楊 松,赫 雷，沈超，李賓喜，周克棟

(1.南京理工大學(xué)，南京 210094; 2.齊齊哈爾雄鷹警用器材有限公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161005)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

某新型自動(dòng)防暴槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

楊 松1,赫 雷1，沈超1，李賓喜2，周克棟1

(1.南京理工大學(xué)，南京 210094; 2.齊齊哈爾雄鷹警用器材有限公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161005)

為了解決某新型自動(dòng)防暴槍霰彈彈匣供彈難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的供彈結(jié)構(gòu)。進(jìn)行了物理樣機(jī)試制，開(kāi)展了實(shí)彈試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和工作循環(huán)的可靠性?；赟olidWorks三維建模軟件和ADAMS/VIEW 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立了該新型自動(dòng)防暴槍的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行了自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的動(dòng)力學(xué)仿真。對(duì)不同槍機(jī)框部件質(zhì)量、導(dǎo)氣活塞面積、自動(dòng)機(jī)與機(jī)匣摩擦因數(shù)和復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力多種工況下的自動(dòng)機(jī)工作特性進(jìn)行了研究，為該防暴槍的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

自動(dòng)防暴槍；動(dòng)力學(xué)仿真；霰彈；彈匣供彈本文

防暴槍是人民警察、武警部隊(duì)維護(hù)國(guó)家安全、保衛(wèi)人民生命財(cái)產(chǎn)和“維穩(wěn)處突”的有力武器之一。當(dāng)前國(guó)內(nèi)普遍裝備的唧筒式半自動(dòng)警用防暴槍具有可靠性較好、多彈種兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，但在面對(duì)當(dāng)前武器裝備日益精良的亡命暴徒時(shí)，因戰(zhàn)斗射速較低，常常處于劣勢(shì)，達(dá)不到及時(shí)、有效阻止暴恐分子行兇的目的[1]。自動(dòng)防暴槍早在越戰(zhàn)期間，美軍就開(kāi)始研發(fā)，并曾小規(guī)模投入使用。其優(yōu)秀的持續(xù)性火力壓制能力，在反恐防暴行動(dòng)中展現(xiàn)出重要的地位[2]。目前，國(guó)外已經(jīng)有許多裝備自動(dòng)防暴槍的案例，如美國(guó)MPS AA-12自動(dòng)霰彈槍和俄羅斯Vepr12自動(dòng)霰彈槍[3]，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟產(chǎn)品大規(guī)模裝備使用。因此，研制自動(dòng)防暴槍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 某新型自動(dòng)防暴槍工作原理及基本假設(shè)

該防暴槍采用了活塞長(zhǎng)行程導(dǎo)氣式自動(dòng)原理，機(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖方式，擊錘回轉(zhuǎn)式擊發(fā)機(jī)構(gòu)和單連發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)，其中，自動(dòng)機(jī)組件結(jié)構(gòu)示意圖和霰彈供彈位置示意圖分別如圖1和圖2。與常規(guī)活塞長(zhǎng)行程導(dǎo)氣式自動(dòng)武器原理類似，扣動(dòng)扳機(jī)，擊錘回轉(zhuǎn)撞擊擊針。膛內(nèi)槍彈被擊發(fā)后，產(chǎn)生的火藥燃?xì)饨?jīng)導(dǎo)氣裝置氣路推動(dòng)活塞開(kāi)始后坐。后坐過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)壓縮復(fù)進(jìn)簧，直至運(yùn)動(dòng)到最后方撞擊機(jī)匣尾座，后坐到位。隨后，復(fù)進(jìn)簧釋放后坐過(guò)程儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能，推動(dòng)自動(dòng)機(jī)開(kāi)始復(fù)進(jìn)，推彈入膛，槍機(jī)體撞擊槍管后回轉(zhuǎn)閉鎖，槍機(jī)框體繼續(xù)復(fù)進(jìn)撞擊節(jié)套，復(fù)進(jìn)到位。圖3為物理樣機(jī)實(shí)彈試驗(yàn)時(shí)的照片，該試驗(yàn)證明了該防暴槍自動(dòng)機(jī)能夠順利完成自動(dòng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

圖2 霰彈供彈位置示意圖

圖3 樣機(jī)試驗(yàn)照片

本文研究對(duì)象為該防自動(dòng)暴槍自動(dòng)機(jī)自動(dòng)循環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性，為了使該虛擬樣機(jī)模型能夠盡可能簡(jiǎn)單、清晰地反映研究對(duì)象的使用規(guī)律，結(jié)合該自動(dòng)防暴槍的實(shí)際情況，對(duì)虛擬樣機(jī)模型做出了如下假設(shè)[4]：

(1)不考慮實(shí)際物理樣機(jī)中的柔性體影響，三維模型各零部件均以剛體形式導(dǎo)入建模[5]；

(2)忽略內(nèi)彈道時(shí)期膛內(nèi)高溫高壓火藥燃?xì)馐箯棜ぴ趶椞艃?nèi)產(chǎn)生的變形對(duì)抽殼阻力的影響[6]；

(3)不考慮實(shí)際人員握持發(fā)射時(shí)，機(jī)匣與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即虛擬樣機(jī)建模時(shí)將機(jī)匣、槍管、節(jié)套等固定于地面；

(4)忽略該防暴槍中的各處彈簧、扭簧實(shí)際工作過(guò)程中的內(nèi)耗[7]。

2 虛擬樣機(jī)建立

2.1 三維模型建立及約束關(guān)系

首先，利用三維實(shí)體造型軟件SOLIDWORKS 建立該槍的完整三維模型，隱藏不涉及本文研究?jī)?nèi)容的相關(guān)零部件后，導(dǎo)入ADAMS軟件中。以槍管軸線出膛口方向?yàn)閆軸正方向，豎直向下方向?yàn)閅軸正方向，采用左手定則確定X軸正方向，如圖4所示。隨后，為各個(gè)實(shí)體賦予與物理樣機(jī)相同的材料屬性，并建立其相互之間的約束關(guān)系。

圖4 虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)假設(shè)，將機(jī)匣及復(fù)進(jìn)簧管、彈匣殼體等作為各子系統(tǒng)的基體與地面固聯(lián)[8]。再分別對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的零部件添加運(yùn)動(dòng)副、彈簧、扭簧等約束關(guān)系。最后，為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生直接接觸的零部件添加接觸關(guān)系。部分主要約束關(guān)系和根據(jù)物理樣機(jī)實(shí)際工況設(shè)置的主要參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 部分主要約束關(guān)系

表2 仿真主要參數(shù)

2.2 載荷計(jì)算與添加

對(duì)于該自動(dòng)防暴槍，根據(jù)假設(shè)簡(jiǎn)化后，主要的載荷為氣室壓力。氣室壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫蛯?dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。前者通過(guò)編制相關(guān)內(nèi)彈道解算程序，已經(jīng)求解出詳細(xì)結(jié)果，后者具體包括導(dǎo)氣孔在槍管上的位置、導(dǎo)氣孔的橫截面積、導(dǎo)氣管道的長(zhǎng)度、活塞氣室的初始容積、氣室壁與活塞間隙的大小、活塞橫截面面積和自動(dòng)機(jī)主動(dòng)件質(zhì)量(活塞及與其相聯(lián)接的槍機(jī)框體等零件的質(zhì)量)等，這些參數(shù)對(duì)氣室壓力的變化規(guī)律都有影響。本文較多采用布拉文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算氣室壓力[9]：

式中：Fs為氣室壓力；pd為彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔瞬間的膛內(nèi)平均火藥燃?xì)鈮毫?；t0為槍彈擊發(fā)后彈頭運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)氣孔的時(shí)間;b為時(shí)間系數(shù)；a為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的系數(shù);Ss為導(dǎo)氣室活塞橫截面積。通過(guò)計(jì)算，可得到氣室壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖5所示。將該變化規(guī)律曲線導(dǎo)入ADAMS并施加于導(dǎo)氣活塞桿軸線垂直于端面的方向上。并編寫相關(guān)傳感器和腳本程序，使每當(dāng)擊發(fā)動(dòng)作完成后(捕捉擊針的位移，每當(dāng)擊針運(yùn)動(dòng)到最前方擊發(fā)點(diǎn)時(shí)即完成擊發(fā))，該主動(dòng)力生效一次，由此實(shí)現(xiàn)連發(fā)的自動(dòng)循環(huán)過(guò)程。

圖5 導(dǎo)氣室壓力-時(shí)間曲線

3 虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果分析

對(duì)本文建立的某自動(dòng)防暴槍虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真后，可得出其自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，3連發(fā)的仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6槍機(jī)框體位移隨時(shí)間變化可知，在當(dāng)前工況下，自動(dòng)機(jī)能夠順利完成推彈入膛、復(fù)進(jìn)到位和在氣室壓力作用下，導(dǎo)氣開(kāi)鎖并后坐到位等一系列設(shè)計(jì)功能。如圖6所示,通過(guò)計(jì)算速度曲線上a點(diǎn)與a′點(diǎn) 之間經(jīng)歷的時(shí)間可推測(cè)出該工況下，該防暴槍的理論射頻約為467發(fā)/分鐘。從0時(shí)刻開(kāi)始，扣動(dòng)扳機(jī)，擊錘回轉(zhuǎn)撞擊擊針，擊針前沖，克服擊針簧作用力，打擊底火，在a點(diǎn)時(shí)刻，觸發(fā)傳感器，激活作用于活塞桿端面的氣室壓力，活塞開(kāi)始后坐運(yùn)動(dòng)。至b點(diǎn)時(shí)刻，槍機(jī)框部件瞬間加速到最大后坐速度。c點(diǎn)時(shí)刻處，槍機(jī)框體后坐碰撞擊錘，同時(shí)自由行程結(jié)束，閉鎖導(dǎo)柱撞擊槍機(jī)框體曲線槽，開(kāi)始帶動(dòng)槍機(jī)體回轉(zhuǎn)開(kāi)鎖。抽殼鉤抱住彈殼，槍機(jī)體在后坐過(guò)程中推彈凸筍后側(cè)撞擊第二發(fā)槍彈頭部，將其下壓。d點(diǎn)時(shí)刻處，槍彈撞擊拋殼挺，回轉(zhuǎn)拋殼時(shí)，底緣脫離抽殼鉤對(duì)自動(dòng)機(jī)后坐造成沖擊。至e點(diǎn)時(shí)刻處，自動(dòng)機(jī)后坐到位，槍機(jī)框體與機(jī)匣尾蓋發(fā)生撞擊，減速為0。

從f點(diǎn)開(kāi)始，復(fù)進(jìn)機(jī)推動(dòng)自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)，至g點(diǎn)時(shí)刻，槍機(jī)體開(kāi)始推彈，導(dǎo)致槍機(jī)框體減速，直至槍彈被推出彈匣抱彈口后，自動(dòng)機(jī)立即加速運(yùn)動(dòng)。至h點(diǎn)時(shí)刻推彈到位，槍機(jī)體撞擊槍管尾端面，在槍機(jī)框體曲線槽對(duì)導(dǎo)柱的作用下，回轉(zhuǎn)閉鎖。槍機(jī)框體繼續(xù)復(fù)進(jìn)，并壓下不到位保險(xiǎn)。最后至i點(diǎn)時(shí)刻，槍機(jī)框體復(fù)進(jìn)到位，并減速為0，擊錘在被不到位保險(xiǎn)解脫后，再次撞擊擊針完成擊發(fā)。至此，完成一個(gè)自動(dòng)循環(huán)。

圖6 槍機(jī)框體位移、速度-時(shí)間曲線

4 不同因素對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的影響

根據(jù)牛頓第二定律，物體的質(zhì)量與所受到的外力都是決定物體運(yùn)動(dòng)特性的因素。在開(kāi)展該自動(dòng)防暴槍自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性研究的過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)是研究對(duì)象，其中槍機(jī)框部件為主動(dòng)件，槍機(jī)部件則是被動(dòng)件。在自動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，受到三個(gè)主要外力，分別為氣室壓力、機(jī)匣導(dǎo)軌與自動(dòng)機(jī)之間的摩擦力和復(fù)進(jìn)簧的壓力。故選取槍機(jī)框部件質(zhì)量mqjk、導(dǎo)氣活塞面積Ss、槍機(jī)框體、槍機(jī)體與機(jī)匣導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)μdg和復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力F0作為具有代表性的對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性有直接影響的參數(shù)，研究這四個(gè)參數(shù)對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的影響。

具體研究對(duì)象為三次自動(dòng)循環(huán)中槍機(jī)框體的平均后坐到位速度vhz，平均復(fù)進(jìn)到位速度vfj和自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的頻率(即理論射頻)f。采取單一變量原則，在保證自動(dòng)機(jī)能夠完成完整后坐、復(fù)進(jìn)行程的前提下，分別對(duì)mqjk、Ss、μdg和F0四個(gè)參數(shù)，選取一定變化范圍，開(kāi)展四組仿真分析，仿真結(jié)果如圖7(a)～(d)和表3～表6所示。

分析上述結(jié)果可得，在選定范圍內(nèi)，槍機(jī)框部件質(zhì)量越大，后坐到位速度和復(fù)進(jìn)到位速度都越小，理論射頻降低。通過(guò)分析槍機(jī)體開(kāi)始回轉(zhuǎn)開(kāi)鎖前后，槍機(jī)框體后坐速度的損失百分比可知，在滿足理論射頻設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，適當(dāng)提高槍機(jī)框部件質(zhì)量，可減小自動(dòng)機(jī)在開(kāi)鎖過(guò)程中的能量損失，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)、動(dòng)作可靠。

導(dǎo)氣活塞桿的面積與氣室壓力成正比，導(dǎo)氣式面積越大，槍機(jī)框開(kāi)始后坐時(shí)的初速度越大，在其他條件不變時(shí)，槍機(jī)框后坐到位速度越大，撞擊機(jī)匣尾座后開(kāi)始復(fù)進(jìn)的初速度和復(fù)進(jìn)到位的速度也越大，后坐和復(fù)進(jìn)過(guò)程的時(shí)間都變短，理論射頻提高。自動(dòng)機(jī)與機(jī)匣導(dǎo)軌間的摩擦因數(shù)越大，自動(dòng)機(jī)后坐和復(fù)進(jìn)過(guò)程中的能量損失越大，后坐、復(fù)進(jìn)到位速度越低，理論射頻也相應(yīng)越低。

在不改變復(fù)進(jìn)簧剛度及工作行程的前提下，提高復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力，相當(dāng)于增大了復(fù)進(jìn)簧初始狀態(tài)的壓縮量并增加了最大工作壓力，故對(duì)于同樣的后坐和復(fù)進(jìn)行程，復(fù)進(jìn)簧對(duì)自動(dòng)機(jī)后坐過(guò)程中所做的負(fù)功增加，復(fù)進(jìn)過(guò)程中所做的正功也增加，分別導(dǎo)致后坐到位速度變小和復(fù)進(jìn)到位速度變大。但由于自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)過(guò)程所用時(shí)間與后坐過(guò)程所用時(shí)間之比較大，故自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)周期變短，理論射頻提高。

圖7 mqjk、Ss、μdg和F0四個(gè)參數(shù)對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性的影響

mqjk/kg(Ss=113.1mm2,μdg=0.2,F0=26N)0.2880.3240.360.3960.432vhz/(m·s-1)2.9292.8912.4622.2892.066開(kāi)鎖前后速度損失/%25.823.822.319.918.9vfj/(m·s-1)1.7871.7651.7271.6961.671f/(r·min-1)493482467455442

表4 不同導(dǎo)氣活塞面積對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)主要參數(shù)的影響

表5 不同自動(dòng)機(jī)與機(jī)匣導(dǎo)軌摩擦系數(shù)對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)主要參數(shù)的影響

表6 不同復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力對(duì)自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)主要參數(shù)的影響

5 結(jié)論

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了某新型自動(dòng)防暴槍的虛擬樣機(jī)模型，計(jì)算了導(dǎo)氣室壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，通過(guò)仿真計(jì)算獲得了自動(dòng)機(jī)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)槍機(jī)框體的位移、速度隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析。研究了不同槍機(jī)框部件質(zhì)量、導(dǎo)氣活塞面積、自動(dòng)機(jī)和機(jī)匣導(dǎo)軌摩擦因數(shù)和復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力，對(duì)自動(dòng)機(jī)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性的影響。本文工作對(duì)該新型自動(dòng)防暴槍的物理樣機(jī)調(diào)試提供了指導(dǎo)，也為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

[1] 龐維強(qiáng),樊學(xué)忠.非致命武器在反恐中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ),2009(3):46-50.

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(責(zé)任編輯 周江川)

Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun

YANG Song1，HE Lei1，SHEN Chao1，LI Bin-xi2，ZHOU Ke-dong1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China; 2.Qiqihar Eagle Police Equipment Co.Ltd, Qiqihar 161005, China)

According to current situation that there is not a widely-equipped shot gun capable of providing continuous fire suppression in China,a new type of automatic shot gun is designed.To solve the difficult problem of feeding shotgun cartridge with magazine,a unique feeding structure was designed.The physical prototype was manufactured,and the live-fire test was carried out.The feasibility of the structure design and the reliability of the working cycle were verified.Based on three-dimensional modeling software SolidWorks and multi-body dynamics simulation software ADAMS/VIEW,the virtual prototype model was established.The dynamic simulation of the automatic working cycle and the analysis of the simulation result were carried out.A further study on various conditions of automat was conducted,under different masses of the bolt carrier component,different areas of the piston,different friction coefficients between the automat and the receiver and different preloads of the recoil spring,and it provides the basis for the design improvement of the automatic shot gun.

automatic shot gun; dynamic simulation; shot gun cartridge; magazine feeding

2016-11-24；

2016-12-30 作者簡(jiǎn)介：楊松(1991—)，男(藏族)，碩士研究生，主要從事新概念、新原理、新結(jié)構(gòu)武器技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.013

format:YANG Song，HE Lei，SHEN Chao，et al.Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):57-61.

TJ23

A

2096-2304(2017)03-0057-05

楊松,赫雷，沈超，等.某新型自動(dòng)防暴槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):57-61.