、尺寸鏈分析和藥筒與炮膛間隙實(shí)測(cè)，可初步確定以下2個(gè)故障原因。

1)圖1中彈道炮射擊膛內(nèi)藥筒后部橫斷故障，主要原因是膛內(nèi)藥筒底面與閂體鏡面有軸向間隙，且間隙量超過藥筒最大允許拉伸極限值。

2)圖2中自動(dòng)炮連發(fā)射擊試驗(yàn)出現(xiàn)的膛內(nèi)藥筒前部橫斷現(xiàn)象，主要原因是藥筒一錐與炮膛一錐有徑向間隙，且間隙量超過藥筒最大允許拉伸極限值。

2.5　故障還原試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述故障原因，設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)方案：

1)在上述檢測(cè)的352發(fā)彈藥樣本中，選出彈底面至炮膛端面尺寸較小的彈，在彈道炮上進(jìn)行人工設(shè)置后端面間隙，間隙量約為1.6 mm，射擊至第6發(fā)時(shí)出現(xiàn)與圖1完全相同的橫斷現(xiàn)象，試驗(yàn)終止。測(cè)量了彈底面與炮膛后端面的距離L，如圖6所示，表1數(shù)據(jù)給出了藥筒延伸變形的程度。

表1　彈道炮藥筒(尾部)斷裂驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

彈序號(hào)123456射前值/mm9.49.49.59.59.59.5射后值/mm11.711.6811.7--12.4試驗(yàn)結(jié)果未斷未斷未斷未斷未斷斷裂

2)選擇尺寸公差較大的20發(fā)彈在出現(xiàn)過藥筒橫斷的自動(dòng)炮上進(jìn)行連發(fā)射擊試驗(yàn)，藥筒一錐前部均劃間距5mm刻線，如圖7所示，射后測(cè)量刻線間距變化，除1發(fā)外，其余19發(fā)均存在刻線間距增大現(xiàn)象，其中最大值為0.6 mm，表2為出現(xiàn)變形較大的10發(fā)數(shù)據(jù)。盡管連發(fā)射擊沒有出現(xiàn)藥筒橫斷現(xiàn)象，但藥筒經(jīng)射擊后一錐末端均出現(xiàn)明顯塑性延伸。

表2　射擊前后藥筒刻線間距變化對(duì)比

彈序號(hào)12345射前/mm5.005.005.005.005.00射后/mm5.155.235.415.605.32差值/mm0.150.230.410.600.32彈序號(hào)678910射前/mm5.005.005.005.005.00射后/mm5.545.485.195.355.57差值/mm0.540.480.190.350.57

經(jīng)過彈道炮和自動(dòng)炮故障還原試驗(yàn)， 進(jìn)一步驗(yàn)證了故障原因。

3解決措施及驗(yàn)證

圖1中藥筒在彈道炮膛內(nèi)橫斷故障，主要是由藥筒與彈道炮炮膛軸向間隙造成的，因此可采用定位環(huán)裝填彈藥，使軸向間隙消除。采用此措施后，進(jìn)行了800發(fā)的彈道炮射擊驗(yàn)證試驗(yàn)，再未發(fā)生橫斷現(xiàn)象。

圖2中藥筒在自動(dòng)炮膛內(nèi)橫斷故障，主要是由于藥筒與炮膛一錐徑向間隙過大造成的。因此，對(duì)出現(xiàn)問題的藥筒同批產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)查，包括產(chǎn)品圖紙資料、生產(chǎn)流程、原材料、各特殊工藝過程以及自動(dòng)炮彈膛相關(guān)狀態(tài)等，重新設(shè)計(jì)了藥筒成形的技術(shù)約束條件，控制藥筒一錐與炮膛一錐的間隙量。采用此措施后，在后續(xù)的射擊試驗(yàn)中，新藥筒未發(fā)生橫斷現(xiàn)象[4-5]。

4結(jié)束語

在某超高射速艦炮及其彈道炮藥筒膛內(nèi)橫斷問題的技術(shù)攻關(guān)中，故障定位準(zhǔn)確，措施可行有效，問題得到了徹底解決。解決問題的思路及方法對(duì)速射火炮此類故障的解決具有重要的借鑒意義。

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