劉 偉，魏志芳，苑大威，王志偉，張曉東

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

閉鎖機(jī)構(gòu)作為自動(dòng)武器的核心機(jī)構(gòu)，作用是在武器發(fā)射過(guò)程時(shí)從槍管尾端面關(guān)閉彈膛，抵住彈殼，以防止彈殼在高膛壓時(shí)因后移量過(guò)大而發(fā)生橫斷和武器燃?xì)夂笠?。在彈丸飛出槍口、膛壓降到安全值后，能及時(shí)打開(kāi)彈膛，以便完成后續(xù)的自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作[1]。

閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是武器設(shè)計(jì)工作中重要的一環(huán)?，F(xiàn)有武器的閉鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有很多，按開(kāi)、閉鎖時(shí)工作件的運(yùn)動(dòng)來(lái)分，剛性閉鎖的機(jī)構(gòu)有：回轉(zhuǎn)式、偏移式、擺動(dòng)式和橫動(dòng)式4種閉鎖機(jī)構(gòu)，而工作件可以是槍管、槍機(jī)(或機(jī)頭)或不同形式的中間件，由此出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式。但是在自動(dòng)武器的發(fā)展過(guò)程中證明有些形式不能很好地滿足對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)要求，進(jìn)而逐漸淘汰不合理的結(jié)構(gòu)形式[2]。對(duì)于現(xiàn)代武器系統(tǒng)中常用閉鎖機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)氣式和管退式武器。不僅用于小口徑，也應(yīng)用于大口徑武器，甚至高射自動(dòng)炮和航空自動(dòng)炮。機(jī)構(gòu)的組成主要包括槍機(jī)、槍機(jī)框、機(jī)匣、節(jié)套、槍管等零件的有關(guān)部分[3]。

筆者基于回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)，在UG二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)研究及開(kāi)發(fā)，并將參數(shù)化設(shè)計(jì)后的三維裝配模型在UG/motion中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)其可行性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 殼機(jī)力與閉鎖間隙計(jì)算

1.1.1 閉鎖間隙的計(jì)算

自動(dòng)武器為了使開(kāi)、閉鎖動(dòng)作靈活，能夠在風(fēng)沙、泥水和高溫等特種條件下可靠閉鎖，應(yīng)當(dāng)使新出廠的武器在推彈進(jìn)膛并完全閉鎖之后，在殼膛定位面、彈殼底平面與彈底窩鏡面、槍機(jī)與機(jī)匣閉鎖支撐面等中的某一配合部位存在軸向間隙，包括彈性間隙Δt、磨損間隙Δm和制造間隙Δz[4]。其中，磨損間隙Δm和制造間隙Δz由文獻(xiàn)[5]獲得，彈性間隙Δt的計(jì)算如圖1所示。

其計(jì)算式為

(1)

1.1.2 殼機(jī)力的計(jì)算

從擊發(fā)到開(kāi)鎖之間，膛內(nèi)火藥氣體壓力不僅使彈殼發(fā)生切向變形并在殼膛間產(chǎn)生壓力P1，而且同時(shí)還使彈殼發(fā)生軸向變形或移動(dòng)，并在彈殼底平面與槍機(jī)之間產(chǎn)生作用，簡(jiǎn)稱(chēng)殼機(jī)力F，可通過(guò)以下方程組求得：

(2)

式中：Δl為彈殼的軸向伸長(zhǎng)量；Δl0為彈殼底部壓縮量；d0為彈殼底部直徑；E1為彈殼材料彈性模量；l0為彈殼底部長(zhǎng)；K為閉鎖機(jī)構(gòu)剛度。

1.2 閉鎖支撐凸筍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸筍的形狀與尺寸通過(guò)靜強(qiáng)度理論的方法確定。采用膛底作用力P近似代替殼機(jī)力F的最大值，求得各凸筍上的支反力Nz為

(3)

式中，n為槍機(jī)閉鎖凸筍數(shù)。

許用應(yīng)力以材料屈服極限σs為基準(zhǔn)來(lái)確定。

(4)

式中：[σ]r、[σ]j、[τ]分別表示拉伸許用應(yīng)力、擠壓許用應(yīng)力、剪切許用應(yīng)力。

按擠壓強(qiáng)度確定支撐面積，

(5)

式中：Sz為總支撐面積；Si為單個(gè)凸筍的支撐面積。

槍機(jī)凸筍底圓直徑D的計(jì)算式為

D=Dw+(3～4)

(6)

式中，Dw為彈底窩直徑，mm。

由閉鎖動(dòng)作關(guān)系，求得槍機(jī)凸筍外徑D1與凸筍高度h，

(7)

閉鎖凸筍寬度b及其對(duì)應(yīng)圓心角θ的計(jì)算式為

(8)

按剪切強(qiáng)度計(jì)算凸筍長(zhǎng)度l，

(9)

1.3 槍機(jī)框開(kāi)閉鎖工作面設(shè)計(jì)

1.3.1 自由行程的確定

根據(jù)主動(dòng)件后坐能量等于其克服阻力所做功的原理，得

(10)

式中：va′為主動(dòng)件碰撞后反跳速度；F為主動(dòng)件后坐運(yùn)動(dòng)阻力；ma為主動(dòng)件質(zhì)量。

1.3.2 開(kāi)閉鎖工作傾角的確定

開(kāi)閉鎖工作面傾角αk的大小，主要應(yīng)從開(kāi)鎖過(guò)程機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和動(dòng)能消耗量角度來(lái)考慮。

(11)

式中：k為開(kāi)鎖過(guò)程傳速比；η為傳動(dòng)效率；c為恢復(fù)系數(shù);va為主動(dòng)件的初速;mb為槍機(jī)轉(zhuǎn)化質(zhì)量;vb為槍機(jī)回轉(zhuǎn)線速度。

1.3.3 螺旋槽的開(kāi)閉鎖行程

開(kāi)閉鎖動(dòng)作由槍機(jī)框上的定形槽控制槍擊上的凸起，使槍機(jī)回轉(zhuǎn)完成。開(kāi)閉鎖行程x1,x2可由下式求得:

(12)

式中：α表示螺旋升角；rpj為導(dǎo)柱與螺旋槽接觸部分的中點(diǎn)至槍機(jī)軸線的距離；γ為回轉(zhuǎn)角。

2 參數(shù)化建模

2.1 制定用戶菜單

UG/Open MenuScript是UG/Open中用來(lái)制定菜單的專(zhuān)用模塊。它允許用戶使用ASCII文件方便快捷地生成UG系統(tǒng)的菜單，或者為用戶創(chuàng)建的應(yīng)用程序定義相應(yīng)的菜單。菜單腳本文件擴(kuò)展名為*.men，支持記事本的創(chuàng)建和編輯，通常存放于startup的文件目錄下[6]。本菜單通過(guò)編寫(xiě)一級(jí)菜單——回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，以及二級(jí)菜單——槍機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)/槍機(jī)框參數(shù)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)*.dll文件的調(diào)用，最終生成樣式如圖2所示。

2.2 建立對(duì)話框

UG/Open UIStyler是UG/Open中用來(lái)創(chuàng)建用戶界面對(duì)話框的專(zhuān)用模塊。使用UG/Open UIStyler能夠靈活地創(chuàng)建與UG風(fēng)格完全一致的對(duì)話框。在建立對(duì)話框時(shí)，需確定槍機(jī)和槍機(jī)框的基本參數(shù)，并且在存儲(chǔ)對(duì)話框文件時(shí)，選擇C#語(yǔ)言，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)生成與對(duì)話框相對(duì)應(yīng)的*.cs文件和*.dlx文件，將其保存在application文件夾中[7]。最終生成的對(duì)話框樣式如圖3所示，生成槍機(jī)、槍機(jī)框的基礎(chǔ)實(shí)體模型如圖4、5所示。

2.2 實(shí)現(xiàn)UG對(duì)話框功能

在Microsoft Visual studio 2010中新建項(xiàng)目，選擇Visual C#語(yǔ)言模塊，并在右側(cè)界面選擇NX8 Open C# Wizard運(yùn)用程序，更改名稱(chēng)、位置后創(chuàng)建運(yùn)用程序功能，并刪除已有的*.cs文件，插入功能代碼。最后編譯成功即可生成所需要的*.dll文件，經(jīng)調(diào)試后，將其復(fù)制到application文件中。通過(guò)定制的菜單調(diào)用該*.dll文件，彈出系統(tǒng)對(duì)話框，修改槍機(jī)和槍機(jī)框的基本參數(shù)來(lái)獲得不同形狀尺寸的回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)[8]。

3 膛內(nèi)壓力計(jì)算

內(nèi)彈道過(guò)程是依靠火藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動(dòng)彈丸擠進(jìn)膛線并沿著身管向前運(yùn)動(dòng)，在槍口獲得預(yù)定彈丸初速的過(guò)程，使閉鎖支撐部分在射擊時(shí)承受很大的殼機(jī)力作用并為自動(dòng)機(jī)的自動(dòng)循環(huán)提供能量[9]。筆者依據(jù)經(jīng)典的內(nèi)彈道學(xué)理論，建立內(nèi)彈道計(jì)算模型，采用C#編程語(yǔ)言編制內(nèi)彈道計(jì)算軟件，從而研究膛內(nèi)壓力變化規(guī)律。

3.1 內(nèi)彈道計(jì)算模型

由文獻(xiàn)[10]，內(nèi)彈道方程組為

(13)

式中：

(14)

式中：Zi為第i種火藥已燃燒的相對(duì)厚度；χi、λi、μi分別為第i種火藥的形狀參數(shù)；ψi為第i種火藥的已燃百分?jǐn)?shù)；e1i為第i種火藥的弧厚；u1i為第i種火藥的燃速系數(shù)；p為火藥膛內(nèi)平均壓力；t為時(shí)間；S為武器身管的橫斷面積；lψ為藥室自由容積縮徑長(zhǎng)；l為彈丸全行程長(zhǎng)；fi為第i種火藥的火藥力；ωi為第i種火藥的裝藥量；θ為火藥熱力參數(shù)。

后效期炮膛合力為

(15)

式中：b為反映炮膛合力衰減快慢的時(shí)間常數(shù)；t1為以后效期開(kāi)始作用的時(shí)間。

3.2 內(nèi)彈道計(jì)算軟件

在給定初始計(jì)算條件下，采用四階龍格-庫(kù)塔法來(lái)解算上述方程組，基于C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了內(nèi)彈道計(jì)算程序，分為簡(jiǎn)單裝藥和多孔裝藥兩個(gè)計(jì)算模塊。筆者以56式7.62 mm普通彈內(nèi)彈道計(jì)算為例，驗(yàn)證了軟件的可靠性。軟件運(yùn)行界面及結(jié)果顯示如圖6、7所示。

4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

4.1 三維模型的建立

通過(guò)閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，基于UG平臺(tái)完成槍機(jī)、槍機(jī)框的參數(shù)化建模以及完成其他各零部件的三維實(shí)體建模，并通過(guò)裝配環(huán)境，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的模型裝配，效果如圖8所示。

4.2 動(dòng)力學(xué)仿真的建立

完成上述回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的模型裝配后，進(jìn)入U(xiǎn)G/motion模塊，定義各零部件為連桿對(duì)象；并設(shè)置槍管、節(jié)套、預(yù)轉(zhuǎn)、機(jī)匣、擋板為固定約束，槍機(jī)為柱面副約束及槍機(jī)框?yàn)槠矫娓奔s束；設(shè)置槍機(jī)與槍機(jī)框、槍機(jī)與節(jié)套、槍機(jī)與預(yù)轉(zhuǎn)、槍機(jī)框與節(jié)套之間的接觸屬性。選擇矢量力的作用對(duì)象為槍機(jī)框，定義類(lèi)型為“幅值和方向”，在幅值的類(lèi)型里選擇“f(x)函數(shù)”，通過(guò)點(diǎn)擊“f(x)函數(shù)管理器”，以“AFU格式的表”的方式創(chuàng)建XY數(shù)據(jù)，在文本編輯器中鍵入從內(nèi)彈道計(jì)算軟件中提取的時(shí)間和壓力兩組計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊預(yù)覽膛壓樣條曲線并完成整個(gè)矢量力的操作，其數(shù)據(jù)接口界面如圖9所示。添加復(fù)進(jìn)簧于槍機(jī)框與擋板之間，并設(shè)置剛度類(lèi)型值及自由長(zhǎng)度。最后在解算方案中輸入仿真時(shí)間為0.1 s,步數(shù)為5 000，點(diǎn)擊確定按鈕進(jìn)行仿真計(jì)算[11]，其最終動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖10所示。

4.3 動(dòng)力學(xué)仿真的分析

擊發(fā)后，當(dāng)彈頭超過(guò)槍管內(nèi)膛上方的導(dǎo)氣孔時(shí)，一部分火藥氣體經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入氣室?；钊诨鹚帤怏w的作用下推動(dòng)頂桿一起向后運(yùn)動(dòng)，頂桿又撞擊槍機(jī)身使其獲得能量而后坐，并分別壓縮頂桿簧和復(fù)進(jìn)簧。頂桿后坐20 mm時(shí)受阻，活塞與頂桿在頂桿簧的作用下復(fù)位。槍機(jī)框后坐過(guò)程中，通過(guò)螺旋槽帶動(dòng)槍機(jī)旋轉(zhuǎn)而開(kāi)鎖，并帶動(dòng)槍機(jī)一起后坐，完成抽殼、拋殼及壓倒擊錘等動(dòng)作。槍機(jī)框后坐到位后，依靠復(fù)進(jìn)簧儲(chǔ)備的能量復(fù)進(jìn)，并完成推彈入膛及閉鎖等動(dòng)作。槍機(jī)閉鎖到位時(shí)壓下自動(dòng)擊發(fā)桿，槍機(jī)框則繼續(xù)復(fù)進(jìn)到位，全槍各機(jī)構(gòu)便完成了一次由擊發(fā)到待發(fā)的自動(dòng)循環(huán)，再扣扳機(jī)便可進(jìn)行二次擊發(fā)。結(jié)果表明，該閉鎖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性滿足了基本的設(shè)計(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[12]，閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)又可保證開(kāi)閉鎖過(guò)程的可靠工作,其槍機(jī)位移、速度曲線，槍機(jī)框位移、速度曲線分別如圖11～12所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，并將CAD/CAE軟件UG所提供的二次開(kāi)發(fā)工具UG/Open MenuScript、UGOpen UIStyler與編程軟件Microsoft visual studio 2010下的visual C#模塊相結(jié)合，分析了回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立了回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)專(zhuān)用參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，同時(shí)將參數(shù)化設(shè)計(jì)后的三維裝配模型在UG /motion模塊進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對(duì)其可行性與可靠性進(jìn)行了實(shí)際仿真驗(yàn)證分析。結(jié)果表明該閉鎖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性既滿足了基本的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和結(jié)構(gòu)原理要求，又保證了開(kāi)閉鎖過(guò)程的可靠工作，同時(shí)也為槍械產(chǎn)品的深入研究提供了一定的理論依據(jù)。

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