*韓 鐵，李瑞亮，李文國，王 斌，牛青林

（1.中國人民解放軍92840 部隊，山東，青島 266405； 2.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西，太原 030051）

0 引言

為滿足海軍陸戰(zhàn)隊的兩棲作戰(zhàn)需求，需設(shè)計一款能同時射擊陸上槍彈和水下特種彈的兩棲步槍。我們通過對步槍供彈系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和緩沖機構(gòu)的重新設(shè)計，既能滿足陸上彈丸和水下特種彈丸兩種長度不同彈丸適用性，又能滿足不同環(huán)境中導(dǎo)氣室的氣體調(diào)節(jié)量對自動機后坐所需克服阻力的影響，同時保證緩沖機構(gòu)在兩種環(huán)境中復(fù)進和閉鎖到位。

1 步槍通用結(jié)構(gòu)發(fā)射器設(shè)計

1.1 通用結(jié)構(gòu)射擊器設(shè)計要求

作為一種兩棲作戰(zhàn)雙彈種切換的發(fā)射器，其區(qū)別于傳統(tǒng)突擊步槍的最重要一點就是能夠?qū)崿F(xiàn)切換彈種射擊[1]，即將彈匣卡筍與拋殼挺和外殼滑動結(jié)合，并實現(xiàn)彈種切換可靠擊發(fā)并自動完成擊發(fā)、開鎖、后坐、抽殼、拋殼、復(fù)進、進彈動作。此外，還要滿足射擊穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等要求。

1.2 通用結(jié)構(gòu)發(fā)射器設(shè)計方案

水下步槍雙彈種通用結(jié)構(gòu)發(fā)射器以槍管的固定連接件和下機匣作為一切構(gòu)件運動和固定的基架和基準(zhǔn)。槍管通過預(yù)留的帶孔的連接件進行固定。通過機匣蓋、復(fù)進簧導(dǎo)桿及復(fù)進簧導(dǎo)桿帽的共同配合將機匣牢固固定懸掛于機匣的上方，使槍機可沿機匣上的導(dǎo)軌完成后座和復(fù)進的動作。

1.2.1 拋殼挺設(shè)計方案

拋殼挺是實現(xiàn)兩種不同彈丸切換的關(guān)鍵[2]。通過不同位置插銷控制拋殼挺和彈匣軸向前后運動，從而實現(xiàn)水下彈丸和陸上彈丸彈匣的切換和兩種彈丸在不同位置的拋殼。軸向可變拋殼挺示意圖如圖1 所示。槍機后座時，槍機后坐力在抽殼鉤帶動彈殼向后運動時作用于不同長度的彈丸不同位置拋殼。在安裝彈匣時，卡筍是可隨著拋殼挺軸向運動的，以適應(yīng)不同長度的彈匣。

圖1 軸向可變拋殼挺示意圖Fig.1 The diagram of axial variable shell casting

1.2.2 擊發(fā)方式設(shè)計

由于兩棲步槍要在水中工作，因此需要一種簡單可靠的擊發(fā)方式[3]，設(shè)計了如圖2 所示的擊發(fā)方式。黑色阻鐵為擊錘所在位置。發(fā)射時，淺黑色的扳機連接桿受到向后推力而帶著曲桿向后運動。曲桿前端上翹并接觸到黑色的阻鐵，阻鐵受到豎直方向的力以圓孔為軸心順時針運動，直動式擊錘受到阻鐵簧的推動向前運動撞擊槍機中的擊針。

圖2 扳機示意圖Fig.2 The diagram of trigger

1.2.3 槍機結(jié)構(gòu)設(shè)計

槍機是全槍最重要的部件之一，用于在復(fù)進簧的作用下閉鎖槍膛[4]。為了實現(xiàn)自動射擊，以槍機為基準(zhǔn)需要利用不同的零件組合工作完成擊發(fā)、抽拋殼和進彈等動作，同時還要推動槍機在閉鎖件閉鎖到位。槍機組件包括槍機、復(fù)進簧、抽殼鉤、擊針、槍機框等。

本次設(shè)計使用的是口徑為5.8 mm的標(biāo)準(zhǔn)陸上槍彈及5.8 mm的標(biāo)準(zhǔn)水下特種彈丸，兩種彈丸均已大量裝備部隊，便于保障。槍機閉鎖方式選擇回轉(zhuǎn)式閉鎖，回轉(zhuǎn)式閉鎖方式廣泛應(yīng)用于各類武器上可以保證閉鎖可靠性，結(jié)構(gòu)簡單便于設(shè)計。

因自動方式選擇身管短后坐自動方式所以閉鎖方式選擇機頭回轉(zhuǎn)式閉鎖方式，根據(jù)以下公式計算機頭尺寸。

在槍機材料為30CrMnMoTiA 情況下屈服極限1300 N/mm2，平均最大膛壓300 MPa，可以計算數(shù)值如表1 所示。

表1 回轉(zhuǎn)槍機參數(shù)數(shù)值表Table 1 Table of rotary gun parameters

槍機建模示意圖如圖3 所示。

圖3 槍機建模示意圖Fig.3 The diagram of rifle bolt modeling

1.3 整體外形設(shè)計

兩棲步槍采用無托式結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大減小了整個步槍的長度，適合蛙人特種作戰(zhàn)的狹小空間，且彈匣卡榫設(shè)計的尺寸較大保證了聯(lián)接的強度。扳機護圈采用了較大的設(shè)計，增加了與扳機的距離以方便特種作戰(zhàn)需要，并且能夠更好地保護使用者的手和扳機。兩棲步槍整槍設(shè)計示意圖如圖4 所示。

圖4 整槍設(shè)計方案示意圖Fig.4 The diagram of whole gun design scheme

2 動力學(xué)仿真

利用UG 軟件對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行三維建模，之后導(dǎo)入ADAMS 進行運動仿真[5]，驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)能否完成擊發(fā)、后坐和復(fù)進動作及可靠性[6]。由于本次仿真涉及的零件過多，全部導(dǎo)入仿真并一次性完成仿真，難以實現(xiàn)。因此，本次設(shè)計的仿真將一個射擊循環(huán)拆分成擊發(fā)仿真、槍機后坐仿真、槍機復(fù)進仿真三個部分。

2.1 兩棲步槍建模

對于該槍來說有兩種不同狀態(tài)的裝配圖，分別是陸上使用標(biāo)準(zhǔn)的普通彈丸和水中使用的特種水下彈丸。通過改變彈匣卡筍位置，實現(xiàn)不同彈匣子彈的裝配[7]。全槍的零件（不包括插銷和彈簧）共25 個，通過拉伸分別建模，再完成全槍裝配。裝配長彈匣的兩棲步槍如圖5 所示，裝配短彈匣的兩棲步槍如圖6 所示。

圖5 長彈匣全槍裝配圖Fig.5 The gun assembly drawing of long magazine

圖6 短彈匣全槍裝配圖Fig.6 The gun assembly drawing of short magazine

2.2 長彈匣動力學(xué)仿真

將之前建立的長彈匣兩棲步槍模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中，添加力和約束，設(shè)定仿真時間和仿真步長，利用ADAMS 軟件結(jié)果分析功能，可得出結(jié)構(gòu)中各部件的運動規(guī)律[8]。長彈匣槍機復(fù)進運動圖如圖7 所示。

圖7 長彈匣槍機復(fù)進運動曲線Fig.7 Reprograding motion curve of long magazine rifle bolt

在圖7 中，實線曲線為位移-時間曲線，虛線曲線為速度-時間曲線，點線曲線為加速度-時間曲線。

在0-0.0035 s 時間段內(nèi)，槍機在復(fù)進簧的推動下，所受合外力為常量，加速度曲線與t 軸平行且數(shù)值很小。在0.005 s 后，槍機與子彈碰撞，推動子彈向前運動，加速度陡增，速度驟降。瞬時子彈與槍機達到同速，槍機加速度再次變?yōu)槌Ａ?，速度均勻增加。?.011 s 時，子彈進入槍管內(nèi)壁，槍機運動阻力瞬間增加，運動速度驟減。隨著子彈進入彈膛，子彈與槍管軸線夾角變小，槍管對子彈的阻力也變小，槍機運動加速度增大。在0.015 s 左右，子彈近似水平地在槍管中運動，槍機受合外力再次趨于常量，加速度恒定，速度均勻增加。最后子彈彈底緣撞擊槍管尾部配合面，槍機在極短的時間內(nèi)發(fā)生激烈碰撞出現(xiàn)抖動，加速度出現(xiàn)急劇變化，其速度在完全閉鎖后變?yōu)榱恪?/p>

由運動學(xué)仿真圖可以看出，所設(shè)計槍機可以很好完成復(fù)進動作并實現(xiàn)閉鎖。

長彈匣子彈入膛運動仿真曲線如圖8 所示。

圖8 長彈匣子彈入膛運動曲線Fig.8 The projectile movement curve of a long magazine

在0-0.005 s 過程中槍機尚未與子彈發(fā)生接觸，故速度和加速度均為0。在0.005 s 之后，槍機前端面與子彈彈底發(fā)生碰撞使子彈速度瞬間從零加速到約75ms 。由于子彈撞擊槍管尾部坡部，受到槍管的阻力，加速度變小。隨著子彈逐漸水平，加速度再次成為常量。閉鎖之后子彈加速度和速度的驟減，位移趨于常量。子彈最大速度為242.1 m/s，即出槍口速度，可滿足水下作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)要求。

由運動學(xué)仿真圖可以看出，長彈匣中水下特種彈可以順利完成入膛動作并滿足戰(zhàn)術(shù)要求。

2.3 短彈匣動力學(xué)仿真

利用ADAMS軟件的對長彈匣完成數(shù)據(jù)分析后，用同樣方法可得出使用短彈結(jié)構(gòu)中各部件的運動規(guī)律。圖9 為短彈匣運動仿真曲線。

圖9 短彈彈匣槍機復(fù)進運動曲線Fig.9 Reprograding motion curve of short magazine rifle bolt

在圖9 中，實線曲線為位移-時間曲線，虛線曲線為速度-時間曲線，點線曲線為加速度-時間曲線。

在0-0.0031 s時間段內(nèi)，槍機所受合外力為常量，槍機在復(fù)進簧的推動下運動。在0.0031 s之后，槍機與槍機框碰撞，加速度陡增，瞬間后，槍機與槍機框同速，其加速度再次變?yōu)槌Ａ?，速度均勻增加。?.0108 s和0.0118 s時間段內(nèi)，槍機與子彈碰撞，速度陡降。瞬間后，子彈與槍機達到同速，槍機加速度再次變?yōu)槌Ａ?，速度均勻增加。?.0135 s時，子彈前端與槍管內(nèi)壁以及閉鎖件碰撞，槍機運動阻力瞬間增加，運動速度驟減。隨著子彈入膛，其所受阻力減小，槍機加速度增大。在0.0167 s時，子彈近似水平地在槍管中運動，槍機受合外力再次趨于常量，加速度恒定，速度均勻增加。最后子彈彈底緣撞擊槍管尾部配合面，槍機在極短的時間中發(fā)生猛烈碰撞出現(xiàn)抖動，加速度出現(xiàn)了急劇變化，其速度在完全閉鎖后變?yōu)榱恪?/p>

如圖10 所示，在0-0.108 s過程中槍機尚未與子彈發(fā)生接觸，故速度和加速度均為0。在0.0110 s之后，槍機前端面與子彈彈底發(fā)生碰撞，加速度曲線出現(xiàn)峰值，子彈速度瞬間從零加速到約145.5 m/s.由于子彈撞擊槍管尾部坡部，受到槍管的阻力，加速度變小。隨著子彈逐漸水平，加速度再次回歸常量。閉鎖之后子彈加速度和速度的驟減，位移趨于常量。子彈最大速度為922.6 m/s，即出槍口速度，可滿足陸上作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)要求。

圖10 短彈匣子彈入膛運動曲線Fig.10 The projectile movement curve of a short magazine

由運動學(xué)仿真圖可以看出，短彈匣子彈可以順利完成入膛動作并滿足戰(zhàn)術(shù)要求。

3 結(jié)論

通過對現(xiàn)有步槍類型、性能的分析，設(shè)計了一種能通用兩種不同長度彈丸的兩棲步槍，并對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行了三維實體建模與運動學(xué)仿真。根據(jù)運動學(xué)仿真分析，所設(shè)計機構(gòu)能夠完成不同長度的彈丸抽殼和槍機復(fù)進進彈動作。該步槍解決了同一步槍不同長度彈藥通用問題，這對于提高武器的適用度和兩棲作戰(zhàn)有著重要的研究意義與價值[9]。