Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 vandung_nguyen78@yahoo.com.vn TÓM TẮT Súng pháo loại máy nhiệt đặc biệt, phát bắn xảy khí thuốc cháy tạo áp suất lớn nhiệt độ cao Các tải trọng tạo ứng suất lớn nòng, làm giảm tuổi thọ chúng Bài báo nghiên cứu ứng suất, biến dạng thành nòng chịu trình tương tác nhiệt đạn – nông xác định số yếu tố ảnh hưởng trình đến tuổi thọ nòng Từ khóa: vũ khí, nòng súng pháo, áp suất nhiệt độ cao, ứng suất 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Nòng súng pháo phận vũ khí, nơi thực trình đốt cháy thuốc phóng giãn nở khí thuốc đẩy viên đạn đến mục tiêu Nòng súng pháo làm việc điều kiện khắc nghiệt, áp suất khí thuốc khoảng 3000 4000 KG / cm 2, nhiệt độ khoảng 30000 K ; thời gian phát bắn xảy nhỏ 0,1 giây với tốc độ bắn lớn Tuổi thọ hệ vũ khí có nòng định số phát bắn bảo đảm đặc trưng thuật phóng (tầm bắn, độ xác bắn, sơ tốc đạn), tuổi thọ nòng hệ trình mà nguyên nhân mòn nòng Trong trình tính toán nghiệm bền nòng theo thuyết bền coi áp lực khí thuốc tác dụng lên nòng Thực tế, tác dụng nhiệt có ảnh hưởng lớn đến độ bền nòng nói chung mòn nòng nói riêng; cần có khảo sát ảnh hưởng áp suất nhiệt độ đến số yếu tố tác động đến tuổi thọ hệ vũ khí có nòng 920 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA THÀNH NÒNG DƯỚI TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ Ứng suất biến dạng nòng tác dụng áp lực khí thuốc r r p2 p2 p2 p1 p1 p2 r z z  p2 p1 p1 p1 p1 r p1 2r1  p2 p1 p1 p1 p2 p2 p2 2r2 2.1 p2 Hình 1: Phân bố ứng suất mặt cắt ngang nòng Các giả thiết: - Áp suất khí thuốc tác dụng pháp tuyến với mặt nòng, phân bố đồng đối xứng với trục lòng nòng; - Nòng trước sau biến dạng hình trụ, tiết diện phẳng sau biến dạng tiết diện phẳng; - Vật liệu nòng đồng đẳng hướng; - Mọi phân tố nòng, tác dụng nội lực trạng thái cân Sử dụng phương trình cân Lame - Hadolin, [4], [5] đưa công thức tính ứng suất biến dạng thành nòng chịu tải áp suất p r p p z r12 r22 r r22 r r12 p1 p2 r r2 r12 r r2 r12 r2 r2 r2 r22 r r12 (1) p1 12 22 p 2 r r2 r12 r r22 r12 p1r12 p2r22 r22 E E E p r p p r p ( p ( p z p z ( p z p r p z p r p ) ) (2) ) r12 Trong đó: +) p1; p2 áp suất bên bên tác dụng vào thành nòng +) r1; r2 bán kính nòng 2.2 Ứng suất biến dạng nòng tác dụng nhiệt độ Các giả thiết: - Nhiệt độ phân bố đối xứng với trục nòng không đổi theo chiều dài nòng; - Mô đun đàn hồi hệ số giãn nở nhiệt lấy theo giá trị trung bình; - Dòng nhiệt theo chiều dày nòng coi không phụ thuộc vào thời gian.; - Nòng trước sau biến dạng nguyên hình dạng 921 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2.1 Ứng suất Sử dụng định luật Hook mở rộng với thành phần biến dạng nhiệt T phương trình o o d ro r cân cho ứng suất nhiệt 0, theo tài liệu [1], [3] ta có dr r E E E r z r r ( ( z ( r T (r1; r2 ) E o r 2(1 o r2 r1 T (r1; r2 ) E )ln r 2(1 )ln r1 T (r1; r2 ) E o z ln 2(1 )ln r2 r1 z ) T r ) T ) T (3) r12 r22 r r22 r2 r ln ln r ln r12 r22 r r22 r2 r2 r r2 r 2r12 r2 2 r r r r2 r1 ln ln r2 (4) r1 r2 r1 Ứng suất tương đương: Với giả thiết nêu tính toán ứng suất áp suất nhiệt độ ứng suất nhiệt hướng với ứng suất áp lực khí thuốc mặt cắt nòng, ứng suất tổng hợp xác định theo công thức E E p E o (5) Khi tính đến đốt nóng không theo hướng kính theo chiều dài nòng, với giả z thiết nhiệt độ nòng thay đổi tuyến tính theo chiều dài dọc trục z T (z, r ) T (r ) L Phương trình cân tách phân tố có dạng [1]: u r2 r2 u r r r r 2 u u ) z 2(1 ) r z r 2(1 2 2(1 ) u 2(1 ) r z z z T (r, z ) z T (r, z ) z 1 (6) 2.2.2 Trạng thái biến dạng nhiệt Biến dạng nhiệt thành nòng bị đốt nóng xác định tổng biến dạng nhiệt tiếp tuyến đàn hồi gây đốt nóng không biến dạng gây dãn nở tự đốt nóng thành nòng lên nhiệt độ T2 Tức Với toán tham số u r2 du r dr 922 u r2 1 dT (r ) r t T2 (7) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trên sở phân tích hàm (r, z ) d2 r 1d r dr ) d2 z2 2(1 1 2(1 Biến đổi tích phân, ta rút u0 L rz (1 du ) dr z L r r )rL (z ), kết hợp phương trình (6), suy (r ) r u0 r z L , C1 T (r )rdr , 1 z L C 2z C2 r 2 )L 2(1 r1 T (r ) (8) C C5 (9) rL KHẢO SÁT PHÁO 85 mm Đ44 3.1 Giải toán tương tác nhiệt pháo 85mm Đ44 3.1.1 Bài toán thuật phóng xác định nhiệt độ nòng Theo [1], phương trình thuật phóng bao gồm (10): dv dt dW dt dp dt pS q ; dl dt 1 f W (1 v 1; z dz dt z) dz dt dz dt p Ik S kp ; d (1 dt z) dz ; dt dl ; dt dW dt (k 1) A R p FK ; Phương trình biến thiên nhiệt độ dT dt k f1 d R k dt A TF R p p d dt Kết quả: Hình 2: Đồ thị áp suất theo thời gian 923 pSv RT d k dt Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 3: Đồ thị nhiệt độ theo thời gian theo chiều dài nòng 3.1.2 Bài toán truyền nhiệt thành nòng theo hướng kính Hệ phương trình mô tả trạng thái nhiệt nòng [1]: T (r, t ) dt T (r1, t ) dt T (r2 , t ) dt T (r, t ) r dt r c T (r , t ) dt (t ) Tr (t ) T (r1, t ) B (t ) T (r2, t ) TB (t ) (11) Ký hiệu hệ số tính theo [1] Hình 4: Đồ thị nhiệt độ theo hướng kính 3.1.3 Bài toán ứng suất biến dạng Kết hợp toán ứng suất biến dạng chịu tải áp suất nhiệt độ bắn, tiến hành giải phương pháp số, kết sau: 924 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 5: Biểu đồ ứng suất thành nòng Hình 6: Ứng suất tiếp tuyến chịu tương tác nhiệt Hình 7: Biến dạng theo phương tiếp tuyến chịu tương tác nhiệt 925 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khảo sát số ảnh hưởng trình tương tác nhiệt đạn nòng đến tuổi thọ nòng pháo 85mm DD44 Tuổi thọ nòng tính chất bảo toàn chất lượng thuật phóng theo yêu cầu bắn, tính số phát bắn thực nòng đến chất lượng chiến đấu không đảm bảo: sơ tốc, tầm bắn, độ xác bắn giảm xuống giá trị cho phép pháo 3.2 3.2.1 Ảnh hưởng tương tác nhiệt đến chế độ bắn Biểu thức nhiệt lượng nòng thu sau phát bắn là: Q Q1 Hay Q Q2 l AQ g k R.d vg lCT R d 0, q 1 g l0 0, lg vg2 AQg m.vg nQ Nhiệt độ nòng sau n phát bắn Tn0 C Qn (12) k (13) Từ công thức (12), (13) áp dụng tính cho pháo 85mm Đ44 với ý nòng chịu nhiệt độ giới hạn 4000C số phát bắn liên tục cho phép n 134 (phát) 3.2.2 Ảnh hưởng tương tác nhiệt đến góc bay đầu đạn Đầu đạn bay khỏi miệng nòng, trục bị lệch so với trục nòng pháo góc , góc lệch chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, có tương tác nhiệt đạn nòng Theo [1], công thức tính góc lệch T Trong đó: + góc quay khối tầm quanh trục tai máng bắn + góc véc tơ tốc độ tịnh tiến đạn với véc tơ tổng (của véc tơ tốc độ tịnh tiến tốc độ ngang đầu đạn nòng quay) thời điểm đạn rời nòng + T góc tạo uốn nòng gây nên đốt nóng không thành nòng theo chiều dài l ( T2 T 2(r2 T1 ) r1 ) r23 r13 r24 r14 T1 T2 r2 T1 r1 r1 (14) Thực hành tính toán, ta thấy nòng nóng góc bay đạn lớn 3.2.3 Ảnh hưởng tương tác nhiệt đến giới hạn bền đàn hồi nòng Khi bắn, nhiệt lượng truyền vào thành nòng pháo, nhiệt độ nòng tăng dần lên làm giảm tính học vật liệu làm nòng sinh ứng suất nhiệt Trên sở tính toán ứng suất bề mặt ngoài, ta xác định giới hạn bền đàn hồi nòng Tổng ứng suất tiếp tuyến tương đối bề mặt nòng E E p E Thay giá trị biết, ta xác định giới hạn bền đàn hồi nòng pháo py là: py p2 T r1, r2 E r ln r1 2r12 r22 r12 ln 926 r2 r22 r1 r12 2r12 (15) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tính toán cho pháo 85mm Đ44, ta py 1844,5 (KG/ cm 2), thể độ bền nòng giảm nhiệt độ nòng tăng KẾT LUẬN Khảo sát ảnh hưởng trình tương tác nhiệt đạn nòng đến tuổi thọ toán quan trọng cần nghiên cứu kỹ lưỡng Quá trình khảo sát khẳng định việc tính toán áp suất toán thiết kế nòng có kết chưa đáng tin cậy Các nghiên cứu số phát bắn, góc lệch, giới hạn bền đàn hồi … có tương tác nhiệt cho phép định chế độ bắn phù hợp bảo đảm tuổi thọ nòng nói riêng tuổi thọ 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 Quân đội Nhân dân, Hà Nội, 2001 [3] Nguyễn Hồng Lanh, Nguyễn Thanh Hải, Mô hình hóa trình hoạt động nòng súng pháo, Nhà xuất 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 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 Email: vandung_nguyen78@yahoo.com.vn Phone number: 0912484775 927 ... (phát) 3.2.2 Ảnh hưởng tương tác nhiệt đến góc bay đầu đạn Đầu đạn bay khỏi miệng nòng, trục bị lệch so với trục nòng pháo góc , góc lệch chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, có tương tác nhiệt đạn nòng Theo... (KG/ cm 2), thể độ bền nòng giảm nhiệt độ nòng tăng KẾT LUẬN Khảo sát ảnh hưởng trình tương tác nhiệt đạn nòng đến tuổi thọ toán quan trọng cần nghiên cứu kỹ lưỡng Quá trình khảo sát khẳng định... 925 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khảo sát số ảnh hưởng trình tương tác nhiệt đạn nòng đến tuổi thọ nòng pháo 85mm DD44 Tuổi thọ nòng tính chất bảo toàn chất lượng