火炮身管自緊技術及其特性分析

陳 瑤，高永宏，郭傳祥

(中北大學環境與安全工程學院, 太原 030051)

0 引言

火炮是指以發射藥為能源，口徑20 mm以上的身管武器的總稱。火炮身管作為火炮的主要構成部件，幾乎決定了身管武器的使用壽命。經過多次的彈藥發射后，火炮身管膛內壁會產生龜裂，繼續射擊可能會因為疲勞裂紋而導致災難性事故。因此，火炮武器安全的主要問題來源于火炮身管。身管的自緊指在火炮身管的最后精加工之前，通過一定的工藝手段在炮管壁內制造與發射應力相反的殘余應力的一種工藝方法。自緊完成后的身管膛壁內會形成一種壓縮殘余應力，這種殘余應力既能抵消部分火炮發射時制造的膛壓，又能延遲內膛面裂紋的生成和限制疲勞裂紋的擴展，從而達到延長身管武器壽命的目的。

1 身管自緊技術發展

1.1 國外自緊技術發展

身管火炮大都采用了自緊技術以滿足武器自身的需要。根據目前資料，德國至少有4種火炮采用了自緊身管，即豹1坦克L7A3式105 mm坦克炮、豹2坦克120 mm滑膛炮，FH70式(牽引)和SP70式(自行)155 mm榴彈炮。萊茵金屬公司研制生產的豹2坦克120 mm滑膛炮身經液壓自緊和炮膛鍍鉻處理，初速為1 330 m/s，膛壓為5.4 kPa，炮身壽命可達1 000發。美國目前采用自緊身管的火炮品種有: M107式175 mm自行加農炮、M102式105 mm牽引榴彈炮、XM104式和M108式105 mm自行榴彈炮等。英國火炮身管武器采用自緊技術的有: M1式105 mm輕型榴彈炮、L7 型105 mm坦克炮、GBTI55 mm自行榴彈炮和L11型120 mm線膛坦克炮。

1.2 國內身管自緊技術的發展

自緊原理最早由法國科學家圣-維南于1872年提出，其研究了厚壁圓筒在受內壓作用下材料進入全塑性時的應力狀態。近年來在模擬試驗和全尺寸身管的研制過程中，開展了液壓自緊技術、高膛壓火炮身管機械自緊技術基礎、高效液壓自緊技術、自緊實際控制、火炮身管疲勞壽命等課題研究以及較大規模的實際應用。

98式主戰坦克上安裝了ZPT-98式50倍徑的125 mm高膛壓滑膛坦克炮，通過對身管進行液壓自緊，來滿足高膛壓火炮對其身管自身強度的要求。火炮身管采用全膛鍍鉻工藝，其主要作用是提高身管耐磨損、耐燒蝕的能力和壽命，使其壽命大大提高，達到世界先進水平，炮口動能比俄羅斯2A46M-1型125 mm坦克炮提高近45%。

中國86式100 mm滑膛反坦克炮是在73式100 mm滑膛反坦克炮基礎上改進而成的，該炮的身管由電渣重熔高強度炮鋼制成，并經液壓自緊處理，現已批量生產裝備部隊。我國的炮兵武器已有100 mm和120 mm滑膛炮、125 mm 坦克炮和152 mm自行加農炮、81式105 mm坦克炮和83式105 mm坦克炮等，其身管采用了自緊技術。

2 火炮身管自緊技術

身管自緊技術有3種，即液壓自緊、機械自緊和爆炸自緊。機械自緊技術和液壓自緊技術已經投入了實際的生產，并得到廣泛的應用。而爆炸自緊由于技術的不完善，至今還未在實際生產中得到應用。

2.1 身管自緊技術的原理

液壓自緊加工技術是利用超高壓泵產生高壓液體直接作用于身管內表面，通過施以高壓來完成自緊的一種工藝方法。液壓自緊系統主要由超高壓發生器(高壓泵和倍壓器等)框架、芯軸等專用公裝、芯軸移動系統、超高壓管道和接頭、密封裝置和測試儀器等組成，因此被廣泛應用。目前世界上火炮身管自緊高壓泵(含雙向作用的高壓缸)的壓力已達1 400 MPa，屬于超高壓范圍。因此液壓自緊存在的關鍵問題就是需要配備超高壓設備(1 000～1 500 MPa的高壓泵)和解決超高壓密封問題，壓力越高密封越困難。

機械自緊也稱沖頭擠擴自緊法。其主要原理是強迫具有一定過盈量的沖頭通過毛坯身管，使毛坯身管內膛產生塑性變形，從而形成一層冷作硬化層, 其合理的殘余應力分布可以抵消一部分火炮發射時工作膛壓造成的應力,既提高了火炮的強度,又提高了光潔度和內表面硬度,從而增強了耐磨性,降低了裂紋擴展速率,延長了身管的疲勞壽命。機械自緊的驅動方式有兩種:高壓液體驅動和機械驅動。

爆炸自緊是利用炸藥爆炸產生的瞬時高壓使炮膛產生塑性變形的一種自緊方法。圖1為爆炸自緊的結構圖，炸藥置于身管毛坯的中心位置，用導爆索和電雷管相連，炸藥周圍介質可以是水或空氣，自緊管外部可以有限制變形的模具，也可以沒有。

圖1 爆炸自緊結構簡圖

通過水槽外部的導爆索引燃身管毛坯內的炸藥，炸藥爆炸后的沖擊波通過防護層直接作用到身管毛坯內表面上，在微秒級時間內完成。機械自緊法和液壓自緊法的工藝類似于爆炸成型，爆轟波通過水介質對構件施加沖擊內壓，整個過程在毫秒級時間內完成。

2.2 自緊技術原理分析

以上3種自緊技術都是通過借助外力對身管內表面施以高壓來達到自緊效果，其主要區別在于借助的外力有所不同。機械自緊技術和液壓自緊技術是直接作用于身管表面，提前給火炮身管一定的預應力來達到自緊效果。爆炸自緊技術是將炸藥置于身管內部，通過爆炸產生的沖擊波作用于身管內表面從而達到自緊效果。因此，爆炸自緊法不需要配備超高壓設備和解決超高壓密封問題，成本較低，并且爆炸自緊技術可以用于不同形狀的內膛身管的自緊。

2.3 自緊身管的計算

2.3.1 液壓自緊計算

由于自緊管材形狀比較復雜，各段尺寸不同，因此在計算各段彈性極限時不能用同一個公式進行，所以大多數炮管都采用局部自緊，即只對藥室和膛線起始部自緊。為了解決以上問題，通過對液壓自緊管材彈性極限優化得出以下計算方法。

自緊管材彈性極限壓力的公式為：

(1)

式中：為彈性極限壓力；為管壁中任意點的半徑；為壓力。可知管材結構尺寸已定，它與自緊壓力及自緊毛坯結構尺寸的關系為:

(2)

式中：為自緊壓力；為自緊身管內徑；為自緊身管外徑。可以看出，自緊管材最佳強度的設計是最佳自緊壓力和自緊毛坯的設計。在結構尺寸已定的條件下，得到一組約束條件:1≤≤10；1≤≤10；0≤≤1200×10；0≤(-)(-)≤0.8。

2.3.2 機械自緊計算

為研究各自緊度下的身管截面在加載時的應力和卸載后的殘余應力，需要對不同情況下自緊身管所需要的壓力進行計算，根據文獻[15]得到了自緊度身管的自緊壓力計算方法。圖2為身管彈塑性區分布示意圖。

圖2 身管彈塑性區分布示意圖

Mises屈服條件下，以理想彈塑性炮鋼本構模型以及厚壁圓筒Lame方程可以計算出自緊壓力加載時的身管應力狀態，由于Mises屈服條件下求出的應力表達式相當復雜，通常采用修正的Mises屈服條件，其身管徑向、切向應力、計算方法為：

1)塑性區

(3)

(4)

2)彈性區

(5)

(6)

Tresca屈服準則也可用做自緊壓力的計算，但它沒有考慮中間應力的影響，當3個主應力大小順序未知時使用很不便。而Mises屈服準則不僅考慮到了屈服和破壞的影響，而且簡單實用、材料參數少、易于實驗測定，利于塑性應變增量方向的確定和數值計算。

2.3.3 爆炸自緊計算

單筒身管強度計算公式按第三強度理論為：

(7)

1)半彈塑性自緊管壁內的應力計算

當=時，便可求得半彈塑性狀態下自緊身管的自緊壓力公式：

(8)

(9)

式中，上角標P為塑性區。

彈性區(≤≤)受力狀況如同單筒身管，外壓為零，按第三強度理論，彈性區的相當應力為：

(10)

式中：為剪切強度；上角標e表示彈性區。當=時，2=。

2)全塑性自緊管的自緊壓力和應力計算

令=便可求得全塑性自緊管的自緊壓力公式為：

(11)

式中：上角標“O”表示全塑性，即100%過應變管。

按第三強度理論，當=便可求得全塑性自緊管壁內的應力：

(12)

由以上可得出全塑性爆炸自緊管加載時的應力。

3)爆炸自緊炸藥量的計算

炸藥在無限空氣介質中爆炸時沖擊波超壓可用以下公式估算：

(13)

式中：Δ為沖擊波正面上的超壓(MPa)；為裝藥的TNT當量(kg)；為到爆心距離(m)。

當炸藥在地面上爆炸時，地面反射使爆炸效應加強。對于剛性較大的混凝土、巖石表面等，相當于2倍裝藥量的效應。如果地面是土壤，相當藥量可取1.7～1.8。

小藥量爆炸的沖擊超壓波計算公式為：

當Δ>1.013 MPa時，

(14)

當Δ<1.013 MPa時，

(15)

當沖擊波運動方向與障礙物剛性壁表面平行時，作用于剛性壁上的最大載荷Δ=Δ;當沖擊波運動方向垂直于剛性壁表面時，其所受載荷大大增加，即：

由式(16)可見，若取=1.4，對于超壓值較小的弱沖擊波垂直入射時，剛性壁所受載荷最大值為Δ=2Δ；對于垂直入射強沖擊波，剛性壁所受最大載荷為Δ=8Δ；如果以一定傾角入射剛性壁時，沖擊波將產生斜反射甚至產生形成馬赫波的非正規反射。

2.4 自緊身管的計算分析

相比較于機械自緊技術和液壓自緊技術的計算過程，爆炸自緊技術多了一步炸藥藥量的計算，但是少了很多繁瑣的工藝裝卸過程，生產周期短。較高的超應變度可以獲得更高的疲勞壽命。炸藥爆炸后的沖擊波通過防護層直接作用到構件內表面上,在微秒級的時間內完成。動液壓法的爆轟波通過水介質對構件施加沖擊內壓,整個過程在毫秒級時間內完成，可以獲得更大的變形而本身仍完好無損,對構件也更加安全。因此，合理的炸藥量可以使自緊過程更加安全高效。

2.5 自緊技術的主要問題

液壓自緊存在的關鍵問題就是需要配備超高壓設備(1 000～1 500 MPa的高壓泵)和解決超高壓密封問題，壓力越高密封越困難。一般的密封方式無法滿足液壓自緊，需要采用一種軸向自緊式密封方法，這種方法的原理是利用高壓液體產生的軸向壓力作用于密封件使其變形，隨著壓力逐漸升高，高壓下的密封效果也逐漸加強，從而達到高壓下所需要的密封效果。

機械自緊技術成功與否的關鍵之一是潤滑劑。因此，機械自緊技術在沖頭和身管毛坯的各項參數確定后，就需要在沖頭和身管毛坯內壁之間進行潤滑，其主要目的是降低摩擦力和防止沖頭和身管毛坯內壁發生咬黏現象。早期為了避免自緊時炮膛表面被沖頭擦傷并減少自緊推力，通常在炮膛表面電鍍一層鉛作潤滑劑。由于鍍鉛的成本高，電鍍時更換陽極的操作頻繁，鉛又有毒，特別是曾發現炮管橫向斷裂與鉛潤滑劑有關，促使對其它潤滑劑進行了大量研究。

爆炸自緊技術理論上指出自緊壓力在壁厚比一定的情況下，只與材料的屈服強度有關，只有滿足一定壁厚比的情況下才能成立，因此爆炸自緊技術的適用范圍需要根據毛坯身管的壁厚比才可以確定是否適用。

3 自緊加工技術發展

目前，機械自緊和液壓自緊技術已經得到了廣泛的應用。由于對爆炸自緊技術深入研究的匱乏，導致其并未被應用于實際。但這3種自緊技術的特點致使它們有著廣闊的發展前景，具體優勢體現在：

液壓自緊技術分為開端自緊和閉端自緊。當進行開端自緊時，方法簡單、經濟，適用于大批量生產。閉端自緊時由于身管有軸向拉伸，身管彎曲較小。

機械自緊技術沖頭的運動方式有兩種，一種高壓液體驅動方式，另一種是機械驅動方式。當使用高壓液體驅動時，可通過調節液壓系統的流量來控制沖頭的速度。這種驅動方式不僅密封難度低，還降低了工藝過程的危險性。

爆炸自緊法不需要配備超高壓設備和解決超高壓密封問題，成本較低，并且爆炸自緊技術可以用于不同形狀的內膛身管的自緊，例如類似于柱塞泵液力端的三通或四通構件，其主要危險部位在兩孔的相貫線處，爆炸自緊加工工藝也可以對其內壁進行自緊處理，這就大大的簡化了自緊工藝。爆炸自緊過程中材料在高應變速率下完成彈塑性變形，較之常規加載方式可以獲得更大的變形而本身仍完好無損，因此對構件更加安全。

通過上述分析可以清楚的了解到，爆炸自緊、機械自緊和液壓自緊都可以成功的對身管毛坯構件實施自增強處理。它們的特點決定了它們適用于不同的身管自增強加工處理場合。雖然爆炸自緊技術還未得到廣泛的關注，還存在許多問題尚未解決，但毫無疑問，爆炸自緊技術的發展潛力十分巨大。