5.8 mm/7.62 mm模块化步枪运动特性匹配分析

邹衍，徐诚，张克

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.中国兵器工业第208研究所，北京102202）

5.8 mm/7.62 mm模块化步枪运动特性匹配分析

邹衍1，徐诚1，张克2

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.中国兵器工业第208研究所，北京102202）

不同口径步枪匹配问题是变口径模块化步枪系统研制需解决的关键问题。利用Adams软件建立了5.8 mm和7.62 mm变口径的模块化步枪数值仿真模型，通过与试验数据对比验证了模型的正确性。基于该模型进行了枪机框运动特性匹配、供弹匹配和抛壳匹配分析。引入了枪机框运动特性匹配度的概念，建立了枪机框运动特性匹配准则，根据该准则得到了合理的设计方案。结果表明：通过改变导气孔直径，可以基本实现枪机框运动特性匹配；改变供弹斜面的倾角和增加圆角，可以提高两种步枪弹供弹匹配性和稳定性；通过更改抛壳窗位置可以实现两种步枪弹抛壳匹配。

兵器科学与技术；模块化步枪；运动匹配；动力学仿真；自动机；供弹；抛壳

0 引言

变口径模块化步枪是由枪管模块、自动机模块、弹匣模块、复进机模块、缓冲模块、机匣模块、击发机模块等组成。通过更换枪管模块、机头零件和弹匣模块，即可装配成不同口径的步枪。模块化的设计，使枪械的任务适应性、通用性、维修性和保障性增强，同时最大程度地实现资源共享，降低生产成本。

模块化步枪已经成为各国轻武器研制的一个热点，目前发展较成功的范例为德国HK公司研制的XM8枪族［1］、美国特种作战司令部（USSOCOM）采用的FN SCAR突击步枪和美国柯尔特公司研制的CM901模块化卡宾枪［2］等。国外通过工程试验研制成功了功能与运动特性匹配的模块化步枪系统样机，但并未给出匹配准则和定量匹配关系。国内研究尚处于起步阶段，冉景禄等［1］对同口径自动机特性和参数影响进行了初步研究。

本文通过对某变口径的模块化步枪的动力学仿真，进行了枪机框运动特性匹配、供弹匹配和抛壳匹配分析，建立了相应的匹配准则，为变口径模块化步枪的设计提供了理论基础。

1 模块化步枪数值仿真模型的建立与验证

变口径模块化步枪设计目的为将枪械零件模块化，能够快速、更换尽可能少的零部件，使枪械可以变换成不同口径的步枪。故在设计中，枪管模块、弹匣模块和机头模块是需要根据不同口径要求而变换的模块；机匣模块、复进机模块、击发机模块、缓冲模块、握把模块和枪托模块是通用模块。

1.1 数值仿真模型的建立

本变口径模块化步枪虚拟样机模型是根据某变口径模块化步枪，利用Adams软件建立的。为简化仿真模型，根据步枪实际工作原理，略去了和仿真无关的枪托模块、握把模块和其他模块的一些部件，最终是由枪管模块、自动机模块、弹匣模块、复进机模块、缓冲模块、机匣模块、击发机模块组成。通过更换枪管模块、机头零件和弹匣模块，即可装配成不同口径的步枪虚拟样机模型。

5.8 mm/7.62 mm模块化步枪虚拟样机模型由35个刚体［3］组成，包括枪机框、机头、枪管和击锤等。该模型在5.8 mm和7.62 mm步枪数值仿真时采用各自的枪管、机头、弹匣和枪弹零部件模型。

模型刚体间的固定副，共计22个。如图1所示为下机匣与其固定的部件的关系图。

图1 下机匣相关固定副图Fig.1 Schematic diagram of related fixed joints of lower receiver

模型共有4个转动副和1个移动副。如图2和图3所示，缓冲器体与缓冲器嵌件、击锤与发射机座以及不到位保险和发射机座之间添加转动副。缓冲器座与缓冲器嵌件之间添加移动副。

图2 缓冲器模块模型图Fig.2 Buffer module model

图3 发射机座与其他刚体间关系图Fig.3 Relationship among firing mechanism base and other rigid bodies

各个接触的部件间添加接触副，共计89个。枪机框为仿真模型的主要运动部件，为更加真实地模拟实际情况，枪机框与机匣间通过接触副来代替移动副。枪机框与其他刚体间关系如图4所示。

刚体间的簧力包括4个压簧（复进簧、弹匣簧、拉壳钩簧和活塞杆簧）和3个扭簧（击锤簧、不到位保险簧和缓冲器簧），如图2和图3所示。

模型包括2个外力载荷，如图4所示，即弹底压力和导气室压力。当步枪击发时，两个外力开始作用。弹底压力根据膛压试验获得。

本变口径模块化步枪设计采用导气式自动方式，导气室压力的变换规律，采用布拉文经验公式计算，布拉文经验公式［4］如下:

式中:p为气室压力；A为活塞横截面面积；Pd为弹头经过导气孔瞬间的膛内平均压强，可用内弹道学的方法计算得到；t为从弹头经过导气孔瞬间开始算起的时间，即气室压力工作时间；b为与膛内压力冲量有关的时间系数；α为与导气装置结构参数有关的结构系数。

图4 枪机框与其他刚体间关系图Fig.4 Relationship among bolt carrier and other rigid bodies

建立好的虚拟样机模型共计48个自由度，其示意图如图5所示。图中坐标系为系统坐标，x轴垂直纸面向外，y轴沿枪管方向。本文涉及的局部坐标系方向与系统坐标系方向相同。

图5 虚拟样机模型图Fig.5 Diagrammatic graph of virtual prototype

1.2 数值仿真模型的验证

当导气孔距枪管尾端295 mm、5.8 mm步枪和7.62 mm步枪调节器口径分别为2.0 mm和2.8 mm时，5.8 mm步枪和7.62 mm步枪的导气室压力曲线如图6和图7所示。

根据该导气室压力仿真的结果与该5.8 mm步枪试验样机试验数据对比如表1所示。

表1 仿真结果和试验数据对比表Tab.1 Simulation results and experimental data

图6 5.8 mm步枪导气室压力曲线Fig.6 Gas chamber pressure of 5.8 mm rifle

由表1可知，仿真数据与试验数据接近，说明建立的虚拟样机模型是正确的、可行的。

2 模块化步枪匹配性能分析

两种口径模块化步枪运动特性匹配涉及到自动机主动件（枪机框）运动特性匹配、两种步枪弹供弹特性匹配和抛壳特性匹配3个方面，本节分别阐述其数值分析和匹配设计方法。

2.1 枪机框运动特性匹配分析

2.1.1 枪机框运动特性匹配度

在自动武器设计中，经常关注的是枪机框的后坐到位速度、复进到位速度和射速3个参数［5］。通过更改结构参数，来得到这3个参数的合理参数值。本文引入了枪机框运动特性匹配度［6］的概念，来评价两种口径步枪枪机框运动特性的匹配情况。

枪机框运动特性匹配度关系式如下:

式中:r为枪机框运动特性匹配度；下角标1和2分别代表两种步枪的设计方案；vr1为方案1后坐到位速度；vr2为方案2后坐到位速度；vc1为方案1复进到位速度；vc2为方案2复进到位速度；f1为方案1射频；f2为方案2射频；vr为标准后坐到位速度；vc为标准复进到位速度；f为标准射频；a、b、c分别为权重系数，且a+b+c=1.其中，标准后坐到位速度vr、标准复进到位速度vc、标准射频f和权重系数a、b、c应根据具体设计指标提出，根据不同的指标得到的值不同。

从枪机框运动特性匹配度关系式可知，当匹配参数越接近标准参数，r值越接近1，匹配性越好。

2.1.2 枪机框运动特性匹配

根据设计指标，标准后坐到位速度vr=2.7m/s，标准复进到位速度vc=4.0 m/s，标准射频f= 800发/min；权重系数a、b、c分别取值为0.40、0.35、0.25.

在枪管长度、导气室位置、导气室结构固定的情况下，通过修改调节器孔径的大小对虚拟样机模型进行了多次仿真，仿真结果如表2所示。

表2 枪机框运动特性表Tab.2 Kinetic characteristics of bolt carriers

根据上述仿真结果，得到各方案的匹配度，如表3所示。

表3 方案匹配度表Tab.3 Matched-degrees of projects

根据表3分析可知，方案2和方案5的匹配度最大，故5.8 mm步枪和7.62 mm步枪调节器孔径分别确定为2.0 mm和2.8 mm。其枪机框速度曲线如图8和图9所示。

图8 5.8 mm步枪枪机框速度曲线Fig.8 Speed curve of 5.8 mm rifle bolt carrier

图9 7.62 mm步枪枪机框速度曲线Fig.9 Speed curve of 7.62 mm rifle bolt carrier

2.2 供弹特性匹配分析

两种口径的步枪使用同一个节套，所以两枪的供弹斜面是相同的。在其他结构固定的情况下，供弹斜面的角度是供弹功能匹配和影响供弹可靠性的主要因素之一。

图10所示为步枪供弹简图，通过供弹简图分析可知，当弹头即将进入枪管时，弹头位于枪管截面中心下方时，枪弹更加容易进入枪管，同时弹头需要尽量远离枪管壁，减少碰撞，提高可靠性。

图10 供弹简图Fig.10 Schematic diagram of ejection

考虑枪弹在弹匣中是双排分布的，供弹斜面倾角分别取35°、40°、45°、50°和55°，对5.8 mm步枪和7.62 mm步枪进行供弹仿真。为了便于说明，当枪弹位于弹匣左侧和右侧分别记为左侧供弹和右侧供弹。弹头即将进入枪管时，枪管截面中心与弹头顶端中心间的位置关系如图11所示，具体枪管截面中心与弹头顶端中心间的位置如表4和表5所示，弹头各个方向速度如表6和表7所示。

图11 弹头顶端中心与枪管截面中心位置关系图Fig.11 Positional relationship between the center of top end of bullet and the center of barrel section

表4 左侧供弹弹头顶端中心与枪管截面中心位置关系表Tab.4 Positional relationship between the center of top end of bullet on left side and the center of barrel section

表5 右侧供弹弹头顶端中心与枪管截面中心位置关系表Tab.5 Positional relationship between the center of top end of bullet on right side and the center of barrel section

表6 左侧供弹弹头速度表Tab.6 Speed table of bullets on left side

表7 右侧供弹弹头速度表Tab.7 Speed table of bullets on right side

从图11、表4～表7可知，采用不同供弹斜面时，5.8 mm步枪弹头相对枪管中心的位置跳动较小（左侧供弹时位置基本重合），7.62 mm步枪弹头位置跳动较大。左侧供弹相对右侧供弹更加靠近枪管壁。两种口径步枪弹头y向（沿枪管方向）速度更加稳定，x向和z向速度趋势相同。左侧供弹时，5.8 mm步枪供弹斜面为35°时和7.62 mm步枪供弹斜面为55°时，弹头速度与其他结果明显不同，是因为弹头进入枪管时的位置太靠近枪管壁，弹头与枪管壁碰撞后运动方向发生改变。

综合考虑，导弹斜面倾角应取40°.

2.3 抛壳特性匹配分析

该模块化步枪抛壳原理为弹壳在脱离拉壳钩后，与抛壳窗后沿碰撞，以保障弹壳向步枪斜前方抛出。影响步枪抛壳的因素有枪机运动速度、拉壳钩构造、抛壳挺位置和方位以及抛壳窗的位置。在模块化步枪基本结构确定后，枪机运动速度、拉壳钩构造、抛壳挺位置和方位已经确定，能够改变的只有抛壳窗的位置。

沿枪管方向（y轴），当抛壳窗后沿在抛壳挺后方2 mm时，5.8 mm步枪和7.62 mm步枪抛壳时弹壳质心的运动曲线如图12所示，t0为抛壳起始时刻。

图12 抛壳窗后沿在抛壳挺后方2 mm时弹壳质心运动曲线Fig.12 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being-2 mm

沿枪管方向（y轴），当抛壳窗后沿与抛壳挺平齐时，5.8 mm步枪和7.62 mm步枪抛壳时弹壳质心的运动曲线如图13所示，t0为抛壳起始时刻。

沿枪管方向（y轴），当抛壳窗后沿在抛壳挺前方2 mm时，5.8 mm步枪和7.62 mm步枪抛壳时弹壳质心的运动曲线如图14所示，t0为抛壳起始时刻。

由图12～图14分析可知，当抛壳窗后沿在抛壳挺后方或平齐时，5.8 mm步枪抛壳不正常，弹壳向斜后方抛出（y方向数值未出现变向情况），在排除弹壳与枪机框碰撞的情况下，说明弹壳和抛壳窗后沿未发生碰撞或碰撞点位置相对于弹壳质心过于靠后，弹壳的飞行路线没有发生改变；当抛壳窗后沿在抛壳挺前方时，5.8 mm步枪抛壳正常，弹壳向斜前方抛出（y方向数值有变向情况）。整个过程，7.62 mm步枪抛壳都正常，弹壳向斜前方抛出；随着抛壳窗后沿的前移，弹壳向斜前方运动越明显。

故确定抛壳窗的位置为抛壳窗后沿在抛壳挺前方2 mm处，5.8 mm步枪和7.62 mm步枪抛壳都能满足抛壳功能匹配。

图13 抛壳窗后沿与抛壳挺平齐时弹壳质心运动曲线Fig.13 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being 0 mm

3 主要结论

1）利用Adams软件建立了某变口径模块化步枪数值仿真模型，通过调节参数，得到两种口径步枪的仿真结果。通过与试验数据对比，验证了该数值仿真模型的正确性。

2）提出了变口径模块化步枪枪机框运动特性匹配度的概念，给出了枪机框运动特性匹配度公式，并利用该公式和虚拟样机仿真分析得到合理的设计参数，实现两枪的枪机框运动特性匹配。

3）对变口径模块化步枪供弹进行了匹配分析，研究表明供弹斜面倾角从35°～55°都能完成供弹，且5.8 mm步枪优于7.62 mm步枪。联合考虑，确定供弹斜面40°时为最佳匹配倾角。

图14 抛壳窗后沿在抛壳挺前方2 mm时弹壳质心运动曲线Fig.14 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being 2 mm

4）对变口径模块化步枪抛壳匹配分析发现，在枪机结构和抛壳挺位置确定的情况下，当抛壳窗的位置处于抛壳挺后方（背离枪口位置）或平齐时，5.8 mm弹壳向斜后方抛出，不符合抛壳匹配要求，而7.62 mm弹壳向斜前方抛出，符合匹配要求；当抛壳窗位置在抛壳挺前方2 mm处时，两种弹都与抛壳窗后沿碰撞并向斜前方抛出，符合匹配要求。为实现抛壳特性的匹配，抛壳窗应设在抛壳挺前方2 mm处。

（

）

［1］ 冉景禄，王永娟，徐诚.模块化枪族发射动力参数匹配关系研究［J］.弹道学报，2010，22（2）:71-76. RAN Jing-lu，WANG Yong-juan，XU Cheng.Dynamic parameter matching relation for modularized gun family［J］.Journal of Ballistics，2010，22（2）:71-76.（in Chinese）

［2］ D boy.向理想模块化迈进:柯尔特CM901模块化卡宾枪［J］.轻兵器，2011（4）:10-12. D boy.Colt modular carbine CM901 step into ideal modularization［J］.Small Arms，2011（4）:10-12.（in Chinese）

［3］ 郑秋，吴永军.基于ADAMS的某榴弹发射器动力学仿真分析［J］.兵工自动化，2010，29（7）:28-31. ZHENG Qiu，WU Yong-jun.Analyzing dynamics simulation of certain grenade launcher based on ADAMS［J］.Ordnance Industry Automation，2010，29（7）:28-31.（in Chinese）

［4］ 甘高才.自动武器动力学［M］.北京:兵器工业出版社，1990. GAN Gao-cai.Dynamics of automatic weapon［M］.Beijing:Publishing House of Ordnance Industry，1990.（in Chinese）

［5］ 《步兵自动武器与弹药设计手册》编写组.步兵自动武器及弹药设计手册:中册［M］.北京:国防工业出版社，1977. Writing Group of Infantry Automatic Weapon and Ammunition Design Handbook.Infantry automatic weapon and ammunition design handbook:book II［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1977.（in Chinese）

［6］ Wang S W，Tan J R，Zhang S Y，et al.Case-based product configuration and reuse in mass customization［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17（2）:233-236.

Analysis of Kinetic Characteristic Matching of 5.8 mm/7.62 mm Modularized Rifles

ZOU Yan1，XU Cheng1，ZHANG Ke2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industries，Beijing 102202，China）

The matching of alterable caliber rifle is the key problem of the development of alterable caliber modularized rifle system.The numerical simulation models are established for 5.8 mm and 7.62 mm caliber rifles，and the numerical simulation models are verified by comparing the simulation results with the experimental results.The kinetic characteristic matching of bolt carrier，the ammunition feed matching and the ejection matching are analyzed based on the models.The matched-degree principle of the bolt carrier's kinetic characteristic matching is built，and according to this principle，a reasonable design project is selected.The result shows that the kinetic characteristic matching of the bolt carrier can be achieved well by changing the diameter of the gas chamber；the stability of ammunition feed and the ammunition feed matching can be improved by changing the angle of ammunition feed slope and the rounding edges；and the change in the position of the ejection port is an efficient measure of ejection matching.

ordnance science and technology；modularized rifle；kinetic characteristic；dynamics simulation；automatic mechanism；ammunition feed；ejection

TJ22

A

1000-1093（2015）07-1356-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.027

2014-09-19

国防基础科研计划项目（A1020133013）

邹衍（1990—），男，博士研究生。E-mail:nfzouyan@163.com；徐诚（1962—），男，教授，博士生导师。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn