大口径火炮双锥度坡膛身管设计方法

李建广，袁志华，尹建平，张 斐

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.沈阳理工大学 装备工程学院， 沈阳 110159)

【火炮和自动武器】

大口径火炮双锥度坡膛身管设计方法

李建广1，袁志华2，尹建平1，张 斐1

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.沈阳理工大学 装备工程学院， 沈阳 110159)

可设计优良的大口径双锥度坡膛身管结构，并借鉴国内外身管延寿技术应用在双锥度坡膛加工处理和后期保养上，延长大口径身管寿命。

大口径火炮；身管设计；双锥度坡膛

大口径火炮是军队重要的压制武器，并且随着我国国力的提升，大口径火炮出口具有很大潜力。无论是自身需要，还是出于发展武器工业经济的远大战略，大口径火炮设计方法需要有一个成熟且有创新的“方法库”。大口径火炮广受各国喜爱，主要是打的远，威力大，经济性好。但是身管寿命问题一直是大口径火炮的难题。由于大口径火炮的高膛压和高初速，身管烧蚀和磨损严重，膛线磨损加快，随后弹带削光便是身管寿命终止[1]。坡膛处是磨损最严重的的部位，研究坡膛设计方法是对提高火炮性能的基础性提升的一种较好的方式。高膛压意味着装药量大，产生的火药气体对内膛的烧蚀就越严重[2]。高初速意味着弹丸挤进能量大，弹带瞬间变形的同时，也极大地产生火炮坡膛磨损[3]，导致弹带对内膛的磨损加重。高强度烧蚀和磨损使身管膛线损伤加快，如何避免或者减弱烧蚀和磨损便是大口径火炮身管设计的着重点。所以既满足高初速又要保证火炮寿命一直是火炮身管设计的难点。

1 双锥度坡膛

坡膛是弹丸挤进炮膛的第一受力部位，磨损是难免的。坡膛有单锥度和双锥度两种，是连接药室与导向部的锥形部分，是弹带挤入膛线开始塑性变形的部位[4]，所以是膛线磨损最严重的地方，严重影响身管的使用寿命。在结构方面改进坡膛，目前的双锥度坡膛是常用手段。双锥度坡膛是坡膛部位改变了通常的单锥度坡膛结构，在靠近药室的第一段坡膛为大锥度坡膛，锥度约为1/10，第二段坡膛锥度为1/60～1/20。大锥度坡膛有利于弹道稳定，但是会加剧坡膛磨损，且燃气在此处形成压力波影响压力传递。小锥度坡膛却可以避免大锥度的不足，但不利于弹道稳定。大口径火炮采用双锥度坡膛，便兼具大锥度和小锥度的优点。

坡膛的研究因为考虑到深孔机械加工困难，多向其他方面发展，比如炮钢材料的改善，改进热处理工艺，机械自紧技术。外形结构则沿用经验公式保持至今。

2 大口径火炮身管结构设计

大口径火炮身管结构设计分为三部分，首先是内弹道设计，然后是内膛设计，最后是炮身结构设计，并进行强度校核。

2.1 内弹道设计

内弹道设计是由初始要求参数进行设计得到药室和炮膛的长度和截面积。大致过程是：由口径，弹重和初速已知参数，选定最大膛压和火药类型、装填密度、装药量等火药参数，计算出药室容积、药室长度、炮膛横截面积和弹丸行程全长，得到身管内膛的药室、炮膛长度和横截面积。通过计算出的结果和火药参数，运用Matlab软件进行内弹道参数方程验证最大膛压符合标准，得出p-l曲线和v-l曲线及最大膛压，结果如图1所示。如果Matlab软件计算出的膛压超出最大膛压选定值，则重新选定火药参数，再次进行计算[5]。

图1 p-l曲线和v-l曲线

2.2 内膛设计

内膛设计是由内弹道设计得出的药室和炮膛的长度、截面积，根据火炮要求设计药室结构和膛线结构，然后计算得到药室和炮膛结构参量。双锥度坡膛按照经验公式选择，靠近药室的第一锥度约为1/10[6]，第二锥度约为1/60～1/20，由此计算双锥度坡膛的结构参量，结构图如图2所示。

图2 双锥度坡膛结构图

2.3 炮身结构设计

炮身结构设计可以利用平均压力法，由p-l曲线得到平均压力曲线以及炮膛各点对应的膛压值[7]。选取安全系数，得到身管理论强度曲线。

选取炮钢材料，然后进行身管理论外形尺寸设计，调整个别部位之后，得到身管实际外形尺寸，即身管各点的内外径尺寸。

最后利用外形尺寸进行强度校核，超过强度极限则改变参数重新设计，符合强度极限则完成设计。

3 后期设计

身管设计是为得到更优良的身管，前面只是结构设计，双锥度坡膛在结构方面进行了改进，要想得到更优良的身管，再从生产加工工艺方面和使用维护方面入手，这便是本文的后期设计。

3.1 生产加工设计方法

提高身管的抗烧蚀能力，可以在设计中添加生产加工设计。这次生产加工设计不是简单地车磨刨铣的加工工艺，而是参考了当今的机加新工艺应用到身管设计方法里面。主要介绍两个方面：身管内膛激光热处理技术和身管内膛涂层技术[8]。身管内膛激光热处理技术是从炮膛外激光器发射出高能密度激光束，经炮膛内的反射镜转向，快速照射到身管内膛表面，由光能转为热能，从而强化内膛表面材料组织。内膛涂层技术是内膛表面制备耐磨耐烧蚀涂层，利用近代表面技术提高材料机械性能。包含热熔覆技术和化学气相沉淀法等等[9]。

3.2 后期保养设计方法

火炮内膛擦拭是炮兵部队维护和保养火炮正常程序。无论在射击之前的准备工作还是实弹射击之后的维护，均需要炮膛擦拭。除火炮擦拭保养方面，在发射前对双锥度坡膛进行涂油处理[10]，虽然增加工作量，但是可以减小弹丸与内膛的摩擦系数，从而减轻坡膛磨损。

4 结论

笔者考虑身管寿命，进行了大口径火炮双锥度坡膛身管设计方法创新。不仅外形结构的设计，还糅合国内外的身管延寿技术，附加了身管坡膛加工处理的设计理念，可为火炮专业设计人员提供参考。

[1] 刘海平.基于DEFORM的火炮膛线表面应力分析[J].火炮发射与控制学报,2005(2):21-24.

[2] 陈永才.国内外火炮身管延寿技术研究进展[J].兵工学报,2006,27(2):30-334.

[3] 马明迪.大口径火炮弹丸挤进过程坡膛动力响应分析[J].中北大学学报,2014,35(3):263-269.

[4] 米粮川.内弹道弹带挤进过程仿真研究[J].弹箭与制导学报,2012,32(1):133-135.

[5] 李正伟.基于Pro/E二次开发和Matlab联合的火炮身管设计[J].火炮发射与控制学报,2014,35(4):20-24.

[6] 孙河洋.坡膛结构变化对火炮内弹道性能影响的研究[J].兵工学报,2012,33(6):669-675.

[7] 望经纬.某超高射速武器身管设计方法[J].装备制造技术,2014(2):262-263.

[8] 陈永才.火炮身管内膛涂层制备及检验方法[J].火炮发射与控制学报,2008(4):53-58.

[9] WANG Bao-sheng.The advanced coating technology of gun barrel used in Oak Ridge National Laboratory[J].Weapon News,2003(38):10-12.

[10] 彭志国.火炮坡膛涂油挤进摩擦模型与分析[J].弹道学报,2007,19(3):68-72.

DesignMethodofDouble-TaperSlopeBentforLargeCaliberGun

LI Jianguang1, YUAN Zhihua2, YIN Jianping1, ZHANG Fei1

(1.School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.School of Equipment Engineering, Shenyang ligong University, Shenyang 110159, China)

Design an excellent structure of barrel that large-diameter and double-taper breech,and learn from the technology of extend the barrel life at home and abroad applied to double taper slope bore processing and maintenance,to extend the life of large-caliber barrel.

large caliber artillery； barrel design； double taper slope

2017-09-23；

2017-10-02

国家自然科学基金资助项目(11572291);山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助项目(20160033，20170028)

李建广(1991—)，男，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.007

本文引用格式：李建广，袁志华，尹建平，等.大口径火炮双锥度坡膛身管设计方法[J].兵器装备工程学报，2017(12):29-30,51.

formatLI Jianguang, YUAN Zhihua, YIN Jianping,et al.Design Method of Double-Taper Slope Bent for Large Caliber Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):29-30,51.

TJ30

A

2096-2304(2017)12-0029-02

(责任编辑周江川)