齊玉輝，顧新華，徐 誠(chéng)

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

大口徑機(jī)槍與自動(dòng)榴彈發(fā)射器是2種班組支援武器，一般需要采用2種不同的自動(dòng)機(jī)才能完成自動(dòng)發(fā)射功能，研制和生產(chǎn)成本高、可維修性差。因此，研究一種同時(shí)適用于大口徑機(jī)槍和自動(dòng)榴彈發(fā)射器的通用自動(dòng)機(jī)，成為世界各國(guó)輕武器研究的熱點(diǎn)之一。美國(guó)于20世紀(jì)末提出了“理想班組支援武器（OCSW）”計(jì)劃，研制25mm榴彈發(fā)射器。21世紀(jì)初美國(guó)改進(jìn)了原有理想班組支援武器計(jì)劃，提出12.7mm口徑重機(jī)槍（XM312）和25mm口徑榴彈發(fā)射器（XM307）通用模塊化自動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)，最大程度地提高班組作戰(zhàn)效能［1－4］，降低裝備成本。美國(guó)的XM312和XM307采用導(dǎo)氣式與槍身長(zhǎng)后坐相結(jié)合方式，主要結(jié)構(gòu)有供彈輪、槍機(jī)加速機(jī)構(gòu)，利用彈藥適配器實(shí)現(xiàn)左右雙向供彈，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)射擊、雙口徑雙初速半自動(dòng)［5］。但該自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。本文采用模塊化設(shè)計(jì)理念，提出一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的模塊化雙初速自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)不同火力、2種口徑、不同作戰(zhàn)目標(biāo)班組支援武器間的轉(zhuǎn)換，以有效地滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜戰(zhàn)況的需要。通過仿真計(jì)算分析了參數(shù)匹配情況和影響規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

1 新型模塊化雙初速自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案

1.1 重機(jī)槍和自動(dòng)榴彈發(fā)射器內(nèi)彈道差異分析

12.7 mm重機(jī)槍和25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器內(nèi)彈道特性對(duì)比如表1所示。表中，d為槍管口徑，L為槍管長(zhǎng)度，t為時(shí)間，s為彈丸位移，v為彈丸速度，pmax為最大壓力，ˉp為平均壓力。25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器彈質(zhì)量為142.0g，最大膛壓為119.7MPa，彈丸初速為426.2m／s；12.7mm重機(jī)槍彈質(zhì)量為48.2g，最大膛壓為298.3MPa，彈丸初速為785.3m／s。12.7mm重機(jī)槍最大膛壓是25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器的2.45倍，彈丸初速是后者的1.84倍，槍口動(dòng)能是后者的1.15倍，兩者差異非常大，采用同一個(gè)內(nèi)能源自動(dòng)機(jī)完成自動(dòng)發(fā)射難度很大。

表1 內(nèi)彈道特性對(duì)比

1.2 新型模塊化自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案

為了同時(shí)滿足12.7mm重機(jī)槍和25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器的自動(dòng)發(fā)射，本文選擇合適的自動(dòng)機(jī)行程，選用2種不同的導(dǎo)氣孔位置和導(dǎo)氣孔面積匹配復(fù)進(jìn)機(jī)參數(shù)，提出了一種新型模塊化通用自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案。該自動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括：通用槍機(jī)框體及其組件、通用機(jī)匣體及其組件、通用復(fù)進(jìn)簧及其組件、彈底緣不同的槍機(jī)及其組件、通用發(fā)射機(jī)體及其組件、通用槍尾部件及其組件、通用彈鏈壓板及其組件、12.7mm專有槍管組件、12.7mm專有供彈滑板組件、25mm專有槍管組件和25mm專有供彈滑板組件。將12.7mm專有組件與通用組件組合，可以形成12.7mm重機(jī)槍，如圖1所示；將25mm專有組件與通用組件組合，可以形成25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器，如圖2所示。自動(dòng)機(jī)采用導(dǎo)氣式工作方式，活塞行程長(zhǎng)，閉鎖片偏移式閉鎖，槍機(jī)框與活塞固連成一體，始終一起運(yùn)動(dòng)；同時(shí)增加了槍機(jī)框的質(zhì)量，提高了槍機(jī)框抗初速變化的能力［6］。

圖1 12.7mm重機(jī)槍模型

圖2 25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器模型

2 自動(dòng)機(jī)匹配特性數(shù)值仿真

2.1 虛擬樣機(jī)仿真建模

將新型模塊化自動(dòng)機(jī)CAD模型導(dǎo)入ADAMS中，建立了重機(jī)槍和榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)模型，模型考慮了21個(gè)剛體：表尺、撥叉、撥彈杠桿、彈殼、彈、緩沖簧蓋、導(dǎo)鏈板、機(jī)匣、發(fā)射機(jī)構(gòu)、內(nèi)撥彈滑板、槍管、內(nèi)撥彈齒、拋殼挺、槍機(jī)、槍機(jī)框、槍尾、上機(jī)蓋、外撥彈齒、外撥彈滑板和左、右閉鎖片。槍管、槍尾、機(jī)匣等都相對(duì)于地面固定不動(dòng)，2種武器發(fā)射狀態(tài)導(dǎo)氣室內(nèi)火藥氣體壓力采用布拉文公式［4］確定，施加于槍機(jī)框上。

2.2 模塊化自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值仿真分析

仿真計(jì)算得到了12.7mm重機(jī)槍和25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器在發(fā)射狀態(tài)時(shí)自動(dòng)機(jī)槍機(jī)速度v1、槍機(jī)框速度v2的曲線，如圖3所示。在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，12.7mm重機(jī)槍槍機(jī)框后坐最大速度與實(shí)驗(yàn)相差2%，25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器槍機(jī)框后坐最大速度與實(shí)驗(yàn)相差4.5%，仿真計(jì)算獲得的自動(dòng)機(jī)槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。仿真結(jié)果表明：槍機(jī)和槍機(jī)框在完成自由行程以后，速度大小呈階梯性下降，這是由于在開鎖過程中槍機(jī)和槍機(jī)框撞擊左右閉鎖，產(chǎn)生了反向瞬時(shí)加速度。開鎖過程完成后，槍機(jī)框和槍機(jī)共同運(yùn)動(dòng)，位移和速度基本相同。為了避免出現(xiàn)過早開鎖，在一個(gè)周期即將結(jié)束時(shí)，防反跳裝置將使槍機(jī)框的不平穩(wěn)抖動(dòng)越來越小，但這個(gè)過程也會(huì)造成一定的能量損失。

圖3 自動(dòng)機(jī)速度曲線

通過仿真計(jì)算可得供彈機(jī)構(gòu)供彈過程2種彈丸的運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果如圖4所示。該結(jié)果表明：2種彈丸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，重機(jī)槍輸彈時(shí)刻略早于榴彈發(fā)射器，12.7mm彈丸運(yùn)動(dòng)過程中的速度略大于25mm彈丸；該結(jié)構(gòu)的雙初速自動(dòng)機(jī)能夠平穩(wěn)、順利地完成2種口徑彈藥的進(jìn)彈與輸彈過程，滿足動(dòng)力匹配要求。

圖4 輸彈過程彈丸位移曲線

2.3 參數(shù)對(duì)自動(dòng)機(jī)工作頻率的影響

1）導(dǎo)氣裝置參數(shù)的影響。

如圖5所示，通過仿真計(jì)算得到了榴彈發(fā)射器和重機(jī)槍在導(dǎo)氣孔位置不變的情況下，導(dǎo)氣孔直徑dh的變化對(duì)自動(dòng)機(jī)工作頻率f的影響。仿真結(jié)果表明，自動(dòng)機(jī)的發(fā)射頻率隨導(dǎo)氣孔直徑的增大而增大，因此可以通過改變導(dǎo)氣孔直徑調(diào)節(jié)武器工作射頻，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)26%。

圖5 導(dǎo)氣孔直徑變化對(duì)射擊頻率的影響

圖6給出了重機(jī)槍和榴彈發(fā)射器在導(dǎo)氣孔直徑不變的條件下，導(dǎo)氣孔位置lh對(duì)自動(dòng)機(jī)工作頻率f的影響。由圖可見，在一定范圍內(nèi)導(dǎo)氣孔離槍管后端面越遠(yuǎn)，進(jìn)入導(dǎo)氣室內(nèi)壓力越大，自動(dòng)機(jī)獲得的初速越高，同時(shí)復(fù)進(jìn)速度越快，自動(dòng)機(jī)工作頻率越高。因此可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)氣孔位置來調(diào)節(jié)武器工作射頻，調(diào)節(jié)范圍至少可達(dá)29%。

圖6 導(dǎo)氣孔位置變化對(duì)自動(dòng)機(jī)射擊頻率的影響

2）復(fù)進(jìn)裝置參數(shù)的影響。

圖7、圖8分別給出了復(fù)進(jìn)簧剛度系數(shù)k1、預(yù)壓力F0對(duì)模塊化自動(dòng)機(jī)工作頻率影響情況的計(jì)算結(jié)果。

圖7 復(fù)進(jìn)簧剛度對(duì)射擊頻率的影響（F0＝200N）

圖8 復(fù)進(jìn)簧預(yù)壓力對(duì)射擊頻率的影響（k1＝0.83N／mm）

在預(yù)壓力F0不變的條件下，增加彈簧剛度能夠縮短復(fù)進(jìn)時(shí)間，提高發(fā)射頻率。當(dāng)復(fù)進(jìn)簧剛度為定值時(shí)，隨著預(yù)壓力的增大復(fù)進(jìn)時(shí)間減小，發(fā)射頻率提高。而復(fù)進(jìn)簧剛度對(duì)自動(dòng)機(jī)工作頻率的調(diào)節(jié)作用比預(yù)壓力大。選取復(fù)進(jìn)簧不同預(yù)壓力F0和剛度系數(shù)k1對(duì)自動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，k1＝0.83N／mm，F(xiàn)0＝200N時(shí)，12.7mm 重機(jī)槍和25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器2種發(fā)射狀態(tài)匹配合理。

3）緩沖裝置參數(shù)的影響。

緩沖裝置吸收自動(dòng)機(jī)后坐到位時(shí)的多余能量，減輕與槍尾碰撞。圖9、圖10分別給出了重機(jī)槍緩沖裝置剛度系數(shù)k2、阻尼系數(shù)C對(duì)自動(dòng)機(jī)發(fā)射頻率的影響。結(jié)果表明：隨著緩沖簧剛度增大，自動(dòng)機(jī)發(fā)射頻率提高；但緩沖簧剛度對(duì)槍尾作用力和后坐時(shí)間影響較小，對(duì)復(fù)進(jìn)時(shí)間影響較大。當(dāng)k2較大時(shí)，復(fù)進(jìn)到位時(shí)緩沖簧的壓縮時(shí)間短，動(dòng)能在轉(zhuǎn)化成勢(shì)能的過程中能量損耗減小，動(dòng)能更多地反饋到復(fù)進(jìn)過程中，從而減少了復(fù)進(jìn)到位時(shí)間。緩沖裝置阻尼系數(shù)增大時(shí)自動(dòng)機(jī)發(fā)射頻率降低，這是因?yàn)樽詣?dòng)機(jī)后坐到位時(shí)緩沖裝置的阻尼器將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，減小了槍尾作用力，同時(shí)伴隨著能量損失，這造成復(fù)進(jìn)過程能量減少，復(fù)進(jìn)時(shí)間增長(zhǎng)。

圖9 緩沖器剛度對(duì)射擊頻率的影響

圖10 緩沖器阻尼系數(shù)對(duì)射擊頻率的影響

3 自動(dòng)機(jī)匹配特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用磁電測(cè)速法測(cè)量新型模塊化自動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)在25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器和12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)的速度（va）－時(shí)間曲線和位移（sa）－時(shí)間曲線，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖11所示，傳感器采用的是YSW型磁電式位移傳感器，調(diào)理器為YSW型阻抗變換器，數(shù)據(jù)采集采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖11 測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖12 25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)槍機(jī)框速度、位移曲線

圖13 12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)槍機(jī)框速度、位移曲線

圖12 是25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)機(jī)的槍機(jī)框后坐最大速度為8.32m／s，槍機(jī)框后坐到位速度為2.35m／s，槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位速度為3.93m／s，自動(dòng)機(jī)可以完成自動(dòng)發(fā)射和自動(dòng)供彈動(dòng)作，后坐階段工作時(shí)間為0.046s，復(fù)進(jìn)工作時(shí)間為0.074 3s。

圖13是12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)機(jī)的槍機(jī)框后坐最大速度為8.57m／s，槍機(jī)框后坐到位速度為3.40m／s，槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位速度為4.96m／s，自動(dòng)機(jī)可以完成自動(dòng)發(fā)射和自動(dòng)供彈動(dòng)作，后坐階段工作時(shí)間為0.042 2s，復(fù)進(jìn)工作時(shí)間為0.066 9s。與25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器相比，12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)槍機(jī)框后坐到位速度提高了31%，復(fù)進(jìn)到位速度提高了21%，12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)發(fā)射頻率提高。12.7mm重機(jī)槍發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)工作頻率為550min－1，25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器發(fā)射狀態(tài)自動(dòng)機(jī)工作頻率為498min－1，滿足2種武器的發(fā)射頻率要求，這說明本文提出的的新型模塊化自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案可以同時(shí)滿足12.7mm重機(jī)槍和25mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器的自動(dòng)發(fā)射需要，可匹配2種武器發(fā)射狀態(tài)。

4 結(jié)論

①對(duì)于給定的自動(dòng)機(jī)行程，采用2種不同的導(dǎo)氣孔位置和導(dǎo)氣孔面積，匹配復(fù)進(jìn)機(jī)參數(shù)，提出了一種適用于12.7mm／25mm雙口徑雙初速的新型模塊化通用自動(dòng)機(jī)技術(shù)方案，進(jìn)行了自動(dòng)機(jī)匹配特性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了原理可行性及技術(shù)方案對(duì)2種口徑、2種初速自動(dòng)發(fā)射的適應(yīng)性。

②建立了模塊化通用自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)模型，通過仿真計(jì)算揭示了2種工作狀態(tài)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。通過仿真計(jì)算獲得了導(dǎo)氣孔直徑、導(dǎo)氣孔位置、復(fù)進(jìn)簧剛度、緩沖器剛度及預(yù)壓力參數(shù)變化對(duì)發(fā)射頻率的影響規(guī)律。

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