浸河水環(huán)境對某小口徑步槍的動力學(xué)影響分析

李玥，王永娟

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

槍械是武器裝備中使用軍種最多、裝備數(shù)量最多的武器，因此必須在各種嚴(yán)苛的環(huán)境都能可靠使用。由于我國地域遼闊，河流眾多，縱橫交錯，一旦發(fā)生局部戰(zhàn)爭或小規(guī)模沖突，極有可能攜槍泅渡，因此GJB 3484—98環(huán)境試驗中包括了浸河水環(huán)境的可靠性試驗。GJB 3484—98試驗結(jié)果表明，浸河水環(huán)境會對槍械的可靠性產(chǎn)生影響，可能會產(chǎn)生后坐不到位和復(fù)進不到位等故障，而目前并不了解浸河水環(huán)境對自動機的影響規(guī)律。

有許多人利用自動步槍的動力學(xué)仿真分析自動機受到的沖擊、自動機在不同射擊姿勢下的運動特性、不同設(shè)計參數(shù)對自動機運動特性的影響以及自動機的運動可靠性。目前國內(nèi)外尚沒有浸河水環(huán)境因素對自動機運動特性影響的相關(guān)研究，僅有一些研究者在進行可靠性研究時考慮了環(huán)境因素。張秀華等考慮了揚塵、淋雨和揚塵淋雨環(huán)境，對9 mm手槍的開閉鎖可靠性進行了分析。方峻等考慮了高低溫、淋雨以及揚塵環(huán)境因素下影響拋殼和抽殼機構(gòu)的因素，并提出了預(yù)測拋殼機構(gòu)和抽殼動作的失效判據(jù)，最后利用蒙特卡洛法計算了出現(xiàn)故障的概率。

本文以某小口徑步槍作為對象，利用ADAMS軟件建立了自動步槍的連發(fā)虛擬樣機模型，通過分析不同濃度浸河水環(huán)境下影響的參數(shù)，并通過試驗測出參數(shù)變化，修改虛擬樣機模型中的參數(shù)，得到該自動步槍在不同河水濃度環(huán)境下的運動特性，分析了浸河水環(huán)境對自動機運動特性?？傮w浸河水環(huán)境下自動機運動特性分析流程如圖1所示。

圖1 浸河水環(huán)境下某自動步槍的自動機 運動特性分析流程 Fig.1 Automata motion characteristics analysis process for an automatic rifle in a river immersion environment

1 浸河水環(huán)境對摩擦系數(shù)的影響分析

1.1 摩擦系數(shù)測量試驗

由于在浸河水環(huán)境下，河水可通過間隙進入到自 動機內(nèi)，在自動機運動過程中，由于泥沙顆粒和水的存在，會改變接觸表面的相關(guān)接觸特性參數(shù)。在有泥沙存在的物體表面，會使物體接觸表面之間的摩擦系數(shù)較正常情況下不同。不同浸河水濃度下，自動機與導(dǎo)軌之間有不同的摩擦系數(shù)，通過改變摩擦系數(shù)可以模擬不同浸河水濃度下摩擦特性對自動機運動的影響。

根據(jù)GJB 3484的浸河水試驗環(huán)境，以塵土粒度小于0.08 mm占75%和在0.08~0.2 mm占25%的混合顆粒制作河水。采用摩擦系數(shù)儀分別在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水質(zhì)量濃度下對槍機框試件、槍機和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)進行測試，見圖2、3。

圖2 摩擦系數(shù)測試平臺 Fig.2 Coefficient of friction test bench

圖3 不同濃度河水 Fig.3 Different concentrations of river water

試驗步驟如下：1）將導(dǎo)軌、槍機和槍機框試件的運動接觸表面保持在干燥狀態(tài)，測量槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)，將它作為初始參照；2）以GJB 3484的浸河水試驗環(huán)境作為基本要求，將3個試件分別置于浸河水環(huán)境中，之后固定在摩擦系數(shù)儀平臺上；3）啟動摩擦系數(shù)儀，使槍機框試件勻速運動，在摩擦系數(shù)儀的顯示屏上獲得摩擦系數(shù)的數(shù)據(jù)；4）測量20組數(shù)據(jù)，取平均值，得到一個河水濃度下的摩擦系數(shù)；5）改變浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m，再次運用上述步驟進行測量，得到不同河水濃度下的摩擦系數(shù)。

1.2 摩擦系數(shù)測量結(jié)果及分析

由表1可知，導(dǎo)軌材料與槍機材料的摩擦系數(shù)最小值均在未浸河水時，對比正常條件下導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)，在浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m時，摩擦系數(shù)的增加幅度分別為3.52%、17.09%、38.69%、71.86%。由此可知，導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)在浸河水濃度增加時，其增加幅度也增大。從表1可以看出，導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)在浸河水質(zhì)量濃度為4.5 kg/m時最大。不同濃度下導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)曲線見圖4?？梢钥闯?，導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)隨著浸河水濃度的增加而增大。

表1 不同浸河水濃度下摩擦系數(shù)的測量結(jié)果 Tab.1 Measurement of the coefficient of friction at different river concentrations

對比正常條件下槍機材料的摩擦系數(shù)，在浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m時，摩擦系數(shù)的 增加幅度分別為23.36%、51.64%、70.90%、85.25%。由圖4可知，槍機材料的摩擦系數(shù)隨浸河水濃度的增加而增大。在相同浸河水濃度環(huán)境下，導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)均比槍機材料的摩擦系數(shù)小，且每種浸河水濃度環(huán)境下相差均大于20%。

圖4 不同浸河水濃度下導(dǎo)軌和槍機材料的摩擦系數(shù)曲線 Fig.4 Friction coefficient curve of guide rail and bolt material at different river water concentrations

為預(yù)測不同浸河水濃度下槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)，利用MATLAB對試驗所得數(shù)據(jù)進行線性擬合，見圖5。

圖5 槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)擬合曲線 Fig.5 Fitting curve of friction coefficient between bolt carrier and guide rail and bolt: a) bolt carrier and guide rail, b) bolt carrier and bolt

槍機框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)在浸河水環(huán)境下的關(guān)系式為：

式中：代表槍機框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)；代表浸河水濃度。對擬合曲線的優(yōu)度進行分析，得到線性相關(guān)系數(shù)為0.96，認(rèn)為擬合效果較好。

槍機框與槍機之間的摩擦系數(shù)在浸河水環(huán)境下的關(guān)系式為：

式中：代表槍機框與槍機之間的摩擦系數(shù)。對擬合曲線的優(yōu)度進行分析，得到線性相關(guān)系數(shù)為0.98，擬合效果也較好。

根據(jù)試驗結(jié)果，隨著浸河水濃度的增長，槍機、導(dǎo)軌與槍機框材料的摩擦系數(shù)均隨著河水濃度的增加而增大。相同浸河水濃度環(huán)境下，導(dǎo)軌與槍機框材料的摩擦系數(shù)均比槍機與槍機框材料的摩擦系數(shù)小，且相差均大于20%。

2 虛擬樣機模型

2.1 模型建立

在進行某小口徑步槍的虛擬樣機建模過程中，不需要將所有動作以及零件都考慮進去，要根據(jù)具體的 仿真目的和需要，合理地忽略或者刪減不必要的部分，在達到仿真目的同時，盡可能地簡化模型。本模型的基本假設(shè)：忽略一些小質(zhì)量的非重要零件；不考慮柔性體對運動的影響，將各部件均看作剛體；將機匣與地面固定；忽略彈簧的內(nèi)耗。

根據(jù)步槍的工作原理，為了簡化該步槍的虛擬樣機模型，略去了與自動機運動過程無關(guān)的握把、上護蓋等其他部件。該模型中共有22個部件，7個固定副，92個剛體碰撞，7個平移副，4個旋轉(zhuǎn)副。在活塞、擊錘、彈頭與地面之間添加平移副，在緩沖器、連發(fā)阻鐵、不到位保險與下機匣之間添加旋轉(zhuǎn)副，還有1個旋轉(zhuǎn)副是拉殼鉤與槍機。

模型的簧力共有8個，包括5個壓縮彈簧和3個扭轉(zhuǎn)彈簧，其中壓縮彈簧包括拉殼鉤簧、托彈簧、擊錘簧、復(fù)進簧以及活塞簧，扭轉(zhuǎn)彈簧包括不到位保險簧、連發(fā)阻鐵簧和緩沖簧。彈簧根據(jù)其設(shè)計的預(yù)壓力和剛度作用，主要參數(shù)見表2和表3，其中為壓縮 彈簧剛度，為扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)，、為預(yù)壓力。

表2 壓縮彈簧參數(shù) Tab.2 Compression spring parameters

表3 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù) Tab.3 Torsion spring parameters

模型還包括2個外力載荷，即槍膛合力和導(dǎo)氣室壓力。當(dāng)某小口徑步槍射擊時，2個外力開始作用。槍膛合力根據(jù)內(nèi)彈道曲線（見圖6）獲得，其公式為：

圖6 內(nèi)彈道壓力-時間曲線 Fig.6 Internal ballistic pressure-time curve

式中：為次要功計算系數(shù)；為裝藥量；為彈頭質(zhì)量；為槍膛合力；為槍膛橫截面積。

氣室內(nèi)火藥氣體壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥氣體壓力有關(guān)，也與導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對于靜力作用式的導(dǎo)氣裝置，根據(jù)描述氣室壓力變化規(guī)律的布拉文經(jīng)驗公式，導(dǎo)氣室壓力為：

式中：為氣室壓力；為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時的膛內(nèi)平均壓力；為氣室壓力工作時間；為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù)；為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)；為氣室火藥燃?xì)庾饔昧?；為活塞面積。通過計算得到此步槍的導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧εc時間曲線，見圖7。

圖7 導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧?時間曲線 Fig.7 Force-time curve of gunpowder gas action in the gas chamber

由于連發(fā)模型的供彈需要存在彈頭，才能保證供彈的可靠性，因此需要在彈殼與彈頭之間建立固定副，以保證供彈動作的準(zhǔn)確。由于抽殼過程中彈頭已 經(jīng)在槍管外，因此彈頭和彈殼之間的固定副如何解脫是連發(fā)模型的重點。采用的連發(fā)方法是：在彈頭上建立一個測量彈頭質(zhì)心方向位置的函數(shù)，利用ADAMS中的傳感器，在彈頭質(zhì)心的坐標(biāo)到達膛內(nèi)位置時，運用腳本仿真將彈殼和彈頭的固定副失效，同時生效彈頭與槍管之間的平移副，以此來完成連發(fā)動作。建立的某小口徑步槍虛擬樣機模型共有35個自由度，其虛擬樣機模型如圖8所示。

圖8 某小口徑步槍的虛擬樣機模型 Fig.8 A virtual prototype of an automatic rifle

2.2 模型驗證

通過對實際射擊試驗與虛擬樣機模型仿真結(jié)果進行對比，來驗證模型的可信度。選擇槍機框的特征點速度以及位移作為虛擬樣機模型與試驗對比的校對指標(biāo)，試驗與仿真結(jié)果對比見圖9和表4、5。表5中，為槍機框最大后坐位移。根據(jù)圖9和表4、5可知，試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差不超過10%，說明建立的虛擬樣機模型是相對正確的。

表4 槍機框速度試驗與仿真結(jié)果對比 Tab.4 Comparison of bolt carrier speed test and simulation result

圖9 虛擬樣機模型與試驗的自動機速度時間曲線對比 Fig.9 Comparison of velocity-time curves between virtual prototype model＇s and test＇s automatic mechanism

表5 槍機框位移試驗與仿真結(jié)果對比 Tab.5 Comparison of bolt carrier displacement test and simulation result

3 浸河水環(huán)境對自動機運動的影響分析

通過對不同浸河水濃度下的自動機進行仿真，分析不同濃度下的射頻和特征點速度，首先對其最大后坐到位速度進行分析，如圖10所示。

圖10 不同浸河水濃度下自動機的最大后坐速度 Fig.10 Maximum recoil speed of bolt carrier under different river concentration

通過在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水質(zhì)量濃度下進行5連發(fā)仿真，每一組的后坐最大速度取平均值，其后坐最大速度分別為8.89、8.87、8.86、8.82 m/s，對比其正常條件下的仿真結(jié)果，相差均不超過1%，相差較小。由于自動機的后坐最大速度主要與膛內(nèi)燃壓力有關(guān)，因此自動機的后坐最大速度與浸河水濃度無關(guān)。

不同浸河水濃度下的各個特征點速度和射擊頻率如圖11所示。其后坐到位速度相對于正常條件下的降低幅度分別為4.7%、6.7%、7.0%、8.9%；復(fù)進開始速度對于正常條件下的降低幅度分別為2.1%、5.3%、13.8%、16.6%；復(fù)進到位速度相對于正常條件下的降低幅度分別為2.3%、5.4%、11.7%、16.9%；射擊頻率相對于正常條件下的降低幅度分別為4.4%、7.5%、10.5%、13.2%。由此可以判斷，各個特征點速度均隨著浸河水濃度的增加而降低，射擊頻率也隨著浸河水濃度的增加而降低，其中后坐到位速度的降低幅度最小，復(fù)進到位速度的降低幅度最大。其原因是在自動步槍進行浸河水時，其導(dǎo)軌、槍機框及槍機的表面都會有河水進入，以至于增大了自動機的摩擦系數(shù)，使自動機與導(dǎo)軌在碰撞過程中的能量損失增加；而在自動機運動過程中，復(fù)進過程比后坐過程多走了半個循環(huán)的位移，因此復(fù)進到位速度的降低幅度最大。

圖11 不同浸河水濃度下自動機特征點速度和射擊頻率 Fig.11 Automatic mechanism characteristic point velocity and RF under different river concentrations: a) recoil in place speed;b) recovery start speed; c) recovery in place speed; d) RF

由仿真結(jié)果可知，自動機的后坐最大速度隨著浸河水濃度的增加變化不大，而后坐到位速度、復(fù)進開始速度以及復(fù)進到位速度都會隨著浸河水濃度的增加而降低，但降低幅度不大。后坐到位速度的降低幅度最小，復(fù)進到位速度的降低幅度最大，自動機的射頻也隨著浸河水濃度的增加而降低。

在浸河水環(huán)境下，緩沖器與擊錘的撞擊力隨著河水濃度的增加而減小，如圖12所示。在0、1.5、3.0、4.5 kg/m下，撞擊力分別為2 527、2 463、2 267、2 106 N。這是由于河水增大了槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)，增大了自動機運動過程的摩擦力，導(dǎo)致自動機碰撞前后的速度均降低，減小了碰撞能量，碰撞力也隨之減小。

圖12 不同河水濃度下的緩沖器與擊錘撞擊力 Fig.12 The impact force of buffer and hammer under different river water concentrations

以槍機框從速度為0和后坐到位速度計算后坐 過程中槍機框的動能變化，以槍機框復(fù)進開始速度和復(fù)進到位速度計算復(fù)進過程中槍機框的動能變化。動能變化Δ越小，后坐或復(fù)進過程中的能量損耗越大。不同浸河水濃度環(huán)境下自動機的動能變化見圖13。由圖13可知，槍機框后坐和復(fù)進過程的動能變化均隨著浸河水濃度的增加而減小。在河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m下，后坐過程動能變化的降低幅度分別為9.1%、13.0%、13.6%、16.9%；復(fù)進過程動能變化的降低幅度分別為4.9%、10.7%、19.8%、31.1%。隨著河水濃度的增加，其動能下降幅度也相應(yīng)地越來越大。由此表明，浸河水環(huán)境使自動機運動時的能量損耗增加，且隨著河水濃度的升高，其降低幅度越大，自動機在后坐和復(fù)進過程中的能量損耗就越大。

圖13 不同河水濃度下自動機能量損耗情況 Fig.13 Energy loss of automatic mechanisms under different river concentrations: a) recoil process; b) recovery process

以0.1 kg/m的增量來增加河水質(zhì)量濃度，利用得到的摩擦系數(shù)與浸河水濃度的公式，計算浸河水濃度增大后的摩擦系數(shù)，并將其代入到虛擬樣機模型中，觀察自動機的運動情況。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度增加到20.0 kg/m時，其自動機運動出現(xiàn)后坐不到位現(xiàn)象，此時槍機框與槍機的摩擦系數(shù)為0.976 0，槍機框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為0.798 6。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度增加到20.7 kg/m時，槍機框與槍機的摩擦系數(shù)已經(jīng)達到1.0，此時自動機仍然可以在復(fù)進簧的作用下復(fù)進到位。由此可以判斷槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)不能影響自動機的復(fù)進到位動作。

4 結(jié)論

1）槍機、導(dǎo)軌與槍機框之間的摩擦系數(shù)隨著浸河水濃度的增加而增大。在相同浸河水濃度環(huán)境下，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)均比槍機的摩擦系數(shù)小，且每種浸河水濃度的環(huán)境下相差均大于20%。得到了浸河水濃度與2種摩擦系數(shù)的關(guān)系式。

2）自動機的后坐最大速度在4種不同濃度的浸河水環(huán)境下，相差小于1%，自動機的后坐最大速度與浸河水濃度無關(guān)。自動機的后坐到位速度、復(fù)進開始速度、復(fù)進到位速度以及射頻都會隨著浸河水濃度的增加而降低，但總體降低幅度不大，各個特征點速度以及射擊頻率的降低幅度都小于20%。其中，后坐到位速度在不同浸河水濃度環(huán)境下的降低幅度最小，其降低幅度小于10%；復(fù)進到位速度在不同河水濃度的浸河水環(huán)境下的降低幅度最大，為16.9%。隨著浸河水濃度的增加，自動機的能量損耗也越大。

3）自動機的緩沖器與擊錘的碰撞力也隨浸河水濃度的增加而降低。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度到達20 kg/m時，自動機出現(xiàn)后坐不到位故障，此時槍機框與槍機的摩擦系數(shù)為0.976 0，槍機框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為0.798 6。槍機框與導(dǎo)軌、槍機之間的摩擦系數(shù)不能影響自動機的復(fù)進到位動作。

4）建立了某自動步槍的浸河水環(huán)境下的仿真模型，對不同濃度的摩擦系數(shù)進行了擬合。利用虛擬樣機模型可以對浸河水環(huán)境下自動機出現(xiàn)的故障進行分析和不同的故障進行預(yù)測，也可將建立模型的方法運用到槍械處于不同環(huán)境時了解其自動機運動特性，與槍械環(huán)境試驗技術(shù)相結(jié)合，為研制浸河水環(huán)境下的槍械提供了新的方法，也為槍械設(shè)計提供參考和依據(jù)。