“回”型運動槍機退殼動作故障預測分析

仲其伐，李忠新，郝光榮

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

突擊步槍是應戰爭發展要求而產生的新型單兵武器。它成功地結合了沖鋒槍與傳統步槍特有的最佳戰斗性能。現在的突擊步槍具有射速高、后坐適中、動作穩定、槍體小而輕便的特點。大量的事實表明，現代突擊步槍并非是單純隨著戰術變化而變化的，而是隨著科學技術的不斷進步而逐漸發展起來的一種新型單兵武器。時至今日，現代突擊步槍已經從過去僅能殺傷點目標的單兵裝備，發展成如今同時具備點面殺傷功能、能夠不分晝夜持續使用的單兵多功能綜合戰斗系統［1］。目前世界各國軍隊都把突擊步槍作為步兵的重要武器裝備，因此突擊步槍的研制水平和使用性能會直接影響士兵的戰斗能力和存活機率，也在某種程度上決定了最終的戰斗結果。

本文所研究的新型突擊步槍沿用了美國人提出的“齊射”理念，利用了AN94的關鍵技術思想，并采用了獨特的“回”型運動槍機和一些創新結構，力求使其在采用傳統步槍原理的基礎上，具有極好的首發命中精度和綜合作戰性能。此外，由于該突擊步槍正處于方案研究階段，缺少相關的試驗驗證，所以在此階段對該槍進行故障預測分析既可以及早發現和解決潛在問題，又可以為方案改進工作提供一定的數據和技術支撐。

1 “回”型運動槍機工作原理

“回”型運動槍機是指在整個自動循環過程中，槍機的運動導引會沿著機匣上的“回”字形導軌槽運動，故稱之為“回”型運動槍機。就其主要功能而言，“回”型運動槍機其實是一種槍機偏轉式的單程進彈機構，即槍機在整個運動過程中會產生偏轉運動以便于順利地完成整個供彈動作，“回”型運動槍機的基本結構如圖1所示。

圖1 “回”型運動槍機的基本結構

2 “回”型運動槍機退殼動作可能出現的故障

在“回”型運動槍機完成退殼動作的過程中，有可能會出現下列故障:1）彈殼橫向斷裂;2）彈殼縱向破裂;3）卡殼。

根據自動武器的基本特性可知，在槍機完成退殼動作過程中，彈殼容易發生橫向斷裂和縱向斷裂故障。其中，橫向斷裂是指為了保證彈殼向后推動槍機有足夠的能量，作用于彈殼底部的火藥燃氣壓力必須大于彈殼外壁與彈膛間的摩擦阻力，然而該摩擦阻力可能大于彈殼在拉斷前所能承受的極限拉力，從而導致彈殼被過度拉伸而拉斷;縱向破裂是指因高膛壓時期彈殼后移量過大時，彈殼底部徑向薄壁失去彈膛支撐，或者是因彈殼錐度過大或為瓶形，其向后移動時肩部或體部與彈膛壁間出現較大間隙，導致彈殼發生炸裂或破裂［2］。另一方面，由于所述突擊步槍采用的拋殼挺簧式彈性拋殼機構，其拋殼動作依靠拋殼挺簧作用在彈殼上的拋殼力矩來完成。該類拋殼機構的主要優點是拋殼動作平穩無撞擊且結構簡單易加工，而其缺點則在于槍機結構對拋殼機構尺寸有限制，拋殼能量不會太大，另外各機構間的位置間隙、拋殼窗位置尺寸以及槍機后坐速度等因素也會對拋殼產生影響。一旦拋殼出現問題，就極容易引發卡殼故障。由于篇幅所限，本文對卡殼故障預測分析將不予論述。

3 彈殼強度故障分析

“回”型運動槍機采用自由槍機式自動原理，其槍機與槍管或機匣之間沒有扣合，因此當槍彈被擊發后，在彈頭還未完全嵌入膛線時，槍機便已經開始后坐。由于在槍彈被擊發的瞬時，槍機并沒有得到剛性閉鎖支撐，故當膛壓達到一定值后，準確的說，是當膛底火藥燃氣壓力合力超過槍彈拔彈力時，彈殼便可帶動槍機共同后坐。由此可知，“回”型運動槍機沒有專門的閉鎖機構，其閉鎖方式屬于慣性閉鎖［3］。

根據膛內彈殼的受力特點，可建立發射時彈殼在膛內的受力模型，如圖2所示。其中p1為徑向壓力，p2和p3均為軸向壓力;此外，彈殼受到膛壁的摩擦阻力設為FRK。

圖2 發射時彈殼受力模型

由圖2可知，在彈丸發射之初，由于膛內火藥燃氣的壓力不高，故作用在彈殼上摩擦阻力FRK也不大。于是，在摩擦阻力FRK和軸向壓力p2的共同作用下，彈殼將沿膛壁向后滑動并被拉伸，同時彈殼會推動槍機后坐。隨著膛內火藥燃氣壓力的快速升高，徑向壓力p1和軸向壓力p2均隨之增大，于是彈殼會急劇膨脹并緊緊貼于彈膛壁;加之火藥燃氣溫度升高，因此彈殼和膛壁之間會形成金屬和金屬在高溫高壓作用下的緊密貼合，從而使摩擦阻力FRK急劇增大。此時，軸向壓力p2和摩擦阻力FRK的合力在推動彈殼后坐的同時，也會使彈殼內產生很大的軸向拉伸應力。如果彈殼較長且膛壓較高，則該拉伸應力就會很大，于是彈殼就可能被過度拉伸至材料極限而被拉斷，即產生彈殼橫向斷裂故障。

另一方面，如果槍機后坐速度過大，使彈殼過快退出彈膛，以致其底部徑向薄壁部分失去彈膛支撐，則彈殼底部可能會炸裂。此外，由于該運動槍機所用槍彈為有一定錐度的彈殼，如果該錐度過大，當彈殼向后移動時，在彈殼與彈膛壁間會出現較大間隙，此時火藥燃氣壓力會迫使彈殼膨脹變形以填充該間隙，從而可能導致彈殼破裂。上述炸裂或破裂均屬于彈殼縱向破裂故障。

綜上所述，對于采用自由槍機的新型突擊步槍來說，保證彈殼正常工作是十分重要的。彈殼破裂或過度變形都會嚴重影響該槍的可靠性，甚至會危及射手安全，因此在設計時必須對上述彈殼故障進行詳細預測和分析［4］。

3.1 彈殼可以移動的條件

設彈殼及與其連接槍機的總質量為m，槍機在某瞬時的后坐速度為 v－，槍膛橫斷面積為S，膛內平均壓力為 p（約等于膛底壓力）。再設彈殼與膛壁間的摩擦阻力為FRK，槍機所受復進簧力為Ff，槍機所受摩擦阻力FR。根據自由槍機式自動武器的基本原理［5］可知，槍機運動微分方程為:

在槍彈發射過程中，Ff和FR的值比Sp和FRK的值要小很多，因此在分析時可忽略Ff和FR，這種不考慮Ff和FR的槍機后坐即稱自由后坐。于是，槍機自由后坐運動微分方程為:

為保證彈殼能推動槍機自由后坐，首先彈殼必須可以移動，即滿足Sp－FRK＞0，也即:

所述“回”型運動槍機的彈殼外形近似為圓筒形，故可設彈殼底部外徑為d2，彈殼埋入彈膛的長度為l，其值近似為彈殼體部以上的長度。設彈殼與膛壁間摩擦系數為f，其范圍為0.1～0.15。彈殼與膛壁間的正壓力即為圖2所示的徑向壓力p1，于是:

結合式（3），得:

上式可化為:

上式右端是彈殼可以移動的極限長度，它具有長度的量綱，故設其為llim，即令:

綜上，可得彈殼可以移動的條件為:

式（8）表明，對于該運動槍機來說，為使彈殼可以順利帶動槍機組件后坐，彈殼埋入彈膛部分的長度l必須小于其可以移動的極限長度llim。

設彈殼壁厚為δ，所用材料彈性極限為σe，屈服極限為σb。設當彈殼內所產生的切向應力達到材料彈性極限時的壓力為pe。忽略材料塑性變形強化，根據材料力學薄壁圓筒強度理論［6］，可得:

于是，彈殼和膛壁之間的正壓力可表示為:

對于該運動槍機而言，當p=pm=151.3 MPa時，彈殼與膛壁間的摩擦阻力最大，彈殼最有可能無法移動。已知彈殼底部外徑d2=8 mm，彈殼底部壁厚δ=0.84 mm，于是可得:

所以:

為盡可能滿足極限條件，f取最大值0.15。將所有參數代入式（7），解得彈殼可以移動的極限長度為:

對于該運動槍機而言，其彈殼埋入彈膛的長度為:

與彈殼可以移動的極限長度llim相比，滿足l＜llim。因此，基于上述分析可以預測:彈殼可以順利移動，槍機組件與彈殼可以自由后坐。

3.2 彈殼橫向斷裂故障

基于上述分析，當彈殼埋入彈膛的長度l小于極限長度llim時，在膛底壓力p2和摩擦阻力FRK的合力作用下，彈殼可以帶動槍機組件順利后坐。但是，p2和FRK的共同作用會使彈殼被拉伸，而當拉伸應力過大時，彈殼就有可能被拉斷，即產生橫向斷裂。

如圖3所示，取彈殼上任一橫斷面A來進行分析，設該橫斷面與彈膛末端的距離為x。設膛底壓力p2作用在該橫斷面上的合力為Fp，打有剖面線部分的彈殼所受摩擦阻力為FRx，力Fp和FRx的共同作用可使橫斷面A產生拉伸變形，其中FRx越大，則橫斷面A的拉伸程度也越大。摩擦阻力FRx的值為:

圖3 彈殼拉伸作用力

由式（11）易知，FRx隨x的增大而減小。由此可知，彈殼在膛底處橫斷面所受摩擦阻力最大，該最大值即為之前所述的FRK，即:

假設彈殼等壁厚，則最大變形將發生在x=0處，即彈膛末端處的彈殼橫斷面上。為保證彈殼不發生橫向斷裂故障，其所受摩擦阻力的最大值必須小于彈殼被拉斷前能夠承受的最大抗力，即滿足:

代入式（9）、（10），有:

令plh為彈殼不被橫向拉斷時的極限膛壓，則:

綜上，可得不發生彈殼橫向斷裂故障的條件:

對于該運動槍機而言，將已知數據代入式（15），可得:

式中:為盡量滿足極限條件，f取0.15。由內彈道分析結果可知，所述運動槍機最大膛壓為 p=pm=151.3 MPa，故滿足式（16）的條件。綜合以上分析可知，本文所述運動槍機在射擊時，其所用彈殼不會發生橫向斷裂故障。

3.3 彈殼縱向破裂故障

在彈殼可以移動以及不會發生橫向斷裂的情況下，彈殼仍有可能發生縱向破裂。具體來說，如果在發射時槍機組件后坐速度太大，以致槍機與彈殼向后移動的距離過大而超出了許可位移（如圖4所示），彈殼薄壁部分就會失去彈膛壁的支撐。若此時膛壓較高，則彈殼就可能過度膨脹變形而發生縱向破裂故障。

圖4 普通底緣彈殼的許可位移

為保證彈殼在發射時不發生縱向破裂故障，必須滿足的條件為:令plz為彈殼產生縱向破裂的極限膛壓，則:

于是，可得不發生彈殼縱向破裂故障的條件:

對于該運動槍機而言，將已知數據代入式（18），可解得:

根據內彈道分析結果可知，所述運動槍機的最大膛壓為 p=pm=151.3 MPa，看似并不滿足式（19）中 p＜plz的條件。然而事實上，對該運動槍機而言，在最高膛壓時彈殼并未失去彈膛的支撐，而當彈殼薄壁部分離開彈膛時，火藥燃氣壓力已然不是最大膛壓值。具體來說，根據所用彈殼結構可知，在膛壓較高階段彈殼允許后坐的位移為lk=1.5 mm，設對應的彈頭行程為ld，于是根據質心運動守恒定律可得:

式中:m0為彈頭質量，其值為2 g;m為槍機以及與其連接的彈殼的總質量，其值m=248.5 g。于是可以解得，彈殼薄壁部分外露時對應的彈頭行程為:

依據所述運動槍機內彈道計算結果可知，當彈頭行程為186.375 mm時對應的膛壓約為86.335 MPa，其值小于117.39 MPa。所以可以預測，該運動槍機在射擊時，其所用彈殼不會發生縱向破裂故障。

4 結論

本文對突擊步槍“回”型運動槍機在完成退殼動作時可能出現的故障（彈殼橫向斷裂、彈殼縱向破裂）進行預測分析。對于突擊步槍“回”型運動槍機的兩種故障，主要依據槍機自由后坐的運動特性，分析了發射時彈殼的受力情況，討論了彈殼可以自由后坐運動的條件，并得出了彈殼不發生橫向斷裂和縱向破裂故障的條件。然后參照所述突擊步槍內彈道計算結果，預測出在取定已知設計參數的條件下，所用彈殼不會發生橫向斷裂和縱向破裂故障。

［1］朱玉珍.突擊步槍及其技術［J］.輕兵器，2002，（3）:10-12.

［2］ Chris Kent.Small Arms——The Main Battle Weapons of the World's Major Countries［M］.The Chinese Market Press.2009:235.

［3］赫雷，周克棟，駱家光.某自動武器彈性拋殼過程仿真分析［J］.彈道學報，2010，22（3）:35-38.

［4］甘高才.自動武器動力學［M］.北京:兵器工業出版社，1990.16-21.

［5］吳臣武.槍械發射過程中彈殼動態響應分析［D］.南京:南京理工大學碩士學位論文，2004:1-13.

［6］甘高才.自動武器動力學［M］.北京:兵器工業出版社，1990.16-21.

［7］翟越，魏雪英，計琳，等.薄壁圓筒在雙剪統一強度理論下的統一解［J］.長安大學學報（建筑與環境科學版），2004，21（3）:1-3.