緩沖器對某型遙控武器站槍口跳動的影響

高宇飛，李 引，焦仁雷，趙曉輝

(中國兵器工業第208 研究所，北京 102202)

遙控武器站是一種可以安裝在多種軍用車輛或其他武器平臺上的新型模塊化武器系統，一般是由全電驅動的炮塔和操控顯示單元兩大部分組成的，主要配備各種機槍、自動榴彈發射器等武器，有的可配備小口徑火炮和單兵導彈。武器站一般裝備于機動平臺上，從而改變了輕武器傳統“人扛馬馱”的轉移模式，既減輕了作戰人員的體能消耗，又可大幅增加武器攜彈量，能夠提高輕武器持續作戰的能力［1，2］。

某型遙控武器站采用12.7 mm 89 式重機槍為主要作戰武器，在彈丸出膛的瞬間，槍口的線速度和角速會發生很大變化，從而嚴重影響機槍的射擊精度。對其加裝緩沖器，緩沖器彈性元件的彈性變形能減小射擊時的槍口擾動，有利于減小發射時架體的受力變形，提高武器站的射擊精度［3］。

運用虛擬樣機技術，通過三維建模軟件UG 以及動力學分析軟件ADAMS 建立遙控武器站發射動力學模型，對緩沖器不同剛度、阻尼和預壓力等情況下遙控武器站連續射擊槍口跳動進行仿真分析，以此來探究緩沖器參數對槍口跳動的影響［4］。

1 緩沖器的工作原理

緩沖器是將搖架滑座與搖架下座聯接起來，通過彈性元件的彈性變形來工作的裝置。設計合理的緩沖器能夠減小槍口跳動、架體受力和振動，從而提高武器的射擊精度。為確保非射擊狀態下槍身與搖架沒有相對移動，緩沖器的預壓力應能克服槍身所受一定的附加載荷和沖擊。因此，武器站應采用有預壓的緩沖器。緩沖簧一端抵住固定槍身的搖架滑座，另一端以緩沖筒與搖架下座聯結在一起。射擊時，槍身帶動搖架滑座一同后坐，沿搖架下座導槽滑動，使彈簧受壓縮。后坐到位后，壓縮的緩沖簧伸張，推動搖架滑座復進［5，6］。

射擊時架體受力F2可表示為

式中:Fr為緩沖簧的預壓力;k 為緩沖簧剛度;X 為槍身位移;Ff為搖架滑座在搖架下座定向滑動時的摩擦阻力。

槍身后坐運動微分方程為

通過對式(3)、式(4)積分，即可求解出槍身運動諸元以及緩沖簧的受力情況［7］。

2 遙控武器站動力仿真模型的建立

在三維實體建模軟件UG 中建立遙控武器站三維模型，然后生成parasolid 格式文件導入動力學仿真軟件ADAMS中，按設計要求賦予部件材料屬性，建立起動力學模型。其中托架繞底座轉運，搖架滑座沿下座平動，搖架繞耳軸相對于托架做俯仰轉動，該模型部件約束關系如表1 所示。

表1 各部件約束關系

機槍射擊時所受后坐力為膛內壓力曲線，具體數值可由膛內壓強乘以作用面積求得。在仿真模型中用樣條函數AKISPL 來進行曲線擬合，其形式為: AKISPL(time，0，Spline_n，0)，time 為第一個獨立變量，即系統時間，Spline_n 為膛底壓力的樣條線型數據。膛底壓力的加載曲線如圖1 所示［8］。

圖1 膛底壓力曲線

緩沖器聯接搖架滑座和下座，在仿真模型中用2 個平動的彈簧阻尼器來代替。影響緩沖器性能的參數主要有緩沖簧的剛度、阻尼系數及預壓力。

根據89 式機槍的戰技指標，以及遙控武器站緩沖器設計數據，取彈簧剛度180 N/mm，220 N/mm，260 N/mm 進行模擬仿真。

由于緩沖簧只能吸收或釋放槍身后坐的能量，而不能對其進行消耗。因此，需要阻尼可在機槍射擊振動過程中，對其運動能量進行轉化，逐漸減小其振幅。本次仿真對阻尼系數選取0，5 N/(m/s)，10 N/(m/s)。

預壓力不僅可以防止槍身和搖架的相對運動，還能縮短振動周期，本次取預壓力，500 N，700 N，900 N 進行仿真。

在ADAMS 動力學仿真軟件中，利用平動彈簧阻尼器來模擬緩沖器，可對緩沖器性能參數進行設置，如圖2 所示。

3 仿真結果與分析

在預壓力為700 N;阻尼為0;緩沖器剛度分別為180 N/mm、220 N/mm、260 N/mm 的條件下，對武器站動力學模型進行仿真分析，得到圖3 所示的曲線。在3 種不同剛度的條件下，得到的槍口平均跳動分別為4. 56 mm，2. 76 mm，3.49 mm。可見并不是彈簧剛度越大對射擊精度越有利，緩沖簧的剛度與武器站射擊準確度之間存在一個最佳的匹配［9］。

圖3 不同剛度下槍口跳動曲線

在緩沖器剛度為180 N/mm，預壓力為700 N，不同阻尼條件下，七連發槍口中心跳動的曲線如圖4 所示，槍口平均跳動分別為4.56 mm，3.61 mm，3.34 mm。在阻尼為0 的情況下，振動非常紊亂，毫無規律，這主要是由射擊載荷和彈簧作用力的合力所造成的。隨著阻尼的逐漸增加，跳動幅度減小明顯，阻尼達到10 N/(m/s)，每次射擊時，槍口的跳動情況規律，槍口穩定性較好。

圖4 不同阻尼槍口跳動曲線

圖5是緩沖器剛度為180 N/mm，阻尼為0，不同預壓力條件下，槍口中心跳動的曲線。可以看出槍口的跳動情況非常接近，跳動幅度基本一致。區別較大的是后坐位移，預壓力越大，后坐位移越小。

圖5 不同預壓力槍口跳動曲線

4 結論與展望

對某型遙控武器站進行了連發射擊仿真分析，得到了該武器系統槍口跳動曲線和影響槍口跳動的主要因素，這對研發改進武器系統，提高其射擊密集度具有一定的指導意義［10］。

在緩沖器不同的性能參數下，槍口跳動呈現不同的特點。研究結果表明:

1)緩沖簧剛度并不是越大或越小對精度越有利，而是與射擊密集度有一個最佳的匹配值。

2)在無阻尼情況下，槍口跳動情況十分紊亂;當阻尼逐漸加大時，槍口跳動曲線趨于平滑，且振幅減小明顯。

3)預壓力的改變對振幅的影響不大，但可以調整后坐位移。

為提高武器系統射擊密集度，可以適當增大阻尼，但過度增大或減小彈簧剛度并不是一個理想的方法。剛度過大，會使緩沖器的作用減弱，有較大的振動和沖擊;剛度過小，緩沖器又起不到緩沖效果，后坐沖量峰值變大，對搖架和耳軸造成沖擊損傷，引起疲勞破壞。下一步要對槍管和搖架作柔性化處理，進行剛柔耦合動力學仿真，并進行應力應變分析，找出一個既能減小槍口跳動，又能減小武器站受力變形的最佳方案。

［1］毛保全，王傳有.某型遙控武器站射擊密集度仿真與優化［J］.裝甲兵工程學院院報，2010(4):36-40.

［2］毛保全.車載武器發射動力學［M］.北京:國防工業出版社，2010:41-44.

［3］李增剛.ADAMS 入門詳解與實例［M］.北京:國防工業出版社，2006:5-32.

［4］李峰，王永娟，徐誠，等.虛擬樣機技術及其在輕武器中的應用［J］. 計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18(6):885-888.

［5］陳立平，張云清，任衛群，等. 機械系統動力學分析及ADAMS 應用教程［M］.北京:清華大學出版社，2005:17-24.

［6］陳明，馬吉勝，賈長治，等.基于虛擬樣機的某型機槍射擊動態性能研究［J］. 計算機仿真，2006，23(8):192-195.

［7］毛保全.遙控機槍工作站總體技術研究報告［R］.北京:北京理工大學，2007.

［8］王傳有，邵毅，毛保全，等.某型遙控武器站架座有限元［J］.兵工自動化，2009(7):36-38.

［9］徐禮，毛保全，徐振輝，等.遙控武器站射擊密集度分析平臺開發［J］. 火炮發射與控制學報，2012，9(3):18-22.

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