模块化双初速自动机动力学实验与数值研究

齐玉辉，顾新华，徐 诚

（南京理工大学 机械工程学院，南京210094）

大口径机枪与自动榴弹发射器是2种班组支援武器，一般需要采用2种不同的自动机才能完成自动发射功能，研制和生产成本高、可维修性差。因此，研究一种同时适用于大口径机枪和自动榴弹发射器的通用自动机，成为世界各国轻武器研究的热点之一。美国于20世纪末提出了“理想班组支援武器（OCSW）”计划，研制25mm榴弹发射器。21世纪初美国改进了原有理想班组支援武器计划，提出12.7mm口径重机枪（XM312）和25mm口径榴弹发射器（XM307）通用模块化自动发射系统，最大程度地提高班组作战效能［1－4］，降低装备成本。美国的XM312和XM307采用导气式与枪身长后坐相结合方式，主要结构有供弹轮、枪机加速机构，利用弹药适配器实现左右双向供弹，实现全自动射击、双口径双初速半自动［5］。但该自动机结构复杂，制造成本高。本文采用模块化设计理念，提出一种结构更简单的模块化双初速自动机技术方案，可以实现不同火力、2种口径、不同作战目标班组支援武器间的转换，以有效地满足现代战争复杂战况的需要。通过仿真计算分析了参数匹配情况和影响规律，通过实验验证了方案的可行性。

1 新型模块化双初速自动机技术方案

1.1 重机枪和自动榴弹发射器内弹道差异分析

12.7 mm重机枪和25mm自动榴弹发射器内弹道特性对比如表1所示。表中，d为枪管口径，L为枪管长度，t为时间，s为弹丸位移，v为弹丸速度，pmax为最大压力，¯p为平均压力。25mm自动榴弹发射器弹质量为142.0g，最大膛压为119.7MPa，弹丸初速为426.2m／s；12.7mm重机枪弹质量为48.2g，最大膛压为298.3MPa，弹丸初速为785.3m／s。12.7mm重机枪最大膛压是25mm自动榴弹发射器的2.45倍，弹丸初速是后者的1.84倍，枪口动能是后者的1.15倍，两者差异非常大，采用同一个内能源自动机完成自动发射难度很大。

表1 内弹道特性对比

1.2 新型模块化自动机技术方案

为了同时满足12.7mm重机枪和25mm自动榴弹发射器的自动发射，本文选择合适的自动机行程，选用2种不同的导气孔位置和导气孔面积匹配复进机参数，提出了一种新型模块化通用自动机技术方案。该自动机主要结构包括：通用枪机框体及其组件、通用机匣体及其组件、通用复进簧及其组件、弹底缘不同的枪机及其组件、通用发射机体及其组件、通用枪尾部件及其组件、通用弹链压板及其组件、12.7mm专有枪管组件、12.7mm专有供弹滑板组件、25mm专有枪管组件和25mm专有供弹滑板组件。将12.7mm专有组件与通用组件组合，可以形成12.7mm重机枪，如图1所示；将25mm专有组件与通用组件组合，可以形成25mm自动榴弹发射器，如图2所示。自动机采用导气式工作方式，活塞行程长，闭锁片偏移式闭锁，枪机框与活塞固连成一体，始终一起运动；同时增加了枪机框的质量，提高了枪机框抗初速变化的能力［6］。

图1 12.7mm重机枪模型

图2 25mm自动榴弹发射器模型

2 自动机匹配特性数值仿真

2.1 虚拟样机仿真建模

将新型模块化自动机CAD模型导入ADAMS中，建立了重机枪和榴弹发射器发射状态自动机虚拟样机模型，模型考虑了21个刚体：表尺、拨叉、拨弹杠杆、弹壳、弹、缓冲簧盖、导链板、机匣、发射机构、内拨弹滑板、枪管、内拨弹齿、抛壳挺、枪机、枪机框、枪尾、上机盖、外拨弹齿、外拨弹滑板和左、右闭锁片。枪管、枪尾、机匣等都相对于地面固定不动，2种武器发射状态导气室内火药气体压力采用布拉文公式［4］确定，施加于枪机框上。

2.2 模块化自动机动力学特性数值仿真分析

仿真计算得到了12.7mm重机枪和25mm自动榴弹发射器在发射状态时自动机枪机速度v1、枪机框速度v2的曲线，如图3所示。在发射状态时，12.7mm重机枪枪机框后坐最大速度与实验相差2%，25mm自动榴弹发射器枪机框后坐最大速度与实验相差4.5%，仿真计算获得的自动机枪机框运动特性与实验结果基本一致。仿真结果表明：枪机和枪机框在完成自由行程以后，速度大小呈阶梯性下降，这是由于在开锁过程中枪机和枪机框撞击左右闭锁，产生了反向瞬时加速度。开锁过程完成后，枪机框和枪机共同运动，位移和速度基本相同。为了避免出现过早开锁，在一个周期即将结束时，防反跳装置将使枪机框的不平稳抖动越来越小，但这个过程也会造成一定的能量损失。

图3 自动机速度曲线

通过仿真计算可得供弹机构供弹过程2种弹丸的运动情况，结果如图4所示。该结果表明：2种弹丸的运动趋势基本一致，重机枪输弹时刻略早于榴弹发射器，12.7mm弹丸运动过程中的速度略大于25mm弹丸；该结构的双初速自动机能够平稳、顺利地完成2种口径弹药的进弹与输弹过程，满足动力匹配要求。

图4 输弹过程弹丸位移曲线

2.3 参数对自动机工作频率的影响

1）导气装置参数的影响。

如图5所示，通过仿真计算得到了榴弹发射器和重机枪在导气孔位置不变的情况下，导气孔直径dh的变化对自动机工作频率f的影响。仿真结果表明，自动机的发射频率随导气孔直径的增大而增大，因此可以通过改变导气孔直径调节武器工作射频，调节范围可达26%。

图5 导气孔直径变化对射击频率的影响

图6给出了重机枪和榴弹发射器在导气孔直径不变的条件下，导气孔位置lh对自动机工作频率f的影响。由图可见，在一定范围内导气孔离枪管后端面越远，进入导气室内压力越大，自动机获得的初速越高，同时复进速度越快，自动机工作频率越高。因此可以通过调节导气孔位置来调节武器工作射频，调节范围至少可达29%。

图6 导气孔位置变化对自动机射击频率的影响

2）复进装置参数的影响。

图7、图8分别给出了复进簧刚度系数k1、预压力F0对模块化自动机工作频率影响情况的计算结果。

图7 复进簧刚度对射击频率的影响（F0＝200N）

图8 复进簧预压力对射击频率的影响（k1＝0.83N／mm）

在预压力F0不变的条件下，增加弹簧刚度能够缩短复进时间，提高发射频率。当复进簧刚度为定值时，随着预压力的增大复进时间减小，发射频率提高。而复进簧刚度对自动机工作频率的调节作用比预压力大。选取复进簧不同预压力F0和刚度系数k1对自动机进行仿真计算，结果表明，k1＝0.83N／mm，F0＝200N时，12.7mm 重机枪和25mm自动榴弹发射器2种发射状态匹配合理。

3）缓冲装置参数的影响。

缓冲装置吸收自动机后坐到位时的多余能量，减轻与枪尾碰撞。图9、图10分别给出了重机枪缓冲装置刚度系数k2、阻尼系数C对自动机发射频率的影响。结果表明：随着缓冲簧刚度增大，自动机发射频率提高；但缓冲簧刚度对枪尾作用力和后坐时间影响较小，对复进时间影响较大。当k2较大时，复进到位时缓冲簧的压缩时间短，动能在转化成势能的过程中能量损耗减小，动能更多地反馈到复进过程中，从而减少了复进到位时间。缓冲装置阻尼系数增大时自动机发射频率降低，这是因为自动机后坐到位时缓冲装置的阻尼器将部分动能转化为热能，减小了枪尾作用力，同时伴随着能量损失，这造成复进过程能量减少，复进时间增长。

图9 缓冲器刚度对射击频率的影响

图10 缓冲器阻尼系数对射击频率的影响

3 自动机匹配特性实验验证

本文采用磁电测速法测量新型模块化自动机原理样机在25mm自动榴弹发射器和12.7mm重机枪发射状态的速度（va）－时间曲线和位移（sa）－时间曲线，测试系统框图如图11所示，传感器采用的是YSW型磁电式位移传感器，调理器为YSW型阻抗变换器，数据采集采用NI数据采集系统。实验结果如图12和图13所示。

图11 测试系统框图

图12 25mm自动榴弹发射器发射状态自动机枪机框速度、位移曲线

图13 12.7mm重机枪发射状态自动机枪机框速度、位移曲线

图12 是25mm自动榴弹发射器发射状态自动机实验结果，自动机的枪机框后坐最大速度为8.32m／s，枪机框后坐到位速度为2.35m／s，枪机框复进到位速度为3.93m／s，自动机可以完成自动发射和自动供弹动作，后坐阶段工作时间为0.046s，复进工作时间为0.074 3s。

图13是12.7mm重机枪发射状态自动机实验结果，自动机的枪机框后坐最大速度为8.57m／s，枪机框后坐到位速度为3.40m／s，枪机框复进到位速度为4.96m／s，自动机可以完成自动发射和自动供弹动作，后坐阶段工作时间为0.042 2s，复进工作时间为0.066 9s。与25mm自动榴弹发射器相比，12.7mm重机枪发射状态自动机枪机框后坐到位速度提高了31%，复进到位速度提高了21%，12.7mm重机枪发射状态发射频率提高。12.7mm重机枪发射状态自动机工作频率为550min－1，25mm自动榴弹发射器发射状态自动机工作频率为498min－1，满足2种武器的发射频率要求，这说明本文提出的的新型模块化自动机技术方案可以同时满足12.7mm重机枪和25mm自动榴弹发射器的自动发射需要，可匹配2种武器发射状态。

4 结论

①对于给定的自动机行程，采用2种不同的导气孔位置和导气孔面积，匹配复进机参数，提出了一种适用于12.7mm／25mm双口径双初速的新型模块化通用自动机技术方案，进行了自动机匹配特性实验，证实了原理可行性及技术方案对2种口径、2种初速自动发射的适应性。

②建立了模块化通用自动机虚拟样机模型，通过仿真计算揭示了2种工作状态自动机运动学和动力学特性。通过仿真计算获得了导气孔直径、导气孔位置、复进簧刚度、缓冲器刚度及预压力参数变化对发射频率的影响规律。

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