李凱, 周詩(shī)超, 溫鵬, 孫建港, 龔卿青,2, 李沅, 韓焱

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051; 2. 航天科工火箭技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

火炮身管是火炮武器的重要組成部分，身管內(nèi)膛質(zhì)量是影響火炮性能的關(guān)鍵因素之一。火炮在使用過(guò)程中，膛線會(huì)出現(xiàn)磨損[1]。一方面，膛壁金屬層在火藥氣體反復(fù)冷熱循環(huán)和物理化學(xué)作用下造成金屬性質(zhì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)形式為金屬的剝落、燒蝕、裂紋等[2-3]；另一方面，內(nèi)膛燃?xì)饬鞯臎_刷和彈帶、彈體對(duì)炮膛機(jī)械作用所造成幾何形狀的破壞，主要表現(xiàn)形式為劃傷、掛銅、陽(yáng)線擠偏、陽(yáng)線崩落等[4-5]。膛線的磨損造成彈丸膛內(nèi)氣密性發(fā)生變化，直接影響彈丸的初速和穩(wěn)定性，膛線磨損的實(shí)時(shí)情況，可用作彈丸初速、身管壽命預(yù)測(cè)[6]。

目前，膛線磨損檢測(cè)的主要手段是激光檢測(cè)法和圖像檢測(cè)法[7]。激光檢測(cè)法基于激光測(cè)距的原理[8]，對(duì)膛線進(jìn)行掃描。丁超等[9]、邵新杰等[10]采用激光三角法對(duì)身管膛線高度差進(jìn)行定量檢測(cè)，將特定結(jié)構(gòu)光柵投到身管內(nèi)壁，然后采集內(nèi)壁表面散射后的變形結(jié)構(gòu)光圖像，從而得到高度差；圖像檢測(cè)法利用圖像傳感器進(jìn)入身管內(nèi)部[11]，獲取膛線的圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)判斷膛線表面的磨損情況，圖像檢測(cè)方法的檢查靈敏度與光照密切相關(guān)[12]。湯一平等[13]利用光機(jī)電控制技術(shù)和電荷耦合成像(CCD)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種炮管缺陷檢測(cè)裝置，通過(guò)360°全景成像研究?jī)?nèi)孔表面外觀，從而對(duì)內(nèi)孔表面進(jìn)行定性和定量檢測(cè)；張振友等[14]使用多攝像頭組合，采用多路CCD 視場(chǎng)拼接技術(shù)，能夠自動(dòng)評(píng)定身管質(zhì)量等級(jí)、提出維護(hù)保養(yǎng)建議，滿足部隊(duì)基層級(jí)維護(hù)保養(yǎng)的實(shí)際需要。光學(xué)檢測(cè)方法適應(yīng)于非煙霧、低加速度、非實(shí)時(shí)、高分辨率的檢查需求[15]。

膛線磨損檢測(cè)主要是檢測(cè)金屬表面發(fā)生的變化。由于金屬管道與火炮身管結(jié)構(gòu)類似，可以利用金屬管道表面缺陷檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)膛線缺陷。國(guó)際上針對(duì)金屬管道缺陷的檢測(cè)方法主要為漏磁檢測(cè) 法[16-19]，管道漏磁檢測(cè)方法主要是利用永磁體通過(guò)鋼刷對(duì)管道進(jìn)行磁化，當(dāng)管道達(dá)到飽和或接近飽和狀態(tài)時(shí)，缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)信號(hào)，探頭對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并通過(guò)后期的處理來(lái)完成缺陷信號(hào)的識(shí)別，檢測(cè)過(guò)程較為自動(dòng)化、檢測(cè)效率高，使得漏磁檢測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)管道在線安全檢測(cè)領(lǐng)域得到較高認(rèn)可度[20]?，F(xiàn)有管道內(nèi)表面缺陷的檢查主要通過(guò)磁激勵(lì)方法，將管道進(jìn)行磁化，然后分析缺陷部位的磁異特性，同時(shí)增強(qiáng)了缺陷、陽(yáng)線的散射磁場(chǎng)，由于陽(yáng)線的規(guī)律性分布，對(duì)磁異信號(hào)的解析帶來(lái)困難。

本文基于磁偶極子模型研究膛線的磁散射模型，利用漏磁檢測(cè)法的原理對(duì)身管磨損進(jìn)行建模分析。基于磨損與未磨損的磁場(chǎng)強(qiáng)度不一致特性，磨損與未磨損磁散射變化量不一致特性，在地磁環(huán)境中，設(shè)計(jì)基于膛線結(jié)構(gòu)的身管內(nèi)部磁場(chǎng)分布模型，研究身管受到內(nèi)膛、導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)、燒蝕溝、鍍層等磨損的觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)變化情況，建立磨損前后陰線與陽(yáng)線間磁場(chǎng)變化規(guī)律模型，為線膛炮身管內(nèi)部磨損檢查提供一種新方法。

1 無(wú)磨損時(shí)身管內(nèi)部磁場(chǎng)分布

地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)[21]，具有磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)大小，其一般可用地磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量T表示。為進(jìn)一步明確地磁場(chǎng)與目標(biāo)間的角度，分為北向分量Tx、東向分量Ty、垂直分量Tz、水平分量H、磁偏角D和磁傾角I等要素[22]，身管在地磁場(chǎng)中受到各方向磁場(chǎng)激勵(lì)，可通過(guò)磁偏角和磁傾角來(lái)表示，身管與磁場(chǎng)方向的夾角如圖1 所示，其中圖1(a)為地球磁場(chǎng)的分布示意，圖1(a)中紅色區(qū)域示意了身管所在區(qū)域，圖1(b)為身管在地磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)分布。圖1 中，O為三周坐標(biāo)系原點(diǎn)，α為地磁場(chǎng)與火炮身管夾角，α1為磁場(chǎng)在空氣中的入射角，α2為磁場(chǎng)在身管介質(zhì)中的反射角，B1為空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B2為身管內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B1x為空氣中磁場(chǎng)強(qiáng)度沿x軸的分量，B1y為空氣中磁場(chǎng)強(qiáng)度沿y軸的分量，B2x為身管內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿x軸的分量，B2y為身管內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿y軸的分量，μ1為空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率，μ2為身管的相對(duì)磁導(dǎo)率。

圖1 地磁場(chǎng)與身管間角度示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the angle between the geomagnetic field and the barrel

基于磁場(chǎng)6 要素，身管上任何一點(diǎn)地磁場(chǎng)T沿著x軸、y軸和z軸的分量可表示為

當(dāng)火炮身管處于地磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，身管作為一種軸線很長(zhǎng)的圓柱形導(dǎo)磁材料，地磁場(chǎng)會(huì)沿著身管軸線的自然取向?qū)ι砉苓M(jìn)行磁化。身管被地磁場(chǎng)磁化后，身管內(nèi)壁散射磁場(chǎng)。此時(shí)，忽略膛線纏角的影響，假設(shè)磁荷在膛線壁上均勻分布，則身管內(nèi)部任一點(diǎn)磁場(chǎng)分布可通過(guò)對(duì)陰線建立二維磁偶極子模型[23-25]來(lái)進(jìn)行分析。

基于磁荷特性，真空中一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

式中：μ0為真空中的磁導(dǎo)率，μ0= 4 π×10-7N/A2；qm為磁荷；r為磁荷到該點(diǎn)的距離；r為方向矢量。

當(dāng)火炮身管處于地磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，由于炮管和空氣磁導(dǎo)率的不同，地磁場(chǎng)的x軸分量、y軸分量在空氣與管道外壁交界處，會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)折射效應(yīng)。同時(shí)，由于身管的相對(duì)磁導(dǎo)率μr遠(yuǎn)大于1，還會(huì)產(chǎn)生磁屏蔽現(xiàn)象，即磁場(chǎng)集中于管壁處，導(dǎo)致管壁外部磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)大于內(nèi)部磁場(chǎng)。

如圖2 所示，身管陰線深度為h，Hearth為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，寬為2a。以陰線中心為原點(diǎn)，以地磁方向?yàn)閤軸，建立平面笛卡爾坐標(biāo)系，兩個(gè)膛線壁上A、B兩點(diǎn)磁荷在點(diǎn)P(x,y)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度dH1、dH2為

圖2 陰線處二維磁偶極子模型Fig. 2 Two-dimensional magnetic dipole model at the groove

式中：r1、r2為dH1、dH2的方向矢量。

假設(shè)膛線兩側(cè)上的磁荷分布均勻，則對(duì)整個(gè)膛線兩側(cè)進(jìn)行積分可得兩個(gè)膛線兩側(cè)對(duì)點(diǎn)P(x，y)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1、H2：

x軸方向和y軸方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hx0、Hy0：

式中：ex、ey、ez分別為磁場(chǎng)的矢量方向。

2 身管內(nèi)表面磨損的磁場(chǎng)分布模型

彈丸在身管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，伴隨高溫、高壓、高速過(guò)程，彈丸與身管內(nèi)壁進(jìn)行摩擦，因此火炮身管很容易被燒蝕破壞。身管內(nèi)壁的磨損具有非均勻的特點(diǎn)，并隨著使用逐漸增加，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，將各種膛內(nèi)磨損進(jìn)行分類，如表 1 所示。

表1 磨損情況分類表Table 1 Rifling wear characteristics

內(nèi)膛磨損主要是指管內(nèi)由于陽(yáng)線變薄而導(dǎo)致結(jié)合火炮徑向尺寸變大的情況，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損主要是指由于膛線側(cè)面磨損而導(dǎo)致火炮陽(yáng)線變窄的情況，燒蝕溝磨損是指由于火藥燃?xì)鉀_刷而導(dǎo)致陰線上出現(xiàn)凹槽，鍍層磨損是指內(nèi)壁鉻層金屬出現(xiàn)脫落的情況。為了能在身管報(bào)廢前測(cè)量身管的磨損狀態(tài)，按照上述分類，對(duì)身管模型進(jìn)行磨損模擬，如圖3 所示。

圖3 膛線磨損情況示意圖Fig. 3 Schematic diagram of rifling wear

由內(nèi)彈道方程組中彈丸初速與磨損量之間的關(guān)系可知，彈丸初速隨著身管段不斷磨損而下降，以122 mm 加農(nóng)炮為例，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)膛線磨損量達(dá)到2 mm 左右時(shí)，彈丸初速將下降5%左右，達(dá)到身管壽命的極限值[26-28]。因此，本文在對(duì)膛線磨損處磁場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，忽略膛線纏角的影響，假設(shè)磁荷在膛線壁上均勻分布，則身管內(nèi)部任一點(diǎn)磁場(chǎng)分布可通過(guò)對(duì)陰線建立二維磁偶極子模型來(lái)進(jìn)行分析。

內(nèi)膛磨損處的二維磁偶極子模型如圖4(a)所示，右側(cè)膛線向下磨損深度為Δ?，則膛線兩壁在P點(diǎn)產(chǎn)生的x軸方向和y軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

圖4 膛線磨損處二維磁偶極子模型Fig. 4 Two-dimensional magnetic dipole model of rifling wear

導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損處的二維磁偶極子模型如圖4(b)所示，將右側(cè)膛線向右磨損Δa，則膛線兩壁在P點(diǎn)產(chǎn)生的x軸方向和y軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

燒蝕溝磨損處的二維磁偶極子模型如圖4(c)所示，在陰線中間腐蝕出一個(gè)長(zhǎng)2Δa、寬為Δh的燒蝕溝，則膛線兩壁在P點(diǎn)產(chǎn)生的x軸方向和y軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

鍍層磨損處的二維磁偶極子模型如圖4(d)所示，在陰線右側(cè)腐蝕出一個(gè)弧形，弧形公式為S，膛線兩壁在P點(diǎn)產(chǎn)生的x軸、y軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

由式(5)~式(9)可知，在地磁場(chǎng)環(huán)境，身管的磨損會(huì)對(duì)身管內(nèi)任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度造成影響，可以看出式(6)和式(9)都是在未磨損膛線磁場(chǎng)式(5)基礎(chǔ)上進(jìn)行了減法操作，減去了磨損部分的磁荷對(duì)該店造成的影響；式(8)是在式(5)基礎(chǔ)上增加了燒蝕溝的磁荷影響，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)部分的變化不太明顯。

3 身管內(nèi)表面有無(wú)磨損的磁場(chǎng)分布 仿真分析

為能進(jìn)一步對(duì)有/無(wú)磨損時(shí)身管內(nèi)壁磁場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，采用有限元方法，對(duì)身管內(nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真。仿真時(shí)，選取內(nèi)徑為122 mm 的身管進(jìn)行模擬建模。其中，身管長(zhǎng)度為3 m，管道外徑140 mm、陰線處內(nèi)徑126.88 mm、陽(yáng)線處內(nèi)徑 122 mm，膛線高度2.44 mm，寬度5.32 mm，膛線纏角設(shè)置為4°，內(nèi)壁陰線與陽(yáng)線交替出現(xiàn)，陰線與陽(yáng)線寬度均為5 mm。身管材質(zhì)設(shè)置為低碳鋼，在地磁場(chǎng)激勵(lì)下，其相對(duì)磁導(dǎo)率可看作一個(gè)定值，μr設(shè)置為285。

在仿真時(shí)，為了與磁偶極子模型進(jìn)行對(duì)照，對(duì)圖5 所示的身管施加地磁場(chǎng)(磁傾角I為90°、磁偏角D為0°)，查閱地磁數(shù)據(jù)可得，太原地區(qū)磁場(chǎng)大小為5 4394 nT，仿真磁場(chǎng)大小設(shè)置為54 000 nT。按照?qǐng)D 4 所示建立典型的磨損單膛線模型，觀察身管截面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，對(duì)不同磨損情況下的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真，磨損情況如表2 所示，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖5 身管施加地磁場(chǎng)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the geomagnetic field applied by the gun barrel

表2 仿真設(shè)置磨損量Table 2 Wear amount set by simulation

圖6 展示了膛線在不同類型磨損情況下磁場(chǎng)的分布情況，身管截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度在發(fā)生磨損時(shí)理論上發(fā)生明顯差異。

圖6(a)為內(nèi)膛磨損的膛線磁化情況，內(nèi)膛磨損時(shí)陽(yáng)線高度被磨損，其高度低于未磨損陽(yáng)線的高度，檢測(cè)時(shí)傳感器的靈敏度垂直于膛線方向，由于磨損處距傳感器的距離比未磨損處遠(yuǎn)，導(dǎo)致磨損處的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，磨損處陽(yáng)線磁場(chǎng)強(qiáng)度與陰線磁場(chǎng)強(qiáng)度差值小于未磨損處磁場(chǎng)強(qiáng)度差值。圖6(b)為內(nèi)膛有/無(wú)磨損時(shí)x軸方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比圖，可以明顯地看出在右側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度要小于左側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；圖6(c)為y軸方向上的磁場(chǎng)對(duì)比，可知右側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度也小于左側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖6(d)為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損的磁場(chǎng)分布，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損時(shí)陽(yáng)線兩側(cè)被磨損，陽(yáng)線的寬度減小，陰線的寬度擴(kuò)大，在相同軸向運(yùn)動(dòng)的傳感器獲取的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取的陽(yáng)線磁場(chǎng)數(shù)據(jù)量減少，獲取的陰線磁場(chǎng)數(shù)據(jù)量增加，就會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)弱分布不均勻，陰線處的弱磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)間較長(zhǎng)。圖6(e)為有/無(wú)磨損時(shí)x軸方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比圖，可以明顯地看出在3 mm 的位置導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損的磁場(chǎng)變化要稍為不同，比未磨損的要偏右一點(diǎn)。圖6(f)為y軸方向的磁場(chǎng)對(duì)比。

圖6(g)為燒蝕溝磨損的磁場(chǎng)分布，燒蝕溝磨損時(shí)陰線底部被磨損，導(dǎo)致陰線底部不平，尖端位置出現(xiàn)磁場(chǎng)聚集，磁荷就在陰線底部聚集，燒蝕溝磨損處的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于周圍陰線的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由 圖6(h)、圖6(i)可知，燒蝕溝磨損處的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于未磨損處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖6(j)為鍍層磨損的磁場(chǎng)分布，鍍層磨損時(shí)陽(yáng)線邊角被磨損，陽(yáng)線邊角的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，膛線鍍層磨損的磁場(chǎng)分布與膛線內(nèi)膛磨損的磁場(chǎng)分布類似，此時(shí)陽(yáng)線磁場(chǎng)強(qiáng)度與陰線磁場(chǎng)強(qiáng)度差值小于未磨損處磁場(chǎng)強(qiáng)度差值。由圖6(k)、圖6(l)可知，其內(nèi)部空間磁場(chǎng)分布與內(nèi)膛磨損大致相同，由于打磨了右側(cè)陽(yáng)線，右側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度比左側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度要小。

圖6 膛線在不同類型磨損情況下磁場(chǎng)的分布情況Fig. 6 Magnetic field intensity distribution around the muzzle under different wear conditions

從上述所有磨損中可以看出，本文測(cè)試方法對(duì)內(nèi)膛磨損這一現(xiàn)象檢測(cè)明顯，尤其是y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，身管內(nèi)部膛線與地磁場(chǎng)的夾角是隨機(jī)的，并不能做到完全垂直，因此針對(duì)內(nèi)膛磨損這一現(xiàn)象，給膛線施加不同方向的磁場(chǎng)，仿真不同方向的地磁場(chǎng)對(duì)y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

假設(shè)身管放置于地磁場(chǎng)中，身管不動(dòng)，然后不斷地改變地磁場(chǎng)磁偏角和磁傾角的角度，使身管與地磁場(chǎng)的角度不斷發(fā)生變化。

首先規(guī)定磁偏角D不變，為90°，改變磁傾角I的數(shù)值，觀察膛線y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度。仿真結(jié)果如圖7所示，磁傾角無(wú)論怎么變化，磨損部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度始終小于未磨損部分，說(shuō)明磁傾角I不影響測(cè)量。

圖7 磁傾角I變化下的y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度(D=90°)Fig. 7 y-axis magnetic field strength under the change of the magnetic inclination angleI(D=90°)

假設(shè)磁傾角I不變，為0°，改變磁偏角D的數(shù)值，觀察膛線y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度。仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 磁偏角D變化下的y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度(I=0°)Fig. 8 y-axis magnetic field strength under the change of magnetic declinationD(I=0°)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證第3 節(jié)仿真結(jié)果的正確性，本文針對(duì)膛線磨損進(jìn)行建模，首先以122 mm 為陽(yáng)線內(nèi)徑制作測(cè)試標(biāo)定筒模型，模擬36 根膛線，設(shè)計(jì)陽(yáng)線深度為2.44 mm，并打磨其中的3 根膛線，打磨深度分別為0.25mm、0.82mm 和1.37mm。圖9 為標(biāo)定筒模型參數(shù)。

圖9 標(biāo)定筒模型參數(shù)Fig. 9 Calibration cylinder model parameters

為還原上述的仿真現(xiàn)象，設(shè)計(jì)圖10 所示的基于隧道磁阻(TMR)傳感器的測(cè)磁系統(tǒng)，將制作好的模擬身管放入亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)裝置中，設(shè)置該設(shè)備 產(chǎn)生的大小與地磁場(chǎng)大小相同，約為50 000 nT，磁場(chǎng)方向垂直于磨損陽(yáng)線，然后將TMR 線性磁場(chǎng)傳感器正對(duì)陽(yáng)線，即磁場(chǎng)傳感器靈敏軸方向與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直，這樣可以最大程度降低該方向的磁場(chǎng)干擾。磁場(chǎng)傳感器要緊貼身管模型內(nèi)壁，距陽(yáng)線表面1 mm，即與身管圓心的距離為60 mm，且相對(duì)位置固定，對(duì)地磁場(chǎng)激勵(lì)下的身管內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 10 Diagram of the experimental setup

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性，將身管沿順時(shí)針?lè)较蚩焖傩D(zhuǎn)一周，利用傳感器快速監(jiān)測(cè)一遍，得到的效果圖如圖11 所示，考慮到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，采集 環(huán)境磁場(chǎng)并對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小，圖11(d)中膛線磨損處磁場(chǎng)的變化幅度小于未磨損區(qū)域。從而驗(yàn)證了磨損膛線的磁場(chǎng)強(qiáng)度要小于未磨損部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖11 旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 11 Rotation experiment results

圖11(c)為整個(gè)身管內(nèi)壁一周磁場(chǎng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果，可以看出，與第3 節(jié)提出的單膛線仿真結(jié)果相似，都是在陽(yáng)線處出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值，在陰線處出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度波谷，在磨損區(qū)的幅值要小于未磨損區(qū)的峰值。

從圖11 中可以得知實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果大致相同。其中3 個(gè)磨損區(qū)磁場(chǎng)變化的具體數(shù)值如表3所示。

表3 磨損部位磁場(chǎng)強(qiáng)度變化詳情Table 3 Details of changes in magnetic field strength at worn parts

由表3 可以看出磨損處的磁場(chǎng)強(qiáng)度略小于未磨損處的磁場(chǎng)：當(dāng)膛線磨損0.25 mm，陽(yáng)線到陰線的磁場(chǎng)變化-8.48 A/m，即當(dāng)陽(yáng)線到陰線的變化量小于未磨損的50%時(shí)，為膛線已磨損；隨著磨損深度的增加，檢測(cè)到陽(yáng)線到陰線的磁場(chǎng)變化越??；當(dāng)陽(yáng)線磨損量為1.37 mm 時(shí)，即膛線磨損為56.15%時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度差值減小到1.78 A/m，從而說(shuō)明了磨損程度與磁場(chǎng)強(qiáng)度差值呈負(fù)相關(guān)。

5 結(jié)論

本文以線膛炮內(nèi)表面磨損為研究對(duì)象，基于磁偶極子磁場(chǎng)分布模型，推導(dǎo)基于膛線結(jié)構(gòu)的身管內(nèi)磁場(chǎng)分布模型，分別建立身管內(nèi)表面內(nèi)膛、導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)、燒蝕溝、鍍層磨損的磁場(chǎng)分布模型，基于這些模型仿真分析了身管內(nèi)表面磨損與未磨損的磁場(chǎng)分布差異性。得出以下主要結(jié)論：

1)根據(jù)地磁場(chǎng)的磁散射原理對(duì)線膛炮內(nèi)表面進(jìn)行磨損檢測(cè)，在內(nèi)膛磨損和鍍層脫落時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在磨損處減??；導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)磨損時(shí)，磁場(chǎng)跟隨磨損區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)；燒蝕溝處的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。

2)對(duì)膛線磨損進(jìn)行半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)陽(yáng)線無(wú)磨損時(shí)，陰線與陽(yáng)線磁場(chǎng)強(qiáng)度差值為17.6 A/m；陽(yáng)線磨損為56.15%時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度差值減小到1.78 A/m。

3)驗(yàn)證了基于磁散射的線膛炮內(nèi)表面磨損檢測(cè)技術(shù)，為身管出廠和使用提供一種膛線磨損檢查理論與方法。