7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛高射速機(jī)槍設(shè)計(jì)方案研究

李曉彤，王惠源，李忠賢，張鵬軍，張成卿

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中國兵器裝備研究所，北京 102200）

7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛高射速機(jī)槍設(shè)計(jì)方案研究

李曉彤1，王惠源1，李忠賢2，張鵬軍1，張成卿1

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中國兵器裝備研究所，北京 102200）

提出一種高射速7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍方案，介紹機(jī)槍的總體組成以及工作原理。確定了機(jī)槍工作循環(huán)圖，進(jìn)行了內(nèi)彈道計(jì)算。建立了機(jī)槍結(jié)構(gòu)三維模型，利用ADAMS軟件進(jìn)行了機(jī)槍動(dòng)力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案可行，能夠?qū)崿F(xiàn)6 000發(fā)／min的高射速。對(duì)該機(jī)槍的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并與其他同口徑武器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

轉(zhuǎn)膛；雙管；機(jī)槍；高射速；內(nèi)彈道；動(dòng)力學(xué)仿真

轉(zhuǎn)膛武器［1］結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。它利用多膛同時(shí)工作的原理，縮短自動(dòng)工作循環(huán)時(shí)間，較大幅度地提高了射速。轉(zhuǎn)膛式武器按身管數(shù)分有單管轉(zhuǎn)膛和雙管轉(zhuǎn)膛兩種，現(xiàn)在世界上單管轉(zhuǎn)膛武器應(yīng)用較多。目前單管轉(zhuǎn)膛炮最高射速可達(dá)1 100～1 500發(fā)／min，雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍［2-3］最高射速可達(dá)4 000～6 000發(fā)／min。

筆者通過對(duì)雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍工作原理及特點(diǎn)的分析研究，提出雙管轉(zhuǎn)膛式機(jī)槍的總體設(shè)計(jì)方案。

1 雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍總體組成

雙管轉(zhuǎn)膛式機(jī)槍采用身管后坐-導(dǎo)氣混合式［4］為主體兼用轉(zhuǎn)膛式以提高射頻的方式。該機(jī)槍在后坐過程中，由于轉(zhuǎn)膛表面特殊的曲線槽設(shè)計(jì)，部分后坐能量可以被儲(chǔ)蓄起來并轉(zhuǎn)化為復(fù)進(jìn)能量。拋殼、進(jìn)彈、擊發(fā)等動(dòng)作均通過導(dǎo)氣管提供的火藥氣體來完成，降低機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，同時(shí)也大幅度提高了射頻。

雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍總體分為四大部分：轉(zhuǎn)膛組件，導(dǎo)氣機(jī)構(gòu)組件，機(jī)匣組件，輸彈機(jī)部件，如圖1所示。

1）轉(zhuǎn)膛組件：包括身管、轉(zhuǎn)膛、轉(zhuǎn)膛架等。它的主要作用是武器擊發(fā)后，隨著身管后坐使轉(zhuǎn)膛轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)槍彈從輸彈位置轉(zhuǎn)到待擊發(fā)位置，以及彈殼轉(zhuǎn)到拋殼位置。

2）導(dǎo)氣組件：包括導(dǎo)氣分布器、輸彈傳動(dòng)裝置等。槍彈擊發(fā)后，火藥燃?xì)馔ㄟ^導(dǎo)氣裝置完成上身管擊發(fā)、進(jìn)彈、拋殼等動(dòng)作。另外，導(dǎo)氣管被轉(zhuǎn)膛帶著轉(zhuǎn)動(dòng)，并把動(dòng)力傳送到撥彈輪驅(qū)動(dòng)齒輪上，從而使撥彈輪轉(zhuǎn)動(dòng)撥彈。

3）機(jī)匣組件：包括滾輪、助退器、首發(fā)機(jī)構(gòu)、機(jī)體等。機(jī)匣的主要作用有支撐搖塊使兩個(gè)滾輪交替作用；當(dāng)火藥氣體進(jìn)入助退器時(shí)增大后坐部分后坐力；裝在機(jī)匣上的扳機(jī)實(shí)現(xiàn)下身管首發(fā)擊發(fā)。

4）輸彈機(jī)部件：包括撥彈輪、導(dǎo)引、除鏈齒等。彈鏈直接和供彈機(jī)構(gòu)相連，位置在機(jī)匣右端。功能如下：從柔性導(dǎo)引中撥出含鏈槍彈；將槍彈脫鏈；將槍彈撥至撥彈輪氣杯處；實(shí)現(xiàn)雙路供彈。

2 雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍工作原理

雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍工作原理是：扣動(dòng)扳機(jī)后釋放輔助撞桿，輔助撞桿撞擊擺動(dòng)擊錘，實(shí)現(xiàn)下身管槍彈的擊發(fā)。隨后當(dāng)下身管槍彈運(yùn)動(dòng)至膛內(nèi)第1處導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥氣體通過進(jìn)彈氣孔流入進(jìn)彈系統(tǒng)。同時(shí)火藥氣體經(jīng)過多支導(dǎo)氣裝置，一部分進(jìn)入拋殼系統(tǒng)，將與拋殼口對(duì)正的彈膛內(nèi)的彈殼拋出；一部分火藥氣體通過傳動(dòng)軸進(jìn)入氣體分布器，在分布器內(nèi)火藥氣體分散且流入對(duì)應(yīng)的撥彈輪氣杯，當(dāng)其中火藥氣體壓力升高至一定程度時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的槍彈被推入和進(jìn)彈口一致的彈膛。隨后上身管對(duì)應(yīng)彈膛內(nèi)槍彈被氣動(dòng)擊發(fā)裝置擊發(fā)。

在兩發(fā)槍彈發(fā)射過程中，彈頭在對(duì)應(yīng)身管運(yùn)動(dòng)時(shí)，后坐沖量傳遞到武器后坐部分。武器后坐部分包括轉(zhuǎn)膛、身管、轉(zhuǎn)膛架等，如圖2所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)膛后坐時(shí)，機(jī)匣蓋上的凸輪滾輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將一部分后坐能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)膛回轉(zhuǎn)能量，轉(zhuǎn)膛再通過導(dǎo)氣管構(gòu)件上的齒輪結(jié)構(gòu)把轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給撥彈輪，以實(shí)現(xiàn)輸彈，如圖3所示。

當(dāng)完全后坐到位時(shí)，后坐停止，轉(zhuǎn)膛回轉(zhuǎn)速度達(dá)到最高。在這點(diǎn)時(shí)，凸輪滾輪到達(dá)凸輪的復(fù)進(jìn)部分，從而轉(zhuǎn)膛的回轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為后坐部分的復(fù)進(jìn)能量，使得后坐部分復(fù)進(jìn)至初始發(fā)射位置。當(dāng)復(fù)進(jìn)到初始發(fā)射位置時(shí)，凸輪端部的斜直線段使得凸輪滾輪抬起脫離凸輪槽。在凸輪滾輪搖臂的作用下另一凸輪滾輪同時(shí)進(jìn)入下一個(gè)凸輪曲線槽，以備完成下一個(gè)射擊循環(huán)，原理圖如圖4所示。

該機(jī)槍一般采用彈鏈的供彈方式，考慮到雙管同時(shí)工作的情況，采用雙路彈鏈供彈的方法，這樣提高了彈鏈的安全性并且彈箱安裝也更加方便，不需要一般高射速機(jī)槍配備的額外提彈機(jī)。機(jī)槍主要?jiǎng)幼魑恢梅植既鐖D5所示。

3 主要參數(shù)估算

3.1 機(jī)槍工作循環(huán)圖確定

機(jī)槍工作循環(huán)圖對(duì)武器性能影響很大，它描述了基礎(chǔ)構(gòu)件的工作順序和各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可作為機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否可靠、協(xié)調(diào)，射擊頻率、后坐阻力是否滿足要求的依據(jù)。以基礎(chǔ)構(gòu)件（轉(zhuǎn)膛）的位移和時(shí)間為變量來制作工作循環(huán)圖。循環(huán)圖確定以后，便可設(shè)計(jì)并建立機(jī)槍的結(jié)構(gòu)模型。機(jī)槍工作循環(huán)如圖6所示。

3.2 內(nèi)彈道參數(shù)

雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍擊發(fā)后，火藥氣體產(chǎn)生的炮膛合力給機(jī)槍的后坐部分提供了后坐能量。在仿真中給后坐部分加載的主動(dòng)力即為炮膛合力。計(jì)算炮膛合力則需先算出膛壓 時(shí)間的關(guān)系。

根據(jù)某7.62 mm槍彈的相關(guān)參數(shù)，通過內(nèi)彈道方程組［5］，計(jì)算其內(nèi)彈道參數(shù)。

式中：Ψ為火藥燃燒百分比；χ為形狀特征量；Ζ為已燃相對(duì)厚度；λ、μ均為系數(shù)；μ1為燃速系數(shù)；e1為火藥厚度的一半；p為內(nèi)彈道膛壓；n燃速指數(shù)；v為彈丸速度；m為彈丸質(zhì)量；φ為次要功系數(shù)；S為炮膛橫斷面積；lΨ為藥室自由容積縮徑長；l為彈丸運(yùn)動(dòng)行程；ω為裝藥量；f為火藥力；θ為系數(shù)。

后效期膛內(nèi)壓力

式中：pg為彈丸出炮口時(shí)的膛內(nèi)壓力；tg為彈丸出炮口時(shí)間；b為后效作用常數(shù)。

計(jì)算得到膛壓 時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

3.3 仿真計(jì)算

將建立好的雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍主要運(yùn)動(dòng)部件導(dǎo)入ADAMS軟件，添加約束，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，之后便可進(jìn)行仿真運(yùn)算，通過仿真運(yùn)算可得到雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)［6］。

3.3.1 炮膛合力計(jì)算

在仿真中給后坐部分加載的炮膛合力可根據(jù)下面公式來計(jì)算。

式中：Fpt為炮膛合力；P為膛壓（在不同時(shí)期，P為內(nèi)彈道膛壓或后效期膛壓）；d為線膛直徑。

通過以上計(jì)算可得到炮膛合力-時(shí)間關(guān)系曲線。由于上身管槍彈是由下身管火藥氣體擊發(fā)，因此上身管作用的炮膛合力在時(shí)間上要稍微滯后于下身管的炮膛合力。對(duì)后坐部分下身管和上身管處加載的力分別如圖8所示。

3.3.2 供彈阻力估算

高速供彈產(chǎn)生的供彈阻力是影響武器射速的一個(gè)不容忽視的因素，仿真時(shí)應(yīng)把這部分阻力加載上?？紤]到彈鏈的彈性因素，以及傾斜放置的彈鏈的重力分量及摩擦力，彈鏈供彈時(shí)彈鏈阻力計(jì)算公式為

式中：k為彈鏈剛度；m為一個(gè)帶槍彈的鏈節(jié)質(zhì)量；vp為撥彈速度；N為懸掛部分炮彈數(shù)；θ為彈帶傾角；f為摩擦系數(shù)。

彈鏈剛度k通過有限元計(jì)算得294 N／mm，帶槍彈的鏈節(jié)質(zhì)量m為27.3 g，撥彈速度vp取最大值1.92 m／s，懸掛部分炮彈數(shù)N為10發(fā)，彈帶傾角θ為0，摩擦系數(shù)f取0.15，由于是雙路供彈，彈鏈阻力應(yīng)為2Fz。計(jì)算供彈阻力結(jié)果為179.98 N。

3.3.3 仿真結(jié)果

后坐部分的速度-時(shí)間曲線如圖9所示。

仿真中選取復(fù)進(jìn)簧剛度為30 N／mm，仿真結(jié)果顯示，后坐部分的最大后坐速度為2.98 m／s，一個(gè)循環(huán)所用時(shí)間為24 ms，理論射速為5 000發(fā)／min。此時(shí)機(jī)槍無法達(dá)到6 000發(fā)／min的理論射速，考慮使用助退器。

3.3.4 加助退器后的仿真結(jié)果

助退器可以增大后坐部分的后坐速度，減少自動(dòng)循環(huán)時(shí)間，從而使射速達(dá)到理論值。助退器工作原理為：當(dāng)上身管彈頭運(yùn)動(dòng)至助退器導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥氣體通過導(dǎo)氣孔進(jìn)入助退活塞筒，活塞筒外包裹著兩個(gè)身管。活塞筒內(nèi)火藥氣體壓力作用于活塞，活塞通過活塞肩部與兩個(gè)身管作用，以此達(dá)到增加后坐能量起到身管助退的作用?？紤]到在射擊開始時(shí)會(huì)產(chǎn)生較后坐力更大的向前拉力，擬在槍架上安裝雙向緩沖裝置，以減小其對(duì)武器穩(wěn)定性的影響。

加載的助退器內(nèi)腔氣壓-時(shí)間曲線和助退力-時(shí)間曲線如圖10所示。

加了助退器后，仿真結(jié)果曲線圖如圖11～13所示。

從仿真結(jié)果中可以看出，后坐部分最大后坐位移有30 mm，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與自動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)的基本吻合。后坐部分最大后坐速度可達(dá)3.63 m／s，一個(gè)循環(huán)所用時(shí)間為19.7 ms，射速為6 091發(fā)／min，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的理論射速。轉(zhuǎn)膛隨著后坐運(yùn)動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度逐漸增大，后坐到位時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度達(dá)到最大值，復(fù)進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)膛繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾輪到達(dá)凸輪曲線槽直線段部分時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 方案特點(diǎn)

7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍主要對(duì)付的目標(biāo)是空中快速移動(dòng)目標(biāo)。與相同射速的轉(zhuǎn)管機(jī)槍［7］相比，雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍啟動(dòng)時(shí)間短；由于是幾乎兩發(fā)槍彈齊射，在射擊精度上也要比同射速的轉(zhuǎn)管機(jī)槍要高。

雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍可以避免瞎火彈的影響。當(dāng)遇到瞎火彈時(shí)，機(jī)槍停止射擊，可利用清膛裝置將瞎火彈清理出去。

武器系統(tǒng)效率高。雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍瞬時(shí)達(dá)到最高射速。在1 s的點(diǎn)射時(shí)間內(nèi)，雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍發(fā)射的彈數(shù)比相同射速轉(zhuǎn)管機(jī)槍發(fā)射的彈數(shù)多1／3。如果是0.5 s的點(diǎn)射時(shí)間，雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍發(fā)射的彈數(shù)比轉(zhuǎn)管機(jī)槍多一倍。

該方案需要注意的問題：一是首發(fā)裝填，首發(fā)射擊前，需實(shí)現(xiàn)上下身管對(duì)正的膛內(nèi)各有一發(fā)槍彈；二是槍彈自燃，由于機(jī)槍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，射擊結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)膛內(nèi)仍有兩發(fā)槍彈，連續(xù)發(fā)射彈數(shù)較多，停射時(shí)可能導(dǎo)致槍彈自燃。

5 結(jié)束語

高射速是自動(dòng)武器設(shè)計(jì)研究的一個(gè)重要方向。筆者提出一種7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛高射速機(jī)槍方案。通過對(duì)機(jī)槍循環(huán)圖的確定，主要參數(shù)的估算，結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真，初步論證了方案的可行性。7.62 mm雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍的理論射速可以達(dá)到6 000發(fā)／min。這種雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍在射速等方面比現(xiàn)有同口徑武器具有優(yōu)越性。因此該雙管轉(zhuǎn)膛機(jī)槍方案對(duì)高射速自動(dòng)武器的研究有一定的參考價(jià)值。

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Study on Scheme Design of 7.62 mm High Firing Rate Twin Barrel Revolver Gun

LI Xiaotong1，WANG Huiyuan1，LI Zhongxian2，ZH ANG Pengjun1，ZH ANG Chengqing1

（1.Electromechanical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2.China Ordnance Equipment Research Institute，Beijing 102200）

A new scheme in terms of 7.62 mm high firing rate twin barrel revolver machine gun is proposed with an introduction to the mechanisms of the machine gun and working principle.The working cycle diagram is determined and the interior ballistic parameters are calculated.The solid mechanism three-dimensional model of the gun is established.The gun mechanism dynamics simulation is carried out by using ADAMS software.The result of dynamics simulation shows that the design scheme is feasible and the high firing rate of 6 000 rounds per minute can be achieved.An analysis is made of the characteristics of the 7.62 mm twin barrel revolver machine gun in comparison with other 7.62 mm machine guns in terms of technical indices.

revolver；twin barrel；machine gun；high rate of fire；interior ballistic；dynamics simulation

TJ202

A

1673-6524（2015）03-0044-05

2014- 09- 10；

2015- 03- 04

李曉彤（1990－），女，碩士研究生，主要從事高射速發(fā)射理論技術(shù)研究。E-mail：984273842＠qq.com