转管机枪铰接缓冲式驻锄应用及动态特性分析

王瑞林，李 涛，康小勇，张军挪

(军械工程学院 火炮工程系，石家庄 050003)

转管机枪为利用武器系统发射时导气室内高温、高压火药燃气压力作用驱动活塞机构及相关组件，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的内能源多管武器[1]。大口径车载转管机枪具有射速高、火力覆盖面积大等特点，搭载便携式三脚架射击时，机枪发射威力的增大会对三脚架产生较大影响，巨大后坐力可导致脚架变形影响射击精度。枪架结构与机枪性能密切相关，良好的枪架可提高机枪射击威力，改善枪架结构特点，使其与枪身具有良好匹配关系，对提高机枪射击精度具有重要意义。该型机枪原结构用钎入式驻锄结构，机枪射击过程中响应特性对地面土质、驻锄固定支点接触反应敏感。为此，本文设计在枪支架间增加支撑连杆，并采用铰接缓冲式驻锄结构建立机枪刚柔耦合模型进行对比分析。

1 结构改进方案

三脚架为机枪系统重要组成部分。弹性枪架主要用于支撑枪身质量，射击过程中能有效吸收后坐能量，起吸振、减震作用，为保证武器具有良好射击稳定性基础[2]。机枪原结构采用简单三支架，射击时架杆变形较大，枪身随机扰动强烈，影响射击精度。在枪架后支架间加装支撑连杆，后架杆之间相关牵制，后坐能量相互传递，从而有效抑制左右后架杆振动不一致，降低枪架纵向振动幅值以达到减小枪口初始扰动、提高射击精度目的。铰接缓冲式驻锄结构简图见图1，三维实体模型见图2。前驻锄为铰接式，后驻锄为弹簧缓冲式。射击时枪架在后坐力作用下前后架杆发生弹性变形，前架杆绕前支点旋转，后架杆在弹簧缓冲力作用下前后移动[3-4]。

本文以枪管轴线指向枪口方向为X轴正向，向上为Y轴正向，右手准则确定Z轴正向。铰接缓冲式驻锄，相对原驻锄其优点为：① 能降低土壤对枪架影响；② 可减小对驻锄固定位置接触的反应敏感度；③ 能缓冲架杆弹性变形，避免变形过大，减小枪身部件因高速旋转引起的上偏，从而保证机枪振动平稳。改进后简图见图3，实体模型见图4。

图1 机枪结构改进前简图

2 模态计算与分析

为研究机枪系统结构模态与动态特性，建立机枪系统有限元模型[5-6]。保留机枪结构主要特征，简化、忽略全枪质量较轻且不影响机枪空间布局的结构；据机枪实际物理属性赋予各零部件材料特性；据约束关系对零件进行布尔操作；据各零部件结构特点选不同单元类型进行实体模型有限元划分。机枪系统有限元模型见图5，其中土壤边界条件采用沙箱式模型模拟。

经模态计算获得机枪结构模态参数。机枪结构改进后前6阶振型见图6～图11。机枪结构改进前后前6阶固有频率见表1。篇幅有限，机枪结构改进前振型图不予显示。

图5 机枪结构改进后有限元模型

图9 机枪系统第4阶振型

表1 机枪改进前后系统固有频率

机枪振型图可反映其固有频率的结构振动形态[7-8]。由图6～图11看出，1、2阶固有频率时枪身与摇架分别呈左上、右上摆动振型，变形协调性较差；第3阶固有振型主要由枪身左右方向摆动构成，第4阶固有振型主要由枪身上下转动构成，从第5阶开始的以后各阶固有振型主要由枪架、摇架等弹性变形与枪身弯曲迭加构成；射频(50 Hz)为系统基频的3～4倍，机枪结构改进后第1阶固有频率为14.57 Hz，已避开对武器系统振动影响最大的基频；机枪射频在第4、5阶频率之间，因此该射频对武器系统动力匹配有利，但应注意“拍振”现象发生；机枪结构改进后第4、第5阶固有频率之间范围增大，更远离机枪射频范围，有利于提高机枪的射击精度。

3 机枪载荷确定

射击状态下所受外力主要有枪膛合力、气室压力及气室压力反力。阻力主要包括抽壳阻力、弹带阻力、脱弹阻力及构件运动产生的摩擦阻力。各种弹簧作用力建立运动副时已加入，只需据实际情况改变其刚度系数及预压力即可；阻力大小可通过计算公式作为外力添加。主要介绍气室压力的确定。子弹击发后经1.798 ms越过导气孔，火药气体进入导气室推动活塞运动。火药气体对活塞滑块作用力F[9]为

F=pde-(t-t′)/b(1-e-α(t-t′)/b)S′

式中：F为气室压力；pd为弹头经导气孔瞬间膛内平均压强；pd=159.88 MPa；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参数；t为气室压力工作时间；S′为活塞横截面积，S′=6.60 cm2。

由计算获得转管机枪枪膛合力与气室压力随时间变化曲线见图12。

图12 枪膛合力与气室压力曲线

4 仿真结果及分析

基于该型机枪模型分析及边界条件处理，对枪架及驻锄结构改进前后射击过程分别进行仿真分析，获得机枪在不同情况下的动力响应特性。机枪结构改进后刚柔耦合虚拟样机模型见图13，枪架固定支点与枪口上下、左右方向的动力响应见图14～图21，其中枪架固定支点指将机枪前后脚架杆与枪身固定于中心点(图3)。

图13 机枪结构改进后系统刚柔耦合模型

图16 枪架固定支点Z(左右)方向速度

图19 枪口Y(上下)方向位移

分析图14～图21看出：

(1) 机枪发射过程中枪架固定支点与枪口在高低(Y轴)方向及左右(Z轴)方向位移与速度曲线均表现出周期性振动规律。枪架固定支点左右方向位移变化基本呈对称分布且较上下方向小，此因机枪系统结构、边界条件及枪膛合力等作用轴线在左右方向均对称；

(2) 对比枪架、驻锄结构改进前后曲线看出，改进后枪架固定支点各方向位移、速度均明显小于改进前仿真结果，表明支撑连杆与铰接缓冲式驻锄的应用能降低枪架振动。

(3) 转管机枪射击过程中枪管部件在活塞驱动力作用下沿中心轴线做旋转运动。结构改进后枪口响应曲线平滑性与周期规律性更好，且无突出峰值出现，说明改进后枪口上下、左右振动能量分配更合理，射向一致性更稳定，更利于武器射击精度提高。

(4) 结构改进后响应位移周期时间减短，射频提高9.7%，枪架、枪口响应位移均减小。表明机枪整体振动有一定改善，对提高机枪射击性能意义重大。

5 结 论

(1) 枪架结构的改进与铰接缓冲式驻锄的应用能有效降低射击时枪架固定支点左右、上下方向振动，结构固有频率与射击频率更好，有利于机枪射击精度的提高；

(2) 改进结构对提高转管机枪射频有一定促进作用，对该型机枪枪架设计有一定参考价值。

[1] 薄玉成,王惠源,解志坚.转管武器总体技术的若干问题[J].火炮发射与控制学报, 2005(1):9-12.

BO Yu-cheng, WANG Hui-yuan, XIE Zhi-jian. Study on general technique of gatling gun[J]. Gun launch and Control Journal, 2005(1):9-12.

[2] 陈锦喜,王瑞林,吴海锋.新型机枪枪架及其动态特性分析[J].振动与冲击, 2012, 31(8): 121-123.

CHEN Jin-xi, WANG Rui-lin, WU Hai-feng.Dynamic characterics analysis for a new type gun tripod[J].Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(8):121-123.

[3] 王瑞林,李永建,张军挪. 驻锄缓冲式枪架设计[J]. 兵工学报, 2007, 28(2):144-147.

WANG Rui-lin, LI Yong-jian,ZHANG Jun-nuo. Calculating interior ballistics[J]. Acta Armamentarii, 2007,28(2):144-147.

[4] 王瑞林,陈运生,郝跃伟. 机枪动态稳定性原理与实践[J]. 南京理工大学学报,2004,28(3)：265- 268.

WANG Rui-lin, CHEN Yun-sheng,HAO Yue-wei. The principle and application of dynamical stability on machine gun [J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2004, 28(3):265-268.

[5] 曹金凤,石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社,2009:131-137.

[6] 张义民.机械振动[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[7] 王瑞林.大口径机枪动力学特性与射击精度研究[D].南京：南京理工大学, 2003.

[8] 张军挪. 某型重机枪结构动力学仿真与参数优化[D]. 石家庄：军械工程学院,2007.

[9] 翁春生,王浩.计算内弹道学[M].北京：国防工业出版社,2006.