滿孝杰，郝秀平，焦 健

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051) (2.國營第八六一廠，湖南 長沙 410100)

鏈?zhǔn)轿淦饕话阊b載在空中戰(zhàn)機(jī)、海上軍艦、陸地步兵戰(zhàn)車等快速運(yùn)動(dòng)且平臺(tái)抖動(dòng)強(qiáng)烈的載體上，而小口徑鏈?zhǔn)綑C(jī)槍由于威力小，還可以裝載在無人作戰(zhàn)平臺(tái)上。想要在這些載體平臺(tái)上發(fā)揮出鏈?zhǔn)轿淦鞯淖饔茫準(zhǔn)轿淦鞯纳鋼艟纫约翱煽啃跃惋@得極為重要。本文通過模擬機(jī)框的運(yùn)動(dòng)情況來分析某鏈?zhǔn)綑C(jī)槍的可靠性。

1 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)的工作原理

鏈?zhǔn)綑C(jī)槍是一種由外能源提供動(dòng)力的自動(dòng)武器，如圖1所示，其自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)來完成的[1]?，F(xiàn)有鏈?zhǔn)轿淦鞯逆湕l傳動(dòng)系統(tǒng)一般由4個(gè)鏈輪將1根封閉的鏈條張成矩形，4個(gè)鏈輪中有1個(gè)主動(dòng)鏈輪和3個(gè)從動(dòng)鏈輪，其中主動(dòng)鏈輪的驅(qū)動(dòng)力是由外部電機(jī)通過輸出軸提供的。

1—機(jī)心座滑塊；2—主鏈節(jié)；3—機(jī)心座；4—機(jī)頭；5—前引導(dǎo)板；

鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)的工作原理是通過帶有滑塊的鏈在鏈輪圍成的矩形路線上周向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)心座的前后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)心座滑塊在前一長邊上運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)心座做縱向運(yùn)動(dòng)，槍機(jī)便完成推彈入膛、閉鎖擊發(fā)、拋殼等動(dòng)作。當(dāng)機(jī)心座滑塊在另一長邊上運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)心座后移，槍機(jī)完成抽殼動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了槍機(jī)的后坐與復(fù)進(jìn)[2]。

當(dāng)機(jī)心座滑塊在短邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在機(jī)心座的T型槽內(nèi)滑動(dòng)，機(jī)心座不動(dòng)。當(dāng)機(jī)心座停留在后方時(shí)，供彈機(jī)構(gòu)完成輸彈、供彈動(dòng)作；當(dāng)機(jī)心座停留在前方時(shí)，槍機(jī)進(jìn)行閉鎖、擊發(fā)動(dòng)作，進(jìn)而完成鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)的自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作[3]。

2 某尺寸鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)三維模型

2.1 自動(dòng)機(jī)模型的構(gòu)成

自動(dòng)機(jī)組件由鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、槍機(jī)框、機(jī)頭組件、鏈條上板及鏈條下板等組成。鏈傳動(dòng)系統(tǒng)包括主動(dòng)鏈輪、鏈輪、滑塊座、滑塊和鏈條等5個(gè)部件[4]。

2.2 自動(dòng)機(jī)模型的工作原理

鏈輪通過軸承與鏈條上下板連接，鏈條下板和機(jī)匣固連，鏈條上板通過螺栓與鏈條下板固連，鏈條上板通過導(dǎo)軌限制槍機(jī)框前后運(yùn)動(dòng)。槍機(jī)框后部安裝有滾輪，滾輪在供彈機(jī)構(gòu)擺桿槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)撥彈齒完成供輸彈動(dòng)作，自動(dòng)機(jī)組件主要完成推彈入膛、閉鎖、擊發(fā)、開鎖、抽殼、后坐與復(fù)進(jìn)等動(dòng)作[5]。自動(dòng)機(jī)組件如圖2所示。

圖2 自動(dòng)機(jī)組件

3 建立仿真模型

3.1 虛擬樣機(jī)模型的簡化

1)除鏈條、彈鏈考慮其變形影響外，其他部件看成剛性體；

2)如一些銷釘?shù)冗B接方式簡化成運(yùn)動(dòng)副；

3)由于開鎖膛壓小，因此不考慮火藥氣體對(duì)部件機(jī)構(gòu)動(dòng)作的影響；

4)用固定副固連大地，不考慮槍架振動(dòng)影響；

5)忽略一些不參與仿真運(yùn)動(dòng)的零部件。

3.2 鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程及特性分析

將鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，原理簡圖如圖3所示，圖中直角坐標(biāo)系的X軸對(duì)應(yīng)著鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)的進(jìn)彈、抽殼運(yùn)動(dòng)行程，Y軸對(duì)應(yīng)著閉鎖、擊發(fā)、開鎖行程。后窄邊中心設(shè)置為原點(diǎn)，鏈輪縱向中心距用長邊a表示，鏈輪橫向中心距用短邊b表示，4段過渡圓弧代表的是鏈輪的分度圓半徑。其中點(diǎn)1～9分別為過渡圓弧的交點(diǎn)，并且依據(jù)順時(shí)針排列。

圖3 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖

根據(jù)表1可以看出，鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程分為8個(gè)階段。表中，第一列為運(yùn)動(dòng)階段；第二列為鏈條沿X軸方向隨時(shí)間的位移；第三列為第二列表達(dá)式的一階導(dǎo)數(shù)，表示的含義為鏈條沿X軸方向的速度；最后一列為第二列表達(dá)式的二階導(dǎo)數(shù)，表示的含義為鏈條沿X軸方向的加速度。通過表1可得理想狀態(tài)下自動(dòng)機(jī)的位移、速度、加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖4所示。

表1 鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)特性函數(shù)

圖4 理想狀態(tài)下鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性曲線

從圖4可以看出，鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律近似可以看成梯形變化規(guī)律，速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律為標(biāo)準(zhǔn)的梯形變化規(guī)律，加速度變化規(guī)律屬于標(biāo)準(zhǔn)的正弦變化規(guī)律。鏈?zhǔn)阶詣?dòng)機(jī)仿真曲線只有和理想狀態(tài)下自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性曲線相符才能保證其可靠工作。

3.3 模型的建立

將在UG中建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，由于導(dǎo)入ADAMS中的模型僅有幾何形狀特征，所以在仿真分析前需要對(duì)各部件的名稱、材料屬性等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于鏈條鏈輪是在ADAMS中生成的，所以用單排鏈代替雙排鏈，如圖5所示。設(shè)置完成后在ADAMS中根據(jù)各機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系添加運(yùn)動(dòng)副，其約束見表2。

3.4 虛擬樣機(jī)載荷的添加

在鏈?zhǔn)綑C(jī)槍虛擬樣機(jī)模型中，需要施加的載荷有膛底壓力、抽殼力、摩擦阻力[6]。建立內(nèi)彈道及后效期火藥氣體壓力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB進(jìn)行編程，并求解得到該彈內(nèi)彈道的膛底壓力-時(shí)間曲線,如圖6所示[7]。

圖5 虛擬仿真模型

表2 各部件之間的約束

圖6 膛底壓力-時(shí)間曲線

已知鏈?zhǔn)綑C(jī)槍內(nèi)彈道膛底壓力-時(shí)間曲線后，再根據(jù)轉(zhuǎn)化公式計(jì)算膛底合力。

轉(zhuǎn)化公式：

(1)

式中：Fh為膛底合力；S為槍膛橫截面積；ω為裝藥量；m為彈丸質(zhì)量；φ1為次要功系數(shù)；p為膛壓。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到膛底合力曲線，如圖7所示。

圖7 膛底合力-時(shí)間曲線

4 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍仿真結(jié)果與分析

在運(yùn)行仿真模型前，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，首先需要將聯(lián)合仿真模型的輸入轉(zhuǎn)速值設(shè)置為10 667 r/min，此轉(zhuǎn)速是鏈?zhǔn)綑C(jī)槍在射頻為600發(fā)/min的理論轉(zhuǎn)速；其次將聯(lián)合仿真的時(shí)間設(shè)置為0.1 s。仿真完成后得到鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框位移隨著時(shí)間的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框位移隨時(shí)間變化曲線

當(dāng)鏈?zhǔn)綑C(jī)槍的射頻為600發(fā)/min時(shí)，槍機(jī)框的理論循環(huán)周期為0.1 s。從圖8中可以看出，槍機(jī)框的循環(huán)周期為0.1 s時(shí)，鏈?zhǔn)綑C(jī)槍的實(shí)際射頻為588發(fā)/min。由此得出：槍機(jī)框位移圖在鏈條前后直線段產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，究其原因是鏈條在前后直線段運(yùn)動(dòng)時(shí)前后晃動(dòng)導(dǎo)致槍機(jī)框的位移波動(dòng)。從圖中還可以看出，槍機(jī)框位移的最大值約為-29 mm，最小值約為-149 mm，其差值為120 mm，與鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的工作循環(huán)行程基本一致，說明在射頻不同的情況下鏈?zhǔn)綑C(jī)槍能夠穩(wěn)定地進(jìn)行射擊，驗(yàn)證了其在不同射頻狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

在射頻為600發(fā)/min，自動(dòng)循環(huán)周期為0.1 s的前提下，仿真得到的槍機(jī)框速度、加速度隨時(shí)間變化的曲線如圖9、圖10所示。

圖9 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框速度隨時(shí)間變化曲線

圖10 鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框加速度隨時(shí)間變化曲線

從圖9中可以看出，槍機(jī)框的最大瞬時(shí)速度為3.7 m/s，平均速度約為3.3 m/s，圖形近似為T型，與理論分析結(jié)果一致，即仿真結(jié)果滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。從圖10中可以看出，槍機(jī)框的最大加速度約為10 000 m/s2，其加速度與理想的加速度曲線變化差別較大，主要原因是在仿真過程中存在大量的波動(dòng)，而理想狀態(tài)下忽略了鏈條的抖動(dòng)及各部件之間的接觸。

射頻為500發(fā)/min情況下，鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框的位移、速度、加速度隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖11所示。

圖11 500發(fā)/min射頻下鏈?zhǔn)綑C(jī)槍槍機(jī)框位移、速度、加速度隨時(shí)間變化曲線

鏈?zhǔn)綑C(jī)槍的射頻為500發(fā)/min時(shí)，槍機(jī)框的理論循環(huán)周期為0.11 s，從圖11中可知，槍機(jī)框的循環(huán)周期為0.11 s，鏈?zhǔn)綑C(jī)槍的實(shí)際射頻為503發(fā)/min。鏈條的運(yùn)行距離不變，則槍機(jī)框的位移大小不發(fā)生變化，同樣為120 mm。相對(duì)于射頻600發(fā)/min，500發(fā)/min射頻時(shí)的速度較低，約為2.6 m/s，同時(shí)在鏈條前后直線段速度曲線波動(dòng)也相對(duì)較小，主要是降低射頻使鏈輪轉(zhuǎn)數(shù)降低，鏈條的抖動(dòng)也隨之減小。在500發(fā)/min射頻和600發(fā)/min射頻條件下，槍機(jī)框的運(yùn)動(dòng)特性曲線規(guī)律基本一致，這說明鏈?zhǔn)綑C(jī)槍在任選的不同射頻條件下依然能穩(wěn)定運(yùn)行。以上結(jié)果充分證明了鏈?zhǔn)綑C(jī)槍具有優(yōu)秀的可靠性。

5 結(jié)束語

本文首先對(duì)某口徑鏈?zhǔn)綑C(jī)槍自動(dòng)機(jī)進(jìn)行了理論分析，然后用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)自動(dòng)機(jī)槍機(jī)框部分的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行了分析總結(jié)，最后得到結(jié)論：鏈?zhǔn)綑C(jī)槍在不同射頻條件下都能夠進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行，其位移、速度、加速度與理論分析的自動(dòng)機(jī)特性曲線基本一致，由此可知鏈?zhǔn)綑C(jī)槍具有一定的可靠性[8]。