某埋头弹机枪弹膛驱动螺旋槽优化设计.pdf
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1、某埋头弹机枪弹膛驱动螺旋槽优化设计刘强1,周克栋1,李东昊2,陆野1,任海钺1,赫雷1(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏,南京210094;2.国营第二九六厂,重庆400050)摘 要:某埋头弹机枪采用了弹膛与枪管分离的结构,其弹膛在整个自动循环中存在两个工作位置,即供弹位与发射位.该埋头弹机枪通过枪机框上的导柱与弹膛上的螺旋槽相互作用,带动弹膛摆动,以实现弹膛在两个工作位之间的相互转换.最初在设计弹膛螺旋槽时选用了规则的螺旋线,然后在试验中发现,枪机框导柱在进入弹膛螺旋槽时螺旋槽对其的冲击力很大,冲击不仅使得枪机框动能损失严重,而且会降低导柱寿命.现以枪机框导柱与弹膛螺旋槽之间的最大冲击
2、力为目标函数,选用 5 次函数曲线为弹膛螺旋槽理论轮廓线展开线的形式,运用遗传算法对弹膛螺旋槽理论轮廓线进行优化,使得枪机框导柱与弹膛螺旋槽之间的最大冲击力降低为原来的42.27%.试验验证表明枪机框导柱与优化后的弹膛螺旋槽相互作用时速度损失由优化前的 30.3%降低到 25.6%.研究结果为该枪的改进提供了可靠的理论依据.关键词:埋头弹机枪;弹膛螺旋槽;参数优化;5 次函数曲线;遗传算法中图分类号:TJ203.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2024)01-0001-09DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2023.014Optimization De
3、sign of the Driving Spiral Groove of the Chamber ofa Cased Telescoped Ammunition Machine GunLIU Qiang1,ZHOU Kedong1,LI Donghao2,LU Ye1,REN Haiyue1,HE Lei1(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China;2.State-Owned No.296 Factory,Chongqi
4、ng 400050,China)Abstract:A cased telescoped ammunition machine gun adopts the structure of separated chamber and barrel,andits chamber has two working positions in the whole automatic cycle,namely the ammunition supply position andthe firing position.The interaction between the guide pillar on the b
5、olt carrier and the spiral groove on the cham-ber outside drives the chamber to swing to and fro,so as to realize the mutual conversion between the two work-ing positions of the chamber.Preliminarily,the regular spiral line was selected when the spiral groove in thechamber was designed.Later,in the
6、actual test,it was found that the impact force on the spiral groove from theguide pillar of the bolt carrier when the guide pillar entered the spiral groove in the chamber outside was verylarge.The impact not only caused significant kinetic energy loss of the bolt carrier,but also reduced the life o
7、fthe guide pillar.The maximum impact force between the guide pillar of bolt carrier and the spiral groove in thechamber outside was taken as the objective function,and the quintic function curve was selected as the theoretic-al contour curve of the spiral groove in the chamber outside,and the geneti
8、c algorithm was used to optimize thetheoretical contour curve of the spiral groove in the chamber outside,so that the maximum impact force betweenthe bolt carrier guide pillar and the spiral groove in the chamber was reduced to 42.27%of the original value be-fore optimization.It is concluded by firi
9、ng test that the velocity loss due to the interaction between the bolt carri-er guide pillar and the chamber spiral groove was reduced from 30.3%to 25.6%.The research results provide a 收稿日期:2023 01 31基金项目:国家部委预研项目(3010901)作者简介:刘强(1990),男,博士生,E-mail:.通信作者:周克栋(1964),男,教授,博士生导师,E-mail:.第 44 卷第 1 期北 京 理
10、 工 大 学 学 报Vol.44No.12024 年 1 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyJan.2024reliable theoretical basis for the improvement of the gun.Key words:cased telescoped ammunition machine gun;spiral groove in the chamber;parameter optimization;quintic function curve;genetic algorithm 某埋头弹机枪为了可以发射塑料
11、弹壳埋头弹,采用了弹膛、枪管分离的结构,在枪械自动循环过程中,由枪机框带动弹膛摆动,使得枪械在击发时,弹膛与枪管同轴对正;在枪械供弹/抛壳时,弹膛与枪管相互错开.枪机框带动弹膛摆动,是通过枪机框上的导柱与弹膛上的螺旋槽相互作用完成的.枪械完成击发后,枪机框在导气室压力作用下开始后坐,经过试验研究发现,在枪机框导柱进入弹膛螺旋槽时,对螺旋槽冲击过大,这不仅使枪机框动能损失严重,而且会对枪机框上的导柱带来损伤,减少导柱寿命,本文将对螺旋槽的几何形状及动力学特性进行分析,从枪机框、弹膛的运动方程入手,通过优化弹膛螺旋槽的形状,降低导柱进入螺旋槽时对螺旋槽的冲击力.而对于弹膛螺旋槽理论轮廓线的选型,本
12、文采用 5 次函数曲线来进行拟合,5 次函数曲线具有优良的平滑性1,被广泛地应用于凸轮设计1等方面,用于本文中弹膛曲线槽的设计,理论上既可以降低枪机框与弹膛曲线槽之间的刚性冲击,又可以降低两者之间的柔性冲击2.李世康等3选用 5 次函数曲线优化了高射速转管炮的凸轮曲线,刘海民等2选用5 次函数曲线作为凸轮槽的过渡曲线,但他们只是利用了 5 次函数曲线可以平滑过渡的性质,并未从力学特性入手,优化 5 次函数曲线.1 目标函数的确定及优化原理 1.1 目标函数本文所研究的枪机框、弹膛相互作用如图 1 所示.图 1 中导柱连接在枪机框上.由图 1(a)1(b)可见,当枪机框后坐时,枪机框上连接的导柱
13、从枪口方向向枪尾方向运动,弹膛通过导柱与弹膛螺旋槽的相互作用,从发射位置摆动到供弹位置.弹膛摆动过程如图 1(c)所示.将本文所述埋头弹机枪进行加工,并做射击试验,运用高速摄影拍摄枪机框运动,提取出枪机框的速度、位移曲线.枪机框速度时间曲线如图 2 所示,将该曲线与试验测得的枪机框位移时间曲线及本枪的自动循环图进行对比,可以清楚地知道速度曲线上任意一点对应的机构动作.图 2 中,点 1 为枪机框后坐时达到的最大速度,为 7.72 m/s,从点 12 的过程中,发生了枪机框导柱撞击弹膛螺旋槽壁起始部位的机构动作,因为枪机框导柱与弹膛螺旋槽之间发生撞击,使枪机框速度受到很大的损失;点 2 的速度为
14、 3.21 m/s,而这次撞击,使得弹膛瞬间拥有了很高的摆动角速度;接着,弹膛通过螺旋槽又反向为枪机框加速,使枪机框的速度加速到点 3 位置,为 5.38 m/s,虽然弹膛的反向加速使得枪机框速度有所回升,但总体而 枪口方向枪尾方向弹膛容弹部弹膛回转轴孔导柱弹膛螺旋槽(a)后坐时导柱刚进入弹膛螺旋槽状态,弹膛为发射位弹膛容弹部弹膛回转轴孔导柱弹膛螺旋槽(b)后坐时导柱即将离开弹膛螺旋槽状态,弹膛为供弹位枪口方向枪尾方向供弹位发射位弹膛回转轴孔摆动方向(c)后坐过程中弹膛摆动原理图图 1 弹膛摆动原理Fig.1 Chamber swing principle2北 京 理 工 大 学 学 报第 4
15、4 卷言,枪机框与弹膛的撞击使得其速度从 7.72 m/s 降低到 5.38 m/s,损失达到 30.3%,依然会使得后续机构动作能量紧张,而且,撞击过程中巨大的撞击力也极容易使枪机框上的导柱结构遭到损坏.8642001020时间/ms速度/(ms1)3012340图 2 枪机框后坐速度时间曲线Fig.2 Bolt carrier recoil speed-time curve 在试验中,弹膛被机匣、节套等零部件包围,无法用高速摄影测量其摆动的速度曲线,但弹膛摆动的角速度、导柱对弹膛的冲击力均可由仿真得到.图 3 为仿真得到的导柱进入弹膛螺旋槽时,对弹膛螺旋槽壁的冲击力及弹膛摆动的角速度时间曲
16、线.可以看出,在导柱进入弹膛时,会瞬间产生很高的冲击载荷,约为 16.66 kN,而弹膛也会在受到载荷作用的同时,产生极高的角加速度,瞬间加速到点 1处,点 1 处角速度为 23 771()/s.参看图 1(a)、1(b),导柱在进入弹膛螺旋槽之前,先在螺旋槽前端相连的直槽内运动,导柱在直槽内运动时,导柱与摆动弹膛之间的传速比为 0,导柱的运动不会引起弹膛的摆动,但导柱进入螺旋槽的瞬间,导柱与摆动弹膛之间的传速比突然发生变化,造成导柱对弹膛的冲击及弹膛的瞬间加速.因此,优化弹膛的目的是降低枪机框导柱进入弹膛螺旋槽时对弹膛螺旋槽壁的冲击,其本质是通过改变螺旋槽理论轮廓线的形状,进而改变弹膛与枪机
17、框导柱之间的传速比.本文将以枪机框导柱与弹膛螺旋槽传动的整个过程中,导柱对螺旋槽的最大冲击力最小为目标函数,求解一次传动过程中最大冲击力最小时对应的弹膛螺旋槽理论轮廓线.1.2 优化原理如图 1 所示,因为枪机框始终做直线运动,即导柱轴线始终沿一条直线运动,而弹膛做回转运动,因此,导柱与弹膛螺旋槽的接触可简化为为点接触(暂不考虑零件弹塑性变形)1,且该点始终在一个水平面内,如图 4 所示点 P.O2P图 4 螺旋槽、导柱接触点示意图Fig.4 Schematic diagram of contact points of spiral groove and guide pillar 将螺旋槽与导
18、柱接触一边的轮廓线称作“实际轮廓线”,点 P 即始终在实际轮廓线上.假定弹膛不动,导柱沿弹膛螺旋槽运动,导柱横截面圆心滑过的轨迹称为“理论轮廓线”,现将理论轮廓线沿所在外圆柱面(该圆柱横截面圆心为图 4 中 O2)展开,即得到一条直线段 AC.如图 5 所示,AC 为螺旋槽理论轮廓线沿所在圆周面展开线,AB 对应枪机框导柱掠过这段展开线时走过的位移,BC 为弹膛摆动过程中,导柱横截面圆心在螺旋槽内滑过曲线在弹膛端面投影的长度,BC 未展开前如图 6 所示,弹膛摆动 90,BC 即表示理论轮廓线在弹膛端面的投影为 1/4 圆周长.在本文优化过程中,A、B、C 3 点的位置不变,将线段 AC 用
19、5 次函数曲线代替,使得 1.1 节中所述的 1811614121086420012冲击力角速度34时间/ms冲击力/kN角速度/()s1)530 00025 00020 00015 00010 0005 0000图 3 导柱对螺旋槽壁冲击力及弹膛摆动角速度时间曲线Fig.3 Curve of impact force of guide pillar on spiral groove wall and cham-ber swing angular velocity vs.time ABC图 5 螺旋槽理论轮廓线展开示意图Fig.5 Schematic diagram of expansion
20、of theoretical contour line of spiralgroove第 1 期刘强等:某埋头弹机枪弹膛驱动螺旋槽优化设计3目标函数取最小值.5 次函数的表达式1为y=a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0(1)式中:x 为导柱螺旋运动中导柱随枪机框运动滑过的直线距离,x 的最大值为 AB 的长度;y 为导柱横截面圆心轨迹在弹膛端面的投影圆弧长度,y 的最大值为弧 BC 的长度.继续假设弹膛不动,导柱沿着螺旋槽做螺旋运动,点 A 为螺旋槽理论轮廓线的起点,点 C 为导螺旋槽理论轮廓线的终点,将式(1)5 次函数的起点建立在点 A,并以点 A 为原点建立平面直角坐标
21、系,因为曲线过原点,且为了消除刚、柔性冲击,曲线在点 A 的 1、2 阶导数均为 0,则有 a0=a1=a2=0,点 A 坐标为(0,0),点 C 坐标为(p,q),(p,q)为已知值,由枪械具体结构决定.在 AC 段 5 次函数曲线上再取 2 个点4 5,这 2 个点坐标为(p/3,y1)、(2p/3,y2),假如这 2 个点的坐标均已知,且点 C 坐标(p,q)也已知,则可以由该 3 个点坐标求出式(1)中 a3a5的具体数值,即求出式(1)的具体形式,因此,y1、y2为待优化的变量值.2 螺旋槽实际轮廓线方程 2.1 螺旋槽实际轮廓线方程为了较为精确地研究螺旋槽实际轮廓线,现推导螺旋槽实
22、际轮廓线方程,首先建立坐标系.如图 7 所示,在导柱上建立随动坐标系 Os xs ys zs,Os在导柱的轴线上,ys轴与导柱轴线重合,zs轴为枪机框后坐方向的反方向,即 zs平行于枪管轴线,指向射击方向,Os xs zs平面为水平面,导柱与螺旋槽的接触点 P 在该平面上.如图 8 所示,点 P 在随动坐标系 Os xs ys zs中的矢径为 R1,R1与 xs夹角为.如图7 所示,在导柱起始位置建立定坐标系O1 x1 y1 z1,起始时刻,O1 x1 y1 z1与 Os xs ys zs重合.在弹膛回转中心轴端面建立定坐标系 O2 x2 y2 z2,O2与 O1在同一竖直平面内,z2轴与弹膛
23、回转轴重合,与 z1轴平行,O2 y2 z2平面与 O1 y1 z1平面共面.在 O2 x2 y2 z2坐标系中,点 P的矢径为 R3.如图 7 所示,在点 O2建立固定在弹膛上的随动坐标系 Oc xc yc zc,点 Oc与 O2重合,zc轴与 z2轴重合,在 t=0 时刻,Oc xc yc zc坐标系与 O2 x2 y2 z2坐标系重合.在Oc xc yc zc坐标系中,点 P 的矢径为 Rc.参考文献 1,6,可以根据坐标变换的方法,用点 P 在随动坐标系Os xs ys zs中的矢径 R1求出点 P 在随动坐标系 Oc xc yc zc中的矢径 Rc,Rc的表达式即弹膛螺旋槽实际轮廓(
24、工作曲面)的参数方程,求得 Rc的表达式为Rc=r0coscossinr0cossincos(s+r0sin)(2)式(2)中:弹膛转过的角度 为时间的函数,即=(t);枪机框后坐位移 s 也是时间的函数,即 s=s(t).2.2 螺旋槽实际轮廓线接触方程式(2)适合于螺旋槽工作面上所有点,要进一步确定螺旋槽工作曲线,即螺旋槽与导柱的接触曲线,就必须确定式(2)中 与 之间的关系,即螺旋槽工作面与导柱曲面的接触关系接触方程1.虽然导柱与弹膛螺旋槽之间为点接触,但接触线光滑连续,根据微分几何包络理论1,7,它们之间的 O2PBC图 6 BC 未展开前示意图Fig.6 Schematic diag
25、ram before BC expansion O2PysOsxsx2y2C图 7 弹膛螺旋槽坐标系统Fig.7 Coordinate system of spiral groove in chamber PzsOsxsR1图 8 点 P 在随动坐标系 Os xs ys zs中的位置Fig.8 Position of point P in follow-up coordinate system Os xs ys zs4北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷接触方程为:t=RcRcRct=xcyczcxcyczcxctyctzct 0(3)式中 Rc、Rc、Rct分别为式(2)关于、t 的偏
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