典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究

齐玉辉， 杨明华， 单永海， 徐诚

(1.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094； 2.装甲兵工程学院 兵器工程系， 北京 100072；3.63856部队， 吉林 白城 137001)



典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究

齐玉辉1， 杨明华2， 单永海3， 徐诚1

(1.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094； 2.装甲兵工程学院 兵器工程系， 北京 100072；3.63856部队， 吉林 白城 137001)

大口径机枪枪管寿命与使用方式、使用条件密切相关，研究使用条件对大口径机枪枪管寿命的影响问题对于安全、有效地使用该类武器具有重要意义。选择环境温度、冷却周期射弹总量和换弹箱停留间隔时间3个使用条件，采用枪管热- 弹耦合有限元模型计算枪管铬钢结合部位瞬态应力，使用局部应力- 应变法计算枪管铬钢结合部位寿命，分析使用条件对枪管使用寿命的影响情况。进一步采用实物寿命试验验证使用条件对枪管使用寿命的影响，获得了定量影响规律，建立了环境温度、冷却周期射弹量、换弹箱停留间隔时间与寿命关系近似模型，为科学地使用该类大口径机枪提供了参考依据。

兵器科学与技术； 机枪； 枪管寿命； 使用条件； 热弾耦合； 寿命建模

0 引言

大口径机枪是目前国内外陆军广泛装备和使用的一种主要班组支援武器，该类武器的使用寿命主要取决于枪管寿命，连续射击时，在一个射击循环将在几分钟内连续发射几百发子弹，枪管承受连续多次高温(3 000 K)、高压(300 MPa)火药气体作用，环境温度和冷却周期射弹总量等使用条件对该类武器枪管寿命产生重要影响，研究使用条件对大口径机枪枪管寿命影响问题对于安全、有效地使用该类武器具有重要意义。

国内外学者一直关注大口径机枪枪管寿命问题，已开展了大量影响因素、机理和寿命预测研究工作[1-16]。文献[1，12，14]研究了大口径机枪枪管镀铬层和基体的烧蚀机理；文献[2]分析了大口径机枪枪管镀铬层质量对寿命的影响情况；文献[3]分析了射击规范对大口径机枪枪管寿命的影响；文献[4]研究了大口径机枪枪管瞬态热- 弹耦合有限元分析方法；文献[5，11]研究了全寿命过程中14.5 mm大口径机枪枪管性能衰减情况；文献[6]对大口径机枪枪管加速寿命试验技术进行了研究，并建立了加速寿命试验经验公式；文献[7]采用最小二乘支持向量机法建立了机枪枪管加速寿命试验预测模型；文献[8]考虑弹带挤进压力和火药气体压力，计算了身管疲劳寿命；文献[9-10]分别提出了两种机枪枪管寿命预估方法。但目前国内外关于使用条件对大口径机枪枪管寿命影响的定量研究很少，无法规范和指导大口径机枪的科学使用。本文选择环境温度、冷却周期射弹总量和换弹箱停留间隔时间3个典型使用条件，研究其对大口径机枪枪管使用寿命影响问题，为大口径机枪科学、有效地使用提供参考依据。

1 理论计算

大口径机枪综合寿命试验发现，连发射击时，枪管壁面承受多次剧烈的火药气体脉冲热和膛压载荷作用，铬层发生疲劳破坏，疲劳裂纹萌生和扩展将首先出现在接合力薄弱的两种金属接触面—铬层与钢体结合部位，该部位疲劳破坏最终将导致枪管铬层的脱落。无铬层防护的内膛经过几十发射击后会完全烧蚀，膛线破坏，初速下降，出现横弹，这种损坏机理是连续射击的大口径机枪枪管损坏机理。依据该损坏机理，考虑到热、膛压载荷的特性和枪管材料的疲劳试验结果，本文采用枪管热- 弹耦合有限元模型计算枪管铬层与钢体结合部应力[4]，使用Manson-Coffin疲劳方程[16]结合Miner线性疲劳累积损伤理论[17]计算枪管铬层与钢体结合部位寿命，分析不同的环境温度、冷却周期射弹量和换弹箱停留间隔时间对枪管使用寿命的影响情况。枪管铬钢结合部位疲劳损伤寿命计算模型[16-17]为

(1)

(2)

(3)

以某12.7 mm大口径机枪为研究对象，计算采用的基准射击方案为：50发/弹箱，其中前25发点射(8发-8发-9发方式)，间隔3 s，后25发点射(8发-8发-9发方式)，换弹箱停留间隔时间2.0 min，共3个弹箱射击150发，射速550发/min，环境温度293 K. 理论计算膛线起始部位、枪管最大膛压部位和枪口部位的疲劳寿命，以疲劳寿命射弹发数最小为判据。发现膛线起始部位疲劳寿命值最低，最先达到寿终，这与寿命试验结果也是一致的。下文选膛线起始部位的铬层与基体结合部为枪管危险点(称为A截面)，重点给出使用条件对该截面寿命影响的计算结果。

1.1 环境温度变化的影响

为研究环境温度对枪管寿命的影响，设定5种环境温度方案进行计算和对比分析，具体参数如表1所示。

表1 环境温度影响计算的使用方案

在冷却周期每1发射弹作用下铬钢结合面的Von Mises应力和等幅载荷寿命计算结果如图1和图2所示，在其他因素相同的情况下，环境温度的变化对于枪管铬钢结合面上的每1发Von Mises应力水平、等幅载荷寿命和总体寿命有着很大影响。环境温度越低，每1发的Von Mises应力越小，对应的等幅载荷寿命越高，枪管总寿命越高。环境温度方案中第1组前25发中的第25发弹时，环境温度为228 K方案的等幅载荷寿命比环境温度为323 K的方案高81.9%；随着射弹数的增加，不同环境温度导致的每1发等幅载荷寿命差异更加明显；至第150发弹时，环境温度为228 K方案的等幅载荷寿命比环境温度为323 K的方案高221.6%. 比较环境温度方案4与方案5可以看出，在环境温度相同的情况下，换弹箱间隔时间对于100发射击范围内枪管铬钢结合面上的每1发Von Mises应力、等幅载荷寿命均有一定的影响，但总体差别不大。

图1 每1发弹的平均应力比较(A截面)Fig.1 Comparison of average stresses(Section A)

图2 每1发弹的等幅载荷寿命比较(A截面)Fig.2 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

表2是不同环境温度时的枪管总寿命计算结果，环境温度为228 K时枪管总寿命比环境温度为293 K状态高65.9%；环境温度为248 K状态枪管总寿命比环境温度为293 K状态高14.4%；而环境温度为323 K的方案枪管总寿命比环境温度为293 K状态低25.6%. 比较环境温度方案4与方案5可以看出，在环境温度相同的情况下，即使方案5的换弹箱间隔时间较短，枪管铬钢结合面上的每1发Von Mises应力水平较大，每1发的等幅载荷寿命稍小。但由于其在一个冷却周期中的总射弹量较少了50发，致使枪管温度低，其枪管总寿命仍然较方案4增加55.6%. 综上所述，环境温度的降低对于提高枪管使用总寿命有利。

表2 不同环境温度时的枪管总寿命(A截面)

1.2 一个冷却周期射弹量变化的影响

一个冷却周期射弹总量是另一个重要的使用条件，为分析一个冷却周期射弹总量变化对枪管寿命的影响，设定4种冷却周期射弹量方案进行计算与对比分析，具体参数如表3所示。

计算结果如图3和图4所示，在其他因素相同的情况下，一个冷却周期射弹总量的变化对于枪管铬钢结合面上每1发弹的平均Von Mises应力水平、等幅载荷寿命和总寿命影响很大。一个冷却周期的射弹总量越大，最后一个弹箱每1发弹的平均Von Mises应力越大，每1发弹的等幅载荷寿命越低。与冷却周期方案1的第250发弹相比，冷却周期方案2的第200发弹的平均Von Mises应力降低13.7%，等幅载荷寿命增加5.5倍；冷却周期方案3第150发弹的平均Von Mises应力降低28.6%，等幅载荷寿命增加27.3倍；冷却周期方案4的第100发弹的平均Von Mises应力降低44.9%，等幅载荷寿命增加70.8倍。

表3 冷却周期射弹量影响计算的使用方案

图3 每1发弹的平均应力比较(A截面)Fig.3 Comparison of average stresses(Section A)

图4 每1发弹的等幅载荷寿命比较(A截面)Fig.4 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

由表4可以看出，一个冷却周期的射弹总量越小，枪管总寿命越大。与冷却周期方案1相比，冷却周期方案2的枪管总寿命增加2.88倍，冷却周期方案3的枪管总寿命增加3.47倍，冷却周期方案4的枪管总寿命增加5.97倍。综上所示，减小一个冷却周期的射弹总量可以有效提高枪管总寿命。

表4 不同使用方案的枪管总寿命(A截面)

1.3 换弹箱停留间隔时间变化的影响

换弹箱停留间隔时间是另一个使用条件，为比较不同换弹箱间隔时间对枪管寿命的影响，计算采用的使用方案如表5所示。

表5 换弹箱停留间隔时间影响计算的使用方案

图5 每1发弹的平均应力比较(A截面)Fig.5 Comparison of average stresses(Section A)

计算结果如图5和图6所示，换弹箱停留间隔时间的改变对于枪管铬钢结合面每1发的VonMises应力水平和等幅载荷寿命有重要的影响。由图6可以看出，换弹箱停留间隔时间对每1发弹的等幅载荷寿命影响较大，每经过1个换弹箱停留间隔，枪管每1发的等幅载荷寿命回升。由表6可以看出，相对于换弹箱方案1，采用换弹箱方案2的枪管使用总寿命增加约13.1%，采用换弹箱方案3的枪管使用总寿命增加约34.2%，采用换弹箱方案4的枪管使用总寿命增加约51.4%. 综上所示，换弹箱停留间隔时间对枪管使用寿命有较大影响。

图6 每1发弹的等幅载荷寿命比较(A截面)Fig.6 Comparison of barrel lives under constant amplitude loading(Section A)

方案名称总寿命/发换弹箱方案12724换弹箱方案23082换弹箱方案33655换弹箱方案44123

2 试验研究与使用寿命建模

试验对象为某12.7 mm重机枪，共5挺(10根枪管)，基准射击方案与计算相同。按不同的环境温度、冷却周期射弹量和换弹箱停留间隔时间，进行枪管使用寿命试验，在初始及每射击600发弹后进行枪管初速、精度、枪管内膛烧蚀等检测，寿终判据为：初速下降15%;射击密集度增大2.5倍；出现20%椭园孔或横弹。

2.1 环境温度对枪管寿命影响试验结果及近似建模

冷却周期射弹量为150发，在换弹箱停留间隔时间为2 min时，试验获得不同环境温度的机枪寿命数据如表7所示。

根据试验数据通过2次多项式拟合可以建立环境温度与使用寿命关系近似模型为

830，

图7是环境温度与寿命关系近似模型与试验结果、第1节理论计算结果的比较，曲线是近似模型结果，圆点是试验结果，三角是理论计算结果。可以看出拟合的2次多项式近似模型与试验数据点吻合较好，使用环境温度越高，使用寿命越低；理论计算结果与试验结果有一定差别，但变化规律基本一致。

图7 环境温度与寿命关系Fig.7 Relationship between ambient temperature and life

2.2 冷却周期射弹量对枪管寿命影响试验结果及近似建模

在换弹箱停留间隔时间为0.5 min，环境温度22℃时，试验获得不同冷却周期射弹总量时的使用寿命的如表8所示。

表8 冷却周期射弹量与寿命关系数据表

利用试验数据使用2次多项式拟合可以获得冷却周期射弹量与寿命关系近似模型为

Nc=N/150.

图8是冷却周期射弹量与寿命关系近似模型与试验结果、第1节理论计算结果的比较，可以看出拟合的2次多项式与试验数据点吻合较好，随冷却周期射弹量增加，使用寿命整体呈下降趋势，理论计算与试验结果基本一致。

图8 冷却周期射弹量与寿命关系Fig.8 Relationship between projectile number and life in cooling cycle

2.3 换弹箱停留间隔时间对枪管寿命影响试验结果及近似建模

冷却周期射弹量为150发，环境温度22 ℃时，试验获得的不同换弹箱停留间隔时间状态枪管使用寿命数据如表9所示。

表9 换弹箱停留间隔时间与寿命关系数据表

利用试验数据，通过2次多项式拟合得到的换弹箱停留间隔时间与寿命关系近似模型为

tc=t/2.

图9是换弹箱停留间隔时间与寿命关系近似模型与试验结果、第1节理论计算结果的比较，可以看出换弹箱停留间隔时间与寿命整体关系呈上升趋势，这与理论计算相基本一致。图9中经验公式结果预试验数据点符合更好。

图9 换弹箱停留间隔时间与寿命的关系Fig.9 Relationship between the interval time of box magazine exchanges and life

2.4 3个使用条件对枪管寿命影响的综合建模

1.042 2tcTc+3.408tcNc-0.070 7TcNc-

0.259 2tc+0.331 7Tc-12.301 3Nc+9.742 7,

式中：ξc是无量纲化寿命射弹数，ξc=ξ/1 000. 图10是试验寿命数据与近似模型计算结果的对比，试验寿命与近似模型计算寿命吻合的较好，说明了拟合的3个使用条件经验模型的正确性。

图10 试验寿命与近似模型计算寿命对比图Fig.10 Comparison of approximately calculated and test barrel lifeves

3 结论

1)采用枪管热- 弹耦合有限元模型计算枪管铬层与钢体结合部位瞬态应力，使用局部应力- 应变法计算枪管铬层与钢体结合部位寿命。通过计算获得了某12.7 mm大口径机枪环境温度、冷却周期射弹量和换弹箱停留间隔时间对枪管铬层与钢体结合部位Von Mises应力水平和枪管寿命影响情况，较准确地预测了3个使用条件对某12.7 mm大口径机枪寿命的影响规律。

2)通过试验获得了环境温度、冷却周期射弹量和换弹箱停留间隔时间对某12.7 mm大口径机枪使用寿命的定量影响规律，建立了环境温度与使用寿命关系近似模型、冷却周期射弹量与寿命关系近似模型、换弹箱停留间隔时间与寿命关系近似模型和3个使用条件与枪管寿命关系模型，为该口径机枪科学、安全、有效使用提供了参考依据。

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Influences of Typical Service Conditions on the Barrel Life of Large-caliber Machine Gun

QI Yu-hui1， YANG Ming-hua2， SHAN Yong-hai3， XU Cheng1

(1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China; 2.Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 3.Unit 63856 of PLA，Baicheng 137001, Jilin, China)

The barrel life of large-caliber machine gun is closely related to the service mode and condition. The research on the influences of service conditions on barrel life is of great importance to the safe and effective use of this kind of weapons. The influences of the ambient temperature, the total amount of projectiles shot in a cooling cycle and the interval time of box magazine exchanges on barrel life of large-caliber machine gun are studied. The interface transient stress between chrome layer and steel body in barrel bore is obtained by thermoelastic coupling FEA model of gun barrel. The fatigue life of interface between chrome layer and steel body in barrel bore is solved by using local stress-strain method. The influences of service conditions on barrel life are analyzed. The influences of three service conditions on barrel life are also studied. The rules of quantitative influences of three service conditions on barrel life are obtained. A life approximation model of 12.7 mm machine-gun barrel based on the ambient temperature, the total amount of projectiles shot in a cooling cycle and the interval time of box magazine exchanges is established.

ordnance science and technology; machine gun； barrel life； service condition； thermoelastic coupling； life modeling

2016-02-02

国家自然科学基金项目(51575279)

齐玉辉(1977—)，男，副研究员， 博士研究生。E-mail:yhqi@njust.edu.cn； 徐诚(1962—)，男，教授， 博士生导师。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn

TJ25

A

1000-1093(2016)11-1976-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.002