復(fù)進(jìn)簧參數(shù)對槍支射速影響研究

李 楊，朱 蒙，王 健，管小榮，徐 誠

(1.泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

國內(nèi)對武器復(fù)進(jìn)簧的研究較多集中在復(fù)進(jìn)簧的壽命[1]、失效原因[2]、對發(fā)射過程動(dòng)態(tài)特性的影響[3]、射擊精度[4]以及對供彈動(dòng)作可靠性的影響分析[5]等，而對復(fù)進(jìn)簧與武器射速的研究較少。對武器射速的研究多集中在射速對武器身管的影響[6-7]及彈鏈對武器射速的影響[8]。輕武器的研究者常常默認(rèn)為槍支射速隨復(fù)進(jìn)簧剛度及預(yù)壓力增大而增大，對于絕大多數(shù)射速不是特別高的槍支，實(shí)驗(yàn)結(jié)論也確實(shí)如此。

然而本課題組在研究設(shè)計(jì)改進(jìn)某款沖鋒槍過程中，通過改變復(fù)進(jìn)簧的參數(shù)，卻發(fā)現(xiàn)其射速在某些情況下反而隨著復(fù)進(jìn)簧的剛度或預(yù)壓力增大而減小。通過建立槍支自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程簡化模型并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，發(fā)現(xiàn)槍支的射速與復(fù)進(jìn)簧剛度及預(yù)壓力之間呈現(xiàn)一種類似拋物線的規(guī)律。通過建立某典型沖鋒槍多體動(dòng)力學(xué)建模并進(jìn)行仿真，獲得了同樣的結(jié)論。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)建模及分析

槍支發(fā)射一發(fā)子彈的時(shí)間由自動(dòng)機(jī)后坐及復(fù)進(jìn)的總時(shí)間決定，在復(fù)進(jìn)簧作用下，自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程可以簡化為圖1所示模型。

圖1 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程簡化模型示意圖

圖1中，后坐或復(fù)進(jìn)總行程L；復(fù)進(jìn)簧剛度K；復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力P；機(jī)體、機(jī)頭等一起后坐的質(zhì)量m；機(jī)體、機(jī)頭等一起后坐的加速度a，初始加速度a0，后坐初速V0。

1.1 后坐過程分析

(1)

1.2 進(jìn)過程分析

(2)

1.3 復(fù)進(jìn)簧參數(shù)對射速影響分析

由式(1)和式(2)可得自動(dòng)機(jī)后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間為：

(3)

1) 研究改變參數(shù)b，即可研究復(fù)進(jìn)簧剛度K對射速的影響。

根據(jù)某典型沖鋒槍參數(shù)取m=0.276 kg，a0=188 m/s2，L=0.14 m，V0=10 m/s，代入式(3)，可得后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間與復(fù)進(jìn)簧剛度K的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 復(fù)進(jìn)簧剛度與總時(shí)間關(guān)系曲線

由圖2可知，對于原本復(fù)進(jìn)簧彈簧剛度較小(小于圖2中曲線最低點(diǎn)處彈簧剛度)的槍支，在不越過曲線最低點(diǎn)的變化范圍內(nèi)，自動(dòng)機(jī)后坐及復(fù)進(jìn)總時(shí)間隨復(fù)進(jìn)簧剛度增大而減小，即槍支射速隨剛度增大而增大。對于原本復(fù)進(jìn)簧彈簧剛度較大(大于圖2中曲線最低點(diǎn)處彈簧剛度)的槍支(如沖鋒槍)，在不越過曲線最低點(diǎn)的彈簧剛度變化范圍內(nèi)，射速可能隨剛度增大而減小。

2) 研究改變a0，即可研究復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力P對射速的影響。

根據(jù)某典型沖鋒槍參數(shù)取m=0.276 kg,K=0.33 N/mm,L=0.14 m,V0=10 m/s，代入式(3)，可得總時(shí)間與參數(shù)a0的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力與總時(shí)間關(guān)系曲線

由圖3可知，復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力對槍支射速的影響與復(fù)進(jìn)簧剛度相似，若原本復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力較小(小于圖3中曲線最低點(diǎn)處復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力)，在不越過曲線最低點(diǎn)的變化范圍內(nèi)，自動(dòng)機(jī)后坐及復(fù)進(jìn)總時(shí)間隨復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力增大而減小，即槍支射速隨預(yù)壓力增大而增大。若原本復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力較大(大于圖3中曲線最低點(diǎn)處復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力)，射速則可能隨剛度增大而減小。

2 某典型沖鋒槍多體動(dòng)力學(xué)建模

某典型沖鋒槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真建模主要考慮如下零件：復(fù)進(jìn)簧、復(fù)進(jìn)簧導(dǎo)桿、復(fù)進(jìn)簧導(dǎo)桿軸套、機(jī)頭、閉鎖滾柱、機(jī)體、擊錘、擊錘簧、擊錘簧導(dǎo)桿、機(jī)匣、后機(jī)匣、阻鐵、不到位保險(xiǎn)機(jī)等。

建立虛擬樣機(jī)模型，做如下假設(shè)：

1) 機(jī)匣為非運(yùn)動(dòng)件將其與地面設(shè)置為固定副。

2) 模型中的部件若無相對運(yùn)動(dòng)，則用固定副約束，使其成為一個(gè)整體。

3) 相對運(yùn)動(dòng)剛體間設(shè)置為碰撞約束。

某典型沖鋒槍自動(dòng)機(jī)仿真模型如圖4所示[9-10]。

圖4 虛擬樣機(jī)仿真模型示意圖

機(jī)匣和槍管節(jié)套在圖4中沒有顯示，阻鐵和不到位保險(xiǎn)機(jī)用一個(gè)擋塊代替。射擊后，在火藥氣體作用下，彈殼推動(dòng)機(jī)頭以一定初速后退。

由于在運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)建模及分析過程中，未考慮擊錘及擊錘簧力的作用，故為了對比分析，考慮擊錘及不考慮擊錘2種情況下進(jìn)行仿真模擬。在不考慮擊錘的仿真過程中，將擊錘及擊錘簧去除，機(jī)頭帶動(dòng)機(jī)體、導(dǎo)桿軸套一起后坐；在考慮擊錘的仿真過程中，機(jī)頭帶動(dòng)機(jī)體、導(dǎo)桿軸套、擊錘一起后坐。后坐過程中，機(jī)體在復(fù)進(jìn)簧力以及擊錘簧力作用下開始減速。機(jī)頭、機(jī)體和導(dǎo)桿軸套在機(jī)體撞擊后機(jī)匣之后在復(fù)進(jìn)簧力作用下復(fù)位，擊錘與擋塊撞擊后保持不動(dòng)。

3 多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.1 復(fù)進(jìn)簧剛度對射速影響分析

在不考慮擊錘及擊錘簧的情況下，經(jīng)過多次仿真，在ADAMS后處理系統(tǒng)中，獲取該典型沖鋒槍原始參數(shù)(即復(fù)進(jìn)簧剛度為0.33 N/mm)情況下自動(dòng)機(jī)速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示，圖5中最右側(cè)速度降為零的時(shí)刻即為復(fù)進(jìn)到位時(shí)刻，使用同樣的方法可以獲得不同彈簧剛度情況下的復(fù)進(jìn)到位時(shí)間。

圖5 自動(dòng)機(jī)速度與時(shí)間關(guān)系仿真曲線

讀取不同復(fù)進(jìn)簧彈簧剛度下的復(fù)進(jìn)到位時(shí)間，可以得到復(fù)進(jìn)到位時(shí)間與彈簧剛度的關(guān)系曲線。用同樣方法，可以獲得考慮擊錘及擊錘簧情況下復(fù)進(jìn)到位時(shí)間與彈簧剛度的關(guān)系曲線。將2種情況及數(shù)學(xué)建模理論分析獲得的曲線繪制在一張圖上(見圖6)。

圖6 復(fù)進(jìn)簧剛度與復(fù)進(jìn)到位時(shí)間關(guān)系曲線

由圖6可以看出，由于理論分析時(shí)沒有考慮摩擦力等其他因素，理論數(shù)據(jù)與不加擊錘簧時(shí)數(shù)據(jù)比較，在較小的彈簧剛度變化范圍內(nèi)有一定誤差，但是誤差較小，大約5%左右，因此可以認(rèn)為是比較吻合的。

而加了擊錘及擊錘簧使自動(dòng)機(jī)后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間增長，并使曲線前段總時(shí)間隨彈簧剛度變化率減小，曲線后段總時(shí)間隨彈簧剛度變化率增大。但是曲線仍然滿足先減小后增大的規(guī)律，即對于原本復(fù)進(jìn)簧彈簧剛度較小的槍支，槍支射速隨剛度增大而增大；對于原本復(fù)進(jìn)簧彈簧剛度較大的槍支，射速可能隨剛度增大而減小。

3.2 復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力對射速影響分析

使用同樣的方法，可以獲取復(fù)進(jìn)到位時(shí)間與彈簧預(yù)壓力的關(guān)系曲線。將考慮擊錘簧及不考慮擊錘簧2種仿真情況及數(shù)學(xué)建模理論分析獲得的曲線繪制在一張圖上(見圖7)。

圖7 復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力與復(fù)進(jìn)到位時(shí)間關(guān)系曲線

由圖7可以看出，理論數(shù)據(jù)與不加擊錘簧時(shí)數(shù)據(jù)比較，在較小的彈簧預(yù)壓力變化范圍內(nèi)，是比較吻合的，誤差低于5%。可以看出，預(yù)壓力對射速影響與彈簧剛度類似，添加了擊錘簧使曲線最低點(diǎn)提前，并且曲線變化率增大，但是仍然滿足先減小后增大的規(guī)律，即對于原本復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力較小的槍支，槍支射速隨預(yù)壓力增大而增大；對于原本復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力較大的槍支，射速可能隨剛度增大而減小。

4 結(jié)論

建立了某典型沖鋒槍自動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及虛擬樣機(jī)模型，經(jīng)過數(shù)值分析計(jì)算，獲取了復(fù)進(jìn)簧參數(shù)對自動(dòng)機(jī)后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間的影響關(guān)系。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，槍支的射速隨復(fù)進(jìn)簧參數(shù)(彈簧剛度、預(yù)壓力)變化時(shí)并不是單純地增大減小的關(guān)系。對于原本射速較小的槍支，通過提高復(fù)進(jìn)簧剛度及預(yù)壓力，可以提高槍支射速。而對于原本射速較大的槍支，通過提高復(fù)進(jìn)簧剛度及預(yù)壓力，則可能反而會(huì)降低槍支射速。所得結(jié)論能夠在槍支設(shè)計(jì)及優(yōu)化時(shí)，結(jié)合槍支的特性、射擊精度等要求，為槍支復(fù)進(jìn)簧參數(shù)的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。