李 濤，王瑞林，李永健，張本軍

(1.軍械工程學院 火炮工程系，河北 石家莊 050003;2.駐5413廠軍代室，河北 石家莊 050003)

轉(zhuǎn)管機槍是利用武器系統(tǒng)發(fā)射時氣室內(nèi)流動的高溫、高壓火藥燃氣壓力作用于活塞滑板機構(gòu)并驅(qū)動武器的槍管組件轉(zhuǎn)動，依次完成進彈、推彈、閉鎖、擊發(fā)、開鎖、抽殼、拋殼等自動循環(huán)運動過程的多管武器[1]。

綜合考慮武器與發(fā)射平臺之間的相互作用與影響，筆者從多體系統(tǒng)動力學的角度出發(fā)[2]，采用虛擬樣機仿真技術(shù)建立了車載轉(zhuǎn)管機槍的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并基于相同的車體狀態(tài)，主要對大口徑車載轉(zhuǎn)管武器系統(tǒng)在高射速條件下，樣機試驗過程中發(fā)生的槍彈未擊發(fā)的情況進行了仿真研究，通過觀察分析仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，得出槍彈未完全擊發(fā)時對機槍射擊精度的影響大小。

1 工作原理與系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

筆者所研究的車載轉(zhuǎn)管機槍為某3管大口徑轉(zhuǎn)管機槍，采用機頭回轉(zhuǎn)閉鎖，擊錘擊發(fā)，人工首發(fā)裝填機構(gòu)啟動[3]。該型機槍自動機運動過程可以描述為：在車體保持靜止或達到穩(wěn)定速度時，首先使首發(fā)啟動裝置人工儲能，啟動擊發(fā)按鈕，嚙合棘輪分離，內(nèi)供彈齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動行星體和外供彈齒輪轉(zhuǎn)動，機心體組件沿行星體外側(cè)曲線槽在圓周方向往復運動，同時外供彈輪帶動彈鏈在彈鏈槽內(nèi)運動，當運動到擊發(fā)位置時，機頭體回轉(zhuǎn)閉鎖，擊錘碰撞擊針使槍彈底火擊發(fā)，從而實現(xiàn)擊發(fā)等一系列動作。槍彈擊發(fā)后產(chǎn)生的大量高壓火藥燃氣進入導氣裝置后推動活塞體前后運動，迫使活塞滑板在節(jié)套內(nèi)運動并帶動節(jié)套、行星體、身管等槍管組件以及供彈齒輪在圓周方向旋轉(zhuǎn)，進入下一個循環(huán)，直至停射。

以槍管軸線指向槍口方向為x軸正向，以豎直向上為y軸正向，以右手準則確定z軸正向。車體-機槍系統(tǒng)在虛擬樣機建模完成后，用箭頭指向表示多體系統(tǒng)相互之間的作用。車載轉(zhuǎn)管機槍武器系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車載轉(zhuǎn)管機槍剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

2.1 車輛懸架-路面系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)實際的武器系統(tǒng)車體模型以及地面譜參數(shù)化設(shè)計，參考路面標準GB7031-1986《車輛振動輸入 路面不平度表示方法》，在車體縱向滑移和橫向滑移分開對待的情況下采用Fiala輪胎模型，確定車輛懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及輪胎規(guī)格，使用ADAMS軟件創(chuàng)建車體的整車模型。模型主要包括：汽車底盤模型、雙臂式前獨立懸架模型、轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型、斜置臂式后懸架模型、輪胎模型和路面譜等幾部分。

2.2 機槍剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

建立機槍剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?首先對機槍模型進行簡化處理，刪除了壓筋、倒角等對仿真結(jié)果影響小的特征。為了減小計算量，對于剛度較大且變形較小的部件可作為剛體對待；對于運動和受力沒有影響的部件可以進行等效質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量處理[4]。在本文中，槍管、托架變形較大，作為柔性體進行計算。

筆者利用ADAMS軟件的Flexible Bodies模塊生成槍管和托架的柔性體文件，得到車體-機槍系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

2.3 機槍載荷的確定

該槍在射擊狀態(tài)下承受的外力主要有槍膛合力、氣室壓力和氣室壓力反力，以及自身產(chǎn)生的摩擦阻力和各種彈簧的作用力。各種彈簧力在建立運動副的過程中已經(jīng)加入；阻力的大小可以通過相應(yīng)的計算公式作為外力添加進去。在這里主要介紹氣室壓力的確定。

在槍彈擊發(fā)后，經(jīng)過1.798 ms，彈丸越過導氣孔，火藥氣體進入導氣室，推動活塞運動。進入氣室中的火藥氣體對活塞滑快的作用力F由下式確定[5]：

F=pdexp[-(t-t′)/b]{1-exp[-α(t-t′)/b]}S′

(1)

式中：F為氣室壓力；pd為彈丸經(jīng)過導氣孔瞬間的膛內(nèi)平均壓強；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間參數(shù)；α為與導氣裝置結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的參數(shù)；t為氣室壓力工作時間；S′為活塞的橫截面積。

通過計算得出轉(zhuǎn)管機槍氣室壓力隨時間的變化曲線如圖2所示。

2.4 外彈道計算

槍管組件沿著身管軸線x方向旋轉(zhuǎn)，角速度為ω，旋轉(zhuǎn)半徑為r，設(shè)由于槍口跳動量分別為yt與zt，引起彈丸在y方向和z方向的速度分別為vy與vz，槍管轉(zhuǎn)動在y方向和z方向引起的速度分量分別為vry與vrz。彈丸出膛時初速為v0，其方向與水平面夾角為α1，與垂直平面夾角為α2。彈丸在空氣中的速度為v，在x方向的速度分量為u，在y方向和z方向引起的速度分量分別為v1與v2。槍口與立靶之間的距離為l。

根據(jù)外彈道公式有[6]：

(2)

式中：C為彈道系數(shù)；H(y)為空氣比重函數(shù)；G(v)為彈丸與空氣相對運動特性；g為重力加速度。

根據(jù)彈丸出膛口時槍管的運動和射角繪出速度矢量圖，如圖3所示。

方程的積分初始條件為：當t=0時，u0=v0cosα1cosα2，v01=v0sinα1+vy+ωrsinθ，v02=v0cosα1sinα2+vz+ωrcosθ，y0=yt,z0=zt。彈丸運動距離l為100 m時，其運動速度變化量較小，此時可以將阻力函數(shù)CH(y)G(v)考慮為常數(shù)，并根據(jù)彈丸出膛口速度和阻力定律計算得出固定值。

3 仿真結(jié)果分析

基于上述理論模型的分析和邊界條件的處理，為了考察車載機槍射擊過程中發(fā)生槍彈未完全擊發(fā)時對機槍射擊精度的影響，對彈鏈上的每一發(fā)彈進行標記并按照標記序號排列(每組為30發(fā)槍彈)，由此可以確定樣機試驗中機槍連續(xù)射擊時出現(xiàn)槍彈擊發(fā)后未發(fā)火現(xiàn)象時不發(fā)火彈丸的序數(shù)，模擬試驗中出現(xiàn)的情況?；谇拔闹薪⒌能圀w-機槍系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯C槍的射擊運動過程進行了仿真，分別得出槍彈完全擊發(fā)時與擊發(fā)后未發(fā)火時(不發(fā)火彈丸在彈鏈上標記序號為14)的槍口位移響應(yīng)曲線，并通過外彈道計算得出機槍100 m距離立靶時的彈著點散布情況，最后對仿真得出的曲線進行分析。圖4為發(fā)生1發(fā)未發(fā)火彈時的氣室壓力曲線；圖5為槍管組件沿中心軸線旋轉(zhuǎn)角速度；圖6與圖7分別為槍口在y方向(高低方向)和z方向(左右方向)的響應(yīng)曲線；圖8為通過散布精度模型計算得出機槍100 m距離立靶時的彈著點散布情況，圖9為樣機試驗中得出的機槍100 m距離立靶時的彈著點散布情況。圖表中A、B分別表示發(fā)生1發(fā)彈擊發(fā)后未發(fā)火時與槍彈完全擊發(fā)時對應(yīng)的情況。

試驗與仿真計算結(jié)果對比如表1所示。

表1 試驗與仿真計算結(jié)果對比分析

通過分析圖示中仿真曲線和彈著點散布圖以及表1中的計算數(shù)據(jù)可以看出：

機槍射擊過程中，模擬了試驗中出現(xiàn)的意外彈(序號為14)未擊發(fā)的情況，在圖4與圖5中可以清晰看出：機槍達到穩(wěn)定射頻時，槍管等沿中心軸線方向旋轉(zhuǎn)件的角速度均值約為6 300(°)/s，在1.028～1.054 s之間槍彈未擊發(fā)，氣室壓力大小為0。如圖5所示，A狀態(tài)下1.034 s時槍管旋轉(zhuǎn)角速度減慢，其完成射擊需時較B狀態(tài)多0.018 7 s，射速降低。

由圖4與圖5可以清晰地看出：槍口位移在高低方向(y軸方向)和左右方向(z軸方向)表現(xiàn)出周期性的振動規(guī)律。槍口在左右方向位移變化呈對稱分布，這是因為機槍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、邊界條件以及力作用在左右方向都是對稱的。仿真時，完成射擊A狀態(tài)下需要時間0.583 s，射速為3 086發(fā)/min；B狀態(tài)下需要時間0.564 s，射速為3 189發(fā)/min。當射擊過程中發(fā)生彈丸擊發(fā)未發(fā)火現(xiàn)象時機槍射頻降低，降低幅度為3.23%。同時可以得出在相同狀態(tài)下，仿真得出的射頻值較試驗射頻大一些，誤差在5%以內(nèi)，從而也證明了仿真的可信性。

彈丸首發(fā)彈著點靠近靶紙下方是因為起始時間槍管沿中心軸線旋轉(zhuǎn)角速度較小，彈著點向右偏移主要是因為槍管在機槍射擊時逆時針高速旋轉(zhuǎn)導致切向速度較大。相同試驗條件下，A狀態(tài)下彈著點散布較B狀態(tài)下差，取70%有效射彈量時射擊密集度為7.3密位，前者較后者射擊精度降低46%；同樣的仿真環(huán)境下，A狀態(tài)下彈著點散布較B狀態(tài)下較差，取70%有效射彈量時射擊密集度為6.4密位，前者較后者射擊精度降低34.7%。

4 結(jié) 論

筆者利用虛擬樣機仿真技術(shù)建立了某型車載轉(zhuǎn)管機槍剛?cè)狁詈隙囿w動力學仿真模型，對機槍在樣機試驗中連續(xù)射擊時出現(xiàn)的掉彈、跳彈等槍彈未完全擊發(fā)現(xiàn)象進行了模擬仿真分析。對比分析試驗與仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：相對槍彈完全射擊時的情況，意外彈未擊發(fā)時機槍射擊精度更差，且其對機槍的射擊精度影響程度非常大；同樣狀態(tài)條件下，試驗得出的射擊精度較仿真結(jié)果要差一些，說明試驗中其他一些因素的改變也會引起機槍的射擊精度的變化，還需要進一步的研究與探索。

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