*韓 鐵，李瑞亮，李文國，王 斌，牛青林

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

0 引言

為滿足海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的兩棲作戰(zhàn)需求，需設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，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(jī)后坐所需克服阻力的影響，同時保證緩沖機(jī)構(gòu)在兩種環(huán)境中復(fù)進(jìn)和閉鎖到位。

1 步槍通用結(jié)構(gòu)發(fā)射器設(shè)計(jì)

1.1 通用結(jié)構(gòu)射擊器設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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(jìn)、進(jìn)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(jì)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(jī)匣作為一切構(gòu)件運(yùn)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(jìn)行固定。通過機(jī)匣蓋、復(fù)進(jìn)簧導(dǎo)桿及復(fù)進(jìn)簧導(dǎo)桿帽的共同配合將機(jī)匣牢固固定懸掛于機(jī)匣的上方，使槍機(jī)可沿機(jī)匣上的導(dǎo)軌完成后座和復(fù)進(jìn)的動作。

1.2.1 拋殼挺設(shè)計(jì)方案

拋殼挺是實(shí)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(yùn)動，從而實(shí)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(jī)后座時，槍機(jī)后坐力在抽殼鉤帶動彈殼向后運(yùn)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(yùn)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(jì)

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(jì)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(jī)連接桿受到向后推力而帶著曲桿向后運(yùn)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(yùn)動，直動式擊錘受到阻鐵簧的推動向前運(yùn)動撞擊槍機(jī)中的擊針。

圖2 扳機(jī)示意圖Fig.2 The diagram of trigger

1.2.3 槍機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槍機(jī)是全槍最重要的部件之一，用于在復(fù)進(jìn)簧的作用下閉鎖槍膛[4]。為了實(shí)現(xiàn)自動射擊，以槍機(jī)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(jìn)彈等動作，同時還要推動槍機(jī)在閉鎖件閉鎖到位。槍機(jī)組件包括槍機(jī)、復(fù)進(jìn)簧、抽殼鉤、擊針、槍機(jī)框等。

本次設(shè)計(jì)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(duì)，便于保障。槍機(jī)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(jì)。

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(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖方式，根據(jù)以下公式計(jì)算機(jī)頭尺寸。

在槍機(jī)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(jì)算數(shù)值如表1 所示。

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

槍機(jī)建模示意圖如圖3 所示。

圖3 槍機(jī)建模示意圖Fig.3 The diagram of rifle bolt modeling

1.3 整體外形設(shè)計(jì)

兩棲步槍采用無托式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)的尺寸較大保證了聯(lián)接的強(qiáng)度。扳機(jī)護(hù)圈采用了較大的設(shè)計(jì)，增加了與扳機(jī)的距離以方便特種作戰(zhàn)需要，并且能夠更好地保護(hù)使用者的手和扳機(jī)。兩棲步槍整槍設(shè)計(jì)示意圖如圖4 所示。

圖4 整槍設(shè)計(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，之后導(dǎo)入ADAMS 進(jìn)行運(yùn)動仿真[5]，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能否完成擊發(fā)、后坐和復(fù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。因此，本次設(shè)計(jì)的仿真將一個射擊循環(huán)拆分成擊發(fā)仿真、槍機(jī)后坐仿真、槍機(jī)復(fù)進(jìn)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(shí)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(yùn)動規(guī)律[8]。長彈匣槍機(jī)復(fù)進(jìn)運(yùn)動圖如圖7 所示。

圖7 長彈匣槍機(jī)復(fù)進(jìn)運(yùn)動曲線Fig.7 Reprograding motion curve of long magazine rifle bolt

在圖7 中，實(shí)線曲線為位移-時間曲線，虛線曲線為速度-時間曲線，點(diǎn)線曲線為加速度-時間曲線。

在0-0.0035 s 時間段內(nèi)，槍機(jī)在復(fù)進(jìn)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(jī)與子彈碰撞，推動子彈向前運(yùn)動，加速度陡增，速度驟降。瞬時子彈與槍機(jī)達(dá)到同速，槍機(jī)加速度再次變?yōu)槌Ａ浚俣染鶆蛟黾?。?.011 s 時，子彈進(jìn)入槍管內(nèi)壁，槍機(jī)運(yùn)動阻力瞬間增加，運(yùn)動速度驟減。隨著子彈進(jìn)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(jī)運(yùn)動加速度增大。在0.015 s 左右，子彈近似水平地在槍管中運(yùn)動，槍機(jī)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(jī)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(yùn)動學(xué)仿真圖可以看出，所設(shè)計(jì)槍機(jī)可以很好完成復(fù)進(jìn)動作并實(shí)現(xiàn)閉鎖。

長彈匣子彈入膛運(yùn)動仿真曲線如圖8 所示。

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

在0-0.005 s 過程中槍機(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)動規(guī)律。圖9 為短彈匣運(yùn)動仿真曲線。

圖9 短彈彈匣槍機(jī)復(fù)進(jìn)運(yùn)動曲線Fig.9 Reprograding motion curve of short magazine rifle bolt

在圖9 中，實(shí)線曲線為位移-時間曲線，虛線曲線為速度-時間曲線，點(diǎn)線曲線為加速度-時間曲線。

在0-0.0031 s時間段內(nèi)，槍機(jī)所受合外力為常量，槍機(jī)在復(fù)進(jìn)簧的推動下運(yùn)動。在0.0031 s之后，槍機(jī)與槍機(jī)框碰撞，加速度陡增，瞬間后，槍機(jī)與槍機(jī)框同速，其加速度再次變?yōu)槌Ａ浚俣染鶆蛟黾?。?.0108 s和0.0118 s時間段內(nèi)，槍機(jī)與子彈碰撞，速度陡降。瞬間后，子彈與槍機(jī)達(dá)到同速，槍機(jī)加速度再次變?yōu)槌Ａ浚俣染鶆蛟黾?。?.0135 s時，子彈前端與槍管內(nèi)壁以及閉鎖件碰撞，槍機(jī)運(yùn)動阻力瞬間增加，運(yùn)動速度驟減。隨著子彈入膛，其所受阻力減小，槍機(jī)加速度增大。在0.0167 s時，子彈近似水平地在槍管中運(yùn)動，槍機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動曲線Fig.10 The projectile movement curve of a short magazine

由運(yùn)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(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維實(shí)體建模與運(yùn)動學(xué)仿真。根據(jù)運(yùn)動學(xué)仿真分析，所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠完成不同長度的彈丸抽殼和槍機(jī)復(fù)進(jìn)進(jìn)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]。