身管短后坐式浮动自动机动力学仿真

苑海威,薄玉成,王惠源,徐 健

(中北大学机电工程学院,山西太原030051)

在自动武器的机构运动循环中,通常是自动机在复进到位之后击发,然后再进行后坐复进循环。当自动武器在复进过程中击发时,火药燃气压力首先要阻止复进,然后才产生后坐。这种自动武器在复进过程中击发,利用复进动量部分抵消部分火药燃气对后坐部分的作用冲量,从而大幅度减小后坐阻力,这种发射原理称为前冲击发原理,又称为浮动原理[1]。

弹簧式浮动自动机结构简单,但浮动稳定性较差,而弹簧液压式等的组合浮动自动机稳定性较好却结构复杂[1]。结构简单、易于控制而又能实现稳定浮动的浮动自动机技术是采用前冲击发原理的武器的一项重要的研究课题。

本文提出了一种应用于身管短后坐式武器的浮动自动机技术,仅采用弹簧,结构简单,而又能实现高稳定性的浮动,有效提高射击精度和射击密集度。

1 组成和工作原理

1.1 基本组成

身管短后坐式浮动自动机的结构组成如图1所示,它主要由身管、身管复进簧、身管等待机、节套、枪机、加速机构、枪机框、枪机复进簧、击发机构和机匣组成。

1.2 工作原理

系统采用开膛待击,首发浮动和定点击发的方式,首发发射时,枪机框被击发机构的阻铁挂于机匣后方,身管也被身管等待机挂住;射击时,枪机框被释放,它在枪机复进簧的作用下向前加速运动,当枪机到达身管所在位置时,与身管撞击结合,实现了闭锁,同时枪机触动身管挂机座解脱身管,使身管在身管复进簧的作用下也向前运动;然后枪机框和身管在同一速度下复进到定点击发位实现击发;击发后,身管和枪机框的前冲运动冲量被火药气体克服后,又以共同的速度后坐直到到达加速位置;在加速机构的作用下,枪机框被加速,之后它只在枪机复进簧的作用下完成后坐和复进,而身管被加速机构减速后受身管等待机作用被强制停止运动,等待下一次复进的开始,在此过程中,身管实现了在身管等待机两侧的浮动。

2 动力学模型

2.1 物理模型

在发射过程中,身管短后坐式浮动自动机的运动可简化成1个两自由度的弹簧-质量系统,其物理模型如图2所示。在此模型中,将枪机和加速机构的质量等效到枪机框的质量中,以下将枪机框、枪机和加速机构统称为枪机。

2.2 动力学模型

设身管和枪机框的质量分别为m sg和m qj,位移分别为x sg和x qj,略去作用于构件的常数摩擦力,则作用于身管的力有膛底合力,即火药气体压力Fhy,身管复进簧力F sg-fjh,作用于枪机框的力主要是枪机复进簧力F qj-fjh。以挂机时身管后端面为坐标原点O,建立坐标系xOy。该系统一个循环过程可分为4个阶段,各阶段枪管和枪机的受力分析和运动微分方程如下。

2.2.1 第1次释放枪机到枪机和身管扣合在一起(第1阶段)

该阶段枪机和身管只受各自复进簧力作用,其受力分析如图3所示。

该阶段枪机和身管的运动微分方程组为:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj,F0qj为枪机复进簧的预压力,k qj-fjh x qj为枪机复进簧的刚度系数。

2.2.2 身管和枪机框共同复进到击发位(第2阶段)

该阶段身管和枪机被扣合在一起,受枪机复进簧力和身管复进簧力的共同作用向前运动,其受力分析如图4所示。

该阶段枪机和身管的运动微分方程组为:

式中:F qj=F0 qj-k qj-fjh x qj+F0 qj-k sg-fjh x sg,F0sg为身管复进簧的预压力;ksg-fjh为身管复进簧的刚度系数。

2.2.3 身管和枪机框从击发位运动到加速位(第3阶段)

该阶段身管和枪机仍被扣合在一起,受火药气体压力以及枪机复进簧力和身管复进簧力的共同作用,其受力分析如图5所示。

该阶段枪机和身管的运动微分方程组为:

式中:F hl=F hy+F0 qj-k qj-fjh x qj+F0sg+k sg-fjh x sg,F hy为火药气体压力。

2.2.4 加速完毕后身管和枪机框各自后坐(第4阶段)

该阶段身管和枪机经加速机构作用分开各自运动,其受力分析如图6所示。

该阶段枪机和身管的运动微分方程组为:

式中:Fqj=F0qj-kqj-fjhxqj;Fsg=F0sg-ksg-fjhxsg;Fgd为枪机带动供弹机构运动的供弹阻力,这里按拨弹滑板式供弹机构计算,取

2.3 内弹道模型

火药的几何燃烧定律,燃烧速度定律,弹丸运动方程,内弹道学基本方程,弹丸速度方程见参考文献[2]。

3 动力学仿真计算

以MATLAB[3]编制的动力学仿真程序对本浮动自动机[4-5]进行仿真计算,仿真时的主要结构参数为:身管质量m sg=20 kg,枪机框质量m qj=10 kg,身管复进簧预压力F0sg=250 N,身管复进簧刚度k sg=50N◦mm-1,枪机复进簧预压力F0qj=100 N,枪机复进簧刚度k qj=2.5 N◦mm-1,初始加速位置为JSW=-11 mm,加速比k js=2;得到单发时速度-时间仿真曲线、位移-时间仿真曲线以及5连发时的位移-时间仿真曲线分别如图7～图9所示。

图8中,身管和枪机撞击结合后(A点)以共同速度向前运动,B点为火药气体作用开始点,在C点位置时,枪机和身管在加速机构的作用下分开各自运动,其中身管在D点速度时被身管挂机座挂住,等待下一发时枪机的撞击解脱,从而开始新的循环运动。

图9中,身管和枪机在A点撞击结合,在B点被加速机构分开,身管在C点被枪管挂机座挂住。

4 结 论

从系统组成、工作原理以及计算结果可得出以下结论:

1)身管短后坐式浮动自动机结构简单,仅用弹簧实现了浮动,从仿真结果可以看出原理是可行的。

2)因为每一发发射后,身管都会被身管等待机挂住,致使身管各发状态一致,从而实现了浮动的高稳定性,即使在实际的结构中,自动机的稳定性可能由于各种原因而降低,但相对稳定性还是最高的。

3)由于身管每次发射都会被身管等待机强制停止运动,所以该种浮动原理只能用在对射速要求不高的武器上。

[1] 徐诚,王亚平.火炮与自动武器动力学[M].北京:北京理工大学出版社,2006:164-187.XU Cheng,WANG Ya-ping.Gun&automatic w eapon dynam ics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2006:164-187.(in Chinese)

[2] 鲍廷钰,邱文坚.内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2004:50-55.BAO Yan-yu,QIUW en-jian.Interior ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004:50-55.(in Chinese)

[3] 龚纯,王正林.M ATLAB语言常用算法程序集[M].北京:电子工业出版社.2008:68-80.434-440.GONG Chun,WANG Zheng-lin.Summarize of MATLAB language common algorithm program[M].Publishing H ouse of Electronics Industry,2008:68-80.434-440.(in Chinese)

[4] 姚养无,王刚.大口径机枪低后坐浮动技术研究[J].华北工学院学报,2001,22(4):289-293.YAO Yang-w u,WANG Gang.Study of large caliber machine gun low recoil floating technology[J]Journalof North China Institute of Techno logy,2001,22(4):289-293.(in Chinese)

[5] 姚养无,张小兵,王刚.大口径机枪浮动技术试验研究[J].华北工学院学报,2001,22(1):61-65.YAO Yang-w u,ZH ANG Xiao-bin,WANG Gang.Study o f large caliber machine gun floating technology[J].Journal of North China Institute of Technology,2001,22(1):61-65.(in Chinese)