沈 超,周克棟,陸 野,李峻松

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無錫 214082; 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094;3.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所, 北京 102202)

0 引言

槍彈發(fā)射時(shí)為減少火藥氣體的泄露,膛線與彈頭殼之間呈緊密接觸狀態(tài),并且陽線會(huì)在彈頭上形成若干道刻槽。刻槽與陽線之間的接觸力,可以分解為周向的導(dǎo)轉(zhuǎn)力和槍管軸向的擠進(jìn)阻力,前者使得彈頭產(chǎn)生高速自轉(zhuǎn),以保證彈頭出膛后的飛行穩(wěn)定性[1-2]。彈頭的表面形貌直接由線膛結(jié)構(gòu)參數(shù)(如陰、陽線寬度,陽線高度,膛線纏度等)所決定。隨著內(nèi)膛的磨損加重,陽線高度、寬度等會(huì)隨之降低,這會(huì)使得彈頭上的刻槽高度等隨之降低。此外,內(nèi)膛表面還分布著裂紋,燒蝕坑和剝落的鍍鉻層等損傷,在彈頭高速運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)劃傷彈頭表面,破壞彈頭的表面完整性,進(jìn)而影響其氣動(dòng)參數(shù)和外彈道性能[3]。因此,不同壽命階段槍管內(nèi)膛損傷的差異是導(dǎo)致彈頭內(nèi)/外彈道性能產(chǎn)生變化的主要原因。要深入探究槍管內(nèi)膛損傷導(dǎo)致槍管壽終的內(nèi)在機(jī)理,首先要對(duì)不同壽命階段槍管的內(nèi)膛損傷對(duì)彈頭內(nèi)/外彈道過程的影響規(guī)律進(jìn)行研究,在此之前必須要獲得內(nèi)膛軸向不同位置處的主要損傷形式和分布規(guī)律,以及損傷隨射彈量增加的演化規(guī)律,槍管綜合壽命試驗(yàn)是獲得損傷分布及演化規(guī)律的最直接有效的方法。

對(duì)于身管類武器的內(nèi)膛損傷和彈/槍相互作用過程,目前的研究大多對(duì)內(nèi)膛損傷形式做出了較大的簡(jiǎn)化,并不能反映身管真實(shí)的內(nèi)膛損傷形式(如裂紋、燒蝕坑、鉻層剝落及磨損等)。例如田桂軍[4]基于試驗(yàn)獲得了火炮不同壽命階段內(nèi)膛的燒蝕磨損情況,以內(nèi)膛磨損最大處(磨損特征點(diǎn))的磨損量代替整個(gè)內(nèi)膛的磨損量,建立了理論模型,研究了由于內(nèi)膛磨損而引起的火炮身管壽命的變化情況。丁傳俊[5-6]建立了磨損內(nèi)膛的彈炮耦合模型,采用參數(shù)化方法對(duì)含磨損的身管內(nèi)膛進(jìn)行了建模,分析了火炮內(nèi)彈道膛壓和彈丸初速隨內(nèi)膛損傷的退化過程。張喜發(fā)、盧興華[7]對(duì)身管內(nèi)膛燒蝕磨損條件下的內(nèi)彈道性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究,對(duì)彈道諸元進(jìn)行了求解,并對(duì)內(nèi)膛磨損槍管發(fā)射彈丸的初速進(jìn)行了修正。Montgomery[8-9]運(yùn)用銷-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了身管與彈帶間的摩擦狀態(tài),認(rèn)為彈帶對(duì)于身管的高速摩擦作用會(huì)使彈帶受熱熔化去除,彈帶的熔化會(huì)形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,使得彈帶與身管間的摩擦系數(shù)降低。Sopok等[10]通過對(duì)各種鍍層身管的實(shí)彈射擊、模擬試驗(yàn)后的燒蝕磨損測(cè)定,提出了熱-化學(xué)-機(jī)械燒蝕磨損模型,隨后該模型被用于發(fā)展各個(gè)特定火炮的燒蝕磨損模型及燒蝕磨損的預(yù)測(cè)工作。Wu等[11]基于有限元方法模擬了鍍層與基體界面間的應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)基體裂紋附近是界面正應(yīng)力和切應(yīng)力最高的位置,也是最容易發(fā)生界面分離的位置。Lawton[12]建立了身管燒蝕磨損率與初始溫度、瞬時(shí)最高溫度和發(fā)射藥燒蝕性的關(guān)系式,為身管的磨損量預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

為了更深入地研究槍管內(nèi)膛損傷導(dǎo)致槍管壽終的機(jī)理,同時(shí)考慮大口徑機(jī)槍的槍管壽命問題尤為嚴(yán)峻這一現(xiàn)實(shí)情況[13-15],本文以某12.7 mm大口徑機(jī)槍為研究對(duì)象,對(duì)若干支相同材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝的12.7 mm機(jī)槍槍管按照GJB3484—98《槍械性能試驗(yàn)方法》[16]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行綜合壽命試驗(yàn),對(duì)各支槍管在壽終前各壽命階段的初速、精度、內(nèi)膛直徑和內(nèi)膛表面形貌等進(jìn)行測(cè)量或內(nèi)窺,獲得槍管內(nèi)膛損傷在不同射彈量時(shí)的主要形式及分布規(guī)律,為損傷槍管內(nèi)/外彈道過程理論模型的建立提供前提條件及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

1 槍管綜合壽命試驗(yàn)

1.1 槍管壽終判據(jù)

依據(jù)GJB3484—98相關(guān)指標(biāo)要求,某大口徑機(jī)槍槍管綜合壽命試驗(yàn)中出現(xiàn)下列3項(xiàng)之一即判定槍管壽終:

1) 彈頭膛口初速下降率超過15%。

2) 任意一組20發(fā)射彈中,100 m靶處橢圓彈孔(彈孔長(zhǎng)軸與短軸比大于1.25)數(shù)超過射彈數(shù)的50%。

3) 100 m靶處連續(xù)3靶各20發(fā)射彈的散布密集度平均值R50≥30 cm。

以上3項(xiàng)指標(biāo)分別對(duì)彈頭的初速、姿態(tài)和密集度提出了要求,可以較好地反映槍械的性能,當(dāng)任一指標(biāo)不能滿足時(shí),表明槍械的性能已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的下降,需要更換槍管或整支槍械。

1.2 槍管綜合壽命試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

1) 初速測(cè)試。在槍管壽命試驗(yàn)的不同階段測(cè)量彈頭出膛初速,初速下降率超過15%則判定槍管壽終。

2) 精度測(cè)試。在槍管壽命試驗(yàn)的不同階段,測(cè)量100 m靶處20發(fā)射彈的散布圓半徑、直徑以及橢圓彈孔率以判斷槍管是否壽終。

3) 槍管內(nèi)膛尺寸檢測(cè)。在槍管壽命試驗(yàn)的不同階段測(cè)試槍管內(nèi)膛尺寸沿槍管軸向的分布情況,得到不同階段槍管內(nèi)膛磨損狀態(tài)。

4) 槍管內(nèi)膛形貌內(nèi)窺檢測(cè)。在槍管壽命試驗(yàn)的不同階段使用內(nèi)窺裝置對(duì)槍管內(nèi)膛表面形貌進(jìn)行內(nèi)窺,保留內(nèi)窺視頻,以得到槍管內(nèi)膛裂紋、燒蝕坑、鉻層剝落等損傷的分布情況。

1.3 槍管綜合壽命試驗(yàn)方案

為保證試驗(yàn)條件和環(huán)境的一致性,試驗(yàn)過程對(duì)多支(3支以上)檢測(cè)合格的具有相同材料、相同結(jié)構(gòu)及相同加工工藝的某12.7 mm口徑機(jī)槍槍管進(jìn)行了綜合壽命試驗(yàn),并在綜合壽命試驗(yàn)過程中的不同階段測(cè)量或觀察各支槍管的初速、精度、內(nèi)膛尺寸及表面形貌狀態(tài)等,部分試驗(yàn)用槍如圖1所示。在綜合壽命的任一階段,若初速、精度或橢圓彈孔率達(dá)到槍管壽終判據(jù)中的相應(yīng)指標(biāo)值,則該槍管壽終,中止該槍管的壽命試驗(yàn)。

圖1 部分試驗(yàn)用槍Fig.1 Partial machine guns for experiment

依據(jù)GJB3484—98中關(guān)于大口徑機(jī)槍槍管綜合壽命試驗(yàn)的規(guī)定,該12.7 mm大口徑機(jī)槍綜合壽命試驗(yàn)包含2個(gè)循環(huán)(2個(gè)循環(huán)射彈量相等),每個(gè)循環(huán)又各有3個(gè)階段,分別為常溫試驗(yàn)(20±5 ℃)階段、高溫試驗(yàn)(50±2 ℃)階段及低溫試驗(yàn)(-49±2 ℃)階段。射彈量按照4 000發(fā)設(shè)計(jì),其中第1循環(huán)內(nèi)常溫、高溫、低溫壽命試驗(yàn)用彈量分別占?jí)勖囼?yàn)用彈總數(shù)的20%、15%、15%,第2個(gè)循環(huán)內(nèi)常溫、高溫、低溫壽命試驗(yàn)用彈量分別占?jí)勖囼?yàn)用彈總數(shù)的25%、15%、10%,2個(gè)循環(huán)內(nèi)各3個(gè)階段的射彈量情況如表1所示。若4 000發(fā)彈藥射擊結(jié)束后槍管沒有壽終,則重復(fù)上述2個(gè)循環(huán),直到槍管壽終,槍管壽終前的每一階段結(jié)束后,均要對(duì)彈頭初速、射擊精度、槍管內(nèi)膛尺寸等進(jìn)行測(cè)量,并對(duì)內(nèi)膛表面形貌進(jìn)行內(nèi)窺,記錄測(cè)量數(shù)據(jù)及保存內(nèi)窺視頻。

表1 試驗(yàn)射彈量Table 1 Amount of experimental projectiles

依據(jù)GJB3484—98規(guī)定,在以上綜合壽命的6個(gè)階段試驗(yàn)中,均用固定槍架夾持槍械(圖2),所采取的射擊規(guī)范為:每一個(gè)冷卻周期射彈量為120發(fā),每個(gè)冷卻周期2個(gè)供彈具,每個(gè)供彈具含60發(fā)彈,每個(gè)供彈具的60發(fā)彈按3∶7的比例分為短點(diǎn)射(5～8發(fā))及長(zhǎng)點(diǎn)射(20～30發(fā)),兩次點(diǎn)射之間間隔2～3 s。每個(gè)冷卻周期內(nèi)槍管冷卻方案如下:若在常溫或高溫試驗(yàn)階段,則先射擊60發(fā)彈并空冷3 min,再射擊60發(fā)彈后先空冷3 min,然后水冷至室溫;若在低溫試驗(yàn)階段,則先射擊60發(fā)彈并空冷3 min,再射擊60發(fā)彈并直接空冷至室溫。

圖2 固定槍架夾持槍械圖Fig.2 Photo of gun fixed on the rack

2 槍管內(nèi)膛尺寸測(cè)量及內(nèi)膛表面形貌內(nèi)窺

2.1 內(nèi)膛損傷的主要形式

按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行某12.7 mm大口徑機(jī)槍槍管的綜合壽命試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)時(shí)采用的多根相同材料、結(jié)構(gòu)及加工工藝的槍管壽終時(shí)所經(jīng)歷的射彈數(shù)都在6 000發(fā)左右,且由槍管綜合壽命試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)膛的主要損傷形式可以總結(jié)為以下2類:

1) 第1類損傷:內(nèi)膛表層金屬材料的磨損導(dǎo)致的內(nèi)膛截面陰、陽線半徑整體的擴(kuò)大。

2) 第2類損傷:由于內(nèi)膛所受機(jī)械壓力作用、火藥燒蝕作用及熱應(yīng)力作用等不均勻?qū)е碌木植苛鸭y、燒蝕坑及鍍鉻層的剝落等。

試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中對(duì)身管內(nèi)膛破壞特點(diǎn)的描述相同。要獲得不同壽命階段的槍管不同軸向截面位置上的內(nèi)膛尺寸(對(duì)應(yīng)于第1類損傷)及表面形貌(對(duì)應(yīng)于第2類損傷)隨射彈量增加的變化情況,進(jìn)而獲得槍管內(nèi)膛損傷程度隨累積射彈量及槍管軸向截面位置的變化規(guī)律,必須要分別對(duì)槍管壽終前各階段的內(nèi)膛尺寸和內(nèi)膛表面形貌進(jìn)行測(cè)量和內(nèi)窺。其中,第1類損傷形式的磨損量可以通過使用塞規(guī)伸入槍管內(nèi)測(cè)量槍管軸向各位置處的直徑的方式得到;第2類內(nèi)膛損傷形式及其分布規(guī)律的獲得一般采用對(duì)槍管進(jìn)行內(nèi)窺觀察的方法。

2.2 槍管內(nèi)膛尺寸測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)及原理

內(nèi)膛尺寸測(cè)量的目的是獲得綜合壽命試驗(yàn)中處于不同階段的槍管內(nèi)膛軸向各處的直徑,從而確定第1類損傷(磨損)值的大小。試驗(yàn)采用的直徑測(cè)量設(shè)備為一組長(zhǎng)度相同、直徑遞變的塞規(guī)(圖3),由于槍管口部及尾部的磨損量均大于槍管中部,故需分別將不同直徑的塞規(guī)從槍管口部及尾部伸入槍管,測(cè)量其進(jìn)入槍管的深度,塞規(guī)頭部終止位置截面內(nèi)徑即為該塞規(guī)直徑。在陽線完全磨光前試驗(yàn)所采用的塞規(guī)所測(cè)量的直徑為陽線直徑,此時(shí)陰線的磨損量較小,陰線的第1類損傷可以忽略;在陽線完全磨光后即可用塞規(guī)測(cè)量得到陰線的磨損量。以塞規(guī)從口部伸入為例,如圖4所示,依此方法,采用不同直徑的塞規(guī),即可測(cè)得槍管不同軸向截面位置槍管直徑。所測(cè)得直徑與原直徑之差的一半即為槍管該截面的磨損量。

圖3 直徑遞變的塞規(guī)Fig.3 Insert gauges of different diameters

圖4 槍管內(nèi)膛直徑測(cè)量示意圖Fig.4 Schematic diagram of bore diameter measurement

在試驗(yàn)過程中,為了便于記錄,當(dāng)塞規(guī)未完全進(jìn)入槍管時(shí),記錄露出槍管的塞規(guī)長(zhǎng)度,記為負(fù)值;當(dāng)塞規(guī)完全進(jìn)入槍管時(shí),用一根槍管通條將塞規(guī)輕推入槍管內(nèi)部至不能移動(dòng)為止,并記錄通條進(jìn)入槍管內(nèi)部的長(zhǎng)度,記為正值;若塞規(guī)完全通過槍管,記為“通”;若塞規(guī)完全不能進(jìn)入槍管,則記為“止”。塞規(guī)從槍管口部伸入記為S1,從槍管尾部伸入記為S2。以塞規(guī)從口部伸入為例,測(cè)量?jī)?nèi)膛各截面直徑的過程示意圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)記錄方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of recording methods

2.3 槍管內(nèi)膛表面形貌內(nèi)窺系統(tǒng)

槍管綜合壽命試驗(yàn)中,各壽命階段槍管內(nèi)膛表面形貌的數(shù)據(jù)采集過程如下,即將內(nèi)窺探頭由槍管尾部伸入槍管,并緩慢向槍管口部移動(dòng),內(nèi)窺設(shè)備自動(dòng)保存整個(gè)過程的內(nèi)窺視頻,內(nèi)窺過程中會(huì)在若干關(guān)鍵位置(尤其是損傷最嚴(yán)重的線膛起始段)記錄探頭伸入線膛的長(zhǎng)度,并對(duì)該處的內(nèi)膛形貌重點(diǎn)進(jìn)行觀察,槍管內(nèi)膛各處的表面形貌數(shù)據(jù)直接保存于內(nèi)窺視頻及內(nèi)窺過程所記錄的探頭伸入線膛的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)中。

3 多根槍管內(nèi)膛損傷的一致性研究

3.1 槍管內(nèi)膛尺寸

以壽命試驗(yàn)中的某3支槍管為例,其在壽命中期(第2循環(huán)常溫階段后,對(duì)應(yīng)射彈量為3 000發(fā))時(shí)內(nèi)膛軸向直徑沿軸向的分布情況如圖6所示?？梢钥闯鲞@3根槍管相同軸向位置處的截面直徑值十分相近,同一位置處最大直徑差僅為0.01 mm。根據(jù)前文所述,身管內(nèi)膛直徑變化對(duì)應(yīng)于內(nèi)膛損傷的第1類損傷形式,可見對(duì)于該12.7 mm大口徑機(jī)槍,多根槍管的內(nèi)膛的第1類損傷值隨射彈量增加的變化規(guī)律是一致的。

圖6 3 000發(fā)射彈后槍管內(nèi)徑軸向分布試驗(yàn)曲線Fig.6 Experiment curve of bore diameters along axial direction after 3 000 rounds of shoots

3.2 槍管內(nèi)膛表面形貌

以壽命試驗(yàn)中處于壽命中期(第2循環(huán)常溫階段后,對(duì)應(yīng)射彈量為3 000發(fā))的3支槍管為例,其內(nèi)膛損傷最嚴(yán)重的線膛起始段表面形貌內(nèi)窺圖如圖7所示。

圖7 3 000發(fā)射彈后槍管線膛起始區(qū)域內(nèi)膛表面形貌Fig.7 Surface morphology at the beginning of rifle after 3 000 rounds of shoots

由圖7可以發(fā)現(xiàn),3支相同的該12.7 mm機(jī)槍槍管在相同射彈量時(shí),內(nèi)膛相同位置處的表面形貌狀態(tài)是非常相近的,即多支槍管軸向各位置處的損傷的分布規(guī)律及第2類損傷隨射彈量增加的演化規(guī)律是一致的。

綜上所述,由槍管綜合壽命試驗(yàn)的內(nèi)膛尺寸測(cè)量結(jié)果及內(nèi)膛表面形貌內(nèi)窺結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于該12.7 mm重機(jī)槍槍管,在槍管材料、結(jié)構(gòu)及加工工藝相同時(shí),槍管內(nèi)膛的第1類損傷和第2類損傷的分布規(guī)律及損傷隨射彈量增加的演化規(guī)律表現(xiàn)出了較強(qiáng)的一致性,這為本文基于槍管綜合壽命試驗(yàn)研究槍管內(nèi)膛損傷隨射彈量增加的分布及演化規(guī)律提供了依據(jù)。

4 內(nèi)膛損傷的分布及演化規(guī)律

由于射彈量相差不多時(shí)槍管內(nèi)膛的第1類損傷及第2類損傷也增加的不明顯,區(qū)分度不高,因此選取射彈量分別為0發(fā)(壽命試驗(yàn)前)、1 400發(fā)(第1循環(huán)高溫后)、3 000發(fā)(第2循環(huán)常溫后)及約6 000發(fā)(第3循環(huán)低溫后,壽終)的槍管作為研究對(duì)象以研究2類內(nèi)膛損傷形式的分布規(guī)律及其隨射彈量增加的演化規(guī)律。槍管經(jīng)歷上述4個(gè)射彈數(shù)后分別處于無損傷階段、壽命中前期階段、壽命中期階段和壽終階段,并將處于這4個(gè)壽命階段的槍管按射彈數(shù)從低到高分別編號(hào)為1號(hào)槍管、2號(hào)槍管、3號(hào)槍管及4號(hào)槍管,以便于敘述。其中對(duì)第1類損傷,槍管內(nèi)膛直徑取綜合壽命試驗(yàn)中3支槍管內(nèi)膛直徑的平均值;對(duì)第2類損傷則選取試驗(yàn)中一支有代表性的槍管為例分析其內(nèi)膛表面形貌在軸向各處的分布及演化規(guī)律,其余各支槍管的損傷分布及演化規(guī)律與之相同。

4.1 第1類損傷形式隨射彈量增加的分布及演化規(guī)律

槍管綜合壽命試驗(yàn)中,3支槍管處于上述4個(gè)壽命階段時(shí)的陽線直徑測(cè)量值的平均值沿槍管軸向的分布如圖8所示。

圖8 4個(gè)壽命階段槍管內(nèi)膛直徑軸向分布圖Fig.8 Bore dimeters of 4 barrels along the axis

從圖8可以看出,槍管陽線的初始直徑為12.66 mm,隨射彈量的增加,軸向各處的磨損量也隨之增加。此外,可以發(fā)現(xiàn)槍管在不同壽命階段的陽線直徑的變化規(guī)律是相似的:可以將槍管沿軸向劃分為4個(gè)區(qū)域,Ⅰ區(qū)域?yàn)閺年柧€起點(diǎn)向槍口方向約12倍口徑長(zhǎng)度上,該區(qū)域內(nèi)槍管內(nèi)膛磨損最大值出現(xiàn)在膛線起始段,向槍口方向磨損量迅速下降至各自的穩(wěn)定值后,磨損量在Ⅱ區(qū)域前由一小段保持不變的平臺(tái)區(qū),平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度隨著射彈數(shù)的增加而逐漸縮小,槍管壽終時(shí)平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度為20 mm;Ⅱ區(qū)域?yàn)棰駞^(qū)末端到槍管中部位置,該區(qū)域內(nèi)槍管內(nèi)膛磨損量沿軸向向槍口方向呈非線性快速增加;Ⅲ區(qū)域?yàn)闃尮苤胁康綐尶诤蠹s2倍口徑距離處,該區(qū)域的內(nèi)膛磨損量沿槍管軸向呈線性變化;Ⅳ區(qū)域?yàn)闃尶诤蠹s2倍口徑長(zhǎng)度內(nèi),該區(qū)域內(nèi)槍管內(nèi)膛磨損量沿軸向突然增大,呈現(xiàn)類似“喇叭口”的形狀。本文將Ⅰ、Ⅱ區(qū)域稱為主要磨損區(qū),Ⅲ區(qū)域稱為均勻磨損區(qū),Ⅳ區(qū)域稱為槍口磨損區(qū)。

4.2 第2類損傷形式隨射彈量增加的分布及演化規(guī)律

由5.1節(jié)可知,槍管內(nèi)膛沿軸向可分為4個(gè)損傷區(qū)域,各區(qū)域之間第1類損傷情況表現(xiàn)出較大差異。因此,對(duì)于第2類內(nèi)膛損傷形式,內(nèi)窺過程中有針對(duì)性地分別對(duì)這4個(gè)區(qū)域及區(qū)域交界處的內(nèi)膛表面形貌進(jìn)行了內(nèi)窺。

該12.7 mm機(jī)槍槍管線膛截面如圖9所示(從槍管尾部向口部看),膛線由8條陰線和8條陽線組成,陰、陽線直徑分別為RG和RL。因?yàn)樘啪€是右旋膛線,從圖示角度看,陽線的左側(cè)為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)(使彈頭產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的施力側(cè)),本文所列出的所有槍管內(nèi)膛內(nèi)窺圖的觀察角度均為從槍管尾部看向槍管口部,即內(nèi)窺照片中陽線左側(cè)也對(duì)應(yīng)著膛線的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)。

圖9 線膛截面圖(從槍管尾部向口部看)Fig.9 Cross section of the rifle (from the breech)

綜合壽命試驗(yàn)中槍管在上述4個(gè)壽命階段進(jìn)行內(nèi)窺得到的Ⅰ區(qū)損傷最嚴(yán)重的線膛起始段內(nèi)膛表面形貌情況如圖10所示,Ⅰ區(qū)域末端及Ⅰ、Ⅱ區(qū)域交界處的內(nèi)膛表面形貌狀態(tài)如圖11所示。

從圖10可以看出,在損傷最為嚴(yán)重的線膛起始區(qū)域,內(nèi)膛第2類損傷的主要形式是由裂紋延伸及擴(kuò)展形成的鉻層剝落和高溫高壓的火藥燃?xì)饪焖贈(zèng)_刷燒蝕造成的燒蝕坑。由圖10 (b)可以發(fā)現(xiàn),在壽命試驗(yàn)的中前期槍管線膛起點(diǎn)處就已存在明顯的鉻層的剝落和燒蝕坑現(xiàn)象。結(jié)合圖10(b)—圖10 (d)可以得到內(nèi)膛第2類損傷在線膛起始段的分布規(guī)律:隨射彈數(shù)的增加,槍管內(nèi)膛陽線的損傷首先出現(xiàn)在線膛起點(diǎn)處,并隨著射彈量的增加沿陽線向槍口及槍尾方向延伸,陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的損傷較非導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)更為嚴(yán)重,這是因?yàn)殛柧€起始段和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)受力條件更為苛刻;陰線的損傷同樣首先出現(xiàn)在線膛點(diǎn),并隨著射彈數(shù)的增加軸向主要向槍管口部延伸,周向向兩側(cè)延伸并最終與陽線的損傷相連,這是因?yàn)殛幘€的損傷主要是火藥氣體的沖刷而造成的燒蝕坑,彈頭擠進(jìn)完成前,彈頭外部材料與陰線貼合緊密,火藥氣體對(duì)線膛起點(diǎn)之前的坡膛部位陰線的沖刷作用較小,因而此區(qū)域陰線的損傷也較小。此外,由圖11可以發(fā)現(xiàn),在槍管壽命的末期,膛線陰、陽線上的第2類損傷已經(jīng)延伸到了Ⅰ區(qū)域末端并與Ⅱ區(qū)域的第2類損傷相連。

圖10 各壽命階段槍管Ⅰ區(qū)域起始段表面形貌內(nèi)窺圖Fig.10 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 1

圖11 各壽命階段槍管Ⅰ、Ⅱ區(qū)域交界處表面形貌內(nèi)窺圖Fig.11 Endoscopic figures of bore damage between Area 1 and Area 2

該12.7 mm機(jī)槍槍管Ⅱ區(qū)域在4個(gè)壽命階段時(shí)內(nèi)膛表面形貌情況如圖12所示。由圖12可以看出,Ⅱ區(qū)域的內(nèi)膛損傷在槍管壽命中前期主要表現(xiàn)為純磨損。隨著射彈量增加,槍管陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)由于鉻層局部剝落會(huì)產(chǎn)生坑狀缺陷,該坑狀缺陷沿膛線向槍管前后方向均有擴(kuò)展,在槍管壽命后期,該區(qū)域內(nèi)的陰線表面會(huì)出現(xiàn)少量火藥氣體燒蝕坑。這是因?yàn)樵跇尮軌勖泻笃?Ⅰ區(qū)域的內(nèi)膛損傷已較為嚴(yán)重,彈頭在槍管內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)得不到較好的約束,使得彈頭在垂直槍管軸線平面內(nèi)的擾動(dòng)量增大,增大了彈頭對(duì)槍管Ⅱ區(qū)域的作用力;該區(qū)域同時(shí)也是槍管軸向溫度場(chǎng)的最高溫度區(qū)域[15],存在較大的熱應(yīng)力,鉻層相對(duì)容易剝落;并且由于彈頭運(yùn)動(dòng)到該區(qū)域時(shí)的膛內(nèi)壓力仍較大,彈頭的軸向加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度均較大,陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)受力也較大,從而導(dǎo)致鉻層的剝落主要在膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)。槍管壽命后期陰線燒蝕坑的形成是由于該區(qū)域內(nèi)膛損傷量在后期顯著增加,彈頭-槍管間隙擴(kuò)大,火藥燃?xì)饧拔赐耆紵幕鹚幑腆w顆粒泄漏量增大,陰線在其沖刷下形成燒蝕坑。

圖12 各壽命階段槍管內(nèi)膛Ⅱ區(qū)域表面形貌內(nèi)窺圖Fig.12 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 2

圖13是該槍管4壽命階段Ⅲ區(qū)域的表面形貌內(nèi)窺圖,這一區(qū)域承受膛壓較低,彈頭軸向加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度較低,彈頭運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn),內(nèi)膛以均勻磨損損傷為主(第1類損傷),無燒蝕坑及鉻層剝落等第2類損傷。Ⅳ區(qū)域“喇叭口”段也是均勻磨損段,如圖14所示,槍管口部直徑由于只比Ⅲ區(qū)域末端擴(kuò)大了0.01 mm,內(nèi)窺圖中憑肉眼不能明顯看出與Ⅲ區(qū)域的分界,但在圖8中可明顯看出口部呈現(xiàn)“喇叭”狀。

圖14 各壽命階段槍管內(nèi)膛Ⅳ區(qū)域表面形貌內(nèi)窺圖Fig.14 Endoscopic figures of bore damage in beginning of Area 4

5 結(jié)論

為了更深入地研究槍管內(nèi)膛損傷隨射彈量增加的演化規(guī)律,本文對(duì)若干支相同材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝的某12.7 mm大口徑機(jī)槍槍管按照GJB3484—98的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了綜合壽命試驗(yàn),對(duì)各支槍管在壽終前各壽命階段的初速、精度、內(nèi)膛直徑和內(nèi)膛表面形貌等進(jìn)行了測(cè)量或內(nèi)窺,通過對(duì)槍管綜合壽命試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行深入分析,可以得出以下結(jié)論:

1) 槍管內(nèi)膛損傷形式可以分為2類,分別為第1類損傷:由內(nèi)膛表層金屬材料的磨損導(dǎo)致的內(nèi)膛截面陰、陽線半徑的擴(kuò)大;第2類損傷:由于所受機(jī)械壓力作用、火藥燒蝕作用及熱應(yīng)力作用等不均勻?qū)е碌木植苛鸭y、燒蝕坑及鍍鉻層的剝落等。

2) 第1類損傷按損傷規(guī)律的不同沿槍管軸向可以分為4個(gè)區(qū)域,各區(qū)域軸向長(zhǎng)短不一,且第1類損傷在這4個(gè)區(qū)域之間表現(xiàn)出較大的差異性。對(duì)于第2類損傷形式,槍管尾部比槍管口部嚴(yán)重、陽線比陰線嚴(yán)重、陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)比非導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)嚴(yán)重。

3) 通過對(duì)內(nèi)膛損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得了該12.7 mm機(jī)槍槍管內(nèi)膛損傷沿軸向的分布規(guī)律及其隨射彈數(shù)增加的演化規(guī)律,為建立準(zhǔn)確的損傷槍管彈/槍相互作用模型提供了依據(jù)。