未击发条件下某车载转管机枪动力学特性分析

李 涛，王瑞林，李永健，张本军

(1.军械工程学院 火炮工程系，河北 石家庄 050003;2.驻5413厂军代室，河北 石家庄 050003)

转管机枪是利用武器系统发射时气室内流动的高温、高压火药燃气压力作用于活塞滑板机构并驱动武器的枪管组件转动，依次完成进弹、推弹、闭锁、击发、开锁、抽壳、抛壳等自动循环运动过程的多管武器[1]。

综合考虑武器与发射平台之间的相互作用与影响，笔者从多体系统动力学的角度出发[2]，采用虚拟样机仿真技术建立了车载转管机枪的刚柔耦合模型，并基于相同的车体状态，主要对大口径车载转管武器系统在高射速条件下，样机试验过程中发生的枪弹未击发的情况进行了仿真研究，通过观察分析仿真结果与试验数据，得出枪弹未完全击发时对机枪射击精度的影响大小。

1 工作原理与系统拓扑结构

笔者所研究的车载转管机枪为某3管大口径转管机枪，采用机头回转闭锁，击锤击发，人工首发装填机构启动[3]。该型机枪自动机运动过程可以描述为：在车体保持静止或达到稳定速度时，首先使首发启动装置人工储能，启动击发按钮，啮合棘轮分离，内供弹齿轮旋转，带动行星体和外供弹齿轮转动，机心体组件沿行星体外侧曲线槽在圆周方向往复运动，同时外供弹轮带动弹链在弹链槽内运动，当运动到击发位置时，机头体回转闭锁，击锤碰撞击针使枪弹底火击发，从而实现击发等一系列动作。枪弹击发后产生的大量高压火药燃气进入导气装置后推动活塞体前后运动，迫使活塞滑板在节套内运动并带动节套、行星体、身管等枪管组件以及供弹齿轮在圆周方向旋转，进入下一个循环，直至停射。

以枪管轴线指向枪口方向为x轴正向，以竖直向上为y轴正向，以右手准则确定z轴正向。车体-机枪系统在虚拟样机建模完成后，用箭头指向表示多体系统相互之间的作用。车载转管机枪武器系统的拓扑结构如图1所示。

2 车载转管机枪刚柔耦合模型的建立

2.1 车辆悬架-路面系统模型的建立

根据实际的武器系统车体模型以及地面谱参数化设计，参考路面标准GB7031-1986《车辆振动输入 路面不平度表示方法》，在车体纵向滑移和横向滑移分开对待的情况下采用Fiala轮胎模型，确定车辆悬架的结构参数以及轮胎规格，使用ADAMS软件创建车体的整车模型。模型主要包括：汽车底盘模型、双臂式前独立悬架模型、转向机构模型、斜置臂式后悬架模型、轮胎模型和路面谱等几部分。

2.2 机枪刚柔耦合模型的建立

建立机枪刚柔耦合模型之前,首先对机枪模型进行简化处理，删除了压筋、倒角等对仿真结果影响小的特征。为了减小计算量，对于刚度较大且变形较小的部件可作为刚体对待；对于运动和受力没有影响的部件可以进行等效质量和转动惯量处理[4]。在本文中，枪管、托架变形较大，作为柔性体进行计算。

笔者利用ADAMS软件的Flexible Bodies模块生成枪管和托架的柔性体文件，得到车体-机枪系统的刚柔耦合模型。

2.3 机枪载荷的确定

该枪在射击状态下承受的外力主要有枪膛合力、气室压力和气室压力反力，以及自身产生的摩擦阻力和各种弹簧的作用力。各种弹簧力在建立运动副的过程中已经加入；阻力的大小可以通过相应的计算公式作为外力添加进去。在这里主要介绍气室压力的确定。

在枪弹击发后，经过1.798 ms，弹丸越过导气孔，火药气体进入导气室，推动活塞运动。进入气室中的火药气体对活塞滑快的作用力F由下式确定[5]：

F=pdexp[-(t-t′)/b]{1-exp[-α(t-t′)/b]}S′

(1)

式中：F为气室压力；pd为弹丸经过导气孔瞬间的膛内平均压强；b为与膛内压力冲量有关的时间参数；α为与导气装置结构尺寸有关的参数；t为气室压力工作时间；S′为活塞的横截面积。

通过计算得出转管机枪气室压力随时间的变化曲线如图2所示。

2.4 外弹道计算

枪管组件沿着身管轴线x方向旋转，角速度为ω，旋转半径为r，设由于枪口跳动量分别为yt与zt，引起弹丸在y方向和z方向的速度分别为vy与vz，枪管转动在y方向和z方向引起的速度分量分别为vry与vrz。弹丸出膛时初速为v0，其方向与水平面夹角为α1，与垂直平面夹角为α2。弹丸在空气中的速度为v，在x方向的速度分量为u，在y方向和z方向引起的速度分量分别为v1与v2。枪口与立靶之间的距离为l。

根据外弹道公式有[6]：

(2)

式中：C为弹道系数；H(y)为空气比重函数；G(v)为弹丸与空气相对运动特性；g为重力加速度。

根据弹丸出膛口时枪管的运动和射角绘出速度矢量图，如图3所示。

方程的积分初始条件为：当t=0时，u0=v0cosα1cosα2，v01=v0sinα1+vy+ωrsinθ，v02=v0cosα1sinα2+vz+ωrcosθ，y0=yt,z0=zt。弹丸运动距离l为100 m时，其运动速度变化量较小，此时可以将阻力函数CH(y)G(v)考虑为常数，并根据弹丸出膛口速度和阻力定律计算得出固定值。

3 仿真结果分析

基于上述理论模型的分析和边界条件的处理，为了考察车载机枪射击过程中发生枪弹未完全击发时对机枪射击精度的影响，对弹链上的每一发弹进行标记并按照标记序号排列(每组为30发枪弹)，由此可以确定样机试验中机枪连续射击时出现枪弹击发后未发火现象时不发火弹丸的序数，模拟试验中出现的情况。基于前文中建立的车体-机枪系统的刚柔耦合模型对机枪的射击运动过程进行了仿真，分别得出枪弹完全击发时与击发后未发火时(不发火弹丸在弹链上标记序号为14)的枪口位移响应曲线，并通过外弹道计算得出机枪100 m距离立靶时的弹着点散布情况，最后对仿真得出的曲线进行分析。图4为发生1发未发火弹时的气室压力曲线；图5为枪管组件沿中心轴线旋转角速度；图6与图7分别为枪口在y方向(高低方向)和z方向(左右方向)的响应曲线；图8为通过散布精度模型计算得出机枪100 m距离立靶时的弹着点散布情况，图9为样机试验中得出的机枪100 m距离立靶时的弹着点散布情况。图表中A、B分别表示发生1发弹击发后未发火时与枪弹完全击发时对应的情况。

试验与仿真计算结果对比如表1所示。

表1 试验与仿真计算结果对比分析

通过分析图示中仿真曲线和弹着点散布图以及表1中的计算数据可以看出：

机枪射击过程中，模拟了试验中出现的意外弹(序号为14)未击发的情况，在图4与图5中可以清晰看出：机枪达到稳定射频时，枪管等沿中心轴线方向旋转件的角速度均值约为6 300(°)/s，在1.028～1.054 s之间枪弹未击发，气室压力大小为0。如图5所示，A状态下1.034 s时枪管旋转角速度减慢，其完成射击需时较B状态多0.018 7 s，射速降低。

由图4与图5可以清晰地看出：枪口位移在高低方向(y轴方向)和左右方向(z轴方向)表现出周期性的振动规律。枪口在左右方向位移变化呈对称分布，这是因为机枪系统结构、边界条件以及力作用在左右方向都是对称的。仿真时，完成射击A状态下需要时间0.583 s，射速为3 086发/min；B状态下需要时间0.564 s，射速为3 189发/min。当射击过程中发生弹丸击发未发火现象时机枪射频降低，降低幅度为3.23%。同时可以得出在相同状态下，仿真得出的射频值较试验射频大一些，误差在5%以内，从而也证明了仿真的可信性。

弹丸首发弹着点靠近靶纸下方是因为起始时间枪管沿中心轴线旋转角速度较小，弹着点向右偏移主要是因为枪管在机枪射击时逆时针高速旋转导致切向速度较大。相同试验条件下，A状态下弹着点散布较B状态下差，取70%有效射弹量时射击密集度为7.3密位，前者较后者射击精度降低46%；同样的仿真环境下，A状态下弹着点散布较B状态下较差，取70%有效射弹量时射击密集度为6.4密位，前者较后者射击精度降低34.7%。

4 结 论

笔者利用虚拟样机仿真技术建立了某型车载转管机枪刚柔耦合多体动力学仿真模型，对机枪在样机试验中连续射击时出现的掉弹、跳弹等枪弹未完全击发现象进行了模拟仿真分析。对比分析试验与仿真数据可以发现：相对枪弹完全射击时的情况，意外弹未击发时机枪射击精度更差，且其对机枪的射击精度影响程度非常大；同样状态条件下，试验得出的射击精度较仿真结果要差一些，说明试验中其他一些因素的改变也会引起机枪的射击精度的变化，还需要进一步的研究与探索。

参考文献(References)

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