滚柱刚性闭锁机构设计及动力学仿真研究*

陈青华，袁志华，谭千钧，胡 明

（沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159）

0 引言

为了保证自动机可靠地发射弹丸，并使其获得规定的初速，应当在推弹进膛之后，枪机关闭弹膛，并顶住弹壳，以防止弹壳在高膛压时后移量过大而发生横断和火药燃气后逸。在弹丸飞出枪口，膛压降到安全值之后，能及时打开弹膛，以便完成后续的自动循环动作[1]。闭锁机构是枪械中保障安全发射与保证弹道性能的关键部件，根据工作方式分为刚性闭锁和惯性闭锁两大类。本文所研究的滚柱刚性闭锁，突破滚柱原有的只能采用自由枪机的自动方式，与导气式自动方式相匹配，传动效率高，运动面磨损小，运动稳定性能好[2]；传速比大，既能增加转换质量，又能加速机体，从而有效地延缓了开锁，以滚动代替滑动，能够减小甚至消除楔紧现象。解决惯性闭锁步枪在自动循环动作过程中对枪机质量要求过高，对其发射的枪弹威力大小限制的问题。支撑面对称布置，能满足现代步枪对精度的需要。闭锁支撑面可布置在距身管尾端较近处，受载变形长度短，有利于闭锁机构刚度的提高，可减少断壳故障[3]。闭锁机构有足够的强度和刚度，能承受发射时的巨大膛压不断裂不变形；动作灵活可靠，小巧紧凑结构简单。闭锁支撑面积可大可小，在不增加横向尺寸的情况下，闭锁滚柱可作成多排，使支撑面积扩大，适合发射大威力枪弹。工作面多为平面，只有少数斜面和圆弧面，加工容易，这在需要大批量生产和生产条件简陋时，比较有优势。结构呈组件存在，拆分容易，便于维护。

1 闭锁机构的设计及运动原理

1.1 闭锁机构的设计

开闭锁机构是自动机的重要组成部分，其作用一是保证枪机推弹入膛后能够闭锁弹膛，支撑弹壳，防止膛压过高导致后移量过大从而造成横断以及火药燃气过早后逸；二是在弹丸飞出枪口，膛压降至安全值后，能够及时安全打开弹膛，以便完成后期的自动循环动作。具体结构[4]如图1所示。

设计的闭锁机构是由枪机、枪机框、滚柱、机匣和枪管组成。

1.2 运动原理

该闭锁结构与导气活塞自动方式搭配。枪弹击发后，部分火药燃气经导气孔作用于导气活塞。枪机框与导气活塞相连接，导气活塞和枪机框共同向后运动，同时滚柱在枪机框开锁斜面的作用下沿机匣内设定凹槽径向相反运动[5]。当滚柱完全脱离枪机闭锁凹槽时，枪机会在枪机框的作用下向后运动，完成开锁，而后两者共同完成后坐运动，后坐到位后，枪机和枪机框在复进簧的作用下向前运动。枪机运动到位，枪机框继续向前运动，压缩缓冲簧，同时滚柱在枪机框闭锁斜面的作用下沿机匣内设定凹槽径向相向运动，完成闭锁[6]。运动过程如图2所示。枪机框与导气活塞相连接，在导气活塞的作用下枪机框向后运动，而滚柱则沿导向凹槽产生径向运动。

在火药燃气作用下，枪机产生后坐运动，带动滚柱沿导向凹槽斜向段产生径向运动，完成开锁，当滚柱完全离开导向凹槽的斜向段时，枪机会继续向后运动，开锁完成。枪机运动到位后，在复进簧的作用下完成复进动作，而滚柱则沿预设导向凹槽发生径向相向运动，完成闭锁。

2 动力学建模

为了便于分析，在忽略一些次要影响因素的基础上建立滚柱刚性闭锁的动力学模型，在开闭锁动作中，枪机框和枪机的运动可简化为一个自由度的弹簧-质量系统[7]。其物理模型如图4所示。

其运动受力过程可分为4个阶段。设xqj为枪机位移，Fdgcosα为导杆施加在枪机上的合力vqj为枪机的速度，mqj为枪机的质量，kfjh为复进簧的刚性劲度系数，xjk为枪机框的位移，Fdk为弹底所受膛压，mjk为枪机框质量，khch为缓冲簧的劲度系数，Fdg为导杆力，基于以上参数对枪机和机框运动受力过程进行分析，具体分析过程如下页图5所示。

第1阶段开锁阶段，此阶段枪机静止，枪机受弹底膛压和导杆分力作用，枪机框受导杆力和复进簧的合力作用，其受力分析如图6所示。

该阶段枪机和机框的运动微分方程为

第2阶段，此阶段开锁完成，枪机在膛压的作用下后坐，枪机框继续向后移动，此阶段枪机与缓冲簧不接触。该阶段受力分析如图7所示。

该阶段的枪机和机框运动微分方程为

第3阶段，此阶段枪机在膛压的作用下不断加速直至撞到连接在机框上的缓冲簧，在缓冲簧的作用下减速至与机框相同速度。该阶段的受力分析如图8所示。

该阶段枪机和机框的运动微分方程为

第4阶段，此阶段枪机在复进簧和缓冲簧的作用下，枪机开始复进，由于受缓冲簧的作用，枪机加速度大于机框的加速度，枪机先复位停止，其受力分析如图9所示。

该阶段枪机和机框的运动微分方程为

3 动力学仿真

基于UG软件建立三维模型，然后把UG中已经建好的三维模型导入ADAMS中，对各个零部件的质量、名称、颜色等基本特征进行定义，生成刚体建模过程[8]。在考虑构件之间运动和受力作用的前提下，遵循从简到繁，由局部到整体的原则，从子系统到整个系统的方法进行逐个分析。因为模型在导入仿真软件时，零件过多在仿真软件中难以处理，而且还有很多因素对仿真结果的影响也是微乎其微的，所以需要根据建模的目的和所要研究的内容来合理确定对系统模型有决定性的影响因素，忽略一些次要因素和某些非可测变量的影响，从而建立起简单清晰，又基本能够反映所研究系统变化规律的简化模型[9]。

利用Adams对开闭锁机构进行运动学仿真。根据闭锁机构设计，对不动的零部件添加固定约束；复进卡铁和抽壳钩对枪机添加旋转约束；缓冲件、枪机、枪机框、输弹板等添加移动约束[10]。进而添加载荷，其中复进簧的刚度为0.1 N/mm，预压30 N。输弹簧刚度为0.2 N/mm，预压20 N。2个缓冲簧刚度为1.5 N/mm。通过仿真得出枪机位移曲线如图10所示，枪机速度曲线如图11所示，枪机加速度曲线如图12所示。

由图11可知在0 s～0.003 s的时间段，枪机由于受到滚柱闭锁的限制无法运动，速度为0，位移为0，0.003 s～0.035 s时间段枪机完成后坐动作，0.035 s枪机达到后坐最大位移，0.035 s～0.085 s时间段枪机实现复进动作。

由图12可知0 s～0.003 s时间段，由于枪机受到滚柱闭锁机构的限制无法运动，所以速度为0，与图11的枪机位移曲线图相吻合，枪机速度为0，0.003 s～0.035 s由于火药燃气作用速度增长迅速，而在0.035 s时刻速度方向发生变化表明枪机达到后坐的最大位移。

由图12可知在0.003 s时刻速度加增长剧烈，火药气体压力作用于活塞，所以其加速度突然变大，在0.075 s枪机撞到缓冲簧，在缓冲簧的作用下加速度出现短暂的增长。

由于枪机的质量没有发生变化，则以上也为枪机组件的合力图。根据曲线图分析可知：在0 s～0.003 s的时间段，枪机由于受到滚柱闭锁的限制而无法运动，此时速度为0，位移为0。在0.003s时，由于受到枪机框的碰撞，枪机加速度急剧增大；在0.003s～0.035s的阶段枪机在枪机框的带动下后坐，速度变大。在0.035 s的时候出现波谷是由于枪机已运动到极限位置，而后枪机碰上了缓冲簧，力的变化较为明显，之后枪机运动停止。在0.035 s～0.085 s的时间段，枪机框在复进簧的作用下，带动枪机开始推弹，进而推弹力又变得较微弱，直到上弹完成，运动结束。符合实际的运动状况。

4 结论

通过对传统闭锁机构的优缺点进行分析，提出了将滚柱式惯性闭锁和导气式相结合的滚柱刚性闭锁机构。该机构以火药气体对活塞的作用力为能量来源，使枪机框的闭锁斜面与节套中的相应导引面相互作用，通过移动闭锁滚柱完成枪机与枪管之间的开锁闭锁动作，进而能避免导气式回转刚性闭锁中产生的楔紧现象；在开闭锁过程中因为动作能源有力可靠，使其工作更加顺利，射击更加平稳。并对该机构进行理论分析和动力学仿真，验证了闭锁方案的合理性，可以实现闭锁的工作。本设计方案的提出为枪械闭锁机构的设计提供了一种新思路，可继续对本设计进行细化和优化，以期早日工程化。