基于AMESim大口徑步槍緩沖器設(shè)計(jì)與仿真

任　琳，王　剛

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原　030000)

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基于AMESim大口徑步槍緩沖器設(shè)計(jì)與仿真

任琳，王剛

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原030000)

摘要：一般多數(shù)大口徑步槍采用膛口裝置和彈簧緩沖器抵制全槍后坐，但后坐行程較大，不利于武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。而液壓緩沖器制動(dòng)效果平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)輕便，加裝液壓緩沖器，能夠有效地減小膛底合力峰值時(shí)沖擊力。借鑒固定流液孔式緩沖器、液壓元件節(jié)流閥工作原理以及細(xì)長(zhǎng)小孔流液特征，設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)后坐與復(fù)進(jìn)的彈簧—液壓緩沖器，在AMESim軟件中設(shè)置原12.7 mm口徑步槍相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算。結(jié)果表明：自適應(yīng)液壓緩沖器能夠在較短后坐距離上制動(dòng)槍管后坐，有效減小后坐活動(dòng)部件的后坐力和沖擊效應(yīng)，為大口徑步槍減后坐研究提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：液壓緩沖器；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；沖擊力；制退效率

Citation format:REN Lin, WANG Gang.Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):45-48.

大口徑步槍口徑一般在12.7～20 mm之間，通常采用高破壞力彈藥[1]，是一種專為破壞敵方輕型裝甲車(chē)輛、飛機(jī)、工事掩體、船只等軍用器材及物資的步槍。步槍射擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大后坐效應(yīng)，部分國(guó)家采取高效彈簧—液壓緩沖器[2]提供后座阻力，可減小步槍后坐效應(yīng)，把作用時(shí)間短促的槍膛合力引起的全槍后坐，轉(zhuǎn)化為制動(dòng)步槍后坐的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，并將部分后坐動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能和彈性勢(shì)能(用以使槍機(jī)或槍管復(fù)進(jìn))，最終停止在一定的后坐距離上。研究高效吸能、受力平穩(wěn)的液壓緩沖技術(shù)，在減小后坐沖擊和提高武器射擊精度方面有重要意義。

1緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

該步槍系統(tǒng)采用槍管短后坐非自動(dòng)原理，緩沖器采用活塞桿后坐原理，后坐過(guò)程中槍管和閉鎖機(jī)構(gòu)剛性閉鎖，扣合在一起共同后坐。設(shè)計(jì)目的是減少槍管后坐力，確保槍管平穩(wěn)后坐，提高射擊精度。

圖1中:曲線1表示采用一般彈簧緩沖器的槍管后坐力曲線；曲線2表示采用液壓緩沖器的槍管后坐力曲線；曲線3表示理想狀態(tài)下的槍管后坐力曲線。

圖1　步槍在3種情況下的槍機(jī)受力曲線

借鑒固定流液孔式緩沖器、節(jié)流閥以及細(xì)長(zhǎng)小孔流液特征，設(shè)計(jì)一種根據(jù)液壓油壓強(qiáng)自適應(yīng)[3]調(diào)節(jié)后坐與復(fù)進(jìn)的彈簧—液壓緩沖器結(jié)構(gòu)。活塞桿與槍管剛性連接，在膛底合力、槍管復(fù)進(jìn)簧、自身慣性及緩沖器液壓阻力等共同作用下加速后坐。緩沖器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.復(fù)進(jìn)孔節(jié)流閥； 2.緩沖器活塞； 3.緩沖器外壁； 4.活塞與活塞桿連接頭； 5.復(fù)進(jìn)孔節(jié)流閥控制活塞； 6.后坐孔節(jié)流閥； 7.貫通孔(與結(jié)構(gòu)5的活動(dòng)腔相通)； 8.活塞桿； 9.復(fù)進(jìn)流液孔； 10.后坐流液孔

圖2液壓緩沖器活塞桿結(jié)構(gòu)

后坐原理[4]：后坐時(shí)，整個(gè)活塞桿及活塞結(jié)構(gòu)向后坐腔運(yùn)動(dòng)，活塞工作面擠壓后坐腔液體，液體壓強(qiáng)升高，通過(guò)后坐流液孔作用在結(jié)構(gòu)6后坐孔節(jié)流閥，使其向復(fù)進(jìn)腔方向運(yùn)動(dòng)，控制結(jié)構(gòu)10后坐流液孔的開(kāi)閉大小，調(diào)節(jié)后坐腔液體向復(fù)進(jìn)腔流動(dòng)。同時(shí)結(jié)構(gòu)1復(fù)進(jìn)流液孔節(jié)流閥受后坐腔高壓液體的作用，保持與活塞凹部的閉合狀態(tài)，以確保避免回流現(xiàn)象。在后坐過(guò)程中，工作腔壓力始終作用在制退活塞的后坐腔一側(cè)，此液壓力作用在制退活塞上的合力，即為阻止后坐的液壓阻力。

緩沖器復(fù)進(jìn)原理：復(fù)進(jìn)簧為活塞桿復(fù)位提供復(fù)進(jìn)力，液壓原理同后坐類似，不做贅述。

2緩沖器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1全槍系統(tǒng)模型

在膛底合力、槍管復(fù)進(jìn)簧、導(dǎo)軌摩擦力、緩沖器液壓阻力、緩沖器綜合摩擦力以及后坐部分慣性力的共同作用下制動(dòng)后坐，取槍管為研究對(duì)象，受力分析如圖3所示。

圖3　制動(dòng)后坐階段槍管受力分析

建立槍管運(yùn)動(dòng)速度數(shù)學(xué)模型如下

式中:V1′為初始后坐速度；mh為后坐部件質(zhì)量；FPt為槍膛合力；R1為制動(dòng)后坐階段后坐阻力

R1=Fs+N1f1+N2f2+Fh1+Fh2-mhgcosθ

觀察組：男、女占比各為24:16；年齡段在45～66歲之間，經(jīng)計(jì)算后中位年齡為（55.52±1.34）歲。

式中：Fs為液壓阻力；N1f1為槍管和導(dǎo)軌摩擦力；N2f2為緩沖器活塞和液壓缸間摩擦力；Fh1為槍管復(fù)進(jìn)簧力；Fh2為緩沖器復(fù)進(jìn)簧力；mhgcosθ為后坐部件質(zhì)量軸向分力。

2.2液壓系統(tǒng)模型

2.2.1緩沖器液壓系統(tǒng)基本假設(shè)[4]

1) 流體視為不可壓縮；

2) 液體流動(dòng)視為一維定常流動(dòng)；

3) 流體在緩沖器中的流動(dòng)以地球?yàn)閼T性參考系[4]。

2.2.2緩沖器流體力學(xué)方程推導(dǎo)

1) 連續(xù)性方程

式中:ωY為液體流經(jīng)管道任一截面的流速；ax為管道任一截面面積；C為常數(shù)。

該方程為不可壓縮液體做定常流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程，表明通過(guò)管道任一通流截面流量相等，并且從方程可知，在流量一定時(shí)，流速與截面面積成反比?；钊麠U以速度V后坐，則液體相對(duì)于活塞桿以速度V流向流液孔，并以相對(duì)速度ω2流經(jīng)流液孔。

2) 伯努利方程

3) 液流速度計(jì)算

緩沖器為活塞后坐式制退器，活塞以速度V后坐，則在單位時(shí)間dt內(nèi)，活塞移動(dòng)距離為dx。得

故可以求得活塞直徑

4) 桿后坐液壓阻力方程及細(xì)長(zhǎng)流液孔設(shè)計(jì)

后坐時(shí)活塞有效工作面積

故后坐腔室工作面壓力和阻力分別為

其中K為液體阻力系數(shù)。

因而得到流液孔面積[5]：

2.3AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)建模

AMESim軟件為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，涵蓋了液壓、液壓管路、液壓元件設(shè)計(jì)、液壓阻力以及機(jī)械等領(lǐng)域的建模和仿真。

1.常用液壓屬性； 2.零速度源固定源； 3.彈簧； 4.線性機(jī)械連接； 5.信號(hào)轉(zhuǎn)化為力； 6.樣條曲線信號(hào)輸入； 7.帶確定容積的活塞； 8、10.流液管道； 9.節(jié)流閥；11.帶端點(diǎn)限制的質(zhì)量塊； 12.帶彈簧的活塞

圖4液壓緩沖器簡(jiǎn)化建模

槍管、閉鎖機(jī)構(gòu)及緩沖器活塞桿等后坐部分的質(zhì)量簡(jiǎn)化到質(zhì)量塊11中，緩沖器液壓系統(tǒng)由一個(gè)液壓缸和節(jié)流閥及相應(yīng)的管道組成。如圖4所示，元件1為緩沖器內(nèi)液壓油參數(shù)，元件3為槍管復(fù)進(jìn)簧，管線8、10總長(zhǎng)即表示流液孔長(zhǎng)度，元件9為后坐孔節(jié)流閥。將某12.7mm步槍無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)膛底合力連續(xù)樣條信號(hào)(無(wú)單位)輸入元件6，使元件5產(chǎn)生膛底合力(加上力的單位)，并通過(guò)線性機(jī)械連接元件4同時(shí)作用于槍管復(fù)進(jìn)簧和緩沖器。液壓缸采用軟件中液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)元件組成，設(shè)置活塞直徑為35 mm，活塞桿直徑為15 mm，活塞工作行程長(zhǎng)度區(qū)間0～40 mm，元件12中的彈簧剛度系數(shù)設(shè)為42 N/mm,預(yù)壓力為300N；管道橫截面積即為后坐流液孔面積之和，設(shè)為14.13 mm2，長(zhǎng)即為后坐流液孔長(zhǎng)度，設(shè)為15 mm；元件11質(zhì)量塊，設(shè)置質(zhì)量為8.3 kg，位移區(qū)間為0～40 mm；元件9節(jié)流閥開(kāi)啟壓力為160 bar；槍管復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力為118 N，剛度系數(shù)取20 N/mm。

3仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真計(jì)算得出數(shù)據(jù)曲線圖，如圖5。曲線y1為無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)膛底合力曲線，曲線y2為緩沖器和槍管剛性連接體的后坐力曲線，在膛底合力出現(xiàn)最大峰值y1=42 535 N時(shí)，槍管后坐合力y2=132 87 N，即在膛底合力短時(shí)間內(nèi)急劇增大時(shí)， 緩沖器提供制退的液壓阻力，能夠抵消部分膛底合力，使槍管等后坐部件急劇受力轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)受力，使得槍管后坐力呈現(xiàn)出典型的梯形曲線。由于緩沖器結(jié)構(gòu)中彈簧特性，節(jié)流閥彈簧微小簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，流液孔開(kāi)閉呈現(xiàn)規(guī)律開(kāi)閉，從而使油液產(chǎn)生間歇流動(dòng)，槍管受力呈現(xiàn)出時(shí)間極為短暫的簡(jiǎn)諧衰減現(xiàn)象，直至為零。

圖5　槍管膛底合力與后坐力曲線對(duì)比

從圖6、圖7可知，槍管位移速度達(dá)到最大值8.003 4 m/s后，液壓油從左腔流向右腔的流速達(dá)到最大值335.65 L/min，由于AMESim軟件管道參數(shù)誤差，流入右腔時(shí)，存在3.165 L/min的流速差，誤差率在0.942 9%，滿足液體不可壓縮的基本假設(shè)。圖8可知，槍管位移曲線平滑，沒(méi)有明顯的突兀折線， 0.004 s之后，從后坐速度曲線可知此時(shí)后坐速度接近0，仍有少量液壓油從左腔流至右腔，且流速呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，直至后坐速度為零，活塞兩側(cè)腔室油壓平衡，后坐節(jié)流閥關(guān)閉為止。

圖6　緩沖器液壓油流速曲線

圖7　槍管后坐速度曲線

圖8　槍管后坐位移曲線

從表1數(shù)據(jù)，可以看出，將自適應(yīng)彈簧—液壓緩沖器利用到大口徑步槍后坐過(guò)程，能有效平穩(wěn)地制動(dòng)槍管后坐，同某12.7 mm步槍緩沖器相比，在同等工作情況下，后坐速度持平，后坐距離減少，槍管后坐力減小明顯，最大膛壓時(shí)緩沖器提供后坐阻力29 248 N，瞬時(shí)減少膛底合力幅度達(dá)68.78%，改變了膛底合力對(duì)后坐活動(dòng)件急劇變化的力學(xué)特性。

表1　某12.7 mm步槍兩類緩沖器參數(shù)比照

4結(jié)論

大口徑步槍液壓緩沖器較節(jié)制桿[1]、固定流液口類液壓緩沖器[2]相比，能有效制動(dòng)槍管后坐，提高射擊精度，利于武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)[ 6-7 ]。

在液壓系統(tǒng)仿真中，與Matlab/simulink相比，AMESim軟件有建模簡(jiǎn)易，計(jì)算方便等優(yōu)勢(shì)，在小口徑火炮制退系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，能夠提供有效的仿真數(shù)據(jù)以供參考，加快研發(fā)速度。

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(責(zé)任編輯周江川)

Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim

REN Lin, WANG Gang

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030000, China)

Abstract:Most of the large caliber firearms utilize muzzle device and spring buffer to counteract the whole recoil of the gun, but the large working stroke is not conducive to the lightweight design of weapon system. While the effect of hydraulic buffer is smooth and structure is light, and hydraulic buffer can effectively reduce the impact force while bore-bottom resultant force acts on barrel. Referring to the working principle of fixed bottom-orifice buffer, hydraulic throttle valve and liquid characteristics of flowing into slender holes, we designed hydraulic buffer to adaptively adjust recoil and set the related parameters of the 12.7 mm caliber firearms into AMESim software for calculation systematically. The results show that: in a short working stroke, the hydraulic buffer should brake barrel recoil effectively and reduce the impact of bore-bottom resultant force, which provides a certain reference for the large caliber firearms research of reducing recoil.

Key words:hydraulic buffer; adaptive adjustment; impact; recoil efficiency

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0045-04

中圖分類號(hào)：TJ203+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.012

作者簡(jiǎn)介：任琳(1988—)，男，碩士，主要從事火炮與自動(dòng)武器減后坐技術(shù)研究。

收稿日期：2015-08-28；修回日期：2015-09-12

本文引用格式：任琳，王剛.基于AMESim大口徑步槍緩沖器設(shè)計(jì)與仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):45-48.

【裝備理論與裝備技術(shù)】