某型重机枪稳定性模型研究

范智滕，王瑞林，张军挪，贾云非

（军械工程学院，石家庄 05003）

某型重机枪稳定性模型研究

范智滕，王瑞林，张军挪，贾云非

（军械工程学院，石家庄 05003）

为研究机枪重量减轻对稳定性的影响，以某型重机枪为研究对象，建立了机枪纵向射击和横向射击的稳定性模型并计算出了稳定极限角。从实际出发全面的分析了各个设计参数对纵向射击和横向射击时稳定极限角的影响，通过Matlab编程计算出主要参数与稳定极限角的关系曲线，以及为达射击稳定所需施加的抵肩力及所加配重大小，得出了相应的结论并提出了改进射击稳定性的措施。为机枪的稳定性论证及改进打下了良好的基础。

稳定性，稳定极限角，纵向射击，横向射击

0 引言

现代的重机枪系统为了提高机动性，在质量上已经有了大幅度的降低，但是质量的降低必将导致武器系统的振动加剧［1］，从而影响射击精度。某型重机枪在设计上充分采用了新材料、新工艺，使质量得到大幅减轻，也使武器结构的刚度减弱［2］。但该机枪的使用环境要求其必须适应多种复杂恶劣的环境，在不同的环境下有个良好的射击精度。因此，如何在质量降低的情况下保持良好的射击精度值得深入研究。

机枪在射击时的稳定性，是保证机枪散布精度的一个极其重要的因素。因此，长期以来射击稳定性的保证一直是连发武器设计的一项基本要求［3］。枪械射击时的稳定性是指枪械射击时保证枪架各支点不产生跳动、移动和下沉的能力，在战斗中枪械可以纵向射击也可以横向射击，因此，应分别对枪械纵向射击时的稳定性和横向射击时的稳定性进行研究。

1 机枪结构

下页图1中所示为某型重机枪的主要结构，包括枪身和枪架两部分，枪身部分包括外机匣、内机匣、枪机框、复进机、枪管等部件，枪架为一支点在前两支点在后的三脚架。该机枪采用枪机框和复进机结合的方式，通过增加自动机的后坐重量，来保证武器的可靠性。该机枪的内机匣和枪管刚性连接，并且内机匣与外机匣间有缓冲簧连接，将内机匣所受枪膛合力的作用进行缓冲，起到减小枪架受力的作用。

图1 机枪主要结构示意图

2 纵向射击时的稳定性模型

2.1 纵向射击受力分析

由于该机枪内机匣与外机匣间有缓冲簧联接，外机匣与三脚架刚性联接，可以将外机匣视为枪架的一部分，从而按缓冲枪架来计算稳定性。受力分析如图2所示。

图2 纵向稳定性受力分析图

为了简化计算，假设［4］：

①枪架位于水平地面上，高低射角φ>0，方向射角ψ=0；②整个枪械及地面均为刚体；③枪械在结构上左右对称，射击时所作用于枪械上的外力或合力均在垂直对称面内；④射击时，枪架各支点保持不动。

由于全枪处于动平衡状态，所以支点反力可以按静力学平衡条件求解。由平面任意力系平衡条件，建立平衡方程：

φ为高低射角；F（t）为枪身的后坐力与自动机的作用力；R为作用于枪身重心的后坐推力；QC为全枪的重力；QH为枪身（包括与枪身一起后坐的零件）的重力；NA地面对前支点的垂直作用力；NB为地面对后支点的垂直作用力；TB为地面对后支点的水平作用力；L为后支点到前支点的水平距离；h为后支点到R作用线的距离；D为后支点到QC作用线的距离；I为底座中心到架枪位置的垂直距离；e为枪身重心到枪膛轴线的距离；F为弹簧缓冲器的弹簧力；Rf为枪架导轨上的摩擦阻力。

2.2 纵向射击稳定极限角

根据稳定性的要求，对于后坐阶段要使枪械在射击时保持稳定，则其前支点应始终紧压地面，由式（1），则应使 NA>0，在极限条件下 NA=0。因此，枪械纵向射击时枪身后坐阶段的稳定条件［5］为：

式中：H为枪械火线高；Lk为耳轴中心到枪架后支点B的水平距离。

在式（3）中，左端为稳定力矩，右端为翻倒力矩。从稳定极限角的定义出发，可以将稳定条件式（3）写成：

式中Rlim与hlim分别为与φlim相应的R与h之值。实际上，枪身后坐阶段翻倒力矩只可能出现两次极大值，一次在最大膛压瞬间，一是在枪身后坐到位瞬间。两种情况分别求解，所得较大的φlim值就应该是该枪械射击时的稳定极限角。

其中F0、F2为缓冲簧的原始工作压力和最大工作压力；f为动摩擦系数。

动力偶的存在使计算稳定极限角的工作量加大。在初步计算中可以略去动力偶的影响，则有

解方程所得的值即为所求的稳定极限角φlim，并且φlim值越小说明稳定性越好。

3 横向射击时的稳定性模型

3.1 横向射击受力分析

该机枪横向射击时的受力如下页图3所示，此外为了简化，在前述假设的基础上进一步假设起落部分的耳轴中心与枪身重心重合。

图3 横向稳定性受力分析图

其中：

所列平衡方程如下：

解之，得出各支点的反力如下所示：

式中：C为枪架前驻锄与枪架左或右后驻锄分别在垂直于枪架纵向对称轴的平面上的投影面积之比；M为枪械射击时受到的后坐动力偶矩，M=F（t）e；a为耳轴中心到前支点的距离；b为后支点到机枪对称面间的距离；T1，T2，T3为分别为地面对3个支点的水平反力；N1，N2，N3为分别为地面对3个支点的垂直反力；L1，L2，L3为分别为地面对3个支点的侧向反力。

3.2 横向射击稳定极限角

根据稳定性的要求，要使枪械在射击时保持稳定，其各支点应始终压紧地面。由式（6），则应N1>0、N2>0、N3>0，在极限条件下 N1=0或 N2=0或 N3=0，因此，枪械横向射击时枪身后坐阶段的稳定条件为N1、N2和N3之一大于或等于零，其余二者大于零。

在图2中可看出，当射向偏向右时，向右增大方向射角ψ，反力N1增大而N2减小。令N2=0即可求得稳定极限角ψlim：

横向射击时，ψlim值越大，稳定性越好。

4 稳定性分析

4.1 不同的设计参数对稳定性的影响

从式（3）可以看出，增大全枪重量QC或全枪重心到枪架后支点的水平距离D，可使稳定力矩增大；从式（4）可以看出降低火线高H或提高耳轴中心到枪架后支点B的水平距离Lk，可使翻到力矩减小。两者都可以提高枪械的纵向射击稳定性。

从式（7）可以看出，增大 a、b、QC或降低 H、L 都会使ψlim的值增大，从而横向射击的稳定性越好。

机枪的稳定性必须多方面综合考虑，增大全枪重量QC会使机动性下降，全枪重心到枪架后支点的水平距离D不好调控，降低F（t）效果不大，增大a或降低L会使D、Lk减小，增加横向射击稳定性的同时减弱了纵向射击稳定性。综合纵向射击和横向射击的稳定性模型，并结合实际的使用，可以通过减小H或增大b的方式来同时增加纵向和横向射击稳定性。为进一步验证此结论，基于该型重机枪建立稳定性模型，并用用Matlab编程方式求解，得出的结果图如下页图4~图7所示。

从图4可以看出，高低射角不同对应的横向射击稳定极限角ψlim的值就不同，且ψlim随高低射角φ的增大而增大。从图5和图6中可以看出，当H减小时纵向射击的稳定极限角减小，纵向射击稳定性变好；当H减小时横向射击的稳定极限角增大，横向射击稳定性变好。从图7中可以看出，当b增大时横向射击稳定极限角增大，也是有利于射击稳定性的。

图4 横向射击ψlim与高低射角φ的关系

图5 纵向射击ψlim与H的关系

图6 横向射击ψlim与H的关系

图7 横向射击ψlim与b的关系

从图6中可以看出，H≥0.2m时，要想达到同样的ψlim，后坐到位时刻的H值必须比最大膛压时刻的H值还要小；从图7中可以看出，要想达到同样的ψlim，后坐到位时刻的b值必须比最大膛压时刻的b值还要大。为保证卧姿射击时的人机功效，H必须大于某个值，并且b的值太大会影响三脚架的效果。可以得出，对于该机枪后坐到位时刻的射击稳定性相对最大膛压时刻较难满足。这是由于该大口径机枪在内机匣和外机匣间采用了缓冲簧，最大膛压瞬间的效果被缓冲簧进行了缓冲，没能及时的反映到枪架上去。

4.2 抵肩力和配重的施加

在日常的射击使用过程中射手的抵肩作用是必不可少的，并且在大多数情况下为防止射击时武器的跳动都会在三脚架的驻锄部位施加配重［6］。

当有抵肩力时纵向射击模型中式（2）变为：

将参数带入即可求得在某个高低射角下所需加的抵肩力大小。

横向射击时结合式（7），稳定极限角变为：

可以得出横向射击抵肩力P与稳定极限角ψlim的关系曲线如图8所示。从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，要想使枪械的稳定性越好即ψlim的值越大，所需施加的P值越大。对机枪施加与某个稳定极限角值所对应的两条曲线中较大的P值即可满足机枪射击的稳定性。

图8 抵肩力P与ψlim的关系

加配重后枪械的受力图如图9所示。

图9 添加配重时枪械的受力分析

由平衡条件可得：

其中X为配重G的位置和后支点B的距离，因X越大，对B支点的力臂越大，越易稳定，所以取距B支点最远的位置，即X=L。

由NA≥0得：

由上式即可求得满足纵向射击稳定所需施加的配重。

在横向射击时，因为该型机枪为一支点在前两支点在后的三脚架，配重应加在后架杆上，为使效果更好配重应分别加在力臂最大的两个后驻锄支点处。列平衡方程并求出各支点反力，令N2=0可得：

通过matlab程序计算可以得出，所加配重G与横向射击稳定极限角ψlim的关系曲线如图10所示。从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，横向射击稳定极限角越大，所需施加的配重越大。对机枪后支点的每个驻锄施加与某个稳定极限角值所对应的两条曲线中较大的G值即可满足机枪射击的稳定性。

图10 所加配重G与ψlim的关系

5 结束语

本文以某型重机枪为研究对象，系统的建立了纵向射击与横向射击的稳定性计算模型，并综合Matlab编程计算，得出了稳定极限角与各参数间的关系。结合实际情况提出了可行的增强射击稳定性的措施，对机枪稳定性改进提供了理论参考。编程计算出了为达到射击稳定所需施加的抵肩力及配重的大小，对机枪在实际射击使用过程中增强射击稳定性，提高射击精度有很大的指导意义。但本文中有些地方还需实验数据的比对验证。

［1］李永建，王瑞林，张本军.基于动态稳定原理的机枪结构优化［J］.兵工学报，2007，28（7）:785-788.

［2］张军挪，王瑞林，李永建，等.轻量化机枪的动态稳定性分析［J］.先进制造技术，2006，25（6）:41-43.

［3］王瑞林，陈运生，郝跃伟，等.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.

［4］周绪利，杨娟，田国辉，等.武器结构参数对某型重机枪精度的影响［J］.四川兵工学报，2010，29（9）:59-61.

［5］王瑞林，陈运生，郝跃伟.机枪相对稳定性理论及模型研究［J］.南京理工大学学报，2004，28（5）:472-476.

［6］一○五教研室.枪械设计原理［M］.南京：华东工学院出版社，1979.

Research on Stability M odelof a Heavy M achineGun

FAN Zhi-teng，WANGRui-lin，ZHANG Jun-nuo，JIA Yun-fei
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To study the stability of a Heavy Machine Gun on the effect of weight reduction，the model of the machine gun in enfilade crosswise shooting is established.The impaction from design parameters to stability limiting angle in enfilade crosswise shooting is analyzed comprehensively and actually.Through program in Matlab，the curve between the main design parameters and stability limiting angle，the needed shoulder force and bob-weight are calculated.Corresponding conclusion has been obtained.And some improvementmeasure about firing stability has been proposed.It lays a good foundation for the stability demonstration and improvement ofmachine gun.

stability，stability limitingangle，enfilade，crosswise shooting

TJ25

A

1002-0640（2015）11-0094-04

2014-09-26

2014-11-12

范智滕（1990- ），男，山东德州人，硕士研究生。研究方向：武器系统动力学理论与应用。