某新型自動防暴槍自動機動力學仿真

楊 松,赫 雷，沈超，李賓喜，周克棟

(1.南京理工大學，南京 210094; 2.齊齊哈爾雄鷹警用器材有限公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161005)

【裝備理論與裝備技術】

某新型自動防暴槍自動機動力學仿真

楊 松1,赫 雷1，沈超1，李賓喜2，周克棟1

(1.南京理工大學，南京 210094; 2.齊齊哈爾雄鷹警用器材有限公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161005)

為了解決某新型自動防暴槍霰彈彈匣供彈難的問題，設計了獨特的供彈結構。進行了物理樣機試制，開展了實彈試驗，驗證了結構設計的可行性和工作循環的可靠性。基于SolidWorks三維建模軟件和ADAMS/VIEW 多體動力學仿真軟件，建立了該新型自動防暴槍的虛擬樣機模型，進行了自動機工作循環的動力學仿真。對不同槍機框部件質量、導氣活塞面積、自動機與機匣摩擦因數和復進簧預壓力多種工況下的自動機工作特性進行了研究，為該防暴槍的進一步改進設計提供了依據。

自動防暴槍；動力學仿真；霰彈；彈匣供彈本文

防暴槍是人民警察、武警部隊維護國家安全、保衛人民生命財產和“維穩處突”的有力武器之一。當前國內普遍裝備的唧筒式半自動警用防暴槍具有可靠性較好、多彈種兼容性好的優點，但在面對當前武器裝備日益精良的亡命暴徒時，因戰斗射速較低，常常處于劣勢，達不到及時、有效阻止暴恐分子行兇的目的[1]。自動防暴槍早在越戰期間，美軍就開始研發，并曾小規模投入使用。其優秀的持續性火力壓制能力，在反恐防暴行動中展現出重要的地位[2]。目前，國外已經有許多裝備自動防暴槍的案例，如美國MPS AA-12自動霰彈槍和俄羅斯Vepr12自動霰彈槍[3]，但國內尚無成熟產品大規模裝備使用。因此，研制自動防暴槍具有重要的現實意義。

1 某新型自動防暴槍工作原理及基本假設

該防暴槍采用了活塞長行程導氣式自動原理，機頭回轉式閉鎖方式，擊錘回轉式擊發機構和單連發發射機構，其中，自動機組件結構示意圖和霰彈供彈位置示意圖分別如圖1和圖2。與常規活塞長行程導氣式自動武器原理類似，扣動扳機，擊錘回轉撞擊擊針。膛內槍彈被擊發后，產生的火藥燃氣經導氣裝置氣路推動活塞開始后坐。后坐過程中，自動機壓縮復進簧，直至運動到最后方撞擊機匣尾座，后坐到位。隨后，復進簧釋放后坐過程儲存的彈性勢能，推動自動機開始復進，推彈入膛，槍機體撞擊槍管后回轉閉鎖，槍機框體繼續復進撞擊節套，復進到位。圖3為物理樣機實彈試驗時的照片，該試驗證明了該防暴槍自動機能夠順利完成自動循環，實現設計功能。

圖2 霰彈供彈位置示意圖

圖3 樣機試驗照片

本文研究對象為該防自動暴槍自動機自動循環的動力學特性，為了使該虛擬樣機模型能夠盡可能簡單、清晰地反映研究對象的使用規律，結合該自動防暴槍的實際情況，對虛擬樣機模型做出了如下假設[4]：

(1)不考慮實際物理樣機中的柔性體影響，三維模型各零部件均以剛體形式導入建模[5]；

(2)忽略內彈道時期膛內高溫高壓火藥燃氣使彈殼在彈膛內產生的變形對抽殼阻力的影響[6]；

(3)不考慮實際人員握持發射時，機匣與地面的相對運動，即虛擬樣機建模時將機匣、槍管、節套等固定于地面；

(4)忽略該防暴槍中的各處彈簧、扭簧實際工作過程中的內耗[7]。

2 虛擬樣機建立

2.1 三維模型建立及約束關系

首先，利用三維實體造型軟件SOLIDWORKS 建立該槍的完整三維模型，隱藏不涉及本文研究內容的相關零部件后，導入ADAMS軟件中。以槍管軸線出膛口方向為Z軸正方向，豎直向下方向為Y軸正方向，采用左手定則確定X軸正方向，如圖4所示。隨后，為各個實體賦予與物理樣機相同的材料屬性，并建立其相互之間的約束關系。

圖4 虛擬樣機模型

根據假設，將機匣及復進簧管、彈匣殼體等作為各子系統的基體與地面固聯[8]。再分別對每個子系統內部的零部件添加運動副、彈簧、扭簧等約束關系。最后，為運動過程中可能發生直接接觸的零部件添加接觸關系。部分主要約束關系和根據物理樣機實際工況設置的主要參數分別如表1和表2所示。

表1 部分主要約束關系

表2 仿真主要參數

2.2 載荷計算與添加

對于該自動防暴槍，根據假設簡化后，主要的載荷為氣室壓力。氣室壓力的變化規律與膛內火藥燃氣壓力和導氣裝置的結構參數有關。前者通過編制相關內彈道解算程序，已經求解出詳細結果，后者具體包括導氣孔在槍管上的位置、導氣孔的橫截面積、導氣管道的長度、活塞氣室的初始容積、氣室壁與活塞間隙的大小、活塞橫截面面積和自動機主動件質量(活塞及與其相聯接的槍機框體等零件的質量)等，這些參數對氣室壓力的變化規律都有影響。本文較多采用布拉文經驗公式計算氣室壓力[9]：

式中：Fs為氣室壓力；pd為彈頭經過導氣孔瞬間的膛內平均火藥燃氣壓力；t0為槍彈擊發后彈頭運動到導氣孔的時間;b為時間系數；a為與導氣裝置結構參數相關的系數;Ss為導氣室活塞橫截面積。通過計算，可得到氣室壓力隨時間的變化規律，如圖5所示。將該變化規律曲線導入ADAMS并施加于導氣活塞桿軸線垂直于端面的方向上。并編寫相關傳感器和腳本程序，使每當擊發動作完成后(捕捉擊針的位移，每當擊針運動到最前方擊發點時即完成擊發)，該主動力生效一次，由此實現連發的自動循環過程。

圖5 導氣室壓力-時間曲線

3 虛擬樣機仿真結果分析

對本文建立的某自動防暴槍虛擬樣機模型進行仿真后，可得出其自動機工作循環的運動學特性，3連發的仿真結果如圖6所示。

由圖6槍機框體位移隨時間變化可知，在當前工況下，自動機能夠順利完成推彈入膛、復進到位和在氣室壓力作用下，導氣開鎖并后坐到位等一系列設計功能。如圖6所示,通過計算速度曲線上a點與a′點 之間經歷的時間可推測出該工況下，該防暴槍的理論射頻約為467發/分鐘。從0時刻開始，扣動扳機，擊錘回轉撞擊擊針，擊針前沖，克服擊針簧作用力，打擊底火，在a點時刻，觸發傳感器，激活作用于活塞桿端面的氣室壓力，活塞開始后坐運動。至b點時刻，槍機框部件瞬間加速到最大后坐速度。c點時刻處，槍機框體后坐碰撞擊錘，同時自由行程結束，閉鎖導柱撞擊槍機框體曲線槽，開始帶動槍機體回轉開鎖。抽殼鉤抱住彈殼，槍機體在后坐過程中推彈凸筍后側撞擊第二發槍彈頭部，將其下壓。d點時刻處，槍彈撞擊拋殼挺，回轉拋殼時，底緣脫離抽殼鉤對自動機后坐造成沖擊。至e點時刻處，自動機后坐到位，槍機框體與機匣尾蓋發生撞擊，減速為0。

從f點開始，復進機推動自動機復進，至g點時刻，槍機體開始推彈，導致槍機框體減速，直至槍彈被推出彈匣抱彈口后，自動機立即加速運動。至h點時刻推彈到位，槍機體撞擊槍管尾端面，在槍機框體曲線槽對導柱的作用下，回轉閉鎖。槍機框體繼續復進，并壓下不到位保險。最后至i點時刻，槍機框體復進到位，并減速為0，擊錘在被不到位保險解脫后，再次撞擊擊針完成擊發。至此，完成一個自動循環。

圖6 槍機框體位移、速度-時間曲線

4 不同因素對自動機工作循環的影響

根據牛頓第二定律，物體的質量與所受到的外力都是決定物體運動特性的因素。在開展該自動防暴槍自動機工作循環運動特性研究的過程中，自動機是研究對象，其中槍機框部件為主動件，槍機部件則是被動件。在自動機工作過程中，受到三個主要外力，分別為氣室壓力、機匣導軌與自動機之間的摩擦力和復進簧的壓力。故選取槍機框部件質量mqjk、導氣活塞面積Ss、槍機框體、槍機體與機匣導軌的摩擦系數μdg和復進簧預壓力F0作為具有代表性的對自動機工作循環運動特性有直接影響的參數，研究這四個參數對自動機工作循環的影響。

具體研究對象為三次自動循環中槍機框體的平均后坐到位速度vhz，平均復進到位速度vfj和自動機工作循環的頻率(即理論射頻)f。采取單一變量原則，在保證自動機能夠完成完整后坐、復進行程的前提下，分別對mqjk、Ss、μdg和F0四個參數，選取一定變化范圍，開展四組仿真分析，仿真結果如圖7(a)～(d)和表3～表6所示。

分析上述結果可得，在選定范圍內，槍機框部件質量越大，后坐到位速度和復進到位速度都越小，理論射頻降低。通過分析槍機體開始回轉開鎖前后，槍機框體后坐速度的損失百分比可知，在滿足理論射頻設計指標的前提下，適當提高槍機框部件質量，可減小自動機在開鎖過程中的能量損失，使機構運動更平穩、動作可靠。

導氣活塞桿的面積與氣室壓力成正比，導氣式面積越大，槍機框開始后坐時的初速度越大，在其他條件不變時，槍機框后坐到位速度越大，撞擊機匣尾座后開始復進的初速度和復進到位的速度也越大，后坐和復進過程的時間都變短，理論射頻提高。自動機與機匣導軌間的摩擦因數越大，自動機后坐和復進過程中的能量損失越大，后坐、復進到位速度越低，理論射頻也相應越低。

在不改變復進簧剛度及工作行程的前提下，提高復進簧預壓力，相當于增大了復進簧初始狀態的壓縮量并增加了最大工作壓力，故對于同樣的后坐和復進行程，復進簧對自動機后坐過程中所做的負功增加，復進過程中所做的正功也增加，分別導致后坐到位速度變小和復進到位速度變大。但由于自動機復進過程所用時間與后坐過程所用時間之比較大，故自動機工作循環周期變短，理論射頻提高。

圖7 mqjk、Ss、μdg和F0四個參數對自動機工作循環運動特性的影響

mqjk/kg(Ss=113.1mm2,μdg=0.2,F0=26N)0.2880.3240.360.3960.432vhz/(m·s-1)2.9292.8912.4622.2892.066開鎖前后速度損失/%25.823.822.319.918.9vfj/(m·s-1)1.7871.7651.7271.6961.671f/(r·min-1)493482467455442

表4 不同導氣活塞面積對自動機工作循環主要參數的影響

表5 不同自動機與機匣導軌摩擦系數對自動機工作循環主要參數的影響

表6 不同復進簧預壓力對自動機工作循環主要參數的影響

5 結論

本文采用虛擬樣機技術，建立了某新型自動防暴槍的虛擬樣機模型，計算了導氣室壓力隨時間的變化規律，通過仿真計算獲得了自動機自動循環運動特性。對槍機框體的位移、速度隨時間的變化規律進行分析。研究了不同槍機框部件質量、導氣活塞面積、自動機和機匣導軌摩擦因數和復進簧預壓力，對自動機自動循環運動特性的影響。本文工作對該新型自動防暴槍的物理樣機調試提供了指導，也為結構改進和參數優化奠定了基礎。

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(責任編輯 周江川)

Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun

YANG Song1，HE Lei1，SHEN Chao1，LI Bin-xi2，ZHOU Ke-dong1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China; 2.Qiqihar Eagle Police Equipment Co.Ltd, Qiqihar 161005, China)

According to current situation that there is not a widely-equipped shot gun capable of providing continuous fire suppression in China,a new type of automatic shot gun is designed.To solve the difficult problem of feeding shotgun cartridge with magazine,a unique feeding structure was designed.The physical prototype was manufactured,and the live-fire test was carried out.The feasibility of the structure design and the reliability of the working cycle were verified.Based on three-dimensional modeling software SolidWorks and multi-body dynamics simulation software ADAMS/VIEW,the virtual prototype model was established.The dynamic simulation of the automatic working cycle and the analysis of the simulation result were carried out.A further study on various conditions of automat was conducted,under different masses of the bolt carrier component,different areas of the piston,different friction coefficients between the automat and the receiver and different preloads of the recoil spring,and it provides the basis for the design improvement of the automatic shot gun.

automatic shot gun; dynamic simulation; shot gun cartridge; magazine feeding

2016-11-24；

2016-12-30 作者簡介：楊松(1991—)，男(藏族)，碩士研究生，主要從事新概念、新原理、新結構武器技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.013

format:YANG Song，HE Lei，SHEN Chao，et al.Dynamic Simulation of a New Type Automatic Shot Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):57-61.

TJ23

A

2096-2304(2017)03-0057-05

楊松,赫雷，沈超，等.某新型自動防暴槍自動機動力學仿真[J].兵器裝備工程學報，2017(3):57-61.