新型卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真

孫艷馥， 李回濱， 閆 雷， 郭光全， 呂慧貞

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

新型卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)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(xué) 裝備工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 山東特種工業(yè)集團(tuán)， 山東 淄博 255201；3. 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030051)

通過對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)工作特性的分析， 在12號(hào)霰彈的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一款新型的卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu). 利用UG軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模， 以閉鎖塊為研究對(duì)象， 通過動(dòng)力學(xué)分析建立了閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)微分方程， 并運(yùn)用ADAMS對(duì)模型進(jìn)行仿真. 仿真結(jié)果表明： 閉鎖機(jī)構(gòu)能在0.5 s內(nèi)完成開鎖， 在1 s內(nèi)完成閉鎖； 后坐與復(fù)進(jìn)的運(yùn)動(dòng)特性證明閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、 閉鎖可靠并能復(fù)進(jìn)到位. 所建立的卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)微分方程， 為自動(dòng)武器閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù).

卡鐵； 偏轉(zhuǎn)式； 閉鎖機(jī)構(gòu)； 動(dòng)力學(xué)

0 引 言

閉鎖機(jī)構(gòu)按照發(fā)射時(shí)身管與槍機(jī)的聯(lián)接性質(zhì)分為慣性閉鎖和剛性閉鎖兩大類[1]. 慣性閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖時(shí)身管和槍機(jī)無扣合或在殼機(jī)力作用下能自行開鎖. 剛性閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖時(shí)身管和槍機(jī)可牢固扣合， 射擊時(shí)殼機(jī)力不能使槍機(jī)直接開鎖， 必須在主動(dòng)件強(qiáng)制作用下才能開鎖， 這類閉鎖機(jī)構(gòu)工作可靠， 被廣泛采用. 由于卡鐵偏轉(zhuǎn)閉鎖機(jī)構(gòu)由成對(duì)的開鎖工作面、 閉鎖工作面和閉鎖支撐面等組成， 開閉鎖動(dòng)作分別在開閉鎖工作面的相互作用下完成， 殼機(jī)力也作用在閉鎖支撐面上， 因而這種閉鎖機(jī)構(gòu)開閉鎖動(dòng)作可靠， 安全系數(shù)高， 所以在半自動(dòng)泵動(dòng)式霰彈槍中能夠發(fā)揮重要作用. 國(guó)內(nèi)對(duì)于輕武器閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多方面的研究， 如文獻(xiàn)[2]對(duì)機(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)建立了運(yùn)動(dòng)分析模型， 進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性仿真分析； 文獻(xiàn)[3]對(duì)各種槍機(jī)閉鎖機(jī)構(gòu)的計(jì)算模型進(jìn)行了梳理； 文獻(xiàn)[4]運(yùn)用有限元的方法對(duì)機(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力分析； 文獻(xiàn)[5]對(duì)槍機(jī)回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)開鎖過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析； 文獻(xiàn)[6]對(duì)槍管回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析. 但目前對(duì)于偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少， 因而對(duì)卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究很有必要， 可以為卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)手段， 對(duì)于提高武器的性能具有促進(jìn)作用.

1 新型卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)工作時(shí)， 槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)中靠斜面帶動(dòng)卡鐵上下偏轉(zhuǎn)一定角度， 使槍管與槍機(jī)之間完成開閉鎖動(dòng)作. 這種機(jī)構(gòu)的閉鎖支撐面在機(jī)匣兩側(cè)導(dǎo)軌上對(duì)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(jié)構(gòu)中比較成功的一種[1]. 為了更好地發(fā)揮卡鐵偏轉(zhuǎn)閉鎖方式的優(yōu)勢(shì)， 使得開閉鎖動(dòng)作靈活， 應(yīng)盡量減少開閉鎖過程中的能量消耗[7]， 且使閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 工藝性好. 設(shè)計(jì)的新型卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)工作原理圖如圖 1 所示.

圖 1 新型卡鐵偏轉(zhuǎn)閉鎖機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of new locking mechanism of lock-iron deflection type

1.2 設(shè)計(jì)原則

閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足其設(shè)計(jì)要求， 才能達(dá)到武器裝備的性能要求， 卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要有：

1) 閉鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)留出初始彈底間隙；

2) 在殼機(jī)力作用下不應(yīng)自行開鎖；

3) 應(yīng)當(dāng)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(duì)稱布置[8]；

5) 機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 工藝性好、 可靠性高[9].

1.3 設(shè)計(jì)方法

選用12號(hào)霰彈進(jìn)行閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)， 其外形呈圓柱形， 直徑18.4 mm， 彈長(zhǎng)72 mm， 單發(fā)彈重25.6 g. 以該參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)， 運(yùn)用偏轉(zhuǎn)式閉鎖工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì). 基于UG軟件對(duì)設(shè)計(jì)的槍機(jī)框、 滑塊、 閉鎖塊、 槍機(jī)等實(shí)現(xiàn)三維建模， 其模型如圖 2～圖 5 所示.

圖 2 槍機(jī)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(jī)Fig.5 Bolt

由于霰彈的長(zhǎng)度為72 mm， 所設(shè)計(jì)的槍機(jī)框的長(zhǎng)度必將大于霰彈的長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)槍機(jī)框可以基本上遮蓋拋殼窗， 并且槍機(jī)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(jī)框內(nèi)部， 閉鎖塊總長(zhǎng)為46 mm， 寬為14 mm； 閉鎖部分長(zhǎng)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(shí)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(gè)載體承載著槍機(jī)框與其相關(guān)的部件， 而且主導(dǎo)了開閉鎖的運(yùn)動(dòng). 滑塊的總長(zhǎng)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(zhuǎn)位移由滑塊的高度決定. 而滑塊的凸起部分應(yīng)和閉鎖塊相同， 與槍機(jī)框接觸， 如此， 當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)， 槍機(jī)框能與滑塊配合只進(jìn)行前后方向的運(yùn)動(dòng)， 左右方向被限制而不會(huì)發(fā)生位移， 這樣也保證擊針的位置使擊針只會(huì)前后運(yùn)動(dòng)， 降低了槍彈擊發(fā)故障率.

閉鎖機(jī)構(gòu)與擊針組件、 抽殼機(jī)構(gòu)共同組成了槍機(jī)， 構(gòu)成了槍械的核心部件， 共同完成復(fù)進(jìn)、 閉鎖、 擊發(fā)、 后坐、 開鎖等工作循環(huán).

2 動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

為了便于分析， 在忽略一些次要影響因素的基礎(chǔ)上建立閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型， 模型的建立需作以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1) 認(rèn)為閉鎖機(jī)構(gòu)各構(gòu)件是規(guī)則的， 且各構(gòu)件質(zhì)心分布均勻；

2) 忽略閉鎖時(shí)閉鎖塊與機(jī)匣以及滑塊之間碰撞產(chǎn)生的影響；

3) 認(rèn)為射擊時(shí)整槍保持水平， 不受重力分力影響.

據(jù)以上假設(shè)， 閉鎖機(jī)構(gòu)工作時(shí)的受力情況如圖 6 所示.

圖 6 卡鐵偏轉(zhuǎn)閉鎖機(jī)構(gòu)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(chǔ)構(gòu)件作平移運(yùn)動(dòng)， 閉鎖塊作為工作構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動(dòng). 基礎(chǔ)構(gòu)件滑塊0在主動(dòng)力F的推動(dòng)下沿x方向作平移運(yùn)動(dòng)， 帶動(dòng)作用使定力矩為M1的工作構(gòu)件1繞O1點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 根據(jù)牛頓第二定律， 可得兩構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)微分方程如下

式中：m0為滑塊質(zhì)量；m1為閉鎖塊質(zhì)量；Ff1為閉鎖塊與滑塊之間摩擦力；Ff2為滑塊與槍機(jī)框之間摩擦力；F為主動(dòng)力；J1為閉鎖塊轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)力矩；φ1為滑塊偏轉(zhuǎn)角度；x為滑塊平動(dòng)位移.

2.2 仿真結(jié)果分析

利用ADAMS對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真， 仿真時(shí)間設(shè)置為1 s， 步長(zhǎng)為1 000. 設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)為Step(time,0,0,0.5,90)+Step(time,0.5,0,1,-90)， 構(gòu)件之間添加系統(tǒng)默認(rèn)接觸力， 設(shè)置霰彈槍材料均為Steel. 槍機(jī)框與閉鎖塊位移、 速度曲線對(duì)比圖如圖 7， 圖 8 所示. 從圖7知： 0.11 s時(shí)槍機(jī)框和閉鎖塊開始運(yùn)動(dòng)， 運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)平穩(wěn)， 當(dāng)0.89 s 時(shí)停止運(yùn)動(dòng). 槍機(jī)框和閉鎖塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)大致相同， 證明兩者運(yùn)動(dòng)同步， 符合設(shè)計(jì)原理. 從圖8知： 0.11 s時(shí)閉鎖塊開鎖， 閉鎖塊速度產(chǎn)生突變， 槍機(jī)框被滑塊帶動(dòng)， 速度在瞬間增大， 0.89 s 時(shí)閉鎖塊復(fù)進(jìn)到位準(zhǔn)備閉鎖， 在0.89～1 s內(nèi)開始上彈， 此時(shí)槍機(jī)框受到外力作用而產(chǎn)生速度的瞬變， 閉鎖塊由于閉鎖支撐面的作用也產(chǎn)生迅速變化. 由圖 7， 圖8可知， 閉鎖塊偏轉(zhuǎn)開鎖和閉鎖的時(shí)間為0.11 s和0.89 s， 且能在0.5 s內(nèi)完成開鎖， 在1 s內(nèi)完成閉鎖. 仿真結(jié)果表明開、 閉鎖機(jī)構(gòu)作用可靠， 可正常工作.

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

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

3 閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征分析

閉鎖機(jī)構(gòu)工作循環(huán)方式對(duì)武器性能有很大影響. 它描述了基礎(chǔ)構(gòu)件的工作順序和各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系， 可作為機(jī)構(gòu)是否可靠、 協(xié)調(diào)， 射擊頻率、 后坐阻力等是否滿足要求的依據(jù). 工作循環(huán)方式的制定是以基礎(chǔ)構(gòu)件的位移或時(shí)間為自變量來制作的[6]. 表 1 是閉鎖機(jī)構(gòu)射擊時(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)情況一覽表： 后坐時(shí)， 前端與槍機(jī)框一起后坐， 槍機(jī)框后坐10 mm為自由行程， 閉鎖塊不發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 滑塊后坐10 mm后坐到位， 并開鎖， 滑塊繼續(xù)后坐， 槍機(jī)抽彈， 套筒后坐60 mm時(shí)拋出彈殼， 之后槍機(jī)后坐到位； 復(fù)進(jìn)時(shí)套筒復(fù)進(jìn)20 mm后推彈， 復(fù)進(jìn)30 mm時(shí)槍機(jī)推彈入膛， 與滑塊一起復(fù)進(jìn)過程中完成閉鎖， 最后復(fù)進(jìn)到位. 閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性滿足了設(shè)計(jì)原理[10]， 說明閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理， 可保證開閉鎖過程可靠工作.

表 1 閉鎖機(jī)構(gòu)射擊時(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)情況一覽表[11]

4 結(jié) 論

通過對(duì)卡鐵偏轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 建模、 動(dòng)力學(xué)研究以及ADAMS仿真可得出如下結(jié)論：

1) 證明了所設(shè)計(jì)的閉鎖機(jī)構(gòu)可以可靠地在0.5 s 內(nèi)完成開鎖， 在1 s內(nèi)完成閉鎖的功能.

2) 閉鎖機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)件的工作順序和運(yùn)動(dòng)關(guān)系也有效地證明機(jī)構(gòu)作用可靠、 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、 射擊頻率滿足要求.

3) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析所得到了閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)微分方程為閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)， 具有一定的指導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究.

1673-3193(2017)02-0145-05

TJ203+.2

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.009