姜 奧，王 剛，滿孝杰，高云峰

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

輸彈機(jī)構(gòu)是自動武器重要的組成部分，它是容彈具和自動機(jī)進(jìn)彈口之間傳送彈藥的機(jī)構(gòu)，主要功能是把容彈具中的彈藥快速、平穩(wěn)、精準(zhǔn)地輸送到自動機(jī)里，以保證自動武器能夠持續(xù)高速射擊[1]。因此，供彈機(jī)構(gòu)的布局和結(jié)構(gòu)形式在很大程度上決定了自動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和可靠性,設(shè)計一種可靠的、性能高的輸彈機(jī)構(gòu)對提高自動武器的射速有很大的意義[2-3]。

現(xiàn)代自動武器輸彈機(jī)構(gòu)的類型很多，劉朋展[4]設(shè)計了由撥彈輪、撥彈齒、導(dǎo)引等組成的單、雙路供彈機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的傳動系統(tǒng)，并通過仿真驗證了其可靠性；李鵬飛[5]提出了一種新型差動式無鏈供彈系統(tǒng)原理方案，并針對參數(shù)計算、強(qiáng)度校核和仿真開展了一系列研究；梁振剛等[6]針對火炮快速補(bǔ)彈能力的不足,設(shè)計了一種回轉(zhuǎn)式供彈機(jī)構(gòu),并通過運(yùn)動學(xué)分析驗證了其可行性。本文綜合某機(jī)槍的實際情況，基于凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、動作可靠的特點，設(shè)計了一種凸輪杠桿組合式輸彈機(jī)構(gòu)，建立了該機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，并通過仿真驗證其可靠性。

1 輸彈機(jī)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 輸彈機(jī)構(gòu)三維模型

輸彈機(jī)構(gòu)由凸輪曲線槽滑板、換向器、撥彈杠桿、撥彈滑板、撥彈齒等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸彈主動件為槍機(jī)框凸起。凸輪曲線槽滑板能夠在機(jī)匣導(dǎo)軌中前后滑動，撥彈杠桿固定于受彈器蓋之上，隨著凸輪曲線槽滑板的運(yùn)動左右擺動，并帶動撥彈滑板、撥彈齒往復(fù)運(yùn)動。

1—撥彈滑板；2—撥彈齒；3—撥彈杠桿；4—凸輪曲線槽滑板；

1.2 輸彈機(jī)構(gòu)工作原理

輸彈機(jī)構(gòu)供彈過程分為兩個階段：1)槍機(jī)后坐過程中，槍機(jī)框先空行一段行程，然后帶動凸輪曲線槽滑板向后移動，迫使撥彈杠桿順時針回轉(zhuǎn)，隨后撥彈杠桿推動撥彈滑板與撥彈齒向右滑動，將一發(fā)槍彈推動一個鏈節(jié)距，完成輸彈。2)槍機(jī)復(fù)進(jìn)過程中，槍機(jī)框先空行一段行程，然后帶動凸輪曲線槽滑板向前移動，迫使撥彈杠桿逆時針回轉(zhuǎn)，隨后撥彈杠桿推動撥彈滑板與撥彈齒向左滑動，返回初始位置。

1.3 輸彈機(jī)構(gòu)理論分析

傳速比是傳動機(jī)構(gòu)兩構(gòu)件運(yùn)動速度的比值，其決定著從動件的加速度，傳速比越小，速度變化越慢，機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性越高，但傳速比過小也會影響傳動機(jī)構(gòu)的效率。將輸彈機(jī)構(gòu)分為兩部分，分別研究其傳速比。

1)槍機(jī)框與撥彈杠桿傳速比。該傳動機(jī)構(gòu)傳速比的變化規(guī)律由凸輪曲線槽輪廓決定，凸輪曲線槽由兩段R20的圓弧與一段直線組合而成，計算得到槍機(jī)框與撥彈杠桿傳速比如圖2所示。

圖2 槍機(jī)框與撥彈杠桿傳速比

由圖2可知，槍機(jī)框后坐195 mm時，撥彈杠桿開始運(yùn)動，傳速比由0逐漸上升至0.58，隨后又逐漸下降，直至槍機(jī)框后坐290 mm時，撥彈杠桿停止運(yùn)動。

2)撥彈杠桿與撥彈滑板傳速比。根據(jù)撥彈杠桿尺寸及回轉(zhuǎn)中心位置，計算得到撥彈杠桿與撥彈滑板傳速比如圖3所示。

圖3 撥彈杠桿與撥彈滑板傳速比

撥彈杠桿與撥彈滑板為定傳速比傳動。在保證功能完整的前提下，為使整體結(jié)構(gòu)尺寸最小，設(shè)計撥彈杠桿與撥彈滑板傳速比為1.25。運(yùn)動的起始、終止位置雖有急起急停的情況，但因撥彈杠桿與撥彈滑板緊密貼合，故兩零件不會干涉，運(yùn)動過程較為平穩(wěn)。

2 輸彈機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

為檢驗輸彈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、各零件運(yùn)動軌跡規(guī)劃是否可行以及觀察各零件運(yùn)動姿態(tài)與受力情況，利用ADAMS/View對輸彈機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真，用ADAMS/PostProcessor錄制仿真動畫，繪制出仿真結(jié)果曲線，得到各構(gòu)件的位移、速度、加速度和受力情況，為輸彈機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2.1 仿真前處理

在ADAMS中設(shè)置網(wǎng)格、添加重力、設(shè)置材料屬性，隨后對機(jī)構(gòu)添加必要的約束、接觸力及驅(qū)動，具體見表1。

表1 輸彈機(jī)構(gòu)約束和驅(qū)動

2.2 不同射速下仿真分析

針對不同射速，賦予槍機(jī)框不同的運(yùn)動速度[7-10]。射速為400發(fā)/min時，經(jīng)計算，槍機(jī)框運(yùn)動速度為5.588 m/s。設(shè)置槍機(jī)框位移函數(shù)為IF(time-0.052 94:-5 588,0,IF(time-0.070 56:0,0,5 588))。設(shè)置仿真時間為0.123 5 s，仿真步數(shù)為100步，得到的仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 射速400發(fā)/min時槍機(jī)框運(yùn)動位移

圖5 射速400發(fā)/min時凸輪曲線槽滑板X向位移

圖6 射速400發(fā)/min時撥彈滑板Y向位移

射速為800發(fā)/min時，經(jīng)計算，槍機(jī)框運(yùn)動速度為11.176 m/s。設(shè)置槍機(jī)框位移函數(shù)為IF(time-0.026 47:-11 176,0,IF(time-0.035 28:0,0,11 176))。設(shè)置仿真時間為0.061 8 s，仿真步數(shù)為100步，得到的仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 射速800發(fā)/min時槍機(jī)框運(yùn)動位移

圖8 射速800發(fā)/min時凸輪曲線槽滑板X向位移

圖9 射速800發(fā)/min時撥彈滑板Y向位移

由仿真可知，所設(shè)計輸彈機(jī)構(gòu)在不同射速下均能夠完成輸彈動作，且未發(fā)生干涉現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)。在0～26.47(52.94) ms(括號內(nèi)數(shù)值是射速為400發(fā)/min的時間，以下同)時間內(nèi)，撥彈齒由進(jìn)彈口運(yùn)動至輸彈初始位置；在26.47(52.94)～35.28(70.56) ms時間內(nèi)，槍機(jī)框保持不動；在35.28(70.56)～61.75(123.50) ms時間內(nèi)，撥彈齒順利完成一個輸彈動作。由圖4～圖9可知，各零件的運(yùn)動速度、位移均在規(guī)定范圍內(nèi)。由圖6、圖9可知，在后坐和復(fù)進(jìn)過程中撥彈滑板均運(yùn)動50 mm，滿足運(yùn)動一個鏈節(jié)距的要求。圖10為800發(fā)/min射速下槍機(jī)框的受力情況。

圖10 槍機(jī)框受力

由圖10可知，槍機(jī)框與凸輪曲線槽滑板間有50 000 N的撞擊力。計算得到槍機(jī)框所受剪切應(yīng)力為148.8 MPa，在允許值之內(nèi)，槍機(jī)框凸起強(qiáng)度可靠。圖11為800發(fā)/min射速下，撥彈杠桿的加速度。

圖11 撥彈杠桿加速度

由圖11可知，雖然在理論研究中撥彈杠桿運(yùn)行平穩(wěn)，不會出現(xiàn)突然的加速情況，但在仿真過程中仍然出現(xiàn)了較大的加速度，難以保證在復(fù)雜作戰(zhàn)情況下供彈的穩(wěn)定性。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決撥彈杠桿加速度較大的問題，提高輸彈機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，將凸輪曲線槽倒角尺寸由R20修改為R70，重新仿真得到各構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，撥彈杠桿的加速度明顯減小，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后撥彈杠桿加速度

圖11中加速度峰值為1 000 m/s2，優(yōu)化后，圖12中加速度峰值僅為500 m/s2，大大降低了撥彈杠桿的抖動，提高了輸彈機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)某機(jī)槍的供彈要求，設(shè)計了凸輪杠桿組合式輸彈機(jī)構(gòu)，該輸彈機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、可左右切換供彈、輸彈動作平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)點。仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計輸彈機(jī)構(gòu)的可行性與合理性，為樣機(jī)的制造提供了依據(jù)，為該機(jī)槍的成功研發(fā)提供了有力保證。本文的研究成果可為其他輸彈機(jī)構(gòu)的設(shè)計研究提供參考。