銅柱測壓器分級鑒選裝置研究

潘孝斌,談樂斌,孔德仁

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京 210094)

銅柱測壓器分級鑒選裝置研究

潘孝斌,談樂斌,孔德仁

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京 210094)

為了對1 cm2旋入式銅柱測壓器進行分級鑒選,設計一種專用測壓試驗裝置,通過膛內擴容減壓的方法,提供滿足試驗要求的壓力源。通過內彈道過程分析,結合腔室流量方程,建立了該測壓裝置內彈道數學模型。通過仿真,分析了火藥燃氣在膛內與集氣室間的正向流動和回流過程,以及各腔室壓力變化過程,分析了高壓集氣室初始容積、導氣孔位置對腔內最大壓力的影響。在已知參數條件下,高壓集氣室內最大壓力可調節至約39.0 MPa,與試驗結果對比,最大偏差為4.9%,滿足旋入式測壓器分級鑒選試驗要求。

兵器科學與技術;測壓器;鑒選;內彈道

0 引言

銅柱測壓法是常規兵器膛壓測試體系中的重要測試手段,在膛壓作用下,銅柱產生永久塑性變形,根據變形量度量火藥燃氣壓力大小。旋入式測壓器主要用于口徑較小的槍、炮火藥燃氣壓力測量。測壓器的鑒選是從測壓精度和量值傳遞的角度上提出的,是十分重要的工程問題。為確保工程壓力的測量精度及滿足量值溯源的要求,測壓器分為4級,即標準級、副標準級、檢驗級和工作級,這4級測壓器從計量上用于量值傳遞和校準[1]。目前,我國現行的測壓器材沒有相關法規約束,鑒選設備老化或報廢,測壓元件無法向國家壓力基準溯源。因此,提高銅柱測壓法的測壓精度,研究建立我國測壓器和銅柱的鑒選方法和標準,對形成完善的塑性測壓量值傳遞和溯源體系有著意要的意義。

顯然,在工程上如何實現各級測壓器的鑒選十分重要,在分級鑒選時需要提供一個穩定、可靠的壓力源用于鑒選試驗。常用的標準級、副標準級、檢驗級旋入式測壓器的活塞桿面積為1 cm2,檢測壓力范圍≤50 MPa.根據文獻[2]要求,檢測壓力點分別為390kgf/cm2(約 38.22 MPa)和 90 kgf/cm2(約8.82 MPa),允許偏差±10%.因此,需要研制一套能模擬火藥燃氣壓力環境、壓力變化特征的高壓及低壓的模擬試驗裝置,提供符合旋入式測壓器分級鑒選試驗要求的壓力檢測點的壓力源,并且能同時安裝多個旋入式測壓器,以便測壓器的分級鑒選或各級別測壓器的檢校。

1 試驗方案

為了能較好地模擬小口徑槍、炮及槍榴彈的壓力環境,滿足旋入式測壓器分級鑒選試驗要求,并考慮到易于操作、試驗成本低,以彈道槍作為壓力產生源是最為直接、可靠的方法。由于56式7.62 mm彈道槍膛壓較高,約290 MPa,與旋入式測壓器的壓力檢測點差別較大,可通過彈后空間擴容減壓的方法,將部分火藥燃氣通過導氣孔引入集氣室進行減壓,通過控制集氣室內初始容積大小以及導氣孔開啟位置,可獲得試驗要求范圍內的壓力源。

在集氣室設計時,主要考慮以下因素:1)導氣孔通道盡量短,減少管道效應的影響;2)集氣室內腔直徑和高度在尺寸上應差別不大,不應該是細長型或扁平型的內腔,影響壓力傳播;3)要能夠在一個平面內周向均布安裝3～4個測壓器,且便于加工安裝;4)滿足強度要求。設計的鑒選裝置結構如圖1所示,稱之為旋入式測壓器分級鑒選裝置。該裝置由56式7.62 mm彈道槍、旋入式測壓器、集氣室、調節螺塞和密封墊等構成。

圖1 分級鑒選裝置結構Fig.1 Schematic diagram of identification device

導氣孔通過螺紋連接高、低壓集氣室,分別用于兩個不同的壓力檢測點,每個集氣室上可同時安裝4個旋入式測壓器。集氣室裝配結構如圖2所示,集氣室及其內腔空間大小可通過內彈道仿真及旋入式測壓器安裝要求初步確定,然后通過改變調節螺塞內孔深度h對集氣室內初始容積進行微調。

圖2 集氣室結構Fig.2 Sketch of chamber

為了保證高、低壓集氣室上安裝的測壓器獲得相同壓力源,設計時將4個測壓器安裝孔沿圓周方向上均勻分布,并且各安裝孔軸線在同一平面上,調節螺塞的軸線與集氣室軸線同軸,在機械加工上都能夠保證足夠精度要求。

2 鑒選裝置內彈道建模

2.1 內彈道過程分析

該裝置采用的是56式7.62 mm彈道槍,發射的是7.62 mm標準彈,該分析過程應屬于內彈道正面計算。常規內彈道計算方法已比較成熟,但在彈道槍上開啟導氣孔后,由于彈后空間突然增加,改變了原內彈道過程。在身管上開啟導氣孔,并利用膛內壓力進行工作的類似結構在部分槍械設計中也有所應用[3-6],關于導氣室及膛內壓力變化過程的相關計算方法的研究文獻較少,大部分是采用經驗公式進行分析。

由于旋入式測壓器通過集氣室本體安裝在彈道槍上,火藥氣體在燃燒過程中除了彈丸向前運動增加的彈后空間外,還突然增加了集氣室內的容積,而且容積的增加是發生在火藥燃燒期間,火藥燃燒速度與膛內壓力直接相關,彈后空間容積的改變也影響了火藥燃燒過程,這都與常規內彈道過程有所區別。

根據位置的不同,可分為高壓集氣室和低壓集氣室,都可以簡化考慮成是一固定容積的腔室,容積大小根據設計需要有所不同。為描述方便,將高壓集氣室稱為集氣室A,低壓集氣室成為集氣室B,對應的導氣孔稱為導氣孔A和導氣孔B.擊發后,火藥燃氣推動彈丸向前運動,在彈丸越過導氣孔A前邊緣線之前,與常規內彈道一致。當彈丸越過導氣孔A前邊緣線后,膛內部分火藥燃氣流入集氣室A.在火藥燃氣流入集氣室A過程中,其內壓力變化根據流量大小逐漸上升。隨著彈丸向前運動,彈后空間繼續增加,若膛內壓力小于集氣室A內壓力,則有部分火藥燃氣流回至膛內。同理,集氣室B內燃氣流動與集氣室A相似,存在燃氣流入和流出情況。

2.2 內彈道數學模型

專用測壓裝置內彈道過程的假設條件與常規內彈道相似,主要不同在于內彈道能量方程中考慮了燃氣流動情況及流量方程。通過以上分析,可推導得內彈道過程中各方程[7]:

1)火藥燃燒速度方程

式中:S為槍膛截面積(m2);pd為槍管膛內壓力(Pa);l為彈丸運動位移(m);lψ為藥室容積等效行程(m);f為火藥力(J/kg);ω為裝藥量(kg);θ為比熱比;φ為次要功系數;m為彈丸質量(kg);v為彈丸速度(m/s);V0為藥室初始容積(m3);γ為火藥密度(kg/m3);α為火藥氣體余容(m3/kg);Qmi、V0i分別為集氣室流量和初始容積,計算集氣室A時下標i為“1”,計算集氣室B時下標i為“2”,下同。(6)式和(7)式中:μb為通道流量系數;pi為集氣室壓力(Pa);Ai為導氣孔有效面積(m2);ρi為集氣室內氣體密度(kg/m3);b為臨界壓力比。

7)導氣孔流通面積計算

式中:li為導氣孔至坡膛距離(m);Ri為導氣孔半徑(m)。

(1)式～(8)式即構成旋入式測壓器專用測壓裝置內彈道過程數學模型。根據上述數學模型,本文在Matlab/Simulink下建立仿真模型,采用定步長4階Runge-Kutta法進行求解,以時間為自變量,步長設定為1 μs,當彈丸運動至槍口后仿真結束。

3 仿真與試驗

3.1 仿真結果分析

專用測壓裝置內彈道主要計算參數如表 1所示。

表1 內彈道仿真初始計算參數Tab.1 Initial parameters of interior ballis tic model

通過仿真,專用測壓裝置膛內和集氣室壓力變化如圖3所示,膛內最大壓力約為216 MPa,較原彈道槍約290 MPa有大幅下降。當彈丸通過導氣孔A后,集氣室A內壓力迅速上升至約39.0 MPa,隨著彈丸向前運動,壓力逐漸下降。當彈丸越過導氣孔B后,集氣室B壓力上升,但上升速度較集氣室A明顯緩慢。

圖3 膛內和集氣室壓力變化Fig.3 Pressure characteristics of bore and chambers

集氣室A和B的流量變化如圖4所示,當彈丸越過導氣孔A后,進入集氣室A流量迅速上升,隨著上、下游壓力趨于平衡,流量逐漸下降。當集氣室A流量開始為負時,即表示火藥燃氣從集氣室A中回流到膛內,該時刻對應圖3中應為集氣室A壓力與膛內壓力平衡時刻。當彈丸越過導氣孔B后,進入集氣室B流量上升,由于壓差較小,最大流量低于集氣室A.

圖4 集氣室流量變化Fig.4 Flow characteristics of the chambers

3.2 結構參數對集氣室壓力影響

由于集氣室B內壓力計算方法與集氣室A類似,并且流動過程是單向的,無回流現象,限于篇幅,本文主要針對集氣室A結構參數對彈道的影響進行討論。影響集氣室A壓力的主要結構參數包括導氣孔直徑、開啟位置及集氣室的內腔容積。導氣通道應盡可能大、短,減少管道效應影響,結合以往測試經驗,本文認為導氣孔直徑為5 mm是合適。

圖5為不同導氣孔A的位置與集氣室A內最大壓力的關系。根據該專用測壓裝置的目的,是為分級鑒選旋入式測壓器提供合適的壓力源,高壓檢測點為38.22 MPa,允許偏差±10%.根據圖5仿真結果,在不同初始容積下,導氣孔A位置也應開啟在不同位置處,這兩個參數應相互匹配?？紤]到加工對彈道槍內膛的破壞、加工毛刺修整、測壓器的安裝和操作方便性等因素,本文選擇導氣孔A開啟位置距膛線起始5～6 mm處,對應集氣室A初始容積為13×10-6m3,能夠提供滿足試驗要求的壓力源。

圖5 集氣室A位置與最大壓力關系Fig.5 The relationship of maximum pressure and position of Chamber A

3.3 仿真與試驗對比

根據以上分析結果,在56式7.62 mm彈道槍基礎上研制了該專用測壓裝置,并進行了實彈射擊試驗,裝置試驗照片如圖6所示,集氣室結構如圖7所示。

圖6 鑒選裝置試驗Fig.6 Experiment on identification device

由于實驗室測壓器數量有限,沒有同時進行高、低壓試驗,暫用專用堵頭將集氣室B上各安裝孔堵上,該堵頭與測壓器口部形狀完全一致。正式試驗前先用3發普通彈進行預熱,同時用硅膠涂繞各螺紋連接口進行密封性判斷,正式試驗采用20℃保溫超過1 h的標準彈,每發在取出后半分鐘內射擊, 5發為1組有效數據。

圖7 集氣室結構Fig.7 Chamber structure

試驗結果如表2所示,試驗壓力值均在旋入式測壓器壓力檢測點允許偏差范圍內,與集氣室A內最大壓力仿真結果39.0 MPa相比,最大偏差為4.9%,表明建立的內彈道數學模型是正確、可信的,研制的銅柱測壓器分級鑒選裝置能夠滿足鑒選試驗要求。

4 結論

1)為了對1 cm2旋入式測壓器進行分級鑒選,在56式7.62 mm彈道槍基礎上提出并設計了一種專用測壓試驗裝置,能同時對8個旋入式測壓器進行分級鑒選,能夠提供滿足試驗要求的壓力源。

2)通過對其內彈道過程分析,考慮膛內與集氣室之間的變質量熱力學過程,建立了包含內彈道與集氣室耦合的數學模型,反映出火藥燃氣在膛內與集氣室間的正向流動和回流情況,分析了集氣室容積與其壓力影響關系,為旋入式測壓器分級鑒選試驗提供理論依據。

3)仿真分析與試驗結果表明,高壓集氣室初始容積取約為13×10-6m3,導氣孔開啟位置在距膛線起始5～6 mm處是合適的,并以試驗驗證了該模型的正確性,最大偏差為4.9%,滿足旋入式測壓器分級鑒選試驗要求。

表2 集氣室A測壓器試驗情況Tab.2 The experiment results of gauges on Chamber A MPa

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Research on the Identification Device of Copper Crusher Gauge

PAN Xiao-bin,TAN Le-bin,KONG De-ren
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to distinguish 1 cm2copper crusher gauge,a special experimental device which can supply required pressure source by volume expansion is proposed and designed.An interior ballistic model of the device is set up and simulated based on the interior ballistic analysis and the flow equation of the working chambers.The pressure and flow characteristics of propellant gas between bore and chamber are obtained.And the influences of initial volume and position of the high pressure chamber on its maximum pressure are studied.The maximum pressure of the high pressure chamber can be adjusted to about 39.0 MPa under the condition of the known parameters.Compared with the experimental results,the maximum deviation is 4.9%.The device can meet the requirement of identifying copper crusher gauge.

ordnance science and technology;copper crusher gauge;identification;interior ballistics

TJ012.1;TJ06

:A

:1000-1093(2014)08-1313-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.027

2013-08-06

潘孝斌(1979—),男,講師,博士。E-mail:dollor_pan@163.com