鄒衍，徐誠，張克

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京102202）

5.8 mm/7.62 mm模塊化步槍運(yùn)動特性匹配分析

鄒衍1，徐誠1，張克2

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京102202）

不同口徑步槍匹配問題是變口徑模塊化步槍系統(tǒng)研制需解決的關(guān)鍵問題。利用Adams軟件建立了5.8 mm和7.62 mm變口徑的模塊化步槍數(shù)值仿真模型，通過與試驗數(shù)據(jù)對比驗證了模型的正確性。基于該模型進(jìn)行了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配、供彈匹配和拋殼匹配分析。引入了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度的概念，建立了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則得到了合理的設(shè)計方案。結(jié)果表明：通過改變導(dǎo)氣孔直徑，可以基本實現(xiàn)槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配；改變供彈斜面的傾角和增加圓角，可以提高兩種步槍彈供彈匹配性和穩(wěn)定性；通過更改拋殼窗位置可以實現(xiàn)兩種步槍彈拋殼匹配。

兵器科學(xué)與技術(shù)；模塊化步槍；運(yùn)動匹配；動力學(xué)仿真；自動機(jī)；供彈；拋殼

0 引言

變口徑模塊化步槍是由槍管模塊、自動機(jī)模塊、彈匣模塊、復(fù)進(jìn)機(jī)模塊、緩沖模塊、機(jī)匣模塊、擊發(fā)機(jī)模塊等組成。通過更換槍管模塊、機(jī)頭零件和彈匣模塊，即可裝配成不同口徑的步槍。模塊化的設(shè)計，使槍械的任務(wù)適應(yīng)性、通用性、維修性和保障性增強(qiáng)，同時最大程度地實現(xiàn)資源共享，降低生產(chǎn)成本。

模塊化步槍已經(jīng)成為各國輕武器研制的一個熱點(diǎn)，目前發(fā)展較成功的范例為德國HK公司研制的XM8槍族［1］、美國特種作戰(zhàn)司令部（USSOCOM）采用的FN SCAR突擊步槍和美國柯爾特公司研制的CM901模塊化卡賓槍［2］等。國外通過工程試驗研制成功了功能與運(yùn)動特性匹配的模塊化步槍系統(tǒng)樣機(jī)，但并未給出匹配準(zhǔn)則和定量匹配關(guān)系。國內(nèi)研究尚處于起步階段，冉景祿等［1］對同口徑自動機(jī)特性和參數(shù)影響進(jìn)行了初步研究。

本文通過對某變口徑的模塊化步槍的動力學(xué)仿真，進(jìn)行了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配、供彈匹配和拋殼匹配分析，建立了相應(yīng)的匹配準(zhǔn)則，為變口徑模塊化步槍的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

1 模塊化步槍數(shù)值仿真模型的建立與驗證

變口徑模塊化步槍設(shè)計目的為將槍械零件模塊化，能夠快速、更換盡可能少的零部件，使槍械可以變換成不同口徑的步槍。故在設(shè)計中，槍管模塊、彈匣模塊和機(jī)頭模塊是需要根據(jù)不同口徑要求而變換的模塊；機(jī)匣模塊、復(fù)進(jìn)機(jī)模塊、擊發(fā)機(jī)模塊、緩沖模塊、握把模塊和槍托模塊是通用模塊。

1.1 數(shù)值仿真模型的建立

本變口徑模塊化步槍虛擬樣機(jī)模型是根據(jù)某變口徑模塊化步槍，利用Adams軟件建立的。為簡化仿真模型，根據(jù)步槍實際工作原理，略去了和仿真無關(guān)的槍托模塊、握把模塊和其他模塊的一些部件，最終是由槍管模塊、自動機(jī)模塊、彈匣模塊、復(fù)進(jìn)機(jī)模塊、緩沖模塊、機(jī)匣模塊、擊發(fā)機(jī)模塊組成。通過更換槍管模塊、機(jī)頭零件和彈匣模塊，即可裝配成不同口徑的步槍虛擬樣機(jī)模型。

5.8 mm/7.62 mm模塊化步槍虛擬樣機(jī)模型由35個剛體［3］組成，包括槍機(jī)框、機(jī)頭、槍管和擊錘等。該模型在5.8 mm和7.62 mm步槍數(shù)值仿真時采用各自的槍管、機(jī)頭、彈匣和槍彈零部件模型。

模型剛體間的固定副，共計22個。如圖1所示為下機(jī)匣與其固定的部件的關(guān)系圖。

圖1 下機(jī)匣相關(guān)固定副圖Fig.1 Schematic diagram of related fixed joints of lower receiver

模型共有4個轉(zhuǎn)動副和1個移動副。如圖2和圖3所示，緩沖器體與緩沖器嵌件、擊錘與發(fā)射機(jī)座以及不到位保險和發(fā)射機(jī)座之間添加轉(zhuǎn)動副。緩沖器座與緩沖器嵌件之間添加移動副。

圖2 緩沖器模塊模型圖Fig.2 Buffer module model

圖3 發(fā)射機(jī)座與其他剛體間關(guān)系圖Fig.3 Relationship among firing mechanism base and other rigid bodies

各個接觸的部件間添加接觸副，共計89個。槍機(jī)框為仿真模型的主要運(yùn)動部件，為更加真實地模擬實際情況，槍機(jī)框與機(jī)匣間通過接觸副來代替移動副。槍機(jī)框與其他剛體間關(guān)系如圖4所示。

剛體間的簧力包括4個壓簧（復(fù)進(jìn)簧、彈匣簧、拉殼鉤簧和活塞桿簧）和3個扭簧（擊錘簧、不到位保險簧和緩沖器簧），如圖2和圖3所示。

模型包括2個外力載荷，如圖4所示，即彈底壓力和導(dǎo)氣室壓力。當(dāng)步槍擊發(fā)時，兩個外力開始作用。彈底壓力根據(jù)膛壓試驗獲得。

本變口徑模塊化步槍設(shè)計采用導(dǎo)氣式自動方式，導(dǎo)氣室壓力的變換規(guī)律，采用布拉文經(jīng)驗公式計算，布拉文經(jīng)驗公式［4］如下:

式中:p為氣室壓力；A為活塞橫截面面積；Pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬間的膛內(nèi)平均壓強(qiáng)，可用內(nèi)彈道學(xué)的方法計算得到；t為從彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬間開始算起的時間，即氣室壓力工作時間；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù)；α為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

圖4 槍機(jī)框與其他剛體間關(guān)系圖Fig.4 Relationship among bolt carrier and other rigid bodies

建立好的虛擬樣機(jī)模型共計48個自由度，其示意圖如圖5所示。圖中坐標(biāo)系為系統(tǒng)坐標(biāo)，x軸垂直紙面向外，y軸沿槍管方向。本文涉及的局部坐標(biāo)系方向與系統(tǒng)坐標(biāo)系方向相同。

圖5 虛擬樣機(jī)模型圖Fig.5 Diagrammatic graph of virtual prototype

1.2 數(shù)值仿真模型的驗證

當(dāng)導(dǎo)氣孔距槍管尾端295 mm、5.8 mm步槍和7.62 mm步槍調(diào)節(jié)器口徑分別為2.0 mm和2.8 mm時，5.8 mm步槍和7.62 mm步槍的導(dǎo)氣室壓力曲線如圖6和圖7所示。

根據(jù)該導(dǎo)氣室壓力仿真的結(jié)果與該5.8 mm步槍試驗樣機(jī)試驗數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)對比表Tab.1 Simulation results and experimental data

圖6 5.8 mm步槍導(dǎo)氣室壓力曲線Fig.6 Gas chamber pressure of 5.8 mm rifle

由表1可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)接近，說明建立的虛擬樣機(jī)模型是正確的、可行的。

2 模塊化步槍匹配性能分析

兩種口徑模塊化步槍運(yùn)動特性匹配涉及到自動機(jī)主動件（槍機(jī)框）運(yùn)動特性匹配、兩種步槍彈供彈特性匹配和拋殼特性匹配3個方面，本節(jié)分別闡述其數(shù)值分析和匹配設(shè)計方法。

2.1 槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配分析

2.1.1 槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度

在自動武器設(shè)計中，經(jīng)常關(guān)注的是槍機(jī)框的后坐到位速度、復(fù)進(jìn)到位速度和射速3個參數(shù)［5］。通過更改結(jié)構(gòu)參數(shù)，來得到這3個參數(shù)的合理參數(shù)值。本文引入了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度［6］的概念，來評價兩種口徑步槍槍機(jī)框運(yùn)動特性的匹配情況。

槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度關(guān)系式如下:

式中:r為槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度；下角標(biāo)1和2分別代表兩種步槍的設(shè)計方案；vr1為方案1后坐到位速度；vr2為方案2后坐到位速度；vc1為方案1復(fù)進(jìn)到位速度；vc2為方案2復(fù)進(jìn)到位速度；f1為方案1射頻；f2為方案2射頻；vr為標(biāo)準(zhǔn)后坐到位速度；vc為標(biāo)準(zhǔn)復(fù)進(jìn)到位速度；f為標(biāo)準(zhǔn)射頻；a、b、c分別為權(quán)重系數(shù)，且a+b+c=1.其中，標(biāo)準(zhǔn)后坐到位速度vr、標(biāo)準(zhǔn)復(fù)進(jìn)到位速度vc、標(biāo)準(zhǔn)射頻f和權(quán)重系數(shù)a、b、c應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計指標(biāo)提出，根據(jù)不同的指標(biāo)得到的值不同。

從槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度關(guān)系式可知，當(dāng)匹配參數(shù)越接近標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，r值越接近1，匹配性越好。

2.1.2 槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)后坐到位速度vr=2.7m/s，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)進(jìn)到位速度vc=4.0 m/s，標(biāo)準(zhǔn)射頻f= 800發(fā)/min；權(quán)重系數(shù)a、b、c分別取值為0.40、0.35、0.25.

在槍管長度、導(dǎo)氣室位置、導(dǎo)氣室結(jié)構(gòu)固定的情況下，通過修改調(diào)節(jié)器孔徑的大小對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了多次仿真，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 槍機(jī)框運(yùn)動特性表Tab.2 Kinetic characteristics of bolt carriers

根據(jù)上述仿真結(jié)果，得到各方案的匹配度，如表3所示。

表3 方案匹配度表Tab.3 Matched-degrees of projects

根據(jù)表3分析可知，方案2和方案5的匹配度最大，故5.8 mm步槍和7.62 mm步槍調(diào)節(jié)器孔徑分別確定為2.0 mm和2.8 mm。其槍機(jī)框速度曲線如圖8和圖9所示。

圖8 5.8 mm步槍槍機(jī)框速度曲線Fig.8 Speed curve of 5.8 mm rifle bolt carrier

圖9 7.62 mm步槍槍機(jī)框速度曲線Fig.9 Speed curve of 7.62 mm rifle bolt carrier

2.2 供彈特性匹配分析

兩種口徑的步槍使用同一個節(jié)套，所以兩槍的供彈斜面是相同的。在其他結(jié)構(gòu)固定的情況下，供彈斜面的角度是供彈功能匹配和影響供彈可靠性的主要因素之一。

圖10所示為步槍供彈簡圖，通過供彈簡圖分析可知，當(dāng)彈頭即將進(jìn)入槍管時，彈頭位于槍管截面中心下方時，槍彈更加容易進(jìn)入槍管，同時彈頭需要盡量遠(yuǎn)離槍管壁，減少碰撞，提高可靠性。

圖10 供彈簡圖Fig.10 Schematic diagram of ejection

考慮槍彈在彈匣中是雙排分布的，供彈斜面傾角分別取35°、40°、45°、50°和55°，對5.8 mm步槍和7.62 mm步槍進(jìn)行供彈仿真。為了便于說明，當(dāng)槍彈位于彈匣左側(cè)和右側(cè)分別記為左側(cè)供彈和右側(cè)供彈。彈頭即將進(jìn)入槍管時，槍管截面中心與彈頭頂端中心間的位置關(guān)系如圖11所示，具體槍管截面中心與彈頭頂端中心間的位置如表4和表5所示，彈頭各個方向速度如表6和表7所示。

圖11 彈頭頂端中心與槍管截面中心位置關(guān)系圖Fig.11 Positional relationship between the center of top end of bullet and the center of barrel section

表4 左側(cè)供彈彈頭頂端中心與槍管截面中心位置關(guān)系表Tab.4 Positional relationship between the center of top end of bullet on left side and the center of barrel section

表5 右側(cè)供彈彈頭頂端中心與槍管截面中心位置關(guān)系表Tab.5 Positional relationship between the center of top end of bullet on right side and the center of barrel section

表6 左側(cè)供彈彈頭速度表Tab.6 Speed table of bullets on left side

表7 右側(cè)供彈彈頭速度表Tab.7 Speed table of bullets on right side

從圖11、表4～表7可知，采用不同供彈斜面時，5.8 mm步槍彈頭相對槍管中心的位置跳動較小（左側(cè)供彈時位置基本重合），7.62 mm步槍彈頭位置跳動較大。左側(cè)供彈相對右側(cè)供彈更加靠近槍管壁。兩種口徑步槍彈頭y向（沿槍管方向）速度更加穩(wěn)定，x向和z向速度趨勢相同。左側(cè)供彈時，5.8 mm步槍供彈斜面為35°時和7.62 mm步槍供彈斜面為55°時，彈頭速度與其他結(jié)果明顯不同，是因為彈頭進(jìn)入槍管時的位置太靠近槍管壁，彈頭與槍管壁碰撞后運(yùn)動方向發(fā)生改變。

綜合考慮，導(dǎo)彈斜面傾角應(yīng)取40°.

2.3 拋殼特性匹配分析

該模塊化步槍拋殼原理為彈殼在脫離拉殼鉤后，與拋殼窗后沿碰撞，以保障彈殼向步槍斜前方拋出。影響步槍拋殼的因素有槍機(jī)運(yùn)動速度、拉殼鉤構(gòu)造、拋殼挺位置和方位以及拋殼窗的位置。在模塊化步槍基本結(jié)構(gòu)確定后，槍機(jī)運(yùn)動速度、拉殼鉤構(gòu)造、拋殼挺位置和方位已經(jīng)確定，能夠改變的只有拋殼窗的位置。

沿槍管方向（y軸），當(dāng)拋殼窗后沿在拋殼挺后方2 mm時，5.8 mm步槍和7.62 mm步槍拋殼時彈殼質(zhì)心的運(yùn)動曲線如圖12所示，t0為拋殼起始時刻。

圖12 拋殼窗后沿在拋殼挺后方2 mm時彈殼質(zhì)心運(yùn)動曲線Fig.12 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being-2 mm

沿槍管方向（y軸），當(dāng)拋殼窗后沿與拋殼挺平齊時，5.8 mm步槍和7.62 mm步槍拋殼時彈殼質(zhì)心的運(yùn)動曲線如圖13所示，t0為拋殼起始時刻。

沿槍管方向（y軸），當(dāng)拋殼窗后沿在拋殼挺前方2 mm時，5.8 mm步槍和7.62 mm步槍拋殼時彈殼質(zhì)心的運(yùn)動曲線如圖14所示，t0為拋殼起始時刻。

由圖12～圖14分析可知，當(dāng)拋殼窗后沿在拋殼挺后方或平齊時，5.8 mm步槍拋殼不正常，彈殼向斜后方拋出（y方向數(shù)值未出現(xiàn)變向情況），在排除彈殼與槍機(jī)框碰撞的情況下，說明彈殼和拋殼窗后沿未發(fā)生碰撞或碰撞點(diǎn)位置相對于彈殼質(zhì)心過于靠后，彈殼的飛行路線沒有發(fā)生改變；當(dāng)拋殼窗后沿在拋殼挺前方時，5.8 mm步槍拋殼正常，彈殼向斜前方拋出（y方向數(shù)值有變向情況）。整個過程，7.62 mm步槍拋殼都正常，彈殼向斜前方拋出；隨著拋殼窗后沿的前移，彈殼向斜前方運(yùn)動越明顯。

故確定拋殼窗的位置為拋殼窗后沿在拋殼挺前方2 mm處，5.8 mm步槍和7.62 mm步槍拋殼都能滿足拋殼功能匹配。

圖13 拋殼窗后沿與拋殼挺平齊時彈殼質(zhì)心運(yùn)動曲線Fig.13 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being 0 mm

3 主要結(jié)論

1）利用Adams軟件建立了某變口徑模塊化步槍數(shù)值仿真模型，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，得到兩種口徑步槍的仿真結(jié)果。通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了該數(shù)值仿真模型的正確性。

2）提出了變口徑模塊化步槍槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度的概念，給出了槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配度公式，并利用該公式和虛擬樣機(jī)仿真分析得到合理的設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)兩槍的槍機(jī)框運(yùn)動特性匹配。

3）對變口徑模塊化步槍供彈進(jìn)行了匹配分析，研究表明供彈斜面傾角從35°～55°都能完成供彈，且5.8 mm步槍優(yōu)于7.62 mm步槍。聯(lián)合考慮，確定供彈斜面40°時為最佳匹配傾角。

圖14 拋殼窗后沿在拋殼挺前方2 mm時彈殼質(zhì)心運(yùn)動曲線Fig.14 Displacement curves of ejected cartridge case's barycenter for distance between back porch of ejection port and ejector being 2 mm

4）對變口徑模塊化步槍拋殼匹配分析發(fā)現(xiàn)，在槍機(jī)結(jié)構(gòu)和拋殼挺位置確定的情況下，當(dāng)拋殼窗的位置處于拋殼挺后方（背離槍口位置）或平齊時，5.8 mm彈殼向斜后方拋出，不符合拋殼匹配要求，而7.62 mm彈殼向斜前方拋出，符合匹配要求；當(dāng)拋殼窗位置在拋殼挺前方2 mm處時，兩種彈都與拋殼窗后沿碰撞并向斜前方拋出，符合匹配要求。為實現(xiàn)拋殼特性的匹配，拋殼窗應(yīng)設(shè)在拋殼挺前方2 mm處。

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［1］ 冉景祿，王永娟，徐誠.模塊化槍族發(fā)射動力參數(shù)匹配關(guān)系研究［J］.彈道學(xué)報，2010，22（2）:71-76. RAN Jing-lu，WANG Yong-juan，XU Cheng.Dynamic parameter matching relation for modularized gun family［J］.Journal of Ballistics，2010，22（2）:71-76.（in Chinese）

［2］ D boy.向理想模塊化邁進(jìn):柯爾特CM901模塊化卡賓槍［J］.輕兵器，2011（4）:10-12. D boy.Colt modular carbine CM901 step into ideal modularization［J］.Small Arms，2011（4）:10-12.（in Chinese）

［3］ 鄭秋，吳永軍.基于ADAMS的某榴彈發(fā)射器動力學(xué)仿真分析［J］.兵工自動化，2010，29（7）:28-31. ZHENG Qiu，WU Yong-jun.Analyzing dynamics simulation of certain grenade launcher based on ADAMS［J］.Ordnance Industry Automation，2010，29（7）:28-31.（in Chinese）

［4］ 甘高才.自動武器動力學(xué)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1990. GAN Gao-cai.Dynamics of automatic weapon［M］.Beijing:Publishing House of Ordnance Industry，1990.（in Chinese）

［5］ 《步兵自動武器與彈藥設(shè)計手冊》編寫組.步兵自動武器及彈藥設(shè)計手冊:中冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1977. Writing Group of Infantry Automatic Weapon and Ammunition Design Handbook.Infantry automatic weapon and ammunition design handbook:book II［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1977.（in Chinese）

［6］ Wang S W，Tan J R，Zhang S Y，et al.Case-based product configuration and reuse in mass customization［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17（2）:233-236.

Analysis of Kinetic Characteristic Matching of 5.8 mm/7.62 mm Modularized Rifles

ZOU Yan1，XU Cheng1，ZHANG Ke2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industries，Beijing 102202，China）

The matching of alterable caliber rifle is the key problem of the development of alterable caliber modularized rifle system.The numerical simulation models are established for 5.8 mm and 7.62 mm caliber rifles，and the numerical simulation models are verified by comparing the simulation results with the experimental results.The kinetic characteristic matching of bolt carrier，the ammunition feed matching and the ejection matching are analyzed based on the models.The matched-degree principle of the bolt carrier's kinetic characteristic matching is built，and according to this principle，a reasonable design project is selected.The result shows that the kinetic characteristic matching of the bolt carrier can be achieved well by changing the diameter of the gas chamber；the stability of ammunition feed and the ammunition feed matching can be improved by changing the angle of ammunition feed slope and the rounding edges；and the change in the position of the ejection port is an efficient measure of ejection matching.

ordnance science and technology；modularized rifle；kinetic characteristic；dynamics simulation；automatic mechanism；ammunition feed；ejection

TJ22

A

1000-1093（2015）07-1356-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.027

2014-09-19

國防基礎(chǔ)科研計劃項目（A1020133013）

鄒衍（1990—），男，博士研究生。E-mail:nfzouyan@163.com；徐誠（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn