某步枪击锤寿命分析

武国梁，解志坚，杨 臻，王自勇

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆 401320）

0 引言

目前，国外步枪的击发机构大多数采用击锤回转式击发机构，击锤回转式运动撞击击针，回转式击锤的能量来源于击锤簧或者复进簧，击锤回转式延续时间短，可随时射击，被广泛应用于手枪、半自动步枪、自动步枪中。

击锤直动式击发机构，击锤作直线运动撞击击针。击锤的能量来源于击锤簧或者复进簧，击锤作直线运动的结构成待发时可使枪机停于前方，使单发或连发第一发射击时对武器的撞击较小，有利于提高其射击的精度。击锤直动式击发机构，可以减小击针尺寸，减小枪机尺寸，提高枪机的强度，并且击锤打击击针有足够的能量和速度，击发可靠［1-2］。为了使步枪轻量化，本文采用击锤直动式击发机构，并对击锤关键部位在射击全过程进行了寿命分析。

1 某步枪击锤发射过程分析

某型步枪采用的是导气式自动原理，通过火药燃气驱动各机构运动，枪弹击发后，当弹丸穿过导气孔后，火药燃气推动活塞杆向后运动并撞击枪机框带动枪机后坐，从而带动击锤向后运动，当击锤撞击缓冲杠杆后停止运动；然后在复进簧的作用下枪机框与枪机共同复进运动，最后，通过扣动扳机击锤从阻铁上解脱后打击弹底。简化的步枪击锤模型示意图如图1所示。

2 动力学特性分析

由于某型步枪自身结构的独特性，以及高速摄影拍摄的局限性，导致对某型步枪击锤运动学特性不能完全描述。为了解击锤在运动全过程中的受力情况，使得后续仿真分析结果更加趋于实际情况，结合步枪实测三维模型，运用ADAMS软件对击锤动力学特性进行分析。

2.1 模型假设

根据该型步枪的结构特点，以及射击时各部件的运动过程，在不影响模型正常运动的前提下作如下假设：1）所有的零件均为刚体；2）机匣体与地面固定；3）弹簧不考虑阻尼。

2.2 模型建立

将简化后的三维模型导入到ADAMS中，按照该型步枪射击时各零部件的实际运动和受力情况添加相应的约束如表1所示，并对击锤的动力学特性进行分析［3］。添加约束后的分析模型如图2所示。

表1 主要构件约束表

根据发射过程中的弹药内弹道参数，结合高速摄影实测的运动规律，将仿真模型进行修正，修正后击锤v-t曲线如图3所示。

根据仿真结果，取5个撞击位置，将5个撞击位置速度与高速摄影测出的速度参数进行对比，仿真结果与实测结果如表2所示。

表2 仿真结果与实测结果对比表

通过上述结果，得出枪机体与击锤在0.018 s～0.020 s间发生对撞，由于该对撞发生位置位于枪托内部，因此，高速摄影并未采集到相关信息。修正后的仿真值与测量值误差在±0.3 m之内，仿真值较符合实际情况。

3 有限元分析

将模型导入到Ansys Workbench中，并将动力学仿真得出的撞击速度加载到有限元分析模型中［4］。将击锤在5个撞击位置的应力进行仿真分析。击锤选用30CrMnTiA材料，该材料属性如表3所示。

表3 30CrMnTiA材料属性

表4 击锤在5个撞击点的应力值

击锤在5个撞击点的应力值如表4所示，击锤在整个循环过程中所受的应力最大值如图4所示。

击锤在运动过程中主要承受各种冲击载荷，由于目前尚无30CrMnTiA材料的冲击疲劳数据，因此，可通过如下关系由常规疲劳数据确定。换算公式如表5所示（Sj为常规疲劳极限）［4］。

表5 冲击疲劳与常规疲劳极限换算公式

结合30CrMnTiA的材料热处理情况，取S=0.86Sj，将修正后的材料S-N曲线加载Workbench中，调用Fatigue Tool模块［7］，对击锤寿命进行仿真，仿真结果如下，得出击锤关键部位图5的疲劳寿命如表6所示。

表6 击锤关键部位疲劳寿命汇总表

仿真结果得出，击锤寿命为13 403发。满足10 000发的设计要求。

经取3组击锤进行寿命试验，统计如表7所示。

表7 寿命汇总

未改变参数前实测击锤寿命为13 500发，改变参数后实测得出击锤平均寿命为11 845发，仿真与试验误差为13.1%。

4 结论

本文运用ADAMS软件对击锤的动力学特性进行了仿真分析，并与试验数据进行比较。分析结果表明对击锤在整个运动过程中受力情况的模拟是合理的，并且仿真结果与试验值误差较小。同时也说明了步枪的轻量化对于整个击锤的寿命并无太大影响。并且还对击锤的关键部位进行了分析，分析结果表明击锤的失效形式是以变形和疲劳断裂为主的。

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