Алгоритм оценки живучести стволов артиллерийских систем

УДК 623.526

АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ СТВОЛОВ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СИСТЕМ

А.А. Вершинин

Рассматривается вопрос оценки состояния поверхностного слоя канала ствола артиллерийской системы. Одной из основных причин потери живучести стволов артиллерийских систем является изменение температуры поверхностного слоя канала ствола при стрельбе. С этой целью проанализирован процесс эрозионного износа. На основании этого предложен алгоритм оценки живучести стволов артиллерийских систем с учетом определения тепловых и диффузионных процессов, происходящих в ствольных сталях. Предлагаемый алгоритм оценки живучести стволов позволяет произвести анализ работоспособности поверхностного слоя канала ствола с учетом структурно-фазовых превращений материала поверхности канала артиллерийского ствола при стрельбе.

Ключевые слова: артиллерийская система, оценка живучести, износ, ствол.

Исторически сложилось так, что решающая роль в огневом поражении противника принадлежит артиллерии. Обладая большой дальностью стрельбы, мощным и точным огнем, способностью к широкому маневру и быстрому сосредоточению огня по важнейшим объектам, артиллерия продолжает оставаться важным средством огневого поражения противника, эффективным средством огневой поддержки мотострелковых и танковых подразделений и в настоящее время. Принятие на вооружение качественно новых боеприпасов значительно расширяет огневые возможности современной артиллерии, сокращает расход снарядов для поражения различных целей, количество привлекаемых орудий и время выполнения огневых задач.

Однако, из-за широкого распространения высокоточного оружия и учитывая применение его противником для ведения контрбатарейной борьбы, от современных артиллерийских систем требуется ужесточение огневых режимов стрельбы, сохранение точности стрельбы, готовность применения после значительного количества обычных выстрелов высокоточных боеприпасов. Главной трудностью при выполнении этих требований является весьма существенный для орудий среднего и крупного калибров нагрев ствола и, как следствие, интенсивный износ его направляющей части [1].

Анализ видов износа, присутствующих в стволах современных артиллерийских систем показал, что достижение ими предельного состояния обусловлено как протеканием процесса циклической ползучести (термопластическим износом), и, следовательно, недопустимым искажением исходной геометрии нарезов, так и развитием сетки тепловых усталостных трещин (термоэрозионный износ), нарушающих сплошность поверхности канала ствола. Интенсивный нагрев внутренней поверхности ствола и возникающие во время выстрела чрезвычайно высокие температуры на поверхности канала ствола перед очередным выстрелом являются определяющим фактором вида износа поверхности канала ствола.

Основным источником тепла в артиллерийских стволах являются пороховые газы, имеющие высокие давления (несколько сотен МПа), скорость (сотни метров в секунду) и температуру (2000...3000 0С). Установлено, что количество тепла, поступающего в ствол от трения ведущих элементов снаряда о поверхность канала ствола для малокалиберных пушек, может достигать 20...25 % от общего количества тепла, тогда как для артиллерийских орудий среднего и крупного калибров тепло от трения не превышает 6 % от общего количества и при расчете нагрева ствола это тепло можно учитывать корректировкой процесса теплоотдачи, полагая, что для стволов указанных артиллерийских орудий единственным источником тепла являются пороховые газы [1].

В результате молекулярного взаимодействия между пороховыми газами и нагретой поверхностью металла канала ствола в металле формируются условия, когда при некоторой температуре начинает проявляться эрозионный износ поверхностного слоя металла. Принято считать, что допустимая температура, характерная для термоэрозионного износа, составляет около 820 К, а более высокая температура приводит к преждевременному исчерпанию ресурса ствола. Конкретное значение этой (критической) температуры зависит не только от температуры на фазовой границе, времени, параметров диффузии, но и вида гетерогенной пары газ - твердое тело. Следует отметить, что теоретические аспекты химического взаимодействия и поглощения газовых молекул металлической поверхностью с образованием химической связи между газовыми молекулами и молекулами твердого тела (хемосорбция) и поглощения вещества газовой среды поверхностью твердого вещества пороховых газов при их взаимодействии с поверхностным слоем орудийной стали (адсорбция) при этом не рассматриваются, а определение критической температуры осуществляется по результатам экспериментального износа, величина которого является функцией целого ряда факторов [2].

Функция интенсивности процесса эрозионного износа в соответствии с результатами эксперимента математически описывается уравнением в форме нормального закона распределения (1), (2).

щ Т )=тТф

к п х г , у2

/х = ЯТт,а) = X X X [дэ

=1 ]=1 т=1

где Тт - температура плавления стали; Т 4 - текущая температура поверхности стенки; /х - функция, учитывающая влияние средства защиты (например, флегматизатора) на износ металла во входном конусе трубы; дэ - экспериментальное значение износа в сечении х; др - расчетное значение износа в сечении х; Ф(и) - функция нормального закона распределе-

Тт - то

ния параметра и =—-; Т0 - ожидаемое (расчетное) максимальное зна-

а

чение температуры поверхности канала; а -среднеквадратичное отклоне-

292

ние параметра в нормальном законе распределения; - координата начала калиберной части трубы, зависящая от времени стрельбы (износа канала, вызванного настрелом); 1Х - координата произвольного продольного сечения трубы; г - число продольных поперечных сечений трубы; у - дискретная область возможных значений параметра; т - диапазон возможного изменения параметра; ^ - степенной индекс.

Исходя из приведенного анализа механизмов износа стволов артиллерийского орудия, очевидно, что для конкретного комплекса «ствол-заряд-снаряд» количественные и качественные показатели износа зависят от температурного поля ствола, т.е. живучесть ствола в основном определяется уровнем нагрева при стрельбе. Время (или количество выстрелов) выхода на износ канала ствола даже для одного и того же ствола может быть различным в зависимости от условий заряжания, текущих геометрических размеров канала ствола, состава пороховых газов и структуры поверхностного слоя металла, а также вследствие колебаний температуры окружающей среды. Существующие методы расчета не позволяют сделать подобные оценки. В связи с этим требуется разработка специальных математических моделей износа с учетом в первую очередь с учетом следующих факторов: возможного изменения теплофизических и кинетических характеристик металла в тонком поверхностном слое под действием необратимых структурно-фазовых превращений и адсорбционно-термохимических превращений [3]. Естественно, что при интенсивной стрельбе поверхностный слой с измененной структурой свойств будет при возникновении определенных условий непрерывно сноситься под воздействием внешнего газового потока. Однако, вместе с тем эти изменения будут проникать и в глубинные слои материала. Следовательно, для расчетной оценки изменения теплофизических характеристик в тонкой зоне структурно-фазовых превращений необходимо знать степень превращения в цикле нагрева - охлаждения, а также рассмотреть возможные реакции между компонентами стали и газовыми составляющими продуктов сгорания пороха, т.е. возникает проблема с методикой оценки живучести стволов артиллерийских орудий.

Таким образом, для того, чтобы оценить живучесть ствола артиллерийского орудия, необходимо при заданной серии выстрелов (цикла стрельбы) Т1 и сочетанию различных марок порохов и сталей минимизировать диффузию пороховых газов О в поверхностный слой ствольной стали при максимальном общем количестве выстрелов. Критерий оценки живучести можно представить в следующем виде:

штшах Г (О, т).

О т

Решение задачи исследования трения и изнашивания в стволе артиллерийского орудия является достаточно сложным и требует системного подхода к рассмотрению артиллерийской системы.

— т

Выходные характеристики системы О = Ос ,Он ,О^,Тп - вектор

концентраций в поверхностном слое металла ствола углерода, водорода и

293

азота соответственно. Значения концентраций должны находиться в заданном диапазоне, который определяется характеристиками марки стали.

При данной постановке алгоритм оценки живучести артиллерийского ствола можно представить в виде:

Алгоритм оценки живучести артиллерийского ствола

Работа данного алгоритма заключается в следующем: при заданных исходных данных, заданной марки пороха (/) и заданной марки стали (/), решается определенная последовательность ряда задач. Первой, из которых является решение основной задачи внутренней баллистики, затем для определения тепловых полей ствола решается уравнение теплопроводности, позволяющее определить изменение текущей температуры в слоях стенки.

Следующим этапом является решение уравнения диффузии с целью определения концентрации химических элементов пороховых газов в ствольной стали. Цикл решения данных задач зависит от числа выстрелов (п) и будет продолжаться до тех пор, пока концентрация какого-либо элемента не достигнет своего предельного значения. При этом определяется значение диффузии при соответствующей марки пороха и соответствую-

294

щей марки стали, и определение непрерывного времени стрельбы при данных параметрах диффузии. После простого перебора всех марок порохов и марок сталей по критерию минимума диффузии и максимума времени стрельбы определяется оптимальное значение длительности времени стрельбы и количество выстрелов в серии (цикле) с целью уменьшить износ ствола артиллерийской системы.

Таким образом, разработанный алгоритм, основываясь в большей степени, чем существующие на физических представлениях о процессах, происходящих в металле ствола при выстреле, создает методическую основу для разработки общего подхода к анализу работоспособности поверхностного слоя канала ствола артиллерийских систем, который в большей степени, чем существующие эмпирические зависимости, отражает последствия процессов диффузии воздействия выстрела на поверхность канала ствола, точнее учитывает условия эксплуатации артиллерийской системы, теснее коррелирует с показателями износа.

Список литературы

1. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий: учебник / Зайцев А.С. Изд ТНТ, Старый Оскол. 2017.

2. Вершинин А. А., Пушкарев А.М. Расчет прогнозирования износа артиллерийских стволов // Вестник ИжГТУ. 2015. №4 (68).

3. Вершинин А. А., Пушкарев А.М. К вопросу оценки живучести стволов малокалиберного автоматического оружия // Оборонная техника. 2016. №1 - 2.

Вершинин Алексей Аркадьевич, канд. техн. наук, доцент, докторант, versh-aleksei2@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия

THE ALGORITHM FOR EVALUATING THE SURVIVABILITY OF THE ARTILLERY GUNS SYSTEMS

A.A. Vershinin

The article deals with the assessment of the state of the surface layer of the barrel of the artillery system. One of the main reasons for the loss of survivability of the barrels of artillery systems is the change in the temperature of the surface layer of the barrel when firing. To this end, the process of erosion wear is analyzed. On the basis of this proposed algorithm for assessing the survivability of the barrels of artillery systems, taking into account the definition of thermal and diffusion processes occurring in the barrel steels. The proposed algorithm for assessing the survivability of the trunks allows us to analyze the performance of the surface layer of the barrel channel, taking into account the structural-phase transformations of the material of the surface of the artillery barrel channel during shooting.

Key words: artillery system, the assessment of survivability, the wear of the barrel.

Vershinin Alexey Arkadievich, candidate of technical sciences, docent, doctoral, versh-aleksei2@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Mikhailovskaya military artillery Academy