某通用机枪首发装填困难产生机理及改进方案研究

张本军，王瑞林，李永建，张林锐

（1.军械工程学院 火炮工程系，河北 石家庄 050003；2.北京军代局驻5413厂代表室，河北 石家庄 050035；3.华阴兵器试验中心火炮实验站，陕西 华阴 537103）

某型通用机枪存在首发装填困难问题，这给部队的训练和使用带来极大的困扰。因此，利用理论分析的方法摸清造成首发装填困难的原因，制定相应的改进方案对于该枪的使用和改进是具有现实意义的，同时，也可为同类型武器的设计和改进提供参考。

首发装填问题实质上是一个人－机工效的问题，要弄清楚这个问题产生的原因就需要建立人体模型。近些年来，人体多刚体模型得到了广泛的应用。Ayoub、柳宁等人均以人体多刚体模型为基础，对其所关心的问题进行了分析研究［1－5］。针对人－枪系统，李永新、王亚平等人分别进行过研究［6－9］，并取得了相应的成果。但是这些人的研究主要集中在人体对于枪械射击精度的影响或射击过程中枪械对被动的人体的影响上，而对于将人体作为主动力的提供者这方面没有进行研究。

笔者以建立的包含右臂肌肉的人枪系统多刚体动力学模型为基础，求解了首发装填过程中人体右臂提供主动力的情况，以期找到造成该枪首发装填困难的原理，提供整体的改进方案。

1 人枪系统模型的建立

1.1 人体模型的建立

人－枪系统中人体模型利用Biomechanics Research Group公司Lifemod软件进行建立，其中射手身高1.8m，体重77kg，年龄为21岁。建立的模型包括头、颈、上躯干段、中躯干段、下躯干段、左右肩胛骨、左右大臂、左右小臂、左右手、左右大腿、左右小腿以及左右脚19个刚体。各刚体除右臂以外均用LifeMod提供的HybridⅢ关节连接［10］，该类型关节是包含关节极限角度的被动类型关节。

在右臂上添加肌肉模型，该肌肉模型包含5块胸大肌、3块胸小肌、4块斜方肌、3块背阔肌、3块三角肌、2块肱二头肌、1块肱桡肌、3块肱三头肌、1块大圆肌、2块腕屈肌、1块拇长屈肌、1块指伸屈肌、1块腕长伸肌、1块指伸肌和1块外展拇长肌共32块肌肉。在Lifemod中针对肌肉的求解要分两步进行，第1步进行反向动力学求解，肌肉的记录单元将肌肉的伸缩模式记录下来；第2步是正向动力学计算，Lifemod利用一个PD伺服系统进行肌肉力的求解，求解过程如下［11］：

式中：Ld为反向计算中肌肉伸缩位移量；La为正向计算中肌肉的位移量；P和D分别是PD伺服系统中的比例因子和微分因子；PCSA和M 分别为肌肉生理横截面积和最大组织应力，其数值可以在Lifemod的数据库中直接调用。

1.2 机枪模型的建立

通用机枪的模型是用Pro／E建立三维实体模型尔后导入到ADAMS中建立的，模型由枪托、机匣组件、枪架、装填拉柄、枪机框、大杠杆、小杠杆和拨弹滑板7个刚体组成。根据枪械零部件的实际情况添加约束，剩余4个自由度，分别为：枪机框相对于机匣组件的平动、大杠杆相对于机匣组件的转动、小杠杆相对于机匣的转动以及拨弹滑板相对于机匣组件的平动。枪械模型所受到的力包括复进簧力、拨弹滑板向外滑出过程中的受力、以及拨弹板向内拨弹时所受到的力。

1.3 人枪系统模型的建立

将首发装填时人体初始姿态赋予人体模型，在人体模型的右手与装填拉柄、左手与枪托、右肩胛骨与枪托、躯干下段与地面之间均建立Bush力，得到的人－枪系统模型如图1所示。

2 计算结果

将所建立的模型在ADAMS中进行求解，就可以求得身体上各块肌肉所提供的主动力与装填拉柄向后运动位移的关系。几块主要供力的肌肉的计算结果如图2所示，图3则为装填拉柄向后运动过程中所受到的阻力。

从计算结果可以看出，首发装填过程中，与人体小臂相关的多块肌肉均达到所能提供的最大值，这与实际装填过程中感觉小臂不舒服情况是一致的。

3 试验过程

为分析首发装填困难的机理，以便制定对应的改进方案，利用线位移传感器进行了首发装填过程的试验。试验过程的示意图如4图所示。

为了能够将传感器与通用机枪的运动部件联系起来，在试验过程中将机枪的枪管组件卸下，而后将传感器直接连接在机枪的活塞上，由于活塞的运动规律与装填拉柄完全一致，所以得到的信号处理结果即为装填拉柄的结果。本文针对不同的火线高做了3组试验共11次，如图5～图7所示。

4 首发装填困难产生机理及改进方案

4.1 产生机理

从图3中可以看出，装填拉柄在向后运动的过程中所受到的阻力数值并不大，在被拉到最后端才不过122.7N，然而从图2中可以看出多块肌肉在首发装填过程中达到所能提供的最大值。对于肌肉而言，它是通过力矩的形式作用在装填拉柄上的。因此，可以得到该枪首发装填困难产生的一个重要原因是在首发装填过程中各块肌肉作用的力臂较小。

从图5～图7中可以得到，首发装填过程中装填拉柄运动到14mm和86mm两点处均有一停顿。从图3中可以看到，对应于装填拉柄运动到14 mm处是拨弹滑板向外运动过程中所受到的阻力传递到装填拉柄方向上的最大值；对应于装填拉柄运动到86mm处是拨弹滑板向里拨弹的过程中所受到的阻力传递到装填拉柄运动方向的最大值。比较各肌肉力的曲线可以看出，14mm处各肌肉的肌肉力相对其所能提供的最大力而言并不是很大，因此，可以认为装填拉柄所受阻力的极值点是造成停顿的主要原因。同样的原因也适用于86mm处。

综合以上所述，可以得到造成首发装填困难的主要原因是：

1）人机功效较差，右臂的肌肉在首发装填过程中作用的力臂太小，从而造成多块肌肉达到最大值的情况，使射手难以装填，特别是体质较弱的战士。

2）装填拉柄所受阻力的极值过大，造成射手在装填过程中出现两个停顿，不能一鼓作气完成装填动作，增加了首发装填工作的困难程度。

4.2 改进方案

解决首发装填困难问题实际上就是要解决装填阻力和肌肉供力之间的矛盾，所以可以通过增加肌肉供力和减小阻力两种方式进行改进，具体来讲可以有以下3套方案：

1）改进人机功效较差的情况，增加各肌肉在首发装填过程中的力臂。从机枪的结构上来讲，影响力臂的主要因素包括机匣的结构参数、枪托的长度、射高以及装填拉柄的位置等。相对于其他参数，装填拉柄的位置是最容易改变的，因此，可以通过优化装填拉柄的位置来改善人机功效状况。

2）减小装填拉柄所受阻力的极值的大小。对于该枪而言，有两种方式可以用来减小装填拉柄所受阻力的极值的大小。一为减小拨弹滑板在向外和向里两个方向运动的阻力。该枪使用的拨弹齿簧与另一种口径较大的通用机枪同一种，且拨弹齿与弹链接触时的力臂较小，所以可以通过优化这两个方面来达到减小阻力的目的；在拨弹滑板拨弹过程中，可以通过优化拨弹齿隔弹曲线来减小拨弹过程中的阻力。二为优化传动机构的参数，改变传速比和传动效率，使得两个过程向装填拉柄方向上转化的力的最大值最小，其最简单的方式就是优化大杠杆曲线参数。

3）调整小杠杆簧的位置，使得拨弹滑板在初始时刻就处于待拨枪弹的外侧，从而减少了拨弹滑板向外滑动的过程。该枪现有的结构是使拨弹滑板处于待拨枪弹的内侧，这样能够保证自动机在复进到位和后坐到位的状态下均能盖上受弹机盖。将拨弹滑板调整到待拨枪弹的外侧，只能在自动机复进到位的状态下盖上受弹机盖。然而，不论是在哪种情况下盖上受弹机盖，在继续射击时都需要重新进行手动装填。因此，调整拨弹滑板的初始位置并不会改变供弹机构供弹的可靠性。

5 结 论

本文以某型通用机枪首发装填过程为研究对象，建立其人－枪系统模型，求得了首发装填过程中人体肌肉的供力情况；结合试验得到的装填拉柄的时间位移关系，得到了致使该枪产生首发装填困难的主要原因；针对这些原因，提出了3套改进方案，这就为该枪的改进工作提供了指导，同时也为其他同类型武器的设计和改进提供参考。

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