身管后坐式鏈?zhǔn)綑C(jī)槍緩沖裝置動(dòng)力學(xué)仿真研究

李 鑫，王惠源，趙良偉

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

鏈?zhǔn)綑C(jī)槍是一種鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)技術(shù)下的自動(dòng)武器，由于全槍式緩沖的質(zhì)量比較大，所以在設(shè)計(jì)緩沖裝置的時(shí)候通常采用彈簧式的結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)。但是，隨著機(jī)槍對射擊精度要求的不斷提高，采用全槍式緩沖將會(huì)直接影響其射擊精度。為了更好地提高射擊精度，設(shè)計(jì)身管后坐緩沖[1]。

身管后坐緩沖具有以下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)槍與供彈接口處沒有發(fā)生相對位移，使供彈可靠性高；身管后坐導(dǎo)向精度比全槍后坐精度高，提高了機(jī)槍的射擊精度。但同時(shí)也存在后坐部分質(zhì)量小，后坐能量大，要求后坐運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)機(jī)匹配的缺點(diǎn)。

考慮到身管后坐部分質(zhì)量小，身管振動(dòng)衰減慢，選用有預(yù)壓雙向緩沖的彈簧-液壓緩沖器。通過合理設(shè)計(jì)彈簧-液壓緩沖器初始參數(shù)，可以滿足身管后坐緩沖的要求?；诖?，筆者以動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對給定初始參數(shù)的彈簧-液壓緩沖器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。

1 彈簧-液壓緩沖裝置理論模型

1.1 彈簧-液壓緩沖裝置原理

彈簧-液壓緩沖裝置如圖1所示，是由液壓緩沖器與彈簧緩沖器相互結(jié)合組成的。彈簧-液壓緩沖裝置是采用彈簧和液體兩種介質(zhì)來工作的，其中彈簧的設(shè)計(jì)可以采用彈簧緩沖裝置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，液壓緩沖器按照流液孔形成方式的不同可分為活門式、溝槽式和節(jié)制桿式等幾種形式,筆者采用溝槽式設(shè)計(jì)。

彈簧-液壓緩沖裝置的工作過程：身管的節(jié)套通過緩沖器桿前端的銷孔與緩沖裝置相聯(lián)接，緩沖裝置則與套筒固定在一起，套筒再固定在架座上。后坐時(shí)，緩沖裝置產(chǎn)生液壓阻力，緩沖器桿通過軸肩作用于前端擋圈，壓縮彈簧，此時(shí)的彈簧力向左；復(fù)進(jìn)時(shí)，彈簧通過前端擋圈壓軸肩作用于軸，彈簧力仍然向左，液壓力則阻礙緩沖器桿復(fù)進(jìn)；前沖時(shí)，前擋圈停止運(yùn)動(dòng)，后擋圈在后端擋圈的作用下壓縮彈簧，此時(shí)彈簧產(chǎn)生的力向右，液壓力仍為阻礙運(yùn)動(dòng)的力；返回時(shí)，彈簧通過后擋圈作用于后端擋圈，帶動(dòng)緩沖器桿返回。

彈簧-液壓緩沖裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1)用彈簧作為蓄能元件，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。

2)可一定程度上減小后坐力。

3)對速度的變化有一定的自調(diào)節(jié)功能，易于保證工作位移的穩(wěn)定。

4)工作原理可靠，根據(jù)需要可設(shè)置可調(diào)參數(shù)，以提高對同一型號(hào)中各種武器的適應(yīng)能力。

5)提供阻尼，能夠保證身管后坐、復(fù)進(jìn)振動(dòng)衰減滿足自動(dòng)機(jī)循環(huán)[2]。

1.2 彈簧-液壓緩沖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對流液孔的設(shè)計(jì)是進(jìn)行緩沖器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文鏈?zhǔn)綑C(jī)槍受槍機(jī)框與節(jié)套之間設(shè)計(jì)距離限制，身管最大后坐位移小于12 mm，同時(shí)為了不影響下一發(fā)彈的擊發(fā)，身管從開始后坐到振動(dòng)衰減結(jié)束時(shí)間小于0.1 s.確定流液孔溝槽寬度b=3 mm，活塞受壓面積為A0=3.677 cm2，緩沖器內(nèi)壁上刻4條變寬度的溝槽與活塞表面配合，構(gòu)成緩沖器的隨行程變化的流液孔，溝槽深度隨緩沖距離變化曲線設(shè)計(jì)如圖2所示[3-4]。溝槽與活塞配合如圖3所示。

2 建立仿真模型

2.1 模型的簡化

模型簡化如下：

1)忽略彈簧的慣性，將彈簧-液壓緩沖裝置簡化為ADAMS里的彈簧加液壓阻力系統(tǒng)。

2)只考慮身管后坐部分與套筒之間的摩擦力[5]。

2.2 建立運(yùn)動(dòng)方程

設(shè)計(jì)的緩沖器為有預(yù)壓雙向緩沖，在身管后坐、復(fù)進(jìn)和前沖、返回階段，彈簧一直受壓。緩沖簧作用在架體上的預(yù)壓力，在后坐和復(fù)進(jìn)階段，預(yù)壓力方向向前，在前沖和返回階段，預(yù)壓力的方向向后。

后坐部分后坐運(yùn)動(dòng)微分方程為

ma=Fpt-FR，

(1)

(2)

后坐部分在緩沖器上的一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)可以分為4個(gè)階段，分別是后坐、復(fù)進(jìn)、前沖和返回階段。

當(dāng)x>0,v>0時(shí)為后坐階段,可以表示為

(3)

當(dāng)x>0,v<0時(shí)為復(fù)進(jìn)階段，可以表示為

(4)

當(dāng)x<0,v<0時(shí)為前沖階段,可以表示為

(5)

當(dāng)x<0,v>0時(shí)為返回階段,可以表示為

(6)

2.3 模型的建立過程

將槍膛合力施加到身管節(jié)套上，將液壓阻力施加到緩沖器桿，前端擋圈和后端擋圈之間加彈簧，若考慮加制退器，將制退力在身管口處施加[6]。緩沖器主要構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副關(guān)系如表1所示，將預(yù)壓力設(shè)置為1.2 kN，作為后坐運(yùn)動(dòng)的初始條件。仿真時(shí)間為0.3 s，仿真模擬最高射速為600 發(fā)/min時(shí)的3發(fā)彈連射,彈簧-液壓緩沖裝置虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

表1 主要構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

2.3.1 槍膛合力的分析與計(jì)算

建立內(nèi)彈道及后效期火藥氣體壓力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB進(jìn)行編程,求解得到該彈內(nèi)彈道及后效期的膛內(nèi)壓力曲線,如圖5所示。

槍膛合力計(jì)算公式為

Ft=S·pt,

(7)

式中：S為槍膛截面面積；pt為內(nèi)彈道及后效膛內(nèi)壓力。

3連發(fā)時(shí)槍膛合力施加情況如圖6所示，最大槍膛合力約40 kN.

2.3.2 液壓阻力的分析與計(jì)算

液壓緩沖裝置的液體選擇斯切奧爾-M液，液壓阻力計(jì)算公式為

(8)

式中：K為液壓阻尼系數(shù)，取K=1.45；ρ為液體的密度，取ρ=1 110 kg/m3；A0為活塞的工作面積， mm2；vs為槍身后坐或復(fù)進(jìn)時(shí)的速度，m/s；ax為流液孔面積，mm2.

式(8)中，一般ax比A0小許多，故可以簡化為[2]

(9)

2.3.3 制退力的分析與計(jì)算

膛口制退器采用多腔室和半開腔式結(jié)構(gòu)，可以有效實(shí)現(xiàn)膛口制退器效能的最大化。半開腔式膛口制退器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

利用三維軟件設(shè)計(jì)邊孔道角度為120°，制退腔為3個(gè)的半開腔式膛口制退器，參考文獻(xiàn)[7]和[8]，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算出制退力曲線隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

3 彈簧-液壓緩沖器仿真結(jié)果與分析

3.1 考慮加膛口制退器

經(jīng)研究，只有緩沖器的彈簧剛度與制退器合理匹配，才能使后坐力得到明顯的降低。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，確定彈簧剛度為k=130 N/mm，3連發(fā)時(shí)身管后坐位移仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，身管后坐最大位移約為6.3 mm，符合小于12 mm的設(shè)計(jì)要求，身管復(fù)進(jìn)過程中的最大前沖位移約為5.2 mm.從身管開始后坐到復(fù)進(jìn)到位持續(xù)71 ms，不會(huì)影響到下一發(fā)彈的擊發(fā)。

3連發(fā)時(shí)，緩沖器緩沖簧合力仿真結(jié)果如圖10所示，緩沖簧合力最大約為2 kN.

3連發(fā)時(shí)液壓阻力仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，最大液壓阻力約為3.56 kN。后坐時(shí)作用在架體上總的力由緩沖簧合力和液壓阻力組成，由圖10、11分析得到向后作用在架體上的最大力即為最大液壓阻力與此時(shí)刻緩沖簧作用在架體上的力之和，最大力約為5 kN.

3.2 不考慮加膛口制退器

為了驗(yàn)證在不加膛口制退器的時(shí)候，該彈簧-液壓緩沖器流液孔初始參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，對不加膛口制退器的情況進(jìn)行仿真。保持彈簧-液壓緩沖器各初始參數(shù)不變，3連發(fā)時(shí)身管后坐位移仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在不加膛口制退器的情況下，最大后坐位移達(dá)到了16.5 mm，不再滿足設(shè)計(jì)要求。這時(shí)可改變彈簧參數(shù)以滿足不加膛口制退器的情況，經(jīng)過多次仿真，確定彈簧剛度為k=300 N/mm，預(yù)壓力2 kN，可滿足設(shè)計(jì)要求，3連發(fā)時(shí)身管后坐位移仿真結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，身管后坐最大位移約為11.8 mm，符合小于12 mm的設(shè)計(jì)要求，身管復(fù)進(jìn)過程中的最大前沖位移約為4 mm.從身管開始后坐到復(fù)進(jìn)到位持續(xù)55 ms，不會(huì)影響到下一發(fā)彈的擊發(fā)。

3連發(fā)時(shí)，緩沖器緩沖簧合力仿真結(jié)果如圖14所示，緩沖簧合力最大約為3 kN. 3連發(fā)時(shí)液壓阻力仿真結(jié)果如圖15所示，最大液壓阻力約為4.4 kN.

由圖14、15分析得到向后作用在架體上的最大力即為最大液壓阻力與此時(shí)刻緩沖簧作用在架體上的力之和，最大力約為7.5 kN.

4 結(jié)束語

筆者對身管后坐式彈簧-液壓緩沖器進(jìn)行了初始參數(shù)確定，然后利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對身管后坐式的彈簧-液壓緩沖器進(jìn)行了加制退器和不加制退器的動(dòng)力學(xué)仿真分析。仿真結(jié)果表明：該彈簧-液壓緩沖器流液孔初始參數(shù)設(shè)計(jì)合理，身管在緩沖器上的振動(dòng)在下一發(fā)彈射擊前衰減完畢，能夠滿足最高射速為600發(fā)/min 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍身管后坐的設(shè)計(jì)要求。通過加膛口制退器，作用在架體上的最大力能夠降低約33%，為身管后坐式鏈?zhǔn)綑C(jī)槍彈簧-液壓緩沖裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。