彈簧雙向工作延遲機構(gòu)設(shè)計與分析

吳 臣，楊 臻，徐伏波

(1.中北大學(xué)，太原 030051;2.國營第二三六廠，重慶 402260)

國內(nèi)外許多手槍和輕型、微型沖鋒槍采用自由槍機式自動原理;許多自動榴彈發(fā)射器也采用這種自動原理。自由槍機式武器是依靠槍機的慣性來關(guān)閉彈膛，它的槍機結(jié)構(gòu)為一體式，且與機匣或槍管不是剛性扣合;發(fā)射時在膛底合力的作用下槍機可以自由向后運動。因此，為了保證自由槍機式武器正常工作就必須采用大質(zhì)量的槍機。然而大質(zhì)量槍機所帶來突出的問題是槍機后坐到位時對機匣的撞擊劇烈，這將影響到射擊的精度［1-2］。

半自由槍機后坐方式又稱延遲后坐方式，廣泛應(yīng)用在自動武器中。它是通過轉(zhuǎn)換質(zhì)量方式使較小的質(zhì)量構(gòu)件具有較大慣性力來實現(xiàn)降低后坐速度、減小后坐對機匣的撞擊有利于提高武器射擊精度。

在整個后坐過程中，彈簧作為主要儲能器件，在結(jié)構(gòu)運動中起到關(guān)鍵作用?，F(xiàn)階段自動武器中的緩沖簧多為一端固定另一端受壓，簧力隨后坐位移成線性分布。如果在后座過程中實現(xiàn)固定端與后坐方向反向運動，在后座結(jié)束前緩沖簧尾端歸位，通過結(jié)構(gòu)運動調(diào)整后坐與復(fù)進過程緩沖簧力分布，可實現(xiàn)同一緩沖簧在同樣后坐行程中做功提高，對減小后坐速度、武器質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化有著重要意義。

本文依據(jù)上述設(shè)想提出了一種在傳統(tǒng)滾柱式延遲后坐方式的基礎(chǔ)上提高彈簧工作效能的新型延遲后坐機構(gòu)，可稱為彈簧雙向工作延遲機構(gòu)。

1 彈簧雙向工作延遲機構(gòu)原理

傳統(tǒng)的滾珠式延遲后坐方式中，主動件通過滾柱推動從動件運動，主動件傳遞一部分動能給從動件，然后從動件與主運動件一起后坐［1～2］。如西德G3步槍所采用滾柱延遲機構(gòu)如圖1所示。如果從動件與主動件反向運動，從動件存在的動能來抵消主運動件的動能，則可以更大程度上提高減速效果，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)的延遲后座方式工作原理

圖2 工作構(gòu)件作用簡圖

彈簧雙向工作延遲后座結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中1為后坐運動件，是機構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)件;2是緩沖復(fù)位簧是機構(gòu)儲能部件;3是慣性塊為平移復(fù)位簧支撐件，它可作平動;4是滾軸是力傳遞構(gòu)件;5是固定座為固定構(gòu)件，支撐槍管。

后坐運動時，后坐運動件通過導(dǎo)引槽推動滾柱向下運動，滾柱作用在慣性塊的斜面上，推動慣性塊向前運動壓縮復(fù)位簧，后坐一段行程后通過導(dǎo)引槽上抬滾柱讓位，慣性塊在復(fù)位簧力作用下歸位，后坐運動件繼續(xù)后坐直至到位。

復(fù)位時，1號件在彈簧作用下向前運動并通過導(dǎo)引槽使?jié)L柱先向下運動，傳遞一部分能量給慣性塊，推動慣性塊向前運動，壓縮彈簧。經(jīng)過一段行程導(dǎo)引槽上抬滾柱，滾柱為慣性塊讓位，慣性塊在簧力作用下歸位，1號件在簧力作用下復(fù)進到位完成復(fù)進動作。

整個運動循環(huán)過程中1號件出現(xiàn)了3次能量的傳遞。后坐時1號件通過滾柱下壓慣性塊，通過轉(zhuǎn)換質(zhì)量原理加速塊提供一較大的轉(zhuǎn)換質(zhì)量，1號件速度降低。慣性塊壓縮彈簧把從1號件傳遞過來的能量傳遞給彈簧，使彈簧力提前達到一峰值，提高彈簧對1號件的減速效果。復(fù)進時在簧力作用下1號件復(fù)進，經(jīng)過一段行程后通過導(dǎo)引槽再次下壓滾柱，再次傳遞一部分動能給慣性塊，1號件速度降低。

這3次減速的效果前兩次降低后坐速度，減少后坐到位撞擊力，第3次降低復(fù)進中間過程的速度提高供彈動作的平穩(wěn)性，減小了到位速度，降低了前沖力。

2 機構(gòu)設(shè)計與分析

為驗證該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，本文利用彈簧雙向工作延遲機構(gòu)原理針對某型號自由槍機式手槍進行改進設(shè)計，并且利用ADAMS軟件分別對原槍結(jié)構(gòu)和改進的設(shè)計方案進行動力學(xué)仿真，然后利用Matlab調(diào)取結(jié)果數(shù)據(jù)并對比2種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)曲線。

2.1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)的對比

利用UG軟件對原槍槍機采用延遲結(jié)構(gòu)原理進行改進設(shè)計。對原槍一體的固定座改為加速塊與固定座兩部分。并對槍機其他位置進行減重設(shè)計來保證2種質(zhì)量參數(shù)一致。兩種模型運動機構(gòu)初始參數(shù)如表1所示。兩種方式結(jié)構(gòu)運動機構(gòu)裝配圖如圖3、圖4所示。2

圖3 自由后坐結(jié)構(gòu)模型

圖4 加延遲后座模型結(jié)構(gòu)

表1 運動件參數(shù)

.2 后坐力樣條曲線

利用Akima函數(shù)對兩種槍機施加的內(nèi)彈道膛壓樣條曲線如圖5所示。對模型施加初始約束條件運行仿真。

圖5 內(nèi)彈道后坐力曲線

2.3 調(diào)取延遲后坐結(jié)果數(shù)據(jù)

由仿真結(jié)果可知，延遲后坐機構(gòu)中槍機后坐通過曲線槽下壓滾軸推動加速塊往槍口方向運動，加速塊與滾軸脫離瞬間速度為-13 m/s(圖6);加速塊在0.00287 s時在彈簧力作用下與槍機達到相同速度6.8 m/s;此時彈簧力達到第一個峰值65.77 N;加速塊在彈簧作用下繼續(xù)加速運動，在0.00381 s時加速塊運動到位，此時彈簧力達到第一個極小值61.21 N(圖7)，加速塊停止運動，槍機繼續(xù)后坐壓縮彈簧直至后坐到位，簧力達到最大值。槍機在簧力作用下槍機復(fù)位。滾軸沿著曲線槽先下壓加速塊，加速塊向前運動，在即將復(fù)進到位時滾軸上抬讓位加速塊在彈簧力作用下在此歸位。

圖6 半自由后坐槍機與加速塊速度曲線

圖7 2種結(jié)構(gòu)緩沖復(fù)位簧力曲線對比

2.4 調(diào)取兩種仿真結(jié)果對比分析

依據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)繪制兩種后坐方式下的自動循環(huán)圖，如圖8所示。從圖8中可知，自由后坐的最大后坐速度為8.58 m/s，半自由后坐的最大后坐速度7.49 m/s。自由后坐后坐到位速度為 7.2 m/s，半自由后坐后坐到位速度為5.36 m/s。

半自由后坐槍機復(fù)進過程中滾柱先下壓加速塊這個過程對槍機進行第二次減速，在30 mm位置時由速度同為-3.44 m/s到27.2 mm 時半自由后坐槍機速度為 -3.34 m/s，自由后坐槍機-3.63 m/s，速度下降0.3 m/s對于該自動武器來講在這個階段是推彈入膛的時期，對槍機進行一次減速可以降低因撞擊進彈震動，降低卡彈、頂彈等故障的可能性。隨著滾柱上臺讓位，加速快歸位，槍機復(fù)進到位。自由槍機到位速度-4.38 m/s，半自由后坐到位速度 -4.2 m/s速度下降0.18 m/s。復(fù)進到位速度有所降低，對自動武器前沖震動有降低效果。

圖8 2種結(jié)構(gòu)槍機速度循環(huán)圖對比

依據(jù)圖9(a)所示，分別對后坐過程中的簧力變化時間積分，自由后坐的后坐行程內(nèi)彈簧總作用沖量 Ih1是0.4046 N·s;半自由后坐的后坐行程內(nèi)彈簧總作用沖量Ih2為0.5185 N·s?？梢运愕脹_量提升比為28.15%。

依據(jù)圖9(b)所示，分別對后坐過程中的簧力變化位移積分，自由后坐的后坐行程內(nèi)彈簧作用功W1為3.084 J;半自由后坐的后坐行程內(nèi)彈簧作用功W2為3.2628 J。可以算得做功提升比為5.8%。

圖9 2種結(jié)構(gòu)后坐過程中彈簧力變化曲線

依據(jù)圖10，槍機對固定座的撞擊力分析可知，自由后坐只有一個主要的脈沖力，大小為34090 N。而延遲后坐機構(gòu)在后坐過程中首先滾柱推動加速塊運動，這個過程中滾柱對固定座產(chǎn)生一個6238 N的脈沖力，而在后坐到位時，槍機對固定座的脈沖力為26600 N，與自由后坐的撞擊力相比下降了7490 N，下降比為22%。

圖10 2種后坐到位對固定座的撞擊力曲線

4 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)滾柱式延遲機構(gòu)進行分析，提出新的滾柱式彈簧雙向工作延遲機構(gòu)原理，并對應(yīng)用于實際機構(gòu)。對比結(jié)果數(shù)據(jù)，驗證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

利用該結(jié)構(gòu)有效降低后坐到位的速度，改善射擊后坐力，這有利于提高射擊精度。利用該結(jié)構(gòu)提高彈簧作用效率，優(yōu)化彈簧設(shè)計空間，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊。利用該結(jié)構(gòu)在復(fù)進過程中對主運動件進行二次減速，可降低復(fù)進過程中參與運動機構(gòu)的速度，提高進彈過程的機構(gòu)運動平穩(wěn)性。

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