機槍槍管溫度影響因素與綜合性能分析

丁述宇，單永海，王 平，徐云華

(1.中國人民解放軍63850部隊， 吉林 白城 137001; 2.陸軍裝甲兵學院， 北京 100072)

1 引言

在常規槍械試驗中，槍管內膛在射擊過程中承受高溫、高壓及高速的火藥氣體作用，多種因素耦合作用下槍管內膛易出現燒蝕、磨損及化學侵蝕，導致槍管的初速等綜合性能下降，使其不滿足規定的戰術技術性能指標而壽終[1-2]。同時，槍管溫度對槍管壽命具有重要影響，控制射擊過程中機槍槍管溫度對延長槍管使用壽命、指導部隊作戰訓練運用意義重大[3]。

近年來，科研人員針對槍管壽命失效領域展開了相應的研究，單永海等[4]研究了身管在常溫工況下綜合壽命的影響因素，并提出了加速壽命試驗研究的方法。喬治平等[5]分別選用兩根材料不同的身管，通過大量試驗探究了機槍槍管失效規律，分析了槍管失效的形式與原因。上述研究是在大量試驗的基礎上，通過分析數據得到槍管失效規律與原因。而Lawton B等[6-7]則以數值模擬的方式，形象直觀地從微觀角度展示了槍管的失效形式，分析其失效規律。但前期研究主要是針對某種口徑或者特定工況下槍管的失效規律研究，而不同口徑的槍管在不同工況下的失效規律研究內容比較少，通過綜合對比與分析尋找槍管失效的基本規律具有重要意義。

本文研究了高溫、常溫、低溫等不同環境試驗條件下槍管外壁最高溫度與環境溫度、換箱間隔等試驗條件之間的關系。在此基礎上，進一步研究了累計射彈量對不同口徑槍管初速、射擊密集度R50、最大膛壓、最大加速度、彈丸膛內運動時間等綜合性能的影響。

1 槍管溫度影響因素分析

槍管溫度與槍管壽命息息相關，為研究并有效掌握槍管溫度影響因素及其影響規律，針對性地開展了高溫、常溫和低溫等環境條件下的試驗研究，主要包括環境溫度、換箱間隔與點射長對槍管外壁溫度的影響。測量射擊過程中槍管的外壁溫度的方法有手動靜態和紅外動態2種方式，其中手動靜態測試方法為間斷性的溫度點，受周圍環境因素、槍管材質的金屬折射率等因素影響較大，測量值準確度不高；而紅外動態測試可獲取相機視場一個區域內槍管溫度隨時間變化的曲線，測量方式數據量大、準確度高。因此，選取紅外動態測試技術獲取相應的槍管外壁溫度[8-9]。

1.1 點射長對槍管溫度的影響

為研究不同點射長(即一個點射連續射擊的彈丸數量)對槍管外壁最高溫度的影響，在射彈量為100發時，結合不同的溫度工況，從多維度展現點射長在溫度演變中發揮的作用。

表1為常溫、高溫與低溫條件下不同點射長對槍管溫度的影響，通過分析其數據可知，在相同溫度工況下槍管外壁溫度變化幅度不超過3%，因此不同點射長對槍管外壁最高溫度基本沒有影響。

表1 不同外界環境下點射長對槍管外壁溫度的影響

1.2 環境溫度對槍管溫度的影響

為進一步分析環境溫度對槍管外壁最高溫度的影響，通過分析數據，如圖1所示。射擊過程中采取不同的點射長，槍管外壁溫度均是隨著環境溫度的升高而升高。由于高溫火藥氣體將其熱量傳遞給槍管，使槍管溫度遠遠高于周圍環境溫度，因此決定槍管最終溫度的因素為槍管外壁與周圍環境的溫度差。外界環境溫度越高，槍管由于射擊產生的熱量傳遞給周圍環境越少；當外界環境越低，槍管的熱量傳遞給外界環境就越多。綜上所述，環境溫度與槍管最高溫度呈正相關：環境溫度越高，溫度差越小，槍管傳遞給環境的熱量越少，槍管外壁最高溫度也就越大。環境溫度從常溫到高溫變化時，槍管外壁最高溫度增加14.6%；當環境溫度從低溫到常溫變化時，槍管外壁最高溫度增加5.03%。

圖1 環境溫度與槍管外壁最高溫度直方圖

1.3 換箱間隔對槍管溫度的影響

在不同環境溫度(高溫、常溫和低溫)下，研究換箱間隔對槍管外壁最高溫度的影響。如圖2所示，通過將數據進行線性擬合，可明顯看出換箱間隔與槍管外壁最高溫度呈線性負相關，隨著換箱間隔時間的延長，槍管外壁的溫度線性降低。另外一方面，環境溫度與換箱間隔還存在著對槍管溫度的交互影響，環境溫度除了影響槍管外壁最高溫度，還影響單位時間下槍管外壁溫度的變化率。導致這一現象的誘因為槍管外壁與環境的溫度差，且在低溫工況下其變化率最大，即單位時間槍管外壁溫度下降89 ℃。

圖2 不同溫度工況下換箱間隔對槍管外壁最高溫度的影響曲線

高溫環境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達式：

T=595.58-67.53t

(1)

常溫環境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達式：

T=531.29-15.25t

(2)

低溫環境下，換箱間隔與槍管外壁溫度之間的表達式：

T=484.5-89t

(3)

溫度作為影響槍管壽命的重要因素，以上重點研究了影響槍管壽命的因素。并對其進行定量定性分析，為槍管壽命研究工作奠定了一定基礎，但表征槍管壽命的參數要從其綜合性能進行分析(初速、密集度等)。為進一步深入研究機槍槍管壽命，從多因素對槍管壽命進行表征，研究不同參數作用下槍管壽終的評價指標，指導后續試驗工作開展。

2 槍管綜合性能分析

2.1 彈丸初速分析

彈丸在火藥氣體作用下，在槍管內膛加速并從槍口出膛，對大口徑機槍而言，當彈丸初速降低至原來的85%以下(初速下降率大于等于15%)時，可認定該槍管已經失效，因此彈丸初速可作為槍管壽命的重要評價指標。為了研究射彈量與彈丸初速之間的關系，分別選取3種不同口徑的機槍(1#、2#與3#)的各兩支槍管(分別將其命名為X-1或者X-2)進行試驗。通過綜合分析其彈丸初速隨射彈量的變化關系，如圖3所示。可將其劃分為2個階段(StageI和StageII)。在階段一(StageI)，彈丸初速隨著射彈量的增加而不斷升高，并且在射彈量為700發時，彈丸初速達到最高；而后進入階段二(StageII),隨著射彈量的增加，彈丸初速不斷降低向著槍管失效的方向不斷發展，最終導致槍管失效并且壽命終止。可見，以初速作為槍管壽命表征參量還是比較合理可行的。

圖3 彈丸初速與射彈量的關系曲線

彈丸初速呈現先升后降2個階段的主要原因是，在StageI槍管內壁存在一些阻礙彈丸加速運動的毛刺，隨著射彈量的增加，通過彈丸外壁與槍管內壁的摩擦，使槍管內壁平滑，減少彈丸在槍管內壁加速運動的阻礙。但槍管內壁阻礙彈丸運動的因素清除后，進一步增大射彈量而產生的火藥氣體將燒蝕與磨損槍管內壁，使彈丸外壁與槍管內壁間隙變大，火藥氣體不全作用在彈丸底部使其加速，因此相應的彈丸初速也降低(見圖4)。

圖4 彈丸在槍管內膛運動示意圖

2.2 射擊密集度分析

射擊密集度作為槍管壽命的另外一個指標，通常R50達到初始值的2.5倍時，可認定槍管壽終。如圖5所示，從3種槍管1#、2#與3#中，選取兩支來研究射擊密集度，以此分析槍管壽命。可明顯看出，射彈量在2 000發以下時，射擊密集度隨射彈量的變化呈現波動狀態，但波動過程中其射擊密集度的上限遠遠小于失效臨界點。

圖5 射擊密集度與射彈量的關系曲線

通過數據分析可知，整個過程中存在個別誤差點，如口徑1#的第一支槍管射彈量在720發時，其射擊密集度超過失效界限。但從整體的角度而言，屬于正常的誤差范圍內，可能是測量或者是試驗過程的操作誤差造成的。當射彈量超過2 000發后，隨著射彈量的增加，射擊密集度呈現線性增長趨勢，并朝著槍管失效的方向發展。因此，為減少試驗工作量，在壽命試驗累計射彈2 000發以前不建議進行R50檢測。

2.3 其他性能分析

在射彈量對彈丸初速與射擊密集度影響研究基礎上，結合3種機槍槍管測試數據，對最大膛壓、最大加速度、彈丸膛內運動時間等槍管內膛動態參數與射彈量的關系進行了分析，如表2所示。

表2 射彈量與槍管綜合性能關系

研究結果表明，當射彈量數目低于700發時，槍管最大膛壓與最大加速度呈波動式變化，但整體呈現增長趨勢。究其原因初始狀態的槍管內膛由于加工粗糙，火藥氣體利用率不充分，彈丸擠進槍膛阻力大，因此射擊開始前槍管膛壓與加速度相對較低，而后彈丸與槍管內膛的不斷磨合，克服了加工粗糙區域帶來的不良影響，提高了火藥氣體利用率，槍管膛壓與加速度隨之波動式增長。并且隨著射彈量的進一步增加，兩者的數值均相應的進行減小，并朝著槍管失效的方向發展。

如圖6所示，隨著射彈量的增加，彈丸膛內運動時間呈現遞減的趨勢。從整體的角度上看，射彈量對槍管綜合性能影響分為2個階段，在第一階段，槍管綜合性能呈現波動式變化；進入第二階段，槍管綜合性能數值迅速下降，并向槍管壽終方向變化。

與2.1節初速分析類似，槍管內膛動態參數變化呈現兩階段的原因主要是槍管內壁與彈殼外壁之間間隙變化造成的，如圖4(a)所示，早期兩者之間貼合緊密火藥氣體能夠用于推動彈丸的加速運動。隨著射彈量增加，兩者之間間隙變大，如圖4(b)所示，火藥氣體不完全作用于彈丸，從間隙之間流向槍口，則最大膛壓、最大加速度等均隨之降低。

圖6 彈丸膛內運動時間與射彈量的關系曲線

3 結論

1) 槍管外壁溫度與點射長無關，環境溫度、換箱間隔是影響槍管外壁溫度的2個主要因素，且換箱間隔與槍管外壁溫度呈一階線性負相關、環境溫度與槍管外壁溫度呈正相關；

2) 槍管初始狀態與環境溫度的溫度差影響槍管外壁最高溫度峰值和溫度變化率：環境溫度從常溫到高溫變化時，槍管外壁最高溫度增加14.6%；當環境溫度從低溫到常溫變化時，槍管外壁最高溫度增加5.03%，并且槍管與環境溫度差越大，溫度變化率最快，即在低溫工作時最明顯；

3) 射彈量對彈丸初速的影響以射彈量700發為臨界點，在到達臨界點之前，彈丸初速不斷提高，超過臨界點后彈丸速度不斷降低，并最終出現壽終現象；而射擊密集度是以射彈量2 000發為臨界點，在射彈量低于2 000發時，射擊密集度呈波浪式變化，射彈量超過臨界點后，射擊密集度逐漸變大；

4) 最大膛壓、最大加速度在射彈量數目少時，呈現波浪式增長，隨著射彈量增加，其性能不斷降低；彈丸膛內運動時間則隨著射彈量增加不斷下降。