基于ADAMS的某鏈式機槍自動機動力學仿真研究

滿孝杰，郝秀平，焦 健

(1.中北大學機電工程學院，山西 太原 030051) (2.國營第八六一廠，湖南 長沙 410100)

鏈式武器一般裝載在空中戰(zhàn)機、海上軍艦、陸地步兵戰(zhàn)車等快速運動且平臺抖動強烈的載體上，而小口徑鏈式機槍由于威力小，還可以裝載在無人作戰(zhàn)平臺上。想要在這些載體平臺上發(fā)揮出鏈式武器的作用，鏈式武器的射擊精度以及可靠性就顯得極為重要。本文通過模擬機框的運動情況來分析某鏈式機槍的可靠性。

1 鏈式機槍自動機的工作原理

鏈式機槍是一種由外能源提供動力的自動武器，如圖1所示，其自動循環(huán)動作是由電機驅(qū)動鏈條傳動系統(tǒng)來完成的[1]?，F(xiàn)有鏈式武器的鏈條傳動系統(tǒng)一般由4個鏈輪將1根封閉的鏈條張成矩形，4個鏈輪中有1個主動鏈輪和3個從動鏈輪，其中主動鏈輪的驅(qū)動力是由外部電機通過輸出軸提供的。

1—機心座滑塊；2—主鏈節(jié)；3—機心座；4—機頭；5—前引導板；

鏈式自動機的工作原理是通過帶有滑塊的鏈在鏈輪圍成的矩形路線上周向轉(zhuǎn)動，從而帶動機心座的前后運動。當機心座滑塊在前一長邊上運動時，機心座做縱向運動，槍機便完成推彈入膛、閉鎖擊發(fā)、拋殼等動作。當機心座滑塊在另一長邊上運動時，機心座后移，槍機完成抽殼動作，從而實現(xiàn)了槍機的后坐與復進[2]。

當機心座滑塊在短邊運動時，其在機心座的T型槽內(nèi)滑動，機心座不動。當機心座停留在后方時，供彈機構(gòu)完成輸彈、供彈動作；當機心座停留在前方時，槍機進行閉鎖、擊發(fā)動作，進而完成鏈式機槍自動機的自動循環(huán)動作[3]。

2 某尺寸鏈式機槍自動機三維模型

2.1 自動機模型的構(gòu)成

自動機組件由鏈傳動系統(tǒng)、槍機框、機頭組件、鏈條上板及鏈條下板等組成。鏈傳動系統(tǒng)包括主動鏈輪、鏈輪、滑塊座、滑塊和鏈條等5個部件[4]。

2.2 自動機模型的工作原理

鏈輪通過軸承與鏈條上下板連接，鏈條下板和機匣固連，鏈條上板通過螺栓與鏈條下板固連，鏈條上板通過導軌限制槍機框前后運動。槍機框后部安裝有滾輪，滾輪在供彈機構(gòu)擺桿槽內(nèi)運動并帶動撥彈齒完成供輸彈動作，自動機組件主要完成推彈入膛、閉鎖、擊發(fā)、開鎖、抽殼、后坐與復進等動作[5]。自動機組件如圖2所示。

圖2 自動機組件

3 建立仿真模型

3.1 虛擬樣機模型的簡化

1)除鏈條、彈鏈考慮其變形影響外，其他部件看成剛性體；

2)如一些銷釘?shù)冗B接方式簡化成運動副；

3)由于開鎖膛壓小，因此不考慮火藥氣體對部件機構(gòu)動作的影響；

4)用固定副固連大地，不考慮槍架振動影響；

5)忽略一些不參與仿真運動的零部件。

3.2 鏈式自動機運動方程及特性分析

將鏈傳動系統(tǒng)進行簡化，原理簡圖如圖3所示，圖中直角坐標系的X軸對應著鏈式自動機的進彈、抽殼運動行程，Y軸對應著閉鎖、擊發(fā)、開鎖行程。后窄邊中心設(shè)置為原點，鏈輪縱向中心距用長邊a表示，鏈輪橫向中心距用短邊b表示，4段過渡圓弧代表的是鏈輪的分度圓半徑。其中點1～9分別為過渡圓弧的交點，并且依據(jù)順時針排列。

圖3 鏈傳動系統(tǒng)原理簡圖

根據(jù)表1可以看出，鏈式機槍自動機的運動過程分為8個階段。表中，第一列為運動階段；第二列為鏈條沿X軸方向隨時間的位移；第三列為第二列表達式的一階導數(shù)，表示的含義為鏈條沿X軸方向的速度；最后一列為第二列表達式的二階導數(shù)，表示的含義為鏈條沿X軸方向的加速度。通過表1可得理想狀態(tài)下自動機的位移、速度、加速度隨時間變化的規(guī)律如圖4所示。

表1 鏈式自動機隨時間運動特性函數(shù)

圖4 理想狀態(tài)下鏈式自動機運動特性曲線

從圖4可以看出，鏈式機槍自動機的位移運動規(guī)律近似可以看成梯形變化規(guī)律，速度運動規(guī)律為標準的梯形變化規(guī)律，加速度變化規(guī)律屬于標準的正弦變化規(guī)律。鏈式自動機仿真曲線只有和理想狀態(tài)下自動機運動特性曲線相符才能保證其可靠工作。

3.3 模型的建立

將在UG中建立的三維模型導入ADAMS中，由于導入ADAMS中的模型僅有幾何形狀特征，所以在仿真分析前需要對各部件的名稱、材料屬性等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。由于鏈條鏈輪是在ADAMS中生成的，所以用單排鏈代替雙排鏈，如圖5所示。設(shè)置完成后在ADAMS中根據(jù)各機構(gòu)之間的關(guān)系添加運動副，其約束見表2。

3.4 虛擬樣機載荷的添加

在鏈式機槍虛擬樣機模型中，需要施加的載荷有膛底壓力、抽殼力、摩擦阻力[6]。建立內(nèi)彈道及后效期火藥氣體壓力計算的數(shù)學模型，通過MATLAB進行編程，并求解得到該彈內(nèi)彈道的膛底壓力-時間曲線,如圖6所示[7]。

圖5 虛擬仿真模型

表2 各部件之間的約束

圖6 膛底壓力-時間曲線

已知鏈式機槍內(nèi)彈道膛底壓力-時間曲線后，再根據(jù)轉(zhuǎn)化公式計算膛底合力。

轉(zhuǎn)化公式：

(1)

式中：Fh為膛底合力；S為槍膛橫截面積；ω為裝藥量；m為彈丸質(zhì)量；φ1為次要功系數(shù)；p為膛壓。

根據(jù)式(1)計算得到膛底合力曲線，如圖7所示。

圖7 膛底合力-時間曲線

4 鏈式機槍仿真結(jié)果與分析

在運行仿真模型前，需要進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，首先需要將聯(lián)合仿真模型的輸入轉(zhuǎn)速值設(shè)置為10 667 r/min，此轉(zhuǎn)速是鏈式機槍在射頻為600發(fā)/min的理論轉(zhuǎn)速；其次將聯(lián)合仿真的時間設(shè)置為0.1 s。仿真完成后得到鏈式機槍槍機框位移隨著時間的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 鏈式機槍槍機框位移隨時間變化曲線

當鏈式機槍的射頻為600發(fā)/min時，槍機框的理論循環(huán)周期為0.1 s。從圖8中可以看出，槍機框的循環(huán)周期為0.1 s時，鏈式機槍的實際射頻為588發(fā)/min。由此得出：槍機框位移圖在鏈條前后直線段產(chǎn)生波動現(xiàn)象，究其原因是鏈條在前后直線段運動時前后晃動導致槍機框的位移波動。從圖中還可以看出，槍機框位移的最大值約為-29 mm，最小值約為-149 mm，其差值為120 mm，與鏈式機槍自動機設(shè)計的工作循環(huán)行程基本一致，說明在射頻不同的情況下鏈式機槍能夠穩(wěn)定地進行射擊，驗證了其在不同射頻狀態(tài)下運動的穩(wěn)定性。

在射頻為600發(fā)/min，自動循環(huán)周期為0.1 s的前提下，仿真得到的槍機框速度、加速度隨時間變化的曲線如圖9、圖10所示。

圖9 鏈式機槍槍機框速度隨時間變化曲線

圖10 鏈式機槍槍機框加速度隨時間變化曲線

從圖9中可以看出，槍機框的最大瞬時速度為3.7 m/s，平均速度約為3.3 m/s，圖形近似為T型，與理論分析結(jié)果一致，即仿真結(jié)果滿足實際設(shè)計要求。從圖10中可以看出，槍機框的最大加速度約為10 000 m/s2，其加速度與理想的加速度曲線變化差別較大，主要原因是在仿真過程中存在大量的波動，而理想狀態(tài)下忽略了鏈條的抖動及各部件之間的接觸。

射頻為500發(fā)/min情況下，鏈式機槍槍機框的位移、速度、加速度隨時間變化的運動特性曲線如圖11所示。

圖11 500發(fā)/min射頻下鏈式機槍槍機框位移、速度、加速度隨時間變化曲線

鏈式機槍的射頻為500發(fā)/min時，槍機框的理論循環(huán)周期為0.11 s，從圖11中可知，槍機框的循環(huán)周期為0.11 s，鏈式機槍的實際射頻為503發(fā)/min。鏈條的運行距離不變，則槍機框的位移大小不發(fā)生變化，同樣為120 mm。相對于射頻600發(fā)/min，500發(fā)/min射頻時的速度較低，約為2.6 m/s，同時在鏈條前后直線段速度曲線波動也相對較小，主要是降低射頻使鏈輪轉(zhuǎn)數(shù)降低，鏈條的抖動也隨之減小。在500發(fā)/min射頻和600發(fā)/min射頻條件下，槍機框的運動特性曲線規(guī)律基本一致，這說明鏈式機槍在任選的不同射頻條件下依然能穩(wěn)定運行。以上結(jié)果充分證明了鏈式機槍具有優(yōu)秀的可靠性。

5 結(jié)束語

本文首先對某口徑鏈式機槍自動機進行了理論分析，然后用多體動力學軟件ADAMS進行了仿真分析，并對自動機槍機框部分的運動曲線進行了分析總結(jié)，最后得到結(jié)論：鏈式機槍在不同射頻條件下都能夠進行穩(wěn)定的運行，其位移、速度、加速度與理論分析的自動機特性曲線基本一致，由此可知鏈式機槍具有一定的可靠性[8]。