全射弹寿命过程中的大口径机枪自动机磨损和性能衰减趋势研究

齐玉辉，徐诚

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

全射弹寿命过程中的大口径机枪自动机磨损和性能衰减趋势研究

齐玉辉，徐诚

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

大口径机枪在全射弹寿命过程中的自动机关键部位磨损和性能衰减情况对机构功能和动作可靠性将产生影响，从而影响武器的使用性能和作战效能。以某型大口径机枪作为试验对象，测量全射弹寿命过程中自动机关键部位磨损情况和自动机性能衰减情况，统计自动机故障。研究结果与分析表明：全射弹寿命过程中的枪机闭锁支撑面磨损量和开闭锁曲线磨损量不大，枪机框导轨磨损量较大；随着射弹量的增加，自动机闭锁力逐渐变小，复进簧逐渐变短，后坐到位速度的均方差变大，自动机动作故障变多；自动机后坐到位速度的均方差增大，自动机动作故障增多与自动机关键部位磨损正相关。建立了闭锁力衰减经验公式、复进簧自由长度衰减经验公式、枪机框导轨磨损经验公式、枪机框后坐到位与复进到位撞击面的磨损经验公式，经验公式计算结果与试验数据吻合较好，可以用于推断该大口径机枪自动机部分性能衰减和磨损情况。

兵器科学与技术；大口径机枪；自动机；综合寿命试验；磨损；性能衰减

0 引言

自动机是大口径机枪的核心部件，在射击过程中高速运动，连续完成开锁、抛壳、后坐、复进、推弹和闭锁等一系列动作，存在反复多次接触、摩擦、碰撞等载荷作用。在全射弹寿命过程中自动机关键部位磨损情况对机构功能和动作可靠性可能产生影响，从而影响武器的使用性能和作战效能，是值得重点关注的问题之一。目前国内外大多数研究集中在大口径机枪和其他枪械的自动机运动特性及参数影响规律方面［1-10］，关于自动机关键部位磨损规律及引起的性能衰减研究报道很少，这主要与试验工作量大、测量困难、费用高等因素有关。本文以某高平两用大口径机枪为试验对象，测量全射弹寿命过程中自动机关键部位磨损情况，分析与研究了自动机关键部位磨损量随射弹量变化规律及其对性能衰减影响情况。本文研究结论对制定该类武器的使用规则、自动机维修计划和改进该类武器自动机具有参考意义。

1 试验对象与方法

1.1试验对象

本文采用某高平两用大口径机枪作为试验对象，该机枪由枪身（见图1）与枪架组成，具有两根枪管，自动机采用导气式自动方式，枪机回转闭锁。当弹头通过枪管导气孔位置后，膛内部分火药气体自导气孔进入，经导气箍、调节器、导气管作用到枪机框活塞端面，推动自动机向后运动并压缩复进簧；后坐过程完成开锁、抽壳、拨弹、抛壳等动作；自动机后坐到位后，如发射机的阻铁未对其进行挂机，自动机将在复进簧作用下向前复进，完成推弹、闭锁、击发等动作；如此往复，进行自动循环，实现连发射击［4］。自动机理论射击频率600发/min，全枪综合寿命大约为6000～6400发。

1.2试验方法

采用平射状态架枪进行综合寿命试验，试验中采用的射击规范如下:射击过程中两根枪管交替试验。每根枪管装枪射弹100发为一个冷却周期，武器前50发为首先发射3个短点射（5～8发）、1个长点射（20～30发），点射的间隔时间为3s；射后空冷3min；同样方法射击第2个50发，空冷3min后水冷至常温。换另一枪管装枪同样方法射击100发枪弹。武器射击顺序分为两个循环:第1循环按常温（20℃±2℃，射击寿命弹数20%）、高温（45℃± 2℃，射击寿命弹数15%）、低温（-40℃±2℃，射击寿命弹数15%）；第2循环按常温（20℃±2℃，射击寿命弹数25%）、高温（45℃±2℃，射击寿命弹数15%）、低温（-40℃±2℃，射击寿命弹数10%）。

每射击800发为一个自动机测量周期，在每个测量点上，采用弹形量规和测力装置检查自动机闭锁力变化情况，这里闭锁力是指采用“弹形闭锁量规”手动闭锁时测力装置测出的最大推力；采用QWQ9812永磁式自动机测试系统测量自动机运动速度；采用量规测量枪机闭锁支撑面磨损量；采用千分尺或电子卡尺测量枪机框导轨、开闭锁面和自动机撞击面磨损量等；全寿命试验过程中采集故障（包括零部件破断）现象、出现的时机和排除情况，统计故障率。

图1　试验枪身实物图Fig.1 Test gun

2 试验结果与分析

2.1自动机运动特性

连发射击过程中自动机运动状态是了解与分析自动机关键部位磨损的基础，在综合寿命试验前试验测量获得的典型自动机运动速度随时间变化曲线如图2所示，自动机运动特征点数据见表1.该大口径机枪自动机后坐最大平均速度高达13.21m/s，后坐到位平均速度为3.23m/s，后坐时间间隔仅为49.4ms，复进时间间隔50.5ms，复进到位平均速度高达8.93m/s，平均射击频率为601发/min，自动机的这种瞬态高速往复运动会引起关重件运动副的磨损。

图2　自动机运动速度测试曲线Fig.2 Velocity curve of automatic mechanism

表1　自动机运动测量结果表Tab.1 Measured results of automatic mechanism

2.2自动机关键部位磨损规律

2.2.1枪机闭锁支撑面和开闭锁曲线磨损情况

在全射弹寿命过程中，枪机闭锁支撑面磨损量变化情况如图3所示，图中ez为闭锁支撑面磨损量，n为射弹数。枪机材料为25Cr2Ni4WA，经过了调质热处理，具有较好的耐磨性，在4800发射弹前，闭锁支撑面尺寸处于稳定状态，之后开始磨损，曲线呈阶跃式变化，6400发射弹（该武器寿终）时的最大磨损量0.01mm，这个变化量将使闭锁间隙最少增加0.01mm.

图3　闭锁支撑面磨损量变化图Fig.3 Wear pattern of bolt locking supporting surface

建立闭锁支撑面磨损量公式为

开闭锁曲线磨损量随射弹数的变化情况如图4所示，图中eq为开闭锁曲线磨损量。在1600发射弹时发生磨损，尺寸变小，曲线呈阶跃式变化，之后趋于稳定，直到武器寿终。其变化原因为尽管在开闭锁阶段自动机运动速度很高，但带动枪机旋转运动速度并不高，射击初期带动销和螺旋槽接触为点接触，接触过程中螺旋槽内部发生磨损消耗，随着磨损的继续，点接触逐渐变成线接触或面接触，由此在节点1600发射弹左右达到一个新的磨合平衡状态，之后保持不变。

图4　开闭锁面磨损量变化图Fig.4 Wear pattern of locking curve groove

建立开闭锁曲线磨损量公式为

2.2.2枪机框导轨磨损规律

试验获得的枪机框导轨磨损量随着射弹量变化情况如图5所示。枪机框最大运动速度高达13.21m/s，在机匣内反复运动，并与机匣接触而产生的摩擦作用，导致随着射弹量的增加，枪机框导轨磨损量不断增大，武器寿终时最大磨损量达0.38mm.为减少自变量与因变量数据量级差别，以N=n/1000为自变量，枪机框导轨磨损量ed为因变量，利用多项式拟合可建立磨损经验公式为

图5　枪机框导轨磨损量变化图Fig.5 Wear pattern of bolt carrier guiderail

2.2.3枪机框后坐到位与复进到位撞击面的磨损情况

全射弹寿命过程枪机框后坐到位撞击面磨损量变化情况如图6所示。枪机框撞击面磨损量eh随射弹数的增加不断变大，这是后坐到位撞击作用所致。枪机框复进到位撞击面磨损量ef随射弹数的变化情况如图7所示。由于复进到位的撞击作用，撞击面磨损不断增大，最大值达0.045mm，从图2可知，枪机框复进到位速度比后坐到位大，故复进到位撞击面磨损量比后坐到位撞击面磨损量大。根据枪机框后坐到位撞击面磨损量试验结果，以N为自变量，eh为因变量，拟合经验公式为

根据图7枪机框复进到位撞击面磨损量试验结果，以N为自变量，ef为因变量，拟合公式为

2.3自动机性能衰减趋势分析

2.3.1闭锁力衰减规律

图6　枪机框后坐到位撞击面磨损量变化图Fig.6 Wear pattern of bolt carrier impact surface when recoiling to position

图7　枪机框复进到位撞击面磨损量变化图Fig.7 Wear pattern of bolt carrier impact surface when returning to original position

图8　闭锁力变化图Fig.8 Change curves of locking force

闭锁力是闭锁间隙大小的重要衡量指标，试验获得的闭锁力F随着射弹量变化情况如图8所示。闭锁力随着射弹量的增加而变小，说明闭锁间隙随着射弹量的增加而变大。以N为自变量，F为因变量，用多项式表示二者之间的关系，经最小二乘法拟合得闭锁力衰减经验公式为

经验公式与试验结果对比情况见图8，二者符合较好。

2.3.2复进簧变化情况

复进簧自由长度随射弹数变化规律见图9、图10，图中LL和LR分别为左右两根复进簧的自由长度。复进簧自由长度均呈现下降趋势，产生原因为自动机往复运动过程中对弹簧冲击挤压使其簧力逐渐减弱，并产生塑性变形，从而自由长度随之减小。仍以N为自变量，LL和LR为因变量，可建立复进簧自由长度衰减经验公式，如（7）式和（8）式:

左复进簧:

右复进簧:

图9　复进簧（左）自由长度变化图Fig.9 Change in recoil spring length（Left）

图10　复进簧（右）自由长度变化图Fig.10 Change in recoil spring length（Right）

经验公式与试验结果对比情况见图9，二者符合较好。

2.3.3自动机后坐到位速度的均方差随射弹数变化情况

尽管试验中发现，自动机运动后坐到位平均速度在全寿命过程中随着射弹数的增加变化不大，但后坐到位速度的均方差σv随着射弹数的增加而增大（见图11），说明自动机运动的随机性增大，自动机运动性能变差，这是由于自动机关键部位磨损所致。

图11　后坐到位速度均方差变化图Fig.11 Mean square deviation of recoil velocity

2.3.4自动机故障率随射弹数的变化情况试验对象在全射弹寿命试验过程中，自动机出现了空膛、卡壳、掉弹和不击发4种故障，按每800发射弹为一个统计周期，计录自动机故障次数，获得的故障频次随射弹数变化情况，如图12所示。寿命试验初期（n为0～800发），自动机仍处于跑合阶段，出现了两次故障，随后故障次数下降，但2400发射弹之后，故障率随射弹数的增加而增加。这是由于自动机关键部位磨损和性能衰减所致，说明自动机动作故障变多与自动机关键部位磨损量变化正相关。

图12　故障频次变化图Fig.12 Change in breakdown number

3 结论

本文以一挺高平两用大口径机枪为试验对象，通过综合寿命试验和细致测量揭示了全射弹寿命过程中自动机关键部位磨损规律和自动机性能衰减规律，研究结果表明:

1）枪机闭锁支撑面磨损量和开闭锁曲线磨损量呈阶跃式变化，且在武器全射弹寿命过程中磨损不大；枪机框导轨磨损量、枪机框后坐到位与复进到位撞击面的磨损量呈单调增长式变化，随着射弹量的增加，磨损量不断增大；在全射弹寿命过程中枪机框导轨磨损较大。

2）随着射弹量的增加，自动机闭锁力不断变小，复进簧不断变短，后坐到位速度的均方差变大，自动机动作故障变多；自动机后坐到位速度的跳差变化与自动机关键部位磨损量变化正相关。自动机动作故障增多也与自动机关键部位磨损正相关。

3）基于试验数据建立了闭锁力衰减经验公式、复进簧自由长度衰减经验公式、枪机框导轨磨损经验公式、枪机框后坐到位与复进到位撞击面的磨损经验公式，这些经验公式可以用于推断该大口径机枪自动机部分性能衰减和磨损情况。

（References）

［1］ 樊磊，王亚平，刘一鸣，等.超轻量化高射机枪刚柔耦合建模和仿真［J］.弹道学报，2009，21（1）:67-70. FAN Lei，WANG Ya-ping，LIU Yi-ming，et al.Rigid-flex coupled modeling and simulation of a super-light antiaircraft machine gun［J］.Journal of Ballistics，2009，21（1）:67-70.（in Chinese）

［2］ 毛庆龙，申文杰，沙金龙，等.机枪自动机抗过载特性研究［J］.兵工学报，2013，34（12）:1489-1494. MAO Qing-long，SHEN Wen-jie，SHA Jin-long，et al.Research on the overload characteristic of the automatic mechanism for machine guns［J］.Acta Armamentarii，2013，34（12）:1489-1494.（in Chinese）

［3］ 王瑞林，李永建，张国光.连发武器射频与固有频率匹配关系研究［J］.兵工学报，2000，21（2）:105-107. WANG Rui-lin，LI Yong-jian，ZHANG Guo-guang.Matching of automatic-weapon's firing rate and its inherent frequency［J］.Acta Armamentarii，2000，21（2）:105-107.（in Chinese）

［4］ 姚建军，徐诚.机枪系统发射动力学研究［J］.兵工学报，2002，23（3）:406-408. YAO Jian-jun，XU Cheng.A study on the launching dynamics of machine gun system［J］.Acta Armamentarii，2002，23（3）: 406-408.（in Chinese）

［5］ 樊磊，刘恩锦，刘卫明，等.大口径机枪枪管寿命趋势分析［J］.弹道学报，2009，21（3）:39-43. FAN Lei，LIU En-jin，LIU Wei-ming，et al.Performance decay analysis of a large caliber machine gun barrel in lifetime［J］.Journal of Ballistics，2009，21（3）:39-43.（in Chinese）

［6］ 王亚平，徐诚，王永娟，等.火炮与自动武器动力学［M］.北京:北京理工大学出版社，2013. WANG Ya-ping，XU Cheng，WANG Yong-juan，et al.Dynamics of artillery and automatic weapons［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2013.（in Chinese）

［7］ Zelenko V K，Korolev V M，Drozdov Y N.Correlation between the wearing process of a sniper rifle barrel and bullet structure［J］. Journal of Machinery Manufacture and Reliability，2010，39（3）: 272-275.

［8］ 邹衍，徐诚，张克.5.8 mm/7.62 mm模块化步枪运动特性匹配分析［J］.兵工学报，2015，36（7）:1356-1362. ZUO Yan，XU Cheng，ZHANG Ke.Analysis of kinetic characteristic matching of 5.8 mm/7.62 mm modularized rifles［J］.Acta Armamentarii，2015，36（7）:1356-11362.（in Chinese）

［9］ 刘国庆，邹衍，管小荣，等.新型卧式冲击疲劳试验机性能研究［J］.南京理工大学学报，2014，38（3）:361-365. LIU Guo-qing，ZOU Yan，GUAN Xiao-rong，et al.Performance of a new type of horizontal impact fatigue testing machine［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2014，38（3）:361-365.（in Chinese）

［10］ 王长庚，徐万和，徐诚.人-枪系统中不同自动方式对枪械后坐作用影响研究［J］.兵工学报，2014，35（5）:741-747. WANG Chang-geng，XU Wan-he，XU Cheng.Research on the influence of different automatic action of gun on its recoil effect in man-gun system［J］.Acta Armamentarii，2014，35（5）:741-747.（in Chinese）

Research on Wear and Performance Degradation of a Large-caliber Machine Gun Automatic Mechanism in Firing Life-span

QI Yu-hui，XU Cheng
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism have an impact on the mechanism function and action reliability in firing life-span，which leads to an influence on the performance and operational effectiveness of the large-caliber machine gun.A large-caliber machine gun is used as the experimental object.The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism during firing life-span are measured in detail，and the failure statistics of automatic mechanism are completed.Experimental results show that the wear losses of bolt locking supporting surface and locking curve groove during firing are low，but the wear loss of bolt carrier guiderail is high.With the increase in fired shot quantity，the locking force decreases，the length of recoil spring is shortened，the standard deviation of recoil velocity increases，and the moving fault of automatic mechanism increases. There is a positive correlation among the moving fault and standard deviation of recoil velocity and the wear of key portion of automatic mechanism.The empirical models of locking force attenuation and thefree length attenuation of recoil spring，and a wear model of bolt carrier guiderail and impact surface when bolt carrier recoils to position and returns to original position are established，respectively.The empirical models are good agreement with the experimental data.These models can be used to estimate the wear and performance degradation of automatic mechanisms.

ordnance science and technology；large-caliber machine gun；automatic mechanism；longevity experiment；wear；performance degradation

TJ25

A

1000-1093（2016）08-1359-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.003

2015-06-02

国家自然科学基金项目（51575279）

齐玉辉（1977—），男，副研究员，博士研究生。E-mail:qinjust@mail.njust.edu.cn；徐诚（1962—），男，教授，博士生导师。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn