Эксплуатация боеприпасов на огневой позиции 2 страница

Ствол со свободной трубой (рис. 10.8,6) также двухслойный, но внутренний его слой, называемый свободной трубой по­крыт кожухом 2 лишь на части ее длины. В связи с этим свобод­ная труба имеет более толстые стенки и массу в 1,5—2 раза боль­ше массы лейнера.

Величина зазора между внутренним и наружным слоями за­дается из условия обеспечения прочности ствола при выстреле и возможности замены внутреннего слоя без применения сложного специального оборудования.

У существующих стволов зазор колеблется в пределах 0,05— 0,20 мм для орудий среднего калибра и 0,15—0,30 мм для орудий крупного калибра. Для легкости разборки ствола наружная по­верхность лейнера делается с конусностью 0,002—0,004.

При выстреле лейнер или свободная труба под действием силы давления пороховых газов расширяется, выбирая зазор между

слоями, и при дальнейшем возрастании давления работает вместе с кожухом. После выстрела зазор между лейнером (свободной трубой) и кожухом восстанавливается.

Стволы со свободной трубой'или со свободным лейнером имеют следующие достоинства:

— возможность восстановления ствола при износе стенок ка­нала заменой внутреннего слоя трубой или лейнером;

наиболее рационально используется дорогостоящая сталь с высокими механическими свойствами (для изготовления наибо­лее

— нагруженного слоя — трубы применяют сталь с высокими ме­ханическими свойствами, а для изготовления оболочки — менее прочную сталь).

Основными недостатками стволов со свободной трубой (лейне­ром) являются сложность и объемность процессов их изготов­ления.

В некоторых орудиях применяются стволы с трубой-монобло­ком, вставленной в кожух с зазором, который при выстреле не вы­бирается (ствол М-30), поэтому всю нагрузку от давления поро­ховых газов воспринимает труба-моноблок. Кожух служит только для увеличения массы откатных частей в целях уменьшения длины отката.

По наличию напряжения в стенках трубы стволы делятся на нескрепленные и скрепленные.

Нескрепленные стволы — это такие, в стенках трубы которых до выстрела отсутствуют какие-либо напряжения. К ним отно­сятся все многослойные стволы с зазором между слоями, а также стволы-моноблоки, если в их трубах до выстрела нет напря­жений.

Скрепленные стволы — это такие стволы, которые еще до вы­стрела имеют искусственно созданные напряжения в стенках трубы. Один из способов искусственного создания напряжений в стенках многослойного ствола основан на свойстве металлов из­менять свои размеры при нагревании. Сущность этого способа состоит в том, что на внутренний слой надевают предварительно нагретый до температуры 670° К следующий слой (назовем его кожухом), диаметр отверстия которого в холодном состоянии меньше наружного диаметра внутреннего слоя. При охлаждении ■ размеры кожуха уменьшаются, в результате этого он обжимает внутренний слой, образуя в его стенках напряжения от сжатия; в свою очередь внутренний слой, действуя на кожух, вызывает в его стенках напряжения от деформации растяжения. Таким спосо­бом создают скрепленные стволы с различным количеством слоев. Предварительно напряженное состояние стенок ствола более рав­номерно нагружает все слои во время выстрела, т. е. повышает прочность ствола.

Такое скрепление позволяет увеличить прочность ствола, не ме­няя качество стали, или уменьшить вес, не изменяя прочность ствола. Основной недостаток такого способа скрепления — это сложность и дороговизна производства стволов. Поэтому рассмо-

тренный способ скрепления применяется преимущественно в ору­диях крупного калибра и для изготовления стволов со скреплен­ным лейнером.

Скрепленный лейнер вставляется в кожух с малым натяжением (при температуре нагрева кожуха до 410—425° К), при котором образуется сила трения, обеспечивающая закрепление лейнера от смещения вперед' при выстреле. Смена скрепленных лейнеров мо­жет быть произведена только на заводе.

Искусственно напряжения в стенках ствола-моноблока соз­даются способом автофретирования. Сущность автофретирования состоит в том, что в канале заготовки трубы ствола создают дав­ление, превышающее предел упругости металла, при этом вну­тренние слои получают пластические деформации, а внешние — упругие.

После снятия давления наружные слои, получившие упругие деформации, стремятся принять прежние размеры, но этому пре­пятствуют внутренние слои, получившие пластические деформации и размеры которых увеличились по сравнению с начальными на величину остаточной деформации. В результате в стенках трубы создаются напряжения, аналогичные тем, которые возникают при скреплении ствола большим числом слоев.

При автофретировании наряду с созданием внутренних напря­жений получается упрочение металла внутренних слоев трубы за счет явления наклепа. Недостаток скрепления ствола автофрети- рованием заключается в том, что технология скрепления довольно сложна и требует особой аппаратуры. Кроме того, при повышен­ных режимах огня, когда происходит нагрев ствола выше 750° К, напряжения самокрепления исчезают и ствол превращается в обычный нескрепленный ствол-моноблок.

В зависимости от форм и устройства канала существуют сле­дующие конструкции стволов:

— нарезные цилиндрические;

— гладкостенные цилиндрические;

/ — цилиндро-конические комбинированные с цилиндрической нарезной частью и конической гладкой частью у дула;

— нарезные конические.

Наибольшее распространение получили нарезные цилиндриче­ские стволы, так как их значительно проще и дешевле изготовлять по сравнению с другими конструкциями нарезных стволов, в то же время они обеспечивают хорошую устойчивость снаряда, а следо­вательно, и хорошую кучность боя.

К стволам как главному узлу артиллерийского орудия предъ­являются следующие основные требования:

1. Ствол должен быть достаточно прочным, так как он под­вергается действию высокого давления газов. Прочность ствола считается достаточной, если после выстрела в стенках его неза­висимо от условий эксплуатации"(нагрев ствола, изменение усло­вий заряжания в допустимых руководящими документами преде­лах) не возникают остаточные деформации. Прочность ствола

обеспечивается качеством материала и соответствующими разме­рами стенок трубы, определенными расчетом.

2. Ствол должен быть оптимально жестким. Жесткость ствола оценивается стрелой прогиба под действием собственного веса и величиной вибрации стенок трубы при выстреле и от выстрела к выстрелу. Оптимальная жесткость обеспечивается рациональными размерами ствола. Как правило, стволы делают длиной не более 70—100 калибров при радиусе кривизны не менее 600 м и разно- стенности в каждом поперечном сечении не более 3 мм.

3. Ствол должен обладать большой живучестью, которая обес­печивается как конструктивными, так и эксплуатационными меро­приятиями.

Живучесть ствола оценивается количеством выстрелов, кото­рое можно сделать из него до полной потери им своих баллисти­ческих характеристик (давления, скорости, кучности).

4. Конструкция ствола в зависимости от величины боевого за­ряда должна обеспечивать заданную начальную скорость и устой­чивость снаряда в полете. Это требование выполняется конструк­тивными мерами.

5. Устройство ствола должно обеспечивать простоту и эконо­мичность его производства и эксплуатации.

Кроме перечисленных основных требований к стволам могут предъявляться специальные требования, связанные с назначением и особенностями эксплуатации орудия.

§ 10.2. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СТВОЛ ПРИ ВЫСТРЕЛЕ

При выстреле в стволе создается высокое давление пороховых газов, под действием силы которого приводится в движение си­стема ствол — снаряд. Кроме того, между элементами этой си­стемы возникают силы взаимодействия. В свою очередь движение ствола тормозится силами сопротивления откату.

Все силы, действующие на ствол при выстреле, можно разде­лить на следующие:

— силы давления пороховых газов;

— силы взаимодействия снаряда со стволом;

— сила, производящая откат ствола;

— сила сопротивления откату;

— сила инерции откатных частей, возникающая вследствие неравномерного движения ствола.

Силы давления пороховых газов действуют на вну­тренние поверхности стенок ствола и направлены нормально к этим поверхностям. Рассмотрим действие этих сил на стенки трубы, скаты каморы и дно канала ствола.

Силы давления пороховых газов на стенки ствола стремятся изменить его диаметральные размеры, т. е. деформировать стенки ствола, не вызывая его перемещения вдоль оси, так как равнодей­ствующая этих сил на ось канала равна нулю. Величина этих сил определяется баллистическим давлением пороховых газов р.

Анализ графика зависимости баллистического давления поро- i ховых газов р от пути движения снаряда в канале ствола (рис. 10.9) показывает, что при движении снаряда сила давления пороховых газов переменна по длине ствола. Наибольшая вели­чина этой силы действует на стенки трубы, расположенные между казенным срезом и опорной точкой т. По величине сил давления пороховых газов рассчитывают стенки ствола на прочность.

Силы давления пороховых газов на дно канала направлены параллельно оси ствола, и равнодействующая их называется си­лой, действующей на дно канала ствола:

где —диаметр дна канала ствола.

Сила используется для расчета деталей затвора и щек ка­зенника на прочность.

Равнодействующая сил давления пороховых газов на скаты каморы Р_ск возникает вследствие разницы диаметров дна и веду­щей части канала ствола с учетом нарезов. Эта сила направлена по оси канала к дульной части и называется силой, действующей на скаты каморы Величина ее определяется по формуле

где —коэффициент, учитывающий наличие нарезов в канале ствола.

Силы .являются основными силами, под действием

которых совершается откат ствола. Для орудий среднего калибра величина их составляет несколько миллионов ньютонов. Так, на­пример, для 130-мм пушки М-46 силы

К силам взаимодействия снаряда со ство­лом относятся силы, возникающие в результате:

— радиального давления ведущего пояска снаряда на стенки ствола;

— давления ведущего пояска снаряда на боевые грани на­резов;

— движения снаряда по каналу ствола, имеющему кривизну в допустимых пределах;

— движения статически и динамически неуравновешенного снаряда по стволу.

Радиальное давление ведущего пояска на стенки ствола воз­никает вследствие разницы диаметров ведущего пояска и канала ствола. При вхождении в конический скат ведущий поясок сна­рядаобжимается, в результате в стенках ствола возникает давле­ние В момент врезания в нарезы за счет уплотнения и наплыва металла ведущего пояска создается дополнительное давление на стенки ствола Следовательно, радиальное давление ведущего пояска на стенки ствола

Из графика изменения силы q_n в зависимости от пути снаряда по каналу ствола (рис. 10.10) видно, что радиальное давление ве­дущего пояска достигает своего максимума в момент полного вре­зания ведущего пояска в нарезы, после чего резко уменьшается величина q_n. Падение q_n происходит вследствие увеличения диа­метра канала из-за упругих деформаций стенок ствола под дей­ствием давления пороховых газов. В средней части ствола q_n не­сколько возрастает за счет увеличения диаметра снаряда из-за деформации его корпуса под действием сил инерции и за счет уменьшения упругих деформаций стенок ствола из-за падения давления пороховых газов. В дульной части радиальное давление

возрастает ввиду уменьшения упругого расширения стенок из-за увеличения их толщины и вследствие падения давления порохо­вых газов.

Радиальное давление ведущего пояска оказывает сильное влия­ние на износ ствола. Это подтверждает одинаковый вид зависи­мостей износа канала ствола и радиального давления ведущего пояска от длины ствола. Поэтому величина учитывается при аналитическом определении живучести стволов.

При расчете стволов на прочность давление непосредственно в расчетные формулы не входит, хотя в начале нарезов и у дуль­ного среза ствола оно может превосходить давление пороховых газов, поэтому его учет производится назначением соответствую­щих коэффициентов запаса прочности.

При движении снаряда со стороны ведущего пояска на боевые грани нарезов действуют нормальные поверхностные силы (силы давления ведущего пояска на боевую грань нареза), равнодей­ствующие которых приложены к середине боевых граней, направ­лены перпендикулярно нарезам и называются силой нормального давления ведущего пояска на боевую грань нареза N.

Кпоме того, на поверхность боевой грани действует сила тре­ния — коэффициент трения. Вектор этой силы направлен в сторону движения ведущего пояска снаряда.

При рассмотрении действия этих сил на ствол делают раз­вертку ствола (рис. 10.11, а) на плоскость с координатными осями, исходящими из начала нареза , Ось совпадает с направле­нием движения снаряда, а ось направлена по касательной к окружности канала ствола. При этом полагают, что сила N при­ложена нормально к боевой грани в точке А (середина боевой грани), а сила направлена по касательной к точке А.

Разлагают силы N и на составляющие по осям и суммируют их, после чего получают

где —сила продольного давления ведущего пояска на боевые грани нарезов;

— сила касательного давления ведущего пояска на боевые грани нарезов;

-число нарезов;

— угол наклона нареза в точке А.

Сила направлена по оси канала ствола и стремится послать ствол вперед, а сила направлена по касательной к окружности сечения ствола и создает крутящий момент, который стремится при правой нарезке повернуть ствол против направления враще­ния часовой стрелки. Величина крутящего момента опреде­ляется по формуле

где

Сила N по величине равна силе нормальной реакции боевой грани нареза на ведущий поясок снаряда, но направлена в про­тивоположную сторону. Поэтому при определении зависимости

силы N от баллистических параметров и конструктивных харак­теристик ведущей части канала ствола воспользуемся уравнения­ми поступательного и вращательного движения снаряда, которые с учетом вышеизложенного запишутся соответственно в следую­щем виде:

где — площадь поперечного сечения канала ствола с учетом нарезов; -

— полярный момент инерции снаряда;

— радиус инерции снаряда.

Угловая скорость вращения ведущего пояска снаряда опреде­ляется по зависимости (рис. 10.11)

где—окружная линейная скорость вращения ведущего пояска;

— поступательная скорость снаряда. Дифференцируя выражение (10.9) по времени и принимая

получим

Подставляя полученное выражение в уравнение (10.8), учиты­вая, что , и обозначая получим

При расчетах принимают для бронебойных снарядов а для фугасных

Решая совместно уравнения (10.11) и (10.7) относительно силы нормального давления ведущего пояска на боевую грань нареза, находим

Величина знаменателя второго члена правой части близка к единице, поэтому с достаточной для практики точностью можно принять следующую формулу:

если то _ и зависимость (10.12) будет такой:

Из выражения (10.12) следует, что сила нормального давления ведущего пояска на боевую грань нареза зависит от давления в канале ствола, величины и характера изменения угла наклона нарезов и скорости снаряда.

Характер изменения силы N в зависимости от пути движения снаряда I представлен на рис. 10.11,6

Как видно из графиков и анализа зависимостей

(10.12) и (10.13), сила нормального давления ведущего пояска на боевую грань имеет наибольшее значение для нарезки с в зоне максимального давления, а в случае прогрессивной нарез­ки— в дульной части, где давление пороховых газов имеет значе­ние, значительно меньшее максимального. Применение нарезов прогрессивной крутизны позволяет:

Рис. 10.12. Схемы неуравновешенных снарядов:

а —статически неуравновешенный снаряд; б — динамически неуравновешенный сна-

д

ряд; в — снаряд с зазором -5-

— уменьшить силу на 30—40% по сравнению с для а = const и сместить ее приложение относительно р_т, повышая тем самым живучесть ствола;

— облегчить условия врезания в нарезы и исключить срыв ве­дущего пояска снаряда, так как сила N равномерно изменяется в зависимости от пути снаряда.

В качестве примера заметим, что для 130-мм пушки М-46, ствол которой имеет 40 нарезов с максимальное значе­

ние силы нормального давления на боевую грань =7600 Н, а сила продольного давления ведущего пояска на боевые грани нарезов =84 800 Н, крутящий момент =1960 Нм.

При движении статически и динамически неуравновешенного снаряда по каналу ствола возникает сила статической и динами­ческой неуравновешенности снаряда, действующая на ствол через центрующее утолщение снаряда.

Снаряд, у которого центр тяжести С не совпадает с осью сим­метрии (рис. 10.12, а), будет статически неуравновешен. Расстоя­ние от оси симметрии до центра тяжести С называется эксцентри­ситетом центра масс снаряда

При движении статически неуравновешенного снаряда на ствол будет действовать сила статической неуравновешенности снаряда

где —расстояние между средними плоскостями центрующего утолщения и ведущего пояска снаряда;

— расстояние между точкой С и средней плоскостью ве­дущего пояска снаряда;

— эксцентриситет центра масс снаряда;

— центробежная сила от статической неуравновешенности снаряда.

Снаряд, у которого центры тяжести отдельных его частей не лежат на оси симметрии, будет динамически неуравновешенным, хотя он может быть при этом статически уравновешен (рис. 10.12,6). В динамически неуравновешенном снаряде имеются массы лежащие на расстоянии от оси симметрии.

При движении динамически неуравновешенного снаряда каж­дая неуравновешенная масса (рис. 10.12,6) вызывает появление пары центробежных сил которые определяются из зависи^: мости

где —угловая скорость вращательного движения снаряда. Центробежные силы образуют моменты пары В резуль­

тате на ствол будет действовать сила

Кроме сил и на ствол будет действовать также сила, воз­никающая вследствие имеющегося зазора между центрующим утолщением снаряда и полями нареза.

При одностороннем зазоре между осями снаряда и канала ствола будет образован угол (рис. 10.12, в)

Следовательно, при этом центр тяжести снаряда не будет совпа­дать с осью канала на величину

В связи с тем что равнодействующая сил давления пороховых газов проходит вдоль оси канала ствола, то на снаряд будет дей­ствовать момент

который вызывает появление силы действую­

щей на ствол.

Таким образом, центрующее утолщение передает на ствол сум­марную силу

Максимальное значение этой силы возникает тогда, когда векторы этих сил имеют одно направление. Насколько велика эта сила,

говорит следующее: при эксцентриситете на центрую­

щем утолщении снаряда при его движении по каналу ствола по­являются отпечатки нарезов глубиной до 0,5 мм.

При движении снаряда по каналу, имеющему кривизну (рис. 10.13), на стенки ствола действует центробежная сила направленная по радиусу кривизны в сторону выпуклости; если принять массу снаряда сосредоточенной в точке, то величину силы определяют по известной в механике формуле

где —масса снаряда;

— скорость снаряда; -радиус кривизны канала ствола. При постоянной кривизне канала ствола сила достигает наибольшего значения у дульного среза. Под действием центро­бежной силы направленной в сторону выпуклости ствола, про­исходит односторонний износ канала и изменение угла вылета снаряда. Поэтому при производстве кривизну ствола стремятся обеспечить минимальной. -

Для артиллерийских стволов принимают допустимый радиус кривизны , так как в этом случае величина центробеж­

ных сил невелика.

В качестве примера заметим, что при движении осколочно-фу­гасного снаряда по стволу 130-мм пушки М-46, имеющему у дульного среза радиус кривизны сила

Сила Р„н, производящая откат ствола (рис. 10.14), или сила отдачи, представляет собой алгебраическую сумму про­екций сил, возникающих в канале при выстреле, на ось ствола, т. е.

При выстреле из 130-мм пушки М-46 в момент достижения по­роховыми газами давления величина