高冲击含游隙的转管武器对射击精度的影响*

徐 健，宋兰伟，杨 臻，李 强

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.中国兵器装备集团第二○八研究所，北京 100020）

0 引言

机构中普遍存在间隙［1-2］，过大的间隙会引起机构的振动、噪声，严重地恶化机构的动态性能。因此，间隙的影响日益引起国内外学者的关注。转管武器也是一样的，在各种机构中不可避免地存在间隙，会影响武器的射击精度，在作战中无法精确打击目标。

非光滑动力学系统是近年来人们关注较多的领域［3-6］，其中很多与机械碰撞振动（简称碰振）相关，如大型旋转机械转子与定子系统的碰摩、转管武器身管系统（转子）和机匣系统（定子）的碰撞振动。这一类危害性较大的动力学行为碰振过程发生的时间往往很短，运动一般比较复杂。研究表明，即使简单的线性系统发生碰振，运动也常会出现类似非线性系统的分岔行为。混沌运动的另一个显著性质是系统对初始状态非常敏感。

随着旋转机械向着高性能、高效率方向发展，动静间隙变小，碰摩的可能性随之增加；所以含间隙的转管武器混沌对射击精度的研究就迫在眉睫。进行转管武器研究，首先利用混沌理论，这类转子系统在径向间隙、不平衡力、转轴刚度比对柔性转子系统混沌特性的影响规律，发现随着轴承径向间隙的增大，系统的混沌区间逐渐增大、变多。

1 射击方式分析

转管武器的结构［7-9］如图1 所示，全枪由5 个部分组成，分别是枪机座、轴承、身管、枪管套箍A与枪管套箍B 所构成，这3 点构成了转管武器的本体，如图2 所示。其他的结构比如供弹链、弹箱等结构、接弹链条等机构和本文所说的事情无关，可以忽略不计。

图1 转管武器结构

图2 不考虑间隙射击方式

对于身管组与枪机座的连接方式，目前都是由滚珠轴承来连接，同时由于负荷的作用，滚动体与滚道接触处产生弹性变形，使轴承游隙增大。

假设身管组与枪管套箍具有δ 的间隙，这样就是利用滚珠轴承来连接，还是会形成一定的夹角，如图3 所示，身管向下偏移。具体如图4 所示，枪机本体与枪管套箍形成了α 的角度，可见还是会有式（1）所示的偏角α，只不过是偏离的距离，分母比L适当小一些，但是不影响分析。图4 所示就是偏下射击方式，假若偏左偏下，由于还有偏右偏上的情况，造成了转管武器偏左下和偏右上的射击方式，这就带来了很大的射击误差，有可能是左下和右上，只是角度间的问题，但是1 000 m～3 000 m 的射击距离之间，就相差很大了。

图3 考虑间隙射击方式

图4 向下射击时方式与本体与机座的结合方式

如图4，可以得出运动微分方程为［10］：

其中，m 为转子质量，e 转子质量偏心；Ω 为轴径的转速，即转管机枪的转速。式（2）不考虑轴承的润滑油动力黏度等因素，就是看其（x，y）方向的位移。

2 实例分析

2.1 考虑游隙带来的偏差

含间隙的某转管如图4 所示，取转子质量，只能是身管和枪机还有其他结构，能旋转的质量m=10 kg，D=123 mm，L=605 mm，结合0 组分区（18，48）、3 组分区（41，81）、4 组分区（71，114）、5 组分区（105，160）［11］，单位都是μm。则可以根据式（1）得到最大的偏角α，如下页表1 所示。

画成图像如图5 所示。

由于射击时的偏差可以用来计算具体射击3 000 m时形成的弹着点，假设子弹是平面飞行，没有弹由于自重而引起的弹道弯曲，计算这一点在3 000 m飞行，则会导致飞离距离Δl，如表2 所示。

表1 不同游隙带来偏角

图5 不同间隙带来偏差

表2 不同游隙带来偏移距离

按式（1）所示的方法，L 的增长可以减小偏角α的范围，但是L 的加长会导致机动性失败；尺寸D主要是布局内部零件，D 当然是越小越好，考虑到这种情况，L 和D 的变化量都比较小。

从武器的射击方式中，可以考虑这种由于游隙而带来的偏差，并且在操作中尽量弥补回来。

2.2 考虑质量偏心带来的误差

如图6 所示：

图6 转管武器发射过程

有3 根身管，射击过程中，1 个身管带着弹进行回转运动，则会导致不平衡力量。比如1 根带枪弹，另外2 根不带弹运动，还是有差别的，如果是发射7.62 mm 枪弹，弹头质量：按照标准7.75 g～8.50 g，还有一种9.25 g～9.75 g 之间的关系，则会带来质量偏心一点，会适当大一点。质量偏心对系统的动力学特性有一定的影响，大的偏心会使转子的振动加剧、混沌运动区域变长，但是枪管套箍可以采用偏心来减少影响。由于现在全世界每转管机枪都这样发射，看来这不是主要的原因。则3 根身管会向中心点偏移一点距离，对中心点的偏移距离等于其身管距离，那么可以用枪管套箍A 或者枪管套箍B 进行适当的质量偏心来弥补。

如果按照式（2）进行研究，不考虑身管等偏心量，只考虑带子弹的偏心量，可得：

如果弹箱按照300 发来发射，3 000 发/min 的射频，只需要0.1 min，即6 s，可以按照式（2）得出结构（x，y）的变化规律，如图7、图8 所示。

图7 转子质量运动规律

图8 x 和y 方向位移速度图

如果弹箱按照很多子弹来发射，比如3000 发/min的射频，需要的时间会更多，图9 就是射击1 min（60 s）的情况：

图9 射击60 s 的情况

将图9 所示的上部进行放大，可得下页图10。

图10 放大的图

可以看出，由于子弹带来的偏心量x 比较小，大致有4×10-6m 左右，y 方向的则比较大，有0.05 m左右。可以按上文所述，在枪管套箍上面解决掉。如图10 所示，x 方向运动是准周期的，而y 方向则是倾斜向上的直线。转管武器的枪机本体和枪机座之间的游隙，会导致发射打不准的情况，以上计算全部是游隙到了极值的情况，实际中不一定有。混沌系统最大的特点就是对初始条件十分敏感，也可能会导致两个转管机枪的不一致性。

3 结论

1）转管武器枪机本体与枪机座之间的游隙，轴承间隙太大，是造成转管武器打不准的重要因素。

2）游隙和质量偏心的问题，可以从射击方式和枪管套箍方面进行解决，使射击精度问题得到提高。