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[摘 要]建立了转管机枪全枪后坐动力学模型。在此基础上对某机枪进行动力学仿真，得到了枪身后坐位移、后坐速度和后坐阻力等参数随时间的变化规律。结果表明，在缓冲器的作用下，过大的后坐位移得到了有效抑制，后坐力大幅度降低。
[关键词]转管机枪；后坐；缓冲器；动力学
中图分类号：TJ203 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0342-02
0 前言
转管高射速机枪利用多膛平行工作的原理，缩短自动工作循环时间，较大幅度地提高了射速。在射击的过程中，其各运动部件都是高速、间歇性和往复性地工作，通常都伴有强烈的冲击力，尤其是枪机和枪身后坐与复进到位时的冲击较大。为保证该转管机枪具有较高的射击精度，必须加大架体的刚度和强度，这样就会使武器系统的重量大大增加，从而降低武器系统的机动性。减小武器后坐力是提高武器总体性能面临的关键问题之一，采用缓冲器则是降低武器后坐力的有效途径之一。本文就以转管机枪的缓冲器为模型，进行动力学分析，得出在缓冲器的作用下，可有效地降低后坐位移与后坐力，有利于提高转管武器机动性和射击精度。
1 缓冲器的工作原理
如图1所示为缓冲器结构原理图，如图2为缓冲器三维立体图。缓冲器的工作过程如下：缓冲器与转管机枪的枪架固连，连杆与枪身后坐部分用其耳环加以相连。射击开始后，在高温高压欠膨胀的火药气体的压力推动作用下，枪身带动连杆一起后坐。当连杆压到右端的垫片后，弹簧预压量调节螺母开始离开支撑在缓冲器上垫片，环形弹簧开始被压缩。连杆压迫两个锥形套向两端压紧以带动摩擦块挤压缓冲筒，产生很大的摩擦阻力，以减小枪后坐的能量。此时，作用在枪身上的力经过缓冲器和阻尼器传递给枪架，减轻了枪身后坐对枪架的冲击。后坐到位后枪身开始复进，复进过程中，阻尼器摩擦块的方向发生变化，向后坐时相反的方向运动，环形弹簧的压缩量在载荷减小到一定的程度时，各环内的弹性力克服了摩擦力后，弹簧才开始伸张，缓冲力逐渐减小。
2 动力学模型
转管机枪在缓冲器作用下的模型简化如图2。弹丸发射后，模型受到的作用力分析如下：在后坐构件运动的方向上，后坐构件受到膛底合力和重力，它们分别作用在身管轴线上和后坐体质心上；受到的阻力有弹簧缓冲器阻力，，摩擦块和缓冲器尾体的摩擦力，自动机和炮架之间的法向反力及相应的摩擦阻力；弹簧预压力；环形弹簧加载刚度，卸载刚度。
根据牛顿第二定律，在身管轴线方向上有：
根据力系简化原理，将平移至后坐质心，同时产生力偶矩，为全枪质心至枪膛轴线的距离（如图3）。简化后与合为后坐力，数值上等于后坐阻力。即发射时全枪受到力和动力偶矩的作用。由于的作用是瞬间的，且当时，，可通过调节枪的质心来改变其影响；可通过弹簧缓冲器改变其大小和变化规律。
上述诸方程若能直接积分，就能由积分求出枪身运动诸元、，由于后坐阻力的变化规律复杂，一般只能得出表格函数，故而不能用于直接积分。同样也不是解析函数，不能用于直接积分，进而也不能用分离变量法来直接求解积分，所以只能采用逐次近似法求解的数值方法或才用四阶龙格库塔法求解。由于四阶龙格库塔法便于通过计算机进行编程求解，故本文使用此种求解方法。
3 仿真结果分析
通过仿真计算，可得到射角、射频为3000发/分时的仿真结果如图5、图6和图7所示。
图4所示为射角、射频为3000发/分后坐位移曲线。可知，射击开始后，第一发弹时枪身的后坐位移相对其它九发弹要小，第二发弹时枪身后坐的位移达到最大的15.91mm。从第三发弹开始，由于膛内压力要消耗一部分能量，抵消使枪身向前的能量，然后再推动枪身开始后坐，所以从该发弹往后每发弹产生的枪身后坐位移都比峰值的小，而且从第四发开始到后面的发射过程中，枪身的后坐位移都相差无几，从而保证了该转管机枪连发时所受后坐力的稳定性。
圖5所示为射角、射频为3000发/分后坐速度曲线。由曲线可知，进入内弹道时期，巨大的火药燃气压力推动弹丸向前运动，由动量定理可知道枪管会以一个很大的速度开始后坐，在很短的时间内后坐速度升高到峰值。弹丸出膛口后，枪管内的火药燃气迅速从膛口高速喷出，但进入导气室内的气体压力还很高，导致枪身会有减速的过程。枪身后坐到位后开始复进，当复进到一定程度时，下一发弹的压力脉冲会使枪身继续后坐，形成一个循环。
图6所示为射角、射频为3000发/分后坐力曲线。可知，内弹道时期，在最大膛压附近，该机枪后坐阻力出现最大值，形成了第一个后坐力的尖脉冲。随着膛内高温高压的气体高速喷出，膛压开始急剧下降，这是后坐阻力也迅速减小。后效期之后，膛内气体压力下降为大气压，此时，由自动机的运动来提供枪身的后坐力，它使枪身得运动趋于平缓。在该状态下与没有加装缓冲器的状态相类比，发现在有缓冲器的作用下，枪身的后坐位移和后坐力均减小的幅度较大，而且在有缓冲器的状态下，武器连发过程中架体的受力方向不变，有利于提高武器射击精度。
4 结论
转管机枪的射频较高，通过对转管机枪在缓冲器作用下的动力学仿真计算，得到了枪身位移-时间曲线、枪身速度-时间曲线和后坐力-时间曲线。对结果分析可知：在缓冲器的作用下，由于叠加而造成的位移过大得到了有效抑制，武器的后坐力大幅度降低， 有利于提高武器机动性和射击精度。
参考文献
[1] 姚养无.火炮与自动武器动力学[M].北京：兵器工业出版社，2000.122～128.
[2] 王刚，姚养无，张伟.反器材步枪应用弹簧液压缓冲器理论分析[J].华北工学院学报，2003，24（3）：227～229.
[3] 张月林.火炮反后坐装置设计[M].北京：国防工业出版社，1984.57～59.
[4] 郝秀平.某转管机枪缓冲器设计与仿真[J].华北工学院学报，2003，24（3）：230～232.
作者简介
邵昭晖（1985-），男，湖北武汉人，硕士，助理工程师，研究方向：火箭弹设计研究。
[关键词]转管机枪；后坐；缓冲器；动力学
中图分类号：TJ203 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0342-02
0 前言
转管高射速机枪利用多膛平行工作的原理，缩短自动工作循环时间，较大幅度地提高了射速。在射击的过程中，其各运动部件都是高速、间歇性和往复性地工作，通常都伴有强烈的冲击力，尤其是枪机和枪身后坐与复进到位时的冲击较大。为保证该转管机枪具有较高的射击精度，必须加大架体的刚度和强度，这样就会使武器系统的重量大大增加，从而降低武器系统的机动性。减小武器后坐力是提高武器总体性能面临的关键问题之一，采用缓冲器则是降低武器后坐力的有效途径之一。本文就以转管机枪的缓冲器为模型，进行动力学分析，得出在缓冲器的作用下，可有效地降低后坐位移与后坐力，有利于提高转管武器机动性和射击精度。
1 缓冲器的工作原理
如图1所示为缓冲器结构原理图，如图2为缓冲器三维立体图。缓冲器的工作过程如下：缓冲器与转管机枪的枪架固连，连杆与枪身后坐部分用其耳环加以相连。射击开始后，在高温高压欠膨胀的火药气体的压力推动作用下，枪身带动连杆一起后坐。当连杆压到右端的垫片后，弹簧预压量调节螺母开始离开支撑在缓冲器上垫片，环形弹簧开始被压缩。连杆压迫两个锥形套向两端压紧以带动摩擦块挤压缓冲筒，产生很大的摩擦阻力，以减小枪后坐的能量。此时，作用在枪身上的力经过缓冲器和阻尼器传递给枪架，减轻了枪身后坐对枪架的冲击。后坐到位后枪身开始复进，复进过程中，阻尼器摩擦块的方向发生变化，向后坐时相反的方向运动，环形弹簧的压缩量在载荷减小到一定的程度时，各环内的弹性力克服了摩擦力后，弹簧才开始伸张，缓冲力逐渐减小。
2 动力学模型
转管机枪在缓冲器作用下的模型简化如图2。弹丸发射后，模型受到的作用力分析如下：在后坐构件运动的方向上，后坐构件受到膛底合力和重力，它们分别作用在身管轴线上和后坐体质心上；受到的阻力有弹簧缓冲器阻力，，摩擦块和缓冲器尾体的摩擦力，自动机和炮架之间的法向反力及相应的摩擦阻力；弹簧预压力；环形弹簧加载刚度，卸载刚度。
根据牛顿第二定律，在身管轴线方向上有：
根据力系简化原理，将平移至后坐质心，同时产生力偶矩，为全枪质心至枪膛轴线的距离（如图3）。简化后与合为后坐力，数值上等于后坐阻力。即发射时全枪受到力和动力偶矩的作用。由于的作用是瞬间的，且当时，，可通过调节枪的质心来改变其影响；可通过弹簧缓冲器改变其大小和变化规律。
上述诸方程若能直接积分，就能由积分求出枪身运动诸元、，由于后坐阻力的变化规律复杂，一般只能得出表格函数，故而不能用于直接积分。同样也不是解析函数，不能用于直接积分，进而也不能用分离变量法来直接求解积分，所以只能采用逐次近似法求解的数值方法或才用四阶龙格库塔法求解。由于四阶龙格库塔法便于通过计算机进行编程求解，故本文使用此种求解方法。
3 仿真结果分析
通过仿真计算，可得到射角、射频为3000发/分时的仿真结果如图5、图6和图7所示。
图4所示为射角、射频为3000发/分后坐位移曲线。可知，射击开始后，第一发弹时枪身的后坐位移相对其它九发弹要小，第二发弹时枪身后坐的位移达到最大的15.91mm。从第三发弹开始，由于膛内压力要消耗一部分能量，抵消使枪身向前的能量，然后再推动枪身开始后坐，所以从该发弹往后每发弹产生的枪身后坐位移都比峰值的小，而且从第四发开始到后面的发射过程中，枪身的后坐位移都相差无几，从而保证了该转管机枪连发时所受后坐力的稳定性。
圖5所示为射角、射频为3000发/分后坐速度曲线。由曲线可知，进入内弹道时期，巨大的火药燃气压力推动弹丸向前运动，由动量定理可知道枪管会以一个很大的速度开始后坐，在很短的时间内后坐速度升高到峰值。弹丸出膛口后，枪管内的火药燃气迅速从膛口高速喷出，但进入导气室内的气体压力还很高，导致枪身会有减速的过程。枪身后坐到位后开始复进，当复进到一定程度时，下一发弹的压力脉冲会使枪身继续后坐，形成一个循环。
图6所示为射角、射频为3000发/分后坐力曲线。可知，内弹道时期，在最大膛压附近，该机枪后坐阻力出现最大值，形成了第一个后坐力的尖脉冲。随着膛内高温高压的气体高速喷出，膛压开始急剧下降，这是后坐阻力也迅速减小。后效期之后，膛内气体压力下降为大气压，此时，由自动机的运动来提供枪身的后坐力，它使枪身得运动趋于平缓。在该状态下与没有加装缓冲器的状态相类比，发现在有缓冲器的作用下，枪身的后坐位移和后坐力均减小的幅度较大，而且在有缓冲器的状态下，武器连发过程中架体的受力方向不变，有利于提高武器射击精度。
4 结论
转管机枪的射频较高，通过对转管机枪在缓冲器作用下的动力学仿真计算，得到了枪身位移-时间曲线、枪身速度-时间曲线和后坐力-时间曲线。对结果分析可知：在缓冲器的作用下，由于叠加而造成的位移过大得到了有效抑制，武器的后坐力大幅度降低， 有利于提高武器机动性和射击精度。
参考文献
[1] 姚养无.火炮与自动武器动力学[M].北京：兵器工业出版社，2000.122～128.
[2] 王刚，姚养无，张伟.反器材步枪应用弹簧液压缓冲器理论分析[J].华北工学院学报，2003，24（3）：227～229.
[3] 张月林.火炮反后坐装置设计[M].北京：国防工业出版社，1984.57～59.
[4] 郝秀平.某转管机枪缓冲器设计与仿真[J].华北工学院学报，2003，24（3）：230～232.
作者简介
邵昭晖（1985-），男，湖北武汉人，硕士，助理工程师，研究方向：火箭弹设计研究。