变工况条件下的通用机枪身管温度场与烧蚀特性分析

刘振华，方 峻，杨 晨

(南京理工大学 机械工程学院, 南京 210094)

1 引言

自动武器射击时，身管内壁温度在高温火药燃气作用下烧蚀损坏，尺寸增大，武器性能下降。身管寿终判据包括初速下降、射击精度无法满足要求、横弹率超过战术指标等，上述判据都与身管烧蚀磨损后内径尺寸变化相关，身管烧蚀主要由机械因素、化学因素、热因素造成，而对于机枪等速射武器身管烧蚀磨损的主要因素为热、化学因素。因此，研究不同工况或射击模式下身管温度场和烧蚀特性意义极大。

关于身管温度场和身管烧蚀的研究，国内外学者开展了大量研究。彭克侠对身管内外壁对流传热过程进行仿真，得出不同射速和不同环境温度下身管温度场分布规律。冯国铜采用能量平衡法，推导连续射击状态下身管内、外边界节点的有限差分方程，研究某型号机枪枪管温度场分布。Xi等分析计算了身管内外的热环境参数，基于有限差分法得出身管传热过程，得到了峰值温度和径向温度场。Longhe等建立了大口径机枪的热固耦合模型，求解并分析大口径身管在连续射击状态下身管温度场变化规律。Xu Cheng采用有限元方法对枪管的热固耦合模型进行数值求解，计算了周期性动压和热脉冲作用下枪管瞬态温度场。徐达等依据传热学理论建立了身管的传热学模型，分析单发及连发射击条件下温度场分布及其变化规律。杨艳峰利用ANSYS软件建立火炮身管有限元模型，计算求解得到不同射击模式及不同环境温度下身管内外壁温度变化规律。Dong-Yoon Chung等提出以身管内壁热输入量来描述烧蚀量的经验公式。梁文凯等结合摩擦学和流体力学建立身管与弹丸熔融磨损模型，提出一种身管与弹丸的熔融磨损的计算方法。李明涛通过内弹道学和热传导理论推导熔融烧蚀层厚度积分方程，利用半无限大物体假设给出熔化层厚度近似计算公式。Lawton基于阿伦尼乌斯公式提出身管发生化学反应时烧蚀速率的表达式。但现有研究仍缺少对不同工况条件下身管烧蚀特性的理论研究和试验验证。

本文运用烧蚀理论模型和有限元软件ANSYS研究身管在不同工况条件和设计参数下温度分布和烧蚀特性，并将理论分析结果与试验结果进行了对比分析。

2 有限元模型

枪管在射击时，火药爆炸产生高温、高压的火药燃气，导致枪管温度急剧变化，枪管热交换过程示意图如图1所示。

图1 枪管热交换过程示意图Fig.1 Schematic diagram of heat exchange

2.1 基本假设

枪管在实际射击时，由于火药爆炸和高温高压环境影响，过程极为复杂，为了便于计算，对有限元模型做出以下假设。

1) 身管初始温度取环境温度；

2) 不考虑弹丸与身管内壁摩擦及产生热效应，忽略辐射放热，假设对流是稳定的；

3) 身管温度场均匀分布；

4) 忽略枪管内部膛线、外部导气孔身管圆角、倒角以及其他细微结构，在尺寸上以阳线尺寸为准。

基于以上假设将枪管简化为二维轴对称模型。

2.2 材料参数

以某5.8 mm小口径机枪身管为研究对象，考虑身管和铬层材料性能的非线性，身管材料参数如表1所示。

表1 身管钢和镀鉻层的材料参数Table 1 Material parameters of body tube steel and chrome-plated layer

2.3 边界条件

射击时火药燃气释放的热量以热传导、热对流、热辐射的形式传递，在高温高压火药燃气作用下火药气体密度很大，大部分辐射能被火药气体吸收，到达身管内壁的辐射极少，故内壁边界条件只考虑对流传热；由于身管外壁始终与空气接触，外边界条件设置为自然对流换热。

将身管沿轴向分成50份，根据内弹道方程编写内弹道计算程序得到身管不同位置压强和温度，分别对不同位置施加相应的随时间变化的压强、温度、热对流边界条件，计算结果如图2—图4所示。

图2 火药燃气温度变化曲线Fig.2 Temperature change curve of gunpowder and gas

图3 身管内膛对流换热系数曲线Fig.3 Convective heat transfer coefficient curve of inner bore of barrel

图4 火药燃气平均膛压-时间变化曲线Fig.4 Average chamber pressure-time curve of gunpowder gas

3 身管烧蚀理论模型

身管烧蚀磨损计算的经验公式建立在大量的实验数据和多位学者的分析推导基础上，不同类型的速射武器经验公式不尽相同。通用机枪的身管内表面通常都有镀铬层，受镀铬层工艺条件和射击过程中的疲劳应力的影响，高硬度的铬层很容易产生裂纹，射击时火药燃气通过裂纹与身管钢直接接触，引起身管钢的烧蚀。本文根据热、化学因素的影响，将身管烧蚀分为缓慢侵蚀阶段、热化学烧蚀阶段和熔融烧蚀阶段等3个阶段。当枪管内部温度低于身管钢的氧化温度时，火药燃气与身管内壁之间没有明显的化学反应，这一阶段的烧蚀主要由火药爆炸的高温引起，烧蚀量相对较低，称为缓慢烧蚀阶段；当身管内壁温度达到身管钢氧化温度时，火药燃气透过铬层裂纹扩散与身管钢内表面发生氧化反应、渗碳反应，在高速流动火药气体的作用下，枪管发生烧蚀，称为热-化学烧蚀阶段；当枪管内壁温度超过身管钢熔点时，枪管材料开始软化甚至熔化，这被称为熔融烧蚀阶段。

身管烧蚀理论模型为：

(1)

式(1)中：、为实验测得的常数；为身管内壁温度；为身管外壁温度；为身管的导热系数；与分别为身管的内径与外径；为扩散性常数，该常数的取值取决于燃气产物的浓度;为环境温度；为身管的最大温度；为身管初始温度；Δ为活化能；为摩尔气体常量；为最大压力；为恒压比热容，为熔点温度;为火药气体向身管内壁传递的热流密度；为身管钢管的密度；为融解热;为身管钢氧化温度；为身管钢熔点；()为烧蚀层的厚度。

4 身管温度场分析

以某5.8 mm小口径通用机枪为研究对象，建立上述有限元模型，分析不同工况和设计参数对身管温度场的影响。不同工况条件分别为环境温度、冷却周期射弹总量、射击模式；设计参数为射击频率、镀铬层厚度。基准射击规范为环境温度293 K，射频700发/min，连射50发，停顿2 s，200发/弹箱，换弹停顿时间30 s，共射击1 000发。取坡膛终点位置截面(A截面)为分析对象，图5为基准射击规范下枪管内壁、外壁温度曲线

图5 A截面枪管内壁、外壁温度仿真曲线(1 000发)Fig.5 Simulation curves of the inner and outer walls of the barrel of section A (1 000 rounds)

由图5可知，1 000发连射中，枪管内壁温度变化呈脉冲式，峰值温度急剧上升后迅速下降，在停顿时内壁温度缓慢衰减，外壁温度上升速度减缓，随着射弹量的增加，身管内壁温度变化幅度逐渐减小。1 000发连射后，枪管内壁温度升高到1 131 K后迅速衰减，之后缓慢衰减；枪管外壁温度与内壁温度相比变化幅度很小。在射击结束后身管内壁温度由1 131 K下降至830 K，身管外壁温度由821 K上升至829 K，之后内外壁温度趋于一致。

5 不同工况和设计参数身管温度场分析

5.1 不同环境温度

以5.8 mm口径机枪为例，计算223 K、253 K、273 K、293 K、323 K等5种环境温度下枪管温度场，射击规范与基准射击规范相同。计算结果如图6、图7所示。

相同射弹量下，环境温度越高，身管外壁温度越高，枪管外壁温度以环境温度为起点迅速上升，随着射弹量的增加，温度升高速率有所降低，在射弹停顿期间温度升高速率减缓，换弹期间温度缓慢下降，换弹结束再次射击时，枪管外壁温度开始再度升高，但环境温度的改变对枪管温度积累过程几乎没有影响。1 000发连射后，323 K环境温度枪管内壁最高温度比223 K环境温度枪管内壁最高温度增加11.7%，外壁温度增加了11.8%。由图7可知环境温度越高，枪管内壁峰值温度越高，烧蚀量越大。环境温度的降低可减少身管烧蚀，有利于提高枪管使用寿命。

图6 不同环境温度下A截面枪管外壁温度曲线Fig.6 The temperature of the outer wall of the A-section barrel under different ambient temperatures

图7 不同环境温度下A截面烧蚀量直方图Fig.7 Ablation amount of section A at different ambient temperatures

5.2 不同冷却周期射弹总量

计算连续射击200发、400发、600发、800发、1 000发等5种冷却周期射弹总量下枪管温度场，射击规范参照基准射击方案，1 000发连射温度场包含其他4种冷却周期射弹量方案，因此仿真1 000发的温度场即可。计算结果如图8、图9所示。

图8 1 000发射击时A截面内壁、外壁温度变化曲线Fig.8 Temperature changes of the inner and outer walls of the A section of the 1 000-shot shot

图9 不同冷却周期射弹总量枪管内、外壁温度 峰值和烧蚀量直方图Fig.9 The inner and outer wall temperature peaks and the amount of ablation of the total amount of projectiles in different cooling cycles

冷却周期射弹总量对枪管内壁、外壁最高温度影响较大，冷却周期射弹总量1 000发的枪管内壁最高温度比冷却周期射弹总量200发的枪管内壁最高温度增加43.8%，外壁温度增加87.9%。由图9可知冷却周期射弹总量越多，枪管内壁峰值温度越高，而烧蚀量与冷却周期射弹总量近似呈指数关系，随着冷却周期射弹总量的增加，每一发弹导致的烧蚀量大幅提升。减少冷却周期射弹总量可以显著降低身管烧蚀量，有效提高枪管使用寿命。

5.3 不同射击模式

计算不同射击模式下枪管温度场，射击模式分别为每射击10发停顿2 s、每射击25发停顿2 s、每射击50发停顿2 s,其他参数参照基准方案。计算结果如图10、图11所示。

图10 不同射击模式枪管外壁温度随时间变化曲线Fig.10 Changes of barrel outer wall temperature with time in different shooting modes

不同射击模式下射弹组数越多，身管外壁温度上升速度越慢。50连发射击模式枪管内壁最高温度壁10连发枪管内壁最高温度增加2.9%，外壁最高温度增加0.39%。可见射击模式的改变尽管改变了枪管温度积累过程，但对枪管外壁温度随时间变化的规律影响极小。由图11可知射弹组数越少，枪管内壁峰值温度越高，身管烧蚀越严重。在总射弹量一定的情况下，增加射弹组数，以点射、短点射代替长点射可以减少对枪管的烧蚀作用，延长枪管使用寿命。

图11 不同射击模式枪管内、外壁温度峰值和烧蚀量直方图Fig.11 Peak temperature and ablation of the inner and outer walls of the barrel in different shooting modes

5.4 不同射击频率

计算不同射击频率下身管温度场，射击频率分别为600发/min、700发/min、800发/min、900发/min。其他射击参数参照基准射击方案。计算结果如图12、图13所示。

图12 不同射击频率下枪管外壁温度随时间变化曲线Fig.12 The temperature of the outer wall of the gun barrel varies with time under different shooting frequencies

图13 不同射击频率下枪管内壁外壁温度峰值和烧蚀量直方图Fig.13 Peak temperature and ablation amount of the inner and outer walls of the barrel under different firing frequencies

1 000发连射后，不同射击频率枪管内壁、外壁温度峰值相差极小，900发/min射击频率枪管内壁最高温度比600发/min射击频率枪管内壁最高温度增加3.6%，外壁最高温度下降0.5%。相同射弹量下，射击频率的增加使得射击相同数量子弹耗时更短，火药爆炸产生的热量在身管内壁累计，身管热量散失较少，内壁温度更高。由图13可以看出射击频率越高，枪管内壁峰值温度越高，身管烧蚀量越大，身管的烧蚀磨损量随射击频率变化近似呈线性关系。为提高武器使用寿命，可在武器设计要求范围内适当降低射击频率。

5.5 不同镀铬层厚度

计算不同镀铬层厚度身管温度场，镀铬层厚度分别为0 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm,其他射击参数参照基准射击方案。计算结果如图14、图15所示。

图14 不同厚度镀铬层枪管外壁温度随时间变化曲线Fig.14 Changes in the temperature of the outer wall of the gun barrel with different thicknesses of chrome plating over time

图15 不同厚度铬层枪管内壁外壁温度峰值 和烧蚀量直方图Fig.15 Peak temperature and ablation amount of inner and outer wall of gun barrel with different thicknesses of chromium layer

可以发现枪管有无镀铬层对身管温度场影响极大，相同射弹量下无镀铬层的枪管外壁温度明显高于有镀铬层的枪管，这一趋势随着射弹量的增加愈发显著，同时无镀铬层的枪管外壁温度增长幅度远远大于有镀层枪管，且镀铬层厚度越大，温度上升速度越慢。随着镀铬层厚度的增加，枪管内壁最高温度总体呈下降趋势。镀铬层厚度0.25 mm枪管内壁最高温度比无镀铬层枪管内壁最高温度下降12.8%，外壁最高温度下降23.4%。对比不同厚度镀铬层枪管烧蚀量可以发现镀铬层厚度越大，枪管内壁峰值温度越低，身管烧蚀量越小，因此对5.8 mm小口径机枪，在设计条件和工艺允许范围(对小口径机枪一般为0.04～0.2 mm)，适当增加镀铬层厚度可以减小烧蚀量，提高使用寿命。

5.6 不同工况的敏感性对比分析

速射武器射击时温度场受工况条件影响，射击时不同工况身管温度场也发生改变。影响因素分别取环境温度、冷却周期射弹量、射击模式，探究身管烧蚀量对其敏感程度。环境温度从223 K至323 K变化，冷却周期射弹量取200发、400发、600发、800发、1 000发，射击模式取点射长分别为10发、25发和50发。3种工况对烧蚀量的影响如图16所示。

图16 不同工况对烧蚀量的影响曲线Fig.16 Analysis of ablation amount under different working conditions

由图16可知，当工况条件发生变化时，身管烧蚀随环境温度变化趋势最为明显，冷却射弹周期的变化的幅度要小于环境温度，射击模式的改变对烧蚀量变化影响最小。因此，环境温度、射击模式、冷却周期射弹总量等3种工况因素中身管烧蚀对环境温度更敏感，对身管使用寿命影响较大。

5.7 不同设计参数的敏感性对比分析

速射武器射击时温度场受多种工况条件因素影响，任一敏感设计参数值发生变化，身管温度场也发生改变。敏感设计参数分别取镀铬层厚度和武器的射频。镀铬层厚度的取值为0～0.25 mm，射频的取值范围为600～900发/min。射击频率与镀铬层厚度对烧蚀量的影响如图17所示。

由图17可知，镀铬层厚度变化、射击频率变化相同幅度时，射击频率变化引起的整体烧蚀量变化趋势远远大于镀铬层厚度，故2种设计参数中射击频率对身管寿命影响大于镀铬层厚度的影响。

图17 不同设计参数对烧蚀量的影响曲线Fig.17 Variation of ablation amount with different design parameters

6 试验验证

为了验证模型和计算结果的正确性，采用理论模型中的工况条件(环境温度和射击模式)进行射击试验。取试验1中连射枪管外表面温度进行测试，测试仪器为热电偶传感器。枪管外壁温度测试时环境温度293 K。表2为枪管轴向距枪管尾部特殊时刻温度测试值。采用某型通用机枪在靶场中进行身管寿命试验，环境温度293 K，每个射弹冷却周期空冷3 min后水冷至室温，采用塞规测量身管烧蚀磨损情况。取坡膛的终点(见图1)，即距枪管尾端面约为50 mm的节点23 161作为烧蚀量分析点。因为坡膛终点(膛线起始部位)的直径较大，烧蚀后不容易被磨损掉。实测数据反映了越接近坡膛终点，磨损量越大。在射击了6 800发后，实测达到寿终时,该位置的最大烧蚀磨损量约为0.04 mm。另外，坡膛位置弹丸刚开始加速，速度较小，可以只考虑温度，速度因素可以忽略不计。

表2 枪管轴向距枪管尾部特殊时刻温度测试值(K)Table 2 The temperature test value of the barrel axial distance from the barrel tail at a special moment (K)

试验1：采取长点射(连续射击50发)，冷却周期射弹量1 000发，总射弹量2 000发，其他参数参照基准射击方案。

试验2：采取长点射(连续射击25发)，冷却周期射弹量800发，总射弹量2 400发，其他参数参照基准射击方案。

试验3：同试验2。

试验4：采取短点射(连续射击10发)，冷却周期射弹量600发，总射弹量2 400发，其他参数参照基准射击方案。

试验5：同试验4。

表3为枪管外壁温度数值仿真结果误差分析，对比可知仿真得到的枪管外表面温度与试验测试得到温度相差很小，相对误差均小于10%，本文所建立的模型准确可靠。通用机枪身管烧蚀寿命试验结果如表4所示。

表3 枪管外壁温度试验与仿真结果Table 3 Comparison of test and simulation results

表4 通用机枪身管烧蚀寿命试验结果Table 4 Test results of ablation life of general machine gun barrels

由图18(a)可知,试验3、试验4等2种工况仿真结果与试验结果偏离度较高，这是由于身管烧蚀模型主要考虑了热因素与化学因素的影响，对高速火药气流对身管内壁的冲刷、弹丸与身管间的摩擦、挤压等机械因素造成的材料磨损未加以考虑；同时身管烧蚀后内径尺寸通过塞规测量，精确度为0.01 mm，当实际烧蚀量小于这个数值时，受测量工具影响，无法测得更为准确的值，考虑到模型的不足、测量工具精确度的影响和测量误差的存在，将工况条件相同的试验结果相加并取平均值，做进一步分析。试验与仿真结果如表5所示。

图18 烧蚀量曲线Fig.18 Comparison curve of ablation amount

表5 试验与仿真结果Table 5 Comparison between test and simulation

对比可知，身管烧蚀寿命试验与仿真的身管温度和烧蚀量变化规律大致相同。身管单发平均烧蚀量随冷却周期射弹量的减少呈明显的下降趋势，冷却周期射弹量从1 000发减少到800发，单发平均烧蚀量降低57.74%，而冷却周期射弹量从800发减少到600发，单发平均烧蚀量降低8.5%，这是因为随着冷却周期射弹量增大，枪管内部热量累积，烧蚀类型由缓慢烧蚀转换为热化学烧蚀，烧蚀速率显著提高。

本文以某型通用机枪身管为对象，探究身管失效机理，得出热、化学因素是影响身管寿命的主要因素，随后建立身管温度场分析模型和身管烧蚀理论模型，计算判断身管失效的关键节点温度场和烧蚀量，基于计算结果,分析不同工况因素和设计参数对身管寿命的影响，最后通过不同射击模式下身管耐久性试验，对比分析试验烧蚀量和计算烧蚀量，验证了仿真模型和身管烧蚀模型的正确性。