自動步槍剛性拋殼可靠性分析與設計方法研究

鄒衍， 徐誠， 羅少敏， 楊洋

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

自動步槍剛性拋殼可靠性分析與設計方法研究

鄒衍， 徐誠， 羅少敏， 楊洋

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

動作可靠性是機構設計中必須考慮的重要因素，也是衡量系統質量好壞的關鍵指標。為研究自動步槍拋殼機構的動作可靠性，確立了影響拋殼動作可靠性的主要影響參數，建立了一套自動步槍剛性拋殼可靠性分析與設計流程。構建了剛性拋殼動作可靠性簡化虛擬樣機模型，通過仿真表明拋殼挺位置、拋殼窗后擋板位置和拋殼速度是影響拋殼動作可靠性的主導因素；自動機速度足夠大時，重力對拋殼動作可靠性的影響較??；給出了拋殼挺位置確定方法，確立了拋殼窗定位尺寸的取值方程，為自動步槍結構設計提供了參考和依據。還設計了一套可調節拋殼窗后擋板位置的裝置并進行射擊實驗，實驗結果與動作可靠性仿真結果一致，表明該方法有效性和適用性較好，具有一定的理論意義和工程應用價值。

兵器科學與技術； 自動武器； 動作可靠性； 可靠性分析； 剛性拋殼

0 引言

機構動作可靠性是指機構在規定的使用條件下，在規定的使用時間內，精確、及時、協調地完成規定動作(運動)的能力，用概率表示就是機構動作可靠度[1]。動作可靠性是所有機構設計中必須考慮的因素，也是決定機構成功與否的關鍵所在。

在兵器系統領域，動作可靠性是兵器性能的重要指標，直接影響到兵器的使用和戰時勤務。國內學者對此進行了初步研究并取得了一定的成果。程剛等[2]基于多體動力學仿真的動作可靠性分析方法，進行了撥彈輪初始定位角誤差對撥彈動作可靠性仿真分析，并根據仿真結果對結構進行了優化。李偉等[3]利用機械系統動力學自動分析Adams軟件與控制系統和多學科動態系統Easy5軟件建立了供輸彈系統機電液耦合的動力學模型并進行了可靠性分析，為復雜系統動作可靠性的評估提供了新的思路。赫雷等[4]為研究某自動武器彈性拋殼機構的工作可靠性，利用Adams軟件建立的虛擬樣機模型，研究得到了不同的拋殼挺簧力、自動機后坐速度對彈殼運動狀況的影響規律，為該機構的結構設計提供了理論依據。卡殼故障是自動步槍常見的典型故障，目前國內外對其進行理論研究較少，尚未建立成熟的槍械拋殼可靠性分析與設計方法。

本文以自動步槍剛性拋殼機構為研究對象，確立了影響拋殼動作可靠性的主要影響參數，建立了一套剛性拋殼可靠性分析與設計方法。利用Adams軟件，建立了虛擬樣機模型。利用仿真方法研究了主要影響參數對拋殼動作可靠性影響，并根據仿真分析結果確立了拋殼窗定位尺寸的取值方程。最后利用實驗，對仿真分析結果進行了驗證。

1 拋殼動作可靠性分析與設計方法

1.1 研究對象

自動步槍的拋殼方式一般分為兩種：剛性拋殼和彈性拋殼[5]，其中剛性拋殼是我國自動步槍常用的拋殼方式。步槍剛性拋殼機構示意圖如圖1所示。模型共7個零件，包括彈殼、機頭、拉殼鉤、拉殼鉤簧、拋殼挺、下機匣和拋殼窗后擋板。拋殼基本動作為：機頭與拉殼鉤配合，在火藥燃氣的作用下帶動彈殼向后運動；當彈殼底部與拋殼挺碰撞后，彈殼與機頭、拉殼鉤脫離向斜后方拋出；彈殼飛出一段距離后，與拋殼窗后擋板碰撞，之后改變方向，彈殼向斜前方拋出。整個過程中彈殼不與下機匣接觸。

圖1 拋殼機構示意圖(沿槍管軸線觀察)Fig.1 Schematic diagram of ejection mechanism (viewing along the axis of barrel)

1.2 拋殼動作可靠性主要影響參數

影響步槍拋殼的結構參數較多，如圖2所示為可能影響拋殼動作可靠性的結構參數示意圖。

圖2 拋殼機構結構參數示意圖Fig.2 Structural parameters of ejection mechanism

點O、點A、點B和點C分別為機頭、拋殼挺、下機匣和拋殼窗后擋板的定位基準點。以點O為整個模型基準點，在Oyz平面內，點O與點A共線。模型定位尺寸包括XOA、ZOA、XOB、ZOB、XOC、YOC和ZBC共7個長度變量，以及α、β共2個角度變量。XOA為拋殼挺定位點A沿x軸到模型基準點O的距離，ZOA為拋殼挺定位點A沿z軸到模型基準點O的距離。XOB、ZOB、XOC、YOC和ZBC定義以此類推。α和β分別為機頭上拉殼鉤孔中心與彈底窩中心連線與豎直線的夾角和拋殼窗后擋板傾角。由于實際工作中，拋殼挺、下機匣和拋殼窗后擋板為固定件，機頭為活動件，故模型定位尺寸在取值時需要考慮槍機框與導軌、機頭等之間的間隙。通過合理設置各個定位尺寸的取值范圍，即可模擬自動步槍實際工作狀況。如XOA和ZOA取值范圍需要考慮拋殼挺結構尺寸、槍機框與導軌間隙以及彈殼與彈底窩間的間隙。

由于彈藥裝藥誤差及部件間間隙的隨機性，使得拋殼速度v是一個變化量。拋殼速度v的變化對步槍拋殼的影響不應忽略。拉殼鉤與機頭間通過轉動副和拉殼鉤簧連接。拉殼鉤簧的剛度k和預壓力F0的大小直接影響抱彈及拋殼，拋殼動作可靠性研究同樣需考慮拉殼鉤簧剛度k和預壓力F0的影響。

綜合剛性拋殼機構結構參數和其他影響因素，本文共確定12個主要影響參數作為剛性拋殼動作可靠性分析參數，如表1所示。12個主要影響參數可以分為3類：速度參數、力學參數和結構參數。

表1 剛性拋殼動作可靠性主要影響參數表

1.3 動作可靠性分析與設計方法

為了更好地進行步槍剛性拋殼動作可靠性研究，本文提出了一套可靠性設計方法，其流程圖如圖3所示。

首先，根據實際需求，從表1中選取關心的主要影響參數并初步確定主要影響參數大致的取值范圍，建立模型的虛擬樣機，利用蒙特卡羅隨機法進行大量仿真。然后，分析仿真結果，計算可靠度，判斷是否滿足要求。如果不滿足，重新選擇主要影響參數，重新開始設計；如果滿足，即可確定拋殼挺定位尺寸，主要影響參數取值范圍，同時擬合出拋殼窗定位尺寸公式。最后，在有條件的情況下進行樣機實驗，驗證仿真結果，完成可靠性設計。

圖3 剛性拋殼動作可靠性分析與設計方法流程圖Fig.3 Flow chart of rigid ejection reliability analysis and design method

拋殼動作可靠一般指彈殼拋出機匣，不出現卡殼現象。因此，本文建立的拋殼可靠判據如下：

如圖2所示，以點O為坐標原點，建立坐標系。在彈殼與拋殼挺碰撞后，彈殼運動時間t后，彈殼質心坐標為(x,y,z)，則彈殼拋殼可靠需滿足幾何關系如(1)式所示。

(1)

式中：X、Y、Z和l需根據槍械和彈殼結構確定的參數，|X|大于槍管軸線到機匣側壁(拋殼方向)的距離，|Z|大于槍管軸線到機匣上端面的距離，|X|、|Z|和l保證彈殼拋出機匣，如圖4所示，剖面線區域即為彈殼有效拋殼區域；L1和L2分別為彈殼質心到彈殼底部和頭部的距離，L為彈殼全長，d為彈殼最大直徑，如圖5所示。對于同一時間t，|Y|越大，說明彈殼向前拋出趨勢越明顯。

圖4 有效拋殼區域示意圖Fig.4 Schematic diagram of valid ejection area

圖5 彈殼示意圖Fig.5 Schematic diagram of cartridge case

2 方法的實例應用

2.1 主要影響參數取值范圍的確立

為了全面研究某自動步槍剛性拋殼動作可靠性，選定全部的12個主要影響參數進行可靠性研究。

對于拋殼速度的取值，本文通過實驗，獲取了某成熟自動步槍的拋殼速度參數，然后對其范圍適當的擴充，得到實驗取值范圍。

將某自動步槍固定在槍架上，利用高速攝像系統拍攝自動機的槍機框運動過程，通過圖像識別獲取槍機框上標識點的位移數據，通過微分即可獲得槍機框速度曲線。

實驗共采集到43發彈發射的數據。對其拋殼速度統計，結果如圖6和表2所示。

表2 拋殼速度統計表

圖6 拋殼速度直方圖Fig.6 Histogram of ejection velocity

由圖6和表2可知，拋殼速度的Shapiro-Wilk正態校驗P值大于0.05，故其分布可認為符合正態分布，均值大小為6.2 m/s. 考慮到樣本數量較少，以及極端情況的存在，故拋殼速度取值范圍確定為[4.0 m/s,8.0 m/s]。

由于構件配合處常常設有間隙，故對于結構參數Xi在工作過程中，其尺寸參數是個隨機變化的量，仿真時設置其取值范圍為[90%Xi,110%Xi]，Xi表示各個參數設計值。

對于其他主要影響參數，參考現有設計方法，對其取值范圍作相應擴充。所有主要影響參數取值范圍如表3所示。

表3 主要影響參數取值范圍表

2.2 虛擬樣機模型的建立

本文利用Adams軟件建立了步槍剛性拋殼虛擬樣機模型，如圖7所示。

圖7 虛擬樣機模型圖Fig.7 Model of virtual prototype

模型包括6個剛體：彈殼、機頭、拉殼鉤、拋殼挺、下機匣和拋殼窗后擋板；1個彈簧：拉殼鉤簧(添加于拉殼鉤與機頭間)；2個旋轉驅動：分別控制機頭上拉殼鉤孔中心與彈底窩中心連線與豎直線的夾角α和拋殼窗后擋板傾角β；1個線性驅動：添加于機頭和大地間，用于控制拋殼速度；3個參數化點：分別對應點A、點B和點C，用于調節結構尺寸。彈殼與機頭、拉殼鉤、拋殼挺和拋殼窗后擋板間添加接觸副(彈殼與下機匣間未添加接觸副以便于觀察彈殼飛行方向)。模型中重力方向為沿z軸向下。

2.3 仿真結果與分析

根據表3，利用Adams軟件中的Insight[6]模塊對建立的虛擬樣機模型進行仿真分析。仿真采用蒙特卡羅法[7]根據取值范圍隨機生成主要影響參數值，主要影響參數分布采用均勻分布。仿真共進行了1 000次。

彈殼與拋殼挺接觸后0.01 s，彈殼質心位置如圖8所示。

圖8 彈殼質心位置圖Fig.8 Center of mass positions of cartridge case

圖8中，有剖面線的區域為根據拋殼可靠判據定義的滿足拋殼要求的有效區域(x<-25 mm,y<-12.5 mm,z>40 mm)。從圖8可知，僅有部分結果滿足拋殼要求，統計分析可得，滿足拋殼要求的次數僅為42次。

對拋殼挺定位點A的位置繪圖，如圖9所示。

圖9 拋殼挺定位點位置圖Fig.9 Locating point positions of ejector

由圖9可知，滿足拋殼要求的拋殼挺定位點全部位于第四象限。拋殼時拉殼鉤位于第二象限，由此可知，對于剛性拋殼，為保證拋殼可靠性，拋殼挺設計時應與拉殼鉤呈對稱分布。

根據上述結論確定拋殼挺位置，其他參數保持不變，重新進行1 000次仿真。根據仿真結果，繪制YOC、XOC、k和v的直方圖如圖10～圖13所示。

圖10 YOC直方圖Fig.10 Histogram of YOC

圖11 XOC直方圖Fig.11 Histogram of XOC

圖12 k直方圖Fig.12 Histogram of k

圖13 v直方圖Fig.13 Histogram of v

由圖10可知，YOC的大小變化對拋殼動作可靠性影響較明顯，當YOC取值越遠離設計值0時，拋殼失誤次數越多，動作可靠性越低。由圖11和圖12可知，在仿真取值范圍內，XOC和拉殼鉤剛度k滿足拋殼要求的次數與總次數的分布類似，基本符合均勻分布，可見其大小對拋殼動作可靠性的影響較小，不是主要因素。其他未列出主要影響參數的直方圖與圖11和圖12類似。由圖13可知：當拋殼速度v較小時(v<5.5 m/s)，拋殼的成功率很低；當拋殼速度v較大時(v>5.5 m/s)，滿足拋殼要求的次數分布規律與圖11和圖12類似。由此可見，拋殼速度v較小時對拋殼動作可靠性影響較明顯。

下面著重研究YOC對拋殼動作可靠性的影響。重新設置主要影響參數的取值范圍，除YOC和v外，其他參數取值范圍調整為[95%Xi,105%Xi]，使各參數取值更接近實際工作值。v取值范圍變為[5.3 m/s,7.0 m/s]，YOC取值范圍及仿真結果如表4所示。

表4 YOC取值范圍及仿真結果表

將滿足拋殼要求的次數與仿真次數的比值定義為關于YOC的拋殼動作可靠度，顯然可靠度越接近1，拋殼動作可靠性越好。關于YOC的可靠度曲線圖如圖14所示。

圖14 關于YOC的可靠度曲線圖Fig.14 Reliability curve about YOC

由表4和圖14可知，當YOC改變時，拋殼成功率呈階梯式變化，在遠離0 mm處有較大的階躍變化，接近0 mm處跳躍較小。當YOC取值為(-2 mm,1 mm)時，拋殼可靠度為1. 當YOC小于-4 mm或大于3 mm時，拋殼可靠度幾乎為0. 進一步分析可知，當YOC小于-4 mm時失效包括兩種情況：彈殼向斜前拋出，但過于靠近槍身；與拋殼后擋板碰撞后再次與下機匣碰撞，彈殼滯留在槍身內或過于靠近槍身。當YOC大于3 mm時，彈殼向斜后方拋出或者向前拋出趨勢不明顯。故為了保證步槍拋殼動作可靠性，YOC的取值應保證在(-2 mm,1 mm)內。

步槍在使用過程中，步槍的姿態是多種多樣的，槍管軸線并不一定保持水平。在槍械性能測試過程中一般會進行俯仰射擊以驗證步槍的可靠性。本文在上述仿真的基礎上，考慮重力方向，即增設步槍射擊的俯仰角為變量，其取值范圍為[-90°,90°]。俯仰角大于0°槍口向上仰，等于90°時槍口豎直向上；俯仰角小于0°槍口向下俯，等于-90°時槍口豎直向下。在取值范圍內俯仰角按均勻分布取值。

仿真共進行300次，仿真結果全部符合拋殼要求。考慮重力方向和不考慮重力方向彈殼與拋殼挺接觸后0.01 s，彈殼質心位置平均值如表5所示。由表5可知，重力方向對最終彈殼質心位置影響較小，最大誤差僅為4.45%. 所以，重力方向對拋殼動作可靠性的影響不大。

表5 彈殼質心位置平均值表

2.4 拋殼窗尺寸的確定

根據2.3節仿真結果，繪制彈殼質心位移曲線，如圖15所示。

圖15 彈殼質心位移曲線圖Fig.15 Displacement diagram of center of mass of cartridge case

圖15中，剖面線覆蓋區域是根據彈殼外形尺寸和彈殼質心位置所確定的拋殼過程中彈殼運動包絡面在相應平面的投影。點D、點E和點F分別為拋殼窗下邊沿、上邊沿和前邊沿的定位點。

為了保證拋殼動作的可靠性，顯然拋殼窗下邊沿定位點D應位于圖15(a)中的左下角空白區域，其定位尺寸關系式為

(2)

式中：θ1為彈殼質心平均拋殼軌跡在Oxz平面內的投影與z軸的夾角。同理，拋殼窗上邊沿定位點E應位于圖15(a)中的右上角空白區域，其定位尺寸關系式為

(3)

拋殼窗前邊沿定位點F應位于圖15(b)中的右下角空白區域，其定位尺寸關系式為

(4)

式中：θ2為彈殼與拋殼窗后擋板碰撞后彈殼質心平均拋殼軌跡在Oxy平面內的投影與y軸的夾角。

3 方法的實驗驗證

3.1 實驗系統

根據仿真確立的拋殼窗尺寸控制方程，設計了一套可以調節拋殼窗后擋板位置的機構，其結構如圖16所示。該機構包括：基座、縱桿、調節螺栓和拋殼窗后擋板?；c橫桿固連。拋殼窗后擋板設有螺栓槽，通過調節螺栓固定在橫桿一側。改變拋殼窗后擋板和調節螺栓間的相對位置即可實現拋殼窗后擋板沿橫桿軸向的位置調整。該機構與自動步槍裝配圖如圖17所示，實驗時即可研究拋殼窗后擋板位置對拋殼的影響。

圖16 可調節拋殼窗后擋板Fig.16 Adjustable backplate of ejection port

圖17 實驗自動步槍局部Fig.17 Partial diagram of experimental automatic rifle

實驗對多組拋殼窗后擋板位置進行射擊實驗，并采用高速攝像系統進行數據采集，對各種工況下的拋殼結果進行統計分析。實驗系統圖如圖18所示。

圖18 實驗系統圖Fig.18 Experimental system

3.2 實驗結果分析

通過高速攝像系統發現，結果出現3種典型的拋殼情況，如圖19所示。圖19中，彈殼狀態1為彈殼碰撞拋殼挺后但未脫離拉殼鉤的某一狀態；狀態2是彈殼碰撞拋殼窗后擋板狀態；狀態3～5為彈殼拋出拋殼窗的狀態。狀態1和狀態3～5間的時間間隔相等，各圖拋殼時長相等。

圖19 實驗拋殼狀態圖Fig.19 Experimental ejection

根據仿真結果，實驗定義拋殼角度為30°～60°時，為有效拋殼狀態。對實驗結果進行統計，統計結果如表6所示。

根據表6，對比圖14可知，YOC等于-4 mm和0 mm時，實驗獲得的可靠度與仿真計算結果相近，拋殼失效模式與仿真結果一致。實驗出現1次卡殼狀態，彈殼卡在槍機框和節套之間，如圖20所示，說明彈殼與拋殼窗后擋板碰撞后彈殼滯留在槍身內，槍機框復進時被彈殼阻擋。YOC等于4 mm時，實驗獲得的可靠度大于仿真計算結果，且失效模式未出現斜后方拋殼狀態?？傮w分析，實驗結果較好地驗證了仿真結果，驗證了基于虛擬樣機的剛性拋殼可靠性分析與設計方法的有效性和可行性。

表6 拋殼實驗結果統計表

圖20 實驗卡殼狀態圖Fig.20 Jamming of cartridge case

4 結論

通過本文的仿真與實驗分析，主要得到如下主要結論：

1)以自動步槍剛性拋殼機構為研究對象，確立了影響拋殼動作可靠性的主要影響參數，建立了一套剛性拋殼動作可靠性分析與設計方法。

2)建立了自動步槍剛性拋殼動作可靠性虛擬樣機簡化模型。通過仿真分析發現，拋殼挺定位位置對拋殼動作可靠性有較大影響，為保證拋殼可靠性，拋殼挺應與拉殼鉤呈對稱分布。確立拋殼挺合理位置后，拋殼窗后擋板位置YOC和拋殼速度v是影響步槍拋殼動作可靠性的主導因素。拋殼動作可靠度隨著YOC變化呈階梯式變化，且遠離0 mm處有較大的階躍變化。當拋殼速度v較小時(v<5.5 m/s)，拋殼的成功率很低。在拋殼速度足夠大時(v>5.5 m/s)，重力方向對拋殼動作可靠性的影響不大。給出了拋殼窗定位尺寸的確立方程，為類似步槍設計提供了參考。

3)設計了一套可調節拋殼窗后擋板位置的實驗機構，完成了拋殼動作可靠性實驗，實驗結果與拋殼動作可靠性仿真結果吻合較好，驗證了剛性拋殼可靠性分析與設計方法的有效性和可行性。

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Study of Rigid Ejection Reliability Analysis and Design Method of Automatic Rifle

ZOU Yan, XU Cheng, LUO Shao-min, YANG Yang

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The action reliability is an important factor which must be considered in the design of mechanisms, and is a key index to evaluate the quality of a system. The main parameters influencing ejection action reliability are determined, and a rigid ejection reliability analysis and design process of automatic rifles is set up. A simplified virtual prototype model of rigid ejection action reliability is established. The simulated results show that the position of ejector, the backplate position of ejection port and the ejection velocity are the dominant factors which have effect on ejection action reliability; as the ejection velocity is high enough, gravity has less effect on ejection action reliability. A method to determine the position of ejector is presented, and the calculational equations are established for location dimension of ejection port. An adjustable backplate of ejection port mechanism is designed to test in the shooting experiment. The experimental results are consistent with the simulated results. It shows that the validity and suitability of the proposed method are verified.

ordnance science and technology; automatic weapon; action reliability; reliability analysis; rigid ejection

2016-06-15

國家自然科學基金項目(51575279)

鄒衍(1990—)，男，博士研究生。E-mail: nfzouyan@163.com

徐誠(1962—)，男，教授，博士生導師。E-mail: xucheng62@mail.njust.edu.cn

TJ22

A

1000-1093(2017)02-0209-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.001