回转式闭锁机构参数化设计与动力学仿真

刘 伟，魏志芳，苑大威，王志伟，张晓东

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051;2.中国兵器工业第208研究所，北京 102202)

闭锁机构作为自动武器的核心机构，作用是在武器发射过程时从枪管尾端面关闭弹膛，抵住弹壳，以防止弹壳在高膛压时因后移量过大而发生横断和武器燃气后逸。在弹丸飞出枪口、膛压降到安全值后，能及时打开弹膛，以便完成后续的自动循环动作[1]。

闭锁机构的设计，是武器设计工作中重要的一环。现有武器的闭锁机构的结构形式有很多，按开、闭锁时工作件的运动来分，刚性闭锁的机构有：回转式、偏移式、摆动式和横动式4种闭锁机构，而工作件可以是枪管、枪机(或机头)或不同形式的中间件，由此出现了各种各样的结构形式。但是在自动武器的发展过程中证明有些形式不能很好地满足对闭锁机构的各项要求，进而逐渐淘汰不合理的结构形式[2]。对于现代武器系统中常用闭锁机构，回转式闭锁机构被广泛应用于导气式和管退式武器。不仅用于小口径，也应用于大口径武器，甚至高射自动炮和航空自动炮。机构的组成主要包括枪机、枪机框、机匣、节套、枪管等零件的有关部分[3]。

笔者基于回转式闭锁机构，在UG二次开发的基础上，对其进行参数化设计研究及开发，并将参数化设计后的三维装配模型在UG/motion中进行了动力学仿真分析，对其可行性与可靠性进行了验证分析。

1 闭锁机构结构设计原理

1.1 壳机力与闭锁间隙计算

1.1.1 闭锁间隙的计算

自动武器为了使开、闭锁动作灵活，能够在风沙、泥水和高温等特种条件下可靠闭锁，应当使新出厂的武器在推弹进膛并完全闭锁之后，在壳膛定位面、弹壳底平面与弹底窝镜面、枪机与机匣闭锁支撑面等中的某一配合部位存在轴向间隙，包括弹性间隙Δt、磨损间隙Δm和制造间隙Δz[4]。其中，磨损间隙Δm和制造间隙Δz由文献[5]获得，弹性间隙Δt的计算如图1所示。

其计算式为

(1)

1.1.2 壳机力的计算

从击发到开锁之间，膛内火药气体压力不仅使弹壳发生切向变形并在壳膛间产生压力P1，而且同时还使弹壳发生轴向变形或移动，并在弹壳底平面与枪机之间产生作用，简称壳机力F，可通过以下方程组求得：

(2)

式中：Δl为弹壳的轴向伸长量；Δl0为弹壳底部压缩量；d0为弹壳底部直径；E1为弹壳材料弹性模量；l0为弹壳底部长；K为闭锁机构刚度。

1.2 闭锁支撑凸笋的结构设计

凸笋的形状与尺寸通过静强度理论的方法确定。采用膛底作用力P近似代替壳机力F的最大值，求得各凸笋上的支反力Nz为

(3)

式中，n为枪机闭锁凸笋数。

许用应力以材料屈服极限σs为基准来确定。

(4)

式中：[σ]r、[σ]j、[τ]分别表示拉伸许用应力、挤压许用应力、剪切许用应力。

按挤压强度确定支撑面积，

(5)

式中：Sz为总支撑面积；Si为单个凸笋的支撑面积。

枪机凸笋底圆直径D的计算式为

D=Dw+(3～4)

(6)

式中，Dw为弹底窝直径，mm。

由闭锁动作关系，求得枪机凸笋外径D1与凸笋高度h，

(7)

闭锁凸笋宽度b及其对应圆心角θ的计算式为

(8)

按剪切强度计算凸笋长度l，

(9)

1.3 枪机框开闭锁工作面设计

1.3.1 自由行程的确定

根据主动件后坐能量等于其克服阻力所做功的原理，得

(10)

式中：va′为主动件碰撞后反跳速度；F为主动件后坐运动阻力；ma为主动件质量。

1.3.2 开闭锁工作倾角的确定

开闭锁工作面倾角αk的大小，主要应从开锁过程机构运动平稳性和动能消耗量角度来考虑。

(11)

式中：k为开锁过程传速比；η为传动效率；c为恢复系数;va为主动件的初速;mb为枪机转化质量;vb为枪机回转线速度。

1.3.3 螺旋槽的开闭锁行程

开闭锁动作由枪机框上的定形槽控制枪击上的凸起，使枪机回转完成。开闭锁行程x1,x2可由下式求得:

(12)

式中：α表示螺旋升角；rpj为导柱与螺旋槽接触部分的中点至枪机轴线的距离；γ为回转角。

2 参数化建模

2.1 制定用户菜单

UG/Open MenuScript是UG/Open中用来制定菜单的专用模块。它允许用户使用ASCII文件方便快捷地生成UG系统的菜单，或者为用户创建的应用程序定义相应的菜单。菜单脚本文件扩展名为*.men，支持记事本的创建和编辑，通常存放于startup的文件目录下[6]。本菜单通过编写一级菜单——回转式闭锁机构参数化设计，以及二级菜单——枪机参数化设计/枪机框参数化设计,实现*.dll文件的调用，最终生成样式如图2所示。

2.2 建立对话框

UG/Open UIStyler是UG/Open中用来创建用户界面对话框的专用模块。使用UG/Open UIStyler能够灵活地创建与UG风格完全一致的对话框。在建立对话框时，需确定枪机和枪机框的基本参数，并且在存储对话框文件时，选择C#语言，系统则会自动生成与对话框相对应的*.cs文件和*.dlx文件，将其保存在application文件夹中[7]。最终生成的对话框样式如图3所示，生成枪机、枪机框的基础实体模型如图4、5所示。

2.2 实现UG对话框功能

在Microsoft Visual studio 2010中新建项目，选择Visual C#语言模块，并在右侧界面选择NX8 Open C# Wizard运用程序，更改名称、位置后创建运用程序功能，并删除已有的*.cs文件，插入功能代码。最后编译成功即可生成所需要的*.dll文件，经调试后，将其复制到application文件中。通过定制的菜单调用该*.dll文件，弹出系统对话框，修改枪机和枪机框的基本参数来获得不同形状尺寸的回转式闭锁机构[8]。

3 膛内压力计算

内弹道过程是依靠火药燃烧产生的高温高压气体推动弹丸挤进膛线并沿着身管向前运动，在枪口获得预定弹丸初速的过程，使闭锁支撑部分在射击时承受很大的壳机力作用并为自动机的自动循环提供能量[9]。笔者依据经典的内弹道学理论，建立内弹道计算模型，采用C#编程语言编制内弹道计算软件，从而研究膛内压力变化规律。

3.1 内弹道计算模型

由文献[10]，内弹道方程组为

(13)

式中：

(14)

式中：Zi为第i种火药已燃烧的相对厚度；χi、λi、μi分别为第i种火药的形状参数；ψi为第i种火药的已燃百分数；e1i为第i种火药的弧厚；u1i为第i种火药的燃速系数；p为火药膛内平均压力；t为时间；S为武器身管的横断面积；lψ为药室自由容积缩径长；l为弹丸全行程长；fi为第i种火药的火药力；ωi为第i种火药的装药量；θ为火药热力参数。

后效期炮膛合力为

(15)

式中：b为反映炮膛合力衰减快慢的时间常数；t1为以后效期开始作用的时间。

3.2 内弹道计算软件

在给定初始计算条件下，采用四阶龙格-库塔法来解算上述方程组，基于C#编程语言开发了内弹道计算程序，分为简单装药和多孔装药两个计算模块。笔者以56式7.62 mm普通弹内弹道计算为例，验证了软件的可靠性。软件运行界面及结果显示如图6、7所示。

4 动力学仿真分析

4.1 三维模型的建立

通过闭锁机构结构设计原理，基于UG平台完成枪机、枪机框的参数化建模以及完成其他各零部件的三维实体建模，并通过装配环境，实现回转式闭锁机构的模型装配，效果如图8所示。

4.2 动力学仿真的建立

完成上述回转式闭锁机构的模型装配后，进入UG/motion模块，定义各零部件为连杆对象；并设置枪管、节套、预转、机匣、挡板为固定约束，枪机为柱面副约束及枪机框为平面副约束；设置枪机与枪机框、枪机与节套、枪机与预转、枪机框与节套之间的接触属性。选择矢量力的作用对象为枪机框，定义类型为“幅值和方向”，在幅值的类型里选择“f(x)函数”，通过点击“f(x)函数管理器”，以“AFU格式的表”的方式创建XY数据，在文本编辑器中键入从内弹道计算软件中提取的时间和压力两组计算结果数据，点击预览膛压样条曲线并完成整个矢量力的操作，其数据接口界面如图9所示。添加复进簧于枪机框与挡板之间，并设置刚度类型值及自由长度。最后在解算方案中输入仿真时间为0.1 s,步数为5 000，点击确定按钮进行仿真计算[11]，其最终动力学仿真模型如图10所示。

4.3 动力学仿真的分析

击发后，当弹头超过枪管内膛上方的导气孔时，一部分火药气体经过导气孔进入气室。活塞在火药气体的作用下推动顶杆一起向后运动，顶杆又撞击枪机身使其获得能量而后坐，并分别压缩顶杆簧和复进簧。顶杆后坐20 mm时受阻，活塞与顶杆在顶杆簧的作用下复位。枪机框后坐过程中，通过螺旋槽带动枪机旋转而开锁，并带动枪机一起后坐，完成抽壳、抛壳及压倒击锤等动作。枪机框后坐到位后，依靠复进簧储备的能量复进，并完成推弹入膛及闭锁等动作。枪机闭锁到位时压下自动击发杆，枪机框则继续复进到位，全枪各机构便完成了一次由击发到待发的自动循环，再扣扳机便可进行二次击发。结果表明，该闭锁机构的运动特性满足了基本的设计指标和结构设计原理[12]，闭锁机构设计合理，同时又可保证开闭锁过程的可靠工作,其枪机位移、速度曲线，枪机框位移、速度曲线分别如图11～12所示。

5 结束语

笔者介绍了回转式闭锁机构的结构设计原理，并将CAD/CAE软件UG所提供的二次开发工具UG/Open MenuScript、UGOpen UIStyler与编程软件Microsoft visual studio 2010下的visual C#模块相结合，分析了回转式闭锁机构结构，并进行了详细的参数化设计，建立了回转式闭锁机构专用参数化设计系统，同时将参数化设计后的三维装配模型在UG /motion模块进行了动力学仿真分析，并对其可行性与可靠性进行了实际仿真验证分析。结果表明该闭锁机构的运动特性既满足了基本的设计指标要求和结构原理要求，又保证了开闭锁过程的可靠工作，同时也为枪械产品的深入研究提供了一定的理论依据。

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