“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)退殼動(dòng)作故障預(yù)測(cè)分析

仲其伐，李忠新，郝光榮

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

0 引言

突擊步槍是應(yīng)戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展要求而產(chǎn)生的新型單兵武器。它成功地結(jié)合了沖鋒槍與傳統(tǒng)步槍特有的最佳戰(zhàn)斗性能?，F(xiàn)在的突擊步槍具有射速高、后坐適中、動(dòng)作穩(wěn)定、槍體小而輕便的特點(diǎn)。大量的事實(shí)表明，現(xiàn)代突擊步槍并非是單純隨著戰(zhàn)術(shù)變化而變化的，而是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型單兵武器。時(shí)至今日，現(xiàn)代突擊步槍已經(jīng)從過(guò)去僅能殺傷點(diǎn)目標(biāo)的單兵裝備，發(fā)展成如今同時(shí)具備點(diǎn)面殺傷功能、能夠不分晝夜持續(xù)使用的單兵多功能綜合戰(zhàn)斗系統(tǒng)［1］。目前世界各國(guó)軍隊(duì)都把突擊步槍作為步兵的重要武器裝備，因此突擊步槍的研制水平和使用性能會(huì)直接影響士兵的戰(zhàn)斗能力和存活機(jī)率，也在某種程度上決定了最終的戰(zhàn)斗結(jié)果。

本文所研究的新型突擊步槍沿用了美國(guó)人提出的“齊射”理念，利用了AN94的關(guān)鍵技術(shù)思想，并采用了獨(dú)特的“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)和一些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，力求使其在采用傳統(tǒng)步槍原理的基礎(chǔ)上，具有極好的首發(fā)命中精度和綜合作戰(zhàn)性能。此外，由于該突擊步槍正處于方案研究階段，缺少相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，所以在此階段對(duì)該槍進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析既可以及早發(fā)現(xiàn)和解決潛在問(wèn)題，又可以為方案改進(jìn)工作提供一定的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 “回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)工作原理

“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)是指在整個(gè)自動(dòng)循環(huán)過(guò)程中，槍機(jī)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引會(huì)沿著機(jī)匣上的“回”字形導(dǎo)軌槽運(yùn)動(dòng)，故稱之為“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)。就其主要功能而言，“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)其實(shí)是一種槍機(jī)偏轉(zhuǎn)式的單程進(jìn)彈機(jī)構(gòu)，即槍機(jī)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以便于順利地完成整個(gè)供彈動(dòng)作，“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2 “回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)退殼動(dòng)作可能出現(xiàn)的故障

在“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)完成退殼動(dòng)作的過(guò)程中，有可能會(huì)出現(xiàn)下列故障:1）彈殼橫向斷裂;2）彈殼縱向破裂;3）卡殼。

根據(jù)自動(dòng)武器的基本特性可知，在槍機(jī)完成退殼動(dòng)作過(guò)程中，彈殼容易發(fā)生橫向斷裂和縱向斷裂故障。其中，橫向斷裂是指為了保證彈殼向后推動(dòng)槍機(jī)有足夠的能量，作用于彈殼底部的火藥燃?xì)鈮毫Ρ仨毚笥趶棜ね獗谂c彈膛間的摩擦阻力，然而該摩擦阻力可能大于彈殼在拉斷前所能承受的極限拉力，從而導(dǎo)致彈殼被過(guò)度拉伸而拉斷;縱向破裂是指因高膛壓時(shí)期彈殼后移量過(guò)大時(shí)，彈殼底部徑向薄壁失去彈膛支撐，或者是因彈殼錐度過(guò)大或?yàn)槠啃危湎蚝笠苿?dòng)時(shí)肩部或體部與彈膛壁間出現(xiàn)較大間隙，導(dǎo)致彈殼發(fā)生炸裂或破裂［2］。另一方面，由于所述突擊步槍采用的拋殼挺簧式彈性拋殼機(jī)構(gòu)，其拋殼動(dòng)作依靠拋殼挺簧作用在彈殼上的拋殼力矩來(lái)完成。該類拋殼機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是拋殼動(dòng)作平穩(wěn)無(wú)撞擊且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工，而其缺點(diǎn)則在于槍機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)拋殼機(jī)構(gòu)尺寸有限制，拋殼能量不會(huì)太大，另外各機(jī)構(gòu)間的位置間隙、拋殼窗位置尺寸以及槍機(jī)后坐速度等因素也會(huì)對(duì)拋殼產(chǎn)生影響。一旦拋殼出現(xiàn)問(wèn)題，就極容易引發(fā)卡殼故障。由于篇幅所限，本文對(duì)卡殼故障預(yù)測(cè)分析將不予論述。

3 彈殼強(qiáng)度故障分析

“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)采用自由槍機(jī)式自動(dòng)原理，其槍機(jī)與槍管或機(jī)匣之間沒(méi)有扣合，因此當(dāng)槍彈被擊發(fā)后，在彈頭還未完全嵌入膛線時(shí)，槍機(jī)便已經(jīng)開(kāi)始后坐。由于在槍彈被擊發(fā)的瞬時(shí)，槍機(jī)并沒(méi)有得到剛性閉鎖支撐，故當(dāng)膛壓達(dá)到一定值后，準(zhǔn)確的說(shuō)，是當(dāng)膛底火藥燃?xì)鈮毫狭Τ^(guò)槍彈拔彈力時(shí)，彈殼便可帶動(dòng)槍機(jī)共同后坐。由此可知，“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)沒(méi)有專門的閉鎖機(jī)構(gòu)，其閉鎖方式屬于慣性閉鎖［3］。

根據(jù)膛內(nèi)彈殼的受力特點(diǎn)，可建立發(fā)射時(shí)彈殼在膛內(nèi)的受力模型，如圖2所示。其中p1為徑向壓力，p2和p3均為軸向壓力;此外，彈殼受到膛壁的摩擦阻力設(shè)為FRK。

圖2 發(fā)射時(shí)彈殼受力模型

由圖2可知，在彈丸發(fā)射之初，由于膛內(nèi)火藥燃?xì)獾膲毫Σ桓撸首饔迷趶棜ど夏Σ磷枇RK也不大。于是，在摩擦阻力FRK和軸向壓力p2的共同作用下，彈殼將沿膛壁向后滑動(dòng)并被拉伸，同時(shí)彈殼會(huì)推動(dòng)槍機(jī)后坐。隨著膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫Φ目焖偕?，徑向壓力p1和軸向壓力p2均隨之增大，于是彈殼會(huì)急劇膨脹并緊緊貼于彈膛壁;加之火藥燃?xì)鉁囟壬?，因此彈殼和膛壁之間會(huì)形成金屬和金屬在高溫高壓作用下的緊密貼合，從而使摩擦阻力FRK急劇增大。此時(shí)，軸向壓力p2和摩擦阻力FRK的合力在推動(dòng)彈殼后坐的同時(shí)，也會(huì)使彈殼內(nèi)產(chǎn)生很大的軸向拉伸應(yīng)力。如果彈殼較長(zhǎng)且膛壓較高，則該拉伸應(yīng)力就會(huì)很大，于是彈殼就可能被過(guò)度拉伸至材料極限而被拉斷，即產(chǎn)生彈殼橫向斷裂故障。

另一方面，如果槍機(jī)后坐速度過(guò)大，使彈殼過(guò)快退出彈膛，以致其底部徑向薄壁部分失去彈膛支撐，則彈殼底部可能會(huì)炸裂。此外，由于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)所用槍彈為有一定錐度的彈殼，如果該錐度過(guò)大，當(dāng)彈殼向后移動(dòng)時(shí)，在彈殼與彈膛壁間會(huì)出現(xiàn)較大間隙，此時(shí)火藥燃?xì)鈮毫?huì)迫使彈殼膨脹變形以填充該間隙，從而可能導(dǎo)致彈殼破裂。上述炸裂或破裂均屬于彈殼縱向破裂故障。

綜上所述，對(duì)于采用自由槍機(jī)的新型突擊步槍來(lái)說(shuō)，保證彈殼正常工作是十分重要的。彈殼破裂或過(guò)度變形都會(huì)嚴(yán)重影響該槍的可靠性，甚至?xí)＜吧涫职踩虼嗽谠O(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)上述彈殼故障進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè)和分析［4］。

3.1 彈殼可以移動(dòng)的條件

設(shè)彈殼及與其連接槍機(jī)的總質(zhì)量為m，槍機(jī)在某瞬時(shí)的后坐速度為 v－，槍膛橫斷面積為S，膛內(nèi)平均壓力為 p（約等于膛底壓力）。再設(shè)彈殼與膛壁間的摩擦阻力為FRK，槍機(jī)所受復(fù)進(jìn)簧力為Ff，槍機(jī)所受摩擦阻力FR。根據(jù)自由槍機(jī)式自動(dòng)武器的基本原理［5］可知，槍機(jī)運(yùn)動(dòng)微分方程為:

在槍彈發(fā)射過(guò)程中，F(xiàn)f和FR的值比Sp和FRK的值要小很多，因此在分析時(shí)可忽略Ff和FR，這種不考慮Ff和FR的槍機(jī)后坐即稱自由后坐。于是，槍機(jī)自由后坐運(yùn)動(dòng)微分方程為:

為保證彈殼能推動(dòng)槍機(jī)自由后坐，首先彈殼必須可以移動(dòng)，即滿足Sp－FRK＞0，也即:

所述“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)的彈殼外形近似為圓筒形，故可設(shè)彈殼底部外徑為d2，彈殼埋入彈膛的長(zhǎng)度為l，其值近似為彈殼體部以上的長(zhǎng)度。設(shè)彈殼與膛壁間摩擦系數(shù)為f，其范圍為0.1～0.15。彈殼與膛壁間的正壓力即為圖2所示的徑向壓力p1，于是:

結(jié)合式（3），得:

上式可化為:

上式右端是彈殼可以移動(dòng)的極限長(zhǎng)度，它具有長(zhǎng)度的量綱，故設(shè)其為llim，即令:

綜上，可得彈殼可以移動(dòng)的條件為:

式（8）表明，對(duì)于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)來(lái)說(shuō)，為使彈殼可以順利帶動(dòng)槍機(jī)組件后坐，彈殼埋入彈膛部分的長(zhǎng)度l必須小于其可以移動(dòng)的極限長(zhǎng)度llim。

設(shè)彈殼壁厚為δ，所用材料彈性極限為σe，屈服極限為σb。設(shè)當(dāng)彈殼內(nèi)所產(chǎn)生的切向應(yīng)力達(dá)到材料彈性極限時(shí)的壓力為pe。忽略材料塑性變形強(qiáng)化，根據(jù)材料力學(xué)薄壁圓筒強(qiáng)度理論［6］，可得:

于是，彈殼和膛壁之間的正壓力可表示為:

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)而言，當(dāng)p=pm=151.3 MPa時(shí)，彈殼與膛壁間的摩擦阻力最大，彈殼最有可能無(wú)法移動(dòng)。已知彈殼底部外徑d2=8 mm，彈殼底部壁厚δ=0.84 mm，于是可得:

所以:

為盡可能滿足極限條件，f取最大值0.15。將所有參數(shù)代入式（7），解得彈殼可以移動(dòng)的極限長(zhǎng)度為:

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)而言，其彈殼埋入彈膛的長(zhǎng)度為:

與彈殼可以移動(dòng)的極限長(zhǎng)度llim相比，滿足l＜llim。因此，基于上述分析可以預(yù)測(cè):彈殼可以順利移動(dòng)，槍機(jī)組件與彈殼可以自由后坐。

3.2 彈殼橫向斷裂故障

基于上述分析，當(dāng)彈殼埋入彈膛的長(zhǎng)度l小于極限長(zhǎng)度llim時(shí)，在膛底壓力p2和摩擦阻力FRK的合力作用下，彈殼可以帶動(dòng)槍機(jī)組件順利后坐。但是，p2和FRK的共同作用會(huì)使彈殼被拉伸，而當(dāng)拉伸應(yīng)力過(guò)大時(shí)，彈殼就有可能被拉斷，即產(chǎn)生橫向斷裂。

如圖3所示，取彈殼上任一橫斷面A來(lái)進(jìn)行分析，設(shè)該橫斷面與彈膛末端的距離為x。設(shè)膛底壓力p2作用在該橫斷面上的合力為Fp，打有剖面線部分的彈殼所受摩擦阻力為FRx，力Fp和FRx的共同作用可使橫斷面A產(chǎn)生拉伸變形，其中FRx越大，則橫斷面A的拉伸程度也越大。摩擦阻力FRx的值為:

圖3 彈殼拉伸作用力

由式（11）易知，F(xiàn)Rx隨x的增大而減小。由此可知，彈殼在膛底處橫斷面所受摩擦阻力最大，該最大值即為之前所述的FRK，即:

假設(shè)彈殼等壁厚，則最大變形將發(fā)生在x=0處，即彈膛末端處的彈殼橫斷面上。為保證彈殼不發(fā)生橫向斷裂故障，其所受摩擦阻力的最大值必須小于彈殼被拉斷前能夠承受的最大抗力，即滿足:

代入式（9）、（10），有:

令plh為彈殼不被橫向拉斷時(shí)的極限膛壓，則:

綜上，可得不發(fā)生彈殼橫向斷裂故障的條件:

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)而言，將已知數(shù)據(jù)代入式（15），可得:

式中:為盡量滿足極限條件，f取0.15。由內(nèi)彈道分析結(jié)果可知，所述運(yùn)動(dòng)槍機(jī)最大膛壓為 p=pm=151.3 MPa，故滿足式（16）的條件。綜合以上分析可知，本文所述運(yùn)動(dòng)槍機(jī)在射擊時(shí)，其所用彈殼不會(huì)發(fā)生橫向斷裂故障。

3.3 彈殼縱向破裂故障

在彈殼可以移動(dòng)以及不會(huì)發(fā)生橫向斷裂的情況下，彈殼仍有可能發(fā)生縱向破裂。具體來(lái)說(shuō)，如果在發(fā)射時(shí)槍機(jī)組件后坐速度太大，以致槍機(jī)與彈殼向后移動(dòng)的距離過(guò)大而超出了許可位移（如圖4所示），彈殼薄壁部分就會(huì)失去彈膛壁的支撐。若此時(shí)膛壓較高，則彈殼就可能過(guò)度膨脹變形而發(fā)生縱向破裂故障。

圖4 普通底緣彈殼的許可位移

為保證彈殼在發(fā)射時(shí)不發(fā)生縱向破裂故障，必須滿足的條件為:令plz為彈殼產(chǎn)生縱向破裂的極限膛壓，則:

于是，可得不發(fā)生彈殼縱向破裂故障的條件:

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)而言，將已知數(shù)據(jù)代入式（18），可解得:

根據(jù)內(nèi)彈道分析結(jié)果可知，所述運(yùn)動(dòng)槍機(jī)的最大膛壓為 p=pm=151.3 MPa，看似并不滿足式（19）中 p＜plz的條件。然而事實(shí)上，對(duì)該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)而言，在最高膛壓時(shí)彈殼并未失去彈膛的支撐，而當(dāng)彈殼薄壁部分離開(kāi)彈膛時(shí)，火藥燃?xì)鈮毫σ讶徊皇亲畲筇艍褐?。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)所用彈殼結(jié)構(gòu)可知，在膛壓較高階段彈殼允許后坐的位移為lk=1.5 mm，設(shè)對(duì)應(yīng)的彈頭行程為ld，于是根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)守恒定律可得:

式中:m0為彈頭質(zhì)量，其值為2 g;m為槍機(jī)以及與其連接的彈殼的總質(zhì)量，其值m=248.5 g。于是可以解得，彈殼薄壁部分外露時(shí)對(duì)應(yīng)的彈頭行程為:

依據(jù)所述運(yùn)動(dòng)槍機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)彈頭行程為186.375 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的膛壓約為86.335 MPa，其值小于117.39 MPa。所以可以預(yù)測(cè)，該運(yùn)動(dòng)槍機(jī)在射擊時(shí)，其所用彈殼不會(huì)發(fā)生縱向破裂故障。

4 結(jié)論

本文對(duì)突擊步槍“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)在完成退殼動(dòng)作時(shí)可能出現(xiàn)的故障（彈殼橫向斷裂、彈殼縱向破裂）進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。對(duì)于突擊步槍“回”型運(yùn)動(dòng)槍機(jī)的兩種故障，主要依據(jù)槍機(jī)自由后坐的運(yùn)動(dòng)特性，分析了發(fā)射時(shí)彈殼的受力情況，討論了彈殼可以自由后坐運(yùn)動(dòng)的條件，并得出了彈殼不發(fā)生橫向斷裂和縱向破裂故障的條件。然后參照所述突擊步槍內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)出在取定已知設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下，所用彈殼不會(huì)發(fā)生橫向斷裂和縱向破裂故障。

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