全射彈壽命過(guò)程中的大口徑機(jī)槍自動(dòng)機(jī)磨損和性能衰減趨勢(shì)研究

齊玉輝，徐誠(chéng)

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

全射彈壽命過(guò)程中的大口徑機(jī)槍自動(dòng)機(jī)磨損和性能衰減趨勢(shì)研究

齊玉輝，徐誠(chéng)

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

大口徑機(jī)槍在全射彈壽命過(guò)程中的自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損和性能衰減情況對(duì)機(jī)構(gòu)功能和動(dòng)作可靠性將產(chǎn)生影響，從而影響武器的使用性能和作戰(zhàn)效能。以某型大口徑機(jī)槍作為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量全射彈壽命過(guò)程中自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損情況和自動(dòng)機(jī)性能衰減情況，統(tǒng)計(jì)自動(dòng)機(jī)故障。研究結(jié)果與分析表明：全射彈壽命過(guò)程中的槍機(jī)閉鎖支撐面磨損量和開(kāi)閉鎖曲線磨損量不大，槍機(jī)框?qū)к壞p量較大；隨著射彈量的增加，自動(dòng)機(jī)閉鎖力逐漸變小，復(fù)進(jìn)簧逐漸變短，后坐到位速度的均方差變大，自動(dòng)機(jī)動(dòng)作故障變多；自動(dòng)機(jī)后坐到位速度的均方差增大，自動(dòng)機(jī)動(dòng)作故障增多與自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損正相關(guān)。建立了閉鎖力衰減經(jīng)驗(yàn)公式、復(fù)進(jìn)簧自由長(zhǎng)度衰減經(jīng)驗(yàn)公式、槍機(jī)框?qū)к壞p經(jīng)驗(yàn)公式、槍機(jī)框后坐到位與復(fù)進(jìn)到位撞擊面的磨損經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，可以用于推斷該大口徑機(jī)槍自動(dòng)機(jī)部分性能衰減和磨損情況。

兵器科學(xué)與技術(shù)；大口徑機(jī)槍；自動(dòng)機(jī)；綜合壽命試驗(yàn)；磨損；性能衰減

0 引言

自動(dòng)機(jī)是大口徑機(jī)槍的核心部件，在射擊過(guò)程中高速運(yùn)動(dòng)，連續(xù)完成開(kāi)鎖、拋殼、后坐、復(fù)進(jìn)、推彈和閉鎖等一系列動(dòng)作，存在反復(fù)多次接觸、摩擦、碰撞等載荷作用。在全射彈壽命過(guò)程中自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損情況對(duì)機(jī)構(gòu)功能和動(dòng)作可靠性可能產(chǎn)生影響，從而影響武器的使用性能和作戰(zhàn)效能，是值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究集中在大口徑機(jī)槍和其他槍械的自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性及參數(shù)影響規(guī)律方面［1-10］，關(guān)于自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損規(guī)律及引起的性能衰減研究報(bào)道很少，這主要與試驗(yàn)工作量大、測(cè)量困難、費(fèi)用高等因素有關(guān)。本文以某高平兩用大口徑機(jī)槍為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量全射彈壽命過(guò)程中自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損情況，分析與研究了自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損量隨射彈量變化規(guī)律及其對(duì)性能衰減影響情況。本文研究結(jié)論對(duì)制定該類武器的使用規(guī)則、自動(dòng)機(jī)維修計(jì)劃和改進(jìn)該類武器自動(dòng)機(jī)具有參考意義。

1 試驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1試驗(yàn)對(duì)象

本文采用某高平兩用大口徑機(jī)槍作為試驗(yàn)對(duì)象，該機(jī)槍由槍身（見(jiàn)圖1）與槍架組成，具有兩根槍管，自動(dòng)機(jī)采用導(dǎo)氣式自動(dòng)方式，槍機(jī)回轉(zhuǎn)閉鎖。當(dāng)彈頭通過(guò)槍管導(dǎo)氣孔位置后，膛內(nèi)部分火藥氣體自導(dǎo)氣孔進(jìn)入，經(jīng)導(dǎo)氣箍、調(diào)節(jié)器、導(dǎo)氣管作用到槍機(jī)框活塞端面，推動(dòng)自動(dòng)機(jī)向后運(yùn)動(dòng)并壓縮復(fù)進(jìn)簧；后坐過(guò)程完成開(kāi)鎖、抽殼、撥彈、拋殼等動(dòng)作；自動(dòng)機(jī)后坐到位后，如發(fā)射機(jī)的阻鐵未對(duì)其進(jìn)行掛機(jī)，自動(dòng)機(jī)將在復(fù)進(jìn)簧作用下向前復(fù)進(jìn)，完成推彈、閉鎖、擊發(fā)等動(dòng)作；如此往復(fù)，進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)連發(fā)射擊［4］。自動(dòng)機(jī)理論射擊頻率600發(fā)/min，全槍綜合壽命大約為6000～6400發(fā)。

1.2試驗(yàn)方法

采用平射狀態(tài)架槍進(jìn)行綜合壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用的射擊規(guī)范如下:射擊過(guò)程中兩根槍管交替試驗(yàn)。每根槍管裝槍射彈100發(fā)為一個(gè)冷卻周期，武器前50發(fā)為首先發(fā)射3個(gè)短點(diǎn)射（5～8發(fā)）、1個(gè)長(zhǎng)點(diǎn)射（20～30發(fā)），點(diǎn)射的間隔時(shí)間為3s；射后空冷3min；同樣方法射擊第2個(gè)50發(fā)，空冷3min后水冷至常溫。換另一槍管裝槍同樣方法射擊100發(fā)槍彈。武器射擊順序分為兩個(gè)循環(huán):第1循環(huán)按常溫（20℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)20%）、高溫（45℃± 2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）、低溫（-40℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）；第2循環(huán)按常溫（20℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)25%）、高溫（45℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）、低溫（-40℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)10%）。

每射擊800發(fā)為一個(gè)自動(dòng)機(jī)測(cè)量周期，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上，采用彈形量規(guī)和測(cè)力裝置檢查自動(dòng)機(jī)閉鎖力變化情況，這里閉鎖力是指采用“彈形閉鎖量規(guī)”手動(dòng)閉鎖時(shí)測(cè)力裝置測(cè)出的最大推力；采用QWQ9812永磁式自動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度；采用量規(guī)測(cè)量槍機(jī)閉鎖支撐面磨損量；采用千分尺或電子卡尺測(cè)量槍機(jī)框?qū)к墶㈤_(kāi)閉鎖面和自動(dòng)機(jī)撞擊面磨損量等；全壽命試驗(yàn)過(guò)程中采集故障（包括零部件破斷）現(xiàn)象、出現(xiàn)的時(shí)機(jī)和排除情況，統(tǒng)計(jì)故障率。

圖1　試驗(yàn)槍身實(shí)物圖Fig.1 Test gun

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

連發(fā)射擊過(guò)程中自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是了解與分析自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損的基礎(chǔ)，在綜合壽命試驗(yàn)前試驗(yàn)測(cè)量獲得的典型自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示，自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.該大口徑機(jī)槍自動(dòng)機(jī)后坐最大平均速度高達(dá)13.21m/s，后坐到位平均速度為3.23m/s，后坐時(shí)間間隔僅為49.4ms，復(fù)進(jìn)時(shí)間間隔50.5ms，復(fù)進(jìn)到位平均速度高達(dá)8.93m/s，平均射擊頻率為601發(fā)/min，自動(dòng)機(jī)的這種瞬態(tài)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起關(guān)重件運(yùn)動(dòng)副的磨損。

圖2　自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試曲線Fig.2 Velocity curve of automatic mechanism

表1　自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)量結(jié)果表Tab.1 Measured results of automatic mechanism

2.2自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損規(guī)律

2.2.1槍機(jī)閉鎖支撐面和開(kāi)閉鎖曲線磨損情況

在全射彈壽命過(guò)程中，槍機(jī)閉鎖支撐面磨損量變化情況如圖3所示，圖中ez為閉鎖支撐面磨損量，n為射彈數(shù)。槍機(jī)材料為25Cr2Ni4WA，經(jīng)過(guò)了調(diào)質(zhì)熱處理，具有較好的耐磨性，在4800發(fā)射彈前，閉鎖支撐面尺寸處于穩(wěn)定狀態(tài)，之后開(kāi)始磨損，曲線呈階躍式變化，6400發(fā)射彈（該武器壽終）時(shí)的最大磨損量0.01mm，這個(gè)變化量將使閉鎖間隙最少增加0.01mm.

圖3　閉鎖支撐面磨損量變化圖Fig.3 Wear pattern of bolt locking supporting surface

建立閉鎖支撐面磨損量公式為

開(kāi)閉鎖曲線磨損量隨射彈數(shù)的變化情況如圖4所示，圖中eq為開(kāi)閉鎖曲線磨損量。在1600發(fā)射彈時(shí)發(fā)生磨損，尺寸變小，曲線呈階躍式變化，之后趨于穩(wěn)定，直到武器壽終。其變化原因?yàn)楸M管在開(kāi)閉鎖階段自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度很高，但帶動(dòng)槍機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度并不高，射擊初期帶動(dòng)銷和螺旋槽接觸為點(diǎn)接觸，接觸過(guò)程中螺旋槽內(nèi)部發(fā)生磨損消耗，隨著磨損的繼續(xù)，點(diǎn)接觸逐漸變成線接觸或面接觸，由此在節(jié)點(diǎn)1600發(fā)射彈左右達(dá)到一個(gè)新的磨合平衡狀態(tài)，之后保持不變。

圖4　開(kāi)閉鎖面磨損量變化圖Fig.4 Wear pattern of locking curve groove

建立開(kāi)閉鎖曲線磨損量公式為

2.2.2槍機(jī)框?qū)к壞p規(guī)律

試驗(yàn)獲得的槍機(jī)框?qū)к壞p量隨著射彈量變化情況如圖5所示。槍機(jī)框最大運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)13.21m/s，在機(jī)匣內(nèi)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，并與機(jī)匣接觸而產(chǎn)生的摩擦作用，導(dǎo)致隨著射彈量的增加，槍機(jī)框?qū)к壞p量不斷增大，武器壽終時(shí)最大磨損量達(dá)0.38mm.為減少自變量與因變量數(shù)據(jù)量級(jí)差別，以N=n/1000為自變量，槍機(jī)框?qū)к壞p量ed為因變量，利用多項(xiàng)式擬合可建立磨損經(jīng)驗(yàn)公式為

圖5　槍機(jī)框?qū)к壞p量變化圖Fig.5 Wear pattern of bolt carrier guiderail

2.2.3槍機(jī)框后坐到位與復(fù)進(jìn)到位撞擊面的磨損情況

全射彈壽命過(guò)程槍機(jī)框后坐到位撞擊面磨損量變化情況如圖6所示。槍機(jī)框撞擊面磨損量eh隨射彈數(shù)的增加不斷變大，這是后坐到位撞擊作用所致。槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位撞擊面磨損量ef隨射彈數(shù)的變化情況如圖7所示。由于復(fù)進(jìn)到位的撞擊作用，撞擊面磨損不斷增大，最大值達(dá)0.045mm，從圖2可知，槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位速度比后坐到位大，故復(fù)進(jìn)到位撞擊面磨損量比后坐到位撞擊面磨損量大。根據(jù)槍機(jī)框后坐到位撞擊面磨損量試驗(yàn)結(jié)果，以N為自變量，eh為因變量，擬合經(jīng)驗(yàn)公式為

根據(jù)圖7槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位撞擊面磨損量試驗(yàn)結(jié)果，以N為自變量，ef為因變量，擬合公式為

2.3自動(dòng)機(jī)性能衰減趨勢(shì)分析

2.3.1閉鎖力衰減規(guī)律

圖6　槍機(jī)框后坐到位撞擊面磨損量變化圖Fig.6 Wear pattern of bolt carrier impact surface when recoiling to position

圖7　槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位撞擊面磨損量變化圖Fig.7 Wear pattern of bolt carrier impact surface when returning to original position

圖8　閉鎖力變化圖Fig.8 Change curves of locking force

閉鎖力是閉鎖間隙大小的重要衡量指標(biāo)，試驗(yàn)獲得的閉鎖力F隨著射彈量變化情況如圖8所示。閉鎖力隨著射彈量的增加而變小，說(shuō)明閉鎖間隙隨著射彈量的增加而變大。以N為自變量，F(xiàn)為因變量，用多項(xiàng)式表示二者之間的關(guān)系，經(jīng)最小二乘法擬合得閉鎖力衰減經(jīng)驗(yàn)公式為

經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖8，二者符合較好。

2.3.2復(fù)進(jìn)簧變化情況

復(fù)進(jìn)簧自由長(zhǎng)度隨射彈數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖9、圖10，圖中LL和LR分別為左右兩根復(fù)進(jìn)簧的自由長(zhǎng)度。復(fù)進(jìn)簧自由長(zhǎng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，產(chǎn)生原因?yàn)樽詣?dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)彈簧沖擊擠壓使其簧力逐漸減弱，并產(chǎn)生塑性變形，從而自由長(zhǎng)度隨之減小。仍以N為自變量，LL和LR為因變量，可建立復(fù)進(jìn)簧自由長(zhǎng)度衰減經(jīng)驗(yàn)公式，如（7）式和（8）式:

左復(fù)進(jìn)簧:

右復(fù)進(jìn)簧:

圖9　復(fù)進(jìn)簧（左）自由長(zhǎng)度變化圖Fig.9 Change in recoil spring length（Left）

圖10　復(fù)進(jìn)簧（右）自由長(zhǎng)度變化圖Fig.10 Change in recoil spring length（Right）

經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖9，二者符合較好。

2.3.3自動(dòng)機(jī)后坐到位速度的均方差隨射彈數(shù)變化情況

盡管試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)后坐到位平均速度在全壽命過(guò)程中隨著射彈數(shù)的增加變化不大，但后坐到位速度的均方差σv隨著射彈數(shù)的增加而增大（見(jiàn)圖11），說(shuō)明自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性增大，自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)性能變差，這是由于自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損所致。

圖11　后坐到位速度均方差變化圖Fig.11 Mean square deviation of recoil velocity

2.3.4自動(dòng)機(jī)故障率隨射彈數(shù)的變化情況試驗(yàn)對(duì)象在全射彈壽命試驗(yàn)過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了空膛、卡殼、掉彈和不擊發(fā)4種故障，按每800發(fā)射彈為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，計(jì)錄自動(dòng)機(jī)故障次數(shù)，獲得的故障頻次隨射彈數(shù)變化情況，如圖12所示。壽命試驗(yàn)初期（n為0～800發(fā)），自動(dòng)機(jī)仍處于跑合階段，出現(xiàn)了兩次故障，隨后故障次數(shù)下降，但2400發(fā)射彈之后，故障率隨射彈數(shù)的增加而增加。這是由于自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損和性能衰減所致，說(shuō)明自動(dòng)機(jī)動(dòng)作故障變多與自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損量變化正相關(guān)。

圖12　故障頻次變化圖Fig.12 Change in breakdown number

3 結(jié)論

本文以一挺高平兩用大口徑機(jī)槍為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)綜合壽命試驗(yàn)和細(xì)致測(cè)量揭示了全射彈壽命過(guò)程中自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損規(guī)律和自動(dòng)機(jī)性能衰減規(guī)律，研究結(jié)果表明:

1）槍機(jī)閉鎖支撐面磨損量和開(kāi)閉鎖曲線磨損量呈階躍式變化，且在武器全射彈壽命過(guò)程中磨損不大；槍機(jī)框?qū)к壞p量、槍機(jī)框后坐到位與復(fù)進(jìn)到位撞擊面的磨損量呈單調(diào)增長(zhǎng)式變化，隨著射彈量的增加，磨損量不斷增大；在全射彈壽命過(guò)程中槍機(jī)框?qū)к壞p較大。

2）隨著射彈量的增加，自動(dòng)機(jī)閉鎖力不斷變小，復(fù)進(jìn)簧不斷變短，后坐到位速度的均方差變大，自動(dòng)機(jī)動(dòng)作故障變多；自動(dòng)機(jī)后坐到位速度的跳差變化與自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損量變化正相關(guān)。自動(dòng)機(jī)動(dòng)作故障增多也與自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位磨損正相關(guān)。

3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了閉鎖力衰減經(jīng)驗(yàn)公式、復(fù)進(jìn)簧自由長(zhǎng)度衰減經(jīng)驗(yàn)公式、槍機(jī)框?qū)к壞p經(jīng)驗(yàn)公式、槍機(jī)框后坐到位與復(fù)進(jìn)到位撞擊面的磨損經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式可以用于推斷該大口徑機(jī)槍自動(dòng)機(jī)部分性能衰減和磨損情況。

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Research on Wear and Performance Degradation of a Large-caliber Machine Gun Automatic Mechanism in Firing Life-span

QI Yu-hui，XU Cheng
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism have an impact on the mechanism function and action reliability in firing life-span，which leads to an influence on the performance and operational effectiveness of the large-caliber machine gun.A large-caliber machine gun is used as the experimental object.The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism during firing life-span are measured in detail，and the failure statistics of automatic mechanism are completed.Experimental results show that the wear losses of bolt locking supporting surface and locking curve groove during firing are low，but the wear loss of bolt carrier guiderail is high.With the increase in fired shot quantity，the locking force decreases，the length of recoil spring is shortened，the standard deviation of recoil velocity increases，and the moving fault of automatic mechanism increases. There is a positive correlation among the moving fault and standard deviation of recoil velocity and the wear of key portion of automatic mechanism.The empirical models of locking force attenuation and thefree length attenuation of recoil spring，and a wear model of bolt carrier guiderail and impact surface when bolt carrier recoils to position and returns to original position are established，respectively.The empirical models are good agreement with the experimental data.These models can be used to estimate the wear and performance degradation of automatic mechanisms.

ordnance science and technology；large-caliber machine gun；automatic mechanism；longevity experiment；wear；performance degradation

TJ25

A

1000-1093（2016）08-1359-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.003

2015-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575279）

齊玉輝（1977—），男，副研究員，博士研究生。E-mail:qinjust@mail.njust.edu.cn；徐誠(chéng)（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn