某转管机枪活塞组件驱动轮磨损状态下的可靠性分析

化斌斌，王瑞林，李 涛，张军挪，胡明枢

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.75100部队，广西柳州 541002）

某转管机枪活塞组件驱动轮磨损状态下的可靠性分析

化斌斌1，王瑞林1，李 涛1，张军挪1，胡明枢2

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.75100部队，广西柳州 541002）

活塞组件驱动轮的磨损会影响自动机的可靠性，从而影响转管机枪的性能。通过对活塞组件进行受力分析以及可靠性分析，利用有限元软件建立了活塞组件的动力学模型，研究了驱动滚轮在前曲线槽内运动时的应力和应变状况，通过修改滚轮外径，仿真模拟了不同磨损量对机枪可靠性的影响。结果表明：通过对驱动滚轮发生不同程度磨损现象的仿真分析，磨损量较大时，驱动滚轮更容易发生应力集中现象，塑性应变也就越大。该仿真研究可为转管机枪的设计改进提供参考。

转管机枪；可靠性；活塞组件；驱动滚轮；磨损量

自动机是武器的核心部分，其性能对武器的可靠性与效能起着决定性的作用［1-2］。转管机枪射击过程中，机构处于强制运动状态并承受了较大的变化载荷，对承载能力、安全性能和机构寿命等方面都有非常高的要求。因此，在转管机枪的设计过程中，对自动机部分主要构件提出了更高的可靠性要求［3］。

活塞组件长期所处的工作环境（高温、高负载和高速运动等）十分恶劣，在机枪射击过程中出现了滑板驱动滚轮磨损、滚轮轴断裂等故障现象，严重影响了活塞组件的使用寿命和机枪的射击可靠性。笔者通过对活塞组件进行受力分析和可靠性分析，建立了其有限元模型，仿真了活塞组件在驱动滚轮不同磨损量下的运动过程，得出了驱动滚轮不同磨损量对机枪可靠性的影响。

1 受力分析

枪弹击发启动后，经过一定时间弹丸越过导气孔，一部分火药气体进入导气室作用于活塞头部位置，推动活塞滑板在节套的导槽内前后运动，滑板上的驱动滚轮在节套外的前凸轮曲线槽内滚动，迫使节套沿其轴线旋转，并带动整个旋转部分运动。

在射击的大部分时间内，由节套等回转部件旋转来带动活塞组件运动，其受力如图1所示，在行星体旋转方向上加力矩Mr，在活塞滑板运动的反方向上加阻力F，系统处于平衡状态。

水平方向上的力平衡方程为

式中：f为滑板上驱动滚轮和前曲线槽的摩擦系数，f＝0.25；N为驱动滚轮对前曲线槽在法线方向上的压力；fh为滑板和节套导轨间的摩擦系数，fh＝0.25；Nh为滑板对节套导轨在法线方向上的压力；α为滚轮在前曲线槽内运动时产生的摩擦力fN与图中垂直方向的夹角。

垂直方向力平衡方程为

式（2）代入式（1）得：

忽略回转部件所受的旋转摩擦力，则

根据回转部件受力得出：

式中：rhs为P到回转部件中心的距离。

活塞被节套等回转部件带动空回的情况

式（5）适用于活塞被节套等回转部件带动空回的情况。当活塞在火药气体作用下作为主动件时，做逆传动，则

2 可靠性问题分析

转管机枪在射击过程中，活塞组件受到导气孔导出的火药气体的冲击作用，滑板在节套的导槽内前后直线运动，滑板上的驱动滚轮在曲线槽内受迫运动。样机试验过程中，活塞组件出现的故障现象有：

1）驱动滚轮磨损、变形，滑板滚轮轴断裂。

2）滑板在节套的内导槽之间卡紧。

从故障部位来分析，造成以上故障的主要原因为以下两个方面：

1）在高温、高负载和高速运动状态下，驱动滚轮在曲线槽内运动时挤压力大，接触表面上存在碰伤的金属突起。

2）节套的导槽内油污过多，润滑不良。

3 模型的建立

3.1 模型简化

鉴于节套、活塞滑板等零件结构的复杂性，为了减小计算量，同时保证活塞组件三维模型支持有限元计算，在确保几何精度的前提下，可以作如下简化：去掉节套的凹槽、凸台等几何形状，消除非接触表面的倒角、圆角等一些小特征；由于笔者关心的是活塞组件的整体结构性能，因此可以将不影响整体结构性能的零件如销钉、节套外部套箍等去掉。通过以上处理，活塞组件简化模型如图2所示。

3.2 网格划分

驱动滚轮、前曲线槽等零件相互接触的部位易产生应力集中甚至产生破坏，在划分网格的过程中需要进行网格细化并重点关注［4-5］；网格划分完成后，整个模型共生成87 464个单元。

划分网格后的活塞组件有限元模型如图3所示。

3.3 载荷及边界条件

以接触碰撞理论为基础［6］，仿真模拟驱动滚轮、活塞滑板随着节套旋转并同时与前曲线槽、节套等产生碰撞的整个过程，设定节套旋转的角速度为52rad／s，固定曲线槽。

3.4 材料物理参数

活塞组件采用弹塑性本构模型，其中驱动滚轮材料为合金钢，其参数如表1所示，应力和塑性应变的关系如图4所示。

表1 驱动滚轮材料参数

4 应力分析结果

根据活塞组件受力状态及结构特征，笔者主要分析了驱动滚轮发生磨损后，在曲线槽内运动过程中的应力、应变状况。进行有限元分析时，通过修改驱动滚轮的外径来模拟发生不同程度磨损或者变形的情况。实际仿真过程中，选取滚轮外径为22、21.6、21.2mm，分别进行有限元分析，分析结果采用应力云图的形式表示。

设置与计算相关的求解程序及参数，设定仿真时长为0.06s，提交求解器，计算结束后读取分析结果进行后处理，可以得到节套沿x轴轴线方向旋转一周过程中驱动滚轮在不同时刻的应力云图，如图5所示。

从图中可以看出，应力云图显示了驱动滚轮外表面与曲线槽内表面发生碰触的部位在挤压、摩擦作用下产生的应力集中现象。同时可以观察到，当滚轮运动到曲线槽的最低与最高位置处，即曲线槽方向改变的部位，滚轮的应力相较于在曲线槽平滑部分运动时要大，此时刻产生的塑性应变亦较大。

在同一个驱动滚轮外表面与前曲线槽接触的部位选取一个单元并提取其等效应力与等效塑性应变曲线进行对比研究。图6和图7分别为驱动滚轮受挤压最大位置处的等效应力曲线和等效塑性应变曲线。其中，D1、D2、D3分别对应滚轮外径为22、21.6、21.2mm三种情况。

从图6与图7中可以看出，滚轮在曲线槽中运动时，其外表面出现了较大的变形，等效应力峰值达到了800MPa，应力值超出了材料的屈服极限，滚轮外表面发生了塑性变形；滚轮未发生磨损时（外径为22mm），等效应力值在0.03s左右达到了峰值；在0.04s时，滚轮应力值减小，等效塑性应变趋于0.112，不再递增；滚轮外径为21.6mm与21.2mm时，等效应力与塑性应变曲线随时间变化趋势近似，均在0.04s左右达到了峰值；滚轮外径为21.2mm时，滚轮的等效塑性应变值相对其他两组情况更大一些，为0.125。

5 结 论

笔者应用有限元软件建立了活塞组件的动力学模型并进行了三种工况下的仿真，对比三组工况的仿真结果，驱动滚轮外径减小时，驱动滚轮与曲线槽之间的间隙增大，二者的撞击加剧。由于碰触产生的挤压力也随之不断增加，同时等效塑性应变也不断增大。滚轮外径为21.2mm时，等效塑性应变比外径为22mm时增大了11.6%。可以得出结论：滚轮外径愈小，即相当于滚轮发生磨损时，驱动滚轮外表面与曲线槽接触部位更容易发生塑性变形，从而导致材料发生磨损，研究结果对提高活塞组件的使用性能以及提高机枪的工作可靠性等具有一定的参考意义。

（References）

［1］徐诚，王亚平.火炮与自动武器动力学［M］.北京：北京理工大学出版社，2006：114-115.XU Cheng，WANG Ya-ping.Artillery and automatic weapons dynamics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006：114-115.（in Chinese）

［2］戴成勋，靳天佑，朵英贤.自动武器设计新编［M］.北京：国防工业出版社，1990：253-254.DAI Cheng-xun，JIN Tian-you，DUO Ying-xian.New design of automatic weapons［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1990：253-254.（in Chinese）

［3］李涛，王瑞林，李永建，等.未击发条件下某车载转管机枪动力学特性分析［J］.火炮发射与控制学报，2013，（3）：20-23.LI Tao，WANG Rui-lin，LI Yong-jian，et al.Dynamic characteristics analysis of a vehicular Gatling gun under the bullets not total firing condition［J］.Journal of Gun launch ＆Control，2013，（3）：20-23.（in Chinese）

［4］Wilkerson S.Modeling of Gun dynamics using three-dimensional finite element techniques［C］／／14th International Symposium on Ballistics，Quebec：U.S.Army Research Laboratory，1993.

［5］Zhang Q W，Chang T Y P，Chang C C.Finite element model updating for the Kap Shui Mun cable-stayed bridge［J］.Journal of Bridge Engineering，ASCE，2001，6（4）：285-293.

［6］瓦伦丁L波波夫.接触力学与摩擦学的原理及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2011：102-111.Valentin L Popov.Contact mechanics and friction physical principles and applications［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2011：102-111.（in Chinese）

Reliability Analysis on Piston Assembly Driving Wheel of Gatling Machine Gun under Different Conditions of Abrasion Loss

HUA Bin-bin1，WANG Rui-lin1，LI Tao1，ZHANG Jun-nuo1，HU Ming-shu2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.The 75100Troops of PLA，Liuzhou 541002，Guangxi，China）

The abrasion of piston assembly driving wheel would have the effect on the reliability of automatic mechanism，thereby on the performances of Gatling machine gun.Through the force analysis and reliability analysis of the piston assembly，dynamics model of piston assembly was established with the help of finite element software to detailedly study the situation of stress and strain of driving wheel while they were moving in front crooked slot，and the influence of wheels’different abrasion loss on Gatling machine gun reliability was simulated by means of modifying wheels＇diameter.The results showed that through the simulation analysis of different abrasion loss of driving wheels，the larger the abrasion is，the more easily the stress concentration occurs，and the bigger the plastic strain is.This simulation study can provide reference for the design and improvement of Gatling machine gun.

Gatling machine gun；reliability analysis；piston assembly；driving wheel；abrasion loss

TP202＋.1

A

1673-6524（2014）01-0031-04

2013-10-11；

2013-12-05

化斌斌（1987-），男，博士研究生，主要从事武器系统动力学理论与应用研究。E-mail：huabin1104＠163.com