孫艷馥， 李回濱， 閆 雷， 郭光全， 呂慧貞

(1. 沈陽理工大學 裝備工程學院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 山東特種工業(yè)集團， 山東 淄博 255201；3. 晉西工業(yè)集團有限責任公司， 山西 太原 030051)

新型卡鐵偏轉式閉鎖機構設計與動力學仿真

孫艷馥1， 李回濱1， 閆 雷2， 郭光全3， 呂慧貞3

(1. 沈陽理工大學 裝備工程學院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 山東特種工業(yè)集團， 山東 淄博 255201；3. 晉西工業(yè)集團有限責任公司， 山西 太原 030051)

通過對閉鎖機構工作特性的分析， 在12號霰彈的基礎上， 設計了一款新型的卡鐵偏轉式閉鎖機構. 利用UG軟件對所設計的機構進行三維建模， 以閉鎖塊為研究對象， 通過動力學分析建立了閉鎖機構動力學微分方程， 并運用ADAMS對模型進行仿真. 仿真結果表明： 閉鎖機構能在0.5 s內完成開鎖， 在1 s內完成閉鎖； 后坐與復進的運動特性證明閉鎖機構運動協(xié)調、 閉鎖可靠并能復進到位. 所建立的卡鐵偏轉式閉鎖機構動力學微分方程， 為自動武器閉鎖機構的設計提供了一定的理論依據.

卡鐵； 偏轉式； 閉鎖機構； 動力學

0 引 言

閉鎖機構按照發(fā)射時身管與槍機的聯(lián)接性質分為慣性閉鎖和剛性閉鎖兩大類[1]. 慣性閉鎖機構閉鎖時身管和槍機無扣合或在殼機力作用下能自行開鎖. 剛性閉鎖機構閉鎖時身管和槍機可牢固扣合， 射擊時殼機力不能使槍機直接開鎖， 必須在主動件強制作用下才能開鎖， 這類閉鎖機構工作可靠， 被廣泛采用. 由于卡鐵偏轉閉鎖機構由成對的開鎖工作面、 閉鎖工作面和閉鎖支撐面等組成， 開閉鎖動作分別在開閉鎖工作面的相互作用下完成， 殼機力也作用在閉鎖支撐面上， 因而這種閉鎖機構開閉鎖動作可靠， 安全系數(shù)高， 所以在半自動泵動式霰彈槍中能夠發(fā)揮重要作用. 國內對于輕武器閉鎖機構進行了多方面的研究， 如文獻[2]對機頭回轉式閉鎖機構建立了運動分析模型， 進行了運動特性仿真分析； 文獻[3]對各種槍機閉鎖機構的計算模型進行了梳理； 文獻[4]運用有限元的方法對機頭回轉式閉鎖機構進行了動應力分析； 文獻[5]對槍機回轉式閉鎖機構開鎖過程進行了運動分析； 文獻[6]對槍管回轉式閉鎖機構進行了設計與動力學分析. 但目前對于偏轉式閉鎖機構的研究相對較少， 因而對卡鐵偏轉式閉鎖機構進行動力學研究很有必要， 可以為卡鐵偏轉式閉鎖機構的發(fā)展提供理論依據和技術手段， 對于提高武器的性能具有促進作用.

1 新型卡鐵偏轉式閉鎖機構的設計

1.1 設計原理

卡鐵偏轉式閉鎖機構工作時， 槍機框運動中靠斜面帶動卡鐵上下偏轉一定角度， 使槍管與槍機之間完成開閉鎖動作. 這種機構的閉鎖支撐面在機匣兩側導軌上對稱布置， 無附加力矩， 有利于提升精度， 是目前通過中間零件閉鎖的諸結構中比較成功的一種[1]. 為了更好地發(fā)揮卡鐵偏轉閉鎖方式的優(yōu)勢， 使得開閉鎖動作靈活， 應盡量減少開閉鎖過程中的能量消耗[7]， 且使閉鎖機構結構簡單、 工藝性好. 設計的新型卡鐵偏轉式閉鎖機構工作原理圖如圖 1 所示.

圖 1 新型卡鐵偏轉閉鎖機構原理圖Fig.1 Schematic diagram of new locking mechanism of lock-iron deflection type

1.2 設計原則

閉鎖機構的設計必須滿足其設計要求， 才能達到武器裝備的性能要求， 卡鐵偏轉式閉鎖機構的結構設計要求主要有：

1) 閉鎖機構應留出初始彈底間隙；

2) 在殼機力作用下不應自行開鎖；

3) 應當避免或減小由楔緊引起的附加摩擦力；

4) 閉鎖支撐面與身管軸線對稱布置[8]；

5) 機構應盡量結構簡單、 工藝性好、 可靠性高[9].

1.3 設計方法

選用12號霰彈進行閉鎖機構設計， 其外形呈圓柱形， 直徑18.4 mm， 彈長72 mm， 單發(fā)彈重25.6 g. 以該參數(shù)為設計依據， 運用偏轉式閉鎖工作原理進行設計. 基于UG軟件對設計的槍機框、 滑塊、 閉鎖塊、 槍機等實現(xiàn)三維建模， 其模型如圖 2～圖 5 所示.

圖 2 槍機框Fig.2 Bolt carrier

圖 3 閉鎖塊Fig.3 Locking block

圖 4 滑塊Fig.4 Slide

圖 5 槍機Fig.5 Bolt

由于霰彈的長度為72 mm， 所設計的槍機框的長度必將大于霰彈的長度以實現(xiàn)槍機框可以基本上遮蓋拋殼窗， 并且槍機框的整體寬度為20 mm， 高度為24.2 mm， 與霰彈底部的面積相比較大， 可以穩(wěn)固地將霰彈抵住， 防止霰彈底部因受力不均影響彈丸的發(fā)射與槍械的穩(wěn)定.

閉鎖塊配合于槍機框內部， 閉鎖塊總長為46 mm， 寬為14 mm； 閉鎖部分長為10 mm， 可以保證有足夠的剛度以避免閉鎖不可靠； 閉鎖部分比其余部分略高以實現(xiàn)與槍管的配合； 閉鎖塊下部分的輪廓形狀與滑塊相配合.

滑塊作為一個載體承載著槍機框與其相關的部件， 而且主導了開閉鎖的運動. 滑塊的總長為63 mm， 總寬為23 mm， 高度為14 mm， 滑塊前端部分的上沿將與閉鎖塊的閉鎖支撐面接觸， 閉鎖塊的旋轉位移由滑塊的高度決定. 而滑塊的凸起部分應和閉鎖塊相同， 與槍機框接觸， 如此， 當滑塊運動時， 槍機框能與滑塊配合只進行前后方向的運動， 左右方向被限制而不會發(fā)生位移， 這樣也保證擊針的位置使擊針只會前后運動， 降低了槍彈擊發(fā)故障率.

閉鎖機構與擊針組件、 抽殼機構共同組成了槍機， 構成了槍械的核心部件， 共同完成復進、 閉鎖、 擊發(fā)、 后坐、 開鎖等工作循環(huán).

2 動力學仿真

2.1 數(shù)學模型建立

為了便于分析， 在忽略一些次要影響因素的基礎上建立閉鎖機構動力學模型， 模型的建立需作以下幾點假設：

1) 認為閉鎖機構各構件是規(guī)則的， 且各構件質心分布均勻；

2) 忽略閉鎖時閉鎖塊與機匣以及滑塊之間碰撞產生的影響；

3) 認為射擊時整槍保持水平， 不受重力分力影響.

據以上假設， 閉鎖機構工作時的受力情況如圖 6 所示.

圖 6 卡鐵偏轉閉鎖機構受力分析圖Fig.6 Stress analysis diagram of locking mechanism of lock-iron deflection type

由圖 6 可知， 滑塊作為基礎構件作平移運動， 閉鎖塊作為工作構件作定軸轉動. 基礎構件滑塊0在主動力F的推動下沿x方向作平移運動， 帶動作用使定力矩為M1的工作構件1繞O1點作定軸轉動， 根據牛頓第二定律， 可得兩構件的運動微分方程如下

式中：m0為滑塊質量；m1為閉鎖塊質量；Ff1為閉鎖塊與滑塊之間摩擦力；Ff2為滑塊與槍機框之間摩擦力；F為主動力；J1為閉鎖塊轉動慣量；M1為阻力矩；FR為約束反力；MR1為約束反力矩；r為滑塊轉動力矩；φ1為滑塊偏轉角度；x為滑塊平動位移.

2.2 仿真結果分析

利用ADAMS對閉鎖機構進行動力學仿真， 仿真時間設置為1 s， 步長為1 000. 設置驅動函數(shù)為Step(time,0,0,0.5,90)+Step(time,0.5,0,1,-90)， 構件之間添加系統(tǒng)默認接觸力， 設置霰彈槍材料均為Steel. 槍機框與閉鎖塊位移、 速度曲線對比圖如圖 7， 圖 8 所示. 從圖7知： 0.11 s時槍機框和閉鎖塊開始運動， 運動趨勢平穩(wěn)， 當0.89 s 時停止運動. 槍機框和閉鎖塊的運動趨勢大致相同， 證明兩者運動同步， 符合設計原理. 從圖8知： 0.11 s時閉鎖塊開鎖， 閉鎖塊速度產生突變， 槍機框被滑塊帶動， 速度在瞬間增大， 0.89 s 時閉鎖塊復進到位準備閉鎖， 在0.89～1 s內開始上彈， 此時槍機框受到外力作用而產生速度的瞬變， 閉鎖塊由于閉鎖支撐面的作用也產生迅速變化. 由圖 7， 圖8可知， 閉鎖塊偏轉開鎖和閉鎖的時間為0.11 s和0.89 s， 且能在0.5 s內完成開鎖， 在1 s內完成閉鎖. 仿真結果表明開、 閉鎖機構作用可靠， 可正常工作.

圖 7 槍機框與閉鎖塊位移曲線對比圖Fig.7 Displacement curve diagram of bolt carrier compared with lock-iron

圖 8 槍機框與閉鎖塊速度曲線對比圖Fig.8 Velocity curve diagram of bolt carrier compared with lock-iron

3 閉鎖機構運動特征分析

閉鎖機構工作循環(huán)方式對武器性能有很大影響. 它描述了基礎構件的工作順序和各機構的運動關系， 可作為機構是否可靠、 協(xié)調， 射擊頻率、 后坐阻力等是否滿足要求的依據. 工作循環(huán)方式的制定是以基礎構件的位移或時間為自變量來制作的[6]. 表 1 是閉鎖機構射擊時各部件的運動情況一覽表： 后坐時， 前端與槍機框一起后坐， 槍機框后坐10 mm為自由行程， 閉鎖塊不發(fā)生偏轉， 滑塊后坐10 mm后坐到位， 并開鎖， 滑塊繼續(xù)后坐， 槍機抽彈， 套筒后坐60 mm時拋出彈殼， 之后槍機后坐到位； 復進時套筒復進20 mm后推彈， 復進30 mm時槍機推彈入膛， 與滑塊一起復進過程中完成閉鎖， 最后復進到位. 閉鎖機構運動特性滿足了設計原理[10]， 說明閉鎖機構設計合理， 可保證開閉鎖過程可靠工作.

表 1 閉鎖機構射擊時各部件的運動情況一覽表[11]

4 結 論

通過對卡鐵偏轉式閉鎖機構的設計、 建模、 動力學研究以及ADAMS仿真可得出如下結論：

1) 證明了所設計的閉鎖機構可以可靠地在0.5 s 內完成開鎖， 在1 s內完成閉鎖的功能.

2) 閉鎖機構的基礎構件的工作順序和運動關系也有效地證明機構作用可靠、 運動協(xié)調、 射擊頻率滿足要求.

3) 運動學分析所得到了閉鎖機構動力學微分方程為閉鎖機構的設計提供了一定的理論依據， 具有一定的指導意義.

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Design and Dynamic Simulation of the New Locking Mechanism of Lock-Iron Deflection Type and Dynamic Simulation

SUN Yan-fu1， LI Hui-bin1， YAN Lei2， GUO Guang-quan3， Lü Hui-zhen3

(1. School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China；2. Shandong Special Industries Group, Zibo 255201, China； 3.Jinxi Industries Group Co. Ltd., Taiyuan 030051, China)

On the basis of the 12th canister, designed a new locking mechanism of lock-iron deflection type through the analysis of the working characteristics of the locking mechanism, to improve the research on the dynamics of the locking mechanism. Established the 3D model based on UG and selected locking block as the research object, established the dynamics differential equation of the locking mechanism through the dynamics analysis and made simulation on the model by using the ADAMS. The results show that the locking mechanism can be completed the unlock within 0.5 s and lock within 1 s, the motion characteristics of the recoil and reentry proved that the locking mechanism is coordinated, and the locking is reliable and can be repositioned. Dynamics differential equation of the locking mechanism of lock-iron deflection type provides a certain theoretical basis for the design of the automatic weapon locking mechanism.

lock-iron; deflection type; locking mechanism; dynamics

2016-08-17

孫艷馥(1971-)， 女， 副教授， 主要從事武器發(fā)射及彈藥結構設計的研究.

1673-3193(2017)02-0145-05

TJ203+.2

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.009