張凱奇，周春桂，王志軍，尹建平，吳國東，孫艷馥

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

槍炮發(fā)射過程中壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張凱奇，周春桂，王志軍，尹建平，吳國東，孫艷馥

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

為了對(duì)槍炮進(jìn)行發(fā)射過程中壓力測試，本著簡單方便，易操作的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一個(gè)銅柱測壓器。以雷明頓870散彈槍為例，利用銅柱測壓器與槍管進(jìn)行螺紋連接測量槍內(nèi)燃?xì)鈮毫?。利用UG軟件對(duì)散彈槍結(jié)構(gòu)以及銅柱測壓器進(jìn)行三維實(shí)體建模。然后給定一個(gè)壓力，利用ANSYS軟件對(duì)銅柱進(jìn)行變形分析，并通過銅柱的變形量查表得出膛內(nèi)的燃?xì)鈮毫?。研究成果可供迅速測量槍炮發(fā)射過程中任意位置的膛內(nèi)壓力，簡單方便，成本低。

散彈槍；銅柱測壓器；三維實(shí)體建模；變形分析

根據(jù)測試原理的不同，槍炮發(fā)射過程中壓力測試方法主要分為兩大類：一類是以銅柱測壓為代表的塑性測壓法。自19世紀(jì)60年代諾貝爾首次使用銅柱測壓法測得膛內(nèi)火藥燃?xì)庾畲髩毫?，一百多年來，古老的銅柱測壓法在“實(shí)用彈道學(xué)”領(lǐng)域內(nèi)一直是膛壓測量的主要技術(shù)手段。其測量原理是通過對(duì)其因膛內(nèi)高壓氣體而產(chǎn)生變形的銅柱高度進(jìn)行測量，然后查表換算得到膛內(nèi)的壓力。一類是以壓電測壓為代表的彈性測壓法，它的典型代表是壓電測壓法。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，壓電測壓法又分為存儲(chǔ)式和引線式。其中存儲(chǔ)式電子測壓器的外形和方式與銅柱測壓法相似，但其核心是測壓傳感和存儲(chǔ)電路[1-2]。可是由于造價(jià)過高，且測試裝置體積過大，使用場合受到一定限制。引線式測壓法具有測量精度高，反應(yīng)速度快，能自動(dòng)、連續(xù)的進(jìn)行測量，能遠(yuǎn)距離傳輸以及易于和許多后續(xù)數(shù)據(jù)處理儀器和計(jì)算機(jī)連用等優(yōu)點(diǎn)。其測量原理是火藥燃?xì)馔ㄟ^測壓孔作用在壓力傳感器上使其輸出相應(yīng)的電信號(hào)，通過電信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量、分析。

銅柱測壓法雖然古老，但其優(yōu)點(diǎn)簡便可靠，能反映膛內(nèi)壓力的穩(wěn)定性并能迅速得出膛壓的結(jié)果。它非常適合工廠產(chǎn)品校驗(yàn)和選裝藥量，至今被國家采用驗(yàn)收產(chǎn)品。李靜研究了對(duì)放入式測壓器分級(jí)判據(jù)及測量不確定度[3]；吳晉軍，張新慶，蔣燕等研究了銅柱測壓在高能氣體壓裂技術(shù)中的應(yīng)用[4]；鄧欣偉研究了內(nèi)彈道的膛壓檢測方法[5]；尤文斌，馬鐵華，丁永紅，張晉業(yè)等研究了電子測壓器與銅柱測壓器在膛壓測試中結(jié)果差異分析[6]；吳安森研究了關(guān)于銅柱測壓法的新探索[7]。以上這些學(xué)者主要是對(duì)銅柱測壓法進(jìn)行了研究，但對(duì)于銅柱測壓法只能測量膛內(nèi)壓力峰值，測量不靈活的缺點(diǎn)研究很少。

為了減少成本，使測量簡單靈活，克服銅柱測壓器只能測量膛內(nèi)壓力峰值的缺點(diǎn)，根據(jù)銅柱測壓法原理設(shè)計(jì)出銅柱測壓器，并且通過一個(gè)螺母把銅柱測壓器與槍管相連接，從而測出槍發(fā)射程中膛內(nèi)的壓力。再利用ANSYS軟件[8]對(duì)銅柱進(jìn)行變形分析，根據(jù)銅柱的變形量通過查表得出理論膛壓，并與指標(biāo)膛壓比較，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的銅柱測壓器。該設(shè)計(jì)同樣適用于火炮，本文僅以雷明頓870散彈槍為例。

1 銅柱測壓器

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本次設(shè)計(jì)是以測量雷明頓870散彈槍發(fā)射過程中的壓力為例，所以根據(jù)雷明頓870散彈槍膛內(nèi)燃?xì)鈮毫ψ兓那闆r及銅柱塑性變形要求的情況初步選定銅柱直徑為3 mm，銅柱長度5 mm。為了配合銅柱的大小選用了國標(biāo)M10這款螺栓，再根據(jù)螺栓設(shè)計(jì)出銅柱測壓器的本體，本體外徑為16 mm，本體內(nèi)徑為12 mm，本體長為17 mm；根據(jù)本體的內(nèi)徑以及螺紋可確定螺母長7 mm，螺紋大徑12.5 mm，螺紋小徑12 mm。根據(jù)本體的內(nèi)徑與螺母的內(nèi)徑可確定活塞頂部直徑8 mm，活塞頂部長度2 mm，活塞撞桿直徑8 mm，活塞撞桿長度8 mm。根據(jù)銅柱的直徑與本體的內(nèi)徑可確定橡膠圈外徑為12 mm，橡膠圈內(nèi)徑3 mm，橡膠圈外圈厚度2 mm，橡膠圈內(nèi)圈厚度1 mm。銅柱測壓器的零件如圖1所示。

圖1 銅柱測壓器各零件圖

本次設(shè)計(jì)的銅柱測壓器是通過螺栓與本體連接后，將橡膠圈裝進(jìn)本體內(nèi)，按照橡膠圈的位置安裝好銅柱，接著彈簧安裝在活塞上一起放進(jìn)本體，緊挨銅柱的底面，最后用螺母按螺紋連接的方式跟本體連接起來。這樣銅柱測壓器的裝配便已完成，裝配圖如圖2所示。

圖2 銅柱測壓器裝配圖

綜上所述:銅柱測壓器各零件的尺寸匯總成表如表1所示。

表1 銅柱測壓器各零件尺寸 mm

1.2 工作原理

該裝置在受到膛內(nèi)高壓氣體作用時(shí)，活塞撞桿由于受到瞬間的超高壓力氣體的推動(dòng)作用，相對(duì)本體進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)銅柱造成壓力，同時(shí)銅柱也受到橡膠圈的壓力進(jìn)而造成縱向的變形。測試完成后，取出銅柱測量其縱向變形量，根據(jù)變形量對(duì)照該銅柱的壓力表即可得出測量的壓力值。

1.3 特點(diǎn)

該裝置的特點(diǎn)主要是可以用螺紋跟槍管或炮管連接從而測量出槍炮的膛內(nèi)壓力，同時(shí)也可以測量槍炮發(fā)射工程中各個(gè)時(shí)間段的膛內(nèi)壓力，降低了測量成本，增加了測量的靈活性。

1.4 與槍管的連接

該裝置可測量多種武器膛內(nèi)壓力，這里僅以雷明頓870散彈槍為例，對(duì)雷明頓870散彈槍的槍管進(jìn)行改造，在要測量的位置上開出一個(gè)螺紋孔，使銅柱測壓器和槍管進(jìn)行連接，銅柱測壓器與槍管連接方式如圖3所示。

2 測壓系統(tǒng)的三維實(shí)體建模以及銅柱的變形分析

2.1 實(shí)體建模

UG是一個(gè)交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。UG實(shí)體建模，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建模方法，并輔之以布爾運(yùn)算，使用戶既可以進(jìn)行參數(shù)化建模，又可以方便地使用非參數(shù)方法生成三維模型。另外還可以對(duì)部分參數(shù)化或非參數(shù)化模型再進(jìn)行二次編輯，以方便生成復(fù)雜機(jī)械零件的實(shí)體模型。本文分別對(duì)銅柱測壓器各個(gè)零件以及改造過的槍管進(jìn)行了實(shí)體建模，如圖4所示。隨后將銅柱測壓器進(jìn)行裝配如圖5所示。再將槍管與銅柱測壓器連接起來，如圖6所示。

圖3 銅柱測壓器與槍管的連接方式

圖4 槍管以及銅柱測壓器各零件實(shí)體建模

圖5 銅柱測壓器實(shí)體建模裝配圖

2.2 變形分析

根據(jù)指標(biāo)膛壓，對(duì)銅柱施加一個(gè)固定的載荷，然后運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)銅柱變形進(jìn)行分析，得到銅柱X以及Y方向變形圖,X方向變形圖如圖7所示，Y方向變形圖如圖8所示。根據(jù)X以及Y方向的變形量通過查表和計(jì)算即可得出所測得壓力。

圖6 槍管與銅柱測壓器連接方式的實(shí)體建模

圖7 X方向位移

圖8 Y方向位移

3 結(jié)論

1) 銅柱測壓器較好地解決了傳統(tǒng)銅柱測壓法測量壓力不夠靈活，只能測試壓力峰值的缺點(diǎn)。

2) 銅柱測壓器在與發(fā)射結(jié)構(gòu)連接中，使用螺紋連接，增強(qiáng)了測壓腔內(nèi)的密閉性，保證了測壓器使用的可靠性。

3) 銅柱測壓器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，成本低廉，可重復(fù)使用。對(duì)槍炮發(fā)射過程中膛壓的測試有一定的參考價(jià)值。

[1] 何強(qiáng)，馬鐵華，張瑜，等.存儲(chǔ)式電子測壓器應(yīng)用環(huán)境下動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[J].中國測試，2009，35(1):43-45.

[2] 席海軍,韓華,張瑜,馬英卓.基于單片機(jī)的微型存儲(chǔ)式電子測壓器設(shè)計(jì)[J].電子測試，2012(10):56-60.

[3] 李靜.放入式測壓器分級(jí)判據(jù)及測量不確定度研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[4] 吳晉軍，張新慶，蔣燕.銅柱測壓在高能氣體壓裂技術(shù)中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，1999(1):59-63,107.

[5] 鄧欣偉.內(nèi)彈道的膛壓檢測方法研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3):9-11.

[6] 尤文斌，馬鐵華，丁永紅，等.電子測壓器與銅柱測壓器在膛壓測試中結(jié)果差異分析[J].爆炸與沖擊，2017，37(3):571-576.

[7] 吳安森.關(guān)于銅柱測壓法的新探索[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，1996(2)：191-194.

[8] 郝艷娥，蘭永強(qiáng).基于ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)非線性有限元分析及應(yīng)用實(shí)例[J].電子測試，2014(21):166-167.

DesignofPressureTestSysteminGunFiringProcess

ZHANG Kaiqi， ZHOU Chungui, WANG Zhijun,YIN Jianping, WU Guodong, SUN Yanfu

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to test the pressure in the firing process of the gun, a copper column pressure gauge is designed based on the design principle of simple and easy operation. Taking remm 870 shotgun as an example, the gas pressure in the gun is measured by using the copper column pressure gauge and the barrel. The structure of shotgun and the copper of copper column are modeled by ug software. Then, a pressure is given, the deformation analysis of the copper column is carried out by ANSYS software, and the gas pressure in the bore is obtained through the deformation of the copper column. The research results can quickly measure the pressure of any position in the gun firing process, and it is simple and convenient, and the cost is low. The results can provide some reference value for the pressure test in the firing process.

shotgun; copper column pressure gauge; three-dimensional entity modeling; deformation analysis

2017-10-12；

2017-11-02

國家自然科學(xué)基金資助(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助(20160033，20170028)

張凱奇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.036

本文引用格式：張凱奇，周春桂，王志軍，等.槍炮發(fā)射過程中壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):159-162.

formatZHANG Kaiqi，ZHOU Chungui,WANG Zhijun,et al.Design of Pressure Test System in Gun Firing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):159-162.

TJ012.1

A

2096-2304(2017)12-0159-04

(責(zé)任編輯唐定國)