考慮環(huán)境因素影響下某機(jī)槍拋殼可靠性分析

袁克斌，方 峻

(南京理工大學(xué), 南京 210094)

自動武器作為國防裝備體系最基礎(chǔ)的單元，裝備數(shù)量多，應(yīng)用場景廣，其在射擊過程中槍膛內(nèi)處于高壓、高溫狀態(tài)，同時各機(jī)構(gòu)連續(xù)高速運轉(zhuǎn)，常見故障[1]有不閉鎖、不抽殼、不拋殼、卡殼、卡彈、空膛、拉殼鉤鉤齒斷裂等，保證在規(guī)定條件下按照射擊規(guī)范可靠地達(dá)到預(yù)期功能顯得尤為重要。某型通用機(jī)槍[2]作為班組火力的主角，無論是對暴露的敵方步兵的壓制，還是對敵裝甲目標(biāo)或低空飛行的敵直升機(jī)、無人機(jī)的打擊，在現(xiàn)代戰(zhàn)場中的作用是無可替代的，其能否正確可靠射擊直接影響到部隊?wèi)?zhàn)斗力。

國內(nèi)在槍械可靠性方面已做出了相關(guān)研究，張麗平[3]以某自動武器的發(fā)射機(jī)構(gòu)為研究對象，分析機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，建立機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，綜合考慮尺寸鏈約束對機(jī)構(gòu)的動作可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。曹煒[4]對某自動步槍的閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖動作可靠性分析，借助Adams建立了閉鎖動作可靠性虛擬樣機(jī)模型，分析得到了在隨機(jī)因素影響下的故障率，進(jìn)行基于故障率的參數(shù)靈敏度分析。仿真分析表明槍機(jī)框?qū)к壈霃?、機(jī)頭導(dǎo)柱半徑和擊針簧預(yù)壓力是影響該閉鎖機(jī)構(gòu)動作可靠性的主要因素。但是在實戰(zhàn)化條件下，多元化的環(huán)境因素工況條件對高速運動的碰撞傳動機(jī)構(gòu)的動作可靠性影響顯著。在復(fù)雜環(huán)境因素[5]的影響下，自動武器的碰撞傳動工作方式[6]將產(chǎn)生較大的能量損耗，從而影響機(jī)構(gòu)動作的正確完成。

在現(xiàn)有的自動武器機(jī)構(gòu)動作可靠性仿真建模理論方法中，缺少對環(huán)境因素的影響分析，更缺乏在多元環(huán)境工況條件下的機(jī)構(gòu)動作可靠性理論建模和仿真研究[7]。本文對多元環(huán)境因素影響下的自動機(jī)運動速度規(guī)律進(jìn)行分析，針對典型武器的自動機(jī)拋殼機(jī)構(gòu)，建立機(jī)構(gòu)運動的數(shù)學(xué)力學(xué)仿真模型，通過機(jī)理仿真獲得其響應(yīng)特征和故障機(jī)理[8]。在機(jī)構(gòu)運動的數(shù)學(xué)力學(xué)仿真模型基礎(chǔ)上，考慮火藥氣體載荷，零部件尺寸和多元環(huán)境因素的隨機(jī)性，針對自動機(jī)建立動力學(xué)虛擬仿真模型，并用概率分布隨機(jī)抽樣的方法[9]找出各種環(huán)境因素、設(shè)計參數(shù)等對自動機(jī)動作可靠性的影響[10]。總體分析流程如圖1所示。

1 環(huán)境因素對自動武器機(jī)構(gòu)動作失效機(jī)理研究

槍械作為一個復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，在常溫條件下射擊時常見故障有卡殼、卡彈、空膛、不發(fā)火等。在實戰(zhàn)化條件下會受到高溫、低溫、揚(yáng)塵、淋雨等多元環(huán)境因素的影響，也會受到包括拉殼鉤簧剛度、預(yù)壓力，復(fù)進(jìn)簧剛度、預(yù)壓力，拋殼窗和拋殼挺位置等設(shè)計參數(shù)的影響。多元環(huán)境因素的影響和自動機(jī)本身的設(shè)計和制造問題等均會引起卡彈、卡殼、復(fù)進(jìn)不到位等多種類型的故障。本文主要考慮環(huán)境因素對自動機(jī)的影響。下面就自動武器在幾種常見的環(huán)境因素(如：高溫、低溫、揚(yáng)塵和淋雨)條件下常見的一種或兩種故障及其表現(xiàn)形式，分析其產(chǎn)生故障的可能的原因和發(fā)生故障的機(jī)理[11]。

1) 高溫：高溫狀態(tài)下槍械內(nèi)部潤滑油脂揮發(fā)，導(dǎo)致各部件之間摩擦阻力增大，進(jìn)而發(fā)生卡殼、空膛等故障；膛壓升高導(dǎo)致武器射頻增大，易發(fā)生不抽殼等故障。

2) 低溫：低溫狀態(tài)下由于膛壓降低、槍機(jī)后坐能量不足；潤滑劑粘度增加，各部件摩擦阻力增大，易發(fā)生空膛、后坐不到位故障；

3) 揚(yáng)塵：在揚(yáng)塵環(huán)境因素的影響下，活動機(jī)件之間(例如槍機(jī)框與機(jī)匣導(dǎo)軌)的摩擦變大，會發(fā)生后坐和復(fù)進(jìn)的阻力增大，后坐和復(fù)進(jìn)的速度降低、位置變化等情況，造成卡滯或卡死現(xiàn)象。易發(fā)生卡彈、卡殼、后坐不到位、復(fù)進(jìn)不到位等故障。

4) 淋雨：導(dǎo)氣孔進(jìn)水會引起后坐能量不足，同時雨水與潤滑油脂混合也造成運動阻力的變化，易發(fā)生空膛故障，自動機(jī)關(guān)鍵件的運動速度和位移發(fā)生變化。

在對槍械失效機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，針對高射速下的典型含間隙碰撞傳動機(jī)構(gòu)(自動機(jī))，建立動力學(xué)仿真模型，采用理論建模和試驗測試相結(jié)合的方法研究多元環(huán)境因素對機(jī)構(gòu)響應(yīng)特征量的影響關(guān)系模型，從而建立多元環(huán)境因素下的機(jī)構(gòu)動作故障仿真模型。

2 自動機(jī)拋殼機(jī)構(gòu)動作故障建模仿真

某型通用機(jī)槍自動機(jī)采用導(dǎo)氣式原理、剛性拋殼機(jī)構(gòu)拋殼，一個完整的工作循環(huán)包括自由、開鎖、撥彈、抽殼、拋殼、推彈、閉鎖等行程。通過分析各種不同類型槍械故障數(shù)據(jù)，可以得到卡殼故障是槍械幾大頻發(fā)故障模式之一，所以有必要對自動武器拋殼過程進(jìn)行研究，找出自動機(jī)正常拋殼的速度范圍。

2.1 拋殼機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立

某型通用機(jī)槍組件較多，形狀復(fù)雜，所以在建模仿真中需要對不影響拋殼動作的零部件進(jìn)行必要簡化。利用Adams動力學(xué)仿真軟件建立機(jī)槍拋殼機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型[12]，如圖2所示。模型包括7個剛體：槍管、彈殼、機(jī)頭、機(jī)頭載體、拉殼鉤、拋殼挺、拋殼窗；機(jī)頭與拉殼鉤間添加一個拉殼鉤簧；一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，控制機(jī)頭開鎖時的旋轉(zhuǎn)；一個線性驅(qū)動添加于機(jī)頭載體和大地間，用于控制拋殼速度。彈殼與槍管、拉殼鉤、機(jī)頭、拋殼挺、拋殼窗之間添加接觸副。模型各組件間的約束副如表1所示。槍械拋殼過程示意圖如圖3，槍機(jī)在導(dǎo)氣室壓力作用下開鎖，從槍口方向觀察逆時針旋轉(zhuǎn)38°，并后退至拋殼位置。模型重力方向為y軸向下。

圖2 拋殼機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型示意圖

圖3 開鎖位置和拋殼位置示意圖(槍口方向)

表1 某型通用機(jī)槍各組件間的約束副

2.2 仿真過程與結(jié)果分析

某型通用機(jī)槍作為一款成熟且大量裝備的武器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)已趨于完善，所以在正常使用過程中環(huán)境因素對槍械可靠性影響更大。針對在高溫、低溫、揚(yáng)塵、淋雨等環(huán)境使用中可能出現(xiàn)的卡殼等故障，借助仿真模型動畫以及彈殼質(zhì)心位移圖，找出自動機(jī)拋殼機(jī)構(gòu)可以正確拋殼的影響因素。

結(jié)合某型通用機(jī)槍后坐階段工作機(jī)理分析，槍彈擊發(fā)后，火藥氣體產(chǎn)生的的膛底壓力后推彈殼和槍機(jī)，同時火藥氣體的彈底壓力推動彈頭向前運動。當(dāng)彈頭向前越過導(dǎo)氣孔后，部分火藥氣體進(jìn)入導(dǎo)氣孔，帶動活塞推動槍機(jī)框開始后坐，槍機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度后形成開鎖；槍機(jī)框帶動槍機(jī)一起后退，槍機(jī)抽出彈殼，開啟槍膛，槍機(jī)和槍機(jī)框繼續(xù)后退，直到槍機(jī)框后端面和復(fù)進(jìn)機(jī)前端面相撞為止。

該型機(jī)槍使用5.8 mm重彈，內(nèi)彈道和后效期的膛壓-時間曲線可由程序計算得出，如圖4所示：

圖4 膛內(nèi)壓強(qiáng)曲線

其中：pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時膛內(nèi)平均壓力;b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù);a為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù);t為氣室壓力工作時間;sh為導(dǎo)氣室活塞面積;ηs為導(dǎo)氣裝置沖量效率;i0為膛內(nèi)壓力的單位全沖量。

對于整個槍機(jī)框后坐過程，可以簡化為一個零件在彈簧作用下的運動來分析[13]。如圖5所示，將自動機(jī)等效為一個質(zhì)量為M的滑塊，受到導(dǎo)氣室壓力Pq，摩擦阻力R和彈簧力Fx共同作用，抽殼阻力由于作用時間較小，此處可忽略。

圖5 彈簧壓縮時零件的運動示意圖

得到零件運動的微分方程式：

式中：M為零件質(zhì)量；Pq為導(dǎo)氣室內(nèi)燃?xì)鈮毫Γ籗h為活塞面積；F1為彈簧預(yù)壓力；k為彈簧剛度；R為零件所受阻力。據(jù)此，可以求得自動機(jī)后坐過程各階段的運動參數(shù)。如圖6、圖7所示，分別求出自動機(jī)自由行程、開鎖行程、撥彈行程以及拋殼行程的幾個關(guān)鍵點速度，用直線擬合后近似得到槍機(jī)后坐過程速度曲線。

圖6 自動機(jī)后坐運動過程時間速度曲線

圖7 自動機(jī)后坐過程位移速度曲線

考慮環(huán)境因素后，自動機(jī)的運動速度發(fā)生一定的變化，分別求出高溫、低溫、揚(yáng)塵以及淋雨狀態(tài)下的自動機(jī)運動速度圖，并導(dǎo)入Adams軟件中，分析彈殼的運動過程，測量并記錄彈殼與槍機(jī)軸線的角度變化。仿真發(fā)現(xiàn)，彈殼后退運動過程有多種情況，造成拋殼可能失效的原因有：

1) 在加速運動階段，彈殼運動的加速度越大，彈殼受慣性力的影響越大，彈殼底緣與拉殼鉤鉤齒左側(cè)接觸，在重力的作用下，容易發(fā)生傾斜并脫離拉殼鉤，即使沒有脫離，也容易使彈殼底面發(fā)生偏斜，如圖8所示。在后退過程中彈殼與槍機(jī)軸線的傾斜角度如圖9所示，觀察可得：彈殼傾斜角度大于3°，一般易導(dǎo)致從拉殼鉤脫落，翻轉(zhuǎn)后掉落機(jī)匣，造成拋殼故障。

圖8 加速階段拉殼鉤與彈底邊緣結(jié)合示意圖

圖9 過早脫離拉殼鉤時彈殼傾斜角度曲線

2) 在減速運動階段，拉殼鉤鉤齒右側(cè)邊緣與彈底緣接觸，由于慣性力的作用，彈殼有向上傾斜趨勢，造成后退過程中彈殼底面發(fā)生偏斜，在與拋殼挺發(fā)生撞擊時會發(fā)生運動方向和軌跡的偏離，如圖10所示。其彈殼與槍機(jī)軸線夾角變化曲線如圖11所示，在與拋殼挺碰撞后，因能量不足以拋出拋殼窗，掉落機(jī)匣，導(dǎo)致卡殼。

圖10 減速階段拉殼鉤與彈底邊緣結(jié)合示意圖

圖11 彈殼與拋殼窗發(fā)生碰撞彈殼傾斜角度曲線

3) 特例：如果加速時加速度大，減速時負(fù)加速度也大，則彈殼向下傾倒的趨勢會被向上傾倒的趨勢抵消，如果撞擊時彈殼底面的位置偏斜量小，則也有可能拋出拋殼窗，如圖12所示。其彈殼與槍機(jī)軸線夾角變化曲線如圖13所示。

圖12 正常拋殼拉殼鉤與彈底邊緣結(jié)合示意圖

圖13 自動機(jī)正常拋殼彈殼傾斜角度曲線

仿真發(fā)現(xiàn)，通過施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動與線性驅(qū)動，該型通用機(jī)槍無法通過單一因素找出拋殼失效判據(jù)，因此可以采用仿真試驗表和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法來預(yù)測是否發(fā)生故障。結(jié)合仿真動畫以及位移圖分析，在彈殼后退過程中，彈殼的質(zhì)心在Y方向上的位移按一定規(guī)律波動。根據(jù)斜碰撞理論，碰撞前的彈殼速度對碰撞后的彈殼速度和方向也有影響。因次，可以將拋殼后坐過程最大速度DV1、拋殼速度DV2和達(dá)到最大后坐速度時的槍機(jī)位移S作為仿真試驗設(shè)計的參數(shù)。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[14]

在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)之前需要制作訓(xùn)練樣本，根據(jù)自動機(jī)模型仿真以及理論計算結(jié)果，得到上文選定的3個參數(shù)取值范圍，設(shè)計DV1、DV2以及S的取值，如表2所示。

表2 參數(shù)取值

將以上3種參數(shù)兩兩組合，剔除不符合要求(DV2大于DV1)的組合，對每個樣本點通過Adams軟件仿真是否可以成功拋殼(概率為0表示失敗，1表示成功。0與1之間表示有碰撞，越接近于1成功概率越高)。得到132組試驗樣本，其參數(shù)如表3所示，抽出12組數(shù)據(jù)用來測試，利用Matlab編寫B(tài)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練與預(yù)測。

表3 試驗樣本參數(shù)

用抽出的12組數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，結(jié)果符合預(yù)期。

3 考慮環(huán)境因素的自動武器機(jī)構(gòu)(自動機(jī))動作可靠性分析

3.1 影響自動機(jī)運動的敏感參數(shù)及取值

為了評價槍械在實戰(zhàn)化條件下的碰撞傳動機(jī)構(gòu)的可靠性，采用故障率作為預(yù)測和評價其可靠性的指標(biāo)。

根據(jù)自動機(jī)碰撞傳動機(jī)構(gòu)往復(fù)循環(huán)工作的特點，在自動武器連續(xù)射彈的過程中，由于每發(fā)彈的差異性和環(huán)境溫度的變化，內(nèi)彈道膛壓載荷是一個隨機(jī)變量，摩擦因數(shù)和氣室壓力也隨環(huán)境因素的變化而具有隨機(jī)性，因此采用理論仿真模型預(yù)測單發(fā)隨機(jī)參數(shù)(膛壓、摩擦因數(shù)、氣室壓力)的概率分布函數(shù)。在自動武器拋殼機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真模型基礎(chǔ)上，對多元環(huán)境條件影響下碰撞傳動機(jī)構(gòu)動作可靠性的隨機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析，選取裝藥溫度(模擬溫度影響)、槍機(jī)框?qū)к壞Σ料禂?shù)(模擬揚(yáng)塵影響)、氣室沖量(模擬淋雨影響)3個參數(shù)作為對自動機(jī)拋殼響應(yīng)量敏感的參數(shù)。

其中內(nèi)彈道膛壓的概率分布函數(shù)由內(nèi)彈道計算結(jié)果確定，其數(shù)值與裝藥條件參數(shù)、彈丸參數(shù)和溫度參數(shù)的隨機(jī)性有關(guān)；氣室壓力可以由淋雨量估計，反應(yīng)在氣室沖量效率上；摩擦系數(shù)則與揚(yáng)塵等級有關(guān)。查閱相關(guān)設(shè)計手冊、國軍標(biāo)以及該型速射武器故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以上3個參數(shù)符合正態(tài)分布，取為表4所示。

表4 不同環(huán)境下敏感參數(shù)取值

在前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測拋殼是否成功的基礎(chǔ)上，采用蒙特卡洛法分別對上述3個敏感參數(shù)進(jìn)行抽樣仿真。根據(jù)自動機(jī)工作循環(huán)圖計算該速射武器各行程運動，并在Matlab軟件中編寫程序計算。

在自動機(jī)后坐過程中，影響自動機(jī)運動的敏感參數(shù)有火藥形狀系數(shù)、彈丸質(zhì)量、裝藥量、擠進(jìn)壓力、火藥弧厚、火藥力、燃速系數(shù)、裝藥溫度、槍機(jī)框?qū)к墑幽Σ料禂?shù)、氣室沖量效率、彈殼抗拉強(qiáng)度、抽殼最大應(yīng)力。將以上參數(shù)取定均值和標(biāo)準(zhǔn)差后，代入自動機(jī)運動方程計算。

3.2 蒙特卡洛模擬法抽樣仿真

機(jī)械產(chǎn)品可靠性分析中常常涉及分布類型綜合問題，即目標(biāo)函數(shù)受n個隨機(jī)變量影響，每個隨機(jī)變量通常都服從正態(tài)分布。往往通過數(shù)學(xué)積分的方式直接求解目標(biāo)函數(shù)的分布規(guī)律較困難，所以采用蒙特卡洛法由概率密度生成相互獨立且均勻的偽隨機(jī)數(shù)，代入仿真模型，計算出目標(biāo)函數(shù)的值，并與已確定的可靠性判據(jù)相比較是否滿足條件。設(shè)某一條件下仿真模擬的次數(shù)為N，故障數(shù)為S，則該條件下故障率為P=S/N，可靠度為R=1-S/N。易得，抽樣模擬次數(shù)越多，則求解精度越高。所以為了得到較為精確的結(jié)果，按照經(jīng)驗一般模擬次數(shù)N至少應(yīng)取1 000次。

此處采用蒙特卡洛法，將單發(fā)隨機(jī)參數(shù)代入仿真模型，針對裝藥溫度、摩擦系數(shù)、氣室沖量效率分別借助Matlab軟件抽樣仿真5 000次，得到不同條件下拋殼故障率如表5。

表5 不同條件下拋殼故障率

由仿真結(jié)果分析可得:該型導(dǎo)氣式自動武器在實戰(zhàn)化條件下可靠性受多元環(huán)境因素影響，其中低溫條件下產(chǎn)生故障最多，揚(yáng)塵條件下影響其次；高溫和淋雨條件下表現(xiàn)較好，拋殼故障率較低。推測在揚(yáng)塵條件下，砂石進(jìn)入自動武器內(nèi)部，造成自動機(jī)機(jī)構(gòu)摩擦阻力增大，過多消耗了自動機(jī)后坐過程的能量，導(dǎo)致拋殼無力，速度過小無法將彈殼可靠拋出。所以在沙漠或伴隨裝甲力量行軍時做好槍械防砂石工作，以免砂石進(jìn)入內(nèi)部構(gòu)造影響射擊可靠性。在模擬淋雨過程中，雨水進(jìn)入導(dǎo)氣孔，導(dǎo)致氣室壓力減小，引起自動機(jī)后坐能量不足，進(jìn)而拋殼失敗。所以在武裝泅渡等情形過后，應(yīng)將槍械內(nèi)部恢復(fù)干燥。在高溫條件下，該型自動武器表現(xiàn)良好，說明耐高溫性能較好，能在高溫環(huán)境下可靠射擊。在低溫環(huán)境中故障率偏高，推測低溫導(dǎo)致氣體能量不足，加之自動機(jī)潤滑效果退化，導(dǎo)致拋殼失敗。將模擬仿真結(jié)果與按照國軍標(biāo)進(jìn)行的試驗數(shù)據(jù)對比，可得出此結(jié)果對槍械的故障率分析具有一定意義。

4 結(jié)論

1) 拋殼失敗的因素不是單一變量；

2) 低溫環(huán)境對拋殼故障率影響最大，揚(yáng)塵環(huán)境其次，高溫下故障率低于揚(yáng)塵條件，常溫和淋雨環(huán)境對拋殼影響最小。預(yù)測結(jié)果的故障率與試驗結(jié)果的故障率相近。