某榴弹发射器应用缓冲器发射技术研究

张 涛，廖振强，唐 建

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

榴弹发射器最主要的作用是摧毁装甲车，对具有一定掩护和伪装措施的实体进行打击，以此对敌方力量进行消灭。由于其在战场上表现出色，以至关于榴弹发射器的研究越来越多，这就决定了其必将在今后较长时间的战场上仍旧会有较大的影响，甚至发挥更为出色的作用。为了保证发射器的射击精度，研究人员设计了多种低后坐发射技术。装有枪身缓冲器的武器系统，枪弹发射后，在后坐力作用下，枪身沿枪弹飞行反方向运动，在枪身缓冲装置的影响下，可以减小后坐力对射击枪手的影响，同时枪身也会依靠枪身缓冲装置复位。本文采用对发射器添加缓冲器的方法，包括驻锄缓冲器、枪身液压和弹簧缓冲器，以此分析缓冲器对发射后坐特性及射击精度的影响。

1 缓冲器结构及原理

1.1 驻锄缓冲器

驻锄在结构形式上分类较多，一般可分为马蹄形、V型和雪橇型等［1］。文中的30mm榴弹发射器驻锄采用的是V型驻锄，分别由V型驻锄板、缓冲簧、缓冲簧杆和滑板组成。

将驻锄固定在土壤中，脚架与驻锄采用弹簧在水平方向上(即膛线方向上)进行铰接，其理论分析模型如图1所示，滑板沿水平缓冲簧杆滑动，由于是双向弹簧缓冲，水平滑动受弹簧力制约。

图1 驻锄缓冲器理论分析模型图

1.2 枪身液压缓冲器

随着液压技术越来越成熟，其应用也越来越广泛。在减小机械系统中负面冲击的各种手段中，运用液压缓冲器是一个较好的选择，相较于传统的缓冲器，其缓冲效率和衰减系数都大为提高［2］。

根据枪身和架座的相互连接特点，在枪身与架座之间通过缓冲器连接的架座称为缓冲架座，它是靠缓冲装置来吸收枪身的后坐能量，以减小后坐力。液压缓冲器的具体结构如图2所示，其中液压缓冲器由以下几部分构成：液压缸、液压缸盖、缓冲簧、活塞、活塞杆和密封元件［3］。

从图2可知，液压缸与架座相连，在ADAMS动力学模型中，可以将两者设为固连约束;活塞杆两端和枪身相连，在仿真中也可以选择固连方式。液压缸中充满液压油，即分别在A、B两室中充满液压油。

图2 液压缓冲器示意图

榴弹击发后，在枪膛合力的作用下，枪身后坐带动活塞杆也向右后坐，由于力的作用的相互性，与液压缸固连的架座也受到与枪身后坐方向相同的液压油挤压力和弹簧压缩力作用。活塞相较于液压缸向右沿后坐方向运动，则B室体积明显减小，导致B室内液体压力增大，同时缓冲簧也被压缩。在活塞和液压缸之间存在环形状的空隙，液压油被压迫从环形空隙中流到A室内，环形空隙面积很小，液压油通过时会高速地通过进入A室，因此会对活塞的继续向右运动产生很大的阻力，从而对整个榴弹发射器的后坐起到缓冲作用。缓冲簧本身也能对活塞的运动产生阻力，被压缩之后，存储活塞和活塞杆复进的能量。当后坐到位后，活塞杆连同枪身复进，缓冲簧提供一定的复进能量，同时液压油也从A室流到B室中。

1.3 枪身弹簧缓冲器

榴弹发射器的枪身和架座除了使用液压缓冲器外，还可以使用弹簧缓冲器。在发射器上安装适合的弹簧缓冲器不仅能改善枪架的受力情况，还可以减小枪架振动，同时击发的稳定性也可以得到保证。常见的枪身弹簧缓冲器有2种［4］：有预压双向弹簧缓冲器和无预压单向弹簧缓冲器。

a．有预压双向弹簧缓冲器，如图3所示。

图3 有预压双向弹簧缓冲器

在图3中，缓冲簧装在缓冲器筒中，缓冲器筒和架座固连，连杆上的耳环与枪身连接，在枪身后坐过程中，耳环与连杆也一起后坐，由于后垫圈的阻挡，缓冲簧后端不能移动，缓冲簧受到挤压;后坐到位后，缓冲簧开始伸张推动与连杆相连的枪身复进;复进到位后，枪身的速度达到峰值，继续前冲，由于前垫圈的作用，缓冲簧再次受到挤压;前冲到位后缓冲簧又开始伸张，枪身又作返回运动。这样枪身的运动完成了一次循环，包括后坐、复进、前冲和返回4个阶段。

b．无预压单向弹簧缓冲器，如图4所示。

图4 无预压单向弹簧缓冲器

从图4可以看出，对于枪身和架座采用单向弹簧缓冲器，枪身复进到位后前冲会受到阻挡。在实际设计中，因复进到位后再前冲时，将直接撞击到枪架，导致枪架产生一定的弹性变形。

2 榴弹发射器虚拟样机建立

2.1 模型建立

由于30mm自动榴弹发射器的三维实体模型本身零部件比较多，也相对比较复杂，本文采用SolidWorks软件建立榴弹发射器的实体模型。将在SolidWorks中的30mm自动榴弹发射器的三维模型保存为．x_t格式，以此为中间格式，将文件导入到ADAMS动力学仿真软件中，即可实现在ADAMS动力学仿真软件中初步建立模型。

将榴弹发射器实体模型导入ADAMS中，在建立各个零件间的约束时，由于存在很多的小零件，导致约束副过多，动力学微分方程的数量过于庞大，从而导致计算时间过长，因此需要将一些小的零部件进行合并或者删除，最终30mm榴弹发射器在动力学软件中的模型如图5所示。

图5 榴弹发射器动力学模型

2.2 添加约束

约束是对系统中一个或多个部件的运动做出限制。30mm榴弹发射器组成零件较多，进行简化后还有19个零件，仍然需要根据各个零件的相对位置和相对运动状况来定义不同的约束，尽最大可能地为模拟榴弹发射器的榴弹发射做好准备工作。

榴弹发射时应用不同的缓冲器，在仿真模型中添加的约束也有差异。现对各种缓冲器条件下的约束添加作简要说明：

a．驻锄缓冲器下的约束添加。根据各零件之间的相对运动关系添加相应约束，注意驻锄与地面固连，驻锄与脚架之间添加平移副和弹簧。

b．液压缓冲器下的约束添加。30mm榴弹发射器在脚架和枪身间添加液压缓冲器，由于假设架座、两脚架和驻锄均为刚体，所以发射器的动力学模型可以简化为单自由度弹簧质量系统，而液压缓冲器可以简化为弹簧-阻尼系统［5］，即在枪身和脚架间添加弹簧-阻尼装置，其中弹簧和阻尼参数的设定要把液压阻力考虑进去。

c．弹簧缓冲器下的约束添加。与液压缓冲相似，在枪身和脚架间添加不同形式的弹簧阻尼装置。

2.3 施加载荷

榴弹发射器在发射弹丸的一个周期过程中，受力复杂，其主要的载荷激励包括：下机框与机头、机头与机匣、机头与弹丸、弹丸与抛壳挺、拉壳钩与弹丸等相互碰撞时形成的碰撞力以及自动机后坐的碰撞力;缓冲杆和缓冲杠杆、弹丸和弹匣底板、上机框与机匣、机匣与枪管等相互作用的弹簧力;膛内火药气体对机头的作用力以及导气室内气体对活塞的作用力。对于碰撞力，在ADAMS中设置碰撞零件间刚度、阻尼和侵彻深度等;对于弹簧力，则在添加弹簧力时设置相应的弹簧刚度和阻尼。文中涉及到的以外力形式添加的载荷主要是火药气体对膛底(即对机头)作用力和导气室中气体对活塞的作用力。

运用MATLAB软件编程获得以文本格式保存的膛内火药气体和导气室火药气体压力曲线，将TXT文本数据以样条曲线的格式导入到ADAMS软件中，在函数定义中采用AKISPL函数调用样条曲线，得到膛压曲线和导气室气体压力曲线。图6和图7分别为膛内和导气室内气体压力随时间变化曲线。

a．内弹道和后效期气体压力时间曲线。

由图6可知，当火药被点燃后，膛内压力瞬间上升，当压力突破弹丸的气动压力后，弹丸开始脱离弹壳向前运动，膛内的体积变大，随着火药燃烧结束，火药气体压力值以较快的速度下降，当弹丸出枪口后，膛内的气体压力将降到与大气压相当。

图6 膛内火药气体压力曲线

b．导气室气体压力时间曲线。

由图7可知，当弹丸经过导气孔后，膛内气体迅速进入导气室并使得其气室压力很快增高，随着活塞推动机框使得气室容积变大，同时伴随着膛内压力的降低，导气室压力也开始降低。

图7 导气室内气体压力曲线

3 基于ADAMS的仿真与分析

3.1 有无驻锄缓冲器仿真结果分析

对30mm榴弹发射器(有无驻锄两种情况下)运用ADAMS软件进行仿真，得到机框的绝对速度和位移、后坐力、枪口跳动速度、枪口跳动位移以及枪口跳动距离等参数并作分析，表1是对以上参数的分析结果。

从表1中对比结果可知，驻锄缓冲器本身对机框复进和后坐行程中的最大速度影响很小，对机框的绝对位移的影响也较小。由于驻锄缓冲器本身阻碍了枪身的后坐和复进，因而驻锄双向缓冲情况下发射引起的机框绝对位移要略小于无驻锄缓冲下的发射。

对比榴弹发射器最大后坐力，由于有驻锄弹簧的缓冲作用，后坐力明显降低;再对比榴弹出膛口时刻，枪口的跳动角度、跳动速度和跳动距离，有驻锄缓冲的仿真结果也都优于无驻锄缓冲下的榴弹发射仿真结果。

表1 有无驻锄缓冲器仿真结果对比

综上考虑，双向驻锄缓冲下榴弹发射器的稳定性要优于无驻锄缓冲。

3.2 液压和弹簧缓冲器仿真结果分析

分别在液压缓冲器和弹簧缓冲器条件下仿真，得到榴弹发射器后坐特性参数。为了更好地展现仿真结果的优劣，将各个结果统计到表2中，通过对仿真得到的主要参数进行研究，可以对不同方案进行评价。

表2 不同方案的仿真结果对比分析

表2中最显著的差异在于最大后坐力和缓冲器阻力最大值，而复进和后坐最大速度以及机框复进最大位移差异均不大。

对比分析后坐力，可以发现：相较于无预压单向缓冲器而言，添加液压缓冲器的最大后坐力是其最大后坐力的62．03%，添加有预压双向缓冲器的最大后坐力是其最大后坐力的82．4%，可见使用液压缓冲器对减后坐的效果是最明显的;由于液压缓冲器减后坐效果最明显，其阻力的峰值也最大;对于两种弹簧缓冲器，因为存在初始压力的差别，无预压单向缓冲器的最大阻力值大于有预压双向缓冲器的最大阻力值。

4 结束语

本文以30mm榴弹发射器为研究对象，考察其在几种不同的缓冲装置下的发射后坐特性，仿真结果表明，使用液压缓冲器时减后坐的效果最明显，在有效减小对射手的冲击的同时还提高了射击精度。研究结果为低后坐力发射技术提供了一条可行途径，能为以后进一步研究低后坐发射技术提供一定的指导。

［1］ 张军挪．缓冲驻锄枪架的结构设计及参数优化研究［J］．中北大学学报：自然科学版，2011，32(3)：276-279．

［2］ 雷天觉．液压工作手册［M］．北京：机械工业出版社，1990：1663-1665．

［3］ 宫鹏涵，李永建，陈锦喜．某自动榴弹发射器缓冲器设计与动力学仿真［J］．液压与气动，2011(3)：7-9．

［4］ 宋志广．有限元法在复合材料机枪枪架研制中的应用［J］．四川兵工学报，2000，22(1)：18-20．

［5］ 王刚，姚养无，张伟．反器材步枪应用弹簧液压缓冲器理论分析［J］．华北工学院学报，2003，24(3)：227-229．

［6］ 高建彪．某型自动榴弹发射器自动机动力学特性［J］．机械工程与自动化，2013(4)：48-49．