粘彈性膠泥緩沖器對機槍射擊精度的影響

王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，季淑媛，馮振飛

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

【火炮和自動武器】

粘彈性膠泥緩沖器對機槍射擊精度的影響

王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，季淑媛，馮振飛

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

針對大口徑機槍使用的彈簧緩沖器后坐力大、能量損耗小、射擊精度低的缺點，提出設計一種降低后坐力、提高能量吸收率和射擊精度的粘彈性膠泥緩沖器。建立緩沖器與后坐部分的剛柔耦合多體動力學模型，利用ADAMS、MATLAB進行仿真分析，得到兩種緩沖器的速度-時間、阻抗力-位移曲線以及槍口跳動曲線。仿真結果表明粘彈性膠泥緩沖器使機槍后坐力更低、能量吸收率更高，槍口的穩定性更好，射擊精度更高。

膠泥緩沖器；阻抗力；能量吸收率；射擊精度

在戰爭中大口徑機槍具有舉足輕重的作用，不但要在進攻與防御中提供火力壓制，而且還要對空中目標進行有效的防御[1]。但是口徑越大,火藥燃燒產生的能量越大，后坐力也就越大。過大的后坐力會使槍身整體后移，同時身管也會產生不規則的跳動。這樣每次射擊時膛口不在同一位置，就導致機槍的穩定性差、射擊精度低。因此，國內外研究人員都在尋求一種可以有效降低后坐力的裝置。目前大口徑機槍使用最多的是彈簧緩沖器，但是彈簧緩沖器阻抗力與位移是線性關系，不具有能量吸收功能，同時具有阻抗力過大、壽命短、尺寸大占用空間大等缺點[2]。因此，能量吸收率大，阻抗力小的粘彈性膠泥緩沖器相對彈簧緩沖器具有無可比擬的優勢，是未來槍用緩沖器的發展方向。

1 粘彈性膠泥緩沖器

1.1 粘彈性膠泥沖器結構

粘彈性膠泥緩沖器主要有兩種結構：一種結構是帶有間隙和阻尼孔，另一種是沒有間隙和阻尼孔。考慮到機槍射擊頻率高、速度快，本設計采用無阻尼孔和間隙的的粘彈性膠泥緩沖器。圖1為粘彈性膠泥緩沖器結構。

1.耳環; 2.活塞桿; 3.缸蓋; 4.O型圈; 5.加散熱肋片的缸體; 6.活塞; 7.銷; 8.鋼球; 9.墊片; 10.密封環; 11.內六方螺釘

圖1 粘彈性膠泥緩沖器結構簡圖

1.2 粘彈性膠泥沖器工作原理

緩沖器需要先注入一定量的膠泥，使其有一定的預壓力，當外力小于預壓力時緩沖器不工作[3]。當外力大于預壓力時活塞桿開始向內移動壓縮膠泥。這時由于膠泥被壓縮，它會對活塞產生反作用力，阻礙活塞運動。在這個過程中膠泥會吸收部分外部能量，轉會為自身的彈性勢能。同時，在被壓縮的過程中膠泥會流動與缸壁產生摩擦以及復雜的分子運動都要消耗外部能量并轉化為熱量消散掉[4]。當外力撤掉或減小以后，由于先前膠泥儲存了彈性勢能，其體積會自行膨脹推動活塞桿復位，同時也會由于膠泥摩擦消耗部分能量。

2 粘彈性膠泥緩沖器本構模型

粘彈性膠泥緩沖器本構模型如圖2所示。圖中：m為后坐部分質量；Fpt為膛低合力；fμ為摩擦力；θ為射角；C為阻尼；k為剛度。

圖2 粘彈性膠泥緩沖器本構模型

2.1 預壓力F0

在使用機槍的過程中，往往會有射角。這樣在膛底沒有后坐力時膠泥就開始被壓縮，這會影響粘彈性膠泥緩沖器的緩沖效果[5]。所以，要設置一定預壓力帶抵消槍身的分力以及機構間的摩擦力。

2.2 彈性力Fs

膠泥在被壓縮時隨之產生彈性力。在同等壓縮率下，膠泥彈性力的大小也是衡量膠泥性能的指標之一，并與儲能模量有關[6]。因此，借鑒流體力學中可壓縮流體體積模量公式：

(1)

得到：

(2)

式中： E為體積模量； ΔP為預壓壓強； ΔV為預壓體積；V為缸內容積；A為缸截面積、活塞截面積；x為活塞行程。

2.3 阻尼力Fv

根據經典Maxwell模型得到流體阻尼內部剪切力公式：

τ=KμeθhU

(3)

式中：K為切應力系數；μ為動力粘度系數；θ為補償系數；h為間隙高度；U為速度。

考慮到機槍射頻高，需要快速復位，擬取消間隙(活塞邊沿與缸桶之間的間隙)即h=0,y=0，所以：

τ=KμeU

(4)

所以，得到膠泥阻尼力公式：

Fv=τA=KμUπdl

(5)

但是，根據大量實驗結果以及文獻記載，阻尼力與活塞速度并非現行關系[7]，所以做如下改進：

Fv=τA=KμUnπdl

(6)

式中：d為活塞直徑；l為活塞厚度；n為系數。

綜上，構建粘彈性膠泥緩沖器壓縮與復進的過程中組抗力FR方程分別為：

壓縮:

FR=F0+FS+Fv

(7)

復進:

FR=F0+FS-Fv

(8)

3 后坐運動微分方程

機槍受力分析如圖3所示，圖中：θ為射角；m為后坐部分質量；N1為法向支持力；N2為導軌法向力；N1f、N2f為對應的摩擦力；FR為緩沖器組抗力。

圖3 機槍受力分析圖

射擊時所有力都作用于過膛線且與地面垂直的射擊面，除后坐部分其余均為剛體不產生運動，并且忽略彈丸作用于膛線導轉的反轉力矩[8]。在以上假設下，后坐部分為一自由度模型，有牛頓第二定律得到：

(9)

有

(10)

從式中可以看出膛底合力Fpt是產生后坐的原因，而阻抗力FR是抵消后坐運動的力。且知阻抗力FR與后坐力FH大小相等方向相反[9]。在射擊過程中，這對力控制整個后坐部分的運動并影響著射擊精度。由于膛底合力是確定的，所以只有通過改變槍的結構和后坐行程等來改變后坐力的大小。通過改變后坐力的大小來控制后坐部分的運動，以達到提高射擊精度的目的。

4 仿真分析

把三維模型導入ADAMS中(圖4)，然后需要進行一定的預處理，給各部件添加質量并施加相應的約束(如固定約束、平行約束等)。同時還要給緩沖器施加相應的樣條力以模擬緩沖器在機槍射擊時的真實工作情況。并對所需要的數據進行提取。

圖4 ADAMS仿真模型

通過圖5、圖6中曲線的對比可以看出使用粘彈性膠泥緩沖器的機槍比使用彈簧緩沖器的機槍后坐力降低了40%，反應更加靈敏，工作時間更長，運動過程更平穩。

圖5 兩種緩沖器后坐力與時間曲線

圖6 兩種緩沖器后坐位移與時間曲線

從圖7可以看出使用彈簧緩沖器的機槍后坐速度更大，變化更急促并且復位時會對缸蓋產生撞擊彈簧波動劇烈，嚴重影響射擊精度。然而使用粘彈性膠泥緩沖器的機槍完美的克服了這些缺點，整個運動過程更加的平穩，非常有利于射擊精度的提高。

圖7 兩種沖器后坐速度與時間曲線

后坐過程中能量的消耗對精度的提高具有非常重要的作用。接下來我們利用MATLAB使用龍格庫塔發進行計算得到兩種緩沖器理論上的能量變化曲線。同時用ADAMS軟件進行模擬分析得到一組曲線，然后進行對比。

從圖8可以看出彈簧緩沖器的理論上的后坐力與位移是一條直線，沒有能量消耗。但是因為存在摩擦等因素模擬分析曲線是一條狹長的帶狀。理論上粘彈性膠泥緩沖器是一個方形能量消耗非常大，但是由于缸筒裝膠泥量的限制，膠泥性能的影響，模擬分析中能量消耗并沒有那么大。但是，即使這樣粘彈性膠泥緩沖器對能量的吸收率、對后坐力的降低、以及保持后坐的穩定性都是彈簧緩沖器無法比擬的。

圖8 緩沖器能量對比

5 槍口響應分析

首先建立機槍的剛柔耦合模型并在ADAMS軟件中添加必要的約束(圖9)，然后進行多次模擬射擊，得到槍口響應曲線[10]。其中實線為安裝膠泥緩沖器的槍槍口波動曲線，虛線為安裝彈簧緩沖器的槍槍口波動曲線。

圖9 機槍剛柔耦合模型

圖10、圖11中實線是使用彈簧緩沖器的機槍，虛線是使用粘彈性膠泥緩沖器的機槍。通過對比可以看出安裝膠泥緩沖器的機槍槍口無論在上下方向上還是在左右方向上都比安裝彈簧緩沖器的槍波動要小，因此使用膠泥緩沖器的機槍穩定性好，射擊精度要高。

圖10 槍口上下波動曲線

圖11 槍口左右波動曲線

6 結論

粘彈性膠泥緩沖器可以有效的降低機槍射擊的后坐力，并且對后坐能量的吸收率更大，更有利于機槍保持良好的射擊狀態。同時使用粘彈性膠泥緩沖器的機槍反應更靈敏，并且在連續射擊槍口穩定在一定的范圍內，精度更高。

[1] 趙良偉.12.7 mm鏈式機槍總體結構設計與動力學仿真[D].太原:中北大學,2014.

[2] 姚養無. 大口徑狙擊步槍液氣緩沖器設計[J].中北大學學報,2013,34(4):393-397.

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TheInfluenceoftheVisco-ElaticElastomerDampertotheFiringAccuracyoftheLargeCaliberMachineGun

WANG Donghua， Su Tiexiong， WANG Hongqin， JI Shuyuan， FENG Zhenfei

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051， China)

For the spring buffer of large caliber machine gun using big recoil, less energy consumption, low shooting accuracy shortcomings, it proposes a design, viscoelastic elastomer damper, to reduce recoil, improve the energy absorption rate and firing accuracy. The rigid flexible multi-body dynamics model of the buffer and the recoil part is established. The velocity-time curve, impedance force-displacement curve and the muzzle jump curve of the two buffers are obtained by simulation analysis using ADAMS and MATLAB. Contrast shows that the use of viscoelastic damper can reduce gun recoil, increase energy absorption rate, improve the stability of the muzzle, and heighten shooting accuracy.

visco-elatic elastomer damper；resistance；energy absorption capability；accuracy

2017-10-17；

2017-11-02

王東華(1992—)，男，碩士，主要從事裝甲車輛工程研究。

10.11809/scbgxb2017.12.003

本文引用格式：王東華, 蘇鐵熊, 王虹琴，等.粘彈性膠泥緩沖器對機槍射擊精度的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(12):13-16.

formatWANG Donghua，Su Tiexiong，WANG Hongqin，et al.The Influence of the Visco-Elatic Elastomer Damper to the Firing Accuracy of the Large Caliber Machine Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):13-16.

TJ203;TJ25

A

2096-2304(2017)12-0013-04

(責任編輯周江川)