張紅勇，王智偉

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.內(nèi)蒙動(dòng)力機(jī)械研究所，呼和浩特 010011)

0 引言

沖鋒槍是單兵兩手握持或抵肩、發(fā)射手槍彈、近距連發(fā)射擊的全自動(dòng)槍械的總稱[1]。具有體積小、質(zhì)量輕、攜彈量大、火力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于近距離作戰(zhàn)和沖鋒，在200米內(nèi)可造成有效殺傷，因此大量裝備于軍隊(duì)中[2-3]。大多數(shù)沖鋒槍采用自由槍機(jī)式的自動(dòng)方式[4]，自動(dòng)機(jī)作為沖鋒槍的核心部件，其工作環(huán)境較為復(fù)雜，往往承受高溫高壓作用和各機(jī)構(gòu)之間劇烈的碰撞，因此其可靠性對(duì)沖鋒槍的性能有直接影響[5]。以往使用實(shí)彈射擊的試驗(yàn)方法探究自動(dòng)機(jī)的可靠性，不僅試驗(yàn)成本高、彈藥消耗大、研發(fā)周期長(zhǎng)，而且實(shí)彈射擊具有較大的危險(xiǎn)性，在這樣的背景下，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[6-7]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是使用軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和評(píng)估[8]。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可在武器設(shè)計(jì)、研究工作中反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，縮短研制周期和研制成本，完成物理樣機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)，把握機(jī)械系統(tǒng)各部件的特性[9]。文獻(xiàn)[10]通過(guò)在沖鋒槍機(jī)匣內(nèi)壁刻螺旋凹槽來(lái)降低射頻，并在ADAMS軟件中建立虛擬樣機(jī)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了這一方法的可行性。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)體半自由槍機(jī)式結(jié)構(gòu)以提高質(zhì)量轉(zhuǎn)換效率，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種能量可控的半自由槍機(jī)結(jié)構(gòu)，使用ADAMS軟件仿真驗(yàn)證了這一結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)槍機(jī)后能量大小的控制。文獻(xiàn)[13]通過(guò)增加緩沖裝置改善沖鋒槍的射擊精度，建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方案的有效性。綜上所述，通過(guò)構(gòu)建虛擬樣機(jī)對(duì)武器系統(tǒng)這類多體碰撞的問(wèn)題即研究自動(dòng)機(jī)各部件間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有較高的適用性，對(duì)于武器研發(fā)周期的縮減和成本具有積極作用。本文以某型沖鋒槍為研究對(duì)象，以該自動(dòng)武器的自動(dòng)機(jī)為例利用ADAMS建立虛擬樣機(jī)模型，對(duì)導(dǎo)氣式武器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，探究其核心部件運(yùn)動(dòng)特性及自動(dòng)機(jī)各部件之間的沖擊載荷，通過(guò)對(duì)自動(dòng)機(jī)中各部件之間的沖擊載荷來(lái)分析自動(dòng)機(jī)部件碰撞對(duì)射擊精度的影響，并通過(guò)改變導(dǎo)氣孔大小對(duì)自動(dòng)機(jī)循環(huán)動(dòng)作的影響規(guī)律進(jìn)行分析，用于指導(dǎo)實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)原型模型也可以為其改進(jìn)提供依據(jù)，其分析研究為槍械中擊發(fā)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)機(jī)是自動(dòng)武器的主要部件，其主要功能是自動(dòng)完成自動(dòng)武器從發(fā)射到拋殼再到進(jìn)彈，以及發(fā)射后一發(fā)彈的一系列過(guò)程[14]。自動(dòng)機(jī)的種類有很多種，本文研究的是導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)，其導(dǎo)氣方式為活塞長(zhǎng)行程。自動(dòng)機(jī)主要由身管及導(dǎo)氣裝置、復(fù)進(jìn)裝置、閉鎖機(jī)構(gòu)和發(fā)射機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。

1.1.1 身管及導(dǎo)氣裝置

身管由彈膛、線膛和坡膛組成，線膛由4條右旋矩形等齊膛線組成，導(dǎo)程長(zhǎng)度為240 mm。導(dǎo)氣裝置為活塞長(zhǎng)行程沖擊式，其組成部分如圖1所示。球形凹面在活塞前端，兩條環(huán)形溝位于活塞的兩側(cè)，其主要作用是減少火藥燃?xì)獾男孤?。?dǎo)氣孔位置靠近槍口，距身管尾端305.6 mm，導(dǎo)氣孔直徑為4.2 mm。

圖1 導(dǎo)氣裝置

1.1.2 復(fù)進(jìn)裝置

復(fù)進(jìn)裝置主要作用是：自動(dòng)機(jī)部件后坐時(shí)將能量積攢起來(lái)為其復(fù)進(jìn)提供一定的動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。導(dǎo)管和導(dǎo)桿具有導(dǎo)向作用，以防止復(fù)進(jìn)簧扭曲或卡死，擋圈為復(fù)進(jìn)簧提供一定的預(yù)壓。

圖2 復(fù)進(jìn)裝置

1.1.3 閉鎖機(jī)構(gòu)

該槍的閉鎖方式為槍機(jī)回轉(zhuǎn)式。閉鎖機(jī)構(gòu)組成部分如圖3所示。其中閉鎖凸筍位于槍機(jī)前方兩側(cè)，它以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式進(jìn)入機(jī)匣的閉鎖槽，后方為閉鎖支撐面，在前方上部的定型凸筍配合于機(jī)框的定型槽，在圓弧面、開(kāi)鎖螺旋面、閉鎖螺旋面、復(fù)進(jìn)平面與限制面的作用下，可以很好完成開(kāi)鎖、后坐、復(fù)進(jìn)及閉鎖等一系列動(dòng)作。

圖3 閉鎖機(jī)構(gòu)

1.1.4 發(fā)射機(jī)構(gòu)

該槍為單連發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)，其狀態(tài)有：?jiǎn)伟l(fā)、連發(fā)、三連發(fā)，由發(fā)射轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，它的主要零部件如圖4所示。

圖4 發(fā)射機(jī)構(gòu)

1.2 自動(dòng)動(dòng)作及自動(dòng)動(dòng)作循環(huán)圖表

1.2.1 導(dǎo)氣式自動(dòng)方式和自動(dòng)動(dòng)作

導(dǎo)氣式是膛內(nèi)部分高壓火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)身管上的導(dǎo)氣孔進(jìn)入氣室，推動(dòng)槍機(jī)后坐的自動(dòng)方式[15]。根據(jù)導(dǎo)氣裝置的不同結(jié)構(gòu)，可分為活塞式和導(dǎo)氣管式兩類。該型沖鋒槍為活塞長(zhǎng)行程，即把火藥燃?xì)獾淖饔昧νㄟ^(guò)活塞傳遞給槍機(jī)框，活塞與槍機(jī)框聯(lián)接成一體運(yùn)動(dòng)[16]。并通過(guò)增大機(jī)框質(zhì)量提高其抗干擾能力。

該槍的自動(dòng)動(dòng)作為：扣動(dòng)扳機(jī)，擊錘撞擊擊針后，槍彈底火在擊針的撞擊下燃燒，火藥氣體迅速膨脹，彈頭在其作用下向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥燃?xì)鈴膶?dǎo)氣孔進(jìn)入氣室，活塞與槍機(jī)框在氣室火藥燃?xì)獾淖饔孟乱黄鸷笞?，槍機(jī)框在螺旋槽的作用下沿著槍機(jī)定型凸筍滑動(dòng)，然后開(kāi)鎖前自由行程完成，槍機(jī)定型凸筍在槍機(jī)框螺旋面的撞擊下，完成開(kāi)鎖，槍機(jī)在槍機(jī)框的帶動(dòng)下一起后坐運(yùn)動(dòng)，槍機(jī)框后坐直至碰到槍尾完成后坐運(yùn)動(dòng)。后坐到位會(huì)壓縮復(fù)進(jìn)簧，復(fù)進(jìn)簧力的作用下開(kāi)始推動(dòng)槍機(jī)和槍機(jī)框開(kāi)鎖復(fù)進(jìn)，在機(jī)框推動(dòng)下，槍機(jī)定型凸筍進(jìn)入螺旋槽，然后槍機(jī)右旋閉鎖，在槍機(jī)凸筍限制面的作用下槍機(jī)框走完閉鎖自由行程，槍機(jī)框撞擊機(jī)匣前端停止并完成復(fù)進(jìn)動(dòng)作。

1.2.2 自動(dòng)循環(huán)圖

自動(dòng)循環(huán)圖是描述自動(dòng)機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)順序以及部件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的圖表或曲線圖。它顯示自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特征，描述自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中的主要部件和基礎(chǔ)部件之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

在自動(dòng)機(jī)的工作周期中，每個(gè)部件都有一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且在循環(huán)過(guò)程中主導(dǎo)部件帶動(dòng)其余部件完成自動(dòng)循環(huán)過(guò)程，這個(gè)起主導(dǎo)作用的部件稱為基礎(chǔ)構(gòu)件，其他由基礎(chǔ)構(gòu)件帶動(dòng)的構(gòu)件稱為工作構(gòu)件。本文研究的沖鋒槍以活塞桿和槍機(jī)框作為基礎(chǔ)構(gòu)件，帶動(dòng)其他工作構(gòu)件一起完成自動(dòng)循環(huán)。圖5為該槍自動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)圖，圖中數(shù)據(jù)單位為mm。循環(huán)圖以身管軸線后坐方向?yàn)檎较?，原點(diǎn)為閉鎖狀態(tài)靜平衡位置。

圖5 該沖鋒槍自動(dòng)機(jī)工作循環(huán)圖

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)化及導(dǎo)入

三維模型是由UG導(dǎo)入ADAMS中的。首先將UG繪制的三維模型轉(zhuǎn)化為xt格式的文件，其次將生成的文件導(dǎo)入到ADAMS，最后對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。這樣不僅可以減小計(jì)算量，提高仿真效率，而且也能盡可能地減少誤差，但是導(dǎo)入的模型也應(yīng)該既簡(jiǎn)單又清晰，能夠很好地反映實(shí)際的變化過(guò)程[17]。導(dǎo)入模型如圖6所示。對(duì)于外加載荷，將氣室壓力直接作用于活塞桿上，抽殼阻力以外力形式給出。

圖6 自動(dòng)機(jī)模型

2.2 材料施加

對(duì)導(dǎo)入的模型零部件進(jìn)行重新命名，便于零部件約束及載荷的添加，該型沖鋒槍的絕大多數(shù)零件采用合金鋼材料，機(jī)匣采用鍛制不銹鋼材料。表1為各部件的材料屬性。在ADAMS中將表中各部件的材料屬性賦予。

表1 剛體名稱及材料

2.3 約束副施加

本文所建立的模型從擊發(fā)、后坐、退殼、復(fù)進(jìn)、進(jìn)彈等在內(nèi)的整個(gè)射擊過(guò)程進(jìn)行了仿真，模型共包含16個(gè)零件、7個(gè)固定副、2個(gè)移動(dòng)副、4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、1個(gè)圓柱副，其總自由度為24。在ADAMS中用約束副對(duì)各部件連接，表2為各部件的連接關(guān)系[18]。

表2 各剛體間約束連接

在實(shí)際中，自動(dòng)武器各部件之間的碰撞廣泛存在，因此在虛擬樣機(jī)模型的建立中對(duì)應(yīng)的設(shè)置部件間的接觸副，其工作的全過(guò)程實(shí)質(zhì)上是火藥燃?xì)庾饔孟碌淖詣?dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，彈簧作用下的零部件運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和碰撞四類運(yùn)動(dòng)形態(tài)的不同組合，而機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)也是靠碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此對(duì)ADAMS中碰撞問(wèn)題的解決機(jī)理的研究是尤為重要，其碰撞是武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。表3為各部件之間的接觸副。

表3 各部件的接觸副

2.4 彈簧及扭簧的確定

該自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)涉及到的彈簧有復(fù)進(jìn)簧和阻鐵簧，涉及到的扭簧為擊錘和機(jī)匣、防早發(fā)保險(xiǎn)和機(jī)匣之間的扭簧。

1)復(fù)進(jìn)簧參數(shù)：復(fù)進(jìn)簧裝配高度為296 mm；復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力為25 N；復(fù)進(jìn)簧工作壓力為65 N；復(fù)進(jìn)簧剛度為290 N/m。

2)阻鐵簧參數(shù)：阻鐵簧預(yù)壓力為10 N；阻鐵簧剛度為200 N/m。

3)擊錘扭簧參數(shù)：擊錘扭簧剛度為10 N/(mm/deg)；擊錘扭簧預(yù)壓力為-30 N。

2.5 驅(qū)動(dòng)載荷的添加

在槍械自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)研究中，一般要對(duì)火藥燃?xì)鈮毫Α棜さ某闅ぷ枇屯茝椬枇Φ纫蛩剡M(jìn)行考慮。而這些力只能以外力的形式施加，為了簡(jiǎn)化模型，在此處主要考慮火藥燃?xì)庾饔昧Α?/p>

2.5.1 內(nèi)彈道計(jì)算

內(nèi)彈道是對(duì)彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和伴隨射擊現(xiàn)象進(jìn)行研究[19-20]。自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力是火藥燃?xì)鈮毫Γ彩亲詣?dòng)武器工作的動(dòng)力源，因此首先要進(jìn)行內(nèi)彈道方程的建立，利用Matlab繪制出p-l、v-l、p-t及l(fā)-t的彈道曲線，進(jìn)而確定模擬樣機(jī)所受載荷，導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

因此構(gòu)建內(nèi)彈道方程組為：

1)形狀函數(shù)：

ψ=χΖ(1+λΖ+μΖ2)

(1)

2)燃速方程：

(2)

3)彈丸運(yùn)動(dòng)方程：用平均壓力和次要功系數(shù)φ表示的運(yùn)動(dòng)方程

(3)

4)彈丸速度與行程關(guān)系：

(4)

5)內(nèi)彈道基本方程：

(5)

式中，ψ為火藥已燃百分?jǐn)?shù)，χ、μ、λ為火藥形狀特征量，Ζ為火藥已燃相對(duì)厚度，u1為燃速系數(shù)，e1為火藥弧厚，p為平均壓力，n為燃速指數(shù)，φ為次要功計(jì)算系數(shù)，m為彈丸質(zhì)量，υ為彈丸速度，t為彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)間，S為槍膛橫斷面積，l為彈丸行程長(zhǎng)，lψ為藥室自由容積縮徑長(zhǎng)，f為火藥力，ω為裝藥質(zhì)量，θ為火藥熱力參數(shù)，Δ為火藥裝填密度，ρp為火藥密度。

在給定的初始條件下，基于四階龍格-庫(kù)塔法對(duì)內(nèi)彈道方程組進(jìn)行求解，計(jì)算步驟如下：

1)輸入已知數(shù)據(jù)：

①火炮構(gòu)造及彈丸諸元：S、V0、lg、m；

②裝藥條件：f、α、ω、ρp、θ、u1、n、e1、χ、λ、μ、ρ；

③初始條件：p0；

④計(jì)算次要功計(jì)算系數(shù)的參數(shù)：K、b；

⑤計(jì)算步長(zhǎng)：h。

2)常量計(jì)算：

起始計(jì)算需要確定的常量有：

(6)

3)初值計(jì)算：

(7)

通過(guò)查閱資料，得到該型沖鋒槍彈藥參數(shù)如表4所示[21]。

表4 沖鋒槍彈藥參數(shù)

通過(guò)Matlab計(jì)算并繪制出如圖7所示的p-t、v-t、p-l及l(fā)-t的彈道曲線。

圖7 p-t、v-t、p-l及l(fā)-t彈道曲線

該槍的身管長(zhǎng)度為413 mm，導(dǎo)氣孔到身管尾端的距離為0.74倍身管長(zhǎng)，約306 mm，導(dǎo)氣孔直徑為4.2 mm[22]。由上圖曲線可得，彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)間為td=0.798 0 ms，此時(shí)膛壓為53.271 0 MPa，彈丸飛出膛口時(shí)間為0.952 5 ms，彈丸飛出膛口速度為712.95 m/s。

2.5.2 氣室壓力分析

氣室內(nèi)火藥氣體壓力與膛內(nèi)火藥氣體壓力的變化規(guī)律具有較大的聯(lián)系，并且與其裝置自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。根據(jù)布拉文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算氣室壓力的變化，導(dǎo)氣室壓力[23]為：

Ps=Pde-t/b[1-e-α (t/b)]

(8)

其中：Ps為氣室壓力，Pd為彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力，b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù)，α為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，t為彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔瞬間開(kāi)始時(shí)計(jì)算氣室壓力工作時(shí)間，e為自然對(duì)數(shù)的底。

時(shí)間系數(shù)b公式如下：

(9)

結(jié)構(gòu)系數(shù)α公式如下：

(10)

其中：ηs為氣室沖量效率。

由馬蒙托夫研究理論可知，導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)是導(dǎo)氣裝置的氣室壓力主要影響因素，其參數(shù)如下：

4)氣室初始容積V0s為1.78 cm3；

5)活塞及其連接的自動(dòng)機(jī)部件的質(zhì)量ms為0.485 kg。

為方便計(jì)算，其計(jì)算方法采用4個(gè)相對(duì)參數(shù)，分別為：活塞相對(duì)面積σs、間隙相對(duì)面積σΔ、活塞相對(duì)質(zhì)量σm和氣室換算長(zhǎng)度σ0：

(11)

ηs與這4個(gè)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：

(12)

則氣室沖量效率為：

ηs=ηs0γ0γmγm，0

(13)

通過(guò)插值計(jì)算得：

(14)

活塞所受導(dǎo)氣室作用力為：

FPs=ps×ss(15)

通過(guò)Matlab擬合并繪制曲線ps-t和Fs-t。

圖8為Matlab繪制擬合出來(lái)的氣室壓力曲線。在ADAMS軟件中，不能直接將氣室壓力曲線導(dǎo)入進(jìn)去，通過(guò)Akima擬合方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)，此方法不需要進(jìn)行繁瑣的計(jì)算，根據(jù)對(duì)圖8中的氣室壓力曲線圖中的點(diǎn)進(jìn)行拾取，擬合的單位是按照國(guó)際單位制中的基本單位規(guī)定，因此設(shè)置橫坐標(biāo)X的單位為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)Y的單位為牛頓(N)，然后加載擬合完成的載荷。圖9為載荷擬合示意圖。

圖8 氣室壓力曲線

圖9 氣室壓力載荷擬合示意圖

2.6 虛擬樣機(jī)的建立

在將上述的材料賦予、部件命名、運(yùn)動(dòng)副添加、接觸副以及彈簧、扭簧和外力的添加之后，得到該型沖鋒槍的虛擬樣機(jī)。

3 虛擬樣機(jī)仿真分析及可信度驗(yàn)證

在仿真軟件ADAMS中建立了該型沖鋒槍自動(dòng)機(jī)的虛擬樣機(jī)，并且在虛擬樣機(jī)中添加氣室壓力載荷以及彈簧、扭簧等參數(shù)，對(duì)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，從而了解機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。并且通過(guò)仿真，獲得自動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.1 運(yùn)動(dòng)特性仿真驗(yàn)證

此次仿真主要對(duì)自動(dòng)機(jī)單發(fā)進(jìn)行分析，從擊發(fā)開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)槍機(jī)框和槍機(jī)進(jìn)行分析。

自動(dòng)機(jī)在擊發(fā)之后，火藥燃?xì)饪焖倥蛎?，彈丸通過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)，活塞桿開(kāi)始受到火藥燃?xì)鈮毫ο蚝筮\(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)槍機(jī)框快速后坐，并且壓縮復(fù)進(jìn)簧，速度降低，直到槍機(jī)框碰到導(dǎo)桿座，速度降到零，在復(fù)進(jìn)簧的作用力下，槍機(jī)框復(fù)進(jìn)，直至到位，仿真結(jié)果如圖10所示，圖10(a)為其速度位移曲線，圖10(b)為槍機(jī)框和槍機(jī)速度曲線。

圖10 仿真結(jié)果圖

由圖10(a)得到表5結(jié)果。

表5 槍機(jī)速度數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

由圖10(a)可以看出，導(dǎo)氣壓力作用后，槍機(jī)開(kāi)始后坐時(shí)，速度持續(xù)上升，直至與擊錘碰撞并壓倒擊錘，損失部分能量。途中壓縮復(fù)進(jìn)簧的儲(chǔ)存能量，直至后坐到位時(shí)槍機(jī)框與導(dǎo)桿座碰撞吸收了多余的能量，從而完成后坐。復(fù)進(jìn)時(shí)，在壓縮的復(fù)進(jìn)簧的作用下，槍機(jī)框和槍機(jī)開(kāi)始復(fù)進(jìn)，復(fù)進(jìn)到位時(shí)其中多余的能量由槍機(jī)框與節(jié)套的碰撞吸收，從而完成復(fù)進(jìn)過(guò)程。同時(shí)可以得到：在0.016 1 s時(shí)槍機(jī)框的位移達(dá)到最大，為132.6 mm，從后坐到復(fù)進(jìn)的全過(guò)程用時(shí)0.061 8 s，再由上文內(nèi)彈道計(jì)算得到，彈丸從擊發(fā)到飛過(guò)導(dǎo)氣孔用時(shí)0.798 ms，因此完成單發(fā)射擊總用時(shí)0.062 5 s。

由圖10(b)可知，槍機(jī)與槍機(jī)框在起始處的后坐時(shí)的開(kāi)鎖過(guò)程和復(fù)進(jìn)時(shí)的閉鎖過(guò)程時(shí)的速度發(fā)生變化，此時(shí)，槍機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而槍機(jī)框在做平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度基本重合。

3.2 緩沖裝置運(yùn)動(dòng)特性分析

當(dāng)槍機(jī)框后坐到位時(shí)，與導(dǎo)桿座發(fā)生碰撞，此時(shí)剩余的能量被緩沖裝置吸收，從而使槍機(jī)框的后坐速度下降，通過(guò)緩解部件之間的碰撞提高槍械的射擊穩(wěn)定性和可靠性。

因此，采用一根長(zhǎng)度為296 mm的復(fù)進(jìn)簧，其剛度為290 N/m，緩沖簧的受力變化曲線如圖11所示。其中由曲線可以得出，復(fù)進(jìn)簧在0.016 1 s時(shí)所受最大的力為62.07 N，而此時(shí)槍機(jī)和槍機(jī)框正好后坐到位。

圖11 緩沖簧受力曲線

綜上所述，由單發(fā)射擊仿真結(jié)果來(lái)看，自動(dòng)機(jī)的各部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本符合實(shí)際要求，與實(shí)際設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)在允許誤差范圍內(nèi)，因此該虛擬樣機(jī)的建立及仿真基本可以驗(yàn)證自動(dòng)機(jī)的性能。

4 不同導(dǎo)氣孔直徑對(duì)自動(dòng)機(jī)循環(huán)動(dòng)作的影響

由第3節(jié)的仿真結(jié)果可知，該虛擬樣機(jī)的模型構(gòu)建合理。但當(dāng)自動(dòng)機(jī)中的一些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)機(jī)的動(dòng)作也會(huì)有相應(yīng)的變化，因此本節(jié)主要研究導(dǎo)氣孔直徑的變化對(duì)自動(dòng)機(jī)動(dòng)作產(chǎn)生的影響。

4.1 不同導(dǎo)氣孔直徑下氣室壓力和活塞受力

在2.5節(jié)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)氣孔直徑時(shí)的導(dǎo)氣壓力進(jìn)行了計(jì)算，并且擬合出壓力-時(shí)間曲線和活塞作用力-時(shí)間曲線。在此將導(dǎo)氣孔的直徑改變成3.5 mm和4.9 mm，并擬合壓力曲線。

由布拉文經(jīng)驗(yàn)公式可得，在改變導(dǎo)氣孔直徑時(shí)，只會(huì)改變氣室結(jié)構(gòu)系數(shù)α，由馬蒙托夫研究理論和插值法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 不同直徑導(dǎo)氣孔下氣室沖量效率和結(jié)構(gòu)系數(shù)

利用Matlab進(jìn)行擬合得到如下結(jié)果：

圖12為3種導(dǎo)氣孔對(duì)應(yīng)氣室壓力曲線，圖13為活塞桿受力曲線。

圖12 3種導(dǎo)氣孔氣室壓力-時(shí)間曲線

圖13 3種導(dǎo)氣孔活塞作用力時(shí)間曲線

由圖13可得，隨著導(dǎo)氣孔的增大，氣室壓力隨之增大，活塞桿所受的作用力也隨之增大。

4.2 改變導(dǎo)氣孔大小的仿真結(jié)果及分析

將上節(jié)擬合的曲線分別通過(guò)Akima擬合方式，并進(jìn)行擬合完成載荷的加載。仿真分析結(jié)果如下：圖14和圖15分別為不同導(dǎo)氣孔大小下槍機(jī)框速度隨時(shí)間變化的曲線對(duì)比和不同導(dǎo)氣孔大小下槍機(jī)框位移隨時(shí)間變化的曲線對(duì)比。

圖14 不同導(dǎo)氣孔大小下槍機(jī)框速度曲線

圖15 不同導(dǎo)氣孔大小下槍機(jī)框位移曲線

由圖15得到的數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 不同直徑的導(dǎo)氣孔下后坐和復(fù)進(jìn)數(shù)值仿真對(duì)比

由圖14、圖15以及表7中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著導(dǎo)氣孔的直徑增大槍機(jī)框的后座速度會(huì)隨之增大，與原始直徑相比，3.5 mm直徑的后坐速度為13.632 m/s，降低了1.07%，4.9 mm直徑下后坐速度為14.140 4 m/s，速度提高了2.62%，這是由于導(dǎo)氣孔增大導(dǎo)致燃?xì)鈮毫?duì)活塞作用力增大。圖中后坐到位碰撞時(shí)損失的能量隨著導(dǎo)氣孔直徑增大而變大，但其儲(chǔ)存在復(fù)進(jìn)簧的能量也變大，且復(fù)進(jìn)時(shí)的初速隨之增大的，其變化范圍在-29.87%～13.23%之間，復(fù)進(jìn)到位速度增大，其變化范圍在-0.47%～3.60%，當(dāng)然復(fù)進(jìn)的時(shí)間也隨著導(dǎo)氣孔直徑的增大而降低，使得擊發(fā)過(guò)程中自動(dòng)循環(huán)時(shí)間相對(duì)縮減，射頻增大。

因此由以上規(guī)律可知，在槍械的設(shè)計(jì)改進(jìn)中，通過(guò)導(dǎo)氣孔的改變對(duì)槍械的性能產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)氣孔直徑的增大，能較大地提高槍械的射頻，增大槍械的火力強(qiáng)度，但其較大的碰撞能量導(dǎo)致槍械中的關(guān)鍵部件即槍機(jī)和槍機(jī)框的磨損增大，對(duì)槍械的可靠性和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面的影響。通過(guò)虛擬樣機(jī)模型的構(gòu)建，可以計(jì)算導(dǎo)氣孔直徑的最優(yōu)值來(lái)提高槍械的綜合性能，或者針對(duì)性地提高單方面的作戰(zhàn)性能，為槍械的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某沖鋒槍為例首先介紹了該槍自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并且構(gòu)建該槍自動(dòng)機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)仿真對(duì)導(dǎo)氣式的射擊過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到從擊發(fā)、后坐、退殼、復(fù)進(jìn)、進(jìn)彈等在內(nèi)的整個(gè)射擊過(guò)程中槍機(jī)、槍機(jī)框的速度位移曲線以及緩沖裝置的受力情況，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可靠性。最后從導(dǎo)氣孔直徑角度分析了不同大小的導(dǎo)氣孔對(duì)后坐和復(fù)進(jìn)狀態(tài)的影響規(guī)律，對(duì)該類槍械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。