基于虛擬樣機的新型重機槍自動機運動分析

范智滕，王瑞林，李 濤，化斌斌，梁光建

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.77627部隊，西藏拉薩 850000）

基于虛擬樣機的新型重機槍自動機運動分析

范智滕1，王瑞林1，李 濤1，化斌斌1，梁光建2

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.77627部隊，西藏拉薩 850000）

為研究某新型重機槍自動機的動力學特性，在分析了其結(jié)構(gòu)特點及運動原理的基礎(chǔ)上，以該槍為研究對象，考慮射手和土壤邊界條件，利用ADAMS軟件，建立了該槍的動力學模型。分析了3發(fā)連續(xù)射擊時槍機和內(nèi)機匣的運動特性，對比分析了槍機與槍機框的運動速度，并對其中的一個射擊循環(huán)進行了深入研究。分別選取槍機和內(nèi)機匣速度為校驗指標，對比分析仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，驗證了仿真分析的可信性，為該槍進一步的運動分析、參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

新型重機槍；虛擬樣機；自動機；動力學仿真；運動分析

某新型重機槍是一種大口徑機槍，其主要戰(zhàn)術(shù)任務(wù)是壓制1 500m距離內(nèi)的敵火力點及輕型火器，毀傷1 500m距離內(nèi)的敵輕型車輛，封控2 000 m距離內(nèi)的峽谷道路、隘口，并殺傷敵集群有生目標。該機槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在發(fā)射過程中，若采用傳統(tǒng)方法計算各主要部件的動力學特性，因計算過程存在過多的簡化與假設(shè)，結(jié)論會產(chǎn)生很大的誤差，并且整個機槍系統(tǒng)的運動學和動力學特性很難測量分析，尤其是內(nèi)部部件的動力學特性更難以獲得，這對機槍主要部件的研究造成了一定的困難。

筆者以該新型重機槍為研究對象，通過建立動力學分析模型，對該槍自動機的運動進行了動力學仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析與校核，為該槍的結(jié)構(gòu)改進提供了一定的理論指導。

1 機槍的結(jié)構(gòu)特點及運動原理

該機槍的結(jié)構(gòu)主要由槍管、復(fù)進機、內(nèi)機匣、外機匣、供彈機等14個部件組成，創(chuàng)造性地采用了槍身浮動、前沖擊發(fā)等技術(shù)手段，有效降低了武器后坐力，減小了武器射擊振動，提高了武器射擊精度。槍身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，槍機框在內(nèi)機匣上運動，內(nèi)機匣與槍管浮動于外機匣上，即以內(nèi)機匣和槍管為主的槍身浮動于外機匣和槍架上，稱之為槍身浮動原理；該槍擊發(fā)動作是在內(nèi)機匣與槍管前進的過程中發(fā)生的，故稱此擊發(fā)方式為前沖擊發(fā)。

機槍采用雙程輸彈，后坐脫鏈，復(fù)進推彈，輸彈沖擊小，供彈平穩(wěn)；采用撞桿式剛性下方拋殼，拋殼可靠性高；復(fù)進機與槍機框結(jié)合，增加自動機后坐的有效質(zhì)量，保證武器可靠性，同時有利于武器減重。

2 動力學模型的建立

2.1 模型的基本假設(shè)

在研究工作中，忽略對自動機運動影響微小的因素，主要基于以下假設(shè)展開：

1）不考慮所有彈簧的慣性，并根據(jù)彈簧的類型，用ADAMS中自帶的彈簧代替。

2）忽略擊針的影響。

3）忽略推彈入膛摩擦力的影響。

2.2 模型的建立過程

為確保模型傳遞時的完整性，增加模型的仿真精度［1］，本模型通過Mechanism／Pro模塊導入到ADAMS軟件。

2.2.1 約束副的施加

整個機槍系統(tǒng)中共包含99個運動構(gòu)件，84個固定副、9個旋轉(zhuǎn)副、8個滑移副和27個實體碰撞，共有59個自由度。主要構(gòu)件間的運動副關(guān)系如表1所示。

2.2.2 力的施加

在該機槍系統(tǒng)中主要存在的力有：彈簧力、接觸力、主動力、阻力、支撐子系統(tǒng)對機槍的作用力以及射手對機槍的作用力。其結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖2所示。

圖中，F(xiàn)dj為抵肩力；Ffd為浮動簧力；Fbd為撥彈阻力；Ft為槍膛合力；Fck為抽殼阻力；Ffj為復(fù)進簧力；Fq為氣室壓力；f1為槍機框與內(nèi)機匣間的摩擦力；f2為槍機與內(nèi)機匣間的摩擦力；f3為內(nèi)、外機匣間的摩擦力。

1）槍膛合力Ft

內(nèi)彈道時期公式為［2］

式中：ω為槍彈的裝藥量；φ1為虛擬系數(shù)；q為彈頭質(zhì)量；p為平均膛壓；pt為膛底壓強。

后效期的計算公式為［3］

式中：p為后效期某瞬間膛內(nèi)的平均壓強；pk為后效期開始時膛內(nèi)平均壓強；e為自然對數(shù)的底；t為從后效期開始算起的時間；A為常系數(shù)。

槍膛合力的計算公式為

式中：S為膛底橫截面積。

由此得到的槍膛合力曲線如圖3所示。

2）氣室壓力Fq

氣室壓力Fq的計算公式如下［4］：

式中：Fq為氣室對活動機件的作用力；pd為彈頭經(jīng)過導氣孔瞬間的膛內(nèi)平均壓強；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間參數(shù)；α為與導氣裝置結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的參數(shù)；t為氣室壓力工作時間，t′≤t≤t″，t′為彈頭從起動至導氣孔的時間，t″為后效期結(jié)束時間；S′為活塞的橫截面積。

計算得到的氣室壓力曲線如圖4所示。

3）ADAMS中主動力施加的實現(xiàn)

為實現(xiàn)機槍每個自動過程的循環(huán)，必須在每次槍彈擊發(fā)時施加主動力。因此通過函數(shù)（Function）來定義虛擬樣機中的主動力，當槍機框體與擊針接觸時開始施加槍膛合力，當槍彈通過導氣孔時開始施加氣室壓力。

2.2.3 邊界條件的確定

對于射手邊界條件，將射手的抵肩作用簡化成以集總參數(shù)表示的線彈性時不變系統(tǒng)，人體的作用完全可以通過一個施加在機槍尾端即槍托部分的集總參數(shù)模型來替代；對于土壤邊界條件，因為該機槍后坐力較小，采用集總參數(shù)模型將駐鋤與土壤的相互作用問題簡化為具有圓形底面的剛性質(zhì)量塊與無限大、均質(zhì)、各向同性的線彈性介質(zhì)之間的相互作用問題。由此，建立了機槍系統(tǒng)的虛擬樣機模型［5-6］。

3 仿真結(jié)果的分析與校核

3.1 自動機運動速度的仿真分析

3.1.1 槍機的運動分析

機槍連發(fā)射擊時槍機運動速度曲線如圖5所示。將槍口朝向定為運動的負方向，則圖中標識1處為閉鎖過程，左側(cè)拐點為槍機復(fù)進到位，右側(cè)拐點為閉鎖過程結(jié)束，擊針擊發(fā)底火。從圖中可以看出，擊發(fā)時刻槍機速度小于0，說明擊發(fā)是在槍機前進的過程中發(fā)生的，即前沖擊發(fā)。標識2處為開鎖過程，過程中左側(cè)拐點至右側(cè)拐點槍機速度有下降趨勢，是由于在此期間還未開鎖，槍機的運動受到內(nèi)機匣的限制導致其速度減小。標識3處，槍機受到槍機框的后坐撞擊，速度突然增加，隨后槍機與槍機框一起后坐。標識4處為槍機與槍機框共同后坐到位時與內(nèi)機匣碰撞接觸導致速度突然降低。另外從圖中可以看出第1發(fā)的復(fù)進過程和后3發(fā)相比，其速度明顯偏小，是因為在射擊開始時槍機靜止處于待發(fā)位置，而后3發(fā)復(fù)進時槍機都有一定的初速，符合實際情況。

3.1.2 槍機與槍機框的運動對比分析

圖6所示為一個射擊循環(huán)過程中槍機相對于槍機框的運動速度曲線。

圖中階段1為槍機和槍機框復(fù)進過程；階段2為閉鎖、擊發(fā)和開鎖過程；階段3為后坐過程。

由圖中可以看到，大部分時間槍機與槍機框的速度是一致的，不一致的只有圖中圈出的四處。其中標識1處，槍機因復(fù)進到位與內(nèi)機匣碰撞導致速度減小，但槍機框會繼續(xù)前進，完成閉鎖、擊發(fā)動作，所以槍機框的速度變化有所延遲。槍機在閉鎖過程結(jié)束時速度的突然增大是槍機框撞擊擊針繼而與槍機碰撞所致。標識2處，槍彈運動至導氣孔位置，槍機框受氣室壓力的作用速度繼續(xù)上升，而槍機受內(nèi)機匣的限制，速度有所下降，導致兩者的速度變化有所差異。開鎖后槍機框帶動槍機一起后坐，后坐過程中如圖中局部放大圖所示，槍機框和槍機的速度有細小的差別，這是槍機框與槍機中卡鐵的間隙所致，此間隙也導致了標識3處兩個部件速度的差異。這都是符合實際情況的。

3.1.3 內(nèi)機匣的運動分析

機槍連發(fā)射擊時內(nèi)機匣的運動速度曲線如圖7所示。從圖中可以看出機槍在發(fā)射過程中內(nèi)機匣大部分時間處于浮動狀態(tài)。其中標識1處，內(nèi)機匣速度為0，是由于內(nèi)機匣復(fù)進過程中其掛鉤機構(gòu)使內(nèi)機匣靜止處于外機匣上，這個機構(gòu)的運用使每發(fā)槍彈射擊時內(nèi)機匣與外機匣位置保持相對一致，保證了槍身浮動的穩(wěn)定性。標識2處，閉鎖后一起運動的槍機與內(nèi)機匣受到了槍機框的撞擊使內(nèi)機匣速度突然增大。標識3處，內(nèi)機匣受槍膛合力的作用使之具有較大正向加速度，速度正向突然增大，之后又受氣室壓力反力的作用，使內(nèi)機匣有了負向的較大加速度，因此，其速度突升突降。標識4處，內(nèi)機匣的速度由負突變?yōu)檎?，是因為槍機的后坐即將終了時，與剛開始復(fù)進的內(nèi)機匣有微小的碰撞。這也都是符合實際情況的。

3.2 自動機運動速度的校核

圖8和圖9所示分別是槍機和內(nèi)機匣運動速度的試驗測試曲線。通過與圖5和圖7的比較，發(fā)現(xiàn)曲線的變化趨勢基本一致，并且仿真計算結(jié)果與武器的試驗測試結(jié)果誤差較小。

為了更加清晰的說明仿真結(jié)果的可信性，表2和表3給出了機槍連發(fā)射擊時幾個具有代表性的槍機、內(nèi)機匣運動瞬時速度仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比較。

從表2和表3可以看出，槍機和內(nèi)機匣運動速度的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的誤差均小于5%，符合虛擬樣機建立的要求，仿真結(jié)果具有較高的可信性。

4 結(jié)束語

筆者利用三維建模軟件和仿真分析軟件，建立了該新型重機槍的動力學仿真模型，獲得了射擊過程中主要部件的動力學特性，并深入剖析了其運動特點及形成原因，通過對自動機仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的可行性及計算精度，為下一步運動分析及結(jié)構(gòu)改進打下了良好的基礎(chǔ)。

（References）

［1］李濤，王瑞林，張軍挪，等.某型轉(zhuǎn)管機槍剛?cè)狁詈隙囿w發(fā)射動力學仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2013，25（6）：1382-1387.

LI Tao，WANG Ruilin，ZHANG Junnuo，et al.Simulation of coupled rigid and flexible multi-body dynamics on the Gatling gun［J］.Journal of System Simulation，2013，25（6）：1382-1387.（in Chinese）

［2］金志明.槍炮內(nèi)彈道學［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

JIN Zhiming.Gun interior ballistics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004.（in Chinese）

［3］李濤，王瑞林，吳海鋒.基于虛擬樣機的某型轉(zhuǎn)管機槍動力學仿真［J］.機械設(shè)計.2013，30（4）：89-91.

LI Tao，WANG Ruilin，WU Haifeng.Dynamic simulation analysis of Gatling gun based on virtual protomodel［J］.Journal of Machine Design.2013，30（4）：89-91.（in Chinese）

［4］張軍挪.某型重機槍結(jié)構(gòu)動力學仿真與參數(shù)優(yōu)化［D］.石家莊：軍械工程學院，2007.

ZHANG Junnuo.Structure dynamics simulation and parameter optimization of a type of heavy machine gun［D］.Shijiazhuang：Ordnance Engineering College，2007.（in Chinese）

［5］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

LI Zenggang.ADAMS detailed introduction and examples［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

［6］胡志剛，何卡曼.剛?cè)狁詈夏Ｐ驮跈C槍發(fā)射動力學仿真中的應(yīng)用［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2008，（1）：35-38.

HU Zhigang，HE Kaman.Application of rigid-flexible multi-body coupling model in dynamics simulation of machine gun fire system［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2008，（1）：35-38.（in Chinese）

Kinematic Analysis of the New Heavy Machine Gun Automaton Based on Virtual Prototype

FAN Zhiteng1，WANG Ruilin1，LI Tao1，HUA Binbin1，LIANG Guangjian2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.77627Unit of PLA，Lasa 850000，Tibet，China）

In order to study the automaton dynamic characteristics of a certain type of heavy machine gun，taking the machine gun as the study object，based on analyzing its structural characteristics and movement principle，the dynamics model of the machine gun was established with the help of considering the boundary conditions of shooter and soil and by use of ADAMS software.The kinematic characteristics of bolt and inner receiver in three rounds bursts of fire were analyzed.The movement velocity of bolt and bolt carrier were analyzed comparatively.And one of the firing cycles was studied in depth.Respectively choosing the velocity of bolt and inner receiver as the checkout target，the simulation results were compared with the test data，the feasibility of the simulation results was verified.The study results can provide the foundation for further movement analyzing，parameter matching and structural optimization of the machine gun.

new heavy machine gun；virtual prototype；automaton；dynamics simulation；kinematic analysis

TJ25

A

1673-6524（2014）02-0020-05

2013-11-18；

2014-01-17

范智滕（1990-），男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動力學理論與應(yīng)用研究。E-mail：zhitengfan＠163.com