苑海威,薄玉成,王惠源,徐 健

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院,山西太原030051)

在自動武器的機構(gòu)運動循環(huán)中,通常是自動機在復(fù)進到位之后擊發(fā),然后再進行后坐復(fù)進循環(huán)。當(dāng)自動武器在復(fù)進過程中擊發(fā)時,火藥燃氣壓力首先要阻止復(fù)進,然后才產(chǎn)生后坐。這種自動武器在復(fù)進過程中擊發(fā),利用復(fù)進動量部分抵消部分火藥燃氣對后坐部分的作用沖量,從而大幅度減小后坐阻力,這種發(fā)射原理稱為前沖擊發(fā)原理,又稱為浮動原理[1]。

彈簧式浮動自動機結(jié)構(gòu)簡單,但浮動穩(wěn)定性較差,而彈簧液壓式等的組合浮動自動機穩(wěn)定性較好卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。結(jié)構(gòu)簡單、易于控制而又能實現(xiàn)穩(wěn)定浮動的浮動自動機技術(shù)是采用前沖擊發(fā)原理的武器的一項重要的研究課題。

本文提出了一種應(yīng)用于身管短后坐式武器的浮動自動機技術(shù),僅采用彈簧,結(jié)構(gòu)簡單,而又能實現(xiàn)高穩(wěn)定性的浮動,有效提高射擊精度和射擊密集度。

1 組成和工作原理

1.1 基本組成

身管短后坐式浮動自動機的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,它主要由身管、身管復(fù)進簧、身管等待機、節(jié)套、槍機、加速機構(gòu)、槍機框、槍機復(fù)進簧、擊發(fā)機構(gòu)和機匣組成。

1.2 工作原理

系統(tǒng)采用開膛待擊,首發(fā)浮動和定點擊發(fā)的方式,首發(fā)發(fā)射時,槍機框被擊發(fā)機構(gòu)的阻鐵掛于機匣后方,身管也被身管等待機掛住;射擊時,槍機框被釋放,它在槍機復(fù)進簧的作用下向前加速運動,當(dāng)槍機到達身管所在位置時,與身管撞擊結(jié)合,實現(xiàn)了閉鎖,同時槍機觸動身管掛機座解脫身管,使身管在身管復(fù)進簧的作用下也向前運動;然后槍機框和身管在同一速度下復(fù)進到定點擊發(fā)位實現(xiàn)擊發(fā);擊發(fā)后,身管和槍機框的前沖運動沖量被火藥氣體克服后,又以共同的速度后坐直到到達加速位置;在加速機構(gòu)的作用下,槍機框被加速,之后它只在槍機復(fù)進簧的作用下完成后坐和復(fù)進,而身管被加速機構(gòu)減速后受身管等待機作用被強制停止運動,等待下一次復(fù)進的開始,在此過程中,身管實現(xiàn)了在身管等待機兩側(cè)的浮動。

2 動力學(xué)模型

2.1 物理模型

在發(fā)射過程中,身管短后坐式浮動自動機的運動可簡化成1個兩自由度的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),其物理模型如圖2所示。在此模型中,將槍機和加速機構(gòu)的質(zhì)量等效到槍機框的質(zhì)量中,以下將槍機框、槍機和加速機構(gòu)統(tǒng)稱為槍機。

2.2 動力學(xué)模型

設(shè)身管和槍機框的質(zhì)量分別為m sg和m qj,位移分別為x sg和x qj,略去作用于構(gòu)件的常數(shù)摩擦力,則作用于身管的力有膛底合力,即火藥氣體壓力Fhy,身管復(fù)進簧力F sg-fjh,作用于槍機框的力主要是槍機復(fù)進簧力F qj-fjh。以掛機時身管后端面為坐標(biāo)原點O,建立坐標(biāo)系xOy。該系統(tǒng)一個循環(huán)過程可分為4個階段,各階段槍管和槍機的受力分析和運動微分方程如下。

2.2.1 第1次釋放槍機到槍機和身管扣合在一起(第1階段)

該階段槍機和身管只受各自復(fù)進簧力作用,其受力分析如圖3所示。

該階段槍機和身管的運動微分方程組為:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj,F0qj為槍機復(fù)進簧的預(yù)壓力,k qj-fjh x qj為槍機復(fù)進簧的剛度系數(shù)。

2.2.2 身管和槍機框共同復(fù)進到擊發(fā)位(第2階段)

該階段身管和槍機被扣合在一起,受槍機復(fù)進簧力和身管復(fù)進簧力的共同作用向前運動,其受力分析如圖4所示。

該階段槍機和身管的運動微分方程組為:

式中:F qj=F0 qj-k qj-fjh x qj+F0 qj-k sg-fjh x sg,F0sg為身管復(fù)進簧的預(yù)壓力;ksg-fjh為身管復(fù)進簧的剛度系數(shù)。

2.2.3 身管和槍機框從擊發(fā)位運動到加速位(第3階段)

該階段身管和槍機仍被扣合在一起,受火藥氣體壓力以及槍機復(fù)進簧力和身管復(fù)進簧力的共同作用,其受力分析如圖5所示。

該階段槍機和身管的運動微分方程組為:

式中:F hl=F hy+F0 qj-k qj-fjh x qj+F0sg+k sg-fjh x sg,F hy為火藥氣體壓力。

2.2.4 加速完畢后身管和槍機框各自后坐(第4階段)

該階段身管和槍機經(jīng)加速機構(gòu)作用分開各自運動,其受力分析如圖6所示。

該階段槍機和身管的運動微分方程組為:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj;Fsg=F0sg-ksg-fjhxsg;Fgd為槍機帶動供彈機構(gòu)運動的供彈阻力,這里按撥彈滑板式供彈機構(gòu)計算,取

2.3 內(nèi)彈道模型

火藥的幾何燃燒定律,燃燒速度定律,彈丸運動方程,內(nèi)彈道學(xué)基本方程,彈丸速度方程見參考文獻[2]。

3 動力學(xué)仿真計算

以MATLAB[3]編制的動力學(xué)仿真程序?qū)Ρ靖幼詣訖C[4-5]進行仿真計算,仿真時的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:身管質(zhì)量m sg=20 kg,槍機框質(zhì)量m qj=10 kg,身管復(fù)進簧預(yù)壓力F0sg=250 N,身管復(fù)進簧剛度k sg=50N?mm-1,槍機復(fù)進簧預(yù)壓力F0qj=100 N,槍機復(fù)進簧剛度k qj=2.5 N?mm-1,初始加速位置為JSW=-11 mm,加速比k js=2;得到單發(fā)時速度-時間仿真曲線、位移-時間仿真曲線以及5連發(fā)時的位移-時間仿真曲線分別如圖7～圖9所示。

圖8中,身管和槍機撞擊結(jié)合后(A點)以共同速度向前運動,B點為火藥氣體作用開始點,在C點位置時,槍機和身管在加速機構(gòu)的作用下分開各自運動,其中身管在D點速度時被身管掛機座掛住,等待下一發(fā)時槍機的撞擊解脫,從而開始新的循環(huán)運動。

圖9中,身管和槍機在A點撞擊結(jié)合,在B點被加速機構(gòu)分開,身管在C點被槍管掛機座掛住。

4 結(jié) 論

從系統(tǒng)組成、工作原理以及計算結(jié)果可得出以下結(jié)論:

1)身管短后坐式浮動自動機結(jié)構(gòu)簡單,僅用彈簧實現(xiàn)了浮動,從仿真結(jié)果可以看出原理是可行的。

2)因為每一發(fā)發(fā)射后,身管都會被身管等待機掛住,致使身管各發(fā)狀態(tài)一致,從而實現(xiàn)了浮動的高穩(wěn)定性,即使在實際的結(jié)構(gòu)中,自動機的穩(wěn)定性可能由于各種原因而降低,但相對穩(wěn)定性還是最高的。

3)由于身管每次發(fā)射都會被身管等待機強制停止運動,所以該種浮動原理只能用在對射速要求不高的武器上。

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