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

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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 sự


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 4000 KG / cm 2, nhiệt độ

khoảng 30000 K ; 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.

920


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA THÀNH NÒNG DƯỚI TÁC DỤNG ĐỒNG
THỜI CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ
Ứng suất và biến dạng của nòng dưới tác dụng của 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 trên mặt cắt ngang của nòng
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
p
r

p

p
z

r12 r22 r 2
r22 r 2 r12
p1 2 . 2
p2 2 . 2
r r2 r12
r r2 r12
r2 r2 r2
r22 r 2 r12
(1)
p1 12 . 22
p
.
2 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 là áp suất bên trong và bên ngoài tác dụng vào thành nòng.
+) r1; r2 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.;
- Nòng trước và sau khi biến dạng vẫn giữa nguyên hình dạng.
921


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.2.1 Ứng suất
Sử dụng định luật Hook mở rộng với thành phần biến dạng nhiệt T và phương trình
o
o
d ro
r
cân bằng cho ứng suất nhiệt
0, theo tài liệu [1], [3] ta có
dr
r
1
E
1
E

1
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 2
r1
T (r1; r2 ) E

o
z

ln

2(1

)ln

r2
r1

z

)

T

r

)

T

)

T

(3)

r12 r22
.
r 2 r22

r2
r

ln

1

2 ln

2
1

r

.ln

r12 r22

.
r 2 r22

r2

1

r2

r

r2
2
1

r

2r12

r2

2
2

r

r

2
1

r

r2
r1
.ln

.ln

r2

(4)

r1

r2
r1

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
E

E

p

E

o

(5)

Khi tính đến sự đốt nóng không đều theo hướng kính và theo chiều dài nòng, với giả
z
thiết nhiệt độ nòng thay đổi tuyến tính theo chiều dài dọc trục z thì T (z, r )
T (r ).
L
Phương trình cân bằng khi tách phân tố có dạng [1]:
2

u
r2
2

r2

1 u
r r
1
r r

2
2
u
1 2
u
1
) z 2 2(1
) r z

r 2 2(1
2
2
2(1
)
1
u
2
1
2(1
) r z
z
z

T (r, z )
z
.
1
T (r, z )
2
1
z

1
1

(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 T2 . Tức là
2

Với bài toán một tham số thì

u
r2

1 du
r dr

922

u
r2

1
1

dT (r )
.
r

t

0

T2 .

(7)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trên cơ sở phân tích hàm (r, z )
d2
r

1d 1
r dr

1
2

) d2
z2

2(1
1

1

1
2(1

Biến đổi tích phân, ta rút ra được
u0
L

rz

1
(1

du 0
) dr
z
L

r

r

)rL

(z ), kết hợp phương trình (6), suy ra

(r )

0
r

u0
r
z
L

,

C1

T (r )rdr

0

,

1
1

z

L
C 2z

1
C2 r
1 2

2 )L

2(1

r1

2

T (r )

(8)

C 3 và
C5

(9)

rL

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.

dv
dt

5.

dW
dt

6.

dp
dt

pS

q

1

;

2.

1

dl
dt
1

1
f
W

(1

v 1;

3.

2 z

dz
dt

2 z)

dz
dt

dz
dt

p
Ik

S

kp

2

;

d

4.

(1

dt

2 z)

dz
;

dt

dl
;
dt

dW
dt

(k

1) A

R

p FK ;

Phương trình biến thiên nhiệt độ
7.

dT
dt

k

1 f1 d
R k 1 dt

A TF

1

R

p

p

1

d
dt

Kết quả:

Hình 2: Đồ thị áp suất theo thời gian

923

pSv

RT d
.
k 1 dt


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

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

T (r, t )

dt 2
T (r1, t )
dt
T (r2 , t )
dt

1 T (r, t )
r
dt
r

c

T (r , t )
dt

(t ) Tr (t ) T (r1, t )

B

(t ) T (r2, t ) TB (t )

0

(11)

0

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:

924


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5: Biểu đồ ứng suất thành nòng

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

Hình 7: Biến dạng theo phương tiếp tuyến chịu tương tác cơ nhiệt
925


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
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

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:

Q

Q1

Hay Q

Q2

4.

l
.
4
AQ g k
R.d
vg

. lCT
.
R d 3

0, 5

q

1 1

1

g

l0

0, 5

lg

vg2
AQg

1

m.vg .

nQ

Nhiệt độ nòng sau n phát bắn Tn0

2
3

C .Qn

(12)

k

(13)

Từ các công thức (12), (13) áp dụng tính cho pháo 85mm Đ44 với chú ý nòng chịu được
nhiệt độ giới hạn là 4000C 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
.l .( T2
T

2(r2

T1 )
r1 )

3

4.

r23

r13

r24

r14

T1
T2

r2

T1

r1

r1

(14)

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 E

2

E

p
2

E

0
2

. Thay

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

py

0
p2

T r1, r2 E
r
2 ln 2
r1

1

2r12

r22

r12

ln

926

r2 r22
r1

r12

2r12

.

(15)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tính toán cho pháo 85mm Đ44, ta được py

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: Phone number: 0912484775.

927