某型艦炮彈藥底火漏煙問題的分析及處理

張 健 任建榮 李艷飛

（1、海裝駐沈陽第三軍事代表室，遼寧 沈陽110045 2、遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽110045）

在進(jìn)行某型艦炮產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)，采用全彈保低溫（-40℃）進(jìn)行連射的方式考核其性能，但當(dāng)射擊到第3 發(fā)時(shí)出現(xiàn)了不發(fā)火的故障，導(dǎo)致射擊停止。通過對(duì)火炮進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)擊針與擊針簧均有不同程度的燒蝕，藥筒的底部、底火與藥筒結(jié)合部位呈現(xiàn)出大面積的熏黑，如圖1 所示，在將底火卸下后發(fā)現(xiàn)底火收口部位有環(huán)狀裂縫，如圖2 所示，由此判斷嚴(yán)重的漏煙問題是造成火炮閂體擊針孔堵塞并致使火炮停射的主要原因。

底火漏煙導(dǎo)致某艦炮停射這一問題的產(chǎn)生，給該艦炮的使用和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮帶來了重大安全隱患和重要影響。因此，本文針對(duì)這一現(xiàn)象的生產(chǎn)，開展了可能導(dǎo)致底火漏煙問題的研究，旨在將該問題完好的解決，以提高產(chǎn)品的使用可靠性。

圖1 射后藥筒熏黑痕跡

圖2 底火裂紋形態(tài)

1 原因分析

1.1 底火的結(jié)構(gòu)和作用原理

發(fā)生故障的底火由底火體、火帽座、撞擊火帽、壓螺、閉氣塞、襯盂、藥餅、閉氣蓋等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

使用時(shí)，首先火炮擊針撞擊火帽座底部[1-2]，從而引起火帽前沖，這時(shí)火帽在火帽座擠壓和壓螺夾擊下發(fā)火，產(chǎn)生的火焰經(jīng)壓螺傳火孔沖開錐形閉氣塞實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃點(diǎn)火藥餅，點(diǎn)火藥餅燃燒后產(chǎn)生的火焰和氣體將沖破預(yù)制有梅花瓣槽的閉氣蓋，進(jìn)而點(diǎn)燃藥筒中發(fā)射藥底部的點(diǎn)火藥包，最終完成點(diǎn)火過程。

在底火將能量向藥筒方向輸送實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的同時(shí)，藥筒底火室部位主要靠底火自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)膛內(nèi)高壓氣體的閉氣[3-4]。其閉氣原理是在底火發(fā)火后，會(huì)使閉氣蓋梅花瓣撕裂并張開緊貼孔壁，當(dāng)藥筒內(nèi)的火藥被引燃后，錐形閉氣塞通過閉氣蓋在火藥氣體壓力作用下會(huì)向下運(yùn)動(dòng)并緊貼在底火體錐孔中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火藥氣體的密閉作用，底火裝配結(jié)構(gòu)及作用原理如圖4 所示。

圖3 底火結(jié)構(gòu)圖

1.2 故障原因分析

在底火的設(shè)計(jì)時(shí)，要求底火與藥筒底火室要具有密封性，主要從防潮功能方面考慮以保證彈藥的長(zhǎng)期存儲(chǔ)性能，并不包括閉氣性要求。但是由底火的作用原理可知藥筒底火室主要靠底火自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)膛內(nèi)高壓氣體的閉氣，從而防止高溫高壓火藥氣體從藥筒底火室部位流出。而在底火裝配時(shí)為了保證其與藥筒底火室的密封性，通常在二者螺紋的結(jié)合處涂抹瀝青清漆，但是所涂抹的瀝青清漆只有防潮密封作用，不能承受火藥氣體的高壓作用，如果底火口部強(qiáng)度不足產(chǎn)生口部裂紋，火藥氣體將沿底火與藥筒螺紋結(jié)合處竄出，導(dǎo)致底火漏煙。

圖4 底火裝配結(jié)構(gòu)及閉氣作用原理示意圖

2 底火強(qiáng)度仿真分析

為了驗(yàn)證是否是底火口部強(qiáng)度不足而導(dǎo)致漏煙現(xiàn)象的發(fā)生，下面將采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行底火強(qiáng)度分析，分析選用ANSYS Workbench 有限元分析軟件。根據(jù)圖4 底火裝配結(jié)構(gòu)及底火的尺寸建立仿真模型，建模時(shí)假設(shè)閉氣塞能夠可靠閉氣，因此將火帽座、閉氣塞以及被火藥氣體沖破的閉氣蓋合為一個(gè)整體，同時(shí)將螺紋部分簡(jiǎn)化為卡死結(jié)構(gòu)，并且藥筒底部?jī)H建立包括底火室的部分結(jié)構(gòu)。實(shí)施建模時(shí)，為了提高計(jì)算效率，將全模型進(jìn)行對(duì)稱設(shè)置為1/2 模型，如圖5 所示。

圖5 底火裝配結(jié)構(gòu)三維模型

模型建立完成后對(duì)模型進(jìn)行材料屬性定義，底火體的材料為45#鋼，中間閉氣部分為黃銅，底火室以結(jié)構(gòu)鋼材料替代，材料參數(shù)如表1 所示。材料屬性定義后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)定義網(wǎng)格尺寸大小為0.5mm，劃分后生成33859 個(gè)網(wǎng)格單元，116480 個(gè)單元節(jié)點(diǎn)；完成網(wǎng)格劃分后進(jìn)行約束和載荷的定義，由于藥筒底火室底部與炮栓接觸且底部側(cè)面為剖切面，所以將這兩個(gè)面定義為固定約束面，其它部分通過定義接觸與其進(jìn)行相互作用，藥筒底火室的其它面以及閉氣賽頂部腔體的所有外表面均要承受火藥氣體的壓力作用，因此添加壓力載荷為230MPa（該型艦炮的最大膛壓），添加完約束和載荷的底火裝配結(jié)果如圖6 所示。

表1 底火裝配結(jié)構(gòu)材料參數(shù)[5-7]

在完成上述步驟后即可進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后提取底火裝配結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和變形云圖如圖7 和8 所示，由圖7 中可以看出在閉氣蓋與底火體口部相接觸的位置應(yīng)力較大，其值已達(dá)到1139.7MPa 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了黃銅和結(jié)構(gòu)鋼材料的強(qiáng)度極限，這與底火漏煙故障分析的結(jié)果吻合，而在底火體底部與藥筒底火室接觸的環(huán)狀區(qū)域內(nèi)， 應(yīng)力值在855.22-1139.7MPa 之間，這是由于壓力作用于閉氣塞導(dǎo)致的簡(jiǎn)化后火帽座位置受力過大引起的，這與建模時(shí)的模型簡(jiǎn)化有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)如果閉氣塞能夠可靠閉氣不會(huì)產(chǎn)生如此大的應(yīng)力；而從圖8 的變形云圖中可以看出，底火體口部由于受力過大導(dǎo)致變形也很大，盡管其最大值僅為0.03575mm，但是對(duì)于火藥氣體的泄露也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此從變形云圖也同樣能夠驗(yàn)證底火漏煙故障原因分析的正確性。

圖6 添加約束和載荷的底火裝配結(jié)構(gòu)圖

圖7 最大等效應(yīng)力云圖

圖8 最大等效變形云圖

3 改進(jìn)處理及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)對(duì)底火漏煙原因的分析，采用以下兩個(gè)改進(jìn)措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行處理：

3.1 在底火裝配過程中，將原來的大墊圈裝配方式改為小墊圈裝配，即調(diào)整了墊圈安裝在底火臺(tái)的位置。采用小墊圈裝配后，既能調(diào)整底火凹入量，又能消除底火口部端面與藥筒底火室頂平面之間的間隙，如圖9 所示。這樣的處理能夠有效增加底火口部對(duì)火藥氣體的密封性。

圖9 底火與藥筒配合間隙示意圖

3.2 對(duì)底火生產(chǎn)過程中的工藝進(jìn)行改進(jìn)，第一，裝配時(shí)增加“底火口部收口次數(shù)不超過2 次”的工藝要求；第二，在熱處理工序要求底火體熱處理后的硬度值在HB165～HB175 范圍內(nèi)（技術(shù)指標(biāo)≤187）范圍。通過這兩項(xiàng)處理措施，能夠有效改善底火口部的低溫力學(xué)性能。

采用以上改進(jìn)措施進(jìn)行生產(chǎn)后，將成品底火裝配240 發(fā)彈藥，結(jié)合艦炮驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行低溫強(qiáng)度射擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后，回收藥筒并檢查底火地面，均未發(fā)生漏煙現(xiàn)象；拆下射后底火進(jìn)行檢查，底火口部均未出現(xiàn)裂紋。說明采取的處理措施合理可行，能夠有效的解決某型艦炮彈藥底火漏煙的問題。

結(jié)束語

彈藥的使用安全性和可靠性是保證火炮類武器系統(tǒng)發(fā)揮威力的前提條件。某型艦炮彈藥在進(jìn)行低溫射擊試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了底火漏煙的問題，嚴(yán)重影響了該艦炮武器系統(tǒng)的使用，針對(duì)這一安全問題筆者采用理論分析和仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方式找到了底火漏煙障產(chǎn)生的原因，并提出了改進(jìn)處理措施，將該問題進(jìn)行了有效解決，保證了某型艦炮彈藥交付部隊(duì)使用前的使用性能。