水陸狀態(tài)下自動(dòng)機(jī)參數(shù)分析及設(shè)計(jì)

魯 剛，何云峰，王昌明，張愛(ài)軍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

水下輕武器在國(guó)外是一個(gè)研究的熱點(diǎn)，俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等許多國(guó)家已經(jīng)研制出相關(guān)裝備。兩棲輕武器是最近幾年才公開報(bào)道的裝備，據(jù)報(bào)道，俄羅斯1991年研發(fā)了第一種兩棲突擊步槍，又經(jīng)十余年的努力，于2000年研制成功的ASM-DT5.45 mm兩棲突擊步槍，通過(guò)了國(guó)防部的全面試驗(yàn)鑒定(包括陸上和水下)。5.45 mm兩棲突擊步槍的裝備，將使俄羅斯特種部隊(duì)的武器更加先進(jìn)，不但可以簡(jiǎn)化裝備，而且較好地解決了水下、陸上戰(zhàn)斗狀態(tài)的及時(shí)轉(zhuǎn)化問(wèn)題，極大地提高了特種作戰(zhàn)部隊(duì)的攻擊和防御能力。近年來(lái)，俄羅斯又研制了ADS5.45 mm兩棲突擊步槍，增加了1個(gè)可拆卸的40 mm榴彈發(fā)射器，膛口可以加裝制退器/減震器、消聲器或空包彈發(fā)射適配器，另外ADS兩棲突擊步槍還重新選擇了制造材料，配有可調(diào)節(jié)的機(jī)械瞄具，機(jī)匣頂部設(shè)計(jì)有一體式提把，提把上方加裝皮卡汀尼導(dǎo)軌，可以安裝各種晝夜光學(xué)瞄具，近年來(lái)才剛剛裝備俄軍部隊(duì),執(zhí)行海上安全和反恐任務(wù),目前，根據(jù)它的性能，ASM-DT突擊步槍是世界上唯一的一種兩棲突擊步槍[1]。

文獻(xiàn)[2-6]分別對(duì)陸上自動(dòng)機(jī)的測(cè)試技術(shù)及虛擬測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，利用激光傳感器測(cè)得需要的位移和速度參量，而對(duì)于兩棲武器自動(dòng)機(jī)的測(cè)試則鮮有報(bào)道。兩棲武器的總體構(gòu)想是基于陸上和水下可同時(shí)使用，對(duì)其綜合性能的研究是非常重要的，而對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的分析研究又是其中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，本文旨在通過(guò)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究，對(duì)比陸上和水下不同介質(zhì)條件下自動(dòng)機(jī)工作特性，為兩棲自動(dòng)機(jī)的研究提供參考。

1 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

自動(dòng)機(jī)的各工作機(jī)構(gòu)如閉鎖機(jī)構(gòu)、供彈機(jī)構(gòu)和擊發(fā)機(jī)構(gòu)等都是用來(lái)傳遞活動(dòng)機(jī)件中原動(dòng)件如槍機(jī)、槍機(jī)框等的運(yùn)動(dòng)的，用來(lái)使工作件如槍體、槍機(jī)框或擊錘等完成有關(guān)射擊的動(dòng)作。自動(dòng)機(jī)參數(shù)分析系統(tǒng)組成框圖如圖1所示[7-8]。

兩棲輕武器也是具有導(dǎo)氣裝置的自動(dòng)武器，氣室內(nèi)的火藥氣體壓力使自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)。發(fā)射時(shí)，膛內(nèi)火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈頭前進(jìn)，彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔后，火藥燃?xì)饨?jīng)導(dǎo)氣孔進(jìn)入氣室，作用在自動(dòng)機(jī)的活塞上，帶動(dòng)槍機(jī)開始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)經(jīng)過(guò)槍管上開出的導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥氣體泄露，在陸上和水下射擊時(shí)，兩棲輕武器是通過(guò)調(diào)節(jié)放氣孔的大小來(lái)控制火藥氣體的泄露的，在陸上射擊時(shí)，使用大的放氣孔，在水下射擊時(shí)，使用小的放氣孔。此時(shí)，槍機(jī)要完成自由行程、旋轉(zhuǎn)開鎖以及拋殼等動(dòng)作?；鹚帤怏w的作用結(jié)束后，自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件的速度迅速下降，但是由于慣性原因主動(dòng)件繼續(xù)后坐，在慣性后坐的過(guò)程中會(huì)壓縮復(fù)進(jìn)簧，直到后坐到位。后坐到位后，復(fù)進(jìn)簧伸張力的作用下主動(dòng)件開始復(fù)進(jìn)，完成推彈行程及旋轉(zhuǎn)閉鎖動(dòng)作，速度下降直至為零，復(fù)進(jìn)到位。在復(fù)進(jìn)到位后，主動(dòng)件由于與槍體(機(jī)匣)發(fā)生碰撞，槍體還會(huì)存在輕微短暫的振蕩。

自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)包括后坐和復(fù)進(jìn)兩個(gè)過(guò)程。細(xì)分開來(lái)，在主動(dòng)件后坐期間，包括自由行程、開鎖行程、抽殼行程和拋殼位置以及后坐到位；在主動(dòng)件復(fù)進(jìn)期間，包括掛機(jī)前行程、推彈前行程和推彈行程、閉鎖行程、閉鎖后行程、擊發(fā)行程。自動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 自動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可見(jiàn)，自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在陸上后坐的平均最大速度為7.87 m/s，在水下為7.70 m/s；在陸上復(fù)進(jìn)的平均最大速度為5.69 m/s，在水下為2.90 m/s，可知，主動(dòng)件在陸上和水下后坐時(shí)的最大速度相差不大，但復(fù)進(jìn)時(shí)的最大速度相差明顯，陸上為水下的2倍左右。

2 自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 提高自動(dòng)機(jī)壽命的技術(shù)措施

兩棲輕武器開閉鎖方式可采用旋轉(zhuǎn)閉鎖方式，使得能量消耗相對(duì)較小，同時(shí)使得各構(gòu)件之間的碰撞速度盡可能的低，這些也是陸用槍及水下槍械在提高武器壽命時(shí)常采取的措施。

兩棲輕武器的使用環(huán)境是陸上和水兩種介質(zhì)，在陸上達(dá)到300～400 m的有效射程就可以起到有效威懾的作用，但在水下的威力要達(dá)到相關(guān)水下輕武器的水平。自動(dòng)機(jī)就必須選用相對(duì)耐腐蝕性強(qiáng)的材料，這樣可以保證在水下射擊時(shí)，自動(dòng)機(jī)具有抗腐蝕性，另外，還要注意零件材料相互間的匹配，避免由于零件材料的不同而造成的電位差異，使得零件在水中相互電腐蝕，影響自動(dòng)機(jī)的性能。彈簧可選用不銹彈簧鋼絲。這些措施對(duì)提高兩棲自動(dòng)機(jī)的壽命有很大的作用。

2.2 提高工作可靠性的技術(shù)措施

根據(jù)兩棲使用的特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)機(jī)可采取多種技術(shù)措施來(lái)提高工作的可靠性。

1)加大自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件與從動(dòng)件的質(zhì)量比，增加機(jī)框的質(zhì)量，以使自動(dòng)機(jī)的存速性能提高。

2)采用自動(dòng)機(jī)前沖擊發(fā)的開膛待擊方式，利用自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件復(fù)進(jìn)時(shí)的能量擊發(fā)，用主動(dòng)件的慣性來(lái)克服和減小水深對(duì)擊發(fā)能量的影響。

由于需要陸上和水下使用，兩種彈藥的長(zhǎng)度差異較大，在使用時(shí)要互換兩種長(zhǎng)度不同的彈，使得自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件相對(duì)兩種彈匣后端的位置不一致。這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)自動(dòng)機(jī)前沖擊發(fā)的開膛待擊方式來(lái)解決。此種方式是在待擊狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)件停留于掛機(jī)位置，利用自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件復(fù)進(jìn)到位的能量擊發(fā)。因此，自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件必須能夠保證一定的復(fù)進(jìn)到位的速度，從而保證擊發(fā)的可靠性。所需要的復(fù)進(jìn)簧的簧力相對(duì)較大，在淺水和陸上復(fù)進(jìn)到位的撞擊相對(duì)較大，擊發(fā)能量隨自動(dòng)機(jī)速度的變化而變化。

3)導(dǎo)氣裝置可采用調(diào)整氣室放氣孔大小的放氣式能量調(diào)節(jié)方式，這與采用調(diào)整導(dǎo)氣孔大小方式的槍械相比，在水中射擊時(shí)有更大的優(yōu)勢(shì)。由于采用這種導(dǎo)氣裝置，使得自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件的復(fù)進(jìn)時(shí)氣室內(nèi)介質(zhì)的排泄多了一個(gè)通道，同時(shí)在槍體上開出許多排液孔，使主動(dòng)件在復(fù)進(jìn)過(guò)程中能更好地排泄掉氣室內(nèi)的水，從而使得主動(dòng)件的復(fù)進(jìn)阻力相對(duì)較小，能更好地保證主動(dòng)件復(fù)進(jìn)到位時(shí)的速度。該種自動(dòng)方式的最大優(yōu)點(diǎn)是在不同環(huán)境條件下使用，既能保證自動(dòng)機(jī)有足夠的工作能量，又能平穩(wěn)地工作，但武器的結(jié)構(gòu)比自由槍機(jī)式要復(fù)雜。

4)調(diào)整復(fù)進(jìn)簧力，保證自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在不同水深處有一定的復(fù)進(jìn)到位速度，大約為3 m左右，同時(shí)調(diào)整導(dǎo)氣孔大小，保證主動(dòng)件在不同水深處有一定的后坐到位速度。

2.3 影響自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的因素

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象，分析試驗(yàn)結(jié)果可知，自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)主要由以下因素決定：

1)火藥氣體的作用。

2)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件間的碰撞。

3)機(jī)匣內(nèi)介質(zhì)在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況。

4)氣室內(nèi)的介質(zhì)在自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件復(fù)進(jìn)時(shí)的泄露狀況。

因此，自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件后坐到位緩沖裝置的設(shè)置是非常必要的，它可以吸收和消耗主動(dòng)件后坐到位時(shí)的多余的能量，大大減少主動(dòng)件后坐到位時(shí)的沖擊作用。在兩棲步槍中，采用杠桿轉(zhuǎn)換式緩沖裝置，通過(guò)調(diào)整簧力達(dá)到最佳狀態(tài)，可提高射擊的穩(wěn)定性，減緩射擊時(shí)對(duì)射手的沖擊力。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，水下發(fā)射時(shí)，由于水中的阻尼較陸上的要大得多，自動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)中會(huì)表現(xiàn)出：在水中自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件速度衰減比在空氣中快；水下自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的能量比在陸上運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的能量要大些，因此在水下發(fā)射時(shí)，要增加彈藥的裝藥量，以保證主動(dòng)件在復(fù)進(jìn)到位時(shí)達(dá)到完成發(fā)射所需要的速度。由于自動(dòng)機(jī)要滿足不同水深時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求，在淺水和陸上發(fā)射時(shí)，勢(shì)必會(huì)存在較大的碰撞，自動(dòng)機(jī)各構(gòu)件間的碰撞會(huì)對(duì)自動(dòng)機(jī)構(gòu)成以下的影響：

1)活動(dòng)機(jī)件運(yùn)動(dòng)速度的突然變化會(huì)影響到工作的平穩(wěn)性，并有能量損失，而使射擊頻率降低。

2)構(gòu)件碰撞時(shí)能產(chǎn)生很大的慣性力，影響零件的強(qiáng)度和壽命。

3)抽彈和推彈時(shí)的碰撞可能會(huì)影響自動(dòng)機(jī)工作的可靠性。

4)活動(dòng)機(jī)件在前后方位置的碰撞，會(huì)影響武器的射擊精度。

在進(jìn)行能量分析時(shí)，要保證構(gòu)件的能量在碰撞后能完成射擊的動(dòng)作。為了減少碰撞能量的損失，可在結(jié)構(gòu)上將傳速比限制在一定數(shù)值之下，以減輕碰撞的不利影響。

3 兩棲自動(dòng)機(jī)研究的技術(shù)難點(diǎn)

要滿足陸上和水中使用的要求，在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究上存在很大的難度，主要針對(duì)以下兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解決：

1)在兩種介質(zhì)中工作時(shí)，自動(dòng)機(jī)的可靠性。自動(dòng)機(jī)在滿足水下機(jī)構(gòu)動(dòng)作要求的可靠性的同時(shí)，需要滿足在陸上使用時(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性要求。保證自動(dòng)機(jī)在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠，需要盡可能多的在相關(guān)零件上開出排液口，以便減小自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在復(fù)進(jìn)和后坐過(guò)程中水阻力，但是這同時(shí)使得槍的防塵能力下降，可能在陸上使用時(shí)，風(fēng)沙環(huán)境會(huì)使自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)生故障。由于這個(gè)矛盾會(huì)永遠(yuǎn)存在，所以在此需要找出它們之間的一個(gè)平衡點(diǎn)。導(dǎo)氣裝置上采用調(diào)整氣室放氣孔大小的放氣式能量調(diào)節(jié)方式。

2)陸上自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)劇烈，致使自動(dòng)機(jī)各部件的壽命會(huì)受到影響。由于是在兩種介質(zhì)中使用，而且兩種介質(zhì)的密度相差很大：水的密度大約是空氣的800倍。通過(guò)能量調(diào)節(jié)器可以對(duì)后坐的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在陸上和在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大后坐速度基本相當(dāng)。雖然可在自動(dòng)機(jī)的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝改進(jìn)等方面做大量的工作，但是還需要找出一種可以使復(fù)進(jìn)簧力的大小在兩種介質(zhì)中方便轉(zhuǎn)換的方法，致使自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件在陸上的復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速度與在水下時(shí)復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速度相差1倍左右。在陸上自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，各機(jī)構(gòu)部件間以及自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件與槍體間的碰撞相對(duì)來(lái)說(shuō)要比在水下劇烈一些，使得碰撞零件的壽命受到影響，從而影響到陸上全槍的壽命。

4 結(jié) 論

本文從自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的入手，分析了陸上和水下自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異，根據(jù)其使用環(huán)境的差異和特殊性，提出了提高自動(dòng)機(jī)壽命、工作可靠性的技術(shù)措施，分析了影響自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的因素，指出了兩棲自動(dòng)機(jī)研究的技術(shù)難點(diǎn)，為該類型武器的研制提供了一些有意義的參考。

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