大口徑機槍槍管失效規律研究

喬自平，李峻松，薛鈞（1.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083；.中國兵器工業第08研究所，北京100）

大口徑機槍槍管失效規律研究

喬自平1，2，李峻松2，薛鈞2
（1.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083；2.中國兵器工業第208研究所，北京102202）

為了研究大口徑槍管在壽命過程中的變化規律，尋找失效原因，對兩根不同材料槍管進行了綜合壽命試驗。分析了內膛陽線直徑變化、內膛表面形貌變化、密集度、初速下降率及橢圓彈孔率與槍管壽命之間的關系，得到了某機槍兩種壽命相差3000發的壽終槍管的共同規律為：槍管壽終均表現為橢圓彈孔率超過本組射彈量的50%，內膛四錐、五錐的損傷是造成槍管產生橢圓彈孔的根本原因；在射彈量為1 200發時，槍管內膛五錐處的鉻層已經嚴重成片脫落；由于槍管內膛尾部出現了鼓形，用量規測量得到的槍管內膛直徑大小并不能反應槍管性能，但尾部陽線直徑變化越快，槍管壽命越短。

兵器科學與技術；槍管；壽命試驗；內膛；壽命；損傷

0　引言

槍管是槍械的重要零件之一，槍管壽命是指自動武器在喪失其要求的彈道性能以前所發射的槍彈總數[1]，是槍械壽命的主要指標之一。槍管在工作中要承受高溫、高壓、高速氣體的沖刷，受到復雜的侵蝕，如燒蝕、化學侵蝕及磨蝕等[2-7]。其內膛結構在整個壽命過程中發生著復雜的變化，口徑逐漸變大，身管內膛表面不同時期、不同位置會產生龜裂、鉻層脫掉、坡膛大面積的燒蝕等，這會嚴重影響槍管的性能[8-12]。我國對槍管壽命的考核標準有3項指標，分別為密集度、初速度下降率、橢圓彈孔率[13]。3項指標體現的是槍管的性能，而不是對槍管結構尺寸的檢測，因此，無法直接明確槍管的哪個部位、哪個因素造成了槍管的壽終。

大口徑機槍槍管燒蝕機理、壽命趨勢和壽命預測一直是國內外關注和研究的重要課題[14-19]，但公開發表的論文中，仿真分析的偏多，缺少系統的試驗數據，對大口徑機槍槍管在壽命過程中內膛變化規律缺乏完整認識。

1　試驗方案與檢測方法

1.1試驗方案

研究對象為兩根不同材料的槍管，分別編號為1號、2號，材料基本力學性能如表1所示。試驗用槍為某制式機槍（裝配試驗槍管）。槍管壽命試驗判定標準為：初速下降率大于等于15%；橢圓彈孔（長軸與短軸比大于 1.25倍）數超過射彈數的50%；連續3靶散布密集度平均值R50≥30 cm；出現肉眼可見裂紋，試驗中達到任意一項，宣布槍管壽終。

表1　槍管材料基本力學性能Tab.1　Mechanical properties of barrelmaterials

為了保證試驗條件和環境的一致性，兩根槍管同時試驗，射彈量按6 000發設計，射擊順序按兩個循環進行，每個循環依次按常溫壽命試驗、高溫壽命試驗、低溫壽命試驗3個階段進行，每個階段的射彈量按相關標準進行計算，結果如表2所示（每個階段的射彈量含測試彈），如果6 000發后槍管沒有壽終，進行常溫補射，直到壽終，停止試驗。

表2　試驗射彈量Tab.2　The number of fired ammunition

1.2檢測方法

1.2.1檢測時機

整個試驗共有7個檢測點，分別為射擊試驗前及壽命試驗的每個階段結束后，檢測的項目有槍管內膛表面形貌、內膛陽線直徑、密集度、初速度、橢圓彈孔等，并記錄相應的數值，同時按要求進行探傷等安全檢查。

1.2.2檢測方法

槍管壽命試驗過程中內膛表面的變化采用槍管內膛窺視儀進行觀測，記錄每一個階段的內膛表面變化情況；槍管內膛陽線直徑的變化采用口徑量規測量，規格為 12.69 mm到 12.90 mm，間隔為0.01mm，及12.94 mm、12.95 mm、12.99 mm共有25個量規，每一檢測點進行測量，記錄每一根量規的進入深度；密集度檢測規定每個檢測點射彈3組，每組射彈數為20發，記錄R50，求平均值；初速度測試為每個檢測點射彈測10個初速值，然后求平均值；橢圓彈孔是在每次密集度檢測時進行查看，并記錄數量。

2　試驗結果及分析

1號槍管射彈6 000發沒有壽終，進行了補射，7 300發時壽終，具體射彈量如表3所示。2號槍管射彈在4 300發時壽終，沒有完成6 000發的壽命目標，具體射彈量如表4所示。

表3　1號槍管試驗射彈量統計表Tab.3　The number of fired ammunition of barrel 1

表4　2號槍管試驗射彈量統計表Tab.4　The number of fired ammunition of barrel 2

2.1內膛表面變化情況

在壽命試驗過程中對兩根槍管進行了每個階段的內膛表面觀測，槍管前端以磨損為主，后端損傷比較復雜，開始是坡膛處鉻層脫落，基體材料失去保護，在高溫高壓作用下內膛表面出現燒蝕坑及沖刷溝。試驗結束后對壽終槍管進行了解剖，內膛損傷情況與內膛窺視結果一致，壽終解剖后如圖1所示。

圖1　壽終槍管半剖圖Fig.1　Sectional view of life-end barrel

2.1.1槍管前部內膛表面變化

試驗前兩根槍管陰、陽線特征明顯，陽線比陰線高出0.17 mm，如圖2所示。隨著射彈量的增加，陰陽線交角處有鉻層脫落，陽線磨損嚴重，陰線、陽線特征模糊，并且沿軸向磨損不均。1號槍管射彈量較多，從宏觀上看不出陰線、陽線的特征，磨損比2號槍管要嚴重，2號槍管還可以看到模糊的陰線、陽線特征，如圖3所示。導氣孔以前的部位內膛表面局部有龜裂，陰陽線交匯處伴有小塊的鉻層脫落，新槍管與壽終槍管對比如圖4所示。

圖2　新槍管膛線截面圖Fig.2　Sectional view of rifling of new barrel

圖3　壽終槍管膛線截面圖（槍管的前部）Fig.3　Sectional view of rifling of life-end barrel（front）

2.1.2槍管后部內膛表面變化情況

槍管后部特別是四錐、五錐及膛線起始位置，如圖5所示，在射擊過程中承受高溫高壓火藥氣體及彈丸的擠壓作用較強，特別是高溫下的彈丸擠進，在1 200發時就發現了鉻層嚴重脫落（鉻層起始脫落時機有待于進一步研究），隨著射彈量的增加，鉻層脫落嚴重，如表5所示。失去鉻層保護的基體材料出現了嚴重的沖刷溝，表面呈桔皮狀，如圖6所示。由于材料性質的不同，五錐處的損傷快慢不一致，在每一個射擊階段2號槍管的損傷都比1號槍管嚴重，由于1號槍管的射彈量大，壽終的1號槍管與2號槍管損傷程度都非常嚴重。從解剖的壽終槍管看，兩根槍管四錐、五錐及膛線起始35mm段損傷最為嚴重，如圖7所示。鉻層完全脫落，基體上出現了沖刷溝，截面上還出現了明顯的宏觀裂紋，如圖8所示。形成機理及性質還需進一步微觀分析。

圖4　槍管內膛表面圖（槍管的前部）Fig.4　Surface of bore（front）

圖5　槍管四錐、五錐位置Fig.5　Position of the fourth and fifth tapers

2.2槍管內膛陽線直徑變化分析

根據槍管的內膛陽線直徑變化是從中部向兩端逐漸變大的特點，從兩端進行測量，從口部測量量規進入深度用h1表示，從尾部測量量規進入深度用h2表示，量規直徑用d表示。

圖6　槍管內膛表面圖（槍管五錐處）Fig.6　Surface of bore（rear）

圖7　壽終槍管內膛尾部（四錐與五錐處）損傷圖片Fig.7　Erosion of the fourth and fifth tapers

圖8　壽終槍管截面圖（槍管五錐處）Fig.8　Sectional view of life-end barrel（rear）

表5　槍管壽命過程中五錐損傷過程Tab.5　Erosion of bore at rear of barrels during life test

2.2.1試驗前內膛陽線直徑分析

試驗前，對1號槍管和2號槍管的內膛陽線直徑進行了測量，測量值如表6所示。兩根槍管的狀態基本相同，從口部測量時，可進入的最大量規為φ12.69mm，可深入62 mm；從尾部測量時，可進入的最大量規為φ12.71mm，可深入2mm.

表6　槍管初始內膛陽線直徑Tab.6　The bore's land initial diameter

2.2.2第一循環常溫后內膛陽線直徑分析

第一循環常溫后，射彈為1 200發。從口部測量，1號槍管、2號槍管內膛陽線直徑都有明顯增大，從壽命試驗前φ12.70 mm量規進入都為0，變化到φ12.70mm量規分別進入518mm、516mm，從整體來看1號槍管的內膛磨損較多，如圖9（a）所示；從尾部測量時，1號槍管尾部反而變“小”，φ12.70mm量規只能進入1mm，φ12.71mm量規不進，這是由于射擊過程中一些附著物造成的[5]，2號槍管內膛直徑增大較多，損傷明顯快于1號槍管，如圖9（b）所示。

圖9　第一循環常溫后內膛陽線直徑變化Fig.9　The change of bore diameter after the first cyclic room temperature

2.2.3第一循環高溫后內膛陽線直徑分析

第一循環高溫后，射彈量累計為2 100發，槍管的內膛陽線直徑進一步變大，從口部測量時，1號槍管的內膛陽線直徑變化較大，可進入最大量規為φ12.80mm，可深入318 mm，而2號槍管可進入最大量規為φ12.76 mm，僅深入155 mm，總體情況如圖10（a）所示；從尾部測量時，2號槍管的內膛陽線尺寸變化明顯大于1號槍管，如圖10（b）所示，1號槍管可進入的最大量規為 φ12.86 mm，可深入0.5mm，而2號槍管可進入的最大量規為φ12.95mm，可深入5.5mm.

圖10　第一循環高溫后內膛陽線直徑變化Fig.10　The change of bore diameter after the first cyclic high temperature

2.2.4第一循環低溫后內膛陽線直徑分析

第一循環低溫后，射彈量累計為3 000發，從槍管口部測量時，1號槍管可進入的最大量規φ12.81mm，可深入20.5mm，而2號槍管可進入的最大量規為φ12.79mm，僅深入3 mm，總體情況如圖11（a）所示，1號槍管在槍口處直徑變化大于2號槍管，而2號槍管在從深度為57mm處開始，陽線直徑變化大于1號槍管，磨損的總體情況，2號槍管的磨損量略大于1號槍管；從尾部測量時，2號槍管的內膛陽線尺寸變化仍然明顯大于1號槍管，如圖11（b）所示，1號槍管可進入的最大量規為φ12.94mm，進入深度為6mm，2號槍管可以進入的最大量規為φ12.95mm，進入深度為14.5mm，沿徑向向前，同樣的量規進入2號槍管的深度遠遠大于1號槍管，說明2號槍管的尾部損傷速率快于1號槍管。

圖11　第一循環低溫后內膛陽線直徑變化Fig.11　The change of bore diameter after the first cyclic low temperature

2.2.5第二循環常溫后內膛陽線直徑分析

第二循環常溫后累計射彈量為4 300發，通過測試2號槍管壽終。從槍管口部測量時，1號槍管可進入的最大量規為φ12.82mm，可深入352mm，而2號槍管可進入的最大量規為φ12.90mm，可深入15mm，總體情況如圖12（a）所示。距離槍口小于300mm的部位，2號槍管的磨損量明顯多于1號槍管；從槍管尾部進行測量時，兩根槍管的損傷都進一步嚴重，如圖12（b）所示，內膛陽線直徑明顯大于上一個射擊階段。1號槍管可進入的最大量規為φ12.94mm，可深入21 mm，2號槍管可進入的最大量規為φ12.99mm，可深入27mm.

圖12　第二循環常溫后內膛陽線直徑變化Fig.12　The change of bore diameter after the second cyclic room temperature

2.2.6壽終后的兩根槍管內膛陽線直徑分析

1號槍管將設計的壽命彈數打完，仍沒有壽終，又進行了補壽命試驗，射彈量為7 300發時測試壽終。將1號槍管、2號槍管壽終時內膛陽線直徑進行對比，結果如圖13所示。從槍管前端測量時，最小量規為φ12.69mm在兩支槍管內均可深入640mm，沿軸向槍口方向，1號槍管的陽線直徑明顯大于2號槍管，即磨損量大于2號槍管。從槍管尾部測量的值，如圖13（b）所示，1號槍管的陽線直徑同樣明顯大于2號槍管。

通過試驗過程中對槍管內膛陽線直徑的變化分析，2號槍管從口部測量的尺寸變化量開始比1號槍管小，隨著射彈量的增加，2號槍管的尺寸變化明顯開始大于1號槍管，2號槍管從尾部測量的尺寸變化量一直大于1號槍管。可看出，槍管尾部（坡膛及膛線起始位置）損傷快的槍管壽命短，此位置的損傷會導致彈丸失穩，加速槍管口部的磨損，這也是2號槍管口部磨損量變大的重要原因；槍管壽終時內膛陽線直徑變化并不一致，有趣的是槍管壽命短的貌似內膛陽線直徑變化更小，保持的更為完好，結合內膛的截面和內窺鏡圖來看，實際并非這樣，這個現象是由測量手段造成的。到目前為止，內膛陽線直徑只有用塞規進行測量，而塞規只能測出沿槍管軸向的某一截面上的直徑，對于出現鼓形部位無法測得，對于磨損不均造成的內徑變化則無法測出真正的數值（圓度變差）。與壽命數趨勢一致的是槍管尾部內膛陽線直徑的變化速率，變化速率快的則壽命短，變化速率慢的則壽命長。因此，用量規測量得到的內徑值的大小不能反應槍管的真實性能，但變化趨勢可以反應出槍管的抗損傷能力，抗損傷能力差則壽命短。

圖13　壽終槍管的內膛陽線直徑變化Fig.13　The change of bore diameter at end of life

2.3槍管性能分析

2.3.1初速度分析

試驗前及每一個壽命試驗階段進行初速度測試，每一次測10發，求平均值，如表7所示。壽命試驗的前期初速有些上升，但總體變化呈下降趨勢，前期相對比較平穩，到臨壽終時出現陡降，如圖14所示。1號槍管初速度初始值為810 m/s，壽終時為743m/s，初速下降率為8.3%，2號槍管初速度初始值為807 m/s，壽終時為765 m/s，初速下降率為5.2%，都沒有達到初始值的15%，不能判斷槍管壽終。但每根槍管初速度開始陡降的時機不盡相同，1號槍管在總壽命的83%以后開始陡降，下降量分別占初速總下降量的71.7%，而2號槍管在總壽命的68%以后開始陡降，下降量占初速總下降量的98.2%.

表7　初速度統計表Tab.7　Muzzle velocity　m/s

圖14　槍管壽命過程中初速度變化曲線圖Fig.14　Relation between muzzle velocity and number of ammunition

對近幾年某機槍槍管壽命試驗測得的初速度進行了匯總，如表8所示。初始初速度有少許差異，從801m/s到809m/s不等，在壽終初速度都有一定的下降，最大值為749m/s，最小值為715m/s，初速下降率都沒有達到初始值的的15%，但在最后幾百發時初速下降率突然數倍增大，出現陡降。

表8　近年壽命試驗初速度統計表Tab.8　Muzzle velocity

2.3.2橢圓彈孔率分析

兩根槍管都是以橢圓彈孔率超過本組射彈量的50%而壽終，每組射彈量為20發。出現橢圓彈孔的時機如表9所示，1號槍管在6 000發時出現了6個橢圓彈孔，補壽命后（7 300發）后出現了14個橢圓彈孔，橢圓彈孔率為70%，2號槍管在4 300發時出現11個橢圓彈孔，橢圓彈孔率為55%，超過了50%的指標，宣布壽終。從以上分析可看出，橢圓彈孔率都達到壽終指標，因此，在本試驗中橢圓彈孔率首先達到而宣布槍管壽終，終止試驗。

表9　橢圓彈孔統計表Tab.9　Recent tatistical table of elliptical shot-holes

近年來，3根槍管在綜合壽命試驗中槍管橢圓彈孔的記錄如表10所示。均以橢圓彈孔數量超標而壽終，橢圓彈孔率分別為90%、95%和100%.

表10　近年壽命試驗橢圓彈孔率統計表Tab.10　Recent tatistical table of elliptical shot-holes in life test

2.3.3散布密集度R50分析

隨著射彈量的增加，槍管內膛陽線直徑逐漸增大，內膛表面損傷加重，R50的變化同樣呈增大趨勢，變化情況如表11、圖15所示。1號槍管R50初始值為10.7 cm，壽終前為15.7 cm，整個壽命試驗過程中波動較大；2號槍管R50初始值為14 cm，壽終前為15.8 cm，R50變化不大，兩根槍管與壽終判據R50≥30 cm，分別相差14.3 cm和14.2 cm.

表11　槍管密集度R50Tab.11　Accuracy and dispersion（R50）of barrels cm

圖15　槍管R50與射彈量的關系圖Fig.15　Relation between R50and number of ammunition

對近幾年某機槍槍管壽命試驗測得的R50進行了匯總，如表12所示。初始測試R50從10.7 cm到12.3 cm，在壽終時R50都有所增加，但遠沒有達到壽終值（R50≥30 cm）。

表12　近年來壽命槍管密集度R50統計表Tab.11　Accuracy and dispersion（R50）of recent barrels

2.3.4綜合原因分析

根據內膛陽線直徑的變化和內膛破損情況看，槍管壽終的根本原因是四錐、五錐及膛線起始位置向前35mm段損傷嚴重，未射擊槍管四錐、五錐與子彈的配合如圖16（a）所示，與彈丸的配合如圖17（a）所示，四錐與彈丸定位面配合處幾乎沒有間隙，而壽終槍管與子彈的配合如圖16（b）所示，與彈丸的配合如圖17（b）所示，本來給彈丸定位的四錐處產生了單邊約0.8 mm的間隙，同時由于五錐及其以前的位置破損，使彈丸脫離彈殼后失去定位，彈丸在新槍管中的定位位置與彈丸在壽終后槍管的定位位置相比，它們前后位置相差約60 mm，如圖17所示。在這段位置上彈丸失去了定位，為自由狀態，從彈丸兩側的間隙大小不一致可看出，彈丸中心與槍管中心不重合，甚至使彈丸產生歪斜，如圖18所示。這情況下，彈丸不能閉氣，使最高膛壓降低，是初速下降的一個原因；另一方面由于大間隙的存在，在彈藥爆炸彈丸脫離彈殼的初始時刻，氣體的速度遠遠快于彈丸，繞過彈丸到達彈丸前面，對彈丸的運動產生擾動。同時，彈丸脫離彈殼后失去定位，這將嚴重影響彈丸的均勻受力，致使彈丸與內膛產生碰撞，也使彈丸膛內運動時產生較大的不均勻阻力，進而改變彈丸的飛行姿態，產生橢圓彈孔，也是造成初速下降的另一個原因。再一方面由于彈丸膛內運動時的碰撞，加速了彈丸對內膛的不均勻磨損，使槍管直徑迅速變大，橫截面的圓度變差，彈丸運動失衡，進而改變彈丸的姿態，產生橢圓彈孔，這些也是散布密集度增大的原因。

圖16　子彈在槍管內的狀態圖Fig.16　State of ammunition in barrel

圖17　彈丸在槍管內的狀態圖Fig.17　State of pill in barrel

3　結論

對于某機槍不同壽命槍管的壽終規律進行了分析，得到了槍管壽終的形式及原因，具體結論如下：

1）不同壽命的某機槍槍管的壽終形式都是以橢圓彈孔率達到本組射彈量的50%而壽終；初速度呈下降趨勢，但在壽終前的一個階段初速度出現形了明顯的陡降；壽終前密集度R50遠小于壽終判據；

2）槍管內膛損傷嚴重，尾部以燒蝕為主，口部以磨損為主；射彈量為1 200發時，槍管內膛五錐處的鉻層已經成片脫落；隨著槍管內膛尾部的破壞，口部尺寸磨損加速；槍管內膛尾部損傷越快，槍管壽命越短；

3）槍管四錐、五錐的破損是造成槍管失效的根本原因，主要體現在以下四方面：首先，造成彈丸與內膛產生間隙，彈丸失去定位，與內膛發生碰撞，不能平穩均勻擠進；其次，彈丸與槍管內膛的間隙使氣流對彈丸產生擾動，導致內彈道彈丸不穩定；再次，造成彈丸上的刻痕不均勻，對稱度及圓度下降；最后，以上彈丸的不穩定運動，加速槍管內膛鉻層的脫落和磨損，致使陽線導轉作用大幅度降低。

圖18　彈丸脫離彈殼后的狀態圖Fig.18　The state of pill after breaking away from cartridge case

致謝 感謝北京科技大學曲選輝教授和中國兵器工業第208研究所王光華研究員級高級工程師兩位導師對論文的悉心指導，感謝北京科技大學路新老師的無私幫助和中國兵器工業第208研究所項目組成員在試驗過程中付出的努力和辛苦。

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Research on the Performance Decay Rule of Large Caliber Machinegun Barrel

QIAO Zi-ping1，2，LIJun-song2，XUE Jun2
（1.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.No.208 Institute of China Ordnance Industry，Beijing 102202，China）

In order to study the erosion rule of large calibermachinegun barrel in lifetime and find out the determinants of barrel life，the life testwas done on two barrelsmade of differentmaterials.The fundamental cause of the ellipse shot holes due to the erosion of the forth and fifth tapers are found out by analyzing the relations among the barrel life and the changes of bore land diameter and bore surface topography，accuracy and dispersion，decreased rate ofmuzzle velocity and number of ellipse shot holes，which results in the different life of two barrels；when firing 1 200 shots，the chrome layer in the fifth taper of bore fell off，the bore diametermeasured by gauge can't reflect barrel performance，but the barrel life is determinated by the changing of land diameter in the rear of barrel.

ordnance science and technology；barrel；life test；bore；life；erosion

TJ10

A

1000-1093（2015）12-2231-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.004

2014-12-25

喬自平（1975—），女，高級工程師。E-mail：maryqiao@163.com