槍身緩沖器對車載轉(zhuǎn)管機槍后坐力影響分析*

申 彪，廖振強 ，李洪強 ，董應(yīng)超 ，瞿 磊

（1.南通職業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

車載大口徑機槍發(fā)射過程中膛內(nèi)火藥氣體壓力作用于機槍上，通過緩沖器將后坐力作用于架座上［1-3］。射擊中架座在高射頻的外載荷作用下，如果發(fā)生劇烈振動、強度不夠等狀況，將會造成巨大的損失。本文研究的車載武器系統(tǒng)包括車體、架座及一挺射速為2 000發(fā)/min的三管12.7 mm轉(zhuǎn)管機槍，武器系統(tǒng)的高射頻與大威力必然導(dǎo)致其后坐力比單管12.7 mm機槍明顯上升，因此，研究降低車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)后坐力的方法是非常必要的。

表1 槍身與架座連接方案

本文主要研究槍身與架座分別采用有預(yù)壓力雙向緩沖器、有預(yù)壓力單向緩沖器，以及無預(yù)壓力雙向緩沖器3種不同連接方式對武器系統(tǒng)后坐力的影響。3種緩沖器相關(guān)參數(shù)如表1所示，各緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1~圖3所示。

圖1 有預(yù)壓力雙向緩沖器

圖2 有預(yù)壓力單向緩沖器

圖3 無預(yù)壓力雙向緩沖器

1 轉(zhuǎn)管機槍火藥氣體壓力的計算

文獻［4-5］對大口徑機槍及轉(zhuǎn)關(guān)機槍的內(nèi)彈道過程作了深入研究，表明轉(zhuǎn)關(guān)機槍的內(nèi)彈道過程同經(jīng)典內(nèi)彈道過程是一致的。

依據(jù)轉(zhuǎn)管機槍射擊過程中的物理化學(xué)變化以及內(nèi)彈道基本假設(shè)，取火藥被點燃時為內(nèi)彈道開始時刻，子彈進入槍膛時在身管中位置為位移起點，子彈沿著身管前進的方向為正方向，建立坐標(biāo)系，可以得到如式（1）的內(nèi)彈道期間數(shù)學(xué)方程［6-8］：

式（1）中各符號含義如表2所示：

表2 式（1）中各符號含義

使用VB編寫程序求解常微分方程組（1），得到轉(zhuǎn)管機槍內(nèi)彈道期間膛壓隨時間（P-t）及位移（P-l）的變化規(guī)律，如圖4和圖5所示。通過圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膛內(nèi)壓力達到50 MPa時，彈丸開始向前運動，之后火藥氣體壓力繼續(xù)上升，燃燒0.51 mm后，子彈向前運動了42.67 mm，膛內(nèi)達到最高壓強315.7 MPa，然后火藥氣體壓力下降。

圖4 槍管膛壓-時間（P-t）曲線

圖5 槍管膛壓-位移（P-l）曲線

2 車載轉(zhuǎn)管機槍剛?cè)狁詈蠑?shù)學(xué)模型

2.1 柔性多體系統(tǒng)運動方程

將車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)視為多剛、柔體組成的柔性多體系統(tǒng)，通常采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)的運動方程，其微分-代數(shù)方程可表示為：

式中：K、D為模態(tài)剛度矩陣、模態(tài)阻尼矩陣；M、Γ為廣義質(zhì)量矩陣、廣義坐標(biāo)；Q為廣義外力；ψ對應(yīng)代數(shù)約束方程對應(yīng)拉格朗日乘子列陣。

2.2 剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)方程

剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)方程是在多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，引入拉格朗日算子，建立各個剛體或柔體的動力學(xué)方程，依據(jù)文獻［9］，可以獲得第i個剛體或柔體的動力學(xué)方程為：

式中：Fei為第i個剛體或柔性體受到的外力；Fvi為速度二項式。將式（3）、式（4）兩方程聯(lián)立，即可得到剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)方程。

3 系統(tǒng)虛擬樣機模型

利用三維建模軟件SolidWorks建立各部分模型，將模型導(dǎo)入到ADAMS中進行裝配。為了能夠更準(zhǔn)確地研究架座在轉(zhuǎn)管機槍射擊時的受力情況，將架座的三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，使用四面體劃分網(wǎng)格，生成柔性體架座，然后導(dǎo)入ADAMS中進行裝配。

根據(jù)車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)各部件之間的配合關(guān)系，施加相應(yīng)的約束關(guān)系，如表3所示：

表3 武器系統(tǒng)部件間約束關(guān)系

轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)在射擊時，作用于膛底的高溫高壓燃氣與抽殼阻力是其承受的主要外部載荷［10-11］，在ADAMS外力函數(shù)庫中使用 SKISPL函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的樣條曲線值，完成外部載荷的添加，同時將轉(zhuǎn)管機槍的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000發(fā)/min。

約束添加完之后的車載武器系統(tǒng)虛擬樣機模型經(jīng)過保密處理如圖6所示。

圖6 車載武器系統(tǒng)動力學(xué)模型

4 槍剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)仿真

調(diào)用求解器，設(shè)定共0.5 s的仿真時間，共5 000步先對方案一進行虛擬仿真。圖7是檢測到的擊發(fā)信號，n1、n2、n3分別代表 1 號、2 號、3 號自動機的擊發(fā)信號。

圖7 擊發(fā)信號

槍身與架座之間有兩根緩沖簧連接，兩根緩沖簧受力一樣，架座承受的后坐力就是單根緩沖簧受力的兩倍。

方案1虛擬仿真得到的單根緩沖簧承受的后坐力曲線與機匣后坐位移曲線如圖8和9所示。

圖8 方案1架座單邊承受后坐力曲線

圖9 方案1機匣位移曲線

通過圖8與圖9可以看出，緩沖簧的后坐力的最大峰值是3 609 N，故本次射擊中架座承受的后坐力最大峰值是7 218 N，機匣后坐的最大位移是5.95 mm，機匣前沖的最大位移是3.5 mm。

運用相同方法，對方案2進行虛擬仿真，得到的單根緩沖簧承受的后坐力曲線與機匣后坐位移曲線如圖10和圖11所示：

圖10 方案2架座單邊承受后坐力曲線

圖11 方案2機匣位移曲線

方案3的仿真結(jié)果如圖12與下頁圖13所示：

圖12 方案3架座單邊承受后坐力曲線

3種方案中架座承受的后坐力峰值、機匣后坐及前沖位移峰值見表4。

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，方案2的后坐力比方案1上升了1 226 N，方案3的后坐力峰值相對于方案1上升了1 116 N，另通過圖10、圖12可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)管機槍在2 000發(fā)/min發(fā)射時，方案2與方案3無法將后坐力峰值快速衰減，后坐力有越來越大的趨勢；方案1可以有效降低武器系統(tǒng)的后坐力，將后坐力快速衰減，同時減少機匣前沖及后坐的最大位移，提高發(fā)射的穩(wěn)定性。

圖13 方案3機匣位移曲線

表4 3種方案后坐力、機匣前沖及后坐峰值

通過以上仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，有預(yù)壓力雙向緩沖器更適合大口徑高射頻的三管12.7 mm車載轉(zhuǎn)管武器系統(tǒng)槍身與架座之間的連接。

5 結(jié)論

針對車載12.7 mm轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)射速高、后坐力大等特點，本文應(yīng)用內(nèi)彈道理論建立12.7 mm轉(zhuǎn)管機槍內(nèi)彈道期間數(shù)學(xué)模型，用VB語言編寫程序得到槍管膛壓曲線，然后依據(jù)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)理論，建立車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)虛擬樣機，依次分析槍身與架座之間，采用3種不同緩沖器連接對后坐力、機匣前沖和后坐位移的影響。

結(jié)果表明，槍身與架座之間采用有預(yù)壓力雙向緩沖器連接，可以有效降低并快速衰減后坐力，同時減小機匣前沖與后坐的最大位移，穩(wěn)定發(fā)射，為進一步研究車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)后坐力提供了有效技術(shù)途徑和參考。