膛口制退器效率对某新型全枪浮动原理大口径机枪的影响研究

陆野，周克栋，赫雷，李峻松，黄雪鹰

（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；3.63856部队，吉林白城137001）

膛口制退器效率对某新型全枪浮动原理大口径机枪的影响研究

陆野1，周克栋1，赫雷1，李峻松2，黄雪鹰3

（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；3.63856部队，吉林白城137001）

为研究膛口制退器制退效率对采用全枪浮动原理的某新型大口径机枪浮动性能的影响，建立了基于浮动原理且考虑土壤和人体影响的某新型大口径机枪的刚柔耦合模型，对含膛口制退器的机枪系统进行动力学仿真并与试验结果进行对比分析，验证了该模型的正确性；获得了某新型大口径机枪实现全枪浮动的膛口装置制退效率的允许取值范围。结果表明，所建立含膛口制退器的实际某新型大口径机枪刚柔耦合模型精确可靠，所设计的膛口制退器实际制退效率为35.9％，其实现全枪浮动的膛口制退器制退效率的理论取值范围为22.5％～50.0％.

兵器科学与技术；大口径机枪；膛口制退效能；动力学分析；浮动原理

0　引言

膛口制退器是安装在武器膛口的气体动力学装置，射击时自膛口喷出的火药气体通过制退器对枪身产生与后坐力方向相反的力，从而减小武器发射时产生的后坐能量。南京理工大学陆家鹏教授基于超音速气流气体动力学方程，采用传统的膛口装置制退力计算方法来计算膛口制退器的制退效能，试验证明，这种计算方法也能准确反映膛口制退器制退力变化情况［1］。李佳圣等根据刚柔耦合动力学建模理论，对机枪系统的射击运动进行了动力学仿真，以此得到膛口响应特性，结合转管武器的外弹道计算方法，研究了机枪系统的射击密集度等相关问题［2-4］。

本文通过理论计算方法，计算了基于全枪浮动原理的某新型大口径机枪的膛口制退效率。建立了其刚柔耦合发射动力学模型，研究考虑枪管组件、枪架组件柔性变形以及人体与土壤的作用时，含膛口装置的某新型大口径机枪系统发射过程中的动力学响应特性，并与试验结果进行对比，验证了该模型的正确性。研究了机枪有效实现全枪浮动原理的原则下，保证浮动体在后坐过程不与枪托体发生刚性碰撞，且在复进过程中除最后一发弹外均与浮动体前缓冲簧不发生接触时，膛口装置制退效率的允许取值范围，为某新型大口径机枪的设计提供参考。

1　膛口制退器制退效率的求解

1.1膛口制退器的计算公式

枪械膛口制退器制退效率一般采用冲量效率，其计算公式［1］为

式中:mHz、mH分别为有、无制退器时的后坐体质量；vHzm、vHm分别为有、无制退器时后坐体在后效期终了时速度值。

1.2膛口制退器制退效率的求解

1.2.1计算无膛口制退器时后坐体的vHm

式中:vHk为弹头刚出膛口时后坐体的后坐速度；IHm为后效期内火药气体对后坐体的总冲量；mp为弹头质量；mc为装药量；v0为弹头初速。

式中:μk0为膛口气流的流量系数；ξk为后效期内膛口气流压力pk0与膛内平均压力p之比；n为多变指数；pk为弹丸出膛口时膛内火药燃气平均压力；

S为枪管横截面积，γ为绝热指数，w0为药室容积，ρk为弹丸出膛口时膛内火药燃气平均密度，l为弹头在枪管膛内的行程。

1.2.2计算带膛口制退器时后坐体的vHzm

由气体动力学理论推导出带多腔制退器时后坐体在后效期内的的后坐力FHz［1］为

式中:Kz为与边孔道相对流量、边孔道气流速度比、边孔道压力比、边孔道气流流向等参数有关的综合系数。

某大口径机枪采用了3腔式制退器，因此:

后效期内火药气体对后坐体的总冲量:

采用与无膛口装置时相同方法，对后效期内后坐体运用动量定理得

至此已完成了vHzm、vHm的分析求解，从而可得出制退效率ηz.

2　某新型大口径机枪刚柔耦合模型的建立

2.1浮动技术原理及方案

某新型大口径机枪内机匣与枪管刚性连接构成浮动体，与外机匣间采用浮动簧连接，并设置了浮动体后缓冲簧，射击过程中在外机匣内前后浮动，枪机与枪机框在内机匣内运动。在内机匣上设置挂钩，当浮动体复进至相对于外机匣的固定位置，挂钩与外机匣定位斜面接触而被约束，即实现定点约束。当枪机框复进到此处后，释放挂钩，浮动体开始二次复进，随后枪机框撞击枪机，在二次复进过程中完成闭锁、击发，即实现前冲击发。定点约束二次复进技术将浮动体的复进过程分为两段，使得浮动体的一次复进终了位置（即二次复进起始位置）始终保持不变，从而确保了击发时浮动体位置的一致性，提高了浮动体浮动过程的稳定性，实现了可靠的定点定速前冲击发。其浮动结构示意图［5］如图1所示。

图1　主要部件结构示意图Fig.1 Structure diagram of main component

2.2载荷的施加

该模型中施加的主动力主要有枪膛合力、导气室压力、膛口制退力以及摩擦力。枪膛合力是机枪射击过程中受到的最主要驱动力，其沿枪口朝向的反方向施加在枪机组件上，在通过内弹道程序算出火药燃气平均压力p后，由内弹道时期和后效期公式［6］计算得到，如图2（a）所示；采用经验公式［7］计算导气室压力如图2（b）所示。

图2　枪膛合力和导气室压力曲线Fig.2 Curves of bore resultant force and air pressure in gas chamber

图3　某3腔膛口制退器示意图Fig.3 Schematic diagram of a 3-chamber muzzle brake

以某3腔膛口制退器为研究对象，如图3所示。根据1.1节中计算方法得到的膛口制退器制退冲量为21.73 N·s，制退效率为35.9％，其中膛口制退力曲线如图4所示，沿枪口方向施加在膛口制退器上进行动力学仿真分析。

图4　膛口制退力随时间变化曲线Fig.4 Muzzle brake force vs.time

2.3边界条件的施加

2.3.1土壤本构关系

由于某新型大口径机枪采用轻型三脚架搭载射击，故需考虑土壤对驻锄作用力的影响。土壤作为一个非均匀、非连续、各向异性的半无限空间非线性弹塑性体，其建模比较复杂。一般将土壤简化为线性弹性体，直接用线性弹簧及阻尼器来模拟驻锄与土壤之间的相互作用。

地面与驻锄相互作用的等效刚度和阻尼系数依据经验公式（10）式～（13）式确定［8］:

水平方向等效刚度

垂直方向等效刚度

水平方向等效阻尼

垂直方向等效阻尼

式中:r0为驻锄与土壤接触面积的当量半径；ρ为土壤密度；G为土壤刚度模量，根据不同类型土壤取不同值。

2.3.2人体模型的建立

在机枪系统的射击过程中，人体与机枪系统之间的相互作用对武器的动态特性影响较大。本文基于三脚架式机枪卧姿抵肩射击时的射击姿态，应用融入了LifeMOD的虚拟样机设计技术，将机枪模型导入LifeMod，将人体姿态调整成卧姿射击状态。三脚架式机枪卧姿抵肩射击时的射击姿态为:人体俯卧地上，两肘竖直支撑起上半身；右手紧握握把，左手扶住小握把，两手协力将枪托紧压向肩部；头部侧倾使右腮紧贴枪托。最后选中人体模型的下躯干环节对人体模型整体平移至机枪射击位置。

2.4柔性体的建立

在机枪系统的实际射击过程中，枪管组件与枪架组件均是柔性的，为了提高仿真精度，使仿真结果更加接近实际情况，在仿真过程中将枪管组件与枪架组件采用柔性体建模，建立机枪系统的刚柔耦合有限元模型。

由于弹性单元与刚体在力学特性上的不同，在建模过程中，为保证不同结构在交界面上的位移协调，采用的是刚性梁单元（RBE2）多点约束（MPC）处理方法，其示意图如图5所示。图5中点A为柔性体与刚体之间的连接点，即外部节点，点A与邻近各点通过RBE2（虚线表示）构成MPC，即形成刚性区域，从而保证柔性体内部由连接点支撑起来的区域没有相对位移，以满足Craig-Bampton固定模态综合法的求解要求。

图5　柔性体和刚体连接示意图Fig.5 Sketch map of connection between flexible body and rigid body

2.5全枪系统刚柔耦合模型的建立

基于浮动技术原理，建立全枪系统刚柔耦合模型如图6所示。

图6　某新型大口径机枪刚柔耦合模型Fig.6 Rigid-flexible multi-body dynamic model of some new large caliber machine gun

3　仿真结果分析与试验验证

利用建立的刚柔耦合模型，对考虑了膛口制退力作用的某大口径机枪系统进行动力学仿真，获得浮动体和枪机框连发射击时的速度与时间曲线如图7和图8中实线所示。

图7　考虑膛口制退力作用的浮动体速度仿真与试验曲线Fig.7 Simulated and test curves of floating body velocity under the action of muzzle brake force

以某新型大口径机枪为试验用枪，安装与本文结构相同的膛口制退器进行射击试验，获得浮动体连发射击时的速度与时间试验曲线如图7和图8中虚线所示。

图8　考虑膛口制退力作用的枪机框速度仿真曲线Fig.8 Simulated and test curves of bolt carrier velocity under the action of muzzle brake force

对比表1中数据可以看出，仿真计算得到的浮动体及枪机框的后坐最大速度及复进最大速度与试验结果的相对误差均小于5％，验证了该模型的正确性。

表1　浮动体及枪机框运动速度仿真值与实验数据比较Tab.1 Comparison between simulated and test results of floating body and bolt carrier velocities

4　制退效率对浮动自动机的运动影响分析

膛口制退器的制退效能直接影响全枪运动过程中各部件的运动参数以及浮动性能的实现，对全枪的动力学特性起到了重要作用。当制退力过大会引起后坐体后坐过程中，内机匣最大后坐速度过小，内机匣最大后坐位移降低，无法在自动机后坐撞击内机匣之前与外机匣相互挂起约束，从而导致内机匣与浮动体前缓冲簧发生碰撞；当制退力过小时，内机匣最大后坐速度过大，内机匣最大后坐位移增加，导致内机匣在后坐过程中与外机匣后端发生刚性碰撞，这势必引起全枪后坐力的加大。两种情况均会使得定点击发、减后坐原理不能有效实现，从而影响全枪系统的后坐力和射击精度。本文基于全枪系统刚柔耦合模型，对全枪能够有效实现全枪浮动原理前提下膛口装置的制退力范围进行计算，获得不同制退效率下全枪系统动力学特性值，从而研究能够有效实现浮动原理的制退效率理论取值范围。

经计算，当膛口装置制退效率分别减小为22.4％和22.5％时，浮动体速度及位移仿真曲线分别如图9和图10所示，对比两图中的标识A～D处表明:当制退效率为22.4％时，内机匣在标识B位置速度发生突变，此时的后坐位移如标识A所示，增加到极限值21 mm，即内机匣在后坐过程中与外机匣后端发生刚性碰撞；而制退效率为22.5％时，内机匣速度曲线在同时刻未发生突变，其最大后坐位移如标识C所示，为20.3 mm，小于极限值21mm，表明其在后坐过程中未与外机匣后端发生刚性碰撞，因此能够有效实现全枪浮动原理的膛口装置制退效率的最小值为22.5％.

当膛口装置制退效率分别增加为50.0％和50.1％时，浮动体速度仿真曲线分别如图11和图12所示，对比两图中的标识E、F处表明当制退效率为50.1％时，由于膛口制退力过大，内机匣保持较大的速度持续复进，导致内机匣在枪机组件撞击之前就与浮动体前缓冲簧相撞，内机匣最大复进位移如标识E所示，增加到极限值19mm；而制退效率为50.0％时，内机匣在膛口制退力的作用下复进速度相对较小，最大复进位移如标识F所示，为18.8mm，小于极限值19 mm，说明内机匣未与浮动体前缓冲簧发生碰撞，因此能够有效实现全枪浮动原理的膛口装置制退效率的最大值为50.0％.

综上所述，获得不同制退效率下全枪系统动力学特性值如表2所示。

由表2可以看出，能够有效实现全枪浮动原理的制退效率理论取值范围为22.5％～50.0％.

图9　制退效率为22.4％时的浮动体速度及位移仿真曲线Fig.9 Simulation curves of floating body velocity and displacement with muzzle brake efficiency of 22.4％

图10　制退效率为22.5％时的浮动体速度及位移仿真曲线Fig.10 Simulation curves of floating body velocity and displacement with muzzle brake efficiency of 22.5％

5　结论

图11　制退效率为50.1％时的浮动体速度及位移仿真曲线Fig.11 Simulation curves of floating body velocity and displacement with muzzle brake efficiency of 50.1％

图12　制退效率为50.0％时的浮动体速度及位移仿真曲线Fig.12 Simulation curves of floating body velocity and displacement with muzzle brake efficiency of 50.0％

表2　不同制退效率下全枪系统动力学特性值Tab.2 Dynamic properties of gun system with different muzzle brake efficiencies

本文针对带3腔膛口制退器的某新型大口径机枪，建立其刚柔耦合模型，进行了理论分析和数值仿真计算，经仿真结果与试验结果对比分析，验证了所建立的某新型大口径机枪刚柔耦合虚拟样机模型正确性以及理论计算结果的正确性，全枪浮动原理实现稳定可靠；基于经验证的虚拟样机模型，某新型大口径机枪有效实现全枪浮动原理时制退效率的理论取值范围为22.5％～50.0％，所设计的3腔膛口制退器实际制退效率为35.9％，可有效实现全枪浮动原理。

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Research on Influence of Muzzle Brake Efficiency on a New Large Caliber Machine Gun Based on Floating Principle

LU Ye1，ZHOU Ke-dong1，HE Lei1，LI Jun-song2，HUANG Xue-ying3
（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；3.Unit63856 of PLA，Baicheng 137001，Jilin，China）

A rigid-flexible coupling multi-body dynamic model of a new large caliber machine gun based on floating principle is established，in which the influences of soil and human body on machine gun were considered.The dynamics simulation of the machine gun with muzzle brake is conducted，and the simulated results are compared to the experimental results，and the availability of the proposed model is verified.The range of values allowed for the muzzle brake efficiency of machine gun based floating principle is obtained.The study results show that the proposed rigid-flexible coupling multi-body dynamic model including muzzle brake is accurate and reliable，and the efficiency of the designed muzzle brake is 35.9％.The theoretical range of values for the muzzle brake efficiency of machine gun is 22.5～50.0％.

ordnance science and technology；large caliber machine gun；muzzle brake efficiency；dynamics analysis；floating principle

TJ25

A

1000-1093（2016）09-1585-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.005

2015-11-12

陆野（1988—），男，博士研究生。E-mail:luye_njust@163.com；周克栋（1964—），男，教授，博士生导师。E-mail:zkd81151@njust.edu.cn