某轉管機槍機心部件動力學特性分析與改進研究

第一作者化斌斌男，博士生，1987年生

通信作者王瑞林男，教授，博士生導師，1963年生

某轉管機槍機心部件動力學特性分析與改進研究

化斌斌1，王瑞林1，李濤2，范智滕1，李永建1

(1.軍械工程學院火炮工程系，石家莊050003； 2.防空兵學院高炮系， 鄭州450052)

摘要：以某型轉管機槍為研究對象，為了分析解決該型機槍在樣機試驗中出現的機心頭斷裂、機心卡死以及閉鎖開鎖時接觸面強度不足等故障現象，首先對機心部件開閉鎖過程進行了受力分析；其次利用多體動力學分析軟件建立了機槍系統的動力學模型，重點對機心運動過程進行了動力學計算；然后利用有限元分析軟件建立了機心部件運動過程中的動態應力與位移分析模型，在滿足機槍射頻要求的前提下，得出開閉鎖過程中接觸面關鍵位置的應力與位移的變化曲線；最后綜合研究分析得到的動力學響應特性和應力、位移云圖，分析找出引發故障的根本原因，對機心頭進行了結構改進，有效提高了機槍的射擊可靠性，為機心部件的優化改進提供了理論依據與試驗指導。

關鍵詞：轉管機槍；機心部件；動力學仿真；有限元

收稿日期：2014-09-16修改稿收到日期：2014-11-19

中圖分類號:TJ21

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.028

Abstract:To analyze and solve the breakdown of a certain Gatling gun in prototype experiments such as bolt fracture, core seizing and insufficient strength of interface while locking and unlocking, the bolt forces in the lock-unlock process were analyzed, the dynamic model of a Gatling gun system was established by means of multi-body dynamics software and the bolt movement process was calculated, the dynamic stress and displacement analysis model was built using the finite element software, and then the stress and displacement curves at the key interface positions in the bolt lock-unlock process were obtained under the condition of fire frequency demand, the fault causes were found out by synthesizing the response characters, stress and displacement nephograms, and the bolt structure was improved which effectively increases shooting reliability and provides the theory basis and test direction for optimizing the bolt assembly.

Dynamic characteristics and improvement of the bolt assembly of Gatling gun

HUABin-bin1,WANGRui-lin1,LITao2,FANZhi-teng1,LIYong-jian1(1.Department of guns engineering, Ordnance Engineering College, 050003, Shijiazhuang;2. Department of Antiaircraft Gun, Air Defense Forces Academy, 450052, Zhengzhou)

Key words:Gatling gun; bolt assembly; dynamic simulation; finite element

轉管機槍采用導氣式自動機的基本原理，利用發射時氣室內高溫、高壓火藥燃氣壓力作用于活塞滑板機構并驅動機心體和身管旋轉，從而完成自動機循環動作以實現連續射擊[1]。由于轉管機槍主要依靠高射速來完成對目標的有效打擊和毀傷，其發射原理和結構與一般槍械有很大的不同[2-3]，開閉鎖動作中的機心運動情況和受力狀態非常復雜，所以對其可靠性就需要特別關注[4]。轉管機槍在研制階段曾出現過開閉鎖凸輪變形、機心卡死、機心體接觸面強度不足等故障現象，機心部件作為機槍的重要部件，其結構是否合理、強度能否滿足要求，關系到該機槍系統工作的可靠性和射擊過程的安全性。

為了研究分析機心部件在樣機試驗中出現的故障問題，本文從多體系統動力學出發，考慮武器在實際射擊過程中的受力情況和邊界條件，利用多體動力學軟件建立了機槍系統的仿真模型，重點對機心部件運動過程進行了動力學計算；然后從應力角度出發，利用有限元分析軟件建立了機心部件的有限元動態仿真模型，通過觀察仿真結果，分析產生故障的原因，對機心部件進行改進設計，靶場試驗驗證了改進后的結構可有效提高機槍的射擊可靠性，為樣機的改進與優化提供了依據。

1機心部件受力分析

1.1閉鎖過程受力分析

機心部件主要包括機心體、機心頭和擊針等構件。以槍管軸線指向槍口方向為X軸正向，在射擊過程中，機心驅動滾輪在行星體外周的曲線槽內沿逆時針方向強迫運動，帶動機心部件隨機心匣在YZ面內旋轉，當機心頭上的閉鎖面與機心匣上的閉鎖凸輪碰撞時運動受阻，迫使其繞機心軸線O點自轉，并回轉一定角度實現閉鎖。以機心匣為基礎構件，添加驅動力矩為Mr，在機心頭自轉的反方向添加達朗伯爾力矩，標記為MR，以機心匣為受力體，使機構處于平衡狀態，如圖1(a)所示。

圖1　開閉鎖時受力分析 Fig.1 Force analysis in the lock-unlock process

對機心匣中心線上C點求解平衡力矩，則

Mr=Nzrccosθ+Nyrcsinθ

(1)

以機心頭為受力體，不考慮機心體與機心頭的摩擦阻力，對O點力矩平衡，可以得出

MR=Nro

(2)

對Z方向受力平衡，則

Nz=Ncosβ+Nfsinβ

(3)

對Y方向受力平衡，則

Ny=Nsinβ-Nfcosβ

(4)

綜合以上各公式，可以得出

(5)

式中，rc機心旋轉中心到機心匣旋轉中心的距離；ro機心中心到閉鎖點的高度；f為機心頭與閉鎖凸輪之間的摩擦系數。

1.2開鎖過程受力分析

機心部件隨機心匣旋轉過程中，當機心頭上的開鎖面與機心匣上的開鎖凸輪碰撞時，機心頭運動受阻并繞機心軸線O點自轉，并沿閉鎖反方向(圖中箭頭v2所示方向)回轉一角度實現開鎖，開鎖過程受力分析如圖1(b)所示。

對機心匣中心線上C點求解平衡力矩，則

Mq=Nzrccosδ-Nyrcsinδ

(6)

以機心頭為受力體，不考慮機心體與機心頭的摩擦阻力，對O點力矩平衡，可以得出

MQ=Nro

(7)

對Z方向受力平衡，則

Nz=Ncosψ+Nfsinψ

(8)

對Y方向受力平衡，則

Ny=Nfcosψ-Nsinψ

(9)

綜合以上各公式，可以得出

(10)

式中，rc機心旋轉中心到機心匣旋轉中心的距離；ro機心中心到開鎖點的高度；f為機心頭與開鎖凸輪之間的摩擦系數。

2虛擬樣機模型建立

為了更加真實的仿真機心部件在機槍射擊過程中的運動狀態與受力情況，首先利用實體造型軟件建立了該槍完整的三維實體模型，然后通過Mechanism/Pro模塊導入到動力學軟件中。建模過程中，考慮射手邊界條件與駐鋤-土壤參數關系模型對機槍的動力學特性產生影響，并且利用剛柔耦合多體系統動力學理論，將剛度小、易發生大變形的零部件按柔性體進行計算，建立了該轉管機槍整槍的仿真模型，如圖2所示。

圖2　轉管機槍的虛擬仿真模型 Fig.2 Virtual simulation model of gatling gun

2.1載荷的確定與約束添加

機槍在射擊的狀態下承受的外力主要有槍膛合力、氣室壓力、氣室壓力反力、脫彈阻力、彈帶阻力、抽殼阻力以及自身產生的摩擦阻力和各種彈簧的作用力[5,6]。各種彈簧的作用在建立運動副的過程中已經加入，只需改變其剛度系數和預壓力至實際情況即可；槍膛合力、氣室壓力和各種阻力的大小可以通過相應的計算公式作為外力添加進去，其中氣室壓力曲線如圖3所示。

圖3　氣室壓力曲線 Fig.3 Gas chamber pressure graph

選擇機槍儲能裝置內齒輪為參照系。如前文所述，以槍管軸線指向槍口方向為X軸正向，以豎直向上為Y軸正向，以右手準則確定Z軸正向。根據該機槍的物理樣機約束關系，添加約束副，整個機槍模型中共包含172個運動構件，142個固定副、27個旋轉副、9個平移副、1個圓柱副、1個齒輪副和54個實體碰撞，99個自由度。機心部件的約束關系模型如圖4所示。

圖4　機心部件約束關系模型 Fig.4 The constraint relational model of bolt assembly

其中，機心頭與機心體之間以圓柱副和碰撞副連接；機心頭與大地之間添加槍膛合力作用，方向為X軸負向(即后坐方向)；機心頭與節套、行星體、開鎖凸輪、閉鎖凸輪、擊針之間均以碰撞副連接；機心體與行星體之間主要以滑移副和碰撞副連接；機心體與擊針之間以碰撞副連接；節套與行星體之間通過固定副連接。

2.2機心部件運動計算

考慮了機心部件運動過程中接觸面間的摩擦，取動摩擦系數為0.1。利用所建立的虛擬樣機，在氣室壓力的驅動和槍膛合力的作用下，可以得到機心部件在射擊過程的運動和受力情況，取0.3 s內仿真結果如圖5～7所示。

圖5　開閉鎖過程中機心頭在Z方向受力情況 Fig.5 Z direction force of the bolt in the lock-unlock process

圖6　開閉鎖過程中機心頭在Y方向受力情況 Fig.6 Y direction force of the bolt in the lock-unlock process

圖7　機心頭在運動過程中受到的槍膛合力 Fig.7 Join force of the chamber in the bolt movement process

為了更好地觀察機心頭在一次開閉鎖過程中的瞬間受力曲線特征，對圖5中0.255 s～0.29 s時間段進行放大處理，如圖8所示。

圖8　對圖5中機心頭受力情況局部放大 Fig.8 Partial enlargement of force situation of Fig.5

由圖5～8可以看出：機心部件在一個開閉鎖運動過程中，機心頭首先與閉鎖凸輪支撐面碰撞，受到Z軸正向和Y軸正向的瞬時作用力，迫使機頭體在節套槽內逆時針旋轉，完成閉鎖擊發動作；當擊發動作完成后，經過約0.011 2 s，機心頭與開鎖凸輪開鎖面發生碰撞，產生一個Z軸正向、Y軸負向的瞬時作用力，迫使機頭體在節套槽內順時針旋轉，完成開鎖動作。同時，從受力曲線可以看出：當機心頭與閉鎖凸輪發生碰撞后，經過約0.007 s時間后，機心頭回轉過程中再次與閉鎖凸輪碰撞，在Z軸負向和Y軸正向產生瞬時作用力；機心頭與開鎖凸輪發生碰撞后，經過約0.005 s后，機心頭開鎖過程中再次與開鎖凸輪接觸產生Z軸負向和Y軸負向的瞬時作用力。這兩個作用力都會造成機心頭發生變形并在槍管高速旋轉時導致機心頭在節套內回轉時在軸線方向出現偏轉，發生機心卡死故障。

3機心部件有限元模型的建立與仿真

運用有限元分析軟件對機心部件運動過程進行了非線性動力學分析，以接觸碰撞理論為基礎，模擬機心頭、機心體隨著節套與行星體旋轉并同時與開閉鎖凸輪、節套等產生碰撞的整個過程，機槍穩定射頻為每分鐘3000發子彈，節套與行星體旋轉速度設定為機槍達到穩定射頻時的角速度，通過輸入測量數據曲線確定。根據在前文中得出的機心部件的受力情況，主要分析了機心頭的應力和變形狀態，從而為該機構的改進設計提供依據，同時驗證了該設計的可行性。

3.1有限元模型的建立

鑒于節套、行星體、驅動輪曲線槽、開閉鎖凸輪等幾何形狀的復雜性，為了有效地進行有限元建模并減小計算任務量，對一些圓角、倒角、凹槽、凸臺等細部特征進行了刪除或抑制工作；而對遠離主要受力部位的幾何特征，在保留整體剛度基本不變的條件下，對結構進行了簡化。對于機心部件以及與其相接觸的零件部位，尤其是嚴重影響受力狀態的部位，不改變結構上的倒角、圓角、切面等特征，以保證分析結果的真實性與準確性。最后將簡化后的三維實體模型導入到有限元軟件中，添加材料屬性，其中彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3。節套、行星體、曲線槽等零件與機心部件相互接觸，對模型起作用的僅是結構的外表面，因此將其均作為殼體進行處理。

圖9　機心部件的有限元模型 Fig.9 The finite element model of bolt assembly

在本問題中，為了保證網格的質量避免求解過程中的網格畸變并考慮到機心頭幾何模型的復雜性，機心頭采用了四節點四面體單元[7-8]。在劃分的過程中，對預計將產生應力集中的部位或者有可能產生破壞的部位，進行網格細化；利用8節點的六面體單元對節套、行星體等進行網格劃分，整個模型共生成97 846個單元。邊界條件為：節套與行星體之間為固定約束，沿X軸線逆時針方向旋轉。為反映在槍膛合力作用下機心的受力狀態，將膛內火藥燃氣的壓力等效為機心頭受力面單元上的平均壓力，并根據最大膛壓和彈殼的有關尺寸，確定壓力載荷值，其他零件的邊界條件按照上文圖4中描述進行設置，定義相關的分布耦合約束和分析步。所建立的有限元模型如圖9所示。

3.2仿真結果與分析

對于上面建立的機心部件的有限元仿真模型，經過分析求解，設定仿真時長為0.06 s，可以得到機心頭等零件在行星體外周曲線槽內旋轉一周過程中不同時刻的應力和位移云圖。機心頭不同時刻應力與位移云圖分別如圖10(a-d)所示。

圖10　機心頭運動過程中應力和位移云圖 Fig.10 Stress and displacement nephograms in the bolt movement process

從仿真得到的應力與位移云圖可以看出，機心頭與閉鎖凸輪發生碰撞出現在23.4 ms時刻，此刻碰撞面等效應力的最大值出現在圖10(a)的橢圓線位置(標記為A)，同時在機心頭抽殼部位出現了高應力區，而最大變形值出現在碰撞面與彈底抽殼的位置，這也與樣機試驗中出現的機頭拉殼鉤斷裂，導致推彈阻力增大的情況吻合；機心頭與開鎖凸輪發生碰撞出現在32.6 ms時刻，此刻碰撞面等效應力的最大值出現在圖10(b)的橢圓線位置(標記為B)，同時在機心頭與節套接觸的過度部位出現較大的應力值，而最大位移值出現在機心頭與開鎖凸輪碰觸的位置，并沿著機頭體圓周方向規律的減小。根據機心頭運動過程中接觸面標記位置A與B的應力隨時間變化的歷程曲線，如圖11(a-b)所示。

圖11　機心頭運動過程中A、B標記點應力時間曲線 Fig.11 Stress curves of A and B marks in the bolt movement process

從圖11中A與B的應力時間曲線可以看出：①在26.9 ms時，A附近所選擇單元的等效應力出現最大值，為285.3 MPa；②在33.8 ms時，B附近所選擇單元的等效應力出現最大值，為314.4 MPa。

通過機心部件的動力學計算與有限元分析發現：機心頭在開閉鎖動作完成后，經過一定時間仍然與開閉鎖凸輪產生二次碰撞，出現了比較明顯的應力集中現象，并且在多次射擊的碰撞沖擊作用下容易發生疲勞破壞，可以通過改進機心頭與開閉鎖凸輪接觸面的結構來減小二次碰撞。同時，通過觀察機心頭運動過程的應力位移云圖發現，在機心頭閉鎖回轉完成后與節套接觸時，在其過渡部位有應力集中現象出現，可以通過改進過渡角來消除應力集中現象，對于提高機心頭的強度是有利的。結合仿真與試驗中出現的故障問題，對機心頭結構進行了改進，改進前與改進后方案如圖12所示。

圖12　機心頭結構改進前方案與改進后方案 Fig.12 Unimproved structure and improved structure of the bolt

圖12中對機心頭改進的部位進行了標注，1-6分別對機心頭過渡部位和接觸面進行了局部倒角和切除操作。通過樣機靶場試驗發現，機心頭結構改進后能夠有效消除開閉鎖凸輪產生的二次碰撞并減小應力集中，機心頭運動過程中出現的機頭斷裂、機心卡死現象得到了有效的抑制，提高了機槍射擊的可靠性。

4結論

本文通過多體動力學和有限元分析軟件建立了某型轉管機槍完整的仿真模型和機心部件的有限元模型，通過動力學模型和有限元模型的有效結合，能夠更加真實地反映機心部件的運動過程和受力情況，并通過分析觀察仿真結果，找出了機心部件在試驗中出現故障的根本原因，對機心頭的結構進行了改進設計，提高了機槍系統工作的可靠性和安全性，同時也為機心部件結構的進一步優化提供了參考。

參考文獻

[1]戴成勛, 靳天佑, 朵英賢. 自動武器設計新編[M]. 北京： 國防工業出版社, 1990:220-227.

[2]葛藤, 趙軍, 周克棟. 某新型自動步槍閉鎖機構動應力分析[J]. 彈道學報,2006,18(2):36-39.

GE Teng, ZHAO Jun, ZHOU Ke-dong. Analysis of dynamic stress of a new rifle locking mechanism[J]. Journal of Ballistics, 2006, 18(2): 36-39.

[3]胥勇清, 楊臻, 王自勇. 某外能源轉管機槍機心組動力學仿真分析[J]. 火炮發射與控制學報,2006,(1):45-49.

XU Yong-qing, YANG Zhen, WAQNG Zi-yong. Dynamic simulation and analysis on bolt system of prototype of an external energy gatling machine gun[J]. Journal of Gun Launch and Control, 2006, (1): 45-49.

[4]郝秀平, 薄玉成, 徐建.某轉管武器機芯應力有限元分析[J].中北大學學報,2010,31(2):147-151.

HAO Xiu-ping, BO Yu-cheng, XU Jian. Finite element stress analysis for gatling gun bolt[J].Journal of North University of China, 2010, 31(2): 147-151.

[5]徐誠，王亞平.火炮與自動武器動力學[M].北京：北京理工大學出版社,2006.

[6]陳明,馬吉勝,賈長治,等. 基于ADAMS 的某型通用機槍動力學建摸與仿真[J]. 系統仿真學報, 2006, 18(7): 2046-2048.

CHEN Ming, MA Ji-sheng, JIA Chang-zhi, et al. High virtual prototyping of dualpurpose machine gun based on ADAMS and Simulation[J]. Journal of System Simulation,2006, 18(7): 2046-2048.

[7]王勖成. 有限單元法[M]. 北京：清華大學出版社, 2003, 666-700.

[8]馮偉, 周新聰, 嚴新平,等. 接觸問題實體建模及有限元法仿真實現[J]. 武漢理工大學學報, 2004, 26(6): 52-55.

FENG Wei, ZHOU Xin-cong, YAN Xin-ping, et al. The entity modeling of contact problem and its simulation realization by finite element method[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2004, 26(6): 52-55.