特种机械系统的动态特性探索
摘 要：
鉴于特种机械的发展趋势，本文介绍了某武器的发射原理样机方案．应用内弹道和气体动力学理论建立了原理样机的火药燃气作用的数学模型，应用多刚体系统动力学基本理论建立了该武器的三自由度动力学模型．并对计算结果进行动态分析．
关键词：特种机械系统；动态特性
特种机械系统是指应用在特殊领域中的机械系统，通常与军事相关联的武器系统都可称为特种机械系统．特种机械系统的特殊性和重要性，使其在大机械的发展背景下，越来越赢得各国的重视． 目前世界局势多变，用先进的科学技术对特种机械系统进行研究，可以起到震慑敌人，保卫国家，维护和平的重要作用．为了满足武器射击时的战技术要求，该系统的后坐动能相当大，如不采取有效措施，将严重影响武器的射击效能，并对射手的心理和生理造成不良影响．因此有必要对武器射击时的动力学进行深入的研究和试验，对影响武器性能的各主要参数进行优化，以使武器达到所须的战、技术指标．
1 自动原理
该武器系统采用管退导气混合式自动原理，枪机回转式闭锁机构，枪机闭锁在枪管节套上；枪管和机匣用固定栓连接，枪管相对机匣可以运动；枪管上方装有导气装置，枪管簧套在枪管上．武器发射的弹种都用同一枪管、同一自动机及同一供弹具，因此，该武器的质量只相当于单一的霰弹枪或自动步枪．工作过程为：机针打击底火后，弹头在火药燃气作用下向前运动，在弹头运动至导气孔前，枪管、枪机、机框三者一起后坐(闭锁状态)，枪机、机框获得一部分能量．弹头通过导气孔后，一部分火药气体由导气孔进入导气室，随着导气室压力的逐渐增大，机框加速后坐，最后与枪管、枪机分离．枪管后坐lOmm后和机匣发生碰撞，枪机在机框的作用下完成开锁动作，然后枪机与机框同时后坐，完成抽壳、供弹、抛壳等一系列动作．
2 膛内火药燃气压力的变化规律
火药在膛内燃烧是管退导气混合式武器自动机运动的原始动力．它既是子弹高速射出的动力，又是枪管和枪机框的后坐动力，也是引起射弹散布的一个重要因素 j．精确有效地模拟火药在膛内燃烧形成膛压的规律是管退气混合式武器动力学模拟与仿真的重要一环．所以，欲讨论自动机的运动规律，必须有效地模拟火药在膛内燃烧形成膛压的规律和导气室内气室压力的变化规律．该武器射击时膛内气流问题是十分复杂的非定常混合相的化学流体力学问题，其的内弹道过程与经典的常规内弹道过程是一致的-z ．
3 气室内火药燃气的变化规律
对管退导气混合式武器而言，在弹丸过导气孔之前导气室随枪管一同运动．因此，当弹丸经过导气孔后，膛内燃气压力经导气孔流人气室，推动活塞，使枪机框后坐完成自动动作．同时，气室内的燃气压力作用于气室前壁，阻止枪管后坐l3]．模型中各参数符号说明如下x 为枪机框在子弹过导气孔时的坐标，M 为活塞(连同自动机)质量，x 为枪管在子弹过导气孔时的坐标 S 为活塞端面积，P 为气室压力，P 为大气压力，R 为阻力(复进簧力，开锁转换力等)，R为气体常数，P 为气室内气体密度，G 为流人气室的秒流量，G 漏出气室的秒流量，W 气室容积，wq0为气室初始容积，S 为导气孔面积，T为膛内气体温度，T 为气室内气体温度，n 为从活塞间隙中漏出的单位质量气体所具有的能量． 。
为导热系数，C 为定压比热容，F 为气室表面积，F 。为气室初始表面积，T 为气室壁面温度(等于周围环境温度)．导气室气流基本方程为
4 特种机械系统简化模型
特种机械系统射击过程十分复杂，机框、机头、枪管和机匣的运动情况不仅取决于自身的的特性，还与射击条件、射手等情况有关．由于人体系统对武器的影响十分复杂，很难对其进行准确的描述，因此需要进行必要的简化 J．本章建立的管退导气混合自动方式，且机匣有缓冲的动力学简化模型参见图4．1所示．分别取各构件为自由体，应用牛顿力学理论，可以建立自动机组件、机匣、枪管组件运动的微分方程．
5 计算结果
在建立了数学模型之后，须将其转换为能够在计算机系统中进行运行(或实验)的仿真模型．考虑到论文中所涉及的数学模型都是基于一阶常微分方程组的数学模型，因此本论文仿真计算采用的是龙格库塔法．利用以上导气室压力计算的理论进行编程计算，可以得出多弹种榴弹步枪导气室内火药燃气压力随时间的变化规律，如图5．1所示．导气室压力计算的有关数据：导气孔位置：lOcm，导气孔直径：
4cm，活塞直径：14cm．通过计算得到气室最高压力为11MP，弹头过导气孔的时间：1．2ms，与实验得到的结果比较吻合．对于该特种机械系统，通过输入初始状态参量，运用编制的仿真计算程序可以得到枪机框、枪管的运动规律，并绘制出了枪机框、枪管在一个射击循环内的v—t，x—t曲线，如图5。2，图5．3所示．从上述曲线可以看出，该仿真结果与理论分析有较好的一致性，说明本动力学模型是合理的，编制的软件是适用的．但是应该指出，计算结果仍有一定的误差．6 结 语基于特种机械系统结构特点，在适当的基本假设和简化处理下，建立了计算模型，结果表明该系统能够正确地模拟该武器活动组件在发射过程中的运动过程，包括内弹道、导气室内活塞运动过程及压力变化．在全过程中，各种参数对自动机运动的影响得到了正确的反映，达到了预期的目的．仿真计算得到了合理的、有参考价值的结果，并通过对自动机运动过程参数的优化，使设计得到了一些有价值的参考数据，为该系统的设计与改进提供了理论依据．
