基于AMESim大口徑步槍緩沖器設計與仿真

任　琳，王　剛

(中北大學 機電工程學院，太原　030000)

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基于AMESim大口徑步槍緩沖器設計與仿真

任琳，王剛

(中北大學 機電工程學院，太原030000)

摘要：一般多數大口徑步槍采用膛口裝置和彈簧緩沖器抵制全槍后坐，但后坐行程較大，不利于武器系統的輕量化設計。而液壓緩沖器制動效果平穩，結構輕便，加裝液壓緩沖器，能夠有效地減小膛底合力峰值時沖擊力。借鑒固定流液孔式緩沖器、液壓元件節流閥工作原理以及細長小孔流液特征，設計自適應調節后坐與復進的彈簧—液壓緩沖器，在AMESim軟件中設置原12.7 mm口徑步槍相關參數，進行系統計算。結果表明：自適應液壓緩沖器能夠在較短后坐距離上制動槍管后坐，有效減小后坐活動部件的后坐力和沖擊效應，為大口徑步槍減后坐研究提供了一定的參考。

關鍵詞：液壓緩沖器；自適應調節；沖擊力；制退效率

Citation format:REN Lin, WANG Gang.Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):45-48.

大口徑步槍口徑一般在12.7～20 mm之間，通常采用高破壞力彈藥[1]，是一種專為破壞敵方輕型裝甲車輛、飛機、工事掩體、船只等軍用器材及物資的步槍。步槍射擊時會產生巨大后坐效應，部分國家采取高效彈簧—液壓緩沖器[2]提供后座阻力，可減小步槍后坐效應，把作用時間短促的槍膛合力引起的全槍后坐，轉化為制動步槍后坐的平穩運動，并將部分后坐動能轉化為熱能和彈性勢能(用以使槍機或槍管復進)，最終停止在一定的后坐距離上。研究高效吸能、受力平穩的液壓緩沖技術，在減小后坐沖擊和提高武器射擊精度方面有重要意義。

1緩沖器結構設計與工作原理

該步槍系統采用槍管短后坐非自動原理，緩沖器采用活塞桿后坐原理，后坐過程中槍管和閉鎖機構剛性閉鎖，扣合在一起共同后坐。設計目的是減少槍管后坐力，確保槍管平穩后坐，提高射擊精度。

圖1中:曲線1表示采用一般彈簧緩沖器的槍管后坐力曲線；曲線2表示采用液壓緩沖器的槍管后坐力曲線；曲線3表示理想狀態下的槍管后坐力曲線。

圖1　步槍在3種情況下的槍機受力曲線

借鑒固定流液孔式緩沖器、節流閥以及細長小孔流液特征，設計一種根據液壓油壓強自適應[3]調節后坐與復進的彈簧—液壓緩沖器結構。活塞桿與槍管剛性連接，在膛底合力、槍管復進簧、自身慣性及緩沖器液壓阻力等共同作用下加速后坐。緩沖器結構如圖2所示。

1.復進孔節流閥； 2.緩沖器活塞； 3.緩沖器外壁； 4.活塞與活塞桿連接頭； 5.復進孔節流閥控制活塞； 6.后坐孔節流閥； 7.貫通孔(與結構5的活動腔相通)； 8.活塞桿； 9.復進流液孔； 10.后坐流液孔

圖2液壓緩沖器活塞桿結構

后坐原理[4]：后坐時，整個活塞桿及活塞結構向后坐腔運動，活塞工作面擠壓后坐腔液體，液體壓強升高，通過后坐流液孔作用在結構6后坐孔節流閥，使其向復進腔方向運動，控制結構10后坐流液孔的開閉大小，調節后坐腔液體向復進腔流動。同時結構1復進流液孔節流閥受后坐腔高壓液體的作用，保持與活塞凹部的閉合狀態，以確保避免回流現象。在后坐過程中，工作腔壓力始終作用在制退活塞的后坐腔一側，此液壓力作用在制退活塞上的合力，即為阻止后坐的液壓阻力。

緩沖器復進原理：復進簧為活塞桿復位提供復進力，液壓原理同后坐類似，不做贅述。

2緩沖器液壓系統設計

2.1全槍系統模型

在膛底合力、槍管復進簧、導軌摩擦力、緩沖器液壓阻力、緩沖器綜合摩擦力以及后坐部分慣性力的共同作用下制動后坐，取槍管為研究對象，受力分析如圖3所示。

圖3　制動后坐階段槍管受力分析

建立槍管運動速度數學模型如下

式中:V1′為初始后坐速度；mh為后坐部件質量；FPt為槍膛合力；R1為制動后坐階段后坐阻力

R1=Fs+N1f1+N2f2+Fh1+Fh2-mhgcosθ

觀察組：男、女占比各為24:16；年齡段在45～66歲之間，經計算后中位年齡為（55.52±1.34）歲。

式中：Fs為液壓阻力；N1f1為槍管和導軌摩擦力；N2f2為緩沖器活塞和液壓缸間摩擦力；Fh1為槍管復進簧力；Fh2為緩沖器復進簧力；mhgcosθ為后坐部件質量軸向分力。

2.2液壓系統模型

2.2.1緩沖器液壓系統基本假設[4]

1) 流體視為不可壓縮；

2) 液體流動視為一維定常流動；

3) 流體在緩沖器中的流動以地球為慣性參考系[4]。

2.2.2緩沖器流體力學方程推導

1) 連續性方程

式中:ωY為液體流經管道任一截面的流速；ax為管道任一截面面積；C為常數。

該方程為不可壓縮液體做定常流動時的連續性方程，表明通過管道任一通流截面流量相等，并且從方程可知，在流量一定時，流速與截面面積成反比。活塞桿以速度V后坐，則液體相對于活塞桿以速度V流向流液孔，并以相對速度ω2流經流液孔。

2) 伯努利方程

3) 液流速度計算

緩沖器為活塞后坐式制退器，活塞以速度V后坐，則在單位時間dt內，活塞移動距離為dx。得

故可以求得活塞直徑

4) 桿后坐液壓阻力方程及細長流液孔設計

后坐時活塞有效工作面積

故后坐腔室工作面壓力和阻力分別為

其中K為液體阻力系數。

因而得到流液孔面積[5]：

2.3AMESim機械液壓系統建模

AMESim軟件為多學科領域復雜系統建模仿真平臺，涵蓋了液壓、液壓管路、液壓元件設計、液壓阻力以及機械等領域的建模和仿真。

1.常用液壓屬性； 2.零速度源固定源； 3.彈簧； 4.線性機械連接； 5.信號轉化為力； 6.樣條曲線信號輸入； 7.帶確定容積的活塞； 8、10.流液管道； 9.節流閥；11.帶端點限制的質量塊； 12.帶彈簧的活塞

圖4液壓緩沖器簡化建模

槍管、閉鎖機構及緩沖器活塞桿等后坐部分的質量簡化到質量塊11中，緩沖器液壓系統由一個液壓缸和節流閥及相應的管道組成。如圖4所示，元件1為緩沖器內液壓油參數，元件3為槍管復進簧，管線8、10總長即表示流液孔長度，元件9為后坐孔節流閥。將某12.7mm步槍無緩沖結構時膛底合力連續樣條信號(無單位)輸入元件6，使元件5產生膛底合力(加上力的單位)，并通過線性機械連接元件4同時作用于槍管復進簧和緩沖器。液壓缸采用軟件中液壓元件設計庫(HCD)元件組成，設置活塞直徑為35 mm，活塞桿直徑為15 mm，活塞工作行程長度區間0～40 mm，元件12中的彈簧剛度系數設為42 N/mm,預壓力為300N；管道橫截面積即為后坐流液孔面積之和，設為14.13 mm2，長即為后坐流液孔長度，設為15 mm；元件11質量塊，設置質量為8.3 kg，位移區間為0～40 mm；元件9節流閥開啟壓力為160 bar；槍管復進簧預壓力為118 N，剛度系數取20 N/mm。

3仿真結果分析

經仿真計算得出數據曲線圖，如圖5。曲線y1為無緩沖結構時膛底合力曲線，曲線y2為緩沖器和槍管剛性連接體的后坐力曲線，在膛底合力出現最大峰值y1=42 535 N時，槍管后坐合力y2=132 87 N，即在膛底合力短時間內急劇增大時， 緩沖器提供制退的液壓阻力，能夠抵消部分膛底合力，使槍管等后坐部件急劇受力轉化為平穩受力，使得槍管后坐力呈現出典型的梯形曲線。由于緩沖器結構中彈簧特性，節流閥彈簧微小簡諧運動，流液孔開閉呈現規律開閉，從而使油液產生間歇流動，槍管受力呈現出時間極為短暫的簡諧衰減現象，直至為零。

圖5　槍管膛底合力與后坐力曲線對比

從圖6、圖7可知，槍管位移速度達到最大值8.003 4 m/s后，液壓油從左腔流向右腔的流速達到最大值335.65 L/min，由于AMESim軟件管道參數誤差，流入右腔時，存在3.165 L/min的流速差，誤差率在0.942 9%，滿足液體不可壓縮的基本假設。圖8可知，槍管位移曲線平滑，沒有明顯的突兀折線， 0.004 s之后，從后坐速度曲線可知此時后坐速度接近0，仍有少量液壓油從左腔流至右腔，且流速呈現衰減趨勢，直至后坐速度為零，活塞兩側腔室油壓平衡，后坐節流閥關閉為止。

圖6　緩沖器液壓油流速曲線

圖7　槍管后坐速度曲線

圖8　槍管后坐位移曲線

從表1數據，可以看出，將自適應彈簧—液壓緩沖器利用到大口徑步槍后坐過程，能有效平穩地制動槍管后坐，同某12.7 mm步槍緩沖器相比，在同等工作情況下，后坐速度持平，后坐距離減少，槍管后坐力減小明顯，最大膛壓時緩沖器提供后坐阻力29 248 N，瞬時減少膛底合力幅度達68.78%，改變了膛底合力對后坐活動件急劇變化的力學特性。

表1　某12.7 mm步槍兩類緩沖器參數比照

4結論

大口徑步槍液壓緩沖器較節制桿[1]、固定流液口類液壓緩沖器[2]相比，能有效制動槍管后坐，提高射擊精度，利于武器系統輕量化設計[ 6-7 ]。

在液壓系統仿真中，與Matlab/simulink相比，AMESim軟件有建模簡易，計算方便等優勢，在小口徑火炮制退系統設計方面，能夠提供有效的仿真數據以供參考，加快研發速度。

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(責任編輯周江川)

Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim

REN Lin, WANG Gang

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030000, China)

Abstract:Most of the large caliber firearms utilize muzzle device and spring buffer to counteract the whole recoil of the gun, but the large working stroke is not conducive to the lightweight design of weapon system. While the effect of hydraulic buffer is smooth and structure is light, and hydraulic buffer can effectively reduce the impact force while bore-bottom resultant force acts on barrel. Referring to the working principle of fixed bottom-orifice buffer, hydraulic throttle valve and liquid characteristics of flowing into slender holes, we designed hydraulic buffer to adaptively adjust recoil and set the related parameters of the 12.7 mm caliber firearms into AMESim software for calculation systematically. The results show that: in a short working stroke, the hydraulic buffer should brake barrel recoil effectively and reduce the impact of bore-bottom resultant force, which provides a certain reference for the large caliber firearms research of reducing recoil.

Key words:hydraulic buffer; adaptive adjustment; impact; recoil efficiency

文章編號：1006-0707(2016)03-0045-04

中圖分類號：TJ203+.7

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.012

作者簡介：任琳(1988—)，男，碩士，主要從事火炮與自動武器減后坐技術研究。

收稿日期：2015-08-28；修回日期：2015-09-12

本文引用格式：任琳，王剛.基于AMESim大口徑步槍緩沖器設計與仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(3):45-48.

【裝備理論與裝備技術】