第２９卷第３期 ２０１３年３月 科技通报 ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＶｏＪ．２９ ＮＯ．３ Ｍａｒ．２Ｏ１３ 某型转管机枪导气装置参数与射频关系研究 李 涛 ，王瑞林 ，王宇建 ，吴海锋。 （１．军械工程学院火炮工程系，石家庄０５０００３；２．总装６３９３６部队，北京１０２２０２； ３．中国人民解放军驻２１６厂军事代表室，彭州６１１９３０） 摘要：以某型内能源转管机枪为本文研究对象，基于ＡＤＡＭＳ软件平台建立了该型机枪的虚拟样机 模型。利用气体动力学理论对气室压力进行了数值求解，确定武器在使用过程中气室压力变化规律。通 过对所建立的虚拟样机进行仿真分析，得出导气装置的主要结构参数与射频的关系，为机枪的后期参 数优化设计提供理论依据。 关键词：转管机枪；虚拟样机；压力；导气装置 中图分类号：ＴＪ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—７１１９（２０１３）０３—０ｌ１６—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｈｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｇａｓ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅ Ｆｉｒｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａ Ｃｅｒｔａｉｎ Ｇａｔｌｉｎｇ Ｇｕｎ Ｌｉ Ｔｏｏ ，ＷａｎｇＲｕｉｌｉｎ ，Ｗａｎｇ Ｙｕｊｉｎ２ａ，Ｗｕ日 ， （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｕｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，０５０００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｕｎｉｔ ６３９３６ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｌ Ａｒｍａｍｅｎｔ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２０２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｉｎ ２１６ Ｆａｃｔｏｒｙ，Ｐｅｎｇｚｈｏｕ ６１ １９３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｌｆ ｅｎｅｒｇｙ Ｇａｔｌｉｎｇ ｇｕｎ ｉｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｈｅｔ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｇａｓ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｅｎｓｕｒｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｗｅａｐｏｎｓ ａｒｅ ｆｉｒｉｎｇ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｉｎｇ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅ￣ｏｆ ｇａｓ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｈｅ ｔｉｆｒｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｇａｔｌｉｎｇ ｇｕｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇａｔｌｉｎｇ ｇｕｎ；ｖｉｔｕａｌｒ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｇａｓ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ０ 引言 内能源转管机枪是采用导气式自动机的基 规律，最后在满足射速要求时确定相应的结构参 数，为该枪的结构改进提供了一定的指导。 本原理，利用武器发射时气室内流动的高温、高 压火药燃气压力推动活塞前后运动，并通过固定 在活塞滑板上的驱动轮在曲线槽内往复运动来 １机枪的运动分析及动力学模型 某型转管机枪自动机部分主要由机心部件、 枪管部件、机匣部件、供弹机、启动装置、发射机、 驱动机心体和身管旋转，完成自动机循环动作、 进行连续射击的多管武器【”。 行星体、开闭锁装置等几部分组成。该枪采用活 塞一凸轮曲线驱动机构，机头回转闭锁，击锤击 发，人工首发装填机构启动。 其自动机运动过程是：首先使首发储能装置 本文以某型内能源转管机枪为研究对象，首 先建立了该枪虚拟样机模型，对其导气装置进行 了动力学分析，得出气室压力随结构参数变化的 收稿日期：２０１２—０６—１８ 作者简介：李涛（１９８４一），男，陕西咸阳，博士生，主要从事武器系统动力学理论应用，Ｅ—ｍａｉ１：ｌｏｎｇｓｈａｏｚａｉｓｈｅｎｇ＠１６３．ＣＯＢ。 第３期 李涛等．某型转管机枪导气装置参数与射频关系研究 １１７ 中的涡卷簧人工储能，启动击发按钮，啮合棘轮 分离，内供弹齿轮旋转，带动行星体和外供弹齿 轮转动，机心体组件沿行星体外侧曲线槽在圆周 方向往复运动，同时外供弹轮带动弹链在弹链槽 内运动，当运动到击发位置时，机头体回转闭锁， 击锤在击锤簧的作用下运动撞击击针击发弹丸 底火，弹药在弹道内运动产生高压火药燃气，大 量的燃气进人导气装置后冲击活塞体前后运动， 迫使活塞滑板在节套内运动并带动节套、行星 体、身管以及供弹轮在圆周方向旋转，进入下一 个循环，直至弹链上弹药击发完毕。 依据以上的运动分析，可以建立转管机枪射 击过程中的动力学模型简图，如图１所示。 ．图１转管机枪动力学模型简圈 Ｆｉｇ．１ Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｇａｔｌｉｎｇ ｇｕｎ ２虚拟样机建立 ２．１ 自动机虚拟样机的建立 转管武器与我们常见的单管自动武器的工 作原理有很大不同，独具特色，发射过程也更为 复杂。为真实的仿真自动机的运动过程，本文首 先利用三维实体造型软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立了该 枪完整的三维实体模型，然后保存为 ．ｘ＿ｔ格式 文件导人动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ后建立虚拟样 机圜。但是由于转管枪结构相对其他轻武器更加 复杂，在导人过程中经常出现复杂面、线丢失和 体变形的情况，在进行接触分析时计算量大且仿 真结果与实际试验对比差别比较大，所以笔者在 研究建模软件和仿真软件之间的串口协议后，首 先将ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立的实体模型以ｓｔｅｐ格 式导人到ＰｒｏｆＥ软件中，然后再通过ＰｒｄＥ和 ＡＤＡＭＳ软件之间的无缝连接模块Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ 模块导入到ＡＤＡＭＳ软件中，建立了该枪自动机 虚拟样机的三维模型。建立的转管机枪虚拟样机 模型如图２所示。 ． 图２转管机枪虚拟样机模型 Ｆｉｇ．２ Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｇａｔｌｉｎｇ ｇｕｎ ２．２运动副的定义和载荷的确定 选择储能装置内齿轮为参照系，以身管轴向 方向为 轴正向，以竖直向上为ｌ，轴正向，以左 手准则确定Ｚ轴方向。根据该枪自动机的物理约 束关系，添加约束副，整个自动机模型中共包含 １７２个运动构件，１４２个固定副、２７个旋转副、９ 个平移副、１个圆柱副、１个齿轮副和５４个实体 碰撞。整个模型共有９９个自由度。在建立的虚拟 样机模型中添加枪膛合力、气室压力、脱弹阻力、 弹带阻力、抽壳阻力以及自身产生的摩擦阻力和 各种弹簧的作用力，并与试验数据对比，进行虚 拟样机模型校核以确保虚拟样机的可信性。 其中主要构件之间的运动副关系如表１所 示： 表１主要构件运动副关系 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｏｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ３导气装置参数研究 内能源转管机枪通过气室内高温高压火药 燃气作用推动活塞完成射击动作。应用气体动力 学和热力学理论，计算分析各结构参数对于导气 装置气室压力变化的影响，从而确定气室内的火 药燃气压力变化规律。 假设在单位面积内，进人气室中的火药气体 压力全冲量 与弹丸通过导气孔后，膛内火药气 体压力全冲量，０的比值为一个固定值，且固定值 取决于导气装置的结构参数。根据布拉温假设给 １１８ 出气体压力变化规律经验公式为 ： Ｐ （１一ｅ枷） 式中：ｐ厂弹丸经过导气孔瞬间的膛内平均 压强；Ｂ一与膛内压力冲量有关的时间参数； 一 与导气装置结构尺寸有关的参数； 一气室压力工 作时间，ｔ’≤ ≤￡”，￡’一弹丸从起动至导气孑Ｌ的时 间；￡”—后效期结束时间。 ３．１确定系数Ｏ／和 在任一瞬时 ，气室单位面积压力总冲量为： ［斋＋ １ ｅ－（Ｉ＋ａ）Ｂ］ 当ｔ－∞时，可近似取为：Ｉ￣＝ｐｄＢ 当ＯＬ＝∞时，则从弹丸经过导气孔起到后效 期末，膛内火药燃气单位面积压力总冲量近似值 为： ’ ∞ ｆ ｐ，ｅ￣ｄｔ＝ｐ，Ｂ 所以可以求出气室中的火药气体压力全冲量 与弹丸通过导气孔后，膛内火药气体压力全冲 量，０的比值为： 垃Ｉｏ＝ 根据膛内压力变化规律，分内弹道时期和后 效期，膛内火药燃气单位面积压力总冲量为： Ｉｏ＝Ｊ。ｐｄ ＋Ｊ。ｐｇｅ￣ｄｔ ＝∞ ｆ ｐｄｅ－￣ｄｔ＝一（ｌｆ－０．５ ）ｍｏｖｏ～ 式中：ｐ 弹丸飞出炮口瞬间炮膛内火药气 体压力； 一火药气体作用系数；ｍ 一发射药质量； 。－弹丸初速；Ｓ—炮膛横断面积。 根据试验和精确计算，马蒙托夫认为导气装 置有５个结构参数影响其气室压力：导气孑Ｌ最小 断面面积Ｊｓ击；活塞断面面积Ｓｈ；气室和活塞间隙 的环形面积△Ｓ ；气室的初始容积 。；活塞质量 ｍ 。引入活塞相对面积 ＝Ｓ ；间隙相对面积 △＝△ ；活塞相对质量￣ｍ＝ｍｈ］Ｓｈ；气室相对初 始容积６ｗ＝Ｗｏ／Ｓ 。 冲量效率 与相对参数的函数关系可以通过 查表求得，综合以上计算公式，从而可以求出系 数ｏｒ＝ｌ／（１／ｅ一１）和曰＝ ３．２求解气室参量变化规律 转管机枪射速非常大，火药燃气在气室内停 第２９卷 留时Ｉ司非常短，司以近似为绝热流动时 ＝ （ｐ Ｇ－ｐｑＷ 叩 ） 軎 １）＝ Ｋ（Ｇ—Ｇ ） Ｗ＝Ｗｏ４－ｓｌ蚕 式中：ｐ、／，Ｖ分别为膛内气体的压力和比容； 。 为气室内气体的比容；８为活塞工作行程；Ｋ为 比热比，Ｋ＝Ｉ．３；Ｗ为气室容积；Ｇ和Ｇ。分别为导 气孔和活塞间隙秒流量。 由膛内向气室流动，即正流 Ｇ稍（ ）丽、／／ ＞１．８ Ｇ 、／［（ ）＿＿（ ）丁］ ｐ，ｐ ＜１．８ 气室内的火药气体流入膛内时与正流时情况 相反，即 Ｇ＝ ＼／［（ ） 一（ ）丁］ ｐｑ／ｐ＜１．８ Ｇ＝柏（ ）丽、／ ｐｑ／ｐ＞１．８ 由于气室内压力远大于大气压，则气体通过 气室壁和活塞的间隙流动时 Ｇ锄（ ）丽、／ １－８ Ｇ稍Ｖ［（ ） 一（ ）丁］ Ｐｇ＜１．８ 式中： 分别为导气孑Ｌ和活塞间隙流量系 数；ｐ。为大气压力。 联立以上公式并确定 等一系列参数的 大小（见表２），计算得出气室压力随时间变化曲 线如图３所示。 表２导气装置参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ 名称 ＆／ａｒｍ ＡＳＪｍｍ Ｗｏ／ｃｍ ８／ｍｍ 数值 ７．２ ４．２ １６ ０．４５ Ｏ．３５ ９１ 通过分别改变各参数值，计算表明：当导气孑Ｌ 断面面积越大或者导气孑Ｌ流量系数越大时，流人 气室内的气体越多，气室压力越高；反之，当气室 初始容积越大或者活塞与气室壁的间隙越大时， 第３期 李涛等．某型转管机枪导气装置参数与射频关系研究 １ｌ９ 气室内压力变化越慢，压力越低。 Ｔｊｍｅ，ｓ 图３气室压力变化曲线 Ｆｉｇ．３ Ｇａｓ ｃｈａｍｂｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ４仿真计算与射频分析 转管机枪射击过程中，当气室压力越高时， 活塞获得的冲量越大，自动机的加速度越大，从 而机枪的射频也就越高。即增大导气孔断面面积 或者导气孔流量系数，可以有效提高射频；而当 气室初始容积或者活塞与气室壁的间隙增大时， 机枪射频会随之降低，并且武器的射频越高时其 工作稳定性也就相对越差。 综合考虑武器的射击精度与射频要求，在试 验过程中，一般通过调节调节导气孔直径大小 （即改变导气孔最小断面面积＆，易于操作）的方 法，来达到改变气室压力稳定射频的目的。选择 导气孑Ｌ直径为５．５、６、６．５、７、７．５ ｍｍ ５组值，通过 上文的公式计算得出相应的气室压力变化曲线。 然后分别将得出的气室压力曲线添加到建立的 虚拟样机模型中，仿真得出每组射击２５发弹时， 气室压力的变化规律与对应的射频值，分析结果 如图４所示。 ａ 目Ｐ；，霹 霉蓄霉 篓 ………。ａ一囊篡毪直径７。’‘‘…了一…… … ｍｍ ｂ＿＿导气孑Ｌ直径７．０ｒａｍ ｌ ｃ一毒气孔赢径６．Ｓｌｌｌｌｌ ｌ ｄ一导气孔赢径６．呻ｕ： ｎ Ｆ一导气孔直径５．： ￣： ｍｍ 射弹数／发 图４导气孔直径与射频关系曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇａｓ ｐｏｒｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｆｉｒｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 从图３可以看出，导气孑Ｌ直径选择在５．５ ｍｍ 左右时，射频稳定在２８００发／ａｒｉｎ左右；６．５ ｍｍ左 右时，射频稳定在３２００发／ｍｉｎ左右；７．５ ｍｍ左右 时，射频稳定在３５００发／ｍｉｎ左右。从以上理论分 析的结果看，在确定其他构件的结构参数下，选 择导气孑Ｌ直径控制在６．５ ｍｍ左右，气室压力平 均在３０ ＭＰａ，可以满足转管机枪的射频要求。 ５ 结束语 本文首先基于ＡＤＡＭＳ软件建立了某型转管 机枪自动机的虚拟样机模型，然后对该机枪导气 装置参数进行了分析计算研究，得出气室压力随 导气装置结构各参数的变化规律，最后在建立的 虚拟样机中添加气室压力等作用力进行仿真分 析，在满足射频要求时，确定了导气孑Ｌ直径的取 值范围，为试验提供了理论依据。 参考文献： 『１薄玉成，王惠源，解志坚．转管武器总体技术的若干问题 ［Ｊ］＿火炮发射与控制学报，２００５，（１）：９—１２． ［２】张本军．基于ＡＤＡＭＳ的某型自动步枪动力学仿真研究 【ＤＩ．石家庄：军械工程学院，２００７． ［３］翁春生，王浩．计算内弹道学【Ｍ】．北京：国防工业出版社， ２００６． ［４】韩魁英，王梦林，朱素君．火炮自动机设计【Ｍ】．石家庄： 军械工程学院，２０００．