浸河水环境对某小口径步枪的动力学影响分析

李玥，王永娟

（南京理工大学，南京 210094）

枪械是武器装备中使用军种最多、装备数量最多的武器，因此必须在各种严苛的环境都能可靠使用。由于我国地域辽阔，河流众多，纵横交错，一旦发生局部战争或小规模冲突，极有可能携枪泅渡，因此GJB 3484—98环境试验中包括了浸河水环境的可靠性试验。GJB 3484—98试验结果表明，浸河水环境会对枪械的可靠性产生影响，可能会产生后坐不到位和复进不到位等故障，而目前并不了解浸河水环境对自动机的影响规律。

有许多人利用自动步枪的动力学仿真分析自动机受到的冲击、自动机在不同射击姿势下的运动特性、不同设计参数对自动机运动特性的影响以及自动机的运动可靠性。目前国内外尚没有浸河水环境因素对自动机运动特性影响的相关研究，仅有一些研究者在进行可靠性研究时考虑了环境因素。张秀华等考虑了扬尘、淋雨和扬尘淋雨环境，对9 mm手枪的开闭锁可靠性进行了分析。方峻等考虑了高低温、淋雨以及扬尘环境因素下影响抛壳和抽壳机构的因素，并提出了预测抛壳机构和抽壳动作的失效判据，最后利用蒙特卡洛法计算了出现故障的概率。

本文以某小口径步枪作为对象，利用ADAMS软件建立了自动步枪的连发虚拟样机模型，通过分析不同浓度浸河水环境下影响的参数，并通过试验测出参数变化，修改虚拟样机模型中的参数，得到该自动步枪在不同河水浓度环境下的运动特性，分析了浸河水环境对自动机运动特性。总体浸河水环境下自动机运动特性分析流程如图1所示。

图1 浸河水环境下某自动步枪的自动机 运动特性分析流程 Fig.1 Automata motion characteristics analysis process for an automatic rifle in a river immersion environment

1 浸河水环境对摩擦系数的影响分析

1.1 摩擦系数测量试验

由于在浸河水环境下，河水可通过间隙进入到自 动机内，在自动机运动过程中，由于泥沙颗粒和水的存在，会改变接触表面的相关接触特性参数。在有泥沙存在的物体表面，会使物体接触表面之间的摩擦系数较正常情况下不同。不同浸河水浓度下，自动机与导轨之间有不同的摩擦系数，通过改变摩擦系数可以模拟不同浸河水浓度下摩擦特性对自动机运动的影响。

根据GJB 3484的浸河水试验环境，以尘土粒度小于0.08 mm占75%和在0.08~0.2 mm占25%的混合颗粒制作河水。采用摩擦系数仪分别在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水质量浓度下对枪机框试件、枪机和导轨之间的摩擦系数进行测试，见图2、3。

图2 摩擦系数测试平台 Fig.2 Coefficient of friction test bench

图3 不同浓度河水 Fig.3 Different concentrations of river water

试验步骤如下：1）将导轨、枪机和枪机框试件的运动接触表面保持在干燥状态，测量枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数，将它作为初始参照；2）以GJB 3484的浸河水试验环境作为基本要求，将3个试件分别置于浸河水环境中，之后固定在摩擦系数仪平台上；3）启动摩擦系数仪，使枪机框试件匀速运动，在摩擦系数仪的显示屏上获得摩擦系数的数据；4）测量20组数据，取平均值，得到一个河水浓度下的摩擦系数；5）改变浸河水质量浓度为0、1.5、3.0、4.5 kg/m，再次运用上述步骤进行测量，得到不同河水浓度下的摩擦系数。

1.2 摩擦系数测量结果及分析

由表1可知，导轨材料与枪机材料的摩擦系数最小值均在未浸河水时，对比正常条件下导轨材料的摩擦系数，在浸河水质量浓度为0、1.5、3.0、4.5 kg/m时，摩擦系数的增加幅度分别为3.52%、17.09%、38.69%、71.86%。由此可知，导轨材料的摩擦系数在浸河水浓度增加时，其增加幅度也增大。从表1可以看出，导轨材料的摩擦系数在浸河水质量浓度为4.5 kg/m时最大。不同浓度下导轨材料的摩擦系数曲线见图4。可以看出，导轨材料的摩擦系数随着浸河水浓度的增加而增大。

表1 不同浸河水浓度下摩擦系数的测量结果 Tab.1 Measurement of the coefficient of friction at different river concentrations

对比正常条件下枪机材料的摩擦系数，在浸河水质量浓度为0、1.5、3.0、4.5 kg/m时，摩擦系数的 增加幅度分别为23.36%、51.64%、70.90%、85.25%。由图4可知，枪机材料的摩擦系数随浸河水浓度的增加而增大。在相同浸河水浓度环境下，导轨材料的摩擦系数均比枪机材料的摩擦系数小，且每种浸河水浓度环境下相差均大于20%。

图4 不同浸河水浓度下导轨和枪机材料的摩擦系数曲线 Fig.4 Friction coefficient curve of guide rail and bolt material at different river water concentrations

为预测不同浸河水浓度下枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数，利用MATLAB对试验所得数据进行线性拟合，见图5。

图5 枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数拟合曲线 Fig.5 Fitting curve of friction coefficient between bolt carrier and guide rail and bolt: a) bolt carrier and guide rail, b) bolt carrier and bolt

枪机框与导轨之间的摩擦系数在浸河水环境下的关系式为：

式中：代表枪机框与导轨之间的摩擦系数；代表浸河水浓度。对拟合曲线的优度进行分析，得到线性相关系数为0.96，认为拟合效果较好。

枪机框与枪机之间的摩擦系数在浸河水环境下的关系式为：

式中：代表枪机框与枪机之间的摩擦系数。对拟合曲线的优度进行分析，得到线性相关系数为0.98，拟合效果也较好。

根据试验结果，随着浸河水浓度的增长，枪机、导轨与枪机框材料的摩擦系数均随着河水浓度的增加而增大。相同浸河水浓度环境下，导轨与枪机框材料的摩擦系数均比枪机与枪机框材料的摩擦系数小，且相差均大于20%。

2 虚拟样机模型

2.1 模型建立

在进行某小口径步枪的虚拟样机建模过程中，不需要将所有动作以及零件都考虑进去，要根据具体的 仿真目的和需要，合理地忽略或者删减不必要的部分，在达到仿真目的同时，尽可能地简化模型。本模型的基本假设：忽略一些小质量的非重要零件；不考虑柔性体对运动的影响，将各部件均看作刚体；将机匣与地面固定；忽略弹簧的内耗。

根据步枪的工作原理，为了简化该步枪的虚拟样机模型，略去了与自动机运动过程无关的握把、上护盖等其他部件。该模型中共有22个部件，7个固定副，92个刚体碰撞，7个平移副，4个旋转副。在活塞、击锤、弹头与地面之间添加平移副，在缓冲器、连发阻铁、不到位保险与下机匣之间添加旋转副，还有1个旋转副是拉壳钩与枪机。

模型的簧力共有8个，包括5个压缩弹簧和3个扭转弹簧，其中压缩弹簧包括拉壳钩簧、托弹簧、击锤簧、复进簧以及活塞簧，扭转弹簧包括不到位保险簧、连发阻铁簧和缓冲簧。弹簧根据其设计的预压力和刚度作用，主要参数见表2和表3，其中为压缩 弹簧刚度，为扭转弹簧参数，、为预压力。

表2 压缩弹簧参数 Tab.2 Compression spring parameters

表3 扭转弹簧参数 Tab.3 Torsion spring parameters

模型还包括2个外力载荷，即枪膛合力和导气室压力。当某小口径步枪射击时，2个外力开始作用。枪膛合力根据内弹道曲线（见图6）获得，其公式为：

图6 内弹道压力-时间曲线 Fig.6 Internal ballistic pressure-time curve

式中：为次要功计算系数；为装药量；为弹头质量；为枪膛合力；为枪膛横截面积。

气室内火药气体压力的变化规律与膛内火药气体压力有关，也与导气装置的结构参数有关。对于静力作用式的导气装置，根据描述气室压力变化规律的布拉文经验公式，导气室压力为：

式中：为气室压力；为弹头经过导气孔瞬时的膛内平均压力；为气室压力工作时间；为与膛内压力冲量有关的时间系数；为与导气装置结构参数有关的结构系数；为气室火药燃气作用力；为活塞面积。通过计算得到此步枪的导气室火药燃气作用力与时间曲线，见图7。

图7 导气室火药燃气作用力-时间曲线 Fig.7 Force-time curve of gunpowder gas action in the gas chamber

由于连发模型的供弹需要存在弹头，才能保证供弹的可靠性，因此需要在弹壳与弹头之间建立固定副，以保证供弹动作的准确。由于抽壳过程中弹头已 经在枪管外，因此弹头和弹壳之间的固定副如何解脱是连发模型的重点。采用的连发方法是：在弹头上建立一个测量弹头质心方向位置的函数，利用ADAMS中的传感器，在弹头质心的坐标到达膛内位置时，运用脚本仿真将弹壳和弹头的固定副失效，同时生效弹头与枪管之间的平移副，以此来完成连发动作。建立的某小口径步枪虚拟样机模型共有35个自由度，其虚拟样机模型如图8所示。

图8 某小口径步枪的虚拟样机模型 Fig.8 A virtual prototype of an automatic rifle

2.2 模型验证

通过对实际射击试验与虚拟样机模型仿真结果进行对比，来验证模型的可信度。选择枪机框的特征点速度以及位移作为虚拟样机模型与试验对比的校对指标，试验与仿真结果对比见图9和表4、5。表5中，为枪机框最大后坐位移。根据图9和表4、5可知，试验数据与仿真数据相差不超过10%，说明建立的虚拟样机模型是相对正确的。

表4 枪机框速度试验与仿真结果对比 Tab.4 Comparison of bolt carrier speed test and simulation result

图9 虚拟样机模型与试验的自动机速度时间曲线对比 Fig.9 Comparison of velocity-time curves between virtual prototype model＇s and test＇s automatic mechanism

表5 枪机框位移试验与仿真结果对比 Tab.5 Comparison of bolt carrier displacement test and simulation result

3 浸河水环境对自动机运动的影响分析

通过对不同浸河水浓度下的自动机进行仿真，分析不同浓度下的射频和特征点速度，首先对其最大后坐到位速度进行分析，如图10所示。

图10 不同浸河水浓度下自动机的最大后坐速度 Fig.10 Maximum recoil speed of bolt carrier under different river concentration

通过在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水质量浓度下进行5连发仿真，每一组的后坐最大速度取平均值，其后坐最大速度分别为8.89、8.87、8.86、8.82 m/s，对比其正常条件下的仿真结果，相差均不超过1%，相差较小。由于自动机的后坐最大速度主要与膛内燃压力有关，因此自动机的后坐最大速度与浸河水浓度无关。

不同浸河水浓度下的各个特征点速度和射击频率如图11所示。其后坐到位速度相对于正常条件下的降低幅度分别为4.7%、6.7%、7.0%、8.9%；复进开始速度对于正常条件下的降低幅度分别为2.1%、5.3%、13.8%、16.6%；复进到位速度相对于正常条件下的降低幅度分别为2.3%、5.4%、11.7%、16.9%；射击频率相对于正常条件下的降低幅度分别为4.4%、7.5%、10.5%、13.2%。由此可以判断，各个特征点速度均随着浸河水浓度的增加而降低，射击频率也随着浸河水浓度的增加而降低，其中后坐到位速度的降低幅度最小，复进到位速度的降低幅度最大。其原因是在自动步枪进行浸河水时，其导轨、枪机框及枪机的表面都会有河水进入，以至于增大了自动机的摩擦系数，使自动机与导轨在碰撞过程中的能量损失增加；而在自动机运动过程中，复进过程比后坐过程多走了半个循环的位移，因此复进到位速度的降低幅度最大。

图11 不同浸河水浓度下自动机特征点速度和射击频率 Fig.11 Automatic mechanism characteristic point velocity and RF under different river concentrations: a) recoil in place speed;b) recovery start speed; c) recovery in place speed; d) RF

由仿真结果可知，自动机的后坐最大速度随着浸河水浓度的增加变化不大，而后坐到位速度、复进开始速度以及复进到位速度都会随着浸河水浓度的增加而降低，但降低幅度不大。后坐到位速度的降低幅度最小，复进到位速度的降低幅度最大，自动机的射频也随着浸河水浓度的增加而降低。

在浸河水环境下，缓冲器与击锤的撞击力随着河水浓度的增加而减小，如图12所示。在0、1.5、3.0、4.5 kg/m下，撞击力分别为2 527、2 463、2 267、2 106 N。这是由于河水增大了枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数，增大了自动机运动过程的摩擦力，导致自动机碰撞前后的速度均降低，减小了碰撞能量，碰撞力也随之减小。

图12 不同河水浓度下的缓冲器与击锤撞击力 Fig.12 The impact force of buffer and hammer under different river water concentrations

以枪机框从速度为0和后坐到位速度计算后坐 过程中枪机框的动能变化，以枪机框复进开始速度和复进到位速度计算复进过程中枪机框的动能变化。动能变化Δ越小，后坐或复进过程中的能量损耗越大。不同浸河水浓度环境下自动机的动能变化见图13。由图13可知，枪机框后坐和复进过程的动能变化均随着浸河水浓度的增加而减小。在河水质量浓度为0、1.5、3.0、4.5 kg/m下，后坐过程动能变化的降低幅度分别为9.1%、13.0%、13.6%、16.9%；复进过程动能变化的降低幅度分别为4.9%、10.7%、19.8%、31.1%。随着河水浓度的增加，其动能下降幅度也相应地越来越大。由此表明，浸河水环境使自动机运动时的能量损耗增加，且随着河水浓度的升高，其降低幅度越大，自动机在后坐和复进过程中的能量损耗就越大。

图13 不同河水浓度下自动机能量损耗情况 Fig.13 Energy loss of automatic mechanisms under different river concentrations: a) recoil process; b) recovery process

以0.1 kg/m的增量来增加河水质量浓度，利用得到的摩擦系数与浸河水浓度的公式，计算浸河水浓度增大后的摩擦系数，并将其代入到虚拟样机模型中，观察自动机的运动情况。当浸河水质量浓度增加到20.0 kg/m时，其自动机运动出现后坐不到位现象，此时枪机框与枪机的摩擦系数为0.976 0，枪机框与导轨之间的摩擦系数为0.798 6。当浸河水质量浓度增加到20.7 kg/m时，枪机框与枪机的摩擦系数已经达到1.0，此时自动机仍然可以在复进簧的作用下复进到位。由此可以判断枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数不能影响自动机的复进到位动作。

4 结论

1）枪机、导轨与枪机框之间的摩擦系数随着浸河水浓度的增加而增大。在相同浸河水浓度环境下，导轨的摩擦系数均比枪机的摩擦系数小，且每种浸河水浓度的环境下相差均大于20%。得到了浸河水浓度与2种摩擦系数的关系式。

2）自动机的后坐最大速度在4种不同浓度的浸河水环境下，相差小于1%，自动机的后坐最大速度与浸河水浓度无关。自动机的后坐到位速度、复进开始速度、复进到位速度以及射频都会随着浸河水浓度的增加而降低，但总体降低幅度不大，各个特征点速度以及射击频率的降低幅度都小于20%。其中，后坐到位速度在不同浸河水浓度环境下的降低幅度最小，其降低幅度小于10%；复进到位速度在不同河水浓度的浸河水环境下的降低幅度最大，为16.9%。随着浸河水浓度的增加，自动机的能量损耗也越大。

3）自动机的缓冲器与击锤的碰撞力也随浸河水浓度的增加而降低。当浸河水质量浓度到达20 kg/m时，自动机出现后坐不到位故障，此时枪机框与枪机的摩擦系数为0.976 0，枪机框与导轨之间的摩擦系数为0.798 6。枪机框与导轨、枪机之间的摩擦系数不能影响自动机的复进到位动作。

4）建立了某自动步枪的浸河水环境下的仿真模型，对不同浓度的摩擦系数进行了拟合。利用虚拟样机模型可以对浸河水环境下自动机出现的故障进行分析和不同的故障进行预测，也可将建立模型的方法运用到枪械处于不同环境时了解其自动机运动特性，与枪械环境试验技术相结合，为研制浸河水环境下的枪械提供了新的方法，也为枪械设计提供参考和依据。