缓冲器对某型遥控武器站枪口跳动的影响

高宇飞，李 引，焦仁雷，赵晓辉

(中国兵器工业第208 研究所，北京 102202)

遥控武器站是一种可以安装在多种军用车辆或其他武器平台上的新型模块化武器系统，一般是由全电驱动的炮塔和操控显示单元两大部分组成的，主要配备各种机枪、自动榴弹发射器等武器，有的可配备小口径火炮和单兵导弹。武器站一般装备于机动平台上，从而改变了轻武器传统“人扛马驮”的转移模式，既减轻了作战人员的体能消耗，又可大幅增加武器携弹量，能够提高轻武器持续作战的能力［1，2］。

某型遥控武器站采用12.7 mm 89 式重机枪为主要作战武器，在弹丸出膛的瞬间，枪口的线速度和角速会发生很大变化，从而严重影响机枪的射击精度。对其加装缓冲器，缓冲器弹性元件的弹性变形能减小射击时的枪口扰动，有利于减小发射时架体的受力变形，提高武器站的射击精度［3］。

运用虚拟样机技术，通过三维建模软件UG 以及动力学分析软件ADAMS 建立遥控武器站发射动力学模型，对缓冲器不同刚度、阻尼和预压力等情况下遥控武器站连续射击枪口跳动进行仿真分析，以此来探究缓冲器参数对枪口跳动的影响［4］。

1 缓冲器的工作原理

缓冲器是将摇架滑座与摇架下座联接起来，通过弹性元件的弹性变形来工作的装置。设计合理的缓冲器能够减小枪口跳动、架体受力和振动，从而提高武器的射击精度。为确保非射击状态下枪身与摇架没有相对移动，缓冲器的预压力应能克服枪身所受一定的附加载荷和冲击。因此，武器站应采用有预压的缓冲器。缓冲簧一端抵住固定枪身的摇架滑座，另一端以缓冲筒与摇架下座联结在一起。射击时，枪身带动摇架滑座一同后坐，沿摇架下座导槽滑动，使弹簧受压缩。后坐到位后，压缩的缓冲簧伸张，推动摇架滑座复进［5，6］。

射击时架体受力F2可表示为

式中:Fr为缓冲簧的预压力;k 为缓冲簧刚度;X 为枪身位移;Ff为摇架滑座在摇架下座定向滑动时的摩擦阻力。

枪身后坐运动微分方程为

通过对式(3)、式(4)积分，即可求解出枪身运动诸元以及缓冲簧的受力情况［7］。

2 遥控武器站动力仿真模型的建立

在三维实体建模软件UG 中建立遥控武器站三维模型，然后生成parasolid 格式文件导入动力学仿真软件ADAMS中，按设计要求赋予部件材料属性，建立起动力学模型。其中托架绕底座转运，摇架滑座沿下座平动，摇架绕耳轴相对于托架做俯仰转动，该模型部件约束关系如表1 所示。

表1 各部件约束关系

机枪射击时所受后坐力为膛内压力曲线，具体数值可由膛内压强乘以作用面积求得。在仿真模型中用样条函数AKISPL 来进行曲线拟合，其形式为: AKISPL(time，0，Spline_n，0)，time 为第一个独立变量，即系统时间，Spline_n 为膛底压力的样条线型数据。膛底压力的加载曲线如图1 所示［8］。

图1 膛底压力曲线

缓冲器联接摇架滑座和下座，在仿真模型中用2 个平动的弹簧阻尼器来代替。影响缓冲器性能的参数主要有缓冲簧的刚度、阻尼系数及预压力。

根据89 式机枪的战技指标，以及遥控武器站缓冲器设计数据，取弹簧刚度180 N/mm，220 N/mm，260 N/mm 进行模拟仿真。

由于缓冲簧只能吸收或释放枪身后坐的能量，而不能对其进行消耗。因此，需要阻尼可在机枪射击振动过程中，对其运动能量进行转化，逐渐减小其振幅。本次仿真对阻尼系数选取0，5 N/(m/s)，10 N/(m/s)。

预压力不仅可以防止枪身和摇架的相对运动，还能缩短振动周期，本次取预压力，500 N，700 N，900 N 进行仿真。

在ADAMS 动力学仿真软件中，利用平动弹簧阻尼器来模拟缓冲器，可对缓冲器性能参数进行设置，如图2 所示。

3 仿真结果与分析

在预压力为700 N;阻尼为0;缓冲器刚度分别为180 N/mm、220 N/mm、260 N/mm 的条件下，对武器站动力学模型进行仿真分析，得到图3 所示的曲线。在3 种不同刚度的条件下，得到的枪口平均跳动分别为4. 56 mm，2. 76 mm，3.49 mm。可见并不是弹簧刚度越大对射击精度越有利，缓冲簧的刚度与武器站射击准确度之间存在一个最佳的匹配［9］。

图3 不同刚度下枪口跳动曲线

在缓冲器刚度为180 N/mm，预压力为700 N，不同阻尼条件下，七连发枪口中心跳动的曲线如图4 所示，枪口平均跳动分别为4.56 mm，3.61 mm，3.34 mm。在阻尼为0 的情况下，振动非常紊乱，毫无规律，这主要是由射击载荷和弹簧作用力的合力所造成的。随着阻尼的逐渐增加，跳动幅度减小明显，阻尼达到10 N/(m/s)，每次射击时，枪口的跳动情况规律，枪口稳定性较好。

图4 不同阻尼枪口跳动曲线

图5是缓冲器刚度为180 N/mm，阻尼为0，不同预压力条件下，枪口中心跳动的曲线。可以看出枪口的跳动情况非常接近，跳动幅度基本一致。区别较大的是后坐位移，预压力越大，后坐位移越小。

图5 不同预压力枪口跳动曲线

4 结论与展望

对某型遥控武器站进行了连发射击仿真分析，得到了该武器系统枪口跳动曲线和影响枪口跳动的主要因素，这对研发改进武器系统，提高其射击密集度具有一定的指导意义［10］。

在缓冲器不同的性能参数下，枪口跳动呈现不同的特点。研究结果表明:

1)缓冲簧刚度并不是越大或越小对精度越有利，而是与射击密集度有一个最佳的匹配值。

2)在无阻尼情况下，枪口跳动情况十分紊乱;当阻尼逐渐加大时，枪口跳动曲线趋于平滑，且振幅减小明显。

3)预压力的改变对振幅的影响不大，但可以调整后坐位移。

为提高武器系统射击密集度，可以适当增大阻尼，但过度增大或减小弹簧刚度并不是一个理想的方法。刚度过大，会使缓冲器的作用减弱，有较大的振动和冲击;刚度过小，缓冲器又起不到缓冲效果，后坐冲量峰值变大，对摇架和耳轴造成冲击损伤，引起疲劳破坏。下一步要对枪管和摇架作柔性化处理，进行刚柔耦合动力学仿真，并进行应力应变分析，找出一个既能减小枪口跳动，又能减小武器站受力变形的最佳方案。

［1］毛保全，王传有.某型遥控武器站射击密集度仿真与优化［J］.装甲兵工程学院院报，2010(4):36-40.

［2］毛保全.车载武器发射动力学［M］.北京:国防工业出版社，2010:41-44.

［3］李增刚.ADAMS 入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2006:5-32.

［4］李峰，王永娟，徐诚，等.虚拟样机技术及其在轻武器中的应用［J］. 计算机辅助设计与图形学学报，2006，18(6):885-888.

［5］陈立平，张云清，任卫群，等. 机械系统动力学分析及ADAMS 应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2005:17-24.

［6］陈明，马吉胜，贾长治，等.基于虚拟样机的某型机枪射击动态性能研究［J］. 计算机仿真，2006，23(8):192-195.

［7］毛保全.遥控机枪工作站总体技术研究报告［R］.北京:北京理工大学，2007.

［8］王传有，邵毅，毛保全，等.某型遥控武器站架座有限元［J］.兵工自动化，2009(7):36-38.

［9］徐礼，毛保全，徐振辉，等.遥控武器站射击密集度分析平台开发［J］. 火炮发射与控制学报，2012，9(3):18-22.

［10］李超，李大庆，徐龙堂，等.国外装甲车辆遥控武器站的发展现状与趋势［J］. 四川兵工学报，2012，33(1):66-70.