齊玉輝，徐誠

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

全射彈壽命過程中的大口徑機槍自動機磨損和性能衰減趨勢研究

齊玉輝，徐誠

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

大口徑機槍在全射彈壽命過程中的自動機關(guān)鍵部位磨損和性能衰減情況對機構(gòu)功能和動作可靠性將產(chǎn)生影響，從而影響武器的使用性能和作戰(zhàn)效能。以某型大口徑機槍作為試驗對象，測量全射彈壽命過程中自動機關(guān)鍵部位磨損情況和自動機性能衰減情況，統(tǒng)計自動機故障。研究結(jié)果與分析表明：全射彈壽命過程中的槍機閉鎖支撐面磨損量和開閉鎖曲線磨損量不大，槍機框?qū)к壞p量較大；隨著射彈量的增加，自動機閉鎖力逐漸變小，復(fù)進簧逐漸變短，后坐到位速度的均方差變大，自動機動作故障變多；自動機后坐到位速度的均方差增大，自動機動作故障增多與自動機關(guān)鍵部位磨損正相關(guān)。建立了閉鎖力衰減經(jīng)驗公式、復(fù)進簧自由長度衰減經(jīng)驗公式、槍機框?qū)к壞p經(jīng)驗公式、槍機框后坐到位與復(fù)進到位撞擊面的磨損經(jīng)驗公式，經(jīng)驗公式計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，可以用于推斷該大口徑機槍自動機部分性能衰減和磨損情況。

兵器科學與技術(shù)；大口徑機槍；自動機；綜合壽命試驗；磨損；性能衰減

0 引言

自動機是大口徑機槍的核心部件，在射擊過程中高速運動，連續(xù)完成開鎖、拋殼、后坐、復(fù)進、推彈和閉鎖等一系列動作，存在反復(fù)多次接觸、摩擦、碰撞等載荷作用。在全射彈壽命過程中自動機關(guān)鍵部位磨損情況對機構(gòu)功能和動作可靠性可能產(chǎn)生影響，從而影響武器的使用性能和作戰(zhàn)效能，是值得重點關(guān)注的問題之一。目前國內(nèi)外大多數(shù)研究集中在大口徑機槍和其他槍械的自動機運動特性及參數(shù)影響規(guī)律方面［1-10］，關(guān)于自動機關(guān)鍵部位磨損規(guī)律及引起的性能衰減研究報道很少，這主要與試驗工作量大、測量困難、費用高等因素有關(guān)。本文以某高平兩用大口徑機槍為試驗對象，測量全射彈壽命過程中自動機關(guān)鍵部位磨損情況，分析與研究了自動機關(guān)鍵部位磨損量隨射彈量變化規(guī)律及其對性能衰減影響情況。本文研究結(jié)論對制定該類武器的使用規(guī)則、自動機維修計劃和改進該類武器自動機具有參考意義。

1 試驗對象與方法

1.1試驗對象

本文采用某高平兩用大口徑機槍作為試驗對象，該機槍由槍身（見圖1）與槍架組成，具有兩根槍管，自動機采用導(dǎo)氣式自動方式，槍機回轉(zhuǎn)閉鎖。當彈頭通過槍管導(dǎo)氣孔位置后，膛內(nèi)部分火藥氣體自導(dǎo)氣孔進入，經(jīng)導(dǎo)氣箍、調(diào)節(jié)器、導(dǎo)氣管作用到槍機框活塞端面，推動自動機向后運動并壓縮復(fù)進簧；后坐過程完成開鎖、抽殼、撥彈、拋殼等動作；自動機后坐到位后，如發(fā)射機的阻鐵未對其進行掛機，自動機將在復(fù)進簧作用下向前復(fù)進，完成推彈、閉鎖、擊發(fā)等動作；如此往復(fù)，進行自動循環(huán)，實現(xiàn)連發(fā)射擊［4］。自動機理論射擊頻率600發(fā)/min，全槍綜合壽命大約為6000～6400發(fā)。

1.2試驗方法

采用平射狀態(tài)架槍進行綜合壽命試驗，試驗中采用的射擊規(guī)范如下:射擊過程中兩根槍管交替試驗。每根槍管裝槍射彈100發(fā)為一個冷卻周期，武器前50發(fā)為首先發(fā)射3個短點射（5～8發(fā)）、1個長點射（20～30發(fā)），點射的間隔時間為3s；射后空冷3min；同樣方法射擊第2個50發(fā)，空冷3min后水冷至常溫。換另一槍管裝槍同樣方法射擊100發(fā)槍彈。武器射擊順序分為兩個循環(huán):第1循環(huán)按常溫（20℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)20%）、高溫（45℃± 2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）、低溫（-40℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）；第2循環(huán)按常溫（20℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)25%）、高溫（45℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)15%）、低溫（-40℃±2℃，射擊壽命彈數(shù)10%）。

每射擊800發(fā)為一個自動機測量周期，在每個測量點上，采用彈形量規(guī)和測力裝置檢查自動機閉鎖力變化情況，這里閉鎖力是指采用“彈形閉鎖量規(guī)”手動閉鎖時測力裝置測出的最大推力；采用QWQ9812永磁式自動機測試系統(tǒng)測量自動機運動速度；采用量規(guī)測量槍機閉鎖支撐面磨損量；采用千分尺或電子卡尺測量槍機框?qū)к?、開閉鎖面和自動機撞擊面磨損量等；全壽命試驗過程中采集故障（包括零部件破斷）現(xiàn)象、出現(xiàn)的時機和排除情況，統(tǒng)計故障率。

圖1　試驗槍身實物圖Fig.1 Test gun

2 試驗結(jié)果與分析

2.1自動機運動特性

連發(fā)射擊過程中自動機運動狀態(tài)是了解與分析自動機關(guān)鍵部位磨損的基礎(chǔ)，在綜合壽命試驗前試驗測量獲得的典型自動機運動速度隨時間變化曲線如圖2所示，自動機運動特征點數(shù)據(jù)見表1.該大口徑機槍自動機后坐最大平均速度高達13.21m/s，后坐到位平均速度為3.23m/s，后坐時間間隔僅為49.4ms，復(fù)進時間間隔50.5ms，復(fù)進到位平均速度高達8.93m/s，平均射擊頻率為601發(fā)/min，自動機的這種瞬態(tài)高速往復(fù)運動會引起關(guān)重件運動副的磨損。

圖2　自動機運動速度測試曲線Fig.2 Velocity curve of automatic mechanism

表1　自動機運動測量結(jié)果表Tab.1 Measured results of automatic mechanism

2.2自動機關(guān)鍵部位磨損規(guī)律

2.2.1槍機閉鎖支撐面和開閉鎖曲線磨損情況

在全射彈壽命過程中，槍機閉鎖支撐面磨損量變化情況如圖3所示，圖中ez為閉鎖支撐面磨損量，n為射彈數(shù)。槍機材料為25Cr2Ni4WA，經(jīng)過了調(diào)質(zhì)熱處理，具有較好的耐磨性，在4800發(fā)射彈前，閉鎖支撐面尺寸處于穩(wěn)定狀態(tài)，之后開始磨損，曲線呈階躍式變化，6400發(fā)射彈（該武器壽終）時的最大磨損量0.01mm，這個變化量將使閉鎖間隙最少增加0.01mm.

圖3　閉鎖支撐面磨損量變化圖Fig.3 Wear pattern of bolt locking supporting surface

建立閉鎖支撐面磨損量公式為

開閉鎖曲線磨損量隨射彈數(shù)的變化情況如圖4所示，圖中eq為開閉鎖曲線磨損量。在1600發(fā)射彈時發(fā)生磨損，尺寸變小，曲線呈階躍式變化，之后趨于穩(wěn)定，直到武器壽終。其變化原因為盡管在開閉鎖階段自動機運動速度很高，但帶動槍機旋轉(zhuǎn)運動速度并不高，射擊初期帶動銷和螺旋槽接觸為點接觸，接觸過程中螺旋槽內(nèi)部發(fā)生磨損消耗，隨著磨損的繼續(xù)，點接觸逐漸變成線接觸或面接觸，由此在節(jié)點1600發(fā)射彈左右達到一個新的磨合平衡狀態(tài)，之后保持不變。

圖4　開閉鎖面磨損量變化圖Fig.4 Wear pattern of locking curve groove

建立開閉鎖曲線磨損量公式為

2.2.2槍機框?qū)к壞p規(guī)律

試驗獲得的槍機框?qū)к壞p量隨著射彈量變化情況如圖5所示。槍機框最大運動速度高達13.21m/s，在機匣內(nèi)反復(fù)運動，并與機匣接觸而產(chǎn)生的摩擦作用，導(dǎo)致隨著射彈量的增加，槍機框?qū)к壞p量不斷增大，武器壽終時最大磨損量達0.38mm.為減少自變量與因變量數(shù)據(jù)量級差別，以N=n/1000為自變量，槍機框?qū)к壞p量ed為因變量，利用多項式擬合可建立磨損經(jīng)驗公式為

圖5　槍機框?qū)к壞p量變化圖Fig.5 Wear pattern of bolt carrier guiderail

2.2.3槍機框后坐到位與復(fù)進到位撞擊面的磨損情況

全射彈壽命過程槍機框后坐到位撞擊面磨損量變化情況如圖6所示。槍機框撞擊面磨損量eh隨射彈數(shù)的增加不斷變大，這是后坐到位撞擊作用所致。槍機框復(fù)進到位撞擊面磨損量ef隨射彈數(shù)的變化情況如圖7所示。由于復(fù)進到位的撞擊作用，撞擊面磨損不斷增大，最大值達0.045mm，從圖2可知，槍機框復(fù)進到位速度比后坐到位大，故復(fù)進到位撞擊面磨損量比后坐到位撞擊面磨損量大。根據(jù)槍機框后坐到位撞擊面磨損量試驗結(jié)果，以N為自變量，eh為因變量，擬合經(jīng)驗公式為

根據(jù)圖7槍機框復(fù)進到位撞擊面磨損量試驗結(jié)果，以N為自變量，ef為因變量，擬合公式為

2.3自動機性能衰減趨勢分析

2.3.1閉鎖力衰減規(guī)律

圖6　槍機框后坐到位撞擊面磨損量變化圖Fig.6 Wear pattern of bolt carrier impact surface when recoiling to position

圖7　槍機框復(fù)進到位撞擊面磨損量變化圖Fig.7 Wear pattern of bolt carrier impact surface when returning to original position

圖8　閉鎖力變化圖Fig.8 Change curves of locking force

閉鎖力是閉鎖間隙大小的重要衡量指標，試驗獲得的閉鎖力F隨著射彈量變化情況如圖8所示。閉鎖力隨著射彈量的增加而變小，說明閉鎖間隙隨著射彈量的增加而變大。以N為自變量，F(xiàn)為因變量，用多項式表示二者之間的關(guān)系，經(jīng)最小二乘法擬合得閉鎖力衰減經(jīng)驗公式為

經(jīng)驗公式與試驗結(jié)果對比情況見圖8，二者符合較好。

2.3.2復(fù)進簧變化情況

復(fù)進簧自由長度隨射彈數(shù)變化規(guī)律見圖9、圖10，圖中LL和LR分別為左右兩根復(fù)進簧的自由長度。復(fù)進簧自由長度均呈現(xiàn)下降趨勢，產(chǎn)生原因為自動機往復(fù)運動過程中對彈簧沖擊擠壓使其簧力逐漸減弱，并產(chǎn)生塑性變形，從而自由長度隨之減小。仍以N為自變量，LL和LR為因變量，可建立復(fù)進簧自由長度衰減經(jīng)驗公式，如（7）式和（8）式:

左復(fù)進簧:

右復(fù)進簧:

圖9　復(fù)進簧（左）自由長度變化圖Fig.9 Change in recoil spring length（Left）

圖10　復(fù)進簧（右）自由長度變化圖Fig.10 Change in recoil spring length（Right）

經(jīng)驗公式與試驗結(jié)果對比情況見圖9，二者符合較好。

2.3.3自動機后坐到位速度的均方差隨射彈數(shù)變化情況

盡管試驗中發(fā)現(xiàn)，自動機運動后坐到位平均速度在全壽命過程中隨著射彈數(shù)的增加變化不大，但后坐到位速度的均方差σv隨著射彈數(shù)的增加而增大（見圖11），說明自動機運動的隨機性增大，自動機運動性能變差，這是由于自動機關(guān)鍵部位磨損所致。

圖11　后坐到位速度均方差變化圖Fig.11 Mean square deviation of recoil velocity

2.3.4自動機故障率隨射彈數(shù)的變化情況試驗對象在全射彈壽命試驗過程中，自動機出現(xiàn)了空膛、卡殼、掉彈和不擊發(fā)4種故障，按每800發(fā)射彈為一個統(tǒng)計周期，計錄自動機故障次數(shù)，獲得的故障頻次隨射彈數(shù)變化情況，如圖12所示。壽命試驗初期（n為0～800發(fā)），自動機仍處于跑合階段，出現(xiàn)了兩次故障，隨后故障次數(shù)下降，但2400發(fā)射彈之后，故障率隨射彈數(shù)的增加而增加。這是由于自動機關(guān)鍵部位磨損和性能衰減所致，說明自動機動作故障變多與自動機關(guān)鍵部位磨損量變化正相關(guān)。

圖12　故障頻次變化圖Fig.12 Change in breakdown number

3 結(jié)論

本文以一挺高平兩用大口徑機槍為試驗對象，通過綜合壽命試驗和細致測量揭示了全射彈壽命過程中自動機關(guān)鍵部位磨損規(guī)律和自動機性能衰減規(guī)律，研究結(jié)果表明:

1）槍機閉鎖支撐面磨損量和開閉鎖曲線磨損量呈階躍式變化，且在武器全射彈壽命過程中磨損不大；槍機框?qū)к壞p量、槍機框后坐到位與復(fù)進到位撞擊面的磨損量呈單調(diào)增長式變化，隨著射彈量的增加，磨損量不斷增大；在全射彈壽命過程中槍機框?qū)к壞p較大。

2）隨著射彈量的增加，自動機閉鎖力不斷變小，復(fù)進簧不斷變短，后坐到位速度的均方差變大，自動機動作故障變多；自動機后坐到位速度的跳差變化與自動機關(guān)鍵部位磨損量變化正相關(guān)。自動機動作故障增多也與自動機關(guān)鍵部位磨損正相關(guān)。

3）基于試驗數(shù)據(jù)建立了閉鎖力衰減經(jīng)驗公式、復(fù)進簧自由長度衰減經(jīng)驗公式、槍機框?qū)к壞p經(jīng)驗公式、槍機框后坐到位與復(fù)進到位撞擊面的磨損經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式可以用于推斷該大口徑機槍自動機部分性能衰減和磨損情況。

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Research on Wear and Performance Degradation of a Large-caliber Machine Gun Automatic Mechanism in Firing Life-span

QI Yu-hui，XU Cheng
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism have an impact on the mechanism function and action reliability in firing life-span，which leads to an influence on the performance and operational effectiveness of the large-caliber machine gun.A large-caliber machine gun is used as the experimental object.The wear of key portion and performance degradation of automatic mechanism during firing life-span are measured in detail，and the failure statistics of automatic mechanism are completed.Experimental results show that the wear losses of bolt locking supporting surface and locking curve groove during firing are low，but the wear loss of bolt carrier guiderail is high.With the increase in fired shot quantity，the locking force decreases，the length of recoil spring is shortened，the standard deviation of recoil velocity increases，and the moving fault of automatic mechanism increases. There is a positive correlation among the moving fault and standard deviation of recoil velocity and the wear of key portion of automatic mechanism.The empirical models of locking force attenuation and thefree length attenuation of recoil spring，and a wear model of bolt carrier guiderail and impact surface when bolt carrier recoils to position and returns to original position are established，respectively.The empirical models are good agreement with the experimental data.These models can be used to estimate the wear and performance degradation of automatic mechanisms.

ordnance science and technology；large-caliber machine gun；automatic mechanism；longevity experiment；wear；performance degradation

TJ25

A

1000-1093（2016）08-1359-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.003

2015-06-02

國家自然科學基金項目（51575279）

齊玉輝（1977—），男，副研究員，博士研究生。E-mail:qinjust@mail.njust.edu.cn；徐誠（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn