王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，季淑媛，馮振飛

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

【火炮和自動(dòng)武器】

粘彈性膠泥緩沖器對(duì)機(jī)槍射擊精度的影響

王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，季淑媛，馮振飛

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

針對(duì)大口徑機(jī)槍使用的彈簧緩沖器后坐力大、能量損耗小、射擊精度低的缺點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)一種降低后坐力、提高能量吸收率和射擊精度的粘彈性膠泥緩沖器。建立緩沖器與后坐部分的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，利用ADAMS、MATLAB進(jìn)行仿真分析，得到兩種緩沖器的速度-時(shí)間、阻抗力-位移曲線以及槍口跳動(dòng)曲線。仿真結(jié)果表明粘彈性膠泥緩沖器使機(jī)槍后坐力更低、能量吸收率更高，槍口的穩(wěn)定性更好，射擊精度更高。

膠泥緩沖器；阻抗力；能量吸收率；射擊精度

在戰(zhàn)爭(zhēng)中大口徑機(jī)槍具有舉足輕重的作用，不但要在進(jìn)攻與防御中提供火力壓制，而且還要對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行有效的防御[1]。但是口徑越大,火藥燃燒產(chǎn)生的能量越大，后坐力也就越大。過(guò)大的后坐力會(huì)使槍身整體后移，同時(shí)身管也會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的跳動(dòng)。這樣每次射擊時(shí)膛口不在同一位置，就導(dǎo)致機(jī)槍的穩(wěn)定性差、射擊精度低。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員都在尋求一種可以有效降低后坐力的裝置。目前大口徑機(jī)槍使用最多的是彈簧緩沖器，但是彈簧緩沖器阻抗力與位移是線性關(guān)系，不具有能量吸收功能，同時(shí)具有阻抗力過(guò)大、壽命短、尺寸大占用空間大等缺點(diǎn)[2]。因此，能量吸收率大，阻抗力小的粘彈性膠泥緩沖器相對(duì)彈簧緩沖器具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)槍用緩沖器的發(fā)展方向。

1 粘彈性膠泥緩沖器

1.1 粘彈性膠泥沖器結(jié)構(gòu)

粘彈性膠泥緩沖器主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種結(jié)構(gòu)是帶有間隙和阻尼孔，另一種是沒(méi)有間隙和阻尼孔?？紤]到機(jī)槍射擊頻率高、速度快，本設(shè)計(jì)采用無(wú)阻尼孔和間隙的的粘彈性膠泥緩沖器。圖1為粘彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)。

1.耳環(huán); 2.活塞桿; 3.缸蓋; 4.O型圈; 5.加散熱肋片的缸體; 6.活塞; 7.銷; 8.鋼球; 9.墊片; 10.密封環(huán); 11.內(nèi)六方螺釘

圖1 粘彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 粘彈性膠泥沖器工作原理

緩沖器需要先注入一定量的膠泥，使其有一定的預(yù)壓力，當(dāng)外力小于預(yù)壓力時(shí)緩沖器不工作[3]。當(dāng)外力大于預(yù)壓力時(shí)活塞桿開(kāi)始向內(nèi)移動(dòng)壓縮膠泥。這時(shí)由于膠泥被壓縮，它會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生反作用力，阻礙活塞運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中膠泥會(huì)吸收部分外部能量，轉(zhuǎn)會(huì)為自身的彈性勢(shì)能。同時(shí)，在被壓縮的過(guò)程中膠泥會(huì)流動(dòng)與缸壁產(chǎn)生摩擦以及復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)都要消耗外部能量并轉(zhuǎn)化為熱量消散掉[4]。當(dāng)外力撤掉或減小以后，由于先前膠泥儲(chǔ)存了彈性勢(shì)能，其體積會(huì)自行膨脹推動(dòng)活塞桿復(fù)位，同時(shí)也會(huì)由于膠泥摩擦消耗部分能量。

2 粘彈性膠泥緩沖器本構(gòu)模型

粘彈性膠泥緩沖器本構(gòu)模型如圖2所示。圖中：m為后坐部分質(zhì)量；Fpt為膛低合力；fμ為摩擦力；θ為射角；C為阻尼；k為剛度。

圖2 粘彈性膠泥緩沖器本構(gòu)模型

2.1 預(yù)壓力F0

在使用機(jī)槍的過(guò)程中，往往會(huì)有射角。這樣在膛底沒(méi)有后坐力時(shí)膠泥就開(kāi)始被壓縮，這會(huì)影響粘彈性膠泥緩沖器的緩沖效果[5]。所以，要設(shè)置一定預(yù)壓力帶抵消槍身的分力以及機(jī)構(gòu)間的摩擦力。

2.2 彈性力Fs

膠泥在被壓縮時(shí)隨之產(chǎn)生彈性力。在同等壓縮率下，膠泥彈性力的大小也是衡量膠泥性能的指標(biāo)之一，并與儲(chǔ)能模量有關(guān)[6]。因此，借鑒流體力學(xué)中可壓縮流體體積模量公式：

(1)

得到：

(2)

式中： E為體積模量； ΔP為預(yù)壓壓強(qiáng)； ΔV為預(yù)壓體積；V為缸內(nèi)容積；A為缸截面積、活塞截面積；x為活塞行程。

2.3 阻尼力Fv

根據(jù)經(jīng)典Maxwell模型得到流體阻尼內(nèi)部剪切力公式：

τ=KμeθhU

(3)

式中：K為切應(yīng)力系數(shù)；μ為動(dòng)力粘度系數(shù)；θ為補(bǔ)償系數(shù)；h為間隙高度；U為速度。

考慮到機(jī)槍射頻高，需要快速?gòu)?fù)位，擬取消間隙(活塞邊沿與缸桶之間的間隙)即h=0,y=0，所以：

τ=KμeU

(4)

所以，得到膠泥阻尼力公式：

Fv=τA=KμUπdl

(5)

但是，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)記載，阻尼力與活塞速度并非現(xiàn)行關(guān)系[7]，所以做如下改進(jìn)：

Fv=τA=KμUnπdl

(6)

式中：d為活塞直徑；l為活塞厚度；n為系數(shù)。

綜上，構(gòu)建粘彈性膠泥緩沖器壓縮與復(fù)進(jìn)的過(guò)程中組抗力FR方程分別為：

壓縮:

FR=F0+FS+Fv

(7)

復(fù)進(jìn):

FR=F0+FS-Fv

(8)

3 后坐運(yùn)動(dòng)微分方程

機(jī)槍受力分析如圖3所示，圖中：θ為射角；m為后坐部分質(zhì)量；N1為法向支持力；N2為導(dǎo)軌法向力；N1f、N2f為對(duì)應(yīng)的摩擦力；FR為緩沖器組抗力。

圖3 機(jī)槍受力分析圖

射擊時(shí)所有力都作用于過(guò)膛線且與地面垂直的射擊面，除后坐部分其余均為剛體不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并且忽略彈丸作用于膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)力矩[8]。在以上假設(shè)下，后坐部分為一自由度模型，有牛頓第二定律得到：

(9)

有

(10)

從式中可以看出膛底合力Fpt是產(chǎn)生后坐的原因，而阻抗力FR是抵消后坐運(yùn)動(dòng)的力。且知阻抗力FR與后坐力FH大小相等方向相反[9]。在射擊過(guò)程中，這對(duì)力控制整個(gè)后坐部分的運(yùn)動(dòng)并影響著射擊精度。由于膛底合力是確定的，所以只有通過(guò)改變槍的結(jié)構(gòu)和后坐行程等來(lái)改變后坐力的大小。通過(guò)改變后坐力的大小來(lái)控制后坐部分的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到提高射擊精度的目的。

4 仿真分析

把三維模型導(dǎo)入ADAMS中(圖4)，然后需要進(jìn)行一定的預(yù)處理，給各部件添加質(zhì)量并施加相應(yīng)的約束(如固定約束、平行約束等)。同時(shí)還要給緩沖器施加相應(yīng)的樣條力以模擬緩沖器在機(jī)槍射擊時(shí)的真實(shí)工作情況。并對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

圖4 ADAMS仿真模型

通過(guò)圖5、圖6中曲線的對(duì)比可以看出使用粘彈性膠泥緩沖器的機(jī)槍比使用彈簧緩沖器的機(jī)槍后坐力降低了40%，反應(yīng)更加靈敏，工作時(shí)間更長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程更平穩(wěn)。

圖5 兩種緩沖器后坐力與時(shí)間曲線

圖6 兩種緩沖器后坐位移與時(shí)間曲線

從圖7可以看出使用彈簧緩沖器的機(jī)槍后坐速度更大，變化更急促并且復(fù)位時(shí)會(huì)對(duì)缸蓋產(chǎn)生撞擊彈簧波動(dòng)劇烈，嚴(yán)重影響射擊精度。然而使用粘彈性膠泥緩沖器的機(jī)槍完美的克服了這些缺點(diǎn)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加的平穩(wěn)，非常有利于射擊精度的提高。

圖7 兩種沖器后坐速度與時(shí)間曲線

后坐過(guò)程中能量的消耗對(duì)精度的提高具有非常重要的作用。接下來(lái)我們利用MATLAB使用龍格庫(kù)塔發(fā)進(jìn)行計(jì)算得到兩種緩沖器理論上的能量變化曲線。同時(shí)用ADAMS軟件進(jìn)行模擬分析得到一組曲線，然后進(jìn)行對(duì)比。

從圖8可以看出彈簧緩沖器的理論上的后坐力與位移是一條直線，沒(méi)有能量消耗。但是因?yàn)榇嬖谀Σ恋纫蛩啬M分析曲線是一條狹長(zhǎng)的帶狀。理論上粘彈性膠泥緩沖器是一個(gè)方形能量消耗非常大，但是由于缸筒裝膠泥量的限制，膠泥性能的影響，模擬分析中能量消耗并沒(méi)有那么大。但是，即使這樣粘彈性膠泥緩沖器對(duì)能量的吸收率、對(duì)后坐力的降低、以及保持后坐的穩(wěn)定性都是彈簧緩沖器無(wú)法比擬的。

圖8 緩沖器能量對(duì)比

5 槍口響應(yīng)分析

首先建立機(jī)槍的剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⒃贏DAMS軟件中添加必要的約束(圖9)，然后進(jìn)行多次模擬射擊，得到槍口響應(yīng)曲線[10]。其中實(shí)線為安裝膠泥緩沖器的槍槍口波動(dòng)曲線，虛線為安裝彈簧緩沖器的槍槍口波動(dòng)曲線。

圖9 機(jī)槍剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

圖10、圖11中實(shí)線是使用彈簧緩沖器的機(jī)槍，虛線是使用粘彈性膠泥緩沖器的機(jī)槍。通過(guò)對(duì)比可以看出安裝膠泥緩沖器的機(jī)槍槍口無(wú)論在上下方向上還是在左右方向上都比安裝彈簧緩沖器的槍波動(dòng)要小，因此使用膠泥緩沖器的機(jī)槍穩(wěn)定性好，射擊精度要高。

圖10 槍口上下波動(dòng)曲線

圖11 槍口左右波動(dòng)曲線

6 結(jié)論

粘彈性膠泥緩沖器可以有效的降低機(jī)槍射擊的后坐力，并且對(duì)后坐能量的吸收率更大，更有利于機(jī)槍保持良好的射擊狀態(tài)。同時(shí)使用粘彈性膠泥緩沖器的機(jī)槍反應(yīng)更靈敏，并且在連續(xù)射擊槍口穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，精度更高。

[1] 趙良偉.12.7 mm鏈?zhǔn)綑C(jī)槍總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真[D].太原:中北大學(xué),2014.

[2] 姚養(yǎng)無(wú). 大口徑狙擊步槍液氣緩沖器設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(4):393-397.

[3] 徐忠四.基于沖擊環(huán)境下粘彈性膠泥緩沖器的動(dòng)力學(xué)建模[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(3):384-390.

[4] 賈九紅.膠泥緩沖器的耗能機(jī)理研究與設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

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TheInfluenceoftheVisco-ElaticElastomerDampertotheFiringAccuracyoftheLargeCaliberMachineGun

WANG Donghua， Su Tiexiong， WANG Hongqin， JI Shuyuan， FENG Zhenfei

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051， China)

For the spring buffer of large caliber machine gun using big recoil, less energy consumption, low shooting accuracy shortcomings, it proposes a design, viscoelastic elastomer damper, to reduce recoil, improve the energy absorption rate and firing accuracy. The rigid flexible multi-body dynamics model of the buffer and the recoil part is established. The velocity-time curve, impedance force-displacement curve and the muzzle jump curve of the two buffers are obtained by simulation analysis using ADAMS and MATLAB. Contrast shows that the use of viscoelastic damper can reduce gun recoil, increase energy absorption rate, improve the stability of the muzzle, and heighten shooting accuracy.

visco-elatic elastomer damper；resistance；energy absorption capability；accuracy

2017-10-17；

2017-11-02

王東華(1992—)，男，碩士，主要從事裝甲車輛工程研究。

10.11809/scbgxb2017.12.003

本文引用格式：王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，等.粘彈性膠泥緩沖器對(duì)機(jī)槍射擊精度的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):13-16.

formatWANG Donghua，Su Tiexiong，WANG Hongqin，et al.The Influence of the Visco-Elatic Elastomer Damper to the Firing Accuracy of the Large Caliber Machine Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):13-16.

TJ203;TJ25

A

2096-2304(2017)12-0013-04

(責(zé)任編輯周江川)