模塊化雙初速自動機動力學實驗與數(shù)值研究

齊玉輝，顧新華，徐 誠

（南京理工大學 機械工程學院，南京210094）

大口徑機槍與自動榴彈發(fā)射器是2種班組支援武器，一般需要采用2種不同的自動機才能完成自動發(fā)射功能，研制和生產成本高、可維修性差。因此，研究一種同時適用于大口徑機槍和自動榴彈發(fā)射器的通用自動機，成為世界各國輕武器研究的熱點之一。美國于20世紀末提出了“理想班組支援武器（OCSW）”計劃，研制25mm榴彈發(fā)射器。21世紀初美國改進了原有理想班組支援武器計劃，提出12.7mm口徑重機槍（XM312）和25mm口徑榴彈發(fā)射器（XM307）通用模塊化自動發(fā)射系統(tǒng)，最大程度地提高班組作戰(zhàn)效能［1－4］，降低裝備成本。美國的XM312和XM307采用導氣式與槍身長后坐相結合方式，主要結構有供彈輪、槍機加速機構，利用彈藥適配器實現(xiàn)左右雙向供彈，實現(xiàn)全自動射擊、雙口徑雙初速半自動［5］。但該自動機結構復雜，制造成本高。本文采用模塊化設計理念，提出一種結構更簡單的模塊化雙初速自動機技術方案，可以實現(xiàn)不同火力、2種口徑、不同作戰(zhàn)目標班組支援武器間的轉換，以有效地滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭復雜戰(zhàn)況的需要。通過仿真計算分析了參數(shù)匹配情況和影響規(guī)律，通過實驗驗證了方案的可行性。

1 新型模塊化雙初速自動機技術方案

1.1 重機槍和自動榴彈發(fā)射器內彈道差異分析

12.7 mm重機槍和25mm自動榴彈發(fā)射器內彈道特性對比如表1所示。表中，d為槍管口徑，L為槍管長度，t為時間，s為彈丸位移，v為彈丸速度，pmax為最大壓力，ˉp為平均壓力。25mm自動榴彈發(fā)射器彈質量為142.0g，最大膛壓為119.7MPa，彈丸初速為426.2m／s；12.7mm重機槍彈質量為48.2g，最大膛壓為298.3MPa，彈丸初速為785.3m／s。12.7mm重機槍最大膛壓是25mm自動榴彈發(fā)射器的2.45倍，彈丸初速是后者的1.84倍，槍口動能是后者的1.15倍，兩者差異非常大，采用同一個內能源自動機完成自動發(fā)射難度很大。

表1 內彈道特性對比

1.2 新型模塊化自動機技術方案

為了同時滿足12.7mm重機槍和25mm自動榴彈發(fā)射器的自動發(fā)射，本文選擇合適的自動機行程，選用2種不同的導氣孔位置和導氣孔面積匹配復進機參數(shù)，提出了一種新型模塊化通用自動機技術方案。該自動機主要結構包括：通用槍機框體及其組件、通用機匣體及其組件、通用復進簧及其組件、彈底緣不同的槍機及其組件、通用發(fā)射機體及其組件、通用槍尾部件及其組件、通用彈鏈壓板及其組件、12.7mm專有槍管組件、12.7mm專有供彈滑板組件、25mm專有槍管組件和25mm專有供彈滑板組件。將12.7mm專有組件與通用組件組合，可以形成12.7mm重機槍，如圖1所示；將25mm專有組件與通用組件組合，可以形成25mm自動榴彈發(fā)射器，如圖2所示。自動機采用導氣式工作方式，活塞行程長，閉鎖片偏移式閉鎖，槍機框與活塞固連成一體，始終一起運動；同時增加了槍機框的質量，提高了槍機框抗初速變化的能力［6］。

圖1 12.7mm重機槍模型

圖2 25mm自動榴彈發(fā)射器模型

2 自動機匹配特性數(shù)值仿真

2.1 虛擬樣機仿真建模

將新型模塊化自動機CAD模型導入ADAMS中，建立了重機槍和榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動機虛擬樣機模型，模型考慮了21個剛體：表尺、撥叉、撥彈杠桿、彈殼、彈、緩沖簧蓋、導鏈板、機匣、發(fā)射機構、內撥彈滑板、槍管、內撥彈齒、拋殼挺、槍機、槍機框、槍尾、上機蓋、外撥彈齒、外撥彈滑板和左、右閉鎖片。槍管、槍尾、機匣等都相對于地面固定不動，2種武器發(fā)射狀態(tài)導氣室內火藥氣體壓力采用布拉文公式［4］確定，施加于槍機框上。

2.2 模塊化自動機動力學特性數(shù)值仿真分析

仿真計算得到了12.7mm重機槍和25mm自動榴彈發(fā)射器在發(fā)射狀態(tài)時自動機槍機速度v1、槍機框速度v2的曲線，如圖3所示。在發(fā)射狀態(tài)時，12.7mm重機槍槍機框后坐最大速度與實驗相差2%，25mm自動榴彈發(fā)射器槍機框后坐最大速度與實驗相差4.5%，仿真計算獲得的自動機槍機框運動特性與實驗結果基本一致。仿真結果表明：槍機和槍機框在完成自由行程以后，速度大小呈階梯性下降，這是由于在開鎖過程中槍機和槍機框撞擊左右閉鎖，產生了反向瞬時加速度。開鎖過程完成后，槍機框和槍機共同運動，位移和速度基本相同。為了避免出現(xiàn)過早開鎖，在一個周期即將結束時，防反跳裝置將使槍機框的不平穩(wěn)抖動越來越小，但這個過程也會造成一定的能量損失。

圖3 自動機速度曲線

通過仿真計算可得供彈機構供彈過程2種彈丸的運動情況，結果如圖4所示。該結果表明：2種彈丸的運動趨勢基本一致，重機槍輸彈時刻略早于榴彈發(fā)射器，12.7mm彈丸運動過程中的速度略大于25mm彈丸；該結構的雙初速自動機能夠平穩(wěn)、順利地完成2種口徑彈藥的進彈與輸彈過程，滿足動力匹配要求。

圖4 輸彈過程彈丸位移曲線

2.3 參數(shù)對自動機工作頻率的影響

1）導氣裝置參數(shù)的影響。

如圖5所示，通過仿真計算得到了榴彈發(fā)射器和重機槍在導氣孔位置不變的情況下，導氣孔直徑dh的變化對自動機工作頻率f的影響。仿真結果表明，自動機的發(fā)射頻率隨導氣孔直徑的增大而增大，因此可以通過改變導氣孔直徑調節(jié)武器工作射頻，調節(jié)范圍可達26%。

圖5 導氣孔直徑變化對射擊頻率的影響

圖6給出了重機槍和榴彈發(fā)射器在導氣孔直徑不變的條件下，導氣孔位置lh對自動機工作頻率f的影響。由圖可見，在一定范圍內導氣孔離槍管后端面越遠，進入導氣室內壓力越大，自動機獲得的初速越高，同時復進速度越快，自動機工作頻率越高。因此可以通過調節(jié)導氣孔位置來調節(jié)武器工作射頻，調節(jié)范圍至少可達29%。

圖6 導氣孔位置變化對自動機射擊頻率的影響

2）復進裝置參數(shù)的影響。

圖7、圖8分別給出了復進簧剛度系數(shù)k1、預壓力F0對模塊化自動機工作頻率影響情況的計算結果。

圖7 復進簧剛度對射擊頻率的影響（F0＝200N）

圖8 復進簧預壓力對射擊頻率的影響（k1＝0.83N／mm）

在預壓力F0不變的條件下，增加彈簧剛度能夠縮短復進時間，提高發(fā)射頻率。當復進簧剛度為定值時，隨著預壓力的增大復進時間減小，發(fā)射頻率提高。而復進簧剛度對自動機工作頻率的調節(jié)作用比預壓力大。選取復進簧不同預壓力F0和剛度系數(shù)k1對自動機進行仿真計算，結果表明，k1＝0.83N／mm，F(xiàn)0＝200N時，12.7mm 重機槍和25mm自動榴彈發(fā)射器2種發(fā)射狀態(tài)匹配合理。

3）緩沖裝置參數(shù)的影響。

緩沖裝置吸收自動機后坐到位時的多余能量，減輕與槍尾碰撞。圖9、圖10分別給出了重機槍緩沖裝置剛度系數(shù)k2、阻尼系數(shù)C對自動機發(fā)射頻率的影響。結果表明：隨著緩沖簧剛度增大，自動機發(fā)射頻率提高；但緩沖簧剛度對槍尾作用力和后坐時間影響較小，對復進時間影響較大。當k2較大時，復進到位時緩沖簧的壓縮時間短，動能在轉化成勢能的過程中能量損耗減小，動能更多地反饋到復進過程中，從而減少了復進到位時間。緩沖裝置阻尼系數(shù)增大時自動機發(fā)射頻率降低，這是因為自動機后坐到位時緩沖裝置的阻尼器將部分動能轉化為熱能，減小了槍尾作用力，同時伴隨著能量損失，這造成復進過程能量減少，復進時間增長。

圖9 緩沖器剛度對射擊頻率的影響

圖10 緩沖器阻尼系數(shù)對射擊頻率的影響

3 自動機匹配特性實驗驗證

本文采用磁電測速法測量新型模塊化自動機原理樣機在25mm自動榴彈發(fā)射器和12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)的速度（va）－時間曲線和位移（sa）－時間曲線，測試系統(tǒng)框圖如圖11所示，傳感器采用的是YSW型磁電式位移傳感器，調理器為YSW型阻抗變換器，數(shù)據(jù)采集采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗結果如圖12和圖13所示。

圖11 測試系統(tǒng)框圖

圖12 25mm自動榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動機槍機框速度、位移曲線

圖13 12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)自動機槍機框速度、位移曲線

圖12 是25mm自動榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動機實驗結果，自動機的槍機框后坐最大速度為8.32m／s，槍機框后坐到位速度為2.35m／s，槍機框復進到位速度為3.93m／s，自動機可以完成自動發(fā)射和自動供彈動作，后坐階段工作時間為0.046s，復進工作時間為0.074 3s。

圖13是12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)自動機實驗結果，自動機的槍機框后坐最大速度為8.57m／s，槍機框后坐到位速度為3.40m／s，槍機框復進到位速度為4.96m／s，自動機可以完成自動發(fā)射和自動供彈動作，后坐階段工作時間為0.042 2s，復進工作時間為0.066 9s。與25mm自動榴彈發(fā)射器相比，12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)自動機槍機框后坐到位速度提高了31%，復進到位速度提高了21%，12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)發(fā)射頻率提高。12.7mm重機槍發(fā)射狀態(tài)自動機工作頻率為550min－1，25mm自動榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動機工作頻率為498min－1，滿足2種武器的發(fā)射頻率要求，這說明本文提出的的新型模塊化自動機技術方案可以同時滿足12.7mm重機槍和25mm自動榴彈發(fā)射器的自動發(fā)射需要，可匹配2種武器發(fā)射狀態(tài)。

4 結論

①對于給定的自動機行程，采用2種不同的導氣孔位置和導氣孔面積，匹配復進機參數(shù)，提出了一種適用于12.7mm／25mm雙口徑雙初速的新型模塊化通用自動機技術方案，進行了自動機匹配特性實驗，證實了原理可行性及技術方案對2種口徑、2種初速自動發(fā)射的適應性。

②建立了模塊化通用自動機虛擬樣機模型，通過仿真計算揭示了2種工作狀態(tài)自動機運動學和動力學特性。通過仿真計算獲得了導氣孔直徑、導氣孔位置、復進簧剛度、緩沖器剛度及預壓力參數(shù)變化對發(fā)射頻率的影響規(guī)律。

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