身管短后坐式浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

苑海威,薄玉成,王惠源,徐 健

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原030051)

在自動(dòng)武器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中,通常是自動(dòng)機(jī)在復(fù)進(jìn)到位之后擊發(fā),然后再進(jìn)行后坐復(fù)進(jìn)循環(huán)。當(dāng)自動(dòng)武器在復(fù)進(jìn)過程中擊發(fā)時(shí),火藥燃?xì)鈮毫κ紫纫柚箯?fù)進(jìn),然后才產(chǎn)生后坐。這種自動(dòng)武器在復(fù)進(jìn)過程中擊發(fā),利用復(fù)進(jìn)動(dòng)量部分抵消部分火藥燃?xì)鈱?duì)后坐部分的作用沖量,從而大幅度減小后坐阻力,這種發(fā)射原理稱為前沖擊發(fā)原理,又稱為浮動(dòng)原理[1]。

彈簧式浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,但浮動(dòng)穩(wěn)定性較差,而彈簧液壓式等的組合浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性較好卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。結(jié)構(gòu)簡單、易于控制而又能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定浮動(dòng)的浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)技術(shù)是采用前沖擊發(fā)原理的武器的一項(xiàng)重要的研究課題。

本文提出了一種應(yīng)用于身管短后坐式武器的浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)技術(shù),僅采用彈簧,結(jié)構(gòu)簡單,而又能實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的浮動(dòng),有效提高射擊精度和射擊密集度。

1 組成和工作原理

1.1 基本組成

身管短后坐式浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,它主要由身管、身管復(fù)進(jìn)簧、身管等待機(jī)、節(jié)套、槍機(jī)、加速機(jī)構(gòu)、槍機(jī)框、槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧、擊發(fā)機(jī)構(gòu)和機(jī)匣組成。

1.2 工作原理

系統(tǒng)采用開膛待擊,首發(fā)浮動(dòng)和定點(diǎn)擊發(fā)的方式,首發(fā)發(fā)射時(shí),槍機(jī)框被擊發(fā)機(jī)構(gòu)的阻鐵掛于機(jī)匣后方,身管也被身管等待機(jī)掛住;射擊時(shí),槍機(jī)框被釋放,它在槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧的作用下向前加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)槍機(jī)到達(dá)身管所在位置時(shí),與身管撞擊結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了閉鎖,同時(shí)槍機(jī)觸動(dòng)身管掛機(jī)座解脫身管,使身管在身管復(fù)進(jìn)簧的作用下也向前運(yùn)動(dòng);然后槍機(jī)框和身管在同一速度下復(fù)進(jìn)到定點(diǎn)擊發(fā)位實(shí)現(xiàn)擊發(fā);擊發(fā)后,身管和槍機(jī)框的前沖運(yùn)動(dòng)沖量被火藥氣體克服后,又以共同的速度后坐直到到達(dá)加速位置;在加速機(jī)構(gòu)的作用下,槍機(jī)框被加速,之后它只在槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧的作用下完成后坐和復(fù)進(jìn),而身管被加速機(jī)構(gòu)減速后受身管等待機(jī)作用被強(qiáng)制停止運(yùn)動(dòng),等待下一次復(fù)進(jìn)的開始,在此過程中,身管實(shí)現(xiàn)了在身管等待機(jī)兩側(cè)的浮動(dòng)。

2 動(dòng)力學(xué)模型

2.1 物理模型

在發(fā)射過程中,身管短后坐式浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)可簡化成1個(gè)兩自由度的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),其物理模型如圖2所示。在此模型中,將槍機(jī)和加速機(jī)構(gòu)的質(zhì)量等效到槍機(jī)框的質(zhì)量中,以下將槍機(jī)框、槍機(jī)和加速機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為槍機(jī)。

2.2 動(dòng)力學(xué)模型

設(shè)身管和槍機(jī)框的質(zhì)量分別為m sg和m qj,位移分別為x sg和x qj,略去作用于構(gòu)件的常數(shù)摩擦力,則作用于身管的力有膛底合力,即火藥氣體壓力Fhy,身管復(fù)進(jìn)簧力F sg-fjh,作用于槍機(jī)框的力主要是槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧力F qj-fjh。以掛機(jī)時(shí)身管后端面為坐標(biāo)原點(diǎn)O,建立坐標(biāo)系xOy。該系統(tǒng)一個(gè)循環(huán)過程可分為4個(gè)階段,各階段槍管和槍機(jī)的受力分析和運(yùn)動(dòng)微分方程如下。

2.2.1 第1次釋放槍機(jī)到槍機(jī)和身管扣合在一起(第1階段)

該階段槍機(jī)和身管只受各自復(fù)進(jìn)簧力作用,其受力分析如圖3所示。

該階段槍機(jī)和身管的運(yùn)動(dòng)微分方程組為:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj,F0qj為槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧的預(yù)壓力,k qj-fjh x qj為槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧的剛度系數(shù)。

2.2.2 身管和槍機(jī)框共同復(fù)進(jìn)到擊發(fā)位(第2階段)

該階段身管和槍機(jī)被扣合在一起,受槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧力和身管復(fù)進(jìn)簧力的共同作用向前運(yùn)動(dòng),其受力分析如圖4所示。

該階段槍機(jī)和身管的運(yùn)動(dòng)微分方程組為:

式中:F qj=F0 qj-k qj-fjh x qj+F0 qj-k sg-fjh x sg,F0sg為身管復(fù)進(jìn)簧的預(yù)壓力;ksg-fjh為身管復(fù)進(jìn)簧的剛度系數(shù)。

2.2.3 身管和槍機(jī)框從擊發(fā)位運(yùn)動(dòng)到加速位(第3階段)

該階段身管和槍機(jī)仍被扣合在一起,受火藥氣體壓力以及槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧力和身管復(fù)進(jìn)簧力的共同作用,其受力分析如圖5所示。

該階段槍機(jī)和身管的運(yùn)動(dòng)微分方程組為:

式中:F hl=F hy+F0 qj-k qj-fjh x qj+F0sg+k sg-fjh x sg,F hy為火藥氣體壓力。

2.2.4 加速完畢后身管和槍機(jī)框各自后坐(第4階段)

該階段身管和槍機(jī)經(jīng)加速機(jī)構(gòu)作用分開各自運(yùn)動(dòng),其受力分析如圖6所示。

該階段槍機(jī)和身管的運(yùn)動(dòng)微分方程組為:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj;Fsg=F0sg-ksg-fjhxsg;Fgd為槍機(jī)帶動(dòng)供彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的供彈阻力,這里按撥彈滑板式供彈機(jī)構(gòu)計(jì)算,取

2.3 內(nèi)彈道模型

火藥的幾何燃燒定律,燃燒速度定律,彈丸運(yùn)動(dòng)方程,內(nèi)彈道學(xué)基本方程,彈丸速度方程見參考文獻(xiàn)[2]。

3 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

以MATLAB[3]編制的動(dòng)力學(xué)仿真程序?qū)Ρ靖?dòng)自動(dòng)機(jī)[4-5]進(jìn)行仿真計(jì)算,仿真時(shí)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:身管質(zhì)量m sg=20 kg,槍機(jī)框質(zhì)量m qj=10 kg,身管復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力F0sg=250 N,身管復(fù)進(jìn)簧剛度k sg=50N?mm-1,槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力F0qj=100 N,槍機(jī)復(fù)進(jìn)簧剛度k qj=2.5 N?mm-1,初始加速位置為JSW=-11 mm,加速比k js=2;得到單發(fā)時(shí)速度-時(shí)間仿真曲線、位移-時(shí)間仿真曲線以及5連發(fā)時(shí)的位移-時(shí)間仿真曲線分別如圖7～圖9所示。

圖8中,身管和槍機(jī)撞擊結(jié)合后(A點(diǎn))以共同速度向前運(yùn)動(dòng),B點(diǎn)為火藥氣體作用開始點(diǎn),在C點(diǎn)位置時(shí),槍機(jī)和身管在加速機(jī)構(gòu)的作用下分開各自運(yùn)動(dòng),其中身管在D點(diǎn)速度時(shí)被身管掛機(jī)座掛住,等待下一發(fā)時(shí)槍機(jī)的撞擊解脫,從而開始新的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

圖9中,身管和槍機(jī)在A點(diǎn)撞擊結(jié)合,在B點(diǎn)被加速機(jī)構(gòu)分開,身管在C點(diǎn)被槍管掛機(jī)座掛住。

4 結(jié) 論

從系統(tǒng)組成、工作原理以及計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論:

1)身管短后坐式浮動(dòng)自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,僅用彈簧實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng),從仿真結(jié)果可以看出原理是可行的。

2)因?yàn)槊恳话l(fā)發(fā)射后,身管都會(huì)被身管等待機(jī)掛住,致使身管各發(fā)狀態(tài)一致,從而實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)的高穩(wěn)定性,即使在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中,自動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性可能由于各種原因而降低,但相對(duì)穩(wěn)定性還是最高的。

3)由于身管每次發(fā)射都會(huì)被身管等待機(jī)強(qiáng)制停止運(yùn)動(dòng),所以該種浮動(dòng)原理只能用在對(duì)射速要求不高的武器上。

[1] 徐誠,王亞平.火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:164-187.XU Cheng,WANG Ya-ping.Gun&automatic w eapon dynam ics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2006:164-187.(in Chinese)

[2] 鮑廷鈺,邱文堅(jiān).內(nèi)彈道學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:50-55.BAO Yan-yu,QIUW en-jian.Interior ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004:50-55.(in Chinese)

[3] 龔純,王正林.M ATLAB語言常用算法程序集[M].北京:電子工業(yè)出版社.2008:68-80.434-440.GONG Chun,WANG Zheng-lin.Summarize of MATLAB language common algorithm program[M].Publishing H ouse of Electronics Industry,2008:68-80.434-440.(in Chinese)

[4] 姚養(yǎng)無,王剛.大口徑機(jī)槍低后坐浮動(dòng)技術(shù)研究[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,22(4):289-293.YAO Yang-w u,WANG Gang.Study of large caliber machine gun low recoil floating technology[J]Journalof North China Institute of Techno logy,2001,22(4):289-293.(in Chinese)

[5] 姚養(yǎng)無,張小兵,王剛.大口徑機(jī)槍浮動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)研究[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,22(1):61-65.YAO Yang-w u,ZH ANG Xiao-bin,WANG Gang.Study o f large caliber machine gun floating technology[J].Journal of North China Institute of Technology,2001,22(1):61-65.(in Chinese)