基于AMESim大口径步枪缓冲器设计与仿真

任　琳，王　刚

(中北大学 机电工程学院，太原　030000)



基于AMESim大口径步枪缓冲器设计与仿真

任琳，王刚

(中北大学 机电工程学院，太原030000)

摘要：一般多数大口径步枪采用膛口装置和弹簧缓冲器抵制全枪后坐，但后坐行程较大，不利于武器系统的轻量化设计。而液压缓冲器制动效果平稳，结构轻便，加装液压缓冲器，能够有效地减小膛底合力峰值时冲击力。借鉴固定流液孔式缓冲器、液压元件节流阀工作原理以及细长小孔流液特征，设计自适应调节后坐与复进的弹簧—液压缓冲器，在AMESim软件中设置原12.7 mm口径步枪相关参数，进行系统计算。结果表明：自适应液压缓冲器能够在较短后坐距离上制动枪管后坐，有效减小后坐活动部件的后坐力和冲击效应，为大口径步枪减后坐研究提供了一定的参考。

关键词：液压缓冲器；自适应调节；冲击力；制退效率

Citation format:REN Lin, WANG Gang.Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):45-48.

大口径步枪口径一般在12.7～20 mm之间，通常采用高破坏力弹药[1]，是一种专为破坏敌方轻型装甲车辆、飞机、工事掩体、船只等军用器材及物资的步枪。步枪射击时会产生巨大后坐效应，部分国家采取高效弹簧—液压缓冲器[2]提供后座阻力，可减小步枪后坐效应，把作用时间短促的枪膛合力引起的全枪后坐，转化为制动步枪后坐的平稳运动，并将部分后坐动能转化为热能和弹性势能(用以使枪机或枪管复进)，最终停止在一定的后坐距离上。研究高效吸能、受力平稳的液压缓冲技术，在减小后坐冲击和提高武器射击精度方面有重要意义。

1缓冲器结构设计与工作原理

该步枪系统采用枪管短后坐非自动原理，缓冲器采用活塞杆后坐原理，后坐过程中枪管和闭锁机构刚性闭锁，扣合在一起共同后坐。设计目的是减少枪管后坐力，确保枪管平稳后坐，提高射击精度。

图1中:曲线1表示采用一般弹簧缓冲器的枪管后坐力曲线；曲线2表示采用液压缓冲器的枪管后坐力曲线；曲线3表示理想状态下的枪管后坐力曲线。

图1　步枪在3种情况下的枪机受力曲线

借鉴固定流液孔式缓冲器、节流阀以及细长小孔流液特征，设计一种根据液压油压强自适应[3]调节后坐与复进的弹簧—液压缓冲器结构。活塞杆与枪管刚性连接，在膛底合力、枪管复进簧、自身惯性及缓冲器液压阻力等共同作用下加速后坐。缓冲器结构如图2所示。

1.复进孔节流阀； 2.缓冲器活塞； 3.缓冲器外壁； 4.活塞与活塞杆连接头； 5.复进孔节流阀控制活塞； 6.后坐孔节流阀； 7.贯通孔(与结构5的活动腔相通)； 8.活塞杆； 9.复进流液孔； 10.后坐流液孔

图2液压缓冲器活塞杆结构

后坐原理[4]：后坐时，整个活塞杆及活塞结构向后坐腔运动，活塞工作面挤压后坐腔液体，液体压强升高，通过后坐流液孔作用在结构6后坐孔节流阀，使其向复进腔方向运动，控制结构10后坐流液孔的开闭大小，调节后坐腔液体向复进腔流动。同时结构1复进流液孔节流阀受后坐腔高压液体的作用，保持与活塞凹部的闭合状态，以确保避免回流现象。在后坐过程中，工作腔压力始终作用在制退活塞的后坐腔一侧，此液压力作用在制退活塞上的合力，即为阻止后坐的液压阻力。

缓冲器复进原理：复进簧为活塞杆复位提供复进力，液压原理同后坐类似，不做赘述。

2缓冲器液压系统设计

2.1全枪系统模型

在膛底合力、枪管复进簧、导轨摩擦力、缓冲器液压阻力、缓冲器综合摩擦力以及后坐部分惯性力的共同作用下制动后坐，取枪管为研究对象，受力分析如图3所示。

图3　制动后坐阶段枪管受力分析

建立枪管运动速度数学模型如下

式中:V1′为初始后坐速度；mh为后坐部件质量；FPt为枪膛合力；R1为制动后坐阶段后坐阻力

R1=Fs+N1f1+N2f2+Fh1+Fh2-mhgcosθ

观察组：男、女占比各为24:16；年龄段在45～66岁之间，经计算后中位年龄为（55.52±1.34）岁。

式中：Fs为液压阻力；N1f1为枪管和导轨摩擦力；N2f2为缓冲器活塞和液压缸间摩擦力；Fh1为枪管复进簧力；Fh2为缓冲器复进簧力；mhgcosθ为后坐部件质量轴向分力。

2.2液压系统模型

2.2.1缓冲器液压系统基本假设[4]

1) 流体视为不可压缩；

2) 液体流动视为一维定常流动；

3) 流体在缓冲器中的流动以地球为惯性参考系[4]。

2.2.2缓冲器流体力学方程推导

1) 连续性方程

式中:ωY为液体流经管道任一截面的流速；ax为管道任一截面面积；C为常数。

该方程为不可压缩液体做定常流动时的连续性方程，表明通过管道任一通流截面流量相等，并且从方程可知，在流量一定时，流速与截面面积成反比。活塞杆以速度V后坐，则液体相对于活塞杆以速度V流向流液孔，并以相对速度ω2流经流液孔。

2) 伯努利方程

3) 液流速度计算

缓冲器为活塞后坐式制退器，活塞以速度V后坐，则在单位时间dt内，活塞移动距离为dx。得

故可以求得活塞直径

4) 杆后坐液压阻力方程及细长流液孔设计

后坐时活塞有效工作面积

故后坐腔室工作面压力和阻力分别为

其中K为液体阻力系数。

因而得到流液孔面积[5]：

2.3AMESim机械液压系统建模

AMESim软件为多学科领域复杂系统建模仿真平台，涵盖了液压、液压管路、液压元件设计、液压阻力以及机械等领域的建模和仿真。

1.常用液压属性； 2.零速度源固定源； 3.弹簧； 4.线性机械连接； 5.信号转化为力； 6.样条曲线信号输入； 7.带确定容积的活塞； 8、10.流液管道； 9.节流阀；11.带端点限制的质量块； 12.带弹簧的活塞

图4液压缓冲器简化建模

枪管、闭锁机构及缓冲器活塞杆等后坐部分的质量简化到质量块11中，缓冲器液压系统由一个液压缸和节流阀及相应的管道组成。如图4所示，元件1为缓冲器内液压油参数，元件3为枪管复进簧，管线8、10总长即表示流液孔长度，元件9为后坐孔节流阀。将某12.7mm步枪无缓冲结构时膛底合力连续样条信号(无单位)输入元件6，使元件5产生膛底合力(加上力的单位)，并通过线性机械连接元件4同时作用于枪管复进簧和缓冲器。液压缸采用软件中液压元件设计库(HCD)元件组成，设置活塞直径为35 mm，活塞杆直径为15 mm，活塞工作行程长度区间0～40 mm，元件12中的弹簧刚度系数设为42 N/mm,预压力为300N；管道横截面积即为后坐流液孔面积之和，设为14.13 mm2，长即为后坐流液孔长度，设为15 mm；元件11质量块，设置质量为8.3 kg，位移区间为0～40 mm；元件9节流阀开启压力为160 bar；枪管复进簧预压力为118 N，刚度系数取20 N/mm。

3仿真结果分析

经仿真计算得出数据曲线图，如图5。曲线y1为无缓冲结构时膛底合力曲线，曲线y2为缓冲器和枪管刚性连接体的后坐力曲线，在膛底合力出现最大峰值y1=42 535 N时，枪管后坐合力y2=132 87 N，即在膛底合力短时间内急剧增大时， 缓冲器提供制退的液压阻力，能够抵消部分膛底合力，使枪管等后坐部件急剧受力转化为平稳受力，使得枪管后坐力呈现出典型的梯形曲线。由于缓冲器结构中弹簧特性，节流阀弹簧微小简谐运动，流液孔开闭呈现规律开闭，从而使油液产生间歇流动，枪管受力呈现出时间极为短暂的简谐衰减现象，直至为零。

图5　枪管膛底合力与后坐力曲线对比

从图6、图7可知，枪管位移速度达到最大值8.003 4 m/s后，液压油从左腔流向右腔的流速达到最大值335.65 L/min，由于AMESim软件管道参数误差，流入右腔时，存在3.165 L/min的流速差，误差率在0.942 9%，满足液体不可压缩的基本假设。图8可知，枪管位移曲线平滑，没有明显的突兀折线， 0.004 s之后，从后坐速度曲线可知此时后坐速度接近0，仍有少量液压油从左腔流至右腔，且流速呈现衰减趋势，直至后坐速度为零，活塞两侧腔室油压平衡，后坐节流阀关闭为止。

图6　缓冲器液压油流速曲线

图7　枪管后坐速度曲线

图8　枪管后坐位移曲线

从表1数据，可以看出，将自适应弹簧—液压缓冲器利用到大口径步枪后坐过程，能有效平稳地制动枪管后坐，同某12.7 mm步枪缓冲器相比，在同等工作情况下，后坐速度持平，后坐距离减少，枪管后坐力减小明显，最大膛压时缓冲器提供后坐阻力29 248 N，瞬时减少膛底合力幅度达68.78%，改变了膛底合力对后坐活动件急剧变化的力学特性。

表1　某12.7 mm步枪两类缓冲器参数比照

4结论

大口径步枪液压缓冲器较节制杆[1]、固定流液口类液压缓冲器[2]相比，能有效制动枪管后坐，提高射击精度，利于武器系统轻量化设计[ 6-7 ]。

在液压系统仿真中，与Matlab/simulink相比，AMESim软件有建模简易，计算方便等优势，在小口径火炮制退系统设计方面，能够提供有效的仿真数据以供参考，加快研发速度。

参考文献：

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(责任编辑周江川)

Design of Hydraulic Buffer and Braking Simulation of Large Caliber Rifle Based on AMESim

REN Lin, WANG Gang

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030000, China)

Abstract:Most of the large caliber firearms utilize muzzle device and spring buffer to counteract the whole recoil of the gun, but the large working stroke is not conducive to the lightweight design of weapon system. While the effect of hydraulic buffer is smooth and structure is light, and hydraulic buffer can effectively reduce the impact force while bore-bottom resultant force acts on barrel. Referring to the working principle of fixed bottom-orifice buffer, hydraulic throttle valve and liquid characteristics of flowing into slender holes, we designed hydraulic buffer to adaptively adjust recoil and set the related parameters of the 12.7 mm caliber firearms into AMESim software for calculation systematically. The results show that: in a short working stroke, the hydraulic buffer should brake barrel recoil effectively and reduce the impact of bore-bottom resultant force, which provides a certain reference for the large caliber firearms research of reducing recoil.

Key words:hydraulic buffer; adaptive adjustment; impact; recoil efficiency

文章编号：1006-0707(2016)03-0045-04

中图分类号：TJ203+.7

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.012

作者简介：任琳(1988—)，男，硕士，主要从事火炮与自动武器减后坐技术研究。

收稿日期：2015-08-28；修回日期：2015-09-12

本文引用格式：任琳，王刚.基于AMESim大口径步枪缓冲器设计与仿真[J].兵器装备工程学报，2016(3):45-48.

【装备理论与装备技术】