郭浩然，袁志華，尹 鑫

回轉(zhuǎn)體半自由槍機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真研究

郭浩然，*袁志華，尹 鑫

（沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧，沈陽(yáng) 110159）

針對(duì)目前自由/半自由槍機(jī)結(jié)構(gòu)形式單一，質(zhì)量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種回轉(zhuǎn)體半自由槍機(jī)式結(jié)構(gòu)。建立了包含導(dǎo)軌參數(shù)的轉(zhuǎn)換質(zhì)量換算模型，應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換質(zhì)量換算模型以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理性。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有一定可行性，可為半自由槍機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

半自由槍機(jī)；質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；Adams；動(dòng)力學(xué)仿真

沖鋒槍根據(jù)其體積小、質(zhì)量輕、火力強(qiáng)等特點(diǎn)而廣泛采用半自由槍機(jī)式自動(dòng)方式[1]。目前常見(jiàn)的半自由槍機(jī)的結(jié)構(gòu)形式又以MP5沖鋒槍為代表的滾柱式和以湯姆遜沖鋒槍為代表的楔閂式[2]。半自由槍機(jī)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)某些特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、作用形式而產(chǎn)生較大的質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而獲得更大的轉(zhuǎn)換質(zhì)量[3]。滾柱式半自由槍機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦系數(shù)小，但其性能的實(shí)現(xiàn)依賴良好的材料和工藝進(jìn)行保證，對(duì)材料與加工精度的要求很高。楔閂式半自由槍機(jī)雖然對(duì)加工精度要求較低，但其開鎖工作面在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生楔緊的現(xiàn)象而導(dǎo)致附加摩擦力增大[4]。

基于回轉(zhuǎn)式剛性閉鎖機(jī)構(gòu)的工作原理，提出了一種利用槍機(jī)回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)開閉鎖的半自由槍機(jī)機(jī)構(gòu)，通過(guò)槍機(jī)外部回轉(zhuǎn)體凸筍在機(jī)匣導(dǎo)軌內(nèi)的受限滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)開閉鎖過(guò)程。同時(shí)空間導(dǎo)軌角度與回轉(zhuǎn)體凸筍的相對(duì)限位滑動(dòng)將一部分后坐能量轉(zhuǎn)化為使回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)的能量，從而獲得較大的物理轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

1 回轉(zhuǎn)式半自由槍機(jī)工作原理

1—槍機(jī)；2—擊針孔；3—回轉(zhuǎn)體楔塊；4—楔柱；5—回轉(zhuǎn)體；6—凸筍；7—導(dǎo)軌；8—槍機(jī)座

圖1所示，機(jī)構(gòu)主體由槍機(jī)、回轉(zhuǎn)體、回轉(zhuǎn)體楔塊、楔柱、槍機(jī)框等零件構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)體楔塊通過(guò)楔柱固定在回轉(zhuǎn)體上，約束回轉(zhuǎn)體只能相對(duì)于槍機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保證回轉(zhuǎn)體能跟隨槍機(jī)一同在水平方向上移動(dòng)。槍機(jī)匣內(nèi)部的三條導(dǎo)軌與回轉(zhuǎn)體上的三個(gè)凸筍相配合，使凸筍能沿導(dǎo)軌移動(dòng)。槍機(jī)限位機(jī)構(gòu)固定在機(jī)匣上，約束槍機(jī)使其只能沿水平方向移動(dòng)。

1—預(yù)抽殼行程；2—轉(zhuǎn)動(dòng)行程；3—工作行程；θ—導(dǎo)軌傾角

槍機(jī)座內(nèi)表面展開圖如圖2所示。工作原理：當(dāng)子彈被擊發(fā)，火藥燃?xì)庾龉?，推?dòng)槍機(jī)開始后坐。為了避免子彈彈殼因膛壓較大而被拉斷，回轉(zhuǎn)體凸筍先進(jìn)入一小段預(yù)抽殼行程，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)行程，槍機(jī)開始開鎖，回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，使一部分火藥燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的能量。在回轉(zhuǎn)體凸筍走完轉(zhuǎn)動(dòng)行程后，槍機(jī)完成開鎖，在水平方向上繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，完成拋殼等動(dòng)作。當(dāng)后坐到位后，槍機(jī)受復(fù)進(jìn)簧的作用，推動(dòng)回轉(zhuǎn)體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，完成上彈等動(dòng)作后，回轉(zhuǎn)體凸筍進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)行程，回轉(zhuǎn)體開始轉(zhuǎn)動(dòng)，復(fù)進(jìn)到位時(shí)完成閉鎖，完成自動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)。

2 質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)模型的建立

為了能夠更清晰、簡(jiǎn)單地反應(yīng)該機(jī)構(gòu)槍機(jī)轉(zhuǎn)化質(zhì)量數(shù)學(xué)模型，對(duì)此模型做出如下假設(shè)：

1）忽略回轉(zhuǎn)體凸筍進(jìn)出轉(zhuǎn)動(dòng)行程的能量損失；

2）不考慮由于彈殼變形而產(chǎn)生的抽殼阻力；

3）忽略復(fù)進(jìn)簧在實(shí)際工作中產(chǎn)生的內(nèi)耗[6]；

4）不考慮回轉(zhuǎn)體與槍機(jī)匣內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦；

5）忽略零件之間的間隙而產(chǎn)生的震動(dòng)帶來(lái)的能量損失。

因此力換算系數(shù)為：

質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為：

由上述公式可以得到，在材料尺寸一定的情況下，通過(guò)改變導(dǎo)軌的導(dǎo)軌傾角的大小，便可改變質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，以達(dá)到期望的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

3 回轉(zhuǎn)式半自由槍機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 機(jī)構(gòu)模型的建立和動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

使用UG進(jìn)行三維建模并導(dǎo)入到Adams中，添加如表1的約束和部分主要參數(shù)如表2所示。使用STEP函數(shù)模擬出槍機(jī)在膛壓作用下所受的力隨時(shí)間變化的曲線，如圖4。

圖4添加完約束、力后的結(jié)構(gòu)

表1 主要部件間的約束

表2 主要參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

槍機(jī)與回轉(zhuǎn)體沿x軸方向的速度曲線如圖5所示。從圖中可以看出兩者幾乎無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者沿x軸方向的運(yùn)動(dòng)完全同步。在后坐開始后約0.002 s左右，回轉(zhuǎn)體凸筍撞擊導(dǎo)軌開鎖工作面，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)體開始轉(zhuǎn)動(dòng)，開始開鎖。在進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)行程時(shí)，由于槍機(jī)所受的阻力增大，使槍機(jī)水平方向的速度有一段衰減，之后槍機(jī)受到火藥燃?xì)獾耐苿?dòng)繼續(xù)加速。0.005 s左右，火藥燃?xì)獾耐苿?dòng)力與復(fù)進(jìn)簧的推力大小相等，槍機(jī)沿x軸方向上的速度達(dá)到最大值，之后由于膛壓火藥燃?xì)獾耐苿?dòng)力衰減，槍機(jī)沿x軸方向上的速度開始衰減。0.01 s左右，回轉(zhuǎn)體凸筍到達(dá)導(dǎo)軌末端，后坐完成。

圖5槍機(jī)與回轉(zhuǎn)體的速度曲線

回轉(zhuǎn)體角速度和旋轉(zhuǎn)角度行程的曲線分別如圖6、圖7所示。回轉(zhuǎn)體角速度在0.005 s左右達(dá)到最大值。之后在進(jìn)入工作行程前有一小段反跳并迅速?gòu)?fù)位，并在0.008 s左右達(dá)到最大回轉(zhuǎn)角度，完成開鎖，進(jìn)入工作行程直到后坐完成，可見(jiàn)，此機(jī)構(gòu)具有一定的防反跳的能力。

圖6 回轉(zhuǎn)體角速度曲線

圖7 回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度曲線

3.3 槍機(jī)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的驗(yàn)證

圖8 原始槍機(jī)與自由槍機(jī)速度對(duì)比

圖9 第二組槍機(jī)與自由槍機(jī)速度對(duì)比

4 結(jié)論

基于回轉(zhuǎn)式剛性閉鎖機(jī)構(gòu)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種新的半自由槍機(jī)，通過(guò)對(duì)槍機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析，建立該半自由槍機(jī)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合常見(jiàn)沖鋒槍槍機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，代入所需數(shù)據(jù)并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)槍機(jī)的速度曲線、回轉(zhuǎn)體的角速度和運(yùn)動(dòng)曲線仿真，同時(shí)將兩組回轉(zhuǎn)式半自由式槍機(jī)與對(duì)照組自由式槍機(jī)的速度對(duì)照，證明半自由槍機(jī)與對(duì)照組自由式槍機(jī)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相似，最大速度相近，檢驗(yàn)了該槍機(jī)具有一定的可行性。該設(shè)計(jì)提供了一種用于沖鋒槍半自由槍機(jī)結(jié)構(gòu)的的新思路，具有一定的參考價(jià)值。

[1] 靳通. 某遷移式自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[2] 師翼,姚養(yǎng)無(wú). 槍機(jī)自由后坐式武器動(dòng)力分析[J].機(jī)械管理開發(fā),2005(2):35-36.

[3] 趙少華. 轉(zhuǎn)管機(jī)槍緩沖器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原:中北大學(xué),2010.

[4] 陳青華,袁志華,譚千鈞,等. 滾柱剛性閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].火力與指揮控制,2018,43(9): 152-155.

[5] 姚養(yǎng)無(wú). 火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2000.

[6] 楊松,赫雷,沈超,等. 某新型自動(dòng)防暴槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2017,38(3):57-61.

Research on Dynamics and Conversion Quality of New Semi-free Guns of Submachine Gun

GUO Hao-ran，*YUAN Zhi-hua，YIN Xin

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning 110159，China）

In view of the single structure of the free/semi-free gun mechanism and the low efficiency of mass conversion, a semi-free gun type structure of the rotary body was designed. The transformation quality conversion model including the guide rail parameters was established. The multi-rigid dynamics software was used to simulate the dynamics of the mechanism, and the conversion quality conversion model and the rationality of the mechanism motion were verified. The results show that the design has certain feasibility and can provide reference for the structural design of semi-free gun.

semi-free gun machine; mass conversion coefficient; Adams; dynamics simulatio

1674-8085(2020)01-0059-06

TJ203.2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.01.012

2019-09-10；

2019-10-12

遼寧省科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(XLYC1802104)

郭浩然(1996-)，男，湖北潛江人，碩士生，主要從事武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究(E-mail:540029841@qq.com);

*袁志華(1963-)，男，遼寧錦州人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究(E-mail:872881349@qq.com);

尹鑫(1997-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士生，主要從事武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究(E-mail:1205533960@qq.com).