NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của QUÁ TRÌNH TƯƠNG tác cơ NHIỆT GIỮA đạn và NÒNG đến TUỔI THỌ của hệ vũ KHÍ có NÒNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC CƠ NHIỆT GIỮA ĐẠN VÀ NÒNG ĐẾN TUỔI THỌ CỦA HỆ VŨ KHÍ CÓ NÒNG THE INFLUENCE OF THERMOMECHANICAL MUTUAL EFFECT BETWEEN PROJECTILE AND BARREL O

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC CƠ NHIỆT GIỮA ĐẠN VÀ NÒNG ĐẾN TUỔI THỌ CỦA HỆ VŨ KHÍ CÓ NÒNG

THE INFLUENCE OF THERMOMECHANICAL MUTUAL EFFECT BETWEEN PROJECTILE AND BARREL ON SERVICE LIFE OF ARTILLERY WEAPONS

Nguyễn Văn Dũng

Học viện Kỹ thuật Quân sự

vandung_nguyen78@yahoo.com.vn

TÓM TẮT

Súng pháo là một loại máy nhiệt đặc biệt, khi phát bắn xảy ra khí thuốc cháy tạo áp suất lớn và nhiệt độ cao Các tải trọng này tạo ứng suất lớn trong nòng, làm giảm tuổi thọ của chúng Bài báo nghiên cứu ứng suất, biến dạng thành nòng chịu quá trình tương tác cơ nhiệt đạn – nông và xác định một số yếu tố ảnh hưởng của quá trình đến tuổi thọ nòng

Từ khóa: vũ khí, nòng súng pháo, áp suất và nhiệt độ cao, ứng suất và biến dạng, tuổi thọ

ABSTRACT

Artillery weapon is a special thermal engine, in which the propellant gases burning induces very high pressure and temperature during firing These super-high loads made danger strains in weapon barrel and caused decrement of its service life The paper disscuses

on the bore strain and deformation caused by thermomechanical mutual effect between projectile and barrel, defines some factors of the effect process impacting on barrel service life

Keywords: weapon barrel, super-high pressure and temperature, bore strain and

deformation, weapon service life, barrel service life

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nòng súng pháo là bộ phận chính của vũ khí, đây là nơi thực hiện quá trình đốt cháy thuốc phóng và giãn nở khí thuốc đẩy viên đạn đến mục tiêu Nòng súng pháo làm việc trong những điều kiện rất khắc nghiệt, áp suất khí thuốc khoảng 3000 4000KG cm nhiệt độ / 2, khoảng 30000K; thời gian mỗi phát bắn xảy ra nhỏ hơn 0,1 giây với tốc độ bắn lớn Tuổi thọ của hệ vũ khí có nòng được quyết định bởi số phát bắn bảo đảm các đặc trưng thuật phóng (tầm bắn, độ chính xác bắn, sơ tốc của đạn), tuổi thọ nòng là hệ quả của một quá trình mà nguyên nhân là mòn nòng Trong các quá trình tính toán nghiệm bền nòng theo các thuyết bền coi áp lực khí thuốc tác dụng lên nòng là cơ bản nhất Thực tế, tác dụng nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của nòng nói chung và mòn nòng nói riêng; do đó cần có khảo sát ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến một số yếu tố tác động đến tuổi thọ của hệ vũ khí có nòng

2 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA THÀNH NÒNG DƯỚI TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ

2.1 Ứng suất và biến dạng của nòng dưới tác dụng của áp lực khí thuốc

Các giả thiết:

- Áp suất khí thuốc tác dụng pháp tuyến với mặt trong của nòng, phân bố đồng đều và đối xứng với trục lòng nòng;

- Nòng trước và sau biến dạng vẫn là hình trụ, mọi tiết diện phẳng sau khi biến dạng vẫn là tiết diện phẳng;

- Vật liệu của nòng là đồng nhất và đẳng hướng;

- Mọi phân tố của nòng, dưới tác dụng của nội lực luôn ở trạng thái cân bằng

Sử dụng phương trình cân bằng Lame - Hadolin, trong [4], [5] đã đưa ra các công thức tính ứng suất và biến dạng thành nòng chịu tải áp suất

2 2 2 2 2 2

1 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

1 2 2 2 2 2 2 2

2 2

1 1 2 2

2 2

2 1

p

r

p

p

z

(1)

z r

E E E

(2)

Trong đó:

+) p p1; 2 là áp suất bên trong và bên ngoài tác dụng vào thành nòng

+) r r1; 2 là bán kính trong và ngoài của nòng

2.2 Ứng suất và biến dạng của nòng dưới tác dụng của nhiệt độ

Các giả thiết:

- Nhiệt độ phân bố đối xứng với trục nòng và không đổi theo chiều dài nòng;

- Mô đun đàn hồi và hệ số giãn nở nhiệt được lấy theo giá trị trung bình;

- Dòng nhiệt theo chiều dày của nòng được coi là không phụ thuộc vào thời gian.;

r

r

p1

p1

p1

p2

p2

r1

r2

p2

p1 p1

p1

p2

p2

r

r

p2 p2

p2

p1 p1

p1

Hình 1: Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của nòng

p1





2.2.1 Ứng suất

Sử dụng định luật Hook mở rộng với thành phần biến dạng nhiệt T và phương trình cân bằng cho ứng suất nhiệt 0,

o o o

r r d

dr r theo tài liệu [1], [3] ta có

1

1

1

z r

T E

T E

T E

2 2 2

2 2 2

1

2 2 2

2 2 2

1

2

2 2

1

( ; )

( ; )

o r

o

o z

r

r

r

Ứng suất tương đương: Với các giả thiết nêu trong tính toán ứng suất do áp suất và nhiệt

độ thì ứng suất nhiệt cùng hướng với ứng suất do áp lực khí thuốc tại cùng một mặt cắt nòng, ứng suất tổng hợp được xác định theo công thức

Khi tính đến sự đốt nóng không đều theo hướng kính và theo chiều dài nòng, với giả thiết nhiệt độ nòng thay đổi tuyến tính theo chiều dài dọc trục z thì T z r( , ) z T r( )

L

Phương trình cân bằng khi tách phân tố có dạng [1]:

2

(6)

2.2.2 Trạng thái biến dạng nhiệt

Biến dạng nhiệt trong thành nòng bị đốt nóng có thể xác định bằng tổng của biến dạng nhiệt tiếp tuyến đàn hồi 0 gây ra do sự đốt nóng không đều và biến dạng gây ra bởi sự dãn nở tự do khi đốt nóng đều thành nòng lên nhiệt độ T Tức là 2 0

2

Với bài toán một tham số thì

2

1

Trên cơ sở phân tích hàm ( , )r z 1( )r ( ),z kết hợp phương trình (6), suy ra

T r

Biến đổi tích phân, ta rút ra được r z r0, z 0, z C z2 C3

1

0

2

( )

r

rz

r

u

3 KHẢO SÁT PHÁO 85 mm Đ44

3.1 Giải bài toán tương tác cơ nhiệt pháo 85mm Đ44

3.1.1 Bài toán thuật phóng trong xác định nhiệt độ trong nòng

Theo [1], các phương trình thuật phóng bao gồm (10):

1

dt q 2 dl v 1;

dt 3 2;

k

z

1

1

Phương trình biến thiên nhiệt độ

Kết quả:

Hình 2: Đồ thị áp suất theo thời gian

Hình 3: Đồ thị nhiệt độ theo thời gian và theo chiều dài nòng

3.1.2 Bài toán truyền nhiệt trong thành nòng theo hướng kính

Hệ phương trình mô tả trạng thái nhiệt của nòng [1]:

2

2

1

1

2

2

( , )

( , )

r r

c

dt

T r t

dt

T r t

dt

Ký hiệu và các hệ số tính theo [1]

Hình 4: Đồ thị nhiệt độ theo hướng kính

3.1.3 Bài toán ứng suất và biến dạng

Kết hợp bài toán ứng suất và biến dạng chịu tải của áp suất và nhiệt độ khi bắn, tiến hành giải bằng phương pháp số, kết quả như sau:

Hình 5: Biểu đồ ứng suất thành nòng

Hình 6: Ứng suất tiếp tuyến chịu tương tác cơ nhiệt

3.2 Khảo sát một số ảnh hưởng của quá trình tương tác cơ nhiệt giữa đạn và nòng đến tuổi thọ nòng pháo 85mm DD44

Tuổi thọ nòng là tính chất bảo toàn chất lượng thuật phóng trong theo yêu cầu khi bắn, được tính bằng số phát bắn thực hiện được trên nòng đến khi chất lượng chiến đấu không được đảm bảo: sơ tốc, tầm bắn, độ chính xác bắn giảm xuống dưới giá trị cho phép của pháo

3.2.1 Ảnh hưởng tương tác cơ nhiệt đến chế độ bắn

Biểu thức nhiệt lượng của nòng thu được sau một phát bắn là:

2

l

Nhiệt độ nòng sau n phát bắn 0

n

n

nQ

Từ các công thức (12), (13) áp dụng tính cho pháo 85mm Đ44 với chú ý nòng chịu được nhiệt độ giới hạn là 400 C0 thì số phát bắn liên tục cho phép là n 134 (phát)

3.2.2 Ảnh hưởng tương tác cơ nhiệt đến góc bay ra của đầu đạn

Đầu đạn khi bay ra khỏi miệng nòng, trục của nó bị lệch đi so với trục nòng pháo một góc , góc lệch này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có sự tương tác cơ nhiệt giữa đạn và nòng Theo [1], công thức tính góc lệch T

Trong đó:

+ là góc quay khối tầm quanh trục tai máng khi bắn

+ là góc giữa véc tơ tốc độ tịnh tiến của đạn với véc tơ tổng (của véc tơ tốc độ tịnh tiến và tốc độ ngang của đầu đạn do nòng quay) tại thời điểm đạn rời nòng

+ T là góc tạo ra do uốn nòng gây nên bởi sự đốt nóng không đều thành nòng theo chiều dài của nó

3 3

2 1 1

4 4

T

Thực hành tính toán, ta thấy khi nòng càng nóng thì góc bay ra của đạn càng lớn

3.2.3 Ảnh hưởng tương tác cơ nhiệt đến giới hạn bền đàn hồi của nòng

Khi bắn, do nhiệt lượng truyền vào thành nòng pháo, nhiệt độ của nòng tăng dần lên làm giảm tính năng cơ học của vật liệu làm nòng và sinh ra ứng suất nhiệt Trên cơ sở tính toán ứng suất bề mặt ngoài, ta sẽ xác định giới hạn bền đàn hồi của nòng

Tổng ứng suất tiếp tuyến tương đối bề mặt ngoài của nòng là

0

p

các giá trị đã biết, ta xác định được giới hạn bền đàn hồi của nòng pháo p là: y

2

1 2

1

2

2 ln

y p

p

r

Tính toán cho pháo 85mm Đ44, ta được p y 1844,5 (KG/ cm ),2 thể hiện độ bền của nòng giảm khi nhiệt độ nòng tăng

4 KẾT LUẬN

Khảo sát ảnh hưởng quá trình tương tác cơ nhiệt giữa đạn và nòng đến tuổi thọ là bài toán quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng Quá trình khảo sát khẳng định việc chỉ tính toán áp suất trong bài toán thiết kế nòng có kết quả chưa đáng tin cậy

Các nghiên cứu về số phát bắn, về góc lệch, về giới hạn bền đàn hồi … khi có tương tác

cơ nhiệt cho phép định ra các chế độ bắn phù hợp bảo đảm tuổi thọ của nòng nói riêng và tuổi thọ của hệ vũ khí có nòng nói chung

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Huy Chương, Động lực học vũ khí có nòng, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội,

2002

[2] Phạm Huy Chương, Tuổi thọ nòng, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội, 2001 [3] Nguyễn Hồng Lanh, Nguyễn Thanh Hải, Mô hình hóa các quá trình hoạt động của nòng súng pháo, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội, 2013

[4] Phan Nguyên Thiệu, Khổng Đình Tuy, Nguyễn Hồng Lanh, Nguyên lý thiết kế vũ khí có nòng, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội, 2000

[5] Khổng Đình Tuy, Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Văn Dũng, Cơ sở thiết kế hệ thống pháo,

Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, 2009

[6] Алферов B.B, Конструкция и расчёт автоматического оружия., Машиностроение,

Москва, 1977

THÔNG TIN TÁC GIẢ

TS Nguyễn Văn Dũng, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Email: vandung_nguyen78@yahoo.com.vn Phone number: 0912484775