徐家凡，何 玲 ，王永娟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

1 工作原理

自動武器閉鎖機(jī)構(gòu)是在武器發(fā)射時從身管尾端面關(guān)閉彈膛，承受火藥燃?xì)鈮毫Σ⒎乐购笠莸臋C(jī)構(gòu)；對于發(fā)射有殼槍彈的閉鎖機(jī)構(gòu)還起抵住彈殼，防止彈殼斷裂的作用[1]。某自動武器自動機(jī)采用導(dǎo)氣式機(jī)頭回轉(zhuǎn)剛性閉鎖機(jī)構(gòu)方式。在閉鎖階段，機(jī)頭旋轉(zhuǎn)一定角度，使機(jī)頭和節(jié)套上對應(yīng)的3個螺旋面即閉鎖面相互緊貼，實現(xiàn)剛性閉鎖，接觸面見圖1涂黑部分。子彈發(fā)射時，槍膛內(nèi)的火藥燃?xì)鈮毫Υ螅⑶易兓杆?，作用在機(jī)頭頭部彈底窩處，使閉鎖面承受很大的動載荷，在閉鎖面上產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力。既要考慮機(jī)頭與節(jié)套之間閉鎖面的接觸碰撞，又要考慮應(yīng)力波的傳播[2-3]。

考慮閉鎖面之間可能存在閉鎖間隙[4]，又使得閉鎖面上的接觸應(yīng)力值波動加劇。本文著重分析由閉鎖間隙帶來的應(yīng)力值及其變化情況，以期能直觀地得到應(yīng)力值波動的規(guī)律，為閉鎖機(jī)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計和工作特性分析提供一定依據(jù)。

2 有限元模型

模型假設(shè)：

1)機(jī)頭和節(jié)套采用線彈性材料模型。

2)考慮閉鎖面之間可能存在閉鎖間隙，等間斷地從0～0.1 mm取11組閉鎖間隙。

3)在發(fā)射時自動武器剛性固定，即約束節(jié)套固聯(lián)部位全部自由度，機(jī)頭凸起側(cè)面施加軸向轉(zhuǎn)動約束(見圖2)。

4)彈殼在發(fā)射時不橫斷，即火藥氣體作用力通過彈殼底部作用到機(jī)頭彈底窩上。

(1)

(2)

(3)

并且:

(4)

式(4)表明切向相對滑動速度和作用于從接觸點的摩擦力的方向相反，摩擦力起著阻止相對滑動的作用。為了簡便起見，通常假設(shè)μs=μd=μ，即不區(qū)別靜、動摩擦因數(shù)。取摩擦因數(shù)為0.1[3]。

表1 材料參數(shù)

3 計算結(jié)果和分析

3.1 接觸應(yīng)力最大值分析

無閉鎖間隙時，機(jī)頭和節(jié)套最大等效應(yīng)力云圖如圖4，機(jī)頭最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在3號面圓角部分的表層節(jié)點A處，面的標(biāo)號如圖1所示。節(jié)套最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在3號面表層節(jié)點B處，靠近機(jī)頭節(jié)點A處圓角。A、B兩點應(yīng)力值在0.74 ms達(dá)到最大，基本趨勢與膛壓曲線一致。一對接觸面上的應(yīng)力變化規(guī)律相似，故對機(jī)頭接觸面應(yīng)力分析即可。從結(jié)構(gòu)來看，3號面附近機(jī)頭體開有拉殼鉤安裝槽而使得圓角線在開槽處斷開變短并導(dǎo)致應(yīng)力集中。

有閉鎖間隙時，機(jī)頭最大等效應(yīng)力曲線如圖5所示，隨著間隙的增加，碰撞導(dǎo)致應(yīng)力值波動增大，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的時間隨間隙增大有變早的趨勢；無間隙時，出現(xiàn)在0.74 ms；間隙為0.05 mm時，出現(xiàn)在0.67 ms；間隙為0.10 ms，出現(xiàn)在0.49 ms。當(dāng)間隙增加到一定值時碰撞的次數(shù)增加：當(dāng)間隙在[0.01，0.08] mm時，發(fā)生兩次碰撞；當(dāng)間隙在[0.08，0.1] mm時，發(fā)生3次碰撞。發(fā)生多次撞擊的原因是，撞擊時槍機(jī)隨間隙增大，獲得較大速度和動能，見圖7(下)不同間隙下槍機(jī)最大速度圖；在間隙為0.1 mm時，其最大速度高達(dá)2 m/s，而被碰件固聯(lián)部位的全部自由度被約束，即建立模型時假設(shè)的第3條：發(fā)射時自動武器剛性固定。這種碰撞條件下，大的撞擊能量造成撞擊分離，待發(fā)生多次撞擊后，槍機(jī)能量損耗至足夠小時，才和節(jié)套撞擊結(jié)合。不同間隙下，最大等效應(yīng)力的走勢如圖6，機(jī)頭上最大等效應(yīng)力在3號面圓角處最為明顯，且A點等效應(yīng)力一直最大，隨間隙增長呈現(xiàn)出一定的遞增規(guī)律；節(jié)套上最大等效應(yīng)力分散在3個面，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在不同節(jié)點上，應(yīng)力值的增長隨間隙的增大發(fā)生了一些波動，但總趨勢還是增大。當(dāng)間隙為0.1 mm時，機(jī)頭最大等效應(yīng)力增至1 226 MPa，和無間隙情況相比，應(yīng)力增長45%。在間隙[0，0.1] mm下，機(jī)頭和節(jié)套最大等效應(yīng)力都沒有超過屈服極限。

3.2 接觸應(yīng)力值波動分析

隨著閉鎖間隙增加，機(jī)頭A節(jié)點等效應(yīng)力值波動變大并難以在短時間內(nèi)平緩下來。為了便于分析接觸面應(yīng)力值波動情況，本文給出如下定義：

1)若機(jī)頭和節(jié)套為剛性體，在無間隙下，將某面接觸面壓強(qiáng)稱為該面的剛性接觸面壓強(qiáng)。

2)認(rèn)為機(jī)頭和節(jié)套為彈性體，某接觸面瞬時法向反力與該面瞬時接觸面積之比為該面接觸面壓強(qiáng)。

3)相同載荷下，某面接觸面壓強(qiáng)與其剛性接觸面壓強(qiáng)之差為接觸面壓強(qiáng)波幅。

4)相同載荷下，接觸面壓強(qiáng)與剛性接觸面壓強(qiáng)之比為接觸面壓強(qiáng)波動系數(shù)。

采用接觸面壓強(qiáng)波幅來等效接觸應(yīng)力的平均波幅，如圖7(上)所示。從波幅曲線可以看出，第1次接觸碰撞產(chǎn)生的接觸應(yīng)力值波幅最大，以后波幅逐漸變小。第1次接觸應(yīng)力脈寬隨間隙增大略有變小的趨勢：間隙為0時，脈寬為0.09 ms； 間隙為0.05時，脈寬為0.07 ms； 間隙為0.10 mm時，脈寬為0.075 ms。這是因為有間隙時撞擊速度越大，脈沖峰值越大，脈寬越窄。不同間隙下，平均波幅的最大峰值的走勢圖和第1次接觸碰撞時機(jī)頭速度如圖7(下)所示?？芍?，第1次接觸碰撞產(chǎn)生的接觸應(yīng)力值波幅隨間隙增大而增大，其波幅與接觸碰撞時機(jī)頭的速度大小成一定線性相關(guān)性。

無論有無閉鎖間隙，接觸應(yīng)力在剛開始接觸碰撞時有明顯的波動，見圖5。此時載荷呈現(xiàn)短歷時突變的特征，產(chǎn)生明顯的應(yīng)力波，應(yīng)力波很快從槍機(jī)閉鎖接觸面?zhèn)髦翗寵C(jī)體細(xì)長小截面上，由于截面差比較大，小截面內(nèi)的應(yīng)力波只有很小一部分再傳回大截面，小截面起到“捕波器”[7]的作用，故接觸面處可忽略反射波的影響。當(dāng)接觸面不再發(fā)生碰撞分離而撞擊結(jié)合后，此時載荷增長的時間比撞擊載荷作用的時間長，載荷不再呈現(xiàn)短歷時突變的特征，槍機(jī)體細(xì)長小截面內(nèi)難以觀察到應(yīng)力波傳播現(xiàn)象，接觸面上動態(tài)響應(yīng)主要表現(xiàn)為接觸面變形和變動，導(dǎo)致接觸不均，從而引起接觸面上應(yīng)力值波動。槍機(jī)接觸面面積的變化如圖8所示。

采用接觸面壓強(qiáng)波動系數(shù)能清晰反映各個接觸面受力均衡情況，機(jī)頭各個面接觸面壓強(qiáng)波動系數(shù)如圖9所示。其中波動系數(shù)為0表示接觸面分離，[0，1]表示應(yīng)力值波幅為負(fù)，1表示應(yīng)力值波幅為0，大于1表示應(yīng)力值波幅為正。波動系數(shù)最終的趨值與1的差值大小反映了該面受力不均衡程度。通過圖9可以看出，1、3號面受力最不均衡，1號面受力偏小，3號面受力偏大。由于閉鎖時，機(jī)頭、節(jié)套發(fā)生變形，使各面有效支撐面面積變動，導(dǎo)致接觸面受力不均，因此各面的波動系數(shù)曲線不同。

結(jié)合應(yīng)力值波動情況可以分析最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)時刻：接觸碰撞初期，應(yīng)力值波幅最大，但此時膛壓較小，接觸應(yīng)力值較??；隨后，應(yīng)力值波幅衰減，但膛壓上升，接觸應(yīng)力值變大，在某次波幅峰值達(dá)到時，接觸應(yīng)力達(dá)到最大，此時刻可能出現(xiàn)在膛壓最大值之前。并且，隨著間隙的增大，應(yīng)力最大值有變早出現(xiàn)的趨勢。

4 結(jié) 論

數(shù)值計算表明，閉鎖間隙對閉鎖面最大接觸應(yīng)力的影響如下：

1)無間隙時，機(jī)頭和節(jié)套等效應(yīng)力變化規(guī)律與膛壓曲線相近，應(yīng)力值均在膛壓最大值時刻附近達(dá)到最大。

2)有間隙時，當(dāng)間隙增大到一定時，發(fā)生多次碰撞。隨著間隙的增加，機(jī)頭和節(jié)套上最大應(yīng)力隨間隙增大呈上升趨勢且應(yīng)力最大值有變早出現(xiàn)的趨勢。

閉鎖間隙對閉鎖面接觸應(yīng)力值波動的影響如下：

1)隨著間隙的增大，接觸應(yīng)力值平均波幅越大。第1次撞擊帶來的平均波幅最大，以后波幅逐漸減小。

2)引起接觸面上應(yīng)力值波動的原因：①碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波，可忽略反射波；②碰撞后機(jī)頭反彈，接觸面分離；③當(dāng)接觸面不再發(fā)生碰撞分離而撞擊結(jié)合后，原因為接觸面變形和變動導(dǎo)致接觸不均。

3)不同面的應(yīng)力值波動情況不同，機(jī)頭3號面受力最不均衡。

[1] 王裕安，徐萬和，薄玉成.自動武器構(gòu)造[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1994：203-206．

WANG Yu-an，XU Wan-he,BO Yu-cheng．Construction of automatic weapons[M]．Beijing:Beijing Institute of Technology Press，1994：203-206．(in Chinese)

[2] 樊黎霞．新12.7高射機(jī)槍閉鎖片撞擊的理論分析和實驗研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，1987．

FAN Li-xia．Theoretical analysis and experimental stu-dy of the impact on locking piece of a new 12.7 antiaircraft machine gun[D]．Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，1987. (in Chinese)

[3] 葛藤，趙軍，周克棟．某新型自動步槍閉鎖機(jī)構(gòu)動應(yīng)力分析[J]．彈道學(xué)報，2006，6(2)：36-39．

GE Teng，ZHAO Jun,ZHOU Ke-dong．Analysis of dynamic stress of a new rifle locking mechanism[J]．Journal of Ballistics，2006，6(2)：36-39．(in Chinese)

[4] 董雪花，王亞平，徐誠．某突擊步槍自動機(jī)含間隙剛?cè)狁詈辖Ｅc仿真分析[J]．兵工學(xué)報，2007,28(9)：1132-1137.

DONG Xue-hua , WANG Ya-ping, XU Cheng．Mode-ling and simulating of rigid-flexible coupling containing clearance for an assault rifle automatic mechanism[J]．ACTA Armamentarii，2007,28(9)：1132-1137. (in Chinese)

[5] 王學(xué)顏，宋廣惠．射擊過程中彈殼對槍機(jī)作用力的理論分析[J]．兵工學(xué)報，1992,8(3)：8-15.

WANG Xue-yan，SONG Guang-hui．Theoretical analysis of the force exerted on the bolt by cartridge case when firing[J]．ACTA Armamentarii，1992,8(3)：8-15. (in Chinese)

[6] 王勖成．有限單元法[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003:670-671.

WANG Xu-cheng．Finite element method[M]．Beijing:Tsinghua University Press，2003:670-671. (in Chinese)

[7] 馬曉青．沖擊動力學(xué)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.

MA Xiao-qin．Impact dynamatics[M]．Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1992. (in Chinese)