某型大口徑機(jī)槍地面適應(yīng)性分析

范智滕，王瑞林，李永建

(1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安　710024；2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003)

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某型大口徑機(jī)槍地面適應(yīng)性分析

范智滕1，2，王瑞林2，李永建2

(1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024；2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

為研究某型大口徑機(jī)槍的地面適應(yīng)性，在分析了該槍架剛度的基礎(chǔ)上，以該機(jī)槍為研究對象，不考慮槍架的彈性變形，分析不同地面與駐鋤間的相互作用，建立了機(jī)槍在不同地面射擊時的穩(wěn)定性理論模型。通過計算，結(jié)果表明該機(jī)槍有很好的地面適應(yīng)性。對不同的駐鋤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了勤務(wù)使用方面的指導(dǎo)意見，發(fā)現(xiàn)了機(jī)槍采用不同駐鋤結(jié)構(gòu)射擊時穩(wěn)定性不同的本質(zhì)，并依此提出了駐鋤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。通過理論建模與對比分析，在一定程度上說明了優(yōu)化方案的可行性。

大口徑機(jī)槍；地面適應(yīng)性；駐鋤；穩(wěn)定性；理論模型

某型大口徑機(jī)槍的作戰(zhàn)區(qū)域主要位于海拔較高的高原山地，嚴(yán)酷的作戰(zhàn)環(huán)境要求該機(jī)槍必須適合山地復(fù)雜環(huán)境架設(shè)，并在多種地面環(huán)境下都有良好的射擊精度。在該機(jī)槍的設(shè)計過程中為減輕質(zhì)量提高機(jī)動性，在槍身尤其是槍架的設(shè)計上采用了大量新材料和新工藝，但是，武器系統(tǒng)質(zhì)量的減小不可避免地會帶來射擊精度的降低。因此，必須對其地面適應(yīng)性進(jìn)行充分的論證研究。

根據(jù)以上背景，筆者從機(jī)槍在不同地面上射擊時的穩(wěn)定性理論模型入手，對該機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性進(jìn)行計算和分析，得出了相關(guān)結(jié)論并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了駐鋤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1　槍架剛度的計算

所謂槍架的剛度，是指作用于槍架端點(diǎn)的外載荷與所產(chǎn)生的位移的比值，用剛度系數(shù)C來表示。槍架所受的主動力主要是槍身后坐階段的作用力，槍架的變形主要體現(xiàn)在后架桿部分，因左后架桿和右后架桿在結(jié)構(gòu)上是對稱的，計算時可先計算單個后架桿的剛度，并計算在最大后坐推力作用下的槍架變形。

1.1槍架剛度計算模型

槍架剛度的計算模型如圖1所示。圖中x1表示AB架桿(托架)變形引起的位移；x2表示BC架桿(后架桿)變形引起的位移；J1、J2分別為托架、后架桿的截面慣性矩；l1、l2分別為托架、后架桿的長度。

后架桿剛度C1的計算公式為

由材料力學(xué)知

式中：E1、E2分別為托架、后架桿的彈性模量；R1為槍架所受后坐推力沿單個后架桿方向上的分力。

一般情況下，托架的剛度比較大，抗彎剛度E1J1相比E2J2大得多，可略去其彈性變形的影響，根據(jù)上述公式可求出后架桿的剛度為

(1)

因該機(jī)槍后架桿的截面為矩形，其截面慣性矩為

式中：B為架桿截面外表面的寬度；H為架桿截面外表面的長度；b為架桿截面內(nèi)表面的寬度；h為架桿截面內(nèi)表面的長度。

1.2計算結(jié)果及分析

相同的槍架剛度對不同機(jī)槍的作用效果是不同的，這在一定程度上取決于機(jī)槍傳遞給槍架的作用力，為研究該機(jī)槍槍架的作用效果，用槍架受最大后坐推力下所產(chǎn)生的位移作為衡量指標(biāo)，對槍架剛度的影響進(jìn)行評估。

該型大口徑機(jī)槍三腳架的簡圖如圖2所示，該機(jī)槍的槍架為一支點(diǎn)在前，兩支點(diǎn)在后的結(jié)構(gòu)形式，兩后架桿間的夾角為φ。

針對該結(jié)構(gòu)，作用于單個后架桿上的力F1為

(2)

后坐推力R在機(jī)槍鉛垂面上引起A點(diǎn)的位移為

(3)

該型大口徑機(jī)槍的外機(jī)匣與三腳架剛性固連，在計算槍架所受的后坐推力時可等同為槍架的一部分。內(nèi)、外機(jī)匣間由浮動簧和浮動體后緩沖簧連接，由于射擊過程中內(nèi)機(jī)匣在外機(jī)匣上運(yùn)動時前后均不發(fā)生剛性碰撞，所以槍架所受的最大后坐推力為浮動簧、浮動體后緩沖簧壓縮最大時的彈簧力和浮動體對外機(jī)匣的滑動摩擦力之和。

滑動摩擦力為

Fhd=ffdQfd

式中：ffd為浮動體與外機(jī)匣間的滑動摩擦系數(shù)；Qfd為浮動體的質(zhì)量。

根據(jù)設(shè)計圖紙參數(shù)，浮動簧的極限工作長度為H3=95mm，浮動體后緩沖簧的極限工作長度為H2=104mm，則后坐力最大值對應(yīng)浮動簧的長度為95mm，浮動體后緩沖簧的長度為104mm，各彈簧的剛度系數(shù)如表1所示。

表1　彈簧參數(shù)

則各彈簧力分別為

浮動簧力

F1=k1(H0-H3)

浮動體后緩沖簧力

F2=k2(H0-H2)

則槍架受到的最大后坐推力為

Rmax=Fhd+F1+F2

另外，計算機(jī)槍位移的初始參數(shù)為：E=110kN/mm2， B=31.4mm， H=37.15mm， h=35.75mm，l1=160mm，l2=750mm，φ=27°?？傻?/p>

將計算所得數(shù)據(jù)與89式重機(jī)槍的最大后坐力4 560.0N[1]進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該型大口徑機(jī)槍的后坐力得到了大大減小，并且該機(jī)槍在最大后坐推力作用下在鉛垂面上引起的位移值很小。因此，在該槍射擊穩(wěn)定性建模分析中，可以不考慮槍架的彈性變形，視槍架為剛性結(jié)構(gòu)。

2　穩(wěn)定性理論計算

該型大口徑機(jī)槍的槍身運(yùn)動部分與外機(jī)匣通過彈簧連接，外機(jī)匣與槍架固定連接，因此可將外機(jī)匣視為槍架的一部分，并將槍架按緩沖槍架來計算。

2.1基本假設(shè)

為了建立機(jī)槍穩(wěn)定性模型，并在一定程度上簡化計算，提出以下基本假設(shè)[2]：

1)槍架在水平地面上平射。

2)不考慮槍架的彈性變形，視為剛性。

3)發(fā)射時所有作用在機(jī)槍上的力或其合力皆位于垂直對稱面內(nèi)。

4)射擊時，機(jī)槍各支點(diǎn)不下沉。

2.2理論模型

由于槍架與槍身運(yùn)動部分間存在相對運(yùn)動關(guān)系，在分析槍架的受力前，必須首先研究機(jī)槍運(yùn)動部分的受力及緩沖運(yùn)動規(guī)律，受力分析如圖3所示。圖中Ft為膛底壓力；Fh為緩沖簧的抗力；Fm為內(nèi)機(jī)匣與外機(jī)匣間的摩擦力；Qs為槍身運(yùn)動部分的重力；e為槍身運(yùn)動部分質(zhì)心到槍膛軸線的距離。

可列出槍身運(yùn)動部分的運(yùn)動微分方程為

(4)

根據(jù)上述假設(shè)和槍身運(yùn)動部分受力分析，射擊時槍身運(yùn)動部分對槍架的作用有力FR和力矩Mt。不考慮抵肩力時的穩(wěn)定性模型如圖4所示。圖中FTA、FTB為地面對前、后支點(diǎn)的水平作用力；FNA、FNB為地面對前、后支點(diǎn)的垂直作用力；W為全槍的重力；D為全槍質(zhì)心到后支點(diǎn)的距離；L為前后支點(diǎn)之間的距離；ft為地面介質(zhì)與垂直駐鋤面間的靜摩擦系數(shù)；ftFTA為地面介質(zhì)對前支點(diǎn)垂直駐鋤面產(chǎn)生的靜摩擦力；hR為后支點(diǎn)到運(yùn)動部分質(zhì)心的距離。

需要說明的是，力FNA、ftFTA不可能同時存在，只有當(dāng)FNA=0，前支點(diǎn)具有上跳運(yùn)動的趨勢時，ftFTA才存在并起穩(wěn)定力矩的作用[2]。

列平衡方程為

其中,Mt=Fte。

在后坐過程中，以槍架前支點(diǎn)不離開地面作為穩(wěn)定條件，即FNA≥0，可獲得穩(wěn)定條件式。

當(dāng)FNA>0時，ftFTA=0，由平衡方程可得穩(wěn)定條件式為

WD≥FRhR+Mt

當(dāng)FNA=0時，ftFTA>0，可得穩(wěn)定條件式為

WD+ftFTAL≥FRhR+Mt

其中SA、SB分別為前后交點(diǎn)垂直駐鋤板與土壤的有效接觸面積。

則FNA=0時的穩(wěn)定條件式變?yōu)?/p>

(5)

式(5)即為臨界狀態(tài)下的穩(wěn)定條件式，不等式左側(cè)為穩(wěn)定力矩MW，右側(cè)為翻倒力矩MF。

3　地面適應(yīng)性分析

3.1粘土地面

某型大口徑機(jī)槍的前后駐鋤均為釬入式駐鋤，如圖5所示，并且從圖2可以看出駐鋤V形筋板的開口都朝向槍口方向。在粘土地面，駐鋤插入土壤，兩個斜面都與土壤相互接觸，既能提供土壤抗力，又有一定的導(dǎo)向作用。機(jī)槍射擊過程中駐鋤水平滑動產(chǎn)生的摩擦力相對土壤抗力非常小，可忽略。因此，粘土地面的穩(wěn)定性模型即是圖4所示的模型。

穩(wěn)定條件式為式(5)。

(6)

3.2水泥地面

機(jī)槍在水泥地面射擊時，槍身可以同槍架一起向后滑動，地面只提供滑動摩擦系數(shù)，不考慮抵肩力時的穩(wěn)定性模型如圖6所示，hC表示機(jī)槍質(zhì)心到后支點(diǎn)的距離。

應(yīng)用達(dá)朗伯原理，列出平衡方程，并同樣可得到不考慮抵肩力F時的穩(wěn)定條件式為

(7)

當(dāng)考慮抵肩力F時，穩(wěn)定條件式為

(8)

3.3計算結(jié)果及分析

在實(shí)際的射擊過程中，機(jī)槍后坐階段翻倒力矩只可能出現(xiàn)兩次極大值，最大膛壓瞬間和后坐到位瞬間。最大膛壓瞬間：Ft1=40kN，F(xiàn)R1=100N；后坐到位瞬間：Ft2=0，F(xiàn)R2=850N。

另外，穩(wěn)定性計算時的初始數(shù)據(jù)如下：

W=225.4N，D=0.625m，L=1.304m，hR=0.27m，hC=0.24m，e=0.009m，Qs=110.17N，SA=4 264.90mm2，SB=4 739.88mm2粘土地面：f=0.66，ft=0.85；水泥地面：f=0.6，ft=0.8。

在實(shí)際射擊過程中，槍架和土壤產(chǎn)生變形以及槍架的后坐運(yùn)動需要吸收一部分后坐能量，在機(jī)槍的穩(wěn)定性分析中常常引入能量損失修正系數(shù)μ。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能量損失修正系數(shù)μ常取1/3～1/4[3]。考慮本模型土壤變形及槍架變形的特點(diǎn)，可取μ為1/3?？梢缘玫?種地面下的穩(wěn)定性計算結(jié)果如表2所示，其中后坐到位時刻沒有考慮抵肩力的作用。

表2　2種地面下的穩(wěn)定性計算結(jié)果

分析表格中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

1)該機(jī)槍插入粘土地面甚至直接放在水泥地面上射擊時都可以達(dá)到射擊穩(wěn)定，說明該機(jī)槍對地面環(huán)境不敏感，可以多種地面。對比最大膛壓和后坐到位時刻的穩(wěn)定力矩值，可知在粘土地面上射擊時穩(wěn)定性更好。

2)在最大膛壓時刻，粘土地面的穩(wěn)定力矩大于水泥地面，是因?yàn)樵谡惩恋孛嫔鋼魰r，駐鋤可插入土壤，有附加穩(wěn)定力矩ftFTAL的作用，所以在粘土地面穩(wěn)定性更好。

4)對比該槍在最大膛壓和后坐到位時刻的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)可知，在2種地面上射擊時，最大膛壓瞬間都是相對較為危險的時刻。2種地面穩(wěn)定性模型中翻倒力矩表達(dá)式都為MF=FRhR+Mt，則在最大膛壓瞬間，Mt對翻倒力矩起主要作用。因此，可以通過減小槍身運(yùn)動部分質(zhì)心到槍膛軸線的距離e來減小翻倒力矩，使機(jī)槍射擊更加穩(wěn)定。

4　駐鋤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

三腳架式武器的駐鋤可分為釬入式和滑動式駐鋤兩種形式，如圖7所示[4]。

當(dāng)使用釬入式駐鋤插入土壤進(jìn)行射擊時，機(jī)槍固定不動，土壤可為前、后駐鋤提供向前、向上的抗力，并為前駐鋤提供向下的靜摩擦力，使射擊更加穩(wěn)定，穩(wěn)定性計算模型如圖4所示。當(dāng)使用滑動式駐鋤射擊時，機(jī)槍可以前后滑動，無論駐鋤插入土壤還是僅放置在地面上，地面介質(zhì)對駐鋤的作用力主要為向上的抗力和與移動方向相反的摩擦力，穩(wěn)定性計算模型如圖6所示。

如果將前駐鋤設(shè)計成釬入式、后駐鋤設(shè)計成滑動式，射擊穩(wěn)定性是不是會更好呢？下面通過模型來分析這個問題。這種槍架的結(jié)構(gòu)可用于除水泥地以外的各種地面介質(zhì)中，是具有很好的適應(yīng)性的。

不考慮抵肩力，穩(wěn)定性模型如圖8所示。

同樣可以得出臨界狀態(tài)FNA=0時的穩(wěn)定條件式為

WD+ftFTAL≥FRhR+Mt

(9)

利用前文的初始數(shù)據(jù)可計算機(jī)槍用該駐鋤形式射擊時的穩(wěn)定性。

機(jī)槍采用釬入式駐鋤和滑動式駐鋤在粘土地面射擊時的穩(wěn)定性計算模型分別與前文某型大口徑機(jī)槍在2種地面介質(zhì)上的射擊穩(wěn)定性計算模型相對應(yīng)，只是將圖6中的地面介質(zhì)改為粘土。機(jī)槍采用3種駐鋤形式在水泥地面射擊時的穩(wěn)定性計算模型都為圖6所示模型，計算結(jié)果如表2中水泥地面所示。機(jī)槍采用3種駐鋤形式在粘土地面射擊時的穩(wěn)定性計算結(jié)果，如表3所示。

表3　3種駐鋤形式的穩(wěn)定性計算結(jié)果

經(jīng)分析，可以得出以下結(jié)論：

1)某型大口徑機(jī)槍因后坐力小，駐鋤的形狀對機(jī)槍的穩(wěn)定性影響不是很大，采用3種駐鋤都可以滿足穩(wěn)定性要求。

2)釬入式駐鋤結(jié)構(gòu)更適合松軟的土壤。駐鋤插入土壤中，土壤提供的抗力及彈性變形吸收后坐能量的作用，不僅可以使射擊更加穩(wěn)定，提高射擊精度，還可以減小武器后坐力對射手的影響。

3)滑動式駐鋤結(jié)構(gòu)更適合硬質(zhì)地面。射擊過程中不需要將駐鋤插入地面中，只要駐鋤能有效地滑動，在射手的抵肩作用下機(jī)槍就可以達(dá)到射擊穩(wěn)定。

4)機(jī)槍采用釬入式駐鋤在粘土地面射擊時，只需要將前駐鋤插入土壤，后駐鋤在地面上水平放置，就可以滿足射擊穩(wěn)定性。此時的模型與前支點(diǎn)釬入后支點(diǎn)滑動式駐鋤穩(wěn)定性模型相同。采用此種架設(shè)方式在勤務(wù)使用上更為方便。

比較幾個穩(wěn)定條件式可以發(fā)現(xiàn)，除附加穩(wěn)定力矩項(xiàng)外，其余項(xiàng)都是相同的，說明2種駐鋤結(jié)構(gòu)形式的本質(zhì)區(qū)別就在于附加穩(wěn)定力矩的大小。因此，可將2種駐鋤的優(yōu)勢集中，讓2個附加穩(wěn)定力矩在一種駐鋤結(jié)構(gòu)上得以實(shí)現(xiàn)，即優(yōu)化后的駐鋤結(jié)構(gòu)既可以前后滑動，又可以在上跳時受土壤靜摩擦力的作用。

優(yōu)化后的前駐鋤結(jié)構(gòu)如圖9所示，即緩沖駐鋤，它利用導(dǎo)柱和彈簧實(shí)現(xiàn)前后滑動和緩沖，駐鋤板為V形，可插入土壤中。相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化已有文獻(xiàn)作出研究[5-6]。后駐鋤采用滑動式駐鋤結(jié)構(gòu)。

機(jī)槍采用優(yōu)化后駐鋤結(jié)構(gòu)在粘土地面射擊時的穩(wěn)定性模型如圖10所示。Fh為前駐鋤的緩沖簧力。

可以得出的穩(wěn)定條件式為

(10)

對比式(7)、(9)、(10)發(fā)現(xiàn)，式(10)的附加穩(wěn)定力矩為前2種的附加穩(wěn)定力矩之和，可知優(yōu)化后的駐鋤結(jié)構(gòu)綜合了釬入式和滑動式駐鋤的優(yōu)點(diǎn)，使附加穩(wěn)定力矩更大，機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性得到了更好的保證。

5　結(jié)論

筆者以某型大口徑機(jī)槍為研究對象，通過對機(jī)槍在不同地面的建模與結(jié)果分析，挖掘出了機(jī)槍在不同地面上射擊穩(wěn)定性不同的本質(zhì)，確定了影響機(jī)槍射擊穩(wěn)定性的危險時刻，依此對機(jī)槍的實(shí)際射擊使用提出了指導(dǎo)意見，并針對性地提出了增強(qiáng)穩(wěn)定性的措施。以地面適應(yīng)性分析的計算模型為基礎(chǔ)，對比分析了不同駐鋤結(jié)構(gòu)方案對不同地面的適應(yīng)性，依此提出了駐鋤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，通過建模分析與對比，在一定程度上說明了駐鋤優(yōu)化方案的可行性。

通過分析可知，雖然某型大口徑機(jī)槍質(zhì)量得到了減小，但因武器后坐力的減小，降低了射擊振動，提高了武器射擊精度，使之能夠適應(yīng)高海拔下不同的地面環(huán)境。該機(jī)槍的穩(wěn)定性論證及結(jié)論分析方法為大口徑機(jī)槍的穩(wěn)定性論證及改進(jìn)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

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Ground Adaptability Analysis of a Large Calibre Machine Gun

FAN Zhiteng1,2, WANG Ruilin2, LI Yongjian2

(1.Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an710024, Shaanxi, China;2.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

To study the ground adaptability of a certain type of large calibre machine gun, its stability theory model firing at different ground was established. In this model, the machine gun was chosen as the study object, the stiffness of rifle rack was analyzed, the elasticity deformation of rifle rack was not considered, and the interaction between different ground and spade was analyzed reasonable. The results show that the gun has good ground adaptability. Based on this, analyzing different spade structure, guidance on the use of this gun was proposed. The stability difference essence of machine gun firing on use of different spade was discovered. On this basis, the spade optimization program was put forward. Through theoretical modeling and comparative analysis, the feasibility of the optimization program was proved to some extent.

large calibre machine gun; ground adaptability; spade; stability; theory model

2014-11-18

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

TJ25

A

1673-6524(2016)01-0021-06