彈簧雙向工作延遲機構設計與分析

吳 臣，楊 臻，徐伏波

(1.中北大學，太原 030051;2.國營第二三六廠，重慶 402260)

國內外許多手槍和輕型、微型沖鋒槍采用自由槍機式自動原理;許多自動榴彈發射器也采用這種自動原理。自由槍機式武器是依靠槍機的慣性來關閉彈膛，它的槍機結構為一體式，且與機匣或槍管不是剛性扣合;發射時在膛底合力的作用下槍機可以自由向后運動。因此，為了保證自由槍機式武器正常工作就必須采用大質量的槍機。然而大質量槍機所帶來突出的問題是槍機后坐到位時對機匣的撞擊劇烈，這將影響到射擊的精度［1-2］。

半自由槍機后坐方式又稱延遲后坐方式，廣泛應用在自動武器中。它是通過轉換質量方式使較小的質量構件具有較大慣性力來實現降低后坐速度、減小后坐對機匣的撞擊有利于提高武器射擊精度。

在整個后坐過程中，彈簧作為主要儲能器件，在結構運動中起到關鍵作用。現階段自動武器中的緩沖簧多為一端固定另一端受壓，簧力隨后坐位移成線性分布。如果在后座過程中實現固定端與后坐方向反向運動，在后座結束前緩沖簧尾端歸位，通過結構運動調整后坐與復進過程緩沖簧力分布，可實現同一緩沖簧在同樣后坐行程中做功提高，對減小后坐速度、武器質量以及結構布局的優化有著重要意義。

本文依據上述設想提出了一種在傳統滾柱式延遲后坐方式的基礎上提高彈簧工作效能的新型延遲后坐機構，可稱為彈簧雙向工作延遲機構。

1 彈簧雙向工作延遲機構原理

傳統的滾珠式延遲后坐方式中，主動件通過滾柱推動從動件運動，主動件傳遞一部分動能給從動件，然后從動件與主運動件一起后坐［1～2］。如西德G3步槍所采用滾柱延遲機構如圖1所示。如果從動件與主動件反向運動，從動件存在的動能來抵消主運動件的動能，則可以更大程度上提高減速效果，如圖2所示。

圖1 傳統的延遲后座方式工作原理

圖2 工作構件作用簡圖

彈簧雙向工作延遲后座結構如圖2所示。其中1為后坐運動件，是機構的基礎構件;2是緩沖復位簧是機構儲能部件;3是慣性塊為平移復位簧支撐件，它可作平動;4是滾軸是力傳遞構件;5是固定座為固定構件，支撐槍管。

后坐運動時，后坐運動件通過導引槽推動滾柱向下運動，滾柱作用在慣性塊的斜面上，推動慣性塊向前運動壓縮復位簧，后坐一段行程后通過導引槽上抬滾柱讓位，慣性塊在復位簧力作用下歸位，后坐運動件繼續后坐直至到位。

復位時，1號件在彈簧作用下向前運動并通過導引槽使滾柱先向下運動，傳遞一部分能量給慣性塊，推動慣性塊向前運動，壓縮彈簧。經過一段行程導引槽上抬滾柱，滾柱為慣性塊讓位，慣性塊在簧力作用下歸位，1號件在簧力作用下復進到位完成復進動作。

整個運動循環過程中1號件出現了3次能量的傳遞。后坐時1號件通過滾柱下壓慣性塊，通過轉換質量原理加速塊提供一較大的轉換質量，1號件速度降低。慣性塊壓縮彈簧把從1號件傳遞過來的能量傳遞給彈簧，使彈簧力提前達到一峰值，提高彈簧對1號件的減速效果。復進時在簧力作用下1號件復進，經過一段行程后通過導引槽再次下壓滾柱，再次傳遞一部分動能給慣性塊，1號件速度降低。

這3次減速的效果前兩次降低后坐速度，減少后坐到位撞擊力，第3次降低復進中間過程的速度提高供彈動作的平穩性，減小了到位速度，降低了前沖力。

2 機構設計與分析

為驗證該結構的優越性，本文利用彈簧雙向工作延遲機構原理針對某型號自由槍機式手槍進行改進設計，并且利用ADAMS軟件分別對原槍結構和改進的設計方案進行動力學仿真，然后利用Matlab調取結果數據并對比2種結構數據曲線。

2.1 結構模型及參數的對比

利用UG軟件對原槍槍機采用延遲結構原理進行改進設計。對原槍一體的固定座改為加速塊與固定座兩部分。并對槍機其他位置進行減重設計來保證2種質量參數一致。兩種模型運動機構初始參數如表1所示。兩種方式結構運動機構裝配圖如圖3、圖4所示。2

圖3 自由后坐結構模型

圖4 加延遲后座模型結構

表1 運動件參數

.2 后坐力樣條曲線

利用Akima函數對兩種槍機施加的內彈道膛壓樣條曲線如圖5所示。對模型施加初始約束條件運行仿真。

圖5 內彈道后坐力曲線

2.3 調取延遲后坐結果數據

由仿真結果可知，延遲后坐機構中槍機后坐通過曲線槽下壓滾軸推動加速塊往槍口方向運動，加速塊與滾軸脫離瞬間速度為-13 m/s(圖6);加速塊在0.00287 s時在彈簧力作用下與槍機達到相同速度6.8 m/s;此時彈簧力達到第一個峰值65.77 N;加速塊在彈簧作用下繼續加速運動，在0.00381 s時加速塊運動到位，此時彈簧力達到第一個極小值61.21 N(圖7)，加速塊停止運動，槍機繼續后坐壓縮彈簧直至后坐到位，簧力達到最大值。槍機在簧力作用下槍機復位。滾軸沿著曲線槽先下壓加速塊，加速塊向前運動，在即將復進到位時滾軸上抬讓位加速塊在彈簧力作用下在此歸位。

圖6 半自由后坐槍機與加速塊速度曲線

圖7 2種結構緩沖復位簧力曲線對比

2.4 調取兩種仿真結果對比分析

依據仿真結果數據繪制兩種后坐方式下的自動循環圖，如圖8所示。從圖8中可知，自由后坐的最大后坐速度為8.58 m/s，半自由后坐的最大后坐速度7.49 m/s。自由后坐后坐到位速度為 7.2 m/s，半自由后坐后坐到位速度為5.36 m/s。

半自由后坐槍機復進過程中滾柱先下壓加速塊這個過程對槍機進行第二次減速，在30 mm位置時由速度同為-3.44 m/s到27.2 mm 時半自由后坐槍機速度為 -3.34 m/s，自由后坐槍機-3.63 m/s，速度下降0.3 m/s對于該自動武器來講在這個階段是推彈入膛的時期，對槍機進行一次減速可以降低因撞擊進彈震動，降低卡彈、頂彈等故障的可能性。隨著滾柱上臺讓位，加速快歸位，槍機復進到位。自由槍機到位速度-4.38 m/s，半自由后坐到位速度 -4.2 m/s速度下降0.18 m/s。復進到位速度有所降低，對自動武器前沖震動有降低效果。

圖8 2種結構槍機速度循環圖對比

依據圖9(a)所示，分別對后坐過程中的簧力變化時間積分，自由后坐的后坐行程內彈簧總作用沖量 Ih1是0.4046 N·s;半自由后坐的后坐行程內彈簧總作用沖量Ih2為0.5185 N·s。可以算得沖量提升比為28.15%。

依據圖9(b)所示，分別對后坐過程中的簧力變化位移積分，自由后坐的后坐行程內彈簧作用功W1為3.084 J;半自由后坐的后坐行程內彈簧作用功W2為3.2628 J。可以算得做功提升比為5.8%。

圖9 2種結構后坐過程中彈簧力變化曲線

依據圖10，槍機對固定座的撞擊力分析可知，自由后坐只有一個主要的脈沖力，大小為34090 N。而延遲后坐機構在后坐過程中首先滾柱推動加速塊運動，這個過程中滾柱對固定座產生一個6238 N的脈沖力，而在后坐到位時，槍機對固定座的脈沖力為26600 N，與自由后坐的撞擊力相比下降了7490 N，下降比為22%。

圖10 2種后坐到位對固定座的撞擊力曲線

4 結論

本文通過對傳統滾柱式延遲機構進行分析，提出新的滾柱式彈簧雙向工作延遲機構原理，并對應用于實際機構。對比結果數據，驗證了該結構的優越性。

利用該結構有效降低后坐到位的速度，改善射擊后坐力，這有利于提高射擊精度。利用該結構提高彈簧作用效率，優化彈簧設計空間，有利于系統結構設計緊湊。利用該結構在復進過程中對主運動件進行二次減速，可降低復進過程中參與運動機構的速度，提高進彈過程的機構運動平穩性。

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