潘孝斌,談樂(lè)斌,孔德仁

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094)

銅柱測(cè)壓器分級(jí)鑒選裝置研究

潘孝斌,談樂(lè)斌,孔德仁

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094)

為了對(duì)1 cm2旋入式銅柱測(cè)壓器進(jìn)行分級(jí)鑒選,設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用測(cè)壓試驗(yàn)裝置,通過(guò)膛內(nèi)擴(kuò)容減壓的方法,提供滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的壓力源。通過(guò)內(nèi)彈道過(guò)程分析,結(jié)合腔室流量方程,建立了該測(cè)壓裝置內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型。通過(guò)仿真,分析了火藥燃?xì)庠谔艃?nèi)與集氣室間的正向流動(dòng)和回流過(guò)程,以及各腔室壓力變化過(guò)程,分析了高壓集氣室初始容積、導(dǎo)氣孔位置對(duì)腔內(nèi)最大壓力的影響。在已知參數(shù)條件下,高壓集氣室內(nèi)最大壓力可調(diào)節(jié)至約39.0 MPa,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,最大偏差為4.9%,滿(mǎn)足旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選試驗(yàn)要求。

兵器科學(xué)與技術(shù);測(cè)壓器;鑒選;內(nèi)彈道

0 引言

銅柱測(cè)壓法是常規(guī)兵器膛壓測(cè)試體系中的重要測(cè)試手段,在膛壓作用下,銅柱產(chǎn)生永久塑性變形,根據(jù)變形量度量火藥燃?xì)鈮毫Υ笮?。旋入式測(cè)壓器主要用于口徑較小的槍、炮火藥燃?xì)鈮毫y(cè)量。測(cè)壓器的鑒選是從測(cè)壓精度和量值傳遞的角度上提出的,是十分重要的工程問(wèn)題。為確保工程壓力的測(cè)量精度及滿(mǎn)足量值溯源的要求,測(cè)壓器分為4級(jí),即標(biāo)準(zhǔn)級(jí)、副標(biāo)準(zhǔn)級(jí)、檢驗(yàn)級(jí)和工作級(jí),這4級(jí)測(cè)壓器從計(jì)量上用于量值傳遞和校準(zhǔn)[1]。目前,我國(guó)現(xiàn)行的測(cè)壓器材沒(méi)有相關(guān)法規(guī)約束,鑒選設(shè)備老化或報(bào)廢,測(cè)壓元件無(wú)法向國(guó)家壓力基準(zhǔn)溯源。因此,提高銅柱測(cè)壓法的測(cè)壓精度,研究建立我國(guó)測(cè)壓器和銅柱的鑒選方法和標(biāo)準(zhǔn),對(duì)形成完善的塑性測(cè)壓量值傳遞和溯源體系有著意要的意義。

顯然,在工程上如何實(shí)現(xiàn)各級(jí)測(cè)壓器的鑒選十分重要,在分級(jí)鑒選時(shí)需要提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的壓力源用于鑒選試驗(yàn)。常用的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)、副標(biāo)準(zhǔn)級(jí)、檢驗(yàn)級(jí)旋入式測(cè)壓器的活塞桿面積為1 cm2,檢測(cè)壓力范圍≤50 MPa.根據(jù)文獻(xiàn)[2]要求,檢測(cè)壓力點(diǎn)分別為390kgf/cm2(約 38.22 MPa)和 90 kgf/cm2(約8.82 MPa),允許偏差±10%.因此,需要研制一套能模擬火藥燃?xì)鈮毫Νh(huán)境、壓力變化特征的高壓及低壓的模擬試驗(yàn)裝置,提供符合旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選試驗(yàn)要求的壓力檢測(cè)點(diǎn)的壓力源,并且能同時(shí)安裝多個(gè)旋入式測(cè)壓器,以便測(cè)壓器的分級(jí)鑒選或各級(jí)別測(cè)壓器的檢校。

1 試驗(yàn)方案

為了能較好地模擬小口徑槍、炮及槍榴彈的壓力環(huán)境,滿(mǎn)足旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選試驗(yàn)要求,并考慮到易于操作、試驗(yàn)成本低,以彈道槍作為壓力產(chǎn)生源是最為直接、可靠的方法。由于56式7.62 mm彈道槍膛壓較高,約290 MPa,與旋入式測(cè)壓器的壓力檢測(cè)點(diǎn)差別較大,可通過(guò)彈后空間擴(kuò)容減壓的方法,將部分火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)導(dǎo)氣孔引入集氣室進(jìn)行減壓,通過(guò)控制集氣室內(nèi)初始容積大小以及導(dǎo)氣孔開(kāi)啟位置,可獲得試驗(yàn)要求范圍內(nèi)的壓力源。

在集氣室設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮以下因素:1)導(dǎo)氣孔通道盡量短,減少管道效應(yīng)的影響;2)集氣室內(nèi)腔直徑和高度在尺寸上應(yīng)差別不大,不應(yīng)該是細(xì)長(zhǎng)型或扁平型的內(nèi)腔,影響壓力傳播;3)要能夠在一個(gè)平面內(nèi)周向均布安裝3～4個(gè)測(cè)壓器,且便于加工安裝;4)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)的鑒選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,稱(chēng)之為旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選裝置。該裝置由56式7.62 mm彈道槍、旋入式測(cè)壓器、集氣室、調(diào)節(jié)螺塞和密封墊等構(gòu)成。

圖1 分級(jí)鑒選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of identification device

導(dǎo)氣孔通過(guò)螺紋連接高、低壓集氣室,分別用于兩個(gè)不同的壓力檢測(cè)點(diǎn),每個(gè)集氣室上可同時(shí)安裝4個(gè)旋入式測(cè)壓器。集氣室裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示,集氣室及其內(nèi)腔空間大小可通過(guò)內(nèi)彈道仿真及旋入式測(cè)壓器安裝要求初步確定,然后通過(guò)改變調(diào)節(jié)螺塞內(nèi)孔深度h對(duì)集氣室內(nèi)初始容積進(jìn)行微調(diào)。

圖2 集氣室結(jié)構(gòu)Fig.2 Sketch of chamber

為了保證高、低壓集氣室上安裝的測(cè)壓器獲得相同壓力源,設(shè)計(jì)時(shí)將4個(gè)測(cè)壓器安裝孔沿圓周方向上均勻分布,并且各安裝孔軸線在同一平面上,調(diào)節(jié)螺塞的軸線與集氣室軸線同軸,在機(jī)械加工上都能夠保證足夠精度要求。

2 鑒選裝置內(nèi)彈道建模

2.1 內(nèi)彈道過(guò)程分析

該裝置采用的是56式7.62 mm彈道槍,發(fā)射的是7.62 mm標(biāo)準(zhǔn)彈,該分析過(guò)程應(yīng)屬于內(nèi)彈道正面計(jì)算。常規(guī)內(nèi)彈道計(jì)算方法已比較成熟,但在彈道槍上開(kāi)啟導(dǎo)氣孔后,由于彈后空間突然增加,改變了原內(nèi)彈道過(guò)程。在身管上開(kāi)啟導(dǎo)氣孔,并利用膛內(nèi)壓力進(jìn)行工作的類(lèi)似結(jié)構(gòu)在部分槍械設(shè)計(jì)中也有所應(yīng)用[3-6],關(guān)于導(dǎo)氣室及膛內(nèi)壓力變化過(guò)程的相關(guān)計(jì)算方法的研究文獻(xiàn)較少,大部分是采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析。

由于旋入式測(cè)壓器通過(guò)集氣室本體安裝在彈道槍上,火藥氣體在燃燒過(guò)程中除了彈丸向前運(yùn)動(dòng)增加的彈后空間外,還突然增加了集氣室內(nèi)的容積,而且容積的增加是發(fā)生在火藥燃燒期間,火藥燃燒速度與膛內(nèi)壓力直接相關(guān),彈后空間容積的改變也影響了火藥燃燒過(guò)程,這都與常規(guī)內(nèi)彈道過(guò)程有所區(qū)別。

根據(jù)位置的不同,可分為高壓集氣室和低壓集氣室,都可以簡(jiǎn)化考慮成是一固定容積的腔室,容積大小根據(jù)設(shè)計(jì)需要有所不同。為描述方便,將高壓集氣室稱(chēng)為集氣室A,低壓集氣室成為集氣室B,對(duì)應(yīng)的導(dǎo)氣孔稱(chēng)為導(dǎo)氣孔A和導(dǎo)氣孔B.擊發(fā)后,火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng),在彈丸越過(guò)導(dǎo)氣孔A前邊緣線之前,與常規(guī)內(nèi)彈道一致。當(dāng)彈丸越過(guò)導(dǎo)氣孔A前邊緣線后,膛內(nèi)部分火藥燃?xì)饬魅爰瘹馐褹.在火藥燃?xì)饬魅爰瘹馐褹過(guò)程中,其內(nèi)壓力變化根據(jù)流量大小逐漸上升。隨著彈丸向前運(yùn)動(dòng),彈后空間繼續(xù)增加,若膛內(nèi)壓力小于集氣室A內(nèi)壓力,則有部分火藥燃?xì)饬骰刂撂艃?nèi)。同理,集氣室B內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)與集氣室A相似,存在燃?xì)饬魅牒土鞒銮闆r。

2.2 內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

專(zhuān)用測(cè)壓裝置內(nèi)彈道過(guò)程的假設(shè)條件與常規(guī)內(nèi)彈道相似,主要不同在于內(nèi)彈道能量方程中考慮了燃?xì)饬鲃?dòng)情況及流量方程。通過(guò)以上分析,可推導(dǎo)得內(nèi)彈道過(guò)程中各方程[7]:

1)火藥燃燒速度方程

式中:S為槍膛截面積(m2);pd為槍管膛內(nèi)壓力(Pa);l為彈丸運(yùn)動(dòng)位移(m);lψ為藥室容積等效行程(m);f為火藥力(J/kg);ω為裝藥量(kg);θ為比熱比;φ為次要功系數(shù);m為彈丸質(zhì)量(kg);v為彈丸速度(m/s);V0為藥室初始容積(m3);γ為火藥密度(kg/m3);α為火藥氣體余容(m3/kg);Qmi、V0i分別為集氣室流量和初始容積,計(jì)算集氣室A時(shí)下標(biāo)i為“1”,計(jì)算集氣室B時(shí)下標(biāo)i為“2”,下同。(6)式和(7)式中:μb為通道流量系數(shù);pi為集氣室壓力(Pa);Ai為導(dǎo)氣孔有效面積(m2);ρi為集氣室內(nèi)氣體密度(kg/m3);b為臨界壓力比。

7)導(dǎo)氣孔流通面積計(jì)算

式中:li為導(dǎo)氣孔至坡膛距離(m);Ri為導(dǎo)氣孔半徑(m)。

(1)式～(8)式即構(gòu)成旋入式測(cè)壓器專(zhuān)用測(cè)壓裝置內(nèi)彈道過(guò)程數(shù)學(xué)模型。根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型,本文在Matlab/Simulink下建立仿真模型,采用定步長(zhǎng)4階Runge-Kutta法進(jìn)行求解,以時(shí)間為自變量,步長(zhǎng)設(shè)定為1 μs,當(dāng)彈丸運(yùn)動(dòng)至槍口后仿真結(jié)束。

3 仿真與試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果分析

專(zhuān)用測(cè)壓裝置內(nèi)彈道主要計(jì)算參數(shù)如表 1所示。

表1 內(nèi)彈道仿真初始計(jì)算參數(shù)Tab.1 Initial parameters of interior ballis tic model

通過(guò)仿真,專(zhuān)用測(cè)壓裝置膛內(nèi)和集氣室壓力變化如圖3所示,膛內(nèi)最大壓力約為216 MPa,較原彈道槍約290 MPa有大幅下降。當(dāng)彈丸通過(guò)導(dǎo)氣孔A后,集氣室A內(nèi)壓力迅速上升至約39.0 MPa,隨著彈丸向前運(yùn)動(dòng),壓力逐漸下降。當(dāng)彈丸越過(guò)導(dǎo)氣孔B后,集氣室B壓力上升,但上升速度較集氣室A明顯緩慢。

圖3 膛內(nèi)和集氣室壓力變化Fig.3 Pressure characteristics of bore and chambers

集氣室A和B的流量變化如圖4所示,當(dāng)彈丸越過(guò)導(dǎo)氣孔A后,進(jìn)入集氣室A流量迅速上升,隨著上、下游壓力趨于平衡,流量逐漸下降。當(dāng)集氣室A流量開(kāi)始為負(fù)時(shí),即表示火藥燃?xì)鈴募瘹馐褹中回流到膛內(nèi),該時(shí)刻對(duì)應(yīng)圖3中應(yīng)為集氣室A壓力與膛內(nèi)壓力平衡時(shí)刻。當(dāng)彈丸越過(guò)導(dǎo)氣孔B后,進(jìn)入集氣室B流量上升,由于壓差較小,最大流量低于集氣室A.

圖4 集氣室流量變化Fig.4 Flow characteristics of the chambers

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集氣室壓力影響

由于集氣室B內(nèi)壓力計(jì)算方法與集氣室A類(lèi)似,并且流動(dòng)過(guò)程是單向的,無(wú)回流現(xiàn)象,限于篇幅,本文主要針對(duì)集氣室A結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈道的影響進(jìn)行討論。影響集氣室A壓力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括導(dǎo)氣孔直徑、開(kāi)啟位置及集氣室的內(nèi)腔容積。導(dǎo)氣通道應(yīng)盡可能大、短,減少管道效應(yīng)影響,結(jié)合以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn),本文認(rèn)為導(dǎo)氣孔直徑為5 mm是合適。

圖5為不同導(dǎo)氣孔A的位置與集氣室A內(nèi)最大壓力的關(guān)系。根據(jù)該專(zhuān)用測(cè)壓裝置的目的,是為分級(jí)鑒選旋入式測(cè)壓器提供合適的壓力源,高壓檢測(cè)點(diǎn)為38.22 MPa,允許偏差±10%.根據(jù)圖5仿真結(jié)果,在不同初始容積下,導(dǎo)氣孔A位置也應(yīng)開(kāi)啟在不同位置處,這兩個(gè)參數(shù)應(yīng)相互匹配?？紤]到加工對(duì)彈道槍內(nèi)膛的破壞、加工毛刺修整、測(cè)壓器的安裝和操作方便性等因素,本文選擇導(dǎo)氣孔A開(kāi)啟位置距膛線起始5～6 mm處,對(duì)應(yīng)集氣室A初始容積為13×10-6m3,能夠提供滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的壓力源。

圖5 集氣室A位置與最大壓力關(guān)系Fig.5 The relationship of maximum pressure and position of Chamber A

3.3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)以上分析結(jié)果,在56式7.62 mm彈道槍基礎(chǔ)上研制了該專(zhuān)用測(cè)壓裝置,并進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn),裝置試驗(yàn)照片如圖6所示,集氣室結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 鑒選裝置試驗(yàn)Fig.6 Experiment on identification device

由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)壓器數(shù)量有限,沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行高、低壓試驗(yàn),暫用專(zhuān)用堵頭將集氣室B上各安裝孔堵上,該堵頭與測(cè)壓器口部形狀完全一致。正式試驗(yàn)前先用3發(fā)普通彈進(jìn)行預(yù)熱,同時(shí)用硅膠涂繞各螺紋連接口進(jìn)行密封性判斷,正式試驗(yàn)采用20℃保溫超過(guò)1 h的標(biāo)準(zhǔn)彈,每發(fā)在取出后半分鐘內(nèi)射擊, 5發(fā)為1組有效數(shù)據(jù)。

圖7 集氣室結(jié)構(gòu)Fig.7 Chamber structure

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,試驗(yàn)壓力值均在旋入式測(cè)壓器壓力檢測(cè)點(diǎn)允許偏差范圍內(nèi),與集氣室A內(nèi)最大壓力仿真結(jié)果39.0 MPa相比,最大偏差為4.9%,表明建立的內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型是正確、可信的,研制的銅柱測(cè)壓器分級(jí)鑒選裝置能夠滿(mǎn)足鑒選試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

1)為了對(duì)1 cm2旋入式測(cè)壓器進(jìn)行分級(jí)鑒選,在56式7.62 mm彈道槍基礎(chǔ)上提出并設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用測(cè)壓試驗(yàn)裝置,能同時(shí)對(duì)8個(gè)旋入式測(cè)壓器進(jìn)行分級(jí)鑒選,能夠提供滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的壓力源。

2)通過(guò)對(duì)其內(nèi)彈道過(guò)程分析,考慮膛內(nèi)與集氣室之間的變質(zhì)量熱力學(xué)過(guò)程,建立了包含內(nèi)彈道與集氣室耦合的數(shù)學(xué)模型,反映出火藥燃?xì)庠谔艃?nèi)與集氣室間的正向流動(dòng)和回流情況,分析了集氣室容積與其壓力影響關(guān)系,為旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

3)仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果表明,高壓集氣室初始容積取約為13×10-6m3,導(dǎo)氣孔開(kāi)啟位置在距膛線起始5～6 mm處是合適的,并以試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性,最大偏差為4.9%,滿(mǎn)足旋入式測(cè)壓器分級(jí)鑒選試驗(yàn)要求。

表2 集氣室A測(cè)壓器試驗(yàn)情況Tab.2 The experiment results of gauges on Chamber A MPa

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Research on the Identification Device of Copper Crusher Gauge

PAN Xiao-bin,TAN Le-bin,KONG De-ren
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to distinguish 1 cm2copper crusher gauge,a special experimental device which can supply required pressure source by volume expansion is proposed and designed.An interior ballistic model of the device is set up and simulated based on the interior ballistic analysis and the flow equation of the working chambers.The pressure and flow characteristics of propellant gas between bore and chamber are obtained.And the influences of initial volume and position of the high pressure chamber on its maximum pressure are studied.The maximum pressure of the high pressure chamber can be adjusted to about 39.0 MPa under the condition of the known parameters.Compared with the experimental results,the maximum deviation is 4.9%.The device can meet the requirement of identifying copper crusher gauge.

ordnance science and technology;copper crusher gauge;identification;interior ballistics

TJ012.1;TJ06

:A

:1000-1093(2014)08-1313-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.027

2013-08-06

潘孝斌(1979—),男,講師,博士。E-mail:dollor_pan@163.com