某新型自动防暴枪自动机动力学仿真
2017-04-05沈超李宾喜周克栋
杨 松,赫 雷,沈超,李宾喜,周克栋
(1.南京理工大学,南京 210094; 2.齐齐哈尔雄鹰警用器材有限公司, 黑龙江 齐齐哈尔 161005)
【装备理论与装备技术】
某新型自动防暴枪自动机动力学仿真
杨 松1,赫 雷1,沈超1,李宾喜2,周克栋1
(1.南京理工大学,南京 210094; 2.齐齐哈尔雄鹰警用器材有限公司, 黑龙江 齐齐哈尔 161005)
为了解决某新型自动防暴枪霰弹弹匣供弹难的问题,设计了独特的供弹结构。进行了物理样机试制,开展了实弹试验,验证了结构设计的可行性和工作循环的可靠性。基于SolidWorks三维建模软件和ADAMS/VIEW 多体动力学仿真软件,建立了该新型自动防暴枪的虚拟样机模型,进行了自动机工作循环的动力学仿真。对不同枪机框部件质量、导气活塞面积、自动机与机匣摩擦因数和复进簧预压力多种工况下的自动机工作特性进行了研究,为该防暴枪的进一步改进设计提供了依据。
自动防暴枪;动力学仿真;霰弹;弹匣供弹本文
防暴枪是人民警察、武警部队维护国家安全、保卫人民生命财产和“维稳处突”的有力武器之一。当前国内普遍装备的唧筒式半自动警用防暴枪具有可靠性较好、多弹种兼容性好的优点,但在面对当前武器装备日益精良的亡命暴徒时,因战斗射速较低,常常处于劣势,达不到及时、有效阻止暴恐分子行凶的目的[1]。自动防暴枪早在越战期间,美军就开始研发,并曾小规模投入使用。其优秀的持续性火力压制能力,在反恐防暴行动中展现出重要的地位[2]。目前,国外已经有许多装备自动防暴枪的案例,如美国MPS AA-12自动霰弹枪和俄罗斯Vepr12自动霰弹枪[3],但国内尚无成熟产品大规模装备使用。因此,研制自动防暴枪具有重要的现实意义。
1 某新型自动防暴枪工作原理及基本假设
该防暴枪采用了活塞长行程导气式自动原理,机头回转式闭锁方式,击锤回转式击发机构和单连发发射机构,其中,自动机组件结构示意图和霰弹供弹位置示意图分别如图1和图2。与常规活塞长行程导气式自动武器原理类似,扣动扳机,击锤回转撞击击针。膛内枪弹被击发后,产生的火药燃气经导气装置气路推动活塞开始后坐。后坐过程中,自动机压缩复进簧,直至运动到最后方撞击机匣尾座,后坐到位。随后,复进簧释放后坐过程储存的弹性势能,推动自动机开始复进,推弹入膛,枪机体撞击枪管后回转闭锁,枪机框体继续复进撞击节套,复进到位。图3为物理样机实弹试验时的照片,该试验证明了该防暴枪自动机能够顺利完成自动循环,实现设计功能。
图2 霰弹供弹位置示意图
图3 样机试验照片
本文研究对象为该防自动暴枪自动机自动循环的动力学特性,为了使该虚拟样机模型能够尽可能简单、清晰地反映研究对象的使用规律,结合该自动防暴枪的实际情况,对虚拟样机模型做出了如下假设[4]:
(1)不考虑实际物理样机中的柔性体影响,三维模型各零部件均以刚体形式导入建模[5];
(2)忽略内弹道时期膛内高温高压火药燃气使弹壳在弹膛内产生的变形对抽壳阻力的影响[6];
(3)不考虑实际人员握持发射时,机匣与地面的相对运动,即虚拟样机建模时将机匣、枪管、节套等固定于地面;
(4)忽略该防暴枪中的各处弹簧、扭簧实际工作过程中的内耗[7]。
2 虚拟样机建立
2.1 三维模型建立及约束关系
首先,利用三维实体造型软件SOLIDWORKS 建立该枪的完整三维模型,隐藏不涉及本文研究内容的相关零部件后,导入ADAMS软件中。以枪管轴线出膛口方向为Z轴正方向,竖直向下方向为Y轴正方向,采用左手定则确定X轴正方向,如图4所示。随后,为各个实体赋予与物理样机相同的材料属性,并建立其相互之间的约束关系。
图4 虚拟样机模型
根据假设,将机匣及复进簧管、弹匣壳体等作为各子系统的基体与地面固联[8]。再分别对每个子系统内部的零部件添加运动副、弹簧、扭簧等约束关系。最后,为运动过程中可能发生直接接触的零部件添加接触关系。部分主要约束关系和根据物理样机实际工况设置的主要参数分别如表1和表2所示。
表1 部分主要约束关系
表2 仿真主要参数
2.2 载荷计算与添加
对于该自动防暴枪,根据假设简化后,主要的载荷为气室压力。气室压力的变化规律与膛内火药燃气压力和导气装置的结构参数有关。前者通过编制相关内弹道解算程序,已经求解出详细结果,后者具体包括导气孔在枪管上的位置、导气孔的横截面积、导气管道的长度、活塞气室的初始容积、气室壁与活塞间隙的大小、活塞横截面面积和自动机主动件质量(活塞及与其相联接的枪机框体等零件的质量)等,这些参数对气室压力的变化规律都有影响。本文较多采用布拉文经验公式计算气室压力[9]:
式中:Fs为气室压力;pd为弹头经过导气孔瞬间的膛内平均火药燃气压力;t0为枪弹击发后弹头运动到导气孔的时间;b为时间系数;a为与导气装置结构参数相关的系数;Ss为导气室活塞横截面积。通过计算,可得到气室压力随时间的变化规律,如图5所示。将该变化规律曲线导入ADAMS并施加于导气活塞杆轴线垂直于端面的方向上。并编写相关传感器和脚本程序,使每当击发动作完成后(捕捉击针的位移,每当击针运动到最前方击发点时即完成击发),该主动力生效一次,由此实现连发的自动循环过程。
图5 导气室压力-时间曲线
3 虚拟样机仿真结果分析
对本文建立的某自动防暴枪虚拟样机模型进行仿真后,可得出其自动机工作循环的运动学特性,3连发的仿真结果如图6所示。
由图6枪机框体位移随时间变化可知,在当前工况下,自动机能够顺利完成推弹入膛、复进到位和在气室压力作用下,导气开锁并后坐到位等一系列设计功能。如图6所示,通过计算速度曲线上a点与a′点 之间经历的时间可推测出该工况下,该防暴枪的理论射频约为467发/分钟。从0时刻开始,扣动扳机,击锤回转撞击击针,击针前冲,克服击针簧作用力,打击底火,在a点时刻,触发传感器,激活作用于活塞杆端面的气室压力,活塞开始后坐运动。至b点时刻,枪机框部件瞬间加速到最大后坐速度。c点时刻处,枪机框体后坐碰撞击锤,同时自由行程结束,闭锁导柱撞击枪机框体曲线槽,开始带动枪机体回转开锁。抽壳钩抱住弹壳,枪机体在后坐过程中推弹凸笋后侧撞击第二发枪弹头部,将其下压。d点时刻处,枪弹撞击抛壳挺,回转抛壳时,底缘脱离抽壳钩对自动机后坐造成冲击。至e点时刻处,自动机后坐到位,枪机框体与机匣尾盖发生撞击,减速为0。
从f点开始,复进机推动自动机复进,至g点时刻,枪机体开始推弹,导致枪机框体减速,直至枪弹被推出弹匣抱弹口后,自动机立即加速运动。至h点时刻推弹到位,枪机体撞击枪管尾端面,在枪机框体曲线槽对导柱的作用下,回转闭锁。枪机框体继续复进,并压下不到位保险。最后至i点时刻,枪机框体复进到位,并减速为0,击锤在被不到位保险解脱后,再次撞击击针完成击发。至此,完成一个自动循环。
图6 枪机框体位移、速度-时间曲线
4 不同因素对自动机工作循环的影响
根据牛顿第二定律,物体的质量与所受到的外力都是决定物体运动特性的因素。在开展该自动防暴枪自动机工作循环运动特性研究的过程中,自动机是研究对象,其中枪机框部件为主动件,枪机部件则是被动件。在自动机工作过程中,受到三个主要外力,分别为气室压力、机匣导轨与自动机之间的摩擦力和复进簧的压力。故选取枪机框部件质量mqjk、导气活塞面积Ss、枪机框体、枪机体与机匣导轨的摩擦系数μdg和复进簧预压力F0作为具有代表性的对自动机工作循环运动特性有直接影响的参数,研究这四个参数对自动机工作循环的影响。
具体研究对象为三次自动循环中枪机框体的平均后坐到位速度vhz,平均复进到位速度vfj和自动机工作循环的频率(即理论射频)f。采取单一变量原则,在保证自动机能够完成完整后坐、复进行程的前提下,分别对mqjk、Ss、μdg和F0四个参数,选取一定变化范围,开展四组仿真分析,仿真结果如图7(a)~(d)和表3~表6所示。
分析上述结果可得,在选定范围内,枪机框部件质量越大,后坐到位速度和复进到位速度都越小,理论射频降低。通过分析枪机体开始回转开锁前后,枪机框体后坐速度的损失百分比可知,在满足理论射频设计指标的前提下,适当提高枪机框部件质量,可减小自动机在开锁过程中的能量损失,使机构运动更平稳、动作可靠。
导气活塞杆的面积与气室压力成正比,导气式面积越大,枪机框开始后坐时的初速度越大,在其他条件不变时,枪机框后坐到位速度越大,撞击机匣尾座后开始复进的初速度和复进到位的速度也越大,后坐和复进过程的时间都变短,理论射频提高。自动机与机匣导轨间的摩擦因数越大,自动机后坐和复进过程中的能量损失越大,后坐、复进到位速度越低,理论射频也相应越低。
在不改变复进簧刚度及工作行程的前提下,提高复进簧预压力,相当于增大了复进簧初始状态的压缩量并增加了最大工作压力,故对于同样的后坐和复进行程,复进簧对自动机后坐过程中所做的负功增加,复进过程中所做的正功也增加,分别导致后坐到位速度变小和复进到位速度变大。但由于自动机复进过程所用时间与后坐过程所用时间之比较大,故自动机工作循环周期变短,理论射频提高。
图7 mqjk、Ss、μdg和F0四个参数对自动机工作循环运动特性的影响
mqjk/kg(Ss=113.1mm2,μdg=0.2,F0=26N)0.2880.3240.360.3960.432vhz/(m·s-1)2.9292.8912.4622.2892.066开锁前后速度损失/%25.823.822.319.918.9vfj/(m·s-1)1.7871.7651.7271.6961.671f/(r·min-1)493482467455442
表4 不同导气活塞面积对自动机工作循环主要参数的影响
表5 不同自动机与机匣导轨摩擦系数对自动机工作循环主要参数的影响
表6 不同复进簧预压力对自动机工作循环主要参数的影响
5 结论
本文采用虚拟样机技术,建立了某新型自动防暴枪的虚拟样机模型,计算了导气室压力随时间的变化规律,通过仿真计算获得了自动机自动循环运动特性。对枪机框体的位移、速度随时间的变化规律进行分析。研究了不同枪机框部件质量、导气活塞面积、自动机和机匣导轨摩擦因数和复进簧预压力,对自动机自动循环运动特性的影响。本文工作对该新型自动防暴枪的物理样机调试提供了指导,也为结构改进和参数优化奠定了基础。
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(责任编辑 周江川)
Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun
YANG Song1,HE Lei1,SHEN Chao1,LI Bin-xi2,ZHOU Ke-dong1
(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China; 2.Qiqihar Eagle Police Equipment Co.Ltd, Qiqihar 161005, China)
According to current situation that there is not a widely-equipped shot gun capable of providing continuous fire suppression in China,a new type of automatic shot gun is designed.To solve the difficult problem of feeding shotgun cartridge with magazine,a unique feeding structure was designed.The physical prototype was manufactured,and the live-fire test was carried out.The feasibility of the structure design and the reliability of the working cycle were verified.Based on three-dimensional modeling software SolidWorks and multi-body dynamics simulation software ADAMS/VIEW,the virtual prototype model was established.The dynamic simulation of the automatic working cycle and the analysis of the simulation result were carried out.A further study on various conditions of automat was conducted,under different masses of the bolt carrier component,different areas of the piston,different friction coefficients between the automat and the receiver and different preloads of the recoil spring,and it provides the basis for the design improvement of the automatic shot gun.
automatic shot gun; dynamic simulation; shot gun cartridge; magazine feeding
2016-11-24;
2016-12-30 作者简介:杨松(1991—),男(藏族),硕士研究生,主要从事新概念、新原理、新结构武器技术研究。
10.11809/scbgxb2017.03.013
format:YANG Song,HE Lei,SHEN Chao,et al.Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):57-61.
TJ23
A
2096-2304(2017)03-0057-05
杨松,赫雷,沈超,等.某新型自动防暴枪自动机动力学仿真[J].兵器装备工程学报,2017(3):57-61.