粘弹性胶泥缓冲器对机枪射击精度的影响

王东华, 苏铁熊, 王虹琴，季淑媛，冯振飞

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

【火炮和自动武器】

粘弹性胶泥缓冲器对机枪射击精度的影响

王东华, 苏铁熊, 王虹琴，季淑媛，冯振飞

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

针对大口径机枪使用的弹簧缓冲器后坐力大、能量损耗小、射击精度低的缺点，提出设计一种降低后坐力、提高能量吸收率和射击精度的粘弹性胶泥缓冲器。建立缓冲器与后坐部分的刚柔耦合多体动力学模型，利用ADAMS、MATLAB进行仿真分析，得到两种缓冲器的速度-时间、阻抗力-位移曲线以及枪口跳动曲线。仿真结果表明粘弹性胶泥缓冲器使机枪后坐力更低、能量吸收率更高，枪口的稳定性更好，射击精度更高。

胶泥缓冲器；阻抗力；能量吸收率；射击精度

在战争中大口径机枪具有举足轻重的作用，不但要在进攻与防御中提供火力压制，而且还要对空中目标进行有效的防御[1]。但是口径越大,火药燃烧产生的能量越大，后坐力也就越大。过大的后坐力会使枪身整体后移，同时身管也会产生不规则的跳动。这样每次射击时膛口不在同一位置，就导致机枪的稳定性差、射击精度低。因此，国内外研究人员都在寻求一种可以有效降低后坐力的装置。目前大口径机枪使用最多的是弹簧缓冲器，但是弹簧缓冲器阻抗力与位移是线性关系，不具有能量吸收功能，同时具有阻抗力过大、寿命短、尺寸大占用空间大等缺点[2]。因此，能量吸收率大，阻抗力小的粘弹性胶泥缓冲器相对弹簧缓冲器具有无可比拟的优势，是未来枪用缓冲器的发展方向。

1 粘弹性胶泥缓冲器

1.1 粘弹性胶泥冲器结构

粘弹性胶泥缓冲器主要有两种结构：一种结构是带有间隙和阻尼孔，另一种是没有间隙和阻尼孔。考虑到机枪射击频率高、速度快，本设计采用无阻尼孔和间隙的的粘弹性胶泥缓冲器。图1为粘弹性胶泥缓冲器结构。

1.耳环; 2.活塞杆; 3.缸盖; 4.O型圈; 5.加散热肋片的缸体; 6.活塞; 7.销; 8.钢球; 9.垫片; 10.密封环; 11.内六方螺钉

图1 粘弹性胶泥缓冲器结构简图

1.2 粘弹性胶泥冲器工作原理

缓冲器需要先注入一定量的胶泥，使其有一定的预压力，当外力小于预压力时缓冲器不工作[3]。当外力大于预压力时活塞杆开始向内移动压缩胶泥。这时由于胶泥被压缩，它会对活塞产生反作用力，阻碍活塞运动。在这个过程中胶泥会吸收部分外部能量，转会为自身的弹性势能。同时，在被压缩的过程中胶泥会流动与缸壁产生摩擦以及复杂的分子运动都要消耗外部能量并转化为热量消散掉[4]。当外力撤掉或减小以后，由于先前胶泥储存了弹性势能，其体积会自行膨胀推动活塞杆复位，同时也会由于胶泥摩擦消耗部分能量。

2 粘弹性胶泥缓冲器本构模型

粘弹性胶泥缓冲器本构模型如图2所示。图中：m为后坐部分质量；Fpt为膛低合力；fμ为摩擦力；θ为射角；C为阻尼；k为刚度。

图2 粘弹性胶泥缓冲器本构模型

2.1 预压力F0

在使用机枪的过程中，往往会有射角。这样在膛底没有后坐力时胶泥就开始被压缩，这会影响粘弹性胶泥缓冲器的缓冲效果[5]。所以，要设置一定预压力带抵消枪身的分力以及机构间的摩擦力。

2.2 弹性力Fs

胶泥在被压缩时随之产生弹性力。在同等压缩率下，胶泥弹性力的大小也是衡量胶泥性能的指标之一，并与储能模量有关[6]。因此，借鉴流体力学中可压缩流体体积模量公式：

(1)

得到：

(2)

式中： E为体积模量； ΔP为预压压强； ΔV为预压体积；V为缸内容积；A为缸截面积、活塞截面积；x为活塞行程。

2.3 阻尼力Fv

根据经典Maxwell模型得到流体阻尼内部剪切力公式：

τ=KμeθhU

(3)

式中：K为切应力系数；μ为动力粘度系数；θ为补偿系数；h为间隙高度；U为速度。

考虑到机枪射频高，需要快速复位，拟取消间隙(活塞边沿与缸桶之间的间隙)即h=0,y=0，所以：

τ=KμeU

(4)

所以，得到胶泥阻尼力公式：

Fv=τA=KμUπdl

(5)

但是，根据大量实验结果以及文献记载，阻尼力与活塞速度并非现行关系[7]，所以做如下改进：

Fv=τA=KμUnπdl

(6)

式中：d为活塞直径；l为活塞厚度；n为系数。

综上，构建粘弹性胶泥缓冲器压缩与复进的过程中组抗力FR方程分别为：

压缩:

FR=F0+FS+Fv

(7)

复进:

FR=F0+FS-Fv

(8)

3 后坐运动微分方程

机枪受力分析如图3所示，图中：θ为射角；m为后坐部分质量；N1为法向支持力；N2为导轨法向力；N1f、N2f为对应的摩擦力；FR为缓冲器组抗力。

图3 机枪受力分析图

射击时所有力都作用于过膛线且与地面垂直的射击面，除后坐部分其余均为刚体不产生运动，并且忽略弹丸作用于膛线导转的反转力矩[8]。在以上假设下，后坐部分为一自由度模型，有牛顿第二定律得到：

(9)

有

(10)

从式中可以看出膛底合力Fpt是产生后坐的原因，而阻抗力FR是抵消后坐运动的力。且知阻抗力FR与后坐力FH大小相等方向相反[9]。在射击过程中，这对力控制整个后坐部分的运动并影响着射击精度。由于膛底合力是确定的，所以只有通过改变枪的结构和后坐行程等来改变后坐力的大小。通过改变后坐力的大小来控制后坐部分的运动，以达到提高射击精度的目的。

4 仿真分析

把三维模型导入ADAMS中(图4)，然后需要进行一定的预处理，给各部件添加质量并施加相应的约束(如固定约束、平行约束等)。同时还要给缓冲器施加相应的样条力以模拟缓冲器在机枪射击时的真实工作情况。并对所需要的数据进行提取。

图4 ADAMS仿真模型

通过图5、图6中曲线的对比可以看出使用粘弹性胶泥缓冲器的机枪比使用弹簧缓冲器的机枪后坐力降低了40%，反应更加灵敏，工作时间更长，运动过程更平稳。

图5 两种缓冲器后坐力与时间曲线

图6 两种缓冲器后坐位移与时间曲线

从图7可以看出使用弹簧缓冲器的机枪后坐速度更大，变化更急促并且复位时会对缸盖产生撞击弹簧波动剧烈，严重影响射击精度。然而使用粘弹性胶泥缓冲器的机枪完美的克服了这些缺点，整个运动过程更加的平稳，非常有利于射击精度的提高。

图7 两种冲器后坐速度与时间曲线

后坐过程中能量的消耗对精度的提高具有非常重要的作用。接下来我们利用MATLAB使用龙格库塔发进行计算得到两种缓冲器理论上的能量变化曲线。同时用ADAMS软件进行模拟分析得到一组曲线，然后进行对比。

从图8可以看出弹簧缓冲器的理论上的后坐力与位移是一条直线，没有能量消耗。但是因为存在摩擦等因素模拟分析曲线是一条狭长的带状。理论上粘弹性胶泥缓冲器是一个方形能量消耗非常大，但是由于缸筒装胶泥量的限制，胶泥性能的影响，模拟分析中能量消耗并没有那么大。但是，即使这样粘弹性胶泥缓冲器对能量的吸收率、对后坐力的降低、以及保持后坐的稳定性都是弹簧缓冲器无法比拟的。

图8 缓冲器能量对比

5 枪口响应分析

首先建立机枪的刚柔耦合模型并在ADAMS软件中添加必要的约束(图9)，然后进行多次模拟射击，得到枪口响应曲线[10]。其中实线为安装胶泥缓冲器的枪枪口波动曲线，虚线为安装弹簧缓冲器的枪枪口波动曲线。

图9 机枪刚柔耦合模型

图10、图11中实线是使用弹簧缓冲器的机枪，虚线是使用粘弹性胶泥缓冲器的机枪。通过对比可以看出安装胶泥缓冲器的机枪枪口无论在上下方向上还是在左右方向上都比安装弹簧缓冲器的枪波动要小，因此使用胶泥缓冲器的机枪稳定性好，射击精度要高。

图10 枪口上下波动曲线

图11 枪口左右波动曲线

6 结论

粘弹性胶泥缓冲器可以有效的降低机枪射击的后坐力，并且对后坐能量的吸收率更大，更有利于机枪保持良好的射击状态。同时使用粘弹性胶泥缓冲器的机枪反应更灵敏，并且在连续射击枪口稳定在一定的范围内，精度更高。

[1] 赵良伟.12.7 mm链式机枪总体结构设计与动力学仿真[D].太原:中北大学,2014.

[2] 姚养无. 大口径狙击步枪液气缓冲器设计[J].中北大学学报,2013,34(4):393-397.

[3] 徐忠四.基于冲击环境下粘弹性胶泥缓冲器的动力学建模[J].应用力学学报,2013,30(3):384-390.

[4] 贾九红.胶泥缓冲器的耗能机理研究与设计[D].上海:上海交通大学,2007.

[5] 尤国.自动武器设计[M].北京:国防工业出版社,1978.

[6] 马彦晋.弹性胶泥缓冲器的研究及在火炮上的应用[D].太原:中北大学,2015.

[7] 齐梦晓.弹性胶泥缓冲器的动态特性研究[D].南京:南京理工大学,2014.

[8] 谷文斌.12.7 mm狙击步枪缓冲器设计与动力学仿真[D].太原:中北大学,2011.

[9] 高跃飞.火炮反后坐装置设计[M].北京:国防工业出版社,2010.

[10] 黄哓.基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析[J].兵器装备工程学报,2016,37(1):40-61.

TheInfluenceoftheVisco-ElaticElastomerDampertotheFiringAccuracyoftheLargeCaliberMachineGun

WANG Donghua， Su Tiexiong， WANG Hongqin， JI Shuyuan， FENG Zhenfei

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051， China)

For the spring buffer of large caliber machine gun using big recoil, less energy consumption, low shooting accuracy shortcomings, it proposes a design, viscoelastic elastomer damper, to reduce recoil, improve the energy absorption rate and firing accuracy. The rigid flexible multi-body dynamics model of the buffer and the recoil part is established. The velocity-time curve, impedance force-displacement curve and the muzzle jump curve of the two buffers are obtained by simulation analysis using ADAMS and MATLAB. Contrast shows that the use of viscoelastic damper can reduce gun recoil, increase energy absorption rate, improve the stability of the muzzle, and heighten shooting accuracy.

visco-elatic elastomer damper；resistance；energy absorption capability；accuracy

2017-10-17；

2017-11-02

王东华(1992—)，男，硕士，主要从事装甲车辆工程研究。

10.11809/scbgxb2017.12.003

本文引用格式：王东华, 苏铁熊, 王虹琴，等.粘弹性胶泥缓冲器对机枪射击精度的影响[J].兵器装备工程学报，2017(12):13-16.

formatWANG Donghua，Su Tiexiong，WANG Hongqin，et al.The Influence of the Visco-Elatic Elastomer Damper to the Firing Accuracy of the Large Caliber Machine Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):13-16.

TJ203;TJ25

A

2096-2304(2017)12-0013-04

(责任编辑周江川)