武國梁，解志堅，楊 臻，王自勇

（1.中北大學機電工程學院，太原 030051；2.重慶建設(shè)工業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401320）

0 引言

目前，國外步槍的擊發(fā)機構(gòu)大多數(shù)采用擊錘回轉(zhuǎn)式擊發(fā)機構(gòu)，擊錘回轉(zhuǎn)式運動撞擊擊針，回轉(zhuǎn)式擊錘的能量來源于擊錘簧或者復進簧，擊錘回轉(zhuǎn)式延續(xù)時間短，可隨時射擊，被廣泛應用于手槍、半自動步槍、自動步槍中。

擊錘直動式擊發(fā)機構(gòu)，擊錘作直線運動撞擊擊針。擊錘的能量來源于擊錘簧或者復進簧，擊錘作直線運動的結(jié)構(gòu)成待發(fā)時可使槍機停于前方，使單發(fā)或連發(fā)第一發(fā)射擊時對武器的撞擊較小，有利于提高其射擊的精度。擊錘直動式擊發(fā)機構(gòu)，可以減小擊針尺寸，減小槍機尺寸，提高槍機的強度，并且擊錘打擊擊針有足夠的能量和速度，擊發(fā)可靠［1-2］。為了使步槍輕量化，本文采用擊錘直動式擊發(fā)機構(gòu)，并對擊錘關(guān)鍵部位在射擊全過程進行了壽命分析。

1 某步槍擊錘發(fā)射過程分析

某型步槍采用的是導氣式自動原理，通過火藥燃氣驅(qū)動各機構(gòu)運動，槍彈擊發(fā)后，當彈丸穿過導氣孔后，火藥燃氣推動活塞桿向后運動并撞擊槍機框帶動槍機后坐，從而帶動擊錘向后運動，當擊錘撞擊緩沖杠桿后停止運動；然后在復進簧的作用下槍機框與槍機共同復進運動，最后，通過扣動扳機擊錘從阻鐵上解脫后打擊彈底。簡化的步槍擊錘模型示意圖如圖1所示。

2 動力學特性分析

由于某型步槍自身結(jié)構(gòu)的獨特性，以及高速攝影拍攝的局限性，導致對某型步槍擊錘運動學特性不能完全描述。為了解擊錘在運動全過程中的受力情況，使得后續(xù)仿真分析結(jié)果更加趨于實際情況，結(jié)合步槍實測三維模型，運用ADAMS軟件對擊錘動力學特性進行分析。

2.1 模型假設(shè)

根據(jù)該型步槍的結(jié)構(gòu)特點，以及射擊時各部件的運動過程，在不影響模型正常運動的前提下作如下假設(shè)：1）所有的零件均為剛體；2）機匣體與地面固定；3）彈簧不考慮阻尼。

2.2 模型建立

將簡化后的三維模型導入到ADAMS中，按照該型步槍射擊時各零部件的實際運動和受力情況添加相應的約束如表1所示，并對擊錘的動力學特性進行分析［3］。添加約束后的分析模型如圖2所示。

表1 主要構(gòu)件約束表

根據(jù)發(fā)射過程中的彈藥內(nèi)彈道參數(shù)，結(jié)合高速攝影實測的運動規(guī)律，將仿真模型進行修正，修正后擊錘v-t曲線如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，取5個撞擊位置，將5個撞擊位置速度與高速攝影測出的速度參數(shù)進行對比，仿真結(jié)果與實測結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比表

通過上述結(jié)果，得出槍機體與擊錘在0.018 s～0.020 s間發(fā)生對撞，由于該對撞發(fā)生位置位于槍托內(nèi)部，因此，高速攝影并未采集到相關(guān)信息。修正后的仿真值與測量值誤差在±0.3 m之內(nèi)，仿真值較符合實際情況。

3 有限元分析

將模型導入到Ansys Workbench中，并將動力學仿真得出的撞擊速度加載到有限元分析模型中［4］。將擊錘在5個撞擊位置的應力進行仿真分析。擊錘選用30CrMnTiA材料，該材料屬性如表3所示。

表3 30CrMnTiA材料屬性

表4 擊錘在5個撞擊點的應力值

擊錘在5個撞擊點的應力值如表4所示，擊錘在整個循環(huán)過程中所受的應力最大值如圖4所示。

擊錘在運動過程中主要承受各種沖擊載荷，由于目前尚無30CrMnTiA材料的沖擊疲勞數(shù)據(jù)，因此，可通過如下關(guān)系由常規(guī)疲勞數(shù)據(jù)確定。換算公式如表5所示（Sj為常規(guī)疲勞極限）［4］。

表5 沖擊疲勞與常規(guī)疲勞極限換算公式

結(jié)合30CrMnTiA的材料熱處理情況，取S=0.86Sj，將修正后的材料S-N曲線加載Workbench中，調(diào)用Fatigue Tool模塊［7］，對擊錘壽命進行仿真，仿真結(jié)果如下，得出擊錘關(guān)鍵部位圖5的疲勞壽命如表6所示。

表6 擊錘關(guān)鍵部位疲勞壽命匯總表

仿真結(jié)果得出，擊錘壽命為13 403發(fā)。滿足10 000發(fā)的設(shè)計要求。

經(jīng)取3組擊錘進行壽命試驗，統(tǒng)計如表7所示。

表7 壽命匯總

未改變參數(shù)前實測擊錘壽命為13 500發(fā)，改變參數(shù)后實測得出擊錘平均壽命為11 845發(fā)，仿真與試驗誤差為13.1%。

4 結(jié)論

本文運用ADAMS軟件對擊錘的動力學特性進行了仿真分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行比較。分析結(jié)果表明對擊錘在整個運動過程中受力情況的模擬是合理的，并且仿真結(jié)果與試驗值誤差較小。同時也說明了步槍的輕量化對于整個擊錘的壽命并無太大影響。并且還對擊錘的關(guān)鍵部位進行了分析，分析結(jié)果表明擊錘的失效形式是以變形和疲勞斷裂為主的。

［1］易聲耀，張競.自動武器原理與構(gòu)造學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992：201-203.

［2］于道文，涂光蘇.自動武器學（自動機設(shè)計分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992.

［3］趙武云，史增錄.ADAMS 2013基礎(chǔ)與應用實例教程［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［4］《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會.機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［5］《步兵自動武器及彈藥設(shè)計手冊》編寫組.步兵自動武器及彈藥設(shè)計手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1977.

［6］宮鵬涵，周克棟，康小勇，等.某自動步槍發(fā)射動力學仿真［J］.彈道學報，2014，26（1）：94-97.

［7］易聲耀，尚建忠.步槍系統(tǒng)發(fā)射過程的動力學建模［J］.彈道學報，2008，20（1）：85-90.

［8］葛藤，賈智宏，周克棟.某型自動步槍擊發(fā)機構(gòu)擊發(fā)過程分析研究［J］.彈道學報，2008，20（2）：77-80.

［9］A mathematical model of the 30MM advanced medium caliber weapon system［R］.AD-A 039713，2010.

［10］NEWMAN A R.A theoretical and experimental study of the dynamics at the small arm firer interface［C］//Proceedings of the Tench International Conference of Ballistics，1987.

［11］Studies in the methodology of weapons systems effectiveness analysis using the techniques of simulation optimization and statistics-phaseⅡ［R］.AD-875397，2009.