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火炮修后水弹试验安全性分析研究

文档作者：傅建平1 张泽峰1 余家武2 刁中凯2 文档来源： 1．军械工程学院火炮工程系 2．驻157厂军代室		点击数：	更新时间： 2021年05月09日
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第33卷第lo期计算机仿真2016年10月
文章编号：1006—9348(2016)10—0005一04
火炮修后水弹试验安全性分析研究
傅建平1，张泽峰1，余家武2，刁中凯2
(1．军械工程学院火炮工程系，河北石家庄050003；
2．驻157厂军代室，四川成都610000)
摘要：针对火炮修后水弹试验中出现身管胀膛等安全性事故，缺乏火炮水弹试验安全性分析理论，难以确保火炮水弹试验安
全性。综合多年火炮修后水弹试验工程实践经验，应用现代火炮设计理论，建立了火炮水弹试验时的火炮内膛压力、身管强
度分析计算和水弹试验安全性评估模型，并以某炮为例，进行了火炮水弹试验安全性理论计算与试验后测试结果分析，试验
测试结果验证了所建立模型的正确性和计算结果的可信性，并从理论上阐述了火炮水弹试验身管胀膛的原因所在，从理论
分析和工程实践两方面提出了确保火炮水弹试验安全的技术措施，研究成果为新型火炮制定水弹试验方案和试验安全保证
提供理论参考。
关键词：火炮；水弹试验；安全性；修理
中图分类号：TJ307 文献标识码：B
StuIly on S疵ty 0f Li椰d—Projec僦e Test mer G肌Repai心d
FU Jian—pin91，ZHANG Zhe—fen91，YU Jia—wu2，DIAO Zhong—kai2
(1．Depanment of Artillery EngineeriIlg，0rdnance Engineering College，S蝎i犯hu蚰g Hebei 050003，Chim；
2．No．157 State一‰d Factory Presentation R00m，Chengdu Sichu锄610000，China)
ABSTRACT：Due to tIle safbty accident of tlle gun baⅡel blll百ng in tlle gun liquid—pmjectile test after t}Ie gun re—
pair and the lack of tIle saf÷ty analysis tll∞哆for tlle gun liquid—pmjectile test，it is dimcult to ensure the s也ty of
gun liquid—pmjectile test．B鹊ed∞tlIe畔tical experience of tlle gun liquid—pmjectile test after the gun repair in
山e yem彻d tlle modem gIln desi印tlleory，a s如ty鹊sessment model of gun liquid—pmjectile test winl the intemal
pressure蛐d the body 8trengtll is established．And by taking a gun躯an ex锄ple，the safbty theoretical calctIlation
锄d t船t result锄alysis of the gIln liquid—pmjectile test are c商ed out．The test results verif，the coⅡ_ectness of the
established model aIld tIle credibility of the results．111e re鹳ons of the bulging of the gun barrel are descm虻d．From
the theoretical analysis and en西neering practice，tlle technical me鹊ures to ensure tlle safety of the gun are put fo卜
ward．
KEYWORDS：Gun；“quid—pmjectile test；Sec面ty；Repair
1 引言
火炮大修后，需进行水弹试验，以动态方式综合考核火
炮修理质量，确定火炮的技术状态‘1 J，因此火炮修后水弹试
验是确保火炮修理质量的重要检验环节。火炮水弹试验时，
虽然产生与实弹射击相似的火炮后坐与复进运动，但与实弹
射击相比，其内弹道发生较大变化忙J，如果水弹试验方案不
合理p1，如装水质量过多，也会使火炮内膛产生新的塑性变
基金项目：军队重点科研研究(总装备部[2013]45号)
收稿日期：2015—1l一23修回日期：2015—12—10
形，出现火炮身管胀膛现象H J，引起不必要的火炮水弹试验
安全事故。火炮水弹试验安全性是进行火炮水弹试验的前
提基础。目前，火炮水弹试验人员受技术力量的约束，开展
火炮水弹试验理论研究极少，仍然采用“水弹试验加试验后
测量膛径变化”等试验实践的角度来摸索水弹试验的安全性
研究，该方法简单、实用，但盲目性大，易出现火炮身管胀膛
安全性事故；对水弹试验中出现的火炮身管胀膛现象只能作
定性分析研究，无法从理论上定量阐述身管胀膛原因HJ。为
确保水弹试验时不造成身管胀膛及其它损伤，必须进行火炮
水弹试验安全性的理论研究。
现代科学技术，尤其是现代火炮设计理论的发展，为火
炮水弹试验安全性研究提供了理论支撑。本文应用现代火
一5一
万方数据
炮设计理论，建立火炮水弹试验时的火炮内膛压力和身管强
度计算模型，提出了火炮水弹试验安全性要求，从理论上阐
述了火炮水弹试验中身管胀膛原因，为新型火炮水弹试验方
案制定和试验安全性保证提供理论参考。
2火炮水弹试验安全性理论分析
火炮水弹试验时，既要产生与实弹射击相似的火炮后坐
与复进运动，以实现水弹试验的目的。同时，还应确保水弹
试验产生的高压气体对内膛只产生弹性变形，而不出现塑性
变形，避免出现火炮身管胀膛现象，即确保火炮修后水弹试
验的安全性。
2．1火炮水弹试验内膛压力计算模型
火炮水弹试验内膛压力是指火炮水弹试验时，火炮身管
内壁所承受的高温、高压的火药气体压力。火炮水弹试验内
膛压力是火炮修后水弹试验时身管安全性评估的基本依据，
它的正确与否直接影响到火炮修后水弹试验时身管安全性
评估的正确性和可信性。
2．1．1 火炮内膛平均压力、弹底压力与膛底压力
由火炮水弹试验原理可知，火炮水弹试验与实弹发射既
有区别，又有联系，可参考实弹射击的经典内弹道模型来计
算火炮水弹试验时的内膛平均压力，其计算方程组如下。2 J
砂：P‘1+Az+p矛)(z<1 7
L1 (Z≥1)
警：p cz<1，
00 (Z≥1)
sp=枷去(1)
df
”2面
sp(z+o)=脚一争耐
fm。+m。f≤fg一2。
，孔=f
【mf+m。一吊(z+f。一fg) f>fg—f。
式中乙=f。[1一舍一(a一古)卸]，△=嚣，f0=詈，疗=y一
1。火炮的膛内结构诸元如口径d、炮膛横断面面积s、药室
容积K和弹丸全行程长f。等，以及装填条件如弹丸质量m、
装药量∞、火药力，、火药气体余容d、燃烧速度系数凡、火药
密度6、火药形状特征量肛罚、A，火药气体比热比y，次要功计
算系数(b，水弹水柱初始长度为f。，水弹质量为m。。
平均压力p是指火炮内膛弹后空间的平均压力，弹底压
力P。是指火药气体作用在弹丸底部的压力，膛底压力p。是
指火药气体作用在药筒底部的压力。三者之间，膛底压力最
大，弹底压力最小，在计算得到火炮水弹试验内膛的平均压
力后，便换算到火炮水弹试验时的膛底压力、弹底压力。平
均压力、弹底压力与膛底压力三者之间的关系为峥。
一6一
p=(1+Al芒IPd (2)
、o，孔，
pf：(1“盖)(1“盖)p (3)
÷饥÷饥
式中Al 2搦’A：2赫_s为弹丸膛内相对全
行程并为药室扩大系数，其中f0为药室容积缩颈长。
2．1．2试验环境温度对火炮内膛压力影响修正
我国幅员广阔，环境温度差异很大。水弹试验时的环境
温度对其内膛压力影响很大，因此还需考虑试验环境温度对
内膛压力规律的影响。水弹试验工程上，广泛采用标准常温
为15℃，高温为50℃，低温为一40℃。由式(1)一式(3)可分
别得到标准常温15℃、高温50℃和低温一40℃环境下水弹
试验的内膛平均压力、弹底压力和膛底压力。
火炮水弹试验为了满足全国幅员范围内的适应性要求，
应取标准常温15℃、高温50℃和低温一40qC环境下内膛压
力曲线的包络线，即在火炮身管各个截面上，取标准常温
15℃、高温50℃和低温一40℃三者内膛压力的最大值。为了
计算方便，工程实践上考虑环境温度影响时的火炮内膛压力
应由四段组成”J，如图l所示。
p础
。
图l 身管水弹试验时的高低温压力曲线
1)由L=0垒L=k“+1．5d的压力变化规律是线性的，
用p。?至p?的直线表示。
2)由￡=050+1．5d至￡=050的压力变化规律是线性
的，用p?至P矗50的直线表示。
3)由￡=￡f50至￡=“40的压力变化规律用曲线p么～￡
表示。
4)由￡=“40至L=t的压力曲线变化规律由曲线pi加
一三表示。
图1和上式中符号上标为试验环境温度，符号下标“￡”、
“d”、“≈”与“g”分别表示膛底、弹底、火药燃烧结束点和炮口
点参数。
2．1．3计算理论引起误差对火炮内膛压力影响修正
上述火炮内膛压力理论计算建立在众多假设基础之上，
以达到方便计算的目的，但与火炮水弹试验实际存在较多区
别；加上身管材料也不是均质，因此计算得到的身管内膛压
万方数据
力与身管实际所受的内膛压力并不一致。由于计算理论引
起的计算误差难以定量分析并加以修正，通常用安全系数n
(n≥1)来弥补以上不足，以确保安全M1。
设火炮内膛压力计算值用．P来表示，则考虑计算理论引
起的误差，火炮内膛压力修正值P。为
Pl=n·p (4)
2．2火炮水弹试验身管强度分析模型
火炮水弹试验，一方面火炮水弹试验内膛压力作用在火
炮身管内壁，使火炮身管内壁产生合理的变形；另一方面，火
炮身管必须具有足够的强度，以承受巨大的火炮内膛压力作
用，即身管不允许产生破裂(炸膛)和内表面产生新的塑性变
形(胀膛)。目前，在役火炮身管主要有单筒身管和自紧身管
两种，由于其制造工艺不同，身管所能承受的内膛压力也不
同，身管强度的计算方法也不同，必须加以分别计算⋯。
2．2．1 单筒身管强度分析模型
单筒身管是一个单层的厚壁圆筒，制造后管壁没有人为
的预应力。当火炮内膛压力小于或等于身管弹性强度极限
时，身管内表面只作弹性变形。当内压超过身管弹性强度极
限时，身管内表面就会产生塑性变形。单筒身管强度设计与
校核主要应用第二、三、四强度理论和双剪强度理论拍J，工程
实践中，第三强度理论应用最为广泛。
第三强度理论认为，材料的危险状态是由最大剪应力引
起的，当复杂受力构件上的剪应力达到简单拉伸情况下危险
的最大剪应力值时，材料达到危险状态。
设单筒身管内径为■，外半径为r2，身管材料比例极限
0rD，采用第三强度理论时的单筒身管强度极限为
胪咋蛩(5)
2．2．2自紧身管强度分析模型
自紧身管是在制造时对其内压施以高压，使内壁部分或
全部产生塑性变形。自紧身管可提高身管的强度，降低对炮
钢材料强度的要求，同时有利于提高身管寿命，因而得到广
泛应用。
设自紧身管内径为r．，外半径为r：，塑性区外半径p，身
管材料的屈服极限盯。，则自紧身管强度极限为
见=1．08叽f ln卫+笔生) (6)
、
rI zr2 7
2．3火炮水弹试验安全性评估模型
火炮水弹试验时，身管内膛各截面上，只要其内膛压力
P．小于该处的身管实际强度尸。，则火炮水弹试验时身管不
会产生新的塑性变形，此时火炮水弹试验是安全的。反之，
在身管内膛各截面上，如果火炮内膛压力P。大于该处的身
管实际强度只，则火炮水弹试验时会产生新的塑性变形，试
验后身管内壁的弹性变形恢复，塑性变形不会恢复，即出现
在胀膛现象，这是绝不允许的。因此火炮水弹试验的安全性
要求为
Pl≤P。(7)
3火炮水弹试验安全性计算结果分析
3．1火炮水弹试验内膛压力计算结果
某自行加榴炮修理后进行水弹试验。由式(1)可得该炮
水弹试验时时标准常温15℃、高温50℃和低温一40℃环境
下的火炮内膛火药气体的平均压力，如图2所示。
图2某火炮水弹试验常温15℃、
高温50℃和低温一40℃时的膛压曲线
由图2可知，火炮水弹试验时，常温15℃、高温50℃和
低温一40qC时的内膛压力变化规律基本相同，发射后内膛压
力迅速升高至最大膛压；过最大膛压点后逐渐下降，与实弹
射击内膛压力变化规律基本相同。由于水弹试验时，膛内水
弹运动的后半程，水弹质量随着水弹运动行程的增大而逐渐
减小，因而表现出膛口部膛压呈增大趋势，这变化趋势与实
弹射击时，膛口部压力呈减小趋势相反。因此，火炮水弹试
验改变了传统实弹射击时的内膛压力变化规律，也是水弹试
验安全性考虑的重点所在，应引起水弹试验人员的高度
注意。
相应地，由式(2)、式(3)可得到该炮常温15℃、高温
50℃和低温一40℃时的弹底压力和膛底压力。
自行火炮内膛采用深膛线，身管各部的安全系数取值如
下：药室部取n=1．0，膛线部取n=1．2，炮口部取n=1．7一J。
最后由式(5)可分析计算得到火炮水弹试验时的内膛压力
值，如图3所示，由于综合考虑了火炮内膛结构、环境温度和
设计理论对火炮内膛压力的影响，火炮内膛压力较原来的火
药气体压力有了较大提高。
3．2火炮身管实际强度分析
该自行火炮身管外部由后向前逐渐变细，结构为多段圆
柱段与圆锥段，以适应身管内部压力的变化规律；加工工艺
上后半部采用自紧工艺，前半部为简单单筒身管。综上所
述，该自行加榴炮的身管实际强度¨1
见2
矿矿，，百!喾r 早单同筒
㈨8小号+等)自紧
‘
， ，
(8)
由该火炮身管具体结构尺寸，包括身管轴向尺寸、身管实际
——，7——
万方数据
I，m
图3高低温压力曲线及其内膛理论压力曲线
外径2r20、实际内径2r。。及自紧半径劫等，基于上述模型，可
编程计算得到该火炮身管各部的实际强度和实际强度曲线，
如图4所示。
00
i、
图4某自行加榴炮的实际强度曲线
由图4可知，由于该身管的后半部为规正火炮后坐与复
进运动方向的二段圆柱部，又采用自紧工艺，故后半部的实
际强度较高；前半部结构上呈圆锥形，故其实际强度也逐渐
减小。
剐
。卜———{————卜———咭————f——一
Um
图5某加榴炮实弹射击与水弹试验时的火炮内膛压
力与身管实际强度曲线
一8一
图5为该自行加榴炮实弹射击和水弹试验时的内膛压
力曲线和身管实际强度曲线。由图可知，火炮实弹射击，火
炮内膛压力较身管实际强度低许多，射击安全性是有保证
的。而火炮修后水弹试验时，身管炮尾部内膛压力较身管实
际强度低许多，身管的强度裕量较大，是安全的；但由于火炮
水弹质量随程变化，炮口压力较大，身管炮口部的所承受的
内膛压力已接近其实际强度，但仍是安全的。
4火炮水弹试验安全性实验结果分析
4．1实验结果分析
火炮水弹试验后，经擦拭保养，进行火炮内膛性能检测
与评估。一是测量火炮内膛直径，分析有无产生新的塑性变
形；二是观察火炮内膛有无裂纹、膛线脱落和膛线断裂等影
响火炮射击安全性或射击精度的内膛疵病。
该自行加榴炮水弹试验后，一是用专用火炮测径仪测量
火炮内膛直径，测量结果见表1。与水弹试验前测量结果比
较，前后测径结果基本一致，其中内膛直径变化量是由水弹
试验水弹对内壁的磨损、火药气体对内壁的烧蚀引起的，属
正常现象，测试结果表明火炮内膛没有产生新的塑性变形，
水弹试验是安全的；二是借助专用光学式窥膛仪全面观察火
炮内膛表面，并评估火炮内膛表面质量，没有发现裂纹、膛线
脱落和膛线断裂等影响火炮射击安全性或射击精度的内膛
疵病。
表1 火炮修后水弹试验前后的身管内膛直径测量结果
4．2火炮水弹试验安全性措施
由上分析可知，水弹试验时火炮内膛压力随着装水质量
增多而增大，身管炮口部的内膛压力有时会超过身管实际强
度，使身管内壁产生新的塑性变形，即产生胀膛现象，这种现
象在以往水弹试验过程中曾经出现过，今后应尽量避免。
为此，制定火炮水弹试验方案时，应该将理论分析与工
程实践相结合，采取以下两方面安全措施，确保火炮水弹试
验安全。一是理论分析上，分析其火炮水弹试验时的内膛压
力和身管实际强度，避免身管内膛压力大于身管强度的现象
发生；二是工程实践上，火炮水弹试验后还必须严格检查火
炮内膛质量，重点检查炮口部位，确保火炮内膛没有胀膛现
象发生。
5结论
本文结合多年火炮修后水弹试验实践，建立了火炮水弹
试验时内膛压力和身管强度分析计算模型，并以某自行火炮
为例，计算得到该炮身管内膛压力和身管实际强度曲线，并
进行了该项炮水弹试验安全性分析，阐述了火炮水弹试验身
管发生胀膛现象的原因所在， (下转第407页)
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万方数据
图7不同判决门限时的误差率和虚警率
变换阈值法对语音信号进行去噪处理。利用小波变换方法
和MFcc特征参数的提取原理相融合用来提取语音特征信
号。通过高斯混合模型算法将提取出的新特征参数DWTc
建模，在模式匹配的训练阶段利用EM算法求取参数集，并
加入LBG算法求取起始参数值并通过MAP准则实现模式识
别。仿真结果表明，改进小波声纹识别中的应用仿真平台有
效的设计出能够对说话对象的声纹信息的有效提取，并将获
取的说话对象的声纹信息进行有效辨识。
参考文献：
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[作者简介]
田秀丽(1977一)，女(汉族)，河北省顺平人，讲师，
硕士，研究方向：电路与系统。
黄永平(1977一)，女(汉族)，河北省定州人，讲师，
硕士，研究方向：通信与信息系统。
(上接第8页)
提出了确保火炮水弹安全的技术措施。本文理论计算结果
与水弹试验工程实践相吻合，表明所建立的计算模型是正确
的，计算结果是可信的。本文研究成果已成功应用于某火炮
修后水弹试验方案论证，为新型火炮水弹试验提供理论指
导，也可为火炮水弹试验评估与故障诊断提供理论依据。
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—128．
[作者简介】
傅建平(1966一)，男(汉族)，江苏省苏州市人，副
教授，硕士研究生导师，主要研究领域为火炮检测
与诊断研究。
张泽峰(199l一)，男(汉族)，山西省阳泉市人，硕
士研究生，主要研究领域为火炮检测与诊断研究。
余家武(1972一)，男(汉族)，四川大竹人，工程师，主要从事火炮监
造方面的研究。
刁中凯(1963一)男(汉族)河北深州人，高级工程师，主要从事火炮
监造方面的研究。
一407—
8
6
4
2
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万方数据

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