炮口螺纹结构形式与其强度关系实验研究

王宝元，衡 刚，周发明，陈彦辉，张军岭

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

炮口螺纹结构形式与其强度关系实验研究

王宝元，衡 刚，周发明，陈彦辉，张军岭

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

炮口制退器作为炮身的一部分，用于减小后效期中火药燃气对后坐部分的冲量，它通过螺纹结构和身管口部连接。炮口制退器受力环境和受力过程非常复杂，不同的螺纹连接形式对其连接强度和炮口制退器的连接可靠性影响重大。通过实验方法研究了螺纹圈数、螺纹根部过渡圆角半径与螺纹承载能力的关系，描述了实验过程，给出了实验结果。

材料实验；炮口制退器；螺纹连接；强度

炮口制退器作为炮身的一个组成部分，它通过控制后效期火药气体的流量分配与气流速度对炮身提供一个制退力，使炮膛合力减小，从而减小火炮后坐动能和炮架的射击载荷。一般说来，炮口制退器有两个作用：一是减小后坐动能；二是便于采用统一炮架。炮口制退器设计的任务包括两部分：根据总体设计的技术指标及炮口冲击波危害标准确定炮口制退器效率、结构特征量、制退器结构尺寸及冲击波超压分布规律；用试验方法测定实际效率与冲击波，与计算值比较，进行方案改进［1］。

一般情况下，炮口制退器通过螺纹结构和身管口部相连接，由于炮口制退器受力环境和受力过程非常复杂，在射击过程中，炮口制退器不仅承受着火药气体的反复强冲击、由于其质量和高加速度而产生的惯性力，而且还要承受温度载荷、火药气体腐蚀等影响。不同的螺纹连接形式对其连接强度和炮口制退器的连接可靠性影响重大。如果炮口制退器结构设计的不合理，将会使其连接螺纹受力环境恶化，在正常使用条件连接螺纹发生断裂，使火炮不能正常工作，其后果非常严重。

文献［2］对火炮变齿距断隔螺纹机构进行动力分析，考虑了螺齿间存在间隙的弹性支撑，提出了简便的接触判断办法和比较精确的变齿距断隔螺纹机构的强度校核计算方法。文献［3］运用通用有限元软件ANSYS，对在瞬间高过载作用下的某型号火箭增程弹的发动机及其零部件的结构强度进行了分析和优化。文献［4］主要分析火炮发射过程中关键零部件的发射应力。分析采用ABAQUS有限元计算软件的显式积分模块，动态模拟火炮发射这一复杂力学过程。研究工作的重点是对火炮关键零部件装配体发射应力有限元计算提出了适合工程设计应用的有限元计算模型。文献［5］以预研项目为背景，根据项目要求，选择高射频火炮身管作为研究对象，对其进行了强度、刚度以及热容量等方面的研究。文献［6］采用ABAQUS软件建立了舰炮托架的有限元模型，进行了有限元强度分析，得到了托架在关键部位的应力变化曲线，对其进行了强度校核。文献［7］以某车载榴弹炮为研究对象，分析了上架连接螺栓松紧程度对炮口扰动的影响，建立了考虑螺栓连接的上架连接有限元模型，通过计算获得了螺栓连接情况对模态特性的影响。

为了研究螺纹结构形式与其强度关系，笔者采用实验研究的方法，研究螺纹圈数、螺纹根部过渡圆角与螺纹承载能力的关系，描述了实验过程，给出了实验结果。设计螺纹连接拉伸试样，借助于材料拉伸试验机，使螺纹连接拉伸试样承受轴向载荷，直至拉伸试样连接螺纹失效或断裂，记录断裂载荷。

1 拉伸试样

炮口制退器和身管口部连接螺纹常采用双线梯形螺纹，单线螺纹圈数一般为2圈。为了研究方便，笔者选取连接螺纹公称直径尺寸分别为12、20 mm，双线梯形螺纹。实验研究方案取4种，其方案如表1所示，其中的单线螺纹仅为说明螺纹圈数与其承受轴向载荷的能力。

表1 实验研究方案

一个完整的连接螺纹拉伸试样由一个外螺纹试样和一个内螺纹拉伸试样组成，如图1、2所示。图1“3／2”中的“2”表示双线螺纹，而“3”表示单线螺纹螺距是3 mm。“8／2”有类似含义，它是行业标准标注方法。

实际拉伸试样实物如图3所示，外螺纹模拟身管口部，内螺纹模拟炮口制退器。每一种实验方案加工相同规格试样3件，然后求取平均值。全部试样材料相同，仅改变螺纹圈数或螺纹过渡圆角半径，以确保实验数据具有可比性。

2 实验过程

借助于液压万能试验机进行试样拉伸实验。将内外螺纹试样正确旋合，组成完整的拉伸试样，然后拉伸试样夹持在液压万能试验机上，如图4所示。给拉伸试样施加拉力，直到试样拉断。如图5所示。

3 实验结果

3.1 螺纹圈数与连接强度的关系

在液压万能试验机进行试样拉伸实验，实验结果如表2和表3所示。

表2 2圈螺纹测试结果

表3 3圈螺纹测试结果

实验结果表明，当拉伸试样连接螺纹的单线螺纹圈数分别为2圈和3圈时（螺纹根部过渡圆角半径为0.2 mm，螺纹公称直径为12 mm），其承受轴向载荷的能力（或称为拉断载荷）分别是23.6 k N和大于49.8 k N。在连接螺纹2圈的基础上，若再增加1圈，则螺纹承受轴向载荷的能力提高了111%以上。单线螺纹圈数为2圈时，则双线螺纹在旋合长度上有4圈螺纹。

2圈螺纹拉伸试件平均断裂载荷为23.6 k N，螺纹被拉断；3圈螺纹拉伸试件平均断裂载荷为49.8 k N，拉伸杆被拉断，螺纹连接正常。

文献［8］指出，长旋合长度螺纹副旋合后稳定性好，且有足够的连接强度；短旋合长度，加工精度容易保证，但旋合后稳定性较差。连接螺纹拉伸试样实验结果也正是如此。因此，为了提高连接螺纹强度，在结构允许的条件下，应适当延长螺纹旋合长度，以保证足够的连接强度。在螺纹旋合长度足够长时，若再增加1圈螺纹可能对螺纹承载能力的提高效果不明显，但在本文研究的2圈螺纹的基础上，若再增加1圈螺纹，其承载能力显著增加。

3.2 螺纹过渡圆角与连接强度的关系

为了研究螺纹过渡圆角与螺纹断裂强度之间的关系，设计了螺纹连接模拟试样，拉伸试样设计成双线梯形螺纹，螺纹尺寸为Tr20 8／2（P4）。将试样分为2组，内外梯形螺纹依靠2圈螺纹连接（相对于双线螺纹），一组是螺纹过渡圆角半径为0.2 mm，另一组是螺纹过渡圆角半径为0.6 mm，每组设计3件相同规格试样。将该试样在材料拉伸试验机上进行拉伸实验，直至将螺纹拉断，实验结果如表4、5所示。

表4 螺纹根部过渡圆角半径为0.2 mm时的测试结果

表5 螺纹根部过渡圆角半径为0.6 mm时的测试结果

实验结果表明，当拉伸试样连接螺纹根部过渡圆角半径为0.2 mm时（螺纹公称直径为20 mm），其承受轴向载荷的能力为58.2 k N，且螺纹被拉断；当拉伸试样连接螺纹根部过渡圆角半径为0.6mm时，其承受轴向载荷的能力为62.2 k N，且螺纹断裂。

当螺纹根部过渡圆角半径由0.2 mm增加到0.6 mm时，其承受轴向载荷的能力仅增加了7%。

4 结论

螺纹连接试样的螺纹公称直径为12 mm，当拉伸试样连接螺纹的单线螺纹圈数分别为2圈和3圈时，其承受轴向载荷的能力（或称为拉断载荷）分别是23.6 k N和49.8 k N。在连接螺纹2圈的基础上，若再增加1圈，则螺纹承受轴向载荷的能力提高了111%以上。

2圈螺纹拉伸试件螺纹被拉断；而3圈螺纹拉伸试件拉伸杆被拉断，螺纹连接正常。

螺纹旋合长度保持不变，当螺纹根部过渡圆角半径由0.2mm增加到0.6 mm时，其承受轴向载荷的能力仅提高了7%。

因此，为了提高单线螺纹为2圈时的连接螺纹强度，在结构允许的条件下，应首先适当延长螺纹旋合长度，以保证足够的连接强度。增加螺纹根部过渡圆角半径虽有效果，但不明显。

（Referenees）

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Experiment Study of the Relation Between Muzzle Serew Strueture and Its Strength

WANG Baoyuan，HENG Gang，ZHOU Faming，CHEN Yanhui，ZH ANG Junling
（Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

materials experiment；muzzle brake；screw linking；strength

TB302.3

A

1673-6524（2015）04-0082-04

2014- 11- 26；

2015- 05- 08

王宝元（1959－），男，研究员级高级工程师，硕士，主要从事结构动力学和测试技术研究。E-mail：baoyuan202＠163.com

Abstraet：The muzzle brake，as a part of barrel，is used for decreasing the impulse of the propellant gases to recoiling parts in ulterior period.The muzzle brake is connected to the muzzle by screw.Its forcing condition and process are very complex.Owing to the excessive complexity of the strain environment and process of the muzzle brake，the different screw linking structures affect the linking strength and reliability of the muzzle brake.Through experiment method，a study is made of the relations of the screw circles and the transitional corner radius to the carrying capacity of screw with the experiment process described and the experiment results given.