Будова казенника

Будова казенника

Казенником називається частина ствола, обладнана гніздом для розміщення затвора і спільно з цим вона призначена для надійного і міцного запирання канала ствола, з'єднання ствола з противідкотними пристроями і участі у напрямі руху при відкоті – накоті по полозах люльки.

Рис. 11. Казенна частина ствола:

1 – казенник; 2 – вертикальний клин

У сучасних гарматах казенники за способом з'єднання з трубою підрозділяються на нагвинчені, вгвинчені і виконані з'єднаними з трубою.

Нагвинчені діляться на 2 групи:

– що надіваються на трубу без обертання і з'єднуються з нею за допомогою муфти. Вони натягаються на кожух ствола, після чого закріплюються спеціальним стволом від подальшого провертання;

– що нагвинчуються безпосередньо на різьбу труби і закріплюються від провертання стопором.

Такі казенники встановлюються на гарматах середнього і крупного калібрів.

Вгвинчені застосовуються на гарматах крупного калібру і з'єднуються з трубою за допомогою різьби.

Виконані з'єднаними з трубою застосовуються у гармат малого калібру. При цьому з'єднання найміцніше, але технологія виготовлення дуже складна.

Довжина казенників для клинових затворів приймається:

– для гармат – ширина гнізда затвора 1,85d та ширина за затворної частини d;

– для гаубиць – ширина гнізда затвора 1,55d і ширина за затворної частини 0,8 d.

Задня опорна поверхня клинового отвору робиться з нахилом» 1:40.

Маса казенника складає 0,15–0,3 маси ствола, що дозволяє наблизити центр тяжіння ствола до казенного зрізу і дещо скоротити габарити гармати.

Сила F, прагнуча відірвати казенник при пострілі, складається з сили інерції та сили, виникаючої внаслідок різниці між діаметром дна комори і каналу.

З¢єднуючі деталі призначені для складання ствола в одне ціле і для з'єднання його з люлькою, в деяких випадках до них відносяться:

– передні і задні обойми;

– з'єднуючі муфти.

1.5 Будова і дія дульних гальм

Одним з дієвих засобів зменшення дії пострілу на лафет є дульне гальмо, винайдене французьким артилеристом Трейль –де – Болье в 60-х рр. ХІХ – го сторіччя.

Дульні гальма призначені для поглинання частини енергії частин відкоту при пострілі і зменшення дії пострілу на лафет за рахунок енергії порохових газів, що витікають з каналу ствола.

Рис. 12. Схеми дульних гальм:

а – активної дії; б – реактивної дії; в – активно – реактивної дії

Вони з'єднуються з трубою:

- за допомогою різьби;

- за допомогою з'єднувалних і роз'єднувальних муфт;

- виконуються з'єднаними з трубою.

Конструктивно дульне гальмо є:

- частина ствола із симетрично розташованими бічними отворами (ствольне ДГ);

- деталь з бічними отворами (ДГ), яка жорстко з'єднується з дульною частиною ствола.

За формою бічних отворів ДГ підрозділяються на:

- віконні (камерні);

- щілисті;

- сітчасті (дірчасті).

За характером дії ДГ умовно діляться на:

- активні;

- реактивні;

- активно-реактивні.

Суть дії дульного гальма полягає в наступному. Внаслідок тиску на стінки отворів частини газів, що витікають через них, виникає гальмуюча сила Рдг, яка зменшує силу Рдн, що викликає відкат ствола.

Величина гальмуючої сили залежить від кількості порохових газів, що потрапили на стінки, і кута відбиття потоку від них. За наявності ДГ сила віддачі Рдн _дг, діюча уздовж осі каналу ствола, буде рівна

Рдн _дг = Рдн - Рдг

У активних ДГ стінки отворів перпендикулярні осі каналу ствола.

У реактивних ДГ стінки отворів нахилені до осі каналу ствола у бік казенної частини. В цьому випадку в результаті більшого відхилення стінками отворів газів зростає їх гальмуюча дія на стінки, тобто збільшується реактивна дія ДГ.

Рис. 13. Схеми дії дульних гальм:

Дія активно-реактивного гальма полягає в тому, що порохові гази вилітають за снарядом, розширяючись у порож-нині гальма і розподіляються далі між бічними каналами та центральним отвором гальма, а потім витікають в атмосферу. Внаслідок вильоту частини газів через бічні канали, витрата газів, витікаючих через центральний отвір, відповідно зменшу-ється. Приблизно, пропорційно цій витраті зменшується і осьова реакція газів, яка без дульного гальма значно діє на гармату в період пострілу, викликаючи збільшення швидкості відкоту. Оскільки бічні канали змінюють напрям руху порохових газів, то на спрямовуючих поверхнях цих каналів з'являються ще реакції газів, що вилітають, направлених у бік руху снаряда, це додат-ково викликає зменшення дії пострілу на лафет і зменшення швидкості відкоту.

Дульне гальмо було застосовано вперше в Росії в 1862 році в 3-х пудовій гарматі з жорстким лафетом для зменшення її відкоту. В стволі було зроблено 8 отворів під кутом 45° до осі каналу ствола. Із створенням і введенням противідкотни пристроїв дульне гальмо не застосовували до I Світової війни, коли різко збільшилася потужність гармати.

Нагвинчене дульне гальмо забезпечується лівою різьбою і стопорами для уникнення самовідгвинчування при пострілі. Для виключення ударів снаряда об перегородки дульного гальма, його осьові отвори повинні бути більше калібру снаряда. Важливою вимогою до дульного гальма є симетричність розта-шування бічних отворів. При несиметричних отворах виникає початкова збурююча дія на снаряд, що підвищує розсіювання. Хитання дульного гальма абсолютно недопустимо, оскільки воно може викликати удар снаряда об перегородки і передчасний його розрив. Внаслідок ударного характеру навантажень на дульне гальмо в його стінках можуть виникати тріщини. Тому при експлуатації дульного гальма необхідно регулярно і ретельно їх оглядати.

Основними недоліками дульного гальма є демаскуючі дії хмари пилу, що піднімається газами, які виходять через вікна, а також дія газів на обслугу. Порохові гази, що витікають з дульного гальма, створюють навкруги гармати зону підвищеного тиску. Значення надмірного тиску на місцях розрахунку не повинне перевищувати DР = 0,2 – 0,3 кгс/см², а при стрільбі в захисних шоломах DР = 0,5 кгс/см² .

Дульне гальмо працює тільки в період післядії газів. Сучасні дульні гальма, незалежно від їх конструкції, дозволяють знизити енергію віддачі до 70% і більше.

2. Напруги та деформації, які виникають при пострілі.

2.1. Сили, діючі на ствол при пострілі

При пострілі в стволі створюється високий тиск порохових газів, під дією сили яких приводиться в рух система СТВОЛ – СНАРЯД, а також виникають сили взаємодії. У свою чергу, рух ствола гальмується силами опору відкоту. Всі сили, діючі на ствол при пострілі, підрозділяються на:

- сили тиску порохових газів;

- сили взаємодії снаряда зі стволом;

- силу, що проводить відкіт ствола;

- силу опору відкоту;

- силу інерції частин відкоту, що виникають внаслідок нерівномірного руху ствола.

а) Сили тиску порохових газів діють на внутрішні поверхні стінок ствола і направлені до цих поверхонь. Вони діють на стінки труби; скати камори; дно каналу ствола.

Рис. 14. Сили тиску в каналі ствола

Сили тиску порохових газів на стінки ствола прагнуть змінити його діаметральні розміри, тобто деформувати стінки ствола, не викликаючи його переміщення уздовж осі, оскільки рівнодіюча цих сил на вісь каналу ствола рівна нулю. Величина цих сил визначається балістичним тиском порохових газів Р.

При русі снаряда сила тиску порохових газів змінна по довжині ствола. Найбільша величина цієї сили діє на стінки труби, розташовані між казенним зрізом і опорною точкою m, відповідає max тиску газів. За величиною сил тиску порохових газів розраховують стінки ствола на міцність.

Рівнодіюча сила тиску порохових газів на скати комори Р_ск виникає внаслідок різниці діаметрів дна і ведучої частини каналу ствола з урахуванням нарізу. Вона направлена по осі каналу до дульної частини і визна-чається за формулою:

Р_ск = Р (()- ks _d2),

де ks – коефіцієнт, що враховує наявність нарізу в каналі ствола.

Сили тиску порохових газів на дно каналу направлені паралельно осі ствола і рівнодіюча їх визначається за формулою:

Р_дн = Р ,

де d_дн – діаметр дна каналу ствола.

Ця сила використовується для розрахунку деталей затвора і щок казенника на міцність.

Сили Р_ск і Р_дн є основними силами, під дією яких відбува-ється відкіт ствола.

Для гармат середнього калібру величина їх складає декіль-ка мільйонів ньютонів в межах Р_дн = 7,6 ×10⁶ Н; Р_ск = 3,34 × 10⁶ Н.

б) До сил взаємодії снаряда зі стволом відносяться сили, що виникають в результаті:

- радіального тиску ведучого пояска снаряда на стінки ствола;

- тиску ведучого пояска на бойові грані нарізу;

- руху снаряда по каналу ствола, що має кривизну в допустимих межах;

- руху статично і динамічно неврівноваженого снаряда по стволу.

Радіальний тиск ведучого пояска на стінки ствола виникає внаслідок різниці діаметрів ведучого пояска і каналу ствола.

При входженні в конічний скат ведучий поясок снаряда обжимається, в результаті в стінках ствола виникає тиск g'.

У момент врізання в наріз за рахунок ущільнення і напливу металу ведучого пояска створюється додатковий тиск на стінки ствола g'', і при цьому радіальний тиск ведучого пояска на стінки ствола буде рівний сумі цього тиску g_п = g' + g''.

Радіальний тиск ведучого пояска досягає свого максимуму в момент повного врізання ведучого пояска в наріз, після чого різко зменшується. Це падіння відбувається внаслідок збільше-ння діаметра каналу ствола через пружні деформації стінок ствола під дією тиску порохових газів.

В середній частині ствола воно дещо зростає за рахунок збільшення діаметра снаряда через деформацію його корпусу під дією сил інерції і за рахунок зменшення пружних деформацій стінок ствола через падіння тиску порохових газів.

У дульній частині радіальний тиск зростає через зменшення пружного розширення стінок, через збільшення їх товщини і унаслідок падіння тиску порохових газів.

Радіальний тиск ведучого поясочка досить сильно впливає на знос ствола. Тому цю величину g_п враховують при аналітич-ному визначенні живучості стволів. Врахування g_п проводиться призначенням відповідних коефіцієнтів запасу міцності.

При русі снаряда з боку ведучого поясочка на бойові грані нарізу діють нормальні поверхневі сили, рівнодіючі яких прикладені до середини бойових граней, направлені перпендикулярно нарізам і називаються силою нормального тиску ведучого пояска на бойову грань нарізу N.

Крім того, на поверхню бойової грані діє сила тертя fN, де f – коефіцієнт тертя. Вектор цієї сили направлений у бік руху ведучого пояска снаряда. Сила N за величиною рівна силі нормальної реакції бойової грані нарізу, тій, що веде поясочок снаряда, але направлена в протилежну сторону і визначається за формулою:

N= рS tga,

де:

l для бронебійних снарядів = 0,56, для фугасних 0,6-0,68.

n – число нарізів;

a - кут нахилу нарізу;

S – площа поперечного перетину каналу ствола з урахуванням нарізів.

Сила нормального тиску ведучого пояска на бойову грань нарізу залежить від тиску в каналі ствола, величини і характеру зміни кута нахилу нарізу і швидкості снаряда. Ця сила має найбільше значення для нарізки з a= const в зоні максимального тиску, а у разі прогресивної нарізки – в дульній частині, де тиск порохових газів має значення значно менше максимального.

Вживання нарізу прогресивної крутизни дозволяє:

- зменшити силу N_max на 30-40% в порівнянні з N_max для

a= const і змістити її додаток щодо Р_m, підвищуючи тим самим живучість ствола;

- полегшити умови врізання в наріз і виключити зрив ведучого пояска снаряда, оскільки сила N рівномірно змінюється залежно від шляху снаряда.

При русі снаряда по каналу, що має кривизну на стінки ствола діє відцентрова сила F_цб, направлена по радіусу кривизни у бік опуклості, і вона визначається за формулою:

F_цб = ,

де: - маса снаряда;

n - швидкість снаряда;

r - радіус кривизни каналу ствола.

При постійній кривизні каналу ствола сила F_цб досягає найбільшого значення у дульного зрізу.

Під дією відцентрової сили F_цб, направленої у бік опуклості ствола, відбувається односторонній знос каналу і зміна кута вильоту снаряда. Тому при виробництві кривизну ствола прагнуть звести до мінімуму.

Для артилерійських стволів приймають допустимий радіус кривизни r ³ 600 м, оскільки в цьому випадку величина F_цб невелика, при = 33,4 кг, n₀ = 930 м/с з 130 мм пушки при

r = 600 м F_цб = 47595 Н.

При русі статично і динамічно неврівноваженого снаряда по каналу ствола виникає сила статичної і динамічної неврівно-важеності снаряда, діюча на ствол через центруюче потовщення снаряда.

Снаряд, у якого центр тяжіння С не співпадає з віссю симетрії, буде статично неврівноваженим і матиме ексцентри-ситет центру маси снаряда е_с.

При русі статично неврівноваженого снаряда на ствол діятиме сила статичної неврівноваженості снаряда Fс, щорозраховується за формулою:

Fс = ,

де: F_цб - відцентрова сила від статичної неврівноваженості снаряда;

е_с – ексцентриситет центру маси снаряда;

- відстань між середніми площинами центруючого потовщення і ведучого поясочка снаряда;

₁ – відстань між С і середньою площиною ведучого поясочка снаряда.

Снаряд, у якого центри окремих його частин не лежать на осі симетрії, буде динамічно неврівноваженим, хоча він може бути при цьому статично урівноважений. При русі такого снаряда кожна неврівноважена маса викликає появу пари відцентрових сил F¢_цб, які,у свою чергу, утворюють момент пари F_цб і в результаті на ствол діятиме сила F_d, що визначається за формулою:

F_d = .

Окрім сил F_с і F_d на ствол діятиме сила, що виникає внаслідок наявності зазора між центруючим потовщенням снаряда і полями нарізу.

При односторонньому зазорі між осями каналу ствола і снаряда утворюється кут d= , і при цьому центр тяжіння снаряда не співпадає з віссю каналу ствола:

У= d = .

Крім рівнодіючої сили тиску порохових газів, що проходять уздовж осі каналу ствола, на снаряд діятиме момент

М_D = УРS = РS, викликаючи появу сили F_Д= = РS

Центруюче потовщення передає на ствол сумарну силу

F_ц = F_с + F_d + F_D = + + РS

Максимальне значення цієї сили F_ц виникає тоді, коли вектори цих трьох сил мають один напрям, при е_с = 0,2 мм на центруючому потовщенні снаряда при його русі по каналу ствола з'являється відбиток нарізу глибиною до 0,5 мм.

в) Сила Р_кн, що проводить відкіт ствола, або сила віддачі є сумою алгеброїчної проекції сил, що виникають в каналі при пострілі і діють на вісь ствола

Р_КН = Р_ДН – Р_СК - rn = РS - rn_,

де: Р_ДН- сила тиску порохових газів на дно каналу;

Р_СК- сила тиску порохових газів на скати комори;

rn – сила подовжнього тиску ведучого пояска на бойові грані нарізу.

Ця сила Р_КН з¢являється у момент досягнення пороховими газами тиску Р_m величиною 416 ×10⁴ Н.

г) При відкоті ствол гальмується силою опору відкоту R, яка прикладена до центру тяжіння частин відкотів і визначається за формулою:

R = Ф₀ + П + R_f - Q₀ sin j,

де: Ф₀ – сила гідравлічного опору гальма відкоту;

П - сила накату;

R_f – сумарна сила тертя в спрямовуючих і ущільнюючих пристроях;

Q₀ sin j - установлена сила тяжіння частин відкотів на напрям відкату;

j - кут піднесення ствола.

Ця величина R встановлюється за умови стійкості і нерухомості гармати.

д) Сили інерції I. При пострілі розглядається сила інерції в будь-яких поперечних перетинах частин відкотів і ствола і яка визначається за формулою:

I = Мn ,

де Мn – маса передньої частини ствола від даного перетину;

- прискорення ствола при відкаті.

У результаті ряду допущень і перетворень сила інерції визначається за наступною формулою:

I = Р_КН,

де: М₀ – маса частин відкотів;

Р_КН – сила, що здійснює відкат ствола.

Аналізуючи даний вираз, можна зробити наступні висновки:

- чим ближче даний перетин до казенника (чим більше Мn), тим більше сила інерції;

- максимального значення сила інерції I досягає у момент відкату, коли в каналі ствола тиск порохових газів досягає Р_max.

Оскільки сила інерції не направлена у бік, зворотний відкату, то вона прагне відірвати дульну частину ствола від казенника.

За абсолютною величиною сила інерції коливається в межах 70 × 10⁴ - 150 × 10⁴ Н.

Силу інерції використовують при розрахунку різьби казенника на міцність і осьових деформацій ствола.

2.2. Напруги і деформації, що виникають у стволі при пострілі

Щоб ствол витримав досить високий тиск газів, не руйнуючись у період експлуатації, він повинен бути достатньо міцним. Мірою міцності є межа пружного опору ствола.

Рис. 15. Деформація елементів ствола

Межею пружного опору ствола називається такий максимальний тиск газів у каналі, при якому в стінках ствола не утворюються залишкові деформації.

При визначенні величини межі пружності опору ствола використовується друга з 4-х існуючих теорій міцності. Ця теорія припускає, що залишкові деформації в матеріалі, які схильні до об'ємного напруженого розтягуння, наступають тоді, коли найбільше відносне подовження буде більше відносного подовження при простому розтягуванні у момент досягнення в матеріалі напруги межі, що дорівнює пружності s_е.

e_к £ s_е / Е – відносне тангенціальне (колове) подовження.

e_r £ s_е / Е – відносне радіальне подовження.

Е – модуль пружності першого роду.

При визначенні межі пружного опору ствола встановлю-ється залежність між головними напругами і напругами, що виникають у стінках ствола при пострілі, зважаючи на наступні допущення:

- труба має циліндричну форму до і після деформації;

- матеріал труби однорідний і ізотропний;

- по поверхні труби сили тиску розподілені рівномірно і нормально прикладені до них;

- частинки металу під дією зовнішніх сил знаходяться в рівновазі.

У загальному випадку стінки ствола при пострілі під дією сил тиску порохових газів піддаються складному навантаженню і зазнають об'ємних деформацій

.

Рис. 16. Деформація слоїв труби при радіальному тиску з середини

У його поперечному перетині відбувається розтягування металу по колу s_к (тангенціальному), має центр на осі каналу і одночасне стиснення по радіальних напрямах s_r.

Під дією сил інерції ствола і сили подовжнього тиску ведучого поясочка на наріз, направленої вперед, виникає осьове розтягування в подовжньому перетині ствола s_z.

При цьому виводяться наступні залежності:

1. s_r + r - s_к = 0, яка встановлює зв'язок між радіальними і коловими (тангенціальними) напругами (рівняння Ляме – Гадоліна).

Ці напруги не залежать від осьових s_z.

2. s_z = const, осьові напруги не залежать від радіуса.

При пострілі додатково діють відповідні розтяжні сили:

Р _r – радіальні, збільшуючі лінійний розмір ствола по радіусу r.

Р _к – колові (тангенціальні), зменшуючі лінійні розміри ствола у напрямі радіуса r.

Р _z – осьові, зменшуючі лінійні розміри ствола у напрямі радіуса r.

Повна відносна деформація у напрямі радіуса r виража-ється різницею відносного подовження і укорочення.

Після виконання певних математичних дій із залежностями напруг, деформацій, сил і лінійних розмірів ствола, приходять до висновку, що:

1.Для будь-якого радіуса r абсолютна величина колових напруг більше абсолютної величини радіальних напруг

½s_к ½³½s_r½.

2. Найбільша напруга виникає на внутрішній поверхні труби. Значить, при надмірно великому тиску Р₁ до першочер-гового руйнування схильні внутрішні шари металу каналу ствола.

Рис. 17. Розподіл напруг в стінці ствола

Дослідження показують, що:

1.Розподіл радіальних і тангенціальних напруг нерівно-мірний. Внутрішні шари навантажені більше, ніж зовнішні.

2. Найбільшої величини досягають тангенціальні напруги s_к, які і слід вважати самими небезпечними і по яких слід вести наближений розрахунок ствола.

Враховуючи дані висновки, межу пружного опору ствола визначають з умови міцності

s_к £ s_е / Е Þ Е s_к = 2/3 Р₁ = s_е,

а звідси Р₁= 3/2 s_е .

Аналіз даної залежності показує, що межа пружного опору ствола Р₁ залежить від:

- якості металу s_е» 800- 1100 Н/мм²;

- товщини стінок ствола r₁ і r₂.

Підвищення межі пружного опору Р₁ при певній якості металу досягається збільшенням зовнішнього радіуса r₂ і при r₂®¥ визначається за формулою Р_1max = 3/4 s_е.

При нескінченному збільшенні товщини стінок ствола межа пружного опору ствола прагне величини 3/4 s_е. Товщину стінок по перетину недоцільно робити більше (0,8-1) d, оскільки подальше збільшення мало збільшує межу пружного опору, і різко зростає маса ствола. В більшості гармат товщина стінок ствола моноблоку» 0,7 d (76 мм - D 35 мм, 152мм - D 100 мм). Цю задачу вперше вирішив російський учений артилерист А.В.Гадолін.