高宇飛，李 引，焦仁雷，趙曉輝

(中國兵器工業(yè)第208 研究所，北京 102202)

遙控武器站是一種可以安裝在多種軍用車輛或其他武器平臺(tái)上的新型模塊化武器系統(tǒng)，一般是由全電驅(qū)動(dòng)的炮塔和操控顯示單元兩大部分組成的，主要配備各種機(jī)槍、自動(dòng)榴彈發(fā)射器等武器，有的可配備小口徑火炮和單兵導(dǎo)彈。武器站一般裝備于機(jī)動(dòng)平臺(tái)上，從而改變了輕武器傳統(tǒng)“人扛馬馱”的轉(zhuǎn)移模式，既減輕了作戰(zhàn)人員的體能消耗，又可大幅增加武器攜彈量，能夠提高輕武器持續(xù)作戰(zhàn)的能力［1，2］。

某型遙控武器站采用12.7 mm 89 式重機(jī)槍為主要作戰(zhàn)武器，在彈丸出膛的瞬間，槍口的線速度和角速會(huì)發(fā)生很大變化，從而嚴(yán)重影響機(jī)槍的射擊精度。對(duì)其加裝緩沖器，緩沖器彈性元件的彈性變形能減小射擊時(shí)的槍口擾動(dòng)，有利于減小發(fā)射時(shí)架體的受力變形，提高武器站的射擊精度［3］。

運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過三維建模軟件UG 以及動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 建立遙控武器站發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)緩沖器不同剛度、阻尼和預(yù)壓力等情況下遙控武器站連續(xù)射擊槍口跳動(dòng)進(jìn)行仿真分析，以此來探究緩沖器參數(shù)對(duì)槍口跳動(dòng)的影響［4］。

1 緩沖器的工作原理

緩沖器是將搖架滑座與搖架下座聯(lián)接起來，通過彈性元件的彈性變形來工作的裝置。設(shè)計(jì)合理的緩沖器能夠減小槍口跳動(dòng)、架體受力和振動(dòng)，從而提高武器的射擊精度。為確保非射擊狀態(tài)下槍身與搖架沒有相對(duì)移動(dòng)，緩沖器的預(yù)壓力應(yīng)能克服槍身所受一定的附加載荷和沖擊。因此，武器站應(yīng)采用有預(yù)壓的緩沖器。緩沖簧一端抵住固定槍身的搖架滑座，另一端以緩沖筒與搖架下座聯(lián)結(jié)在一起。射擊時(shí)，槍身帶動(dòng)搖架滑座一同后坐，沿?fù)u架下座導(dǎo)槽滑動(dòng)，使彈簧受壓縮。后坐到位后，壓縮的緩沖簧伸張，推動(dòng)搖架滑座復(fù)進(jìn)［5，6］。

射擊時(shí)架體受力F2可表示為

式中:Fr為緩沖簧的預(yù)壓力;k 為緩沖簧剛度;X 為槍身位移;Ff為搖架滑座在搖架下座定向滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。

槍身后坐運(yùn)動(dòng)微分方程為

通過對(duì)式(3)、式(4)積分，即可求解出槍身運(yùn)動(dòng)諸元以及緩沖簧的受力情況［7］。

2 遙控武器站動(dòng)力仿真模型的建立

在三維實(shí)體建模軟件UG 中建立遙控武器站三維模型，然后生成parasolid 格式文件導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，按設(shè)計(jì)要求賦予部件材料屬性，建立起動(dòng)力學(xué)模型。其中托架繞底座轉(zhuǎn)運(yùn)，搖架滑座沿下座平動(dòng)，搖架繞耳軸相對(duì)于托架做俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，該模型部件約束關(guān)系如表1 所示。

表1 各部件約束關(guān)系

機(jī)槍射擊時(shí)所受后坐力為膛內(nèi)壓力曲線，具體數(shù)值可由膛內(nèi)壓強(qiáng)乘以作用面積求得。在仿真模型中用樣條函數(shù)AKISPL 來進(jìn)行曲線擬合，其形式為: AKISPL(time，0，Spline_n，0)，time 為第一個(gè)獨(dú)立變量，即系統(tǒng)時(shí)間，Spline_n 為膛底壓力的樣條線型數(shù)據(jù)。膛底壓力的加載曲線如圖1 所示［8］。

圖1 膛底壓力曲線

緩沖器聯(lián)接搖架滑座和下座，在仿真模型中用2 個(gè)平動(dòng)的彈簧阻尼器來代替。影響緩沖器性能的參數(shù)主要有緩沖簧的剛度、阻尼系數(shù)及預(yù)壓力。

根據(jù)89 式機(jī)槍的戰(zhàn)技指標(biāo)，以及遙控武器站緩沖器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，取彈簧剛度180 N/mm，220 N/mm，260 N/mm 進(jìn)行模擬仿真。

由于緩沖簧只能吸收或釋放槍身后坐的能量，而不能對(duì)其進(jìn)行消耗。因此，需要阻尼可在機(jī)槍射擊振動(dòng)過程中，對(duì)其運(yùn)動(dòng)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，逐漸減小其振幅。本次仿真對(duì)阻尼系數(shù)選取0，5 N/(m/s)，10 N/(m/s)。

預(yù)壓力不僅可以防止槍身和搖架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還能縮短振動(dòng)周期，本次取預(yù)壓力，500 N，700 N，900 N 進(jìn)行仿真。

在ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，利用平動(dòng)彈簧阻尼器來模擬緩沖器，可對(duì)緩沖器性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖2 所示。

3 仿真結(jié)果與分析

在預(yù)壓力為700 N;阻尼為0;緩沖器剛度分別為180 N/mm、220 N/mm、260 N/mm 的條件下，對(duì)武器站動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得到圖3 所示的曲線。在3 種不同剛度的條件下，得到的槍口平均跳動(dòng)分別為4. 56 mm，2. 76 mm，3.49 mm?？梢姴⒉皇菑椈蓜偠仍酱髮?duì)射擊精度越有利，緩沖簧的剛度與武器站射擊準(zhǔn)確度之間存在一個(gè)最佳的匹配［9］。

圖3 不同剛度下槍口跳動(dòng)曲線

在緩沖器剛度為180 N/mm，預(yù)壓力為700 N，不同阻尼條件下，七連發(fā)槍口中心跳動(dòng)的曲線如圖4 所示，槍口平均跳動(dòng)分別為4.56 mm，3.61 mm，3.34 mm。在阻尼為0 的情況下，振動(dòng)非常紊亂，毫無規(guī)律，這主要是由射擊載荷和彈簧作用力的合力所造成的。隨著阻尼的逐漸增加，跳動(dòng)幅度減小明顯，阻尼達(dá)到10 N/(m/s)，每次射擊時(shí)，槍口的跳動(dòng)情況規(guī)律，槍口穩(wěn)定性較好。

圖4 不同阻尼槍口跳動(dòng)曲線

圖5是緩沖器剛度為180 N/mm，阻尼為0，不同預(yù)壓力條件下，槍口中心跳動(dòng)的曲線?？梢钥闯鰳尶诘奶鴦?dòng)情況非常接近，跳動(dòng)幅度基本一致。區(qū)別較大的是后坐位移，預(yù)壓力越大，后坐位移越小。

圖5 不同預(yù)壓力槍口跳動(dòng)曲線

4 結(jié)論與展望

對(duì)某型遙控武器站進(jìn)行了連發(fā)射擊仿真分析，得到了該武器系統(tǒng)槍口跳動(dòng)曲線和影響槍口跳動(dòng)的主要因素，這對(duì)研發(fā)改進(jìn)武器系統(tǒng)，提高其射擊密集度具有一定的指導(dǎo)意義［10］。

在緩沖器不同的性能參數(shù)下，槍口跳動(dòng)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明:

1)緩沖簧剛度并不是越大或越小對(duì)精度越有利，而是與射擊密集度有一個(gè)最佳的匹配值。

2)在無阻尼情況下，槍口跳動(dòng)情況十分紊亂;當(dāng)阻尼逐漸加大時(shí)，槍口跳動(dòng)曲線趨于平滑，且振幅減小明顯。

3)預(yù)壓力的改變對(duì)振幅的影響不大，但可以調(diào)整后坐位移。

為提高武器系統(tǒng)射擊密集度，可以適當(dāng)增大阻尼，但過度增大或減小彈簧剛度并不是一個(gè)理想的方法。剛度過大，會(huì)使緩沖器的作用減弱，有較大的振動(dòng)和沖擊;剛度過小，緩沖器又起不到緩沖效果，后坐沖量峰值變大，對(duì)搖架和耳軸造成沖擊損傷，引起疲勞破壞。下一步要對(duì)槍管和搖架作柔性化處理，進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，找出一個(gè)既能減小槍口跳動(dòng)，又能減小武器站受力變形的最佳方案。

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