李玥,王永娟
(南京理工大學(xué),南京 210094)
槍械是武器裝備中使用軍種最多、裝備數(shù)量最多的武器,因此必須在各種嚴(yán)苛的環(huán)境都能可靠使用。由于我國地域遼闊,河流眾多,縱橫交錯(cuò),一旦發(fā)生局部戰(zhàn)爭(zhēng)或小規(guī)模沖突,極有可能攜槍泅渡,因此GJB 3484—98環(huán)境試驗(yàn)中包括了浸河水環(huán)境的可靠性試驗(yàn)。GJB 3484—98試驗(yàn)結(jié)果表明,浸河水環(huán)境會(huì)對(duì)槍械的可靠性產(chǎn)生影響,可能會(huì)產(chǎn)生后坐不到位和復(fù)進(jìn)不到位等故障,而目前并不了解浸河水環(huán)境對(duì)自動(dòng)機(jī)的影響規(guī)律。
有許多人利用自動(dòng)步槍的動(dòng)力學(xué)仿真分析自動(dòng)機(jī)受到的沖擊、自動(dòng)機(jī)在不同射擊姿勢(shì)下的運(yùn)動(dòng)特性、不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響以及自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠性。目前國內(nèi)外尚沒有浸河水環(huán)境因素對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性影響的相關(guān)研究,僅有一些研究者在進(jìn)行可靠性研究時(shí)考慮了環(huán)境因素。張秀華等考慮了揚(yáng)塵、淋雨和揚(yáng)塵淋雨環(huán)境,對(duì)9 mm手槍的開閉鎖可靠性進(jìn)行了分析。方峻等考慮了高低溫、淋雨以及揚(yáng)塵環(huán)境因素下影響拋殼和抽殼機(jī)構(gòu)的因素,并提出了預(yù)測(cè)拋殼機(jī)構(gòu)和抽殼動(dòng)作的失效判據(jù),最后利用蒙特卡洛法計(jì)算了出現(xiàn)故障的概率。
本文以某小口徑步槍作為對(duì)象,利用ADAMS軟件建立了自動(dòng)步槍的連發(fā)虛擬樣機(jī)模型,通過分析不同濃度浸河水環(huán)境下影響的參數(shù),并通過試驗(yàn)測(cè)出參數(shù)變化,修改虛擬樣機(jī)模型中的參數(shù),得到該自動(dòng)步槍在不同河水濃度環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性,分析了浸河水環(huán)境對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性??傮w浸河水環(huán)境下自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性分析流程如圖1所示。
圖1 浸河水環(huán)境下某自動(dòng)步槍的自動(dòng)機(jī) 運(yùn)動(dòng)特性分析流程 Fig.1 Automata motion characteristics analysis process for an automatic rifle in a river immersion environment
由于在浸河水環(huán)境下,河水可通過間隙進(jìn)入到自 動(dòng)機(jī)內(nèi),在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中,由于泥沙顆粒和水的存在,會(huì)改變接觸表面的相關(guān)接觸特性參數(shù)。在有泥沙存在的物體表面,會(huì)使物體接觸表面之間的摩擦系數(shù)較正常情況下不同。不同浸河水濃度下,自動(dòng)機(jī)與導(dǎo)軌之間有不同的摩擦系數(shù),通過改變摩擦系數(shù)可以模擬不同浸河水濃度下摩擦特性對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響。
根據(jù)GJB 3484的浸河水試驗(yàn)環(huán)境,以塵土粒度小于0.08 mm占75%和在0.08~0.2 mm占25%的混合顆粒制作河水。采用摩擦系數(shù)儀分別在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水質(zhì)量濃度下對(duì)槍機(jī)框試件、槍機(jī)和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試,見圖2、3。
圖2 摩擦系數(shù)測(cè)試平臺(tái) Fig.2 Coefficient of friction test bench
圖3 不同濃度河水 Fig.3 Different concentrations of river water
試驗(yàn)步驟如下:1)將導(dǎo)軌、槍機(jī)和槍機(jī)框試件的運(yùn)動(dòng)接觸表面保持在干燥狀態(tài),測(cè)量槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù),將它作為初始參照;2)以GJB 3484的浸河水試驗(yàn)環(huán)境作為基本要求,將3個(gè)試件分別置于浸河水環(huán)境中,之后固定在摩擦系數(shù)儀平臺(tái)上;3)啟動(dòng)摩擦系數(shù)儀,使槍機(jī)框試件勻速運(yùn)動(dòng),在摩擦系數(shù)儀的顯示屏上獲得摩擦系數(shù)的數(shù)據(jù);4)測(cè)量20組數(shù)據(jù),取平均值,得到一個(gè)河水濃度下的摩擦系數(shù);5)改變浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m,再次運(yùn)用上述步驟進(jìn)行測(cè)量,得到不同河水濃度下的摩擦系數(shù)。
由表1可知,導(dǎo)軌材料與槍機(jī)材料的摩擦系數(shù)最小值均在未浸河水時(shí),對(duì)比正常條件下導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù),在浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m時(shí),摩擦系數(shù)的增加幅度分別為3.52%、17.09%、38.69%、71.86%。由此可知,導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)在浸河水濃度增加時(shí),其增加幅度也增大。從表1可以看出,導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)在浸河水質(zhì)量濃度為4.5 kg/m時(shí)最大。不同濃度下導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)曲線見圖4??梢钥闯?,導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)隨著浸河水濃度的增加而增大。
表1 不同浸河水濃度下摩擦系數(shù)的測(cè)量結(jié)果 Tab.1 Measurement of the coefficient of friction at different river concentrations
對(duì)比正常條件下槍機(jī)材料的摩擦系數(shù),在浸河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m時(shí),摩擦系數(shù)的 增加幅度分別為23.36%、51.64%、70.90%、85.25%。由圖4可知,槍機(jī)材料的摩擦系數(shù)隨浸河水濃度的增加而增大。在相同浸河水濃度環(huán)境下,導(dǎo)軌材料的摩擦系數(shù)均比槍機(jī)材料的摩擦系數(shù)小,且每種浸河水濃度環(huán)境下相差均大于20%。
圖4 不同浸河水濃度下導(dǎo)軌和槍機(jī)材料的摩擦系數(shù)曲線 Fig.4 Friction coefficient curve of guide rail and bolt material at different river water concentrations
為預(yù)測(cè)不同浸河水濃度下槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù),利用MATLAB對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,見圖5。
圖5 槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù)擬合曲線 Fig.5 Fitting curve of friction coefficient between bolt carrier and guide rail and bolt: a) bolt carrier and guide rail, b) bolt carrier and bolt
槍機(jī)框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)在浸河水環(huán)境下的關(guān)系式為:
式中:代表槍機(jī)框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù);代表浸河水濃度。對(duì)擬合曲線的優(yōu)度進(jìn)行分析,得到線性相關(guān)系數(shù)為0.96,認(rèn)為擬合效果較好。
槍機(jī)框與槍機(jī)之間的摩擦系數(shù)在浸河水環(huán)境下的關(guān)系式為:
式中:代表槍機(jī)框與槍機(jī)之間的摩擦系數(shù)。對(duì)擬合曲線的優(yōu)度進(jìn)行分析,得到線性相關(guān)系數(shù)為0.98,擬合效果也較好。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,隨著浸河水濃度的增長,槍機(jī)、導(dǎo)軌與槍機(jī)框材料的摩擦系數(shù)均隨著河水濃度的增加而增大。相同浸河水濃度環(huán)境下,導(dǎo)軌與槍機(jī)框材料的摩擦系數(shù)均比槍機(jī)與槍機(jī)框材料的摩擦系數(shù)小,且相差均大于20%。
在進(jìn)行某小口徑步槍的虛擬樣機(jī)建模過程中,不需要將所有動(dòng)作以及零件都考慮進(jìn)去,要根據(jù)具體的 仿真目的和需要,合理地忽略或者刪減不必要的部分,在達(dá)到仿真目的同時(shí),盡可能地簡(jiǎn)化模型。本模型的基本假設(shè):忽略一些小質(zhì)量的非重要零件;不考慮柔性體對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響,將各部件均看作剛體;將機(jī)匣與地面固定;忽略彈簧的內(nèi)耗。
根據(jù)步槍的工作原理,為了簡(jiǎn)化該步槍的虛擬樣機(jī)模型,略去了與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程無關(guān)的握把、上護(hù)蓋等其他部件。該模型中共有22個(gè)部件,7個(gè)固定副,92個(gè)剛體碰撞,7個(gè)平移副,4個(gè)旋轉(zhuǎn)副。在活塞、擊錘、彈頭與地面之間添加平移副,在緩沖器、連發(fā)阻鐵、不到位保險(xiǎn)與下機(jī)匣之間添加旋轉(zhuǎn)副,還有1個(gè)旋轉(zhuǎn)副是拉殼鉤與槍機(jī)。
模型的簧力共有8個(gè),包括5個(gè)壓縮彈簧和3個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧,其中壓縮彈簧包括拉殼鉤簧、托彈簧、擊錘簧、復(fù)進(jìn)簧以及活塞簧,扭轉(zhuǎn)彈簧包括不到位保險(xiǎn)簧、連發(fā)阻鐵簧和緩沖簧。彈簧根據(jù)其設(shè)計(jì)的預(yù)壓力和剛度作用,主要參數(shù)見表2和表3,其中為壓縮 彈簧剛度,為扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù),、為預(yù)壓力。
表2 壓縮彈簧參數(shù) Tab.2 Compression spring parameters
表3 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù) Tab.3 Torsion spring parameters
模型還包括2個(gè)外力載荷,即槍膛合力和導(dǎo)氣室壓力。當(dāng)某小口徑步槍射擊時(shí),2個(gè)外力開始作用。槍膛合力根據(jù)內(nèi)彈道曲線(見圖6)獲得,其公式為:
圖6 內(nèi)彈道壓力-時(shí)間曲線 Fig.6 Internal ballistic pressure-time curve
式中:為次要功計(jì)算系數(shù);為裝藥量;為彈頭質(zhì)量;為槍膛合力;為槍膛橫截面積。
氣室內(nèi)火藥氣體壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥氣體壓力有關(guān),也與導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對(duì)于靜力作用式的導(dǎo)氣裝置,根據(jù)描述氣室壓力變化規(guī)律的布拉文經(jīng)驗(yàn)公式,導(dǎo)氣室壓力為:
式中:為氣室壓力;為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力;為氣室壓力工作時(shí)間;為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù);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);為氣室火藥燃?xì)庾饔昧Γ粸榛钊娣e。通過計(jì)算得到此步槍的導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧εc時(shí)間曲線,見圖7。
圖7 導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧?時(shí)間曲線 Fig.7 Force-time curve of gunpowder gas action in the gas chamber
由于連發(fā)模型的供彈需要存在彈頭,才能保證供彈的可靠性,因此需要在彈殼與彈頭之間建立固定副,以保證供彈動(dòng)作的準(zhǔn)確。由于抽殼過程中彈頭已 經(jīng)在槍管外,因此彈頭和彈殼之間的固定副如何解脫是連發(fā)模型的重點(diǎn)。采用的連發(fā)方法是:在彈頭上建立一個(gè)測(cè)量彈頭質(zhì)心方向位置的函數(shù),利用ADAMS中的傳感器,在彈頭質(zhì)心的坐標(biāo)到達(dá)膛內(nèi)位置時(shí),運(yùn)用腳本仿真將彈殼和彈頭的固定副失效,同時(shí)生效彈頭與槍管之間的平移副,以此來完成連發(fā)動(dòng)作。建立的某小口徑步槍虛擬樣機(jī)模型共有35個(gè)自由度,其虛擬樣機(jī)模型如圖8所示。
圖8 某小口徑步槍的虛擬樣機(jī)模型 Fig.8 A virtual prototype of an automatic rifle
通過對(duì)實(shí)際射擊試驗(yàn)與虛擬樣機(jī)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,來驗(yàn)證模型的可信度。選擇槍機(jī)框的特征點(diǎn)速度以及位移作為虛擬樣機(jī)模型與試驗(yàn)對(duì)比的校對(duì)指標(biāo),試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比見圖9和表4、5。表5中,為槍機(jī)框最大后坐位移。根據(jù)圖9和表4、5可知,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差不超過10%,說明建立的虛擬樣機(jī)模型是相對(duì)正確的。
表4 槍機(jī)框速度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比 Tab.4 Comparison of bolt carrier speed test and simulation result
圖9 虛擬樣機(jī)模型與試驗(yàn)的自動(dòng)機(jī)速度時(shí)間曲線對(duì)比 Fig.9 Comparison of velocity-time curves between virtual prototype model's and test's automatic mechanism
表5 槍機(jī)框位移試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比 Tab.5 Comparison of bolt carrier displacement test and simulation result
通過對(duì)不同浸河水濃度下的自動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真,分析不同濃度下的射頻和特征點(diǎn)速度,首先對(duì)其最大后坐到位速度進(jìn)行分析,如圖10所示。
圖10 不同浸河水濃度下自動(dòng)機(jī)的最大后坐速度 Fig.10 Maximum recoil speed of bolt carrier under different river concentration
通過在0、1.5、3.0、4.5 kg/m的浸河水質(zhì)量濃度下進(jìn)行5連發(fā)仿真,每一組的后坐最大速度取平均值,其后坐最大速度分別為8.89、8.87、8.86、8.82 m/s,對(duì)比其正常條件下的仿真結(jié)果,相差均不超過1%,相差較小。由于自動(dòng)機(jī)的后坐最大速度主要與膛內(nèi)燃?jí)毫τ嘘P(guān),因此自動(dòng)機(jī)的后坐最大速度與浸河水濃度無關(guān)。
不同浸河水濃度下的各個(gè)特征點(diǎn)速度和射擊頻率如圖11所示。其后坐到位速度相對(duì)于正常條件下的降低幅度分別為4.7%、6.7%、7.0%、8.9%;復(fù)進(jìn)開始速度對(duì)于正常條件下的降低幅度分別為2.1%、5.3%、13.8%、16.6%;復(fù)進(jìn)到位速度相對(duì)于正常條件下的降低幅度分別為2.3%、5.4%、11.7%、16.9%;射擊頻率相對(duì)于正常條件下的降低幅度分別為4.4%、7.5%、10.5%、13.2%。由此可以判斷,各個(gè)特征點(diǎn)速度均隨著浸河水濃度的增加而降低,射擊頻率也隨著浸河水濃度的增加而降低,其中后坐到位速度的降低幅度最小,復(fù)進(jìn)到位速度的降低幅度最大。其原因是在自動(dòng)步槍進(jìn)行浸河水時(shí),其導(dǎo)軌、槍機(jī)框及槍機(jī)的表面都會(huì)有河水進(jìn)入,以至于增大了自動(dòng)機(jī)的摩擦系數(shù),使自動(dòng)機(jī)與導(dǎo)軌在碰撞過程中的能量損失增加;而在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中,復(fù)進(jìn)過程比后坐過程多走了半個(gè)循環(huán)的位移,因此復(fù)進(jìn)到位速度的降低幅度最大。
圖11 不同浸河水濃度下自動(dòng)機(jī)特征點(diǎn)速度和射擊頻率 Fig.11 Automatic mechanism characteristic point velocity and RF under different river concentrations: a) recoil in place speed;b) recovery start speed; c) recovery in place speed; d) RF
由仿真結(jié)果可知,自動(dòng)機(jī)的后坐最大速度隨著浸河水濃度的增加變化不大,而后坐到位速度、復(fù)進(jìn)開始速度以及復(fù)進(jìn)到位速度都會(huì)隨著浸河水濃度的增加而降低,但降低幅度不大。后坐到位速度的降低幅度最小,復(fù)進(jìn)到位速度的降低幅度最大,自動(dòng)機(jī)的射頻也隨著浸河水濃度的增加而降低。
在浸河水環(huán)境下,緩沖器與擊錘的撞擊力隨著河水濃度的增加而減小,如圖12所示。在0、1.5、3.0、4.5 kg/m下,撞擊力分別為2 527、2 463、2 267、2 106 N。這是由于河水增大了槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù),增大了自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的摩擦力,導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)碰撞前后的速度均降低,減小了碰撞能量,碰撞力也隨之減小。
圖12 不同河水濃度下的緩沖器與擊錘撞擊力 Fig.12 The impact force of buffer and hammer under different river water concentrations
以槍機(jī)框從速度為0和后坐到位速度計(jì)算后坐 過程中槍機(jī)框的動(dòng)能變化,以槍機(jī)框復(fù)進(jìn)開始速度和復(fù)進(jìn)到位速度計(jì)算復(fù)進(jìn)過程中槍機(jī)框的動(dòng)能變化。動(dòng)能變化Δ越小,后坐或復(fù)進(jìn)過程中的能量損耗越大。不同浸河水濃度環(huán)境下自動(dòng)機(jī)的動(dòng)能變化見圖13。由圖13可知,槍機(jī)框后坐和復(fù)進(jìn)過程的動(dòng)能變化均隨著浸河水濃度的增加而減小。在河水質(zhì)量濃度為0、1.5、3.0、4.5 kg/m下,后坐過程動(dòng)能變化的降低幅度分別為9.1%、13.0%、13.6%、16.9%;復(fù)進(jìn)過程動(dòng)能變化的降低幅度分別為4.9%、10.7%、19.8%、31.1%。隨著河水濃度的增加,其動(dòng)能下降幅度也相應(yīng)地越來越大。由此表明,浸河水環(huán)境使自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量損耗增加,且隨著河水濃度的升高,其降低幅度越大,自動(dòng)機(jī)在后坐和復(fù)進(jìn)過程中的能量損耗就越大。
圖13 不同河水濃度下自動(dòng)機(jī)能量損耗情況 Fig.13 Energy loss of automatic mechanisms under different river concentrations: a) recoil process; b) recovery process
以0.1 kg/m的增量來增加河水質(zhì)量濃度,利用得到的摩擦系數(shù)與浸河水濃度的公式,計(jì)算浸河水濃度增大后的摩擦系數(shù),并將其代入到虛擬樣機(jī)模型中,觀察自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度增加到20.0 kg/m時(shí),其自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)后坐不到位現(xiàn)象,此時(shí)槍機(jī)框與槍機(jī)的摩擦系數(shù)為0.976 0,槍機(jī)框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為0.798 6。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度增加到20.7 kg/m時(shí),槍機(jī)框與槍機(jī)的摩擦系數(shù)已經(jīng)達(dá)到1.0,此時(shí)自動(dòng)機(jī)仍然可以在復(fù)進(jìn)簧的作用下復(fù)進(jìn)到位。由此可以判斷槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù)不能影響自動(dòng)機(jī)的復(fù)進(jìn)到位動(dòng)作。
1)槍機(jī)、導(dǎo)軌與槍機(jī)框之間的摩擦系數(shù)隨著浸河水濃度的增加而增大。在相同浸河水濃度環(huán)境下,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)均比槍機(jī)的摩擦系數(shù)小,且每種浸河水濃度的環(huán)境下相差均大于20%。得到了浸河水濃度與2種摩擦系數(shù)的關(guān)系式。
2)自動(dòng)機(jī)的后坐最大速度在4種不同濃度的浸河水環(huán)境下,相差小于1%,自動(dòng)機(jī)的后坐最大速度與浸河水濃度無關(guān)。自動(dòng)機(jī)的后坐到位速度、復(fù)進(jìn)開始速度、復(fù)進(jìn)到位速度以及射頻都會(huì)隨著浸河水濃度的增加而降低,但總體降低幅度不大,各個(gè)特征點(diǎn)速度以及射擊頻率的降低幅度都小于20%。其中,后坐到位速度在不同浸河水濃度環(huán)境下的降低幅度最小,其降低幅度小于10%;復(fù)進(jìn)到位速度在不同河水濃度的浸河水環(huán)境下的降低幅度最大,為16.9%。隨著浸河水濃度的增加,自動(dòng)機(jī)的能量損耗也越大。
3)自動(dòng)機(jī)的緩沖器與擊錘的碰撞力也隨浸河水濃度的增加而降低。當(dāng)浸河水質(zhì)量濃度到達(dá)20 kg/m時(shí),自動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后坐不到位故障,此時(shí)槍機(jī)框與槍機(jī)的摩擦系數(shù)為0.976 0,槍機(jī)框與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為0.798 6。槍機(jī)框與導(dǎo)軌、槍機(jī)之間的摩擦系數(shù)不能影響自動(dòng)機(jī)的復(fù)進(jìn)到位動(dòng)作。
4)建立了某自動(dòng)步槍的浸河水環(huán)境下的仿真模型,對(duì)不同濃度的摩擦系數(shù)進(jìn)行了擬合。利用虛擬樣機(jī)模型可以對(duì)浸河水環(huán)境下自動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和不同的故障進(jìn)行預(yù)測(cè),也可將建立模型的方法運(yùn)用到槍械處于不同環(huán)境時(shí)了解其自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性,與槍械環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合,為研制浸河水環(huán)境下的槍械提供了新的方法,也為槍械設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。