弹簧双向工作延迟机构设计与分析

吴 臣，杨 臻，徐伏波

(1.中北大学，太原 030051;2.国营第二三六厂，重庆 402260)

国内外许多手枪和轻型、微型冲锋枪采用自由枪机式自动原理;许多自动榴弹发射器也采用这种自动原理。自由枪机式武器是依靠枪机的惯性来关闭弹膛，它的枪机结构为一体式，且与机匣或枪管不是刚性扣合;发射时在膛底合力的作用下枪机可以自由向后运动。因此，为了保证自由枪机式武器正常工作就必须采用大质量的枪机。然而大质量枪机所带来突出的问题是枪机后坐到位时对机匣的撞击剧烈，这将影响到射击的精度［1-2］。

半自由枪机后坐方式又称延迟后坐方式，广泛应用在自动武器中。它是通过转换质量方式使较小的质量构件具有较大惯性力来实现降低后坐速度、减小后坐对机匣的撞击有利于提高武器射击精度。

在整个后坐过程中，弹簧作为主要储能器件，在结构运动中起到关键作用。现阶段自动武器中的缓冲簧多为一端固定另一端受压，簧力随后坐位移成线性分布。如果在后座过程中实现固定端与后坐方向反向运动，在后座结束前缓冲簧尾端归位，通过结构运动调整后坐与复进过程缓冲簧力分布，可实现同一缓冲簧在同样后坐行程中做功提高，对减小后坐速度、武器质量以及结构布局的优化有着重要意义。

本文依据上述设想提出了一种在传统滚柱式延迟后坐方式的基础上提高弹簧工作效能的新型延迟后坐机构，可称为弹簧双向工作延迟机构。

1 弹簧双向工作延迟机构原理

传统的滚珠式延迟后坐方式中，主动件通过滚柱推动从动件运动，主动件传递一部分动能给从动件，然后从动件与主运动件一起后坐［1～2］。如西德G3步枪所采用滚柱延迟机构如图1所示。如果从动件与主动件反向运动，从动件存在的动能来抵消主运动件的动能，则可以更大程度上提高减速效果，如图2所示。

图1 传统的延迟后座方式工作原理

图2 工作构件作用简图

弹簧双向工作延迟后座结构如图2所示。其中1为后坐运动件，是机构的基础构件;2是缓冲复位簧是机构储能部件;3是惯性块为平移复位簧支撑件，它可作平动;4是滚轴是力传递构件;5是固定座为固定构件，支撑枪管。

后坐运动时，后坐运动件通过导引槽推动滚柱向下运动，滚柱作用在惯性块的斜面上，推动惯性块向前运动压缩复位簧，后坐一段行程后通过导引槽上抬滚柱让位，惯性块在复位簧力作用下归位，后坐运动件继续后坐直至到位。

复位时，1号件在弹簧作用下向前运动并通过导引槽使滚柱先向下运动，传递一部分能量给惯性块，推动惯性块向前运动，压缩弹簧。经过一段行程导引槽上抬滚柱，滚柱为惯性块让位，惯性块在簧力作用下归位，1号件在簧力作用下复进到位完成复进动作。

整个运动循环过程中1号件出现了3次能量的传递。后坐时1号件通过滚柱下压惯性块，通过转换质量原理加速块提供一较大的转换质量，1号件速度降低。惯性块压缩弹簧把从1号件传递过来的能量传递给弹簧，使弹簧力提前达到一峰值，提高弹簧对1号件的减速效果。复进时在簧力作用下1号件复进，经过一段行程后通过导引槽再次下压滚柱，再次传递一部分动能给惯性块，1号件速度降低。

这3次减速的效果前两次降低后坐速度，减少后坐到位撞击力，第3次降低复进中间过程的速度提高供弹动作的平稳性，减小了到位速度，降低了前冲力。

2 机构设计与分析

为验证该结构的优越性，本文利用弹簧双向工作延迟机构原理针对某型号自由枪机式手枪进行改进设计，并且利用ADAMS软件分别对原枪结构和改进的设计方案进行动力学仿真，然后利用Matlab调取结果数据并对比2种结构数据曲线。

2.1 结构模型及参数的对比

利用UG软件对原枪枪机采用延迟结构原理进行改进设计。对原枪一体的固定座改为加速块与固定座两部分。并对枪机其他位置进行减重设计来保证2种质量参数一致。两种模型运动机构初始参数如表1所示。两种方式结构运动机构装配图如图3、图4所示。2

图3 自由后坐结构模型

图4 加延迟后座模型结构

表1 运动件参数

.2 后坐力样条曲线

利用Akima函数对两种枪机施加的内弹道膛压样条曲线如图5所示。对模型施加初始约束条件运行仿真。

图5 内弹道后坐力曲线

2.3 调取延迟后坐结果数据

由仿真结果可知，延迟后坐机构中枪机后坐通过曲线槽下压滚轴推动加速块往枪口方向运动，加速块与滚轴脱离瞬间速度为-13 m/s(图6);加速块在0.00287 s时在弹簧力作用下与枪机达到相同速度6.8 m/s;此时弹簧力达到第一个峰值65.77 N;加速块在弹簧作用下继续加速运动，在0.00381 s时加速块运动到位，此时弹簧力达到第一个极小值61.21 N(图7)，加速块停止运动，枪机继续后坐压缩弹簧直至后坐到位，簧力达到最大值。枪机在簧力作用下枪机复位。滚轴沿着曲线槽先下压加速块，加速块向前运动，在即将复进到位时滚轴上抬让位加速块在弹簧力作用下在此归位。

图6 半自由后坐枪机与加速块速度曲线

图7 2种结构缓冲复位簧力曲线对比

2.4 调取两种仿真结果对比分析

依据仿真结果数据绘制两种后坐方式下的自动循环图，如图8所示。从图8中可知，自由后坐的最大后坐速度为8.58 m/s，半自由后坐的最大后坐速度7.49 m/s。自由后坐后坐到位速度为 7.2 m/s，半自由后坐后坐到位速度为5.36 m/s。

半自由后坐枪机复进过程中滚柱先下压加速块这个过程对枪机进行第二次减速，在30 mm位置时由速度同为-3.44 m/s到27.2 mm 时半自由后坐枪机速度为 -3.34 m/s，自由后坐枪机-3.63 m/s，速度下降0.3 m/s对于该自动武器来讲在这个阶段是推弹入膛的时期，对枪机进行一次减速可以降低因撞击进弹震动，降低卡弹、顶弹等故障的可能性。随着滚柱上台让位，加速快归位，枪机复进到位。自由枪机到位速度-4.38 m/s，半自由后坐到位速度 -4.2 m/s速度下降0.18 m/s。复进到位速度有所降低，对自动武器前冲震动有降低效果。

图8 2种结构枪机速度循环图对比

依据图9(a)所示，分别对后坐过程中的簧力变化时间积分，自由后坐的后坐行程内弹簧总作用冲量 Ih1是0.4046 N·s;半自由后坐的后坐行程内弹簧总作用冲量Ih2为0.5185 N·s。可以算得冲量提升比为28.15%。

依据图9(b)所示，分别对后坐过程中的簧力变化位移积分，自由后坐的后坐行程内弹簧作用功W1为3.084 J;半自由后坐的后坐行程内弹簧作用功W2为3.2628 J。可以算得做功提升比为5.8%。

图9 2种结构后坐过程中弹簧力变化曲线

依据图10，枪机对固定座的撞击力分析可知，自由后坐只有一个主要的脉冲力，大小为34090 N。而延迟后坐机构在后坐过程中首先滚柱推动加速块运动，这个过程中滚柱对固定座产生一个6238 N的脉冲力，而在后坐到位时，枪机对固定座的脉冲力为26600 N，与自由后坐的撞击力相比下降了7490 N，下降比为22%。

图10 2种后坐到位对固定座的撞击力曲线

4 结论

本文通过对传统滚柱式延迟机构进行分析，提出新的滚柱式弹簧双向工作延迟机构原理，并对应用于实际机构。对比结果数据，验证了该结构的优越性。

利用该结构有效降低后坐到位的速度，改善射击后坐力，这有利于提高射击精度。利用该结构提高弹簧作用效率，优化弹簧设计空间，有利于系统结构设计紧凑。利用该结构在复进过程中对主运动件进行二次减速，可降低复进过程中参与运动机构的速度，提高进弹过程的机构运动平稳性。

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