王瑞林，李 濤，康小勇，張軍挪

(軍械工程學院 火炮工程系，石家莊 050003)

轉管機槍為利用武器系統(tǒng)發(fā)射時導氣室內高溫、高壓火藥燃氣壓力作用驅動活塞機構及相關組件，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)運動的內能源多管武器[1]。大口徑車載轉管機槍具有射速高、火力覆蓋面積大等特點，搭載便攜式三腳架射擊時，機槍發(fā)射威力的增大會對三腳架產生較大影響，巨大后坐力可導致腳架變形影響射擊精度。槍架結構與機槍性能密切相關，良好的槍架可提高機槍射擊威力，改善槍架結構特點，使其與槍身具有良好匹配關系，對提高機槍射擊精度具有重要意義。該型機槍原結構用釬入式駐鋤結構，機槍射擊過程中響應特性對地面土質、駐鋤固定支點接觸反應敏感。為此，本文設計在槍支架間增加支撐連桿，并采用鉸接緩沖式駐鋤結構建立機槍剛柔耦合模型進行對比分析。

1 結構改進方案

三腳架為機槍系統(tǒng)重要組成部分。彈性槍架主要用于支撐槍身質量，射擊過程中能有效吸收后坐能量，起吸振、減震作用，為保證武器具有良好射擊穩(wěn)定性基礎[2]。機槍原結構采用簡單三支架，射擊時架桿變形較大，槍身隨機擾動強烈，影響射擊精度。在槍架后支架間加裝支撐連桿，后架桿之間相關牽制，后坐能量相互傳遞，從而有效抑制左右后架桿振動不一致，降低槍架縱向振動幅值以達到減小槍口初始擾動、提高射擊精度目的。鉸接緩沖式駐鋤結構簡圖見圖1，三維實體模型見圖2。前駐鋤為鉸接式，后駐鋤為彈簧緩沖式。射擊時槍架在后坐力作用下前后架桿發(fā)生彈性變形，前架桿繞前支點旋轉，后架桿在彈簧緩沖力作用下前后移動[3-4]。

本文以槍管軸線指向槍口方向為X軸正向，向上為Y軸正向，右手準則確定Z軸正向。鉸接緩沖式駐鋤，相對原駐鋤其優(yōu)點為：① 能降低土壤對槍架影響；② 可減小對駐鋤固定位置接觸的反應敏感度；③ 能緩沖架桿彈性變形，避免變形過大，減小槍身部件因高速旋轉引起的上偏，從而保證機槍振動平穩(wěn)。改進后簡圖見圖3，實體模型見圖4。

圖1 機槍結構改進前簡圖

2 模態(tài)計算與分析

為研究機槍系統(tǒng)結構模態(tài)與動態(tài)特性，建立機槍系統(tǒng)有限元模型[5-6]。保留機槍結構主要特征，簡化、忽略全槍質量較輕且不影響機槍空間布局的結構；據機槍實際物理屬性賦予各零部件材料特性；據約束關系對零件進行布爾操作；據各零部件結構特點選不同單元類型進行實體模型有限元劃分。機槍系統(tǒng)有限元模型見圖5，其中土壤邊界條件采用沙箱式模型模擬。

經模態(tài)計算獲得機槍結構模態(tài)參數。機槍結構改進后前6階振型見圖6～圖11。機槍結構改進前后前6階固有頻率見表1。篇幅有限，機槍結構改進前振型圖不予顯示。

圖5 機槍結構改進后有限元模型

圖9 機槍系統(tǒng)第4階振型

表1 機槍改進前后系統(tǒng)固有頻率

機槍振型圖可反映其固有頻率的結構振動形態(tài)[7-8]。由圖6～圖11看出，1、2階固有頻率時槍身與搖架分別呈左上、右上擺動振型，變形協調性較差；第3階固有振型主要由槍身左右方向擺動構成，第4階固有振型主要由槍身上下轉動構成，從第5階開始的以后各階固有振型主要由槍架、搖架等彈性變形與槍身彎曲迭加構成；射頻(50 Hz)為系統(tǒng)基頻的3～4倍，機槍結構改進后第1階固有頻率為14.57 Hz，已避開對武器系統(tǒng)振動影響最大的基頻；機槍射頻在第4、5階頻率之間，因此該射頻對武器系統(tǒng)動力匹配有利，但應注意“拍振”現象發(fā)生；機槍結構改進后第4、第5階固有頻率之間范圍增大，更遠離機槍射頻范圍，有利于提高機槍的射擊精度。

3 機槍載荷確定

射擊狀態(tài)下所受外力主要有槍膛合力、氣室壓力及氣室壓力反力。阻力主要包括抽殼阻力、彈帶阻力、脫彈阻力及構件運動產生的摩擦阻力。各種彈簧作用力建立運動副時已加入，只需據實際情況改變其剛度系數及預壓力即可；阻力大小可通過計算公式作為外力添加。主要介紹氣室壓力的確定。子彈擊發(fā)后經1.798 ms越過導氣孔，火藥氣體進入導氣室推動活塞運動。火藥氣體對活塞滑塊作用力F[9]為

F=pde-(t-t′)/b(1-e-α(t-t′)/b)S′

式中：F為氣室壓力；pd為彈頭經導氣孔瞬間膛內平均壓強；pd=159.88 MPa；b為與膛內壓力沖量有關的時間參數；α為與導氣裝置結構尺寸有關參數；t為氣室壓力工作時間；S′為活塞橫截面積，S′=6.60 cm2。

由計算獲得轉管機槍槍膛合力與氣室壓力隨時間變化曲線見圖12。

圖12 槍膛合力與氣室壓力曲線

4 仿真結果及分析

基于該型機槍模型分析及邊界條件處理，對槍架及駐鋤結構改進前后射擊過程分別進行仿真分析，獲得機槍在不同情況下的動力響應特性。機槍結構改進后剛柔耦合虛擬樣機模型見圖13，槍架固定支點與槍口上下、左右方向的動力響應見圖14～圖21，其中槍架固定支點指將機槍前后腳架桿與槍身固定于中心點(圖3)。

圖13 機槍結構改進后系統(tǒng)剛柔耦合模型

圖16 槍架固定支點Z(左右)方向速度

圖19 槍口Y(上下)方向位移

分析圖14～圖21看出：

(1) 機槍發(fā)射過程中槍架固定支點與槍口在高低(Y軸)方向及左右(Z軸)方向位移與速度曲線均表現出周期性振動規(guī)律。槍架固定支點左右方向位移變化基本呈對稱分布且較上下方向小，此因機槍系統(tǒng)結構、邊界條件及槍膛合力等作用軸線在左右方向均對稱；

(2) 對比槍架、駐鋤結構改進前后曲線看出，改進后槍架固定支點各方向位移、速度均明顯小于改進前仿真結果，表明支撐連桿與鉸接緩沖式駐鋤的應用能降低槍架振動。

(3) 轉管機槍射擊過程中槍管部件在活塞驅動力作用下沿中心軸線做旋轉運動。結構改進后槍口響應曲線平滑性與周期規(guī)律性更好，且無突出峰值出現，說明改進后槍口上下、左右振動能量分配更合理，射向一致性更穩(wěn)定，更利于武器射擊精度提高。

(4) 結構改進后響應位移周期時間減短，射頻提高9.7%，槍架、槍口響應位移均減小。表明機槍整體振動有一定改善，對提高機槍射擊性能意義重大。

5 結 論

(1) 槍架結構的改進與鉸接緩沖式駐鋤的應用能有效降低射擊時槍架固定支點左右、上下方向振動，結構固有頻率與射擊頻率更好，有利于機槍射擊精度的提高；

(2) 改進結構對提高轉管機槍射頻有一定促進作用，對該型機槍槍架設計有一定參考價值。

[1] 薄玉成,王惠源,解志堅.轉管武器總體技術的若干問題[J].火炮發(fā)射與控制學報, 2005(1):9-12.

BO Yu-cheng, WANG Hui-yuan, XIE Zhi-jian. Study on general technique of gatling gun[J]. Gun launch and Control Journal, 2005(1):9-12.

[2] 陳錦喜,王瑞林,吳海鋒.新型機槍槍架及其動態(tài)特性分析[J].振動與沖擊, 2012, 31(8): 121-123.

CHEN Jin-xi, WANG Rui-lin, WU Hai-feng.Dynamic characterics analysis for a new type gun tripod[J].Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(8):121-123.

[3] 王瑞林,李永建,張軍挪. 駐鋤緩沖式槍架設計[J]. 兵工學報, 2007, 28(2):144-147.

WANG Rui-lin, LI Yong-jian,ZHANG Jun-nuo. Calculating interior ballistics[J]. Acta Armamentarii, 2007,28(2):144-147.

[4] 王瑞林,陳運生,郝躍偉. 機槍動態(tài)穩(wěn)定性原理與實踐[J]. 南京理工大學學報,2004,28(3)：265- 268.

WANG Rui-lin, CHEN Yun-sheng,HAO Yue-wei. The principle and application of dynamical stability on machine gun [J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2004, 28(3):265-268.

[5] 曹金鳳,石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:131-137.

[6] 張義民.機械振動[M].北京:清華大學出版社, 2007.

[7] 王瑞林.大口徑機槍動力學特性與射擊精度研究[D].南京：南京理工大學, 2003.

[8] 張軍挪. 某型重機槍結構動力學仿真與參數優(yōu)化[D]. 石家莊：軍械工程學院,2007.

[9] 翁春生,王浩.計算內彈道學[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.