定点约束二次复进式浮动机性能研究

第一作者范智滕男，硕士，1990年生

通信作者王瑞林男，博士，教授，1961年生

定点约束二次复进式浮动机性能研究

范智滕1，王瑞林1，李峻松2，李小卫3

(1.军械工程学院，石家庄050003; 2.中国兵器工业第208研究所，北京102202; 3.66036部队，河北 邯郸 056106)

摘要：为研究某型大口径机枪采用的浮动技术及相关问题，针对其弹簧式浮动机构，对定点约束二次复进关键技术进行分析。建立机枪枪身的虚拟样机模型，并与实验结果对比，验证其可信性；利用建立的虚拟样机模型进行浮动性能分析及弹簧退化对浮动性能影响研究。结果表明，浮动自动机动力学参数匹配合理，弹簧式浮动机构具有稳定的浮动性能及良好的减后坐力效果，且定点约束二次复进技术运用使浮动机在弹簧性能退化情况下仍能实现稳定浮动与击发。

关键词：大口径机枪；浮动机；稳定性；二次复进

收稿日期：2014-07-09修改稿收到日期：2014-10-11

中图分类号:TJ25文献标志码：A

基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863) (2013AA040203)

基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90815026)；国家自然科学基金(51308085)；大连海洋大学引进人才博士启动项目(017286)

Performance of a floating mechanism with a fixed constraint and secondary recoil

FANZhi-teng1,WANGRui-lin1,LIJun-song2,LIXiao-wei3(1.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China;2.208 Research Institute of China Ordnance Industry, Beijing 102202,China; 3.66036 Unit of PLA, Handan 056106,China)

Abstract:To study the use of floating technique and some pivotal problems of a large caliber machine gun, a key technology called fixed-point constraint and secondary recoil was analyzed for the spring-type floating mechanism of the machine gun. Firstly, a virtual prototype model of the machine gun barrel was established. Through comparing with the test results, the model was verified to be trust worthy. Afterwards, the floating performance and the effects of spring retrogression on the floating performance were analyzed with the established model. The results indicated that the dynamic parametric matching of the floating automatic mechanism is reasonable; the spring floating mechanism has a stable floating performance and can decrease the recoil force obviously; besides, the mechanism can actualize a stable floating and firing in the case of spring retrogression because of adopting the key technology called fixed-point constraint and secondary recoil.

Key words:large calibre machine gun; floating machine; stability; secondary recoil

武器威力与机动性一直为不易调和的矛盾，如何在保证威力前提下大幅降低后坐力、提高射击精度为重要研究课题。大口径机枪具有射程远、威力大等特点，可远距离压制敌火力、封锁隘口、毁伤轻型车辆等，颇受高原山地部队喜爱；但因体积大、后坐力大、射击精度低又广受诟病。

浮动技术指自动机在复进过程中(非复进到位)击发弹药[1]。研究发现，将浮动技术用于武器可大幅度减小后坐力，目前已在小高炮及航炮获得成功运用，但用于步兵武器仍有诸多问题亟待解决，如浮动机与自动机的参数匹配[2]、击发时间精确控制、迟发火安全措施等。为此，本文针对某型大口径机枪所用浮动技术进行研究，此对减小后坐力、提高射击精度意义重大。

1浮动机设计方案

1.1浮动方案

实现浮动技术一般采用弹簧式、弹簧液压式、液体气压式等。已有研究论证环形弹簧浮动机在大口径机枪上实现的可能性及实现浮动方式与参数合理匹配[3]。弹簧液压式浮动机可实现机枪的稳定浮动，并能大幅度减小后坐力[4]。而阀门式液气缓冲器已被证明原理可行、结构紧凑、缓冲效果好[5]。

弹簧液压式与液体气压式浮动机通过参数合理匹配均能实现稳定浮动，且减后坐力效果明显，但其结构较复杂，不方便维护保养。而弹簧式浮动机工作性能稳定可靠，采用该结构通过一定技术手段实现稳定浮动、击发较合理、恰当。采用弹簧式浮动结构的某型大口径机枪主要部件结构示意图见图1。外机匣与三脚架固定，浮动体由刚性固连的内机匣与枪管构成，可在外机匣上浮动，且枪机、枪机框在内机匣参与浮动，能显著增加浮动体重量、减小后坐力。内、外机匣间设有挂钩机构，可将浮动体的复进过程分为两段，当浮动体浮动至外机匣斜面与挂钩接触位置时，均会因外机匣约束无法继续复进，称为定点约束。直至枪机框复进到此处后将挂钩抬起，此后浮动体开始二次复进。内、外机匣间通过浮动簧连接，并设置浮动体后缓冲簧，既能保证机枪后坐力小，又能确保浮动体快速回到定点约束位置，为二次复进做准备。在浮动体二次复进过程中，枪机框赶上，闭锁并击发，即枪弹击发发生在浮动体二次复进过程，称为前冲击发。浮动体前设置缓冲簧为缓冲最后一发弹时浮动体对外机匣撞击。采用近似定点定速击发方式，因无需设置专门定速或定点击发机构，可有效简化结构减轻质量、减少撞击，提高机构的可靠性。

1.浮动簧，2.复进簧，3.枪机框，4.内机匣，5.挂钩，6.枪管，7.浮动体前缓冲簧，8.外机匣，9.机框缓冲簧，10.浮动体后缓冲簧 图1　机枪主要部件结构示意图 Fig.1 Structure sketch map of main component

1.2浮动机关键技术

为增加机枪浮动的稳定性，实现稳定前冲击发，该机枪采用定点约束二次复进关键技术，即挂钩机构设置。该挂钩机构可将浮动体复进过程打断，使浮动体每个二次复进过程的起始位置保持不变。较无限制完全自由式浮动，该机构设计可解决定点击发问题，能保证每次击发均处在浮动体二次复进过程中，使浮动机结构参数与自动机运动参数达到合理匹配。该关键技术虽能确保击发时机处于浮动体二次复进过程中，但在无瞎火或迟发火时每次击发位置是否一致，弹簧性能退化是否影响浮动稳定性等问题有待研究。

2浮动仿真模型建立及校核分析

2.1模型导入及约束关系添加

为确保模型传递的完整性，增加模型仿真精度[6]，建立虚拟样机模型时通过Mechanism/Pro模块将三维模型导入ADAMS软件。对各零件赋予质量、密度等属性，并按实际运动情况添加约束，其中主要构件间约束关系见表1。各弹簧刚度系数见表2，其中浮动体前缓冲簧由6个橡胶缓冲垫串联组成。浮动体拓扑结构见图2。

表1　机枪主要构件间运动副

表2　各弹簧刚度系数

图2　浮动体拓扑结构 Fig.2 Topology structure of floating body

2.2载荷施加

该模型施加的主动力主要有枪膛合力、气室压力、膛口制退力及摩擦力。枪膛合力沿枪口朝向反方向施加于枪机组件，气室压力分别以力与反作用力形式施加于活塞及导气箍，膛口制退力沿枪口朝向施加于膛口制退器，并在有相对运动的构件间添加摩擦力。由内弹道计算膛压时间曲线见图3。枪膛合力可由内弹道时期与后效期公式计算；由结果知，导气作用时间从1.67 ms开始，结束设为后效期结束时间6.6 ms，用经验公式可确定气室压力大小；膛口制退力作用时间为后效期，制退效率约35%。枪膛合力与气室压力曲线见图4。

图3 膛压时间曲线Fig.3Curveofpressurevs.time图4 枪膛合力及气室压力曲线Fig.4Curveofboreforceandgaschamberforce

图5　机枪虚拟样机模型 Fig.5 Virtual prototype model of machine gun

为实现机枪每个自动过程循环，须在每次子弹击发时施加主动力。通过函数(Function)定义虚拟样机的主动力，并通过设置传感器方式确定主动力的施加时机。击锤与击针接触时传感器触发，开始施加计算的枪膛合力、气室压力，并在后效期内施加平均制退力。

由此建立的机枪枪身部分虚拟样机模型见图5。

2.3模型校核

取构件后坐方向为运动参数正向，时间原点取扣动扳机时刻。由仿真模型后处理模块中提取的浮动体连发射击运动速度曲线见图6，浮动体运动速度实验测试曲线见图7。

比较图6、图7看出，曲线变化趋势基本一致。为更清晰说明仿真结果的可信性，机枪连发射击时浮动体具有代表性的运动瞬时速度仿真结果与实验数据比较见表3。由表3看出，浮动体运动速度仿真结果与实验数据误差均小于5%，符合虚拟样机建立要求，仿真结果可信性较高。

图6 浮动体速度仿真曲线Fig.6Simulationcurveofinnercasingvelocity图7 浮动体速度测试曲线Fig.7Testcurveofinnercasingvelocity图8 浮动与不浮动自动机位移时间曲线Fig.8Automaticmechanismdisplacementcurveofmachineguninfloatingandnotfloatingstate

表3　浮动体运动速度仿真值与实验数据比较

2.4浮动性能分析

采用与不采用浮动原理自动机，其浮动(或后坐)部分位移随时间变化曲线见图8。图中实线为采用浮动原理的浮动体位移仿真曲线，虚线为不采用浮动原理的后坐部分位移仿真曲线。由图8看出，该自动机浮动部分工作行程始终介于不采用浮动原理时后坐到位与复进到位之间，即在浮动行程上往复运动。说明该弹簧式浮动机可实现浮动。其次，浮动体位移呈明显的“马鞍形”，此因浮动体受枪膛合力、枪口制退力等一次后坐冲量作用迅速后坐，到位后在弹簧作用下复进一段距离，随后受自动机后坐到位撞击即二次冲量作用再次后坐，到位后重新复进，并在复进过程中完成击发动作。

浮动体位移与枪膛合力曲线见图9，图中标示1位移不变处即为浮动体受挂钩限制无法复进的时间段。由图9看出，在射击循环中，除首发外后续射击循环中浮动体位移时间曲线大致相似，且无论浮动体在被限制前位移曲线如何，经速度置零后再次复进直至达最大位置，位移曲线基本相同，且复进到位的位移值均在-17 mm左右。在一定程度上说明该浮动机具有一定稳定性。标示2曲线左侧折角处即枪弹击发时刻，此时对应的浮动体位移值即为击发时浮动体位置，由此得4连发浮动体击发位置分别为-16.74 mm、-16.24 mm、-16.30 mm、-16.17 mm，击发位置变化较小，说明击发位置一致性良好。

机枪在浮动与不浮动状态下后坐力曲线见图10。由图10看出，不浮动状态下因刚性撞击，在标示1处枪弹击发时刻有瞬时上万牛的后坐力。除刚性撞击外，对照后坐过程中最大后坐力(局部放大图)，机枪浮动状态下只有0.84 kN左右，不浮动状态下后坐力达1.28 kN，机枪浮动体浮动相对不浮动时最大后坐力减小约34%。

图9 浮动体位移与枪膛合力曲线Fig.9Curveoffloatingbodydisplacementandboreforce图10 机枪浮动与不浮动状态下后坐力曲线Fig.10Recoilcurveofmachineguninfloatingandnotfloatingstate图11 不同方案的浮动体位移时间曲线Fig.11Innercasingdisplacementcurveindifferentproject

综上所述，该型机枪采用的浮动机有较好的浮动稳定性与击发位置一致性，且利用此浮动原理减后坐力效果明显。

3弹簧退化对浮动性能影响

为进一步分析该机枪浮动机的稳定性，研究弹簧性能退化对浮动稳定性影响，针对与浮动体运动密切相关的浮动簧及浮动体后缓冲簧，制定3种方案见表4。方案1为机枪射击前参数，方案2为机枪打完3 000发弹后参数，方案3为机枪打完6 000发弹后最终参数。因击发位置与浮动体复进到位位置距离非常近，可用后者变化情况近似描述击发位置变化。

表4　不同方案弹簧刚度

将3种方案的弹簧刚度分别赋予虚拟样机模型，可得3组不同的浮动体位移时间曲线，为增加分析准确性，取首发及后续三发射击循环浮动体位移时间曲线见图11。由图11看出：

(1)在0~0.1 s内对比三条位移时间曲线，方案1有一段直线，方案2在0.06 s处有折角，方案3曲线非常平滑。原因为首发射击过程中，方案1挂钩机构可正常发挥作用；方案2挂钩机构处于正常与不正常临界状态；方案3挂钩机构未发挥对浮动体的限制作用，即浮动体未经历定点约束后二次复进过程，在浮动至外机匣斜面与挂钩接触位置前即被自动机抬起。因此弹簧刚度下降影响首发浮动的击发位置。

(2)分别对比每种方案后续3发射击循环知，位移时间曲线大致相似且复进到位位移基本相同，说明每种方案下机枪均有良好的浮动稳定性与击发位置一致性，虽首发浮动受影响，但并未影响后续射击。为清晰说明问题，后续3发射击循环中浮动体位移见表5。由表5看出，弹簧刚度降低对复进过程最大位移值影响较后坐过程小。原因为每次在浮动体复进到位前均会经标示1处静止过程，但后坐过程却没有，即定点约束二次复进技术对确保击发位置的一致性起到关键作用。因此，只要复进过程中挂钩机构能将浮动体复进打断，即能保证击发位置的相对一致性，从而使浮动更稳定。

表5　后续3连发中浮动体的位移数据表

(3)方案3中后续3连发浮动体位移时间曲线呈“马鞍形”与前两种方案形状不同，因弹簧刚度降低使浮动体受一次后坐冲量后坐到位后再复进回位速度较小，从而在自动机二次冲量作用下再次后坐并超越前者位置。

(4)由图11计算出3种方案的射频分别为438、441、445 发/min，说明弹簧刚度下降对该机枪射频影响不大。

(5)对比3种方案中弹簧刚度知，在浮动簧刚度降低近30%、浮动体后缓冲簧刚度降低近20%时，除首发外浮动机还能保持一定浮动稳定性与击发位置一致性，从而验证该机枪浮动机具有良好的浮动稳定性。

4结论

(1)通过分析表明，对该型大口径机枪建立的虚拟样机模型正确可信；所用弹簧式浮动机可实现稳定的浮动射击，且减后坐力效果明显。

(2)在弹簧性能退化情况下浮动机同样具有较好的浮动稳定性与击发位置一致性。经对比分析，验证了采用定点约束二次复进方案浮动机构的动作可靠性。

参考文献

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