某型大口径机枪地面适应性分析

范智滕，王瑞林，李永建

(1.西北核技术研究所，陕西 西安　710024；2.军械工程学院，河北 石家庄　050003)



某型大口径机枪地面适应性分析

范智滕1，2，王瑞林2，李永建2

(1.西北核技术研究所，陕西 西安710024；2.军械工程学院，河北 石家庄050003)

为研究某型大口径机枪的地面适应性，在分析了该枪架刚度的基础上，以该机枪为研究对象，不考虑枪架的弹性变形，分析不同地面与驻锄间的相互作用，建立了机枪在不同地面射击时的稳定性理论模型。通过计算，结果表明该机枪有很好的地面适应性。对不同的驻锄结构进行分析，提出了勤务使用方面的指导意见，发现了机枪采用不同驻锄结构射击时稳定性不同的本质，并依此提出了驻锄结构优化方案。通过理论建模与对比分析，在一定程度上说明了优化方案的可行性。

大口径机枪；地面适应性；驻锄；稳定性；理论模型

某型大口径机枪的作战区域主要位于海拔较高的高原山地，严酷的作战环境要求该机枪必须适合山地复杂环境架设，并在多种地面环境下都有良好的射击精度。在该机枪的设计过程中为减轻质量提高机动性，在枪身尤其是枪架的设计上采用了大量新材料和新工艺，但是，武器系统质量的减小不可避免地会带来射击精度的降低。因此，必须对其地面适应性进行充分的论证研究。

根据以上背景，笔者从机枪在不同地面上射击时的稳定性理论模型入手，对该机枪的射击稳定性进行计算和分析，得出了相关结论并在此基础上进行了驻锄的结构优化。

1　枪架刚度的计算

所谓枪架的刚度，是指作用于枪架端点的外载荷与所产生的位移的比值，用刚度系数C来表示。枪架所受的主动力主要是枪身后坐阶段的作用力，枪架的变形主要体现在后架杆部分，因左后架杆和右后架杆在结构上是对称的，计算时可先计算单个后架杆的刚度，并计算在最大后坐推力作用下的枪架变形。

1.1枪架刚度计算模型

枪架刚度的计算模型如图1所示。图中x1表示AB架杆(托架)变形引起的位移；x2表示BC架杆(后架杆)变形引起的位移；J1、J2分别为托架、后架杆的截面惯性矩；l1、l2分别为托架、后架杆的长度。

后架杆刚度C1的计算公式为

由材料力学知

式中：E1、E2分别为托架、后架杆的弹性模量；R1为枪架所受后坐推力沿单个后架杆方向上的分力。

一般情况下，托架的刚度比较大，抗弯刚度E1J1相比E2J2大得多，可略去其弹性变形的影响，根据上述公式可求出后架杆的刚度为

(1)

因该机枪后架杆的截面为矩形，其截面惯性矩为

式中：B为架杆截面外表面的宽度；H为架杆截面外表面的长度；b为架杆截面内表面的宽度；h为架杆截面内表面的长度。

1.2计算结果及分析

相同的枪架刚度对不同机枪的作用效果是不同的，这在一定程度上取决于机枪传递给枪架的作用力，为研究该机枪枪架的作用效果，用枪架受最大后坐推力下所产生的位移作为衡量指标，对枪架刚度的影响进行评估。

该型大口径机枪三脚架的简图如图2所示，该机枪的枪架为一支点在前，两支点在后的结构形式，两后架杆间的夹角为φ。

针对该结构，作用于单个后架杆上的力F1为

(2)

后坐推力R在机枪铅垂面上引起A点的位移为

(3)

该型大口径机枪的外机匣与三脚架刚性固连，在计算枪架所受的后坐推力时可等同为枪架的一部分。内、外机匣间由浮动簧和浮动体后缓冲簧连接，由于射击过程中内机匣在外机匣上运动时前后均不发生刚性碰撞，所以枪架所受的最大后坐推力为浮动簧、浮动体后缓冲簧压缩最大时的弹簧力和浮动体对外机匣的滑动摩擦力之和。

滑动摩擦力为

Fhd=ffdQfd

式中：ffd为浮动体与外机匣间的滑动摩擦系数；Qfd为浮动体的质量。

根据设计图纸参数，浮动簧的极限工作长度为H3=95mm，浮动体后缓冲簧的极限工作长度为H2=104mm，则后坐力最大值对应浮动簧的长度为95mm，浮动体后缓冲簧的长度为104mm，各弹簧的刚度系数如表1所示。

表1　弹簧参数

则各弹簧力分别为

浮动簧力

F1=k1(H0-H3)

浮动体后缓冲簧力

F2=k2(H0-H2)

则枪架受到的最大后坐推力为

Rmax=Fhd+F1+F2

另外，计算机枪位移的初始参数为：E=110kN/mm2， B=31.4mm， H=37.15mm， h=35.75mm，l1=160mm，l2=750mm，φ=27°。可得

将计算所得数据与89式重机枪的最大后坐力4 560.0N[1]进行对比，发现该型大口径机枪的后坐力得到了大大减小，并且该机枪在最大后坐推力作用下在铅垂面上引起的位移值很小。因此，在该枪射击稳定性建模分析中，可以不考虑枪架的弹性变形，视枪架为刚性结构。

2　稳定性理论计算

该型大口径机枪的枪身运动部分与外机匣通过弹簧连接，外机匣与枪架固定连接，因此可将外机匣视为枪架的一部分，并将枪架按缓冲枪架来计算。

2.1基本假设

为了建立机枪稳定性模型，并在一定程度上简化计算，提出以下基本假设[2]：

1)枪架在水平地面上平射。

2)不考虑枪架的弹性变形，视为刚性。

3)发射时所有作用在机枪上的力或其合力皆位于垂直对称面内。

4)射击时，机枪各支点不下沉。

2.2理论模型

由于枪架与枪身运动部分间存在相对运动关系，在分析枪架的受力前，必须首先研究机枪运动部分的受力及缓冲运动规律，受力分析如图3所示。图中Ft为膛底压力；Fh为缓冲簧的抗力；Fm为内机匣与外机匣间的摩擦力；Qs为枪身运动部分的重力；e为枪身运动部分质心到枪膛轴线的距离。

可列出枪身运动部分的运动微分方程为

(4)

根据上述假设和枪身运动部分受力分析，射击时枪身运动部分对枪架的作用有力FR和力矩Mt。不考虑抵肩力时的稳定性模型如图4所示。图中FTA、FTB为地面对前、后支点的水平作用力；FNA、FNB为地面对前、后支点的垂直作用力；W为全枪的重力；D为全枪质心到后支点的距离；L为前后支点之间的距离；ft为地面介质与垂直驻锄面间的静摩擦系数；ftFTA为地面介质对前支点垂直驻锄面产生的静摩擦力；hR为后支点到运动部分质心的距离。

需要说明的是，力FNA、ftFTA不可能同时存在，只有当FNA=0，前支点具有上跳运动的趋势时，ftFTA才存在并起稳定力矩的作用[2]。

列平衡方程为

其中,Mt=Fte。

在后坐过程中，以枪架前支点不离开地面作为稳定条件，即FNA≥0，可获得稳定条件式。

当FNA>0时，ftFTA=0，由平衡方程可得稳定条件式为

WD≥FRhR+Mt

当FNA=0时，ftFTA>0，可得稳定条件式为

WD+ftFTAL≥FRhR+Mt

其中SA、SB分别为前后交点垂直驻锄板与土壤的有效接触面积。

则FNA=0时的稳定条件式变为

(5)

式(5)即为临界状态下的稳定条件式，不等式左侧为稳定力矩MW，右侧为翻倒力矩MF。

3　地面适应性分析

3.1粘土地面

某型大口径机枪的前后驻锄均为钎入式驻锄，如图5所示，并且从图2可以看出驻锄V形筋板的开口都朝向枪口方向。在粘土地面，驻锄插入土壤，两个斜面都与土壤相互接触，既能提供土壤抗力，又有一定的导向作用。机枪射击过程中驻锄水平滑动产生的摩擦力相对土壤抗力非常小，可忽略。因此，粘土地面的稳定性模型即是图4所示的模型。

稳定条件式为式(5)。

(6)

3.2水泥地面

机枪在水泥地面射击时，枪身可以同枪架一起向后滑动，地面只提供滑动摩擦系数，不考虑抵肩力时的稳定性模型如图6所示，hC表示机枪质心到后支点的距离。

应用达朗伯原理，列出平衡方程，并同样可得到不考虑抵肩力F时的稳定条件式为

(7)

当考虑抵肩力F时，稳定条件式为

(8)

3.3计算结果及分析

在实际的射击过程中，机枪后坐阶段翻倒力矩只可能出现两次极大值，最大膛压瞬间和后坐到位瞬间。最大膛压瞬间：Ft1=40kN，FR1=100N；后坐到位瞬间：Ft2=0，FR2=850N。

另外，稳定性计算时的初始数据如下：

W=225.4N，D=0.625m，L=1.304m，hR=0.27m，hC=0.24m，e=0.009m，Qs=110.17N，SA=4 264.90mm2，SB=4 739.88mm2粘土地面：f=0.66，ft=0.85；水泥地面：f=0.6，ft=0.8。

在实际射击过程中，枪架和土壤产生变形以及枪架的后坐运动需要吸收一部分后坐能量，在机枪的稳定性分析中常常引入能量损失修正系数μ。根据实践经验，能量损失修正系数μ常取1/3～1/4[3]。考虑本模型土壤变形及枪架变形的特点，可取μ为1/3。可以得到2种地面下的稳定性计算结果如表2所示，其中后坐到位时刻没有考虑抵肩力的作用。

表2　2种地面下的稳定性计算结果

分析表格中数据可以得出以下结论：

1)该机枪插入粘土地面甚至直接放在水泥地面上射击时都可以达到射击稳定，说明该机枪对地面环境不敏感，可以多种地面。对比最大膛压和后坐到位时刻的稳定力矩值，可知在粘土地面上射击时稳定性更好。

2)在最大膛压时刻，粘土地面的稳定力矩大于水泥地面，是因为在粘土地面射击时，驻锄可插入土壤，有附加稳定力矩ftFTAL的作用，所以在粘土地面稳定性更好。

4)对比该枪在最大膛压和后坐到位时刻的稳定性数据可知，在2种地面上射击时，最大膛压瞬间都是相对较为危险的时刻。2种地面稳定性模型中翻倒力矩表达式都为MF=FRhR+Mt，则在最大膛压瞬间，Mt对翻倒力矩起主要作用。因此，可以通过减小枪身运动部分质心到枪膛轴线的距离e来减小翻倒力矩，使机枪射击更加稳定。

4　驻锄结构优化

三脚架式武器的驻锄可分为钎入式和滑动式驻锄两种形式，如图7所示[4]。

当使用钎入式驻锄插入土壤进行射击时，机枪固定不动，土壤可为前、后驻锄提供向前、向上的抗力，并为前驻锄提供向下的静摩擦力，使射击更加稳定，稳定性计算模型如图4所示。当使用滑动式驻锄射击时，机枪可以前后滑动，无论驻锄插入土壤还是仅放置在地面上，地面介质对驻锄的作用力主要为向上的抗力和与移动方向相反的摩擦力，稳定性计算模型如图6所示。

如果将前驻锄设计成钎入式、后驻锄设计成滑动式，射击稳定性是不是会更好呢？下面通过模型来分析这个问题。这种枪架的结构可用于除水泥地以外的各种地面介质中，是具有很好的适应性的。

不考虑抵肩力，稳定性模型如图8所示。

同样可以得出临界状态FNA=0时的稳定条件式为

WD+ftFTAL≥FRhR+Mt

(9)

利用前文的初始数据可计算机枪用该驻锄形式射击时的稳定性。

机枪采用钎入式驻锄和滑动式驻锄在粘土地面射击时的稳定性计算模型分别与前文某型大口径机枪在2种地面介质上的射击稳定性计算模型相对应，只是将图6中的地面介质改为粘土。机枪采用3种驻锄形式在水泥地面射击时的稳定性计算模型都为图6所示模型，计算结果如表2中水泥地面所示。机枪采用3种驻锄形式在粘土地面射击时的稳定性计算结果，如表3所示。

表3　3种驻锄形式的稳定性计算结果

经分析，可以得出以下结论：

1)某型大口径机枪因后坐力小，驻锄的形状对机枪的稳定性影响不是很大，采用3种驻锄都可以满足稳定性要求。

2)钎入式驻锄结构更适合松软的土壤。驻锄插入土壤中，土壤提供的抗力及弹性变形吸收后坐能量的作用，不仅可以使射击更加稳定，提高射击精度，还可以减小武器后坐力对射手的影响。

3)滑动式驻锄结构更适合硬质地面。射击过程中不需要将驻锄插入地面中，只要驻锄能有效地滑动，在射手的抵肩作用下机枪就可以达到射击稳定。

4)机枪采用钎入式驻锄在粘土地面射击时，只需要将前驻锄插入土壤，后驻锄在地面上水平放置，就可以满足射击稳定性。此时的模型与前支点钎入后支点滑动式驻锄稳定性模型相同。采用此种架设方式在勤务使用上更为方便。

比较几个稳定条件式可以发现，除附加稳定力矩项外，其余项都是相同的，说明2种驻锄结构形式的本质区别就在于附加稳定力矩的大小。因此，可将2种驻锄的优势集中，让2个附加稳定力矩在一种驻锄结构上得以实现，即优化后的驻锄结构既可以前后滑动，又可以在上跳时受土壤静摩擦力的作用。

优化后的前驻锄结构如图9所示，即缓冲驻锄，它利用导柱和弹簧实现前后滑动和缓冲，驻锄板为V形，可插入土壤中。相关结构设计和参数优化已有文献作出研究[5-6]。后驻锄采用滑动式驻锄结构。

机枪采用优化后驻锄结构在粘土地面射击时的稳定性模型如图10所示。Fh为前驻锄的缓冲簧力。

可以得出的稳定条件式为

(10)

对比式(7)、(9)、(10)发现，式(10)的附加稳定力矩为前2种的附加稳定力矩之和，可知优化后的驻锄结构综合了钎入式和滑动式驻锄的优点，使附加稳定力矩更大，机枪的射击稳定性得到了更好的保证。

5　结论

笔者以某型大口径机枪为研究对象，通过对机枪在不同地面的建模与结果分析，挖掘出了机枪在不同地面上射击稳定性不同的本质，确定了影响机枪射击稳定性的危险时刻，依此对机枪的实际射击使用提出了指导意见，并针对性地提出了增强稳定性的措施。以地面适应性分析的计算模型为基础，对比分析了不同驻锄结构方案对不同地面的适应性，依此提出了驻锄结构的优化方案，通过建模分析与对比，在一定程度上说明了驻锄优化方案的可行性。

通过分析可知，虽然某型大口径机枪质量得到了减小，但因武器后坐力的减小，降低了射击振动，提高了武器射击精度，使之能够适应高海拔下不同的地面环境。该机枪的稳定性论证及结论分析方法为大口径机枪的稳定性论证及改进设计打下了良好的基础。

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ZHANG Junnuo, SHANG Limin, LI Yongjian,et al. Research on structural design and parameter optimization of machine gun mount with buffer-type spade[J]. Journal of North University of China:Natural Science Edition, 2011,32(3): 276-279. (in Chinese)

Ground Adaptability Analysis of a Large Calibre Machine Gun

FAN Zhiteng1,2, WANG Ruilin2, LI Yongjian2

(1.Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an710024, Shaanxi, China;2.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

To study the ground adaptability of a certain type of large calibre machine gun, its stability theory model firing at different ground was established. In this model, the machine gun was chosen as the study object, the stiffness of rifle rack was analyzed, the elasticity deformation of rifle rack was not considered, and the interaction between different ground and spade was analyzed reasonable. The results show that the gun has good ground adaptability. Based on this, analyzing different spade structure, guidance on the use of this gun was proposed. The stability difference essence of machine gun firing on use of different spade was discovered. On this basis, the spade optimization program was put forward. Through theoretical modeling and comparative analysis, the feasibility of the optimization program was proved to some extent.

large calibre machine gun; ground adaptability; spade; stability; theory model

2014-11-18

范智滕(1990-)，男，硕士，主要从事武器系统动力学理论与应用研究。E-mail：zhitengfan@163.com

TJ25

A

1673-6524(2016)01-0021-06