定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)式浮動(dòng)機(jī)性能研究

第一作者范智滕男，碩士，1990年生

通信作者王瑞林男，博士，教授，1961年生

定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)式浮動(dòng)機(jī)性能研究

范智滕1，王瑞林1，李峻松2，李小衛(wèi)3

(1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003; 2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京102202; 3.66036部隊(duì)，河北 邯鄲 056106)

摘要：為研究某型大口徑機(jī)槍采用的浮動(dòng)技術(shù)及相關(guān)問題，針對(duì)其彈簧式浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。建立機(jī)槍槍身的虛擬樣機(jī)模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證其可信性；利用建立的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行浮動(dòng)性能分析及彈簧退化對(duì)浮動(dòng)性能影響研究。結(jié)果表明，浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配合理，彈簧式浮動(dòng)機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定的浮動(dòng)性能及良好的減后坐力效果，且定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)技術(shù)運(yùn)用使浮動(dòng)機(jī)在彈簧性能退化情況下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定浮動(dòng)與擊發(fā)。

關(guān)鍵詞：大口徑機(jī)槍；浮動(dòng)機(jī)；穩(wěn)定性；二次復(fù)進(jìn)

收稿日期：2014-07-09修改稿收到日期：2014-10-11

中圖分類號(hào):TJ25文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863) (2013AA040203)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(90815026)；國家自然科學(xué)基金(51308085)；大連海洋大學(xué)引進(jìn)人才博士啟動(dòng)項(xiàng)目(017286)

Performance of a floating mechanism with a fixed constraint and secondary recoil

FANZhi-teng1,WANGRui-lin1,LIJun-song2,LIXiao-wei3(1.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China;2.208 Research Institute of China Ordnance Industry, Beijing 102202,China; 3.66036 Unit of PLA, Handan 056106,China)

Abstract:To study the use of floating technique and some pivotal problems of a large caliber machine gun, a key technology called fixed-point constraint and secondary recoil was analyzed for the spring-type floating mechanism of the machine gun. Firstly, a virtual prototype model of the machine gun barrel was established. Through comparing with the test results, the model was verified to be trust worthy. Afterwards, the floating performance and the effects of spring retrogression on the floating performance were analyzed with the established model. The results indicated that the dynamic parametric matching of the floating automatic mechanism is reasonable; the spring floating mechanism has a stable floating performance and can decrease the recoil force obviously; besides, the mechanism can actualize a stable floating and firing in the case of spring retrogression because of adopting the key technology called fixed-point constraint and secondary recoil.

Key words:large calibre machine gun; floating machine; stability; secondary recoil

武器威力與機(jī)動(dòng)性一直為不易調(diào)和的矛盾，如何在保證威力前提下大幅降低后坐力、提高射擊精度為重要研究課題。大口徑機(jī)槍具有射程遠(yuǎn)、威力大等特點(diǎn)，可遠(yuǎn)距離壓制敵火力、封鎖隘口、毀傷輕型車輛等，頗受高原山地部隊(duì)喜愛；但因體積大、后坐力大、射擊精度低又廣受詬病。

浮動(dòng)技術(shù)指自動(dòng)機(jī)在復(fù)進(jìn)過程中(非復(fù)進(jìn)到位)擊發(fā)彈藥[1]。研究發(fā)現(xiàn)，將浮動(dòng)技術(shù)用于武器可大幅度減小后坐力，目前已在小高炮及航炮獲得成功運(yùn)用，但用于步兵武器仍有諸多問題亟待解決，如浮動(dòng)機(jī)與自動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配[2]、擊發(fā)時(shí)間精確控制、遲發(fā)火安全措施等。為此，本文針對(duì)某型大口徑機(jī)槍所用浮動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，此對(duì)減小后坐力、提高射擊精度意義重大。

1浮動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1浮動(dòng)方案

實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)技術(shù)一般采用彈簧式、彈簧液壓式、液體氣壓式等。已有研究論證環(huán)形彈簧浮動(dòng)機(jī)在大口徑機(jī)槍上實(shí)現(xiàn)的可能性及實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)方式與參數(shù)合理匹配[3]。彈簧液壓式浮動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)機(jī)槍的穩(wěn)定浮動(dòng)，并能大幅度減小后坐力[4]。而閥門式液氣緩沖器已被證明原理可行、結(jié)構(gòu)緊湊、緩沖效果好[5]。

彈簧液壓式與液體氣壓式浮動(dòng)機(jī)通過參數(shù)合理匹配均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定浮動(dòng)，且減后坐力效果明顯，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不方便維護(hù)保養(yǎng)。而彈簧式浮動(dòng)機(jī)工作性能穩(wěn)定可靠，采用該結(jié)構(gòu)通過一定技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定浮動(dòng)、擊發(fā)較合理、恰當(dāng)。采用彈簧式浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的某型大口徑機(jī)槍主要部件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。外機(jī)匣與三腳架固定，浮動(dòng)體由剛性固連的內(nèi)機(jī)匣與槍管構(gòu)成，可在外機(jī)匣上浮動(dòng)，且槍機(jī)、槍機(jī)框在內(nèi)機(jī)匣參與浮動(dòng)，能顯著增加浮動(dòng)體重量、減小后坐力。內(nèi)、外機(jī)匣間設(shè)有掛鉤機(jī)構(gòu)，可將浮動(dòng)體的復(fù)進(jìn)過程分為兩段，當(dāng)浮動(dòng)體浮動(dòng)至外機(jī)匣斜面與掛鉤接觸位置時(shí)，均會(huì)因外機(jī)匣約束無法繼續(xù)復(fù)進(jìn)，稱為定點(diǎn)約束。直至槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到此處后將掛鉤抬起，此后浮動(dòng)體開始二次復(fù)進(jìn)。內(nèi)、外機(jī)匣間通過浮動(dòng)簧連接，并設(shè)置浮動(dòng)體后緩沖簧，既能保證機(jī)槍后坐力小，又能確保浮動(dòng)體快速回到定點(diǎn)約束位置，為二次復(fù)進(jìn)做準(zhǔn)備。在浮動(dòng)體二次復(fù)進(jìn)過程中，槍機(jī)框趕上，閉鎖并擊發(fā)，即槍彈擊發(fā)發(fā)生在浮動(dòng)體二次復(fù)進(jìn)過程，稱為前沖擊發(fā)。浮動(dòng)體前設(shè)置緩沖簧為緩沖最后一發(fā)彈時(shí)浮動(dòng)體對(duì)外機(jī)匣撞擊。采用近似定點(diǎn)定速擊發(fā)方式，因無需設(shè)置專門定速或定點(diǎn)擊發(fā)機(jī)構(gòu)，可有效簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量、減少撞擊，提高機(jī)構(gòu)的可靠性。

1.浮動(dòng)簧，2.復(fù)進(jìn)簧，3.槍機(jī)框，4.內(nèi)機(jī)匣，5.掛鉤，6.槍管，7.浮動(dòng)體前緩沖簧，8.外機(jī)匣，9.機(jī)框緩沖簧，10.浮動(dòng)體后緩沖簧 圖1　機(jī)槍主要部件結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure sketch map of main component

1.2浮動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

為增加機(jī)槍浮動(dòng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定前沖擊發(fā)，該機(jī)槍采用定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，即掛鉤機(jī)構(gòu)設(shè)置。該掛鉤機(jī)構(gòu)可將浮動(dòng)體復(fù)進(jìn)過程打斷，使浮動(dòng)體每個(gè)二次復(fù)進(jìn)過程的起始位置保持不變。較無限制完全自由式浮動(dòng)，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可解決定點(diǎn)擊發(fā)問題，能保證每次擊發(fā)均處在浮動(dòng)體二次復(fù)進(jìn)過程中，使浮動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到合理匹配。該關(guān)鍵技術(shù)雖能確保擊發(fā)時(shí)機(jī)處于浮動(dòng)體二次復(fù)進(jìn)過程中，但在無瞎火或遲發(fā)火時(shí)每次擊發(fā)位置是否一致，彈簧性能退化是否影響浮動(dòng)穩(wěn)定性等問題有待研究。

2浮動(dòng)仿真模型建立及校核分析

2.1模型導(dǎo)入及約束關(guān)系添加

為確保模型傳遞的完整性，增加模型仿真精度[6]，建立虛擬樣機(jī)模型時(shí)通過Mechanism/Pro模塊將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件。對(duì)各零件賦予質(zhì)量、密度等屬性，并按實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況添加約束，其中主要構(gòu)件間約束關(guān)系見表1。各彈簧剛度系數(shù)見表2，其中浮動(dòng)體前緩沖簧由6個(gè)橡膠緩沖墊串聯(lián)組成。浮動(dòng)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

表1　機(jī)槍主要構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副

表2　各彈簧剛度系數(shù)

圖2　浮動(dòng)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.2 Topology structure of floating body

2.2載荷施加

該模型施加的主動(dòng)力主要有槍膛合力、氣室壓力、膛口制退力及摩擦力。槍膛合力沿槍口朝向反方向施加于槍機(jī)組件，氣室壓力分別以力與反作用力形式施加于活塞及導(dǎo)氣箍，膛口制退力沿槍口朝向施加于膛口制退器，并在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件間添加摩擦力。由內(nèi)彈道計(jì)算膛壓時(shí)間曲線見圖3。槍膛合力可由內(nèi)彈道時(shí)期與后效期公式計(jì)算；由結(jié)果知，導(dǎo)氣作用時(shí)間從1.67 ms開始，結(jié)束設(shè)為后效期結(jié)束時(shí)間6.6 ms，用經(jīng)驗(yàn)公式可確定氣室壓力大小；膛口制退力作用時(shí)間為后效期，制退效率約35%。槍膛合力與氣室壓力曲線見圖4。

圖3 膛壓時(shí)間曲線Fig.3Curveofpressurevs.time圖4 槍膛合力及氣室壓力曲線Fig.4Curveofboreforceandgaschamberforce

圖5　機(jī)槍虛擬樣機(jī)模型 Fig.5 Virtual prototype model of machine gun

為實(shí)現(xiàn)機(jī)槍每個(gè)自動(dòng)過程循環(huán)，須在每次子彈擊發(fā)時(shí)施加主動(dòng)力。通過函數(shù)(Function)定義虛擬樣機(jī)的主動(dòng)力，并通過設(shè)置傳感器方式確定主動(dòng)力的施加時(shí)機(jī)。擊錘與擊針接觸時(shí)傳感器觸發(fā)，開始施加計(jì)算的槍膛合力、氣室壓力，并在后效期內(nèi)施加平均制退力。

由此建立的機(jī)槍槍身部分虛擬樣機(jī)模型見圖5。

2.3模型校核

取構(gòu)件后坐方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)參數(shù)正向，時(shí)間原點(diǎn)取扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)刻。由仿真模型后處理模塊中提取的浮動(dòng)體連發(fā)射擊運(yùn)動(dòng)速度曲線見圖6，浮動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線見圖7。

比較圖6、圖7看出，曲線變化趨勢(shì)基本一致。為更清晰說明仿真結(jié)果的可信性，機(jī)槍連發(fā)射擊時(shí)浮動(dòng)體具有代表性的運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較見表3。由表3看出，浮動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均小于5%，符合虛擬樣機(jī)建立要求，仿真結(jié)果可信性較高。

圖6 浮動(dòng)體速度仿真曲線Fig.6Simulationcurveofinnercasingvelocity圖7 浮動(dòng)體速度測(cè)試曲線Fig.7Testcurveofinnercasingvelocity圖8 浮動(dòng)與不浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)位移時(shí)間曲線Fig.8Automaticmechanismdisplacementcurveofmachineguninfloatingandnotfloatingstate

表3　浮動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度仿真值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

2.4浮動(dòng)性能分析

采用與不采用浮動(dòng)原理自動(dòng)機(jī)，其浮動(dòng)(或后坐)部分位移隨時(shí)間變化曲線見圖8。圖中實(shí)線為采用浮動(dòng)原理的浮動(dòng)體位移仿真曲線，虛線為不采用浮動(dòng)原理的后坐部分位移仿真曲線。由圖8看出，該自動(dòng)機(jī)浮動(dòng)部分工作行程始終介于不采用浮動(dòng)原理時(shí)后坐到位與復(fù)進(jìn)到位之間，即在浮動(dòng)行程上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。說明該彈簧式浮動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)。其次，浮動(dòng)體位移呈明顯的“馬鞍形”，此因浮動(dòng)體受槍膛合力、槍口制退力等一次后坐沖量作用迅速后坐，到位后在彈簧作用下復(fù)進(jìn)一段距離，隨后受自動(dòng)機(jī)后坐到位撞擊即二次沖量作用再次后坐，到位后重新復(fù)進(jìn)，并在復(fù)進(jìn)過程中完成擊發(fā)動(dòng)作。

浮動(dòng)體位移與槍膛合力曲線見圖9，圖中標(biāo)示1位移不變處即為浮動(dòng)體受掛鉤限制無法復(fù)進(jìn)的時(shí)間段。由圖9看出，在射擊循環(huán)中，除首發(fā)外后續(xù)射擊循環(huán)中浮動(dòng)體位移時(shí)間曲線大致相似，且無論浮動(dòng)體在被限制前位移曲線如何，經(jīng)速度置零后再次復(fù)進(jìn)直至達(dá)最大位置，位移曲線基本相同，且復(fù)進(jìn)到位的位移值均在-17 mm左右。在一定程度上說明該浮動(dòng)機(jī)具有一定穩(wěn)定性。標(biāo)示2曲線左側(cè)折角處即槍彈擊發(fā)時(shí)刻，此時(shí)對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)體位移值即為擊發(fā)時(shí)浮動(dòng)體位置，由此得4連發(fā)浮動(dòng)體擊發(fā)位置分別為-16.74 mm、-16.24 mm、-16.30 mm、-16.17 mm，擊發(fā)位置變化較小，說明擊發(fā)位置一致性良好。

機(jī)槍在浮動(dòng)與不浮動(dòng)狀態(tài)下后坐力曲線見圖10。由圖10看出，不浮動(dòng)狀態(tài)下因剛性撞擊，在標(biāo)示1處槍彈擊發(fā)時(shí)刻有瞬時(shí)上萬牛的后坐力。除剛性撞擊外，對(duì)照后坐過程中最大后坐力(局部放大圖)，機(jī)槍浮動(dòng)狀態(tài)下只有0.84 kN左右，不浮動(dòng)狀態(tài)下后坐力達(dá)1.28 kN，機(jī)槍浮動(dòng)體浮動(dòng)相對(duì)不浮動(dòng)時(shí)最大后坐力減小約34%。

圖9 浮動(dòng)體位移與槍膛合力曲線Fig.9Curveoffloatingbodydisplacementandboreforce圖10 機(jī)槍浮動(dòng)與不浮動(dòng)狀態(tài)下后坐力曲線Fig.10Recoilcurveofmachineguninfloatingandnotfloatingstate圖11 不同方案的浮動(dòng)體位移時(shí)間曲線Fig.11Innercasingdisplacementcurveindifferentproject

綜上所述，該型機(jī)槍采用的浮動(dòng)機(jī)有較好的浮動(dòng)穩(wěn)定性與擊發(fā)位置一致性，且利用此浮動(dòng)原理減后坐力效果明顯。

3彈簧退化對(duì)浮動(dòng)性能影響

為進(jìn)一步分析該機(jī)槍浮動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，研究彈簧性能退化對(duì)浮動(dòng)穩(wěn)定性影響，針對(duì)與浮動(dòng)體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的浮動(dòng)簧及浮動(dòng)體后緩沖簧，制定3種方案見表4。方案1為機(jī)槍射擊前參數(shù)，方案2為機(jī)槍打完3 000發(fā)彈后參數(shù)，方案3為機(jī)槍打完6 000發(fā)彈后最終參數(shù)。因擊發(fā)位置與浮動(dòng)體復(fù)進(jìn)到位位置距離非常近，可用后者變化情況近似描述擊發(fā)位置變化。

表4　不同方案彈簧剛度

將3種方案的彈簧剛度分別賦予虛擬樣機(jī)模型，可得3組不同的浮動(dòng)體位移時(shí)間曲線，為增加分析準(zhǔn)確性，取首發(fā)及后續(xù)三發(fā)射擊循環(huán)浮動(dòng)體位移時(shí)間曲線見圖11。由圖11看出：

(1)在0~0.1 s內(nèi)對(duì)比三條位移時(shí)間曲線，方案1有一段直線，方案2在0.06 s處有折角，方案3曲線非常平滑。原因?yàn)槭装l(fā)射擊過程中，方案1掛鉤機(jī)構(gòu)可正常發(fā)揮作用；方案2掛鉤機(jī)構(gòu)處于正常與不正常臨界狀態(tài)；方案3掛鉤機(jī)構(gòu)未發(fā)揮對(duì)浮動(dòng)體的限制作用，即浮動(dòng)體未經(jīng)歷定點(diǎn)約束后二次復(fù)進(jìn)過程，在浮動(dòng)至外機(jī)匣斜面與掛鉤接觸位置前即被自動(dòng)機(jī)抬起。因此彈簧剛度下降影響首發(fā)浮動(dòng)的擊發(fā)位置。

(2)分別對(duì)比每種方案后續(xù)3發(fā)射擊循環(huán)知，位移時(shí)間曲線大致相似且復(fù)進(jìn)到位位移基本相同，說明每種方案下機(jī)槍均有良好的浮動(dòng)穩(wěn)定性與擊發(fā)位置一致性，雖首發(fā)浮動(dòng)受影響，但并未影響后續(xù)射擊。為清晰說明問題，后續(xù)3發(fā)射擊循環(huán)中浮動(dòng)體位移見表5。由表5看出，彈簧剛度降低對(duì)復(fù)進(jìn)過程最大位移值影響較后坐過程小。原因?yàn)槊看卧诟?dòng)體復(fù)進(jìn)到位前均會(huì)經(jīng)標(biāo)示1處靜止過程，但后坐過程卻沒有，即定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)技術(shù)對(duì)確保擊發(fā)位置的一致性起到關(guān)鍵作用。因此，只要復(fù)進(jìn)過程中掛鉤機(jī)構(gòu)能將浮動(dòng)體復(fù)進(jìn)打斷，即能保證擊發(fā)位置的相對(duì)一致性，從而使浮動(dòng)更穩(wěn)定。

表5　后續(xù)3連發(fā)中浮動(dòng)體的位移數(shù)據(jù)表

(3)方案3中后續(xù)3連發(fā)浮動(dòng)體位移時(shí)間曲線呈“馬鞍形”與前兩種方案形狀不同，因彈簧剛度降低使浮動(dòng)體受一次后坐沖量后坐到位后再復(fù)進(jìn)回位速度較小，從而在自動(dòng)機(jī)二次沖量作用下再次后坐并超越前者位置。

(4)由圖11計(jì)算出3種方案的射頻分別為438、441、445 發(fā)/min，說明彈簧剛度下降對(duì)該機(jī)槍射頻影響不大。

(5)對(duì)比3種方案中彈簧剛度知，在浮動(dòng)簧剛度降低近30%、浮動(dòng)體后緩沖簧剛度降低近20%時(shí)，除首發(fā)外浮動(dòng)機(jī)還能保持一定浮動(dòng)穩(wěn)定性與擊發(fā)位置一致性，從而驗(yàn)證該機(jī)槍浮動(dòng)機(jī)具有良好的浮動(dòng)穩(wěn)定性。

4結(jié)論

(1)通過分析表明，對(duì)該型大口徑機(jī)槍建立的虛擬樣機(jī)模型正確可信；所用彈簧式浮動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的浮動(dòng)射擊，且減后坐力效果明顯。

(2)在彈簧性能退化情況下浮動(dòng)機(jī)同樣具有較好的浮動(dòng)穩(wěn)定性與擊發(fā)位置一致性。經(jīng)對(duì)比分析，驗(yàn)證了采用定點(diǎn)約束二次復(fù)進(jìn)方案浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性。

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