Author: Благонравов А.А
Tags: проектирование стрелковое оружие красная армия автоматическое оружие учебник для военных академий
Year: 1940
Text
АА. БЛАГОНРАВОВ
ОСНОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
Доктор технических наук
проф. генерал-майор артиллерии А. А. БЛАГОНРАВОВ
ОСНОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
Комитетом по делам высшей школы при С НК СССР утверждено в качестве учебника для военных академий и втузов Наркомата вооружения
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ОБОРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
МОСКВА 1940
В книге дано изложение оснований проектирования автоматического оружия применительно к программе одноименного курса Артиллерийской академии Красной Армии. Разбираются общие требования к оружию вообще и к отдельным видам стрелкового вооружения, даются сведения об устройстве и условиях работы типичных механизмов автоматического оружия и их деталей. Имеется раздел,, трактующий вопрос о прочности оружейных стволов. Книга является учебником для военных академий и втузов НКВ, а также может быть полезной для конструкторов и других работников, связанных с оружейным делом, в качестве пособия для практической работы.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга предназначается в качестве учебника для слушателей Артиллерийской ордена Ленина академии РККА; она составлена применительно к’ программе . курса „Специальное проектирование“.
Автор стремился дать общие основания, которые следует иметь в виду при проектировании автоматического оружия, так как все современные образцы стрелкового оружия, появляющиеся вновь, почти без исключения автоматические.
Необходимо также ознакомить читателя с теми требованиями, которые вытекают из условий боевого применения юружия и других служебных условий, а также отвечают существующим техническим возможностям и оформляются в качестве конкретных тактико-технических требований к каждому виду оружия. Нужно также остановить внимание читателя на особенностях устройства и условий работы основных и типичных деталей и механизмов оружия. При этом предполагается, что читателю известны существующие образцы материальной части автоматического оружия. Поэтому -можно рекомендовать предварительно ознакомиться с уже вышедшим учебником по материальной части автоматического оружия под редакцией автора, что значительно облегчит понимание второй части книги.
Автор считает нужным изложить основные положения и способы расчета движения типичных систем автоматики во время выстрела, необходимые для уяснения особенностей работы вновь проектируемого образца оружия и для учета их при построении опытного образца.
Все изложенные выше соображения и определили структуру книги.
От предыдущего издания труда автора под тем же заглавием настоящее издание отличается: 1) переработкой основных поло
з
жений оснований устройства материальной части с учетом опыта последних работ в оружейной технике и в соответствии с некоторыми изменениями вопросов боевого применения оружия; 2) внесением раздела по проектированию ствола; в прежнем издании этот вопрос не освещался детально, потому что проектирование стволов автоматического оружия не отличается от проектирования стволов оружия неавтоматического, за исключением необходимости учета условий нагрева ствола; однако, исходя из цельности изложения и из программы курса, мы не сочли возможным опустить этот раздел в настоящем издании и внесли также некоторые сведения по расчету скрепленных стволов, поскольку в комплекс стрелкового вооружения включаются малокалиберные автоматические артиллерийские системы, в которых не исключено применение скрепленных стволов; при этом в основу изложения данного раздела положен труд проф. Н. Ф. Дроздова „Сопротивление артиллерийских орудий и их устройство"; 3) некоторыми дополнениями в части, касающейся вопросов расчета механизмов оружия и элементов их работы.
Вопросы, связанные с влиянием условий работы автоматического оружия при стрельбе на станок (установку, лафет), в труде не рассматриваются, поскольку этот комплекс вопросов отнесен к курсу проектирования станков и установок, хотя и не должен рассматриваться оторвано от проектирования самого оружия.
Наконец, надо оговориться, что в случаях конкретных ссылок на устройство оружия использованы лишь те образцы оружия, данные о которых не встречают каких-либо препятствий к широкому опубликованию.
Автор
4
ВВЕДЕНИЕ
Коренное перевооружение всех армий в области стрелкового оружия произошло в конце 80-х и начале 90-х годов прошлого столетия. Непосредственными причинами этого перевооружения явилось открытие бездымного пороха, усовершенствование способов обработки металлов, позволившее осуществить переход к меньшему калибру для стрелкового оружия, изобретение оболочечной пули и т. п.
С этого же времени начинается внедрение в армию автоматического оружия — появляется станковый пулемет.
Область стрелкового вооружения видоизменялась сначала сравнительно мало. За это время можно отметить усовершенствование пороха, улучшение формы пули, некоторое повышение ее начальной скорости. Начиная с войны 1914—1918 гг., стрелковое вооружение развивается быстрее. Автоматическое оружие быстро совершенствуется и распространяется во всех армиях. Автоматизация захватывает все новые и новые области вооружения, появляются новые виды автоматического оружия. Вместе с тем усложняется система вооружения пехоты в армиях, оружие диференцируется по огневым задачам, в отдельных случаях применяют специальные виды боеприпасов. Однако до настоящего времени остается без изменения калибр основных видов оружия пехоты и мало изменяются начальные скорости пуль.
Поэтому мы и называем перевооружение армий в 80—90-х годах коренным.
Характерной чертой в системе стрелкового вооружения является прежде всего чрезвычайный рост мощности огня. Война 1914—1918 гг. выявила значение мощности огня с полной очевидностью, показала противоречия между новой техникой и старыми формами ее применения. Произошла перестройка тактики. Вместе с тем на сцену выступили новые, еще более повышенные, требования к системе стрелкового вооружения.
Чтобы охарактеризовать мощность огня пехоты в современных армиях, достаточно привести несколько цифр. В 1914 г. французская пехотная дивизия в одну минуту могла выпустить 102000 пуль; из этого числа 96000 пул^ приходилось на винтовочные выстрелы, остальные на пулеметный огонь. Теперь пехотная дивизия (в военное время) может выпустить в среднем до 300000 пуль в одну минуту (не считая огня крупнокалиберных
5
пулеметов), причем более 70% этого числа выстрелов падает 4ia пулеметный огонь. Расход металла на одного убитого во время Крымской кампании равнялся 70 кг, в 1914 г.— 225 кг и в 1918 г. — 4х/2 т.
Автоматическое оружие прежде всего обладает чрезвычайно большой мощностью огня. Этим объясняется тот интерес к нему, который проявляется в качественном его многообразии, в том количестве, в каком оно введено на вооружение, и в численности опытных образцов, появившихся после мировой войны.
Для широкого внедрения автоматического оружия необходимо было соответствующее развитие техники; Каждое усовершенствование оружия только тогда получало право на существование, когда были налицо материальные условия, обеспечивающие его целесообразность. Нередки были' случаи, когда то или иное изобретение появлялось много раньше, чем оно становилось практически приемлемым.
„Дальновидные и глубокие умы, — пишет Ф. Меринг1, — познают задачу и ее разрешение уже тогда, когда материальные условия для ее разрешения еще не созрели, когда существующая общественная формация не развила еще своих производительных сил, когда она для них еще недостаточно просторна. В высшей степени интересен тот факт, что именно те изобретения, которые больше, чем все предшествовавшие, способствовали значительному расширению человеческой производительной силы, были роковыми для их творцов и часто исчезали на целые столетия совершенно бесследно".
Одним из таких примеров в истории развития оружейной техники является изобретенное еще в эпоху мушкетов (XVII в.) маршалом Саксонским ружье, заряжаемое с казны и названное им amusette (игрушка). Об этом ружье известно только, что дальность боя его была около 2600 м и предназначалось оно для борьбы с артиллерией.
„Каким образом amusette, бывшая огромным прогрессом, принципы которой легко могли бы быть применены к ружью, была заброшена, для нас остается совершенно непонятным", — пишет Ortus2.
Между тем вполне очевидно, что столь выдающееся для своего времени оружие не могло бы быть похороненным на такой долгий срок, если бы уровень современной ему техники позволял сделать его пригодным для практики; очевидно условия обтюрации, возможно условия отдачи, делали его. крайне неудобным для боевого применения, а техника того времени еще не могла справиться со всеми этими вопросами, и ружье, заряжаемое с казны, возродилось лишь в середине XIX столетия.
Переход к ружьям 4-линейного калибра был осуществлен спустя много времени .после того, как выяснены были огромные
1 ф. Меринг, Об историческом материализме.
2 Col. Ortus, Le fusil de guerre de 1’avenir, 1894. 6
преимущества „малого" калибра. В Швейцарии был введен 4-линейный штуцер в 1851 г., между тем как ни одно государство, имевшее более многочисленную и богаче оснащенную армию не могло ввести подобное ружье до 1869 г. Применение 4-линейного калибра для боевого ружья вызывало тогда весьма большие затруднения: „1) затруднительность всыпания заряда; 2) ломкость длинных и тонких патронов; 3) неудобство сварки стволов малого калибра; 4) их малое сопротивление изгибу",— вот какие существенные недостатки отметили почти единогласно комиссии, испытывавшие швейцарский штуцер в других странах. Как только техника справилась с этими- затруднениями (появление металлического патрона и успехи металлургии, обеспечившие требуемые качества стволов), все армии одновременно перешли на этот калибр.
Однако одного наличия условий, обеспечивающих возможность технического выполнения того или иного изобретения, еще недостаточно. Нужны известные основания для его возникновения. Так, с развитием воздушного флота появились специфические виды авиационных и зенитных пулеметов. С развитием мотомеханизированных войск появились и новые требования к оружию в смысле увеличения его бронебойной способности; наконец, широкое применение в последних боевых операциях (например германо-польская война 1939 г.) танков выдвинуло ряд новых требований к вооружению самых танков.
Пулемет Максима — первый принятый на вооружение образец автоматического оружия — отнюдь не был обязан своим появлением только гениальности изобретателя. Еще до Максима были открыты все принципы, на которых основаны системы современного автоматического оружия; до него были известны почти все механизмы, нашедшие применение в дальнейших конструкциях автоматического оружия. Максиму посчастливилось выступить со своим изобретением тогда, когда назревала непрерывная цепь империалистических войн и когда производство справилось со многими, имевшимися ранее, затруднениями 8 обработке металлов.
Эпоха империализма стимулировала быстрое развитие военной техники, а самые войны давали богатый опыт применения боевых средств, предоставляя возможность всесторонней проверки каждого нового военного изобретения, выдвигая и новые требования. К каким бы способам ни прибегали в мирное время для испытаний новой продукции военной промышленности, никогда Нельзя сделать исчерпывающих заключений по целому ряду вопросов, связанных с применением боевых средств.
Война помогает осваивать военную технику. Процесс освоения техники есть в то же время процесс ее развития. Осваивать технику—значит не только изучать применение новых технических средств, а в то же время определять те требования, которые к ним нужно предъявить, и тем самым содействовать их дальнейшему развитию. Новые технические средства боя
7
создают и новые условия боя, а эти условия рождают потребность в еще более новых средствах, требуют изменения и совершенствования уже созданных средств. Непосредственной материальной основой военного искусства является сумма технических средств; военная техника представляет содержание военного искусства, тактика—его форму. Средства военной техники, развивающиеся в условиях соответствующей общественной формации в связи с развитием общей производственной базы, вступают в противоречие с существующей формой их использования — тактикой. Происходит перестройка тактики, но перестроенная тактика, определяя рациональные способы использования существующих уже технических средств, определяет и ближайшие пути их развития, выявляет критерии их оценки, учитывает не только их качества, но и тенденции изменения, » в результате диктует свои требования. Этот процесс идет сложными путями. Шагнувшие на высшую ступень технические средства войны не могут быть освоены сразу: в процессе ломки старых форм тактики, отвечавшей предыдущей ступени развития техники, приходится преодолевать не мало препятствий. Не сразу исчезают привычные методы и укоренившиеся взгляды, не сразу новый вид оружия получает должную оценку и применение и» в свою очередь, подвергается изменениям.
Приведем несколько примеров из истории оружейной техники.
С каким трудом пробивались в жизнь новые усовершенствования в оружейной технике, насколько существенную роль играла „традиция", показывает история введения ружей, заряжающихся с казны.
Осуществленный в некоторых образцах оружия еще в 30-х годах XIX столетия, этот принцип встретил крайне энергичное противодействие почти во всех странах.
„Никогда швейцарские стрелки не унизятся до того, чтобы стрелять из „клистирных" ружей",—восклицал некий швейцарский генерал при официальном рассмотрении вопроса о введении на вооружение ружей, заряжающихся с казны. Только одна Пруссия раньше других (1841 г.) приняла на вооружение это ружье, что вызвало целый ряд насмешек со стороны военных авторитетов в других странах. Французский полковник Ortus (Le fusil de guerre de 1’avenir, 1894) свидетельствует, что во время обучения его в 1865 г. в стрелковой школе в Шалоне один из. профессоров („весьма почтенный", — замечаетOrtus) внушал своим слушателям, что „ружья, заряжающиеся с дула, стреляют так же быстро, как заряжающиеся с казны, ибо во время огня от постоянных манипуляций с затвором у стрелка появляется в руках усталость, а потому превосходство скорострельности этих ружей само собой исчезает, тогда как ружья, заряжающиеся с дула, не представляют никаких затруднений при стрельбе и никаких манипуляций с затвором не требуют". В то же время французский генеральный штаб придерживался взглядов, что „огнестрельных припасов для ружей, заряжающихся с казны, никогда не
8
будет хватать, тогда как для ружей, заряжающихся с дула, они всегда имеются в изобилии" (ibidem), выставляя это соображение в качестве главного довода против введения этих ружей. И только горький опыт австрийской армии в войне 1866 г. заставил спешно принять подобное вооружение [в Австрии — в 1867 г., во Франции — в 1866 г. ружье Шасспо, в России — в 1866 г. (12 ноября) утвержден временный образец ружья Терри-Нормана].
Еще более интересный пример представляет история пулеметов, так как этот вид оружия занял надлежащее место в системе вооружения армий совсем недавно.
Не касаясь прежних типов, так называемых картечниц, а также первых попыток создания автоматического оружия, не имевших успеха, мы можем считать, что первым пулеметом, подходящим по типу к современным, был пулемет Максима 1884 г. Подвергнувшись целому ряду переделок, в результате произведенных в нескольких государствах испытаний, к 1888 г. пулемет принял почти тот вид, каким он обладает в настоящее время.
В России сведения о пулемете Максима имелись в 1§85 г.; в 1887 г. у нас испытывался образец уже переделанного пулемета Максима (стрельбы 11—18 апреля 1887 г.). Правда, в это’ время пулемет проектировался еще под старые патроны с черным порохом, что и не позволяло вполне оценить его балистические и боевые качества.
Как же был встречен этот новый вид оружия?
Прежде всего эта новинка вызвала всеобщее недоверие: высказывалось недоверие и по поводу сложности механизма, и по поводу быстроты изнора ствола и деталей; смущало военную мысль весьма серьезно то, что в случае осечки работа пулемета приостанавливается. Артиллерийский комитет в своем заключении отдал решительное предпочтение прежним многоствольным картечницам Норденфельда, указывая, что „при порче механизма картечницы Максима орудие на некоторое время перестает действовать, между тем как 5-ствольная картечница при порче механизма одного из стволов продолжает безостановочно стрелять из других". Но все эти возражения можно еще отнести за счет несовершенства первых образцов пулемета.
Что же касается теоретиков военного искусства, то они встретили пулемет с крайним недоверием, исходя nd принципов тактики, как их' понимали в то время.
В 1891 г., когда уже ряд стран закончил перевооружение, в России, в результате весьма тщательного изучения, многосторонних и многочисленных опытов, вводилась винтовка 3-линейного калибра. Когда свойства нового оружия, качества патрона с бездымным порохом были полностью изучены и получили вполне правильную оценку, один из крупных представителей военной мысли, профессор академии генерального штаба генерал Драгомиров, писал о пулемете Максима: „Если бы одного и того же человека нужно было убивать по нескольку раз, то это было бы
9
чудесное оружие, так как при 600 выстрелах в минуту их приходится по 10 на секунду. На беду для поклонников столь быстрого выпускания пуль, человека довольно подстрелить один раз, и расстреливать его затем в догонку, пока он будет падать, надобности, сколько мне известно, нет. Правда, есть рассеивающие пули приспособления, но, опять-таки на беду, не народилось еще таких музыкантов, которые были бы -в состоянии переменить направление стволов 10 раз в секунду. Да если бы и народились, то они могли бы только пускать пули наудачу. Правда, в толпу годится; но какой дурак теперь подставит толпу. Но „могут быть случаи". Но картечницы могут оказаться не там, где будут эти случаи. А разгорячение ствола... „Да, но охлаждение". Оно, конечно, охлаждение, но на беду колодца с •собой возить нельзя, а иногда бывает, что и сам рад бы напиться, да воды нет. Всякая скорострелка, называть ли ее кар-тгечницей или вновь придуманным красивым словом — пулемет (и избави нас от лукавого и метафоры), все же есть не более, как автоматический стрелок, т. е. самостоятельного вида поражения не даст; и если дать на выбор человеку, не одержимому предубеждениями, застилающими здравый смысл, то, конечно, он предпочтет живого стрелка автоматическому; уж хотя бы за одно до, что у него лафета нет, лошадей ему. не нужно и можно его употребить на всякую солдатскую работу".
Далее он пишет: „зачем автоматический стрелок в полевой войне..." и дает категорический ответ: „пулеметы в полевой войне бесполезны", и только два случая применения пулеметов представлялись -целесообразными Драгомирову: „1) на фланках в крепостях и 2) в степных экспедициях, где малый отряд может иметь дело с большой, но плохо вооруженной толпой".
Как видим, Драгомиров не пожалел всей язвительности, на которую был только способен; чтобы доказать ненужность пулемета, и дошел просто до поразительной аргументации.
В этом и сказалась сила влияния консервативных элементов тактики: несмотря на то, что военная техника шагнула уже на высшую ступень своего развития, тактика, соответствующая еще предыдущей ступени состояния технических средств, недооценивала мощь новых огневых средств, считая, что огонь пехоты при наступлении является лишь прелюдией к. решительной •схватке, главную роль в которой должен играть штык.
С неменьшим трудом, повидимому, проникал пулемет и в другие армии. Так, в Англии опыты с пулеметом Максима производились с 1887 г. до 1895 г., в Швейцарии — с 1887 г. по 1896 г., в Австрии с 1887 г. по 1891 г., — когда пулемет Максима был принят для вооружения крепостей.-, в Германии изобретение Максима было встречено крайне недоброжелательно и лишь после долгих опытов пулемет был введен на вооружение флота-, в Америке — лишь в 1894 г., после 4 лет опытов. Комиссия, испытывавшая пулемет, постановила: „Рекомендовать для испытания две системы пулемета Максима: одну—для употребления на 10
судах, а другую —для десанта"; при этом для судов советовали G-мм калибр.
В полевые войска пулемет был введен к концу 90-х годов лишь в Англии.
Сформирование в России в 1900 г. пяти пулеметных рот, приданных некоторым дивизиям В' качестве общедивизионного средства, носило опытный характер. Роты занимались в течение трех лет опытными стрельбами. Однако только русско-японс-кая война помогла оценить пулемет. После того как единственная бывшая на фронте пулеметная рота погибла вТюренченском бою, но погибла, доказав, что пулемет является сильнейшим огневым средством и не только оборонительным, как его считали до тех пор, а необходимым оружием пехоты во всех случаях боя, — только после этого начали принимать меры к скорейшему увеличению количества пулеметов в армии (организовали производство их на Тульском заводе). В этом можно видеть иллюстрацию того, что все опыты мирного времени все-таки не дают возможности сделать всесторонне правильные выводы о том или ином военно-техническом средстве, и только война дает подлинный опыт; да и то, для того чтобы пулемет занял наконец настоящее свое место, опыта русско-японской войны оказалось еще недостаточно; лишь во время мировой войны 1914—1918 гг. сделаны были окончательные выводы в этом отношении.
В течение всего этого времени и сам станковый пулемет претерпел ряд изменений; например, он лишился громоздкого лафета, был приспособлен к ведению огня на дальние дистанции, получил более совершенные прицельные приспособления, позволившие вести огонь с закрытых позиций.
Таким образом совершенствование оружия идет постепенно: выявляются новые свойства, ставятся новые требования. Однако экономические соображения, о которых речь будет итти ниже, часто не позволяют вводить непрерывно назревшие изменения и совершенствования. Только крупное техническое достижение заставляет перейти к новому типу оружия, причем учитываются и вводятся и все оформившиеся к этому моменту более мелкие изменения в оружии: каждый новый принимаемый на вооружение образец представляет „скачок" по сравнению с предыдущим.
Особенностью стрелкового вооружения является исключительная массовость его производства по сравнению с другими предметами военной техники. Весьма существенную роль при конструировании стрелкового оружия играют экономические вопросы. Массовое производство со всеми его специфическими особенностями, колоссальным инструментальным хозяйством, широкой взаимозаменяемостью отдельных деталей предмета производства налагает определенный отпечаток на конструкцию оружия. Требования возможной простоты, удобства и дешевизны производственных операций весьма сильно ограничивают конструктора в его творческой работе. Конструктор должен считаться и с требованиями нормализации, стандартизации образцов и их деталей.
11
Условия службы оружия еще более усложняют задачи разработки и совершенствования его. Боевая обстановка вынуждает оружие работать при самых разнообразных обстоятельствах, при каких немыслима была бы работа других машин; ни загрязнение ответственных частей механизмов, ни температурные условия, ни смачивание отдельных частей, их ржавление, отсутствие ухода за ними не должны резко отражаться на действии оружия. Поэтому понятна та предусмотрительность, с которой приходится относиться к многим вопросам, кажущимся с первого взгляда маловажными. Поэтому понятно, что иногда усовершенствование, представляющее в основном относительно крупный шаг вперед, „проваливается* из-за какой-нибудь „мелочи".
Выше упоминалось, что швейцарская армия на два десятка лет раньше других армий перешла к уменьшенному калибру. И это не было случайностью: в развитии оружейной техники в XIX веке Швейцария все время как будто бы опережала другие страны. Например, магазинное ружье в швейцарской армии было введено на 20 лет раньше, чем в других армиях (ружье Веттерли 1867 г.). Причины этого понятны, если учесть известное своеобразие армии в Швейцарии, которая не участвовала ни в одной войне XIX века и в которой большое внимание уделяли стрелковым качествам военного оружия, а служебные и боевые войсковые требования были понижены; другие же армии не могли эти требования игнорировать и ожидали, когда техника полностью справится со всеми затруднениями.
Из всего сказанного вытекает сложность задач при проектировании современного оружия. Если учесть упомянутое выше разнообразие видов оружия в современной системе стрелкового вооружения, то удельный вес деятельности специалиста-оружейника в общей работе по военной технике представляется довольно большим.
Нетрудно заметить, однако, что путь чрезвычайного усложнения системы стрелкового вооружения, наметившийся с войны 1914—1918 гг., стоит в противоречии с упомянутыми уже экономическими соображениями, сталкивается с вопросами осложнения боевого питания, управления боем. До эпохи империализма система стрелкового вооружения развивалась, наоборот, по пути возможного упрощения, по пути унификации и универсализации оружия. Универсальное оружие, одинаково хорошо справляющееся со всеми боевыми задачами, падающими на долю пехоты, конечно, представляло бы величайшее достижение военной техники.
Задача создания такого оружия весьма трудна при условиях современной войны. Однако ее разрешение уничтожило бы целый ряд противоречий. Некоторые тенденции к упрощению системы вооружения, к сближению между собой различных сейчас видов стрелкового оружия намечаются.
Современное оружие — оружие автоматическое. Его достоинства с точки зрения военной техники мы уже отмечали. К числу его недостатков относится значительная сложность устройства и 12
сложность условий работы механизмов. Тем не менее несомненное повышение мощности огня — столь необходимое свойство современных армий, которое обязано появлению автоматического оружия,— искупает все его недостатки.
В системе укрепления обороноспособности СССР вопросам автоматического оружия уделяется значительное внимание. Большая работа в области создания образцов автоматического оружия, уже проделана. В основе этой работы лежит многолетний опыт ряда работников (инж. В. Г. Федоров, герой социалистического труда СССР В. А. Дегтярев^ Ф. В. Токарев), на трудностях практической работы изучивших все тонкости оружейного дела, освоивших технические задачи развития оружия, а также труды новых талантливых оружейников (инж. Б. Г. Шпитальный и др.). Непрерывно возникающие задачи требуют для своего решения изучения всего накопленного предшествующей работой опыта. Правильное и своевременное их решение возможно для оружейника-конструктора и исследователя при все совершенствующейся, растущей военной технике, при наличии достаточно широких теоретических знаний.
Специалист-оружейник должен иметь следующий комплекс знаний:
1) знать специфические вопросы оружейного дела;
2) изучить конструкцию по возможности большего числа ранее осуществленных образцов, ибо их отдельные элементы неизбежно входят и во все Последующие образцы оружия;
3) уметь учитывать особенности массового производства при проектировании новых образцов;
4) изучить опыт войн, обладать достаточно развитым военным кругозором, знать условия .применения и службы оружия в боевой обстановке;
5) уметь согласовать тактические и технические требования к оружию, зная те основания, исходя из которых они составлены;
6) проявлять исключительное внимание к многочисленным, иногда мелким, но необходимым требованиям боевым, техническим и экономическим; при этом подчас необходим весьма кропотливый и терпеливый труд, многократные переделки и исправления, всесторонний учет накопленного практикой оружейного дела опыта;
7) знать и уметь использовать опыт других отраслей техники в приложении к анализу работы и конструкции различных механизмов оружия.
Вместе с тем особенности условий работы механизмов автоматического оружия вызывают необходимость экспериментального их изучения, которое может выражаться в двух видах: непосредственно на вновь изготовляемом образце и изучение работы уже существующих ранее образцов.
Первый вид экспериментальной работы выливается в так называемый процесс „отладки" оружия, второй позволяет решить ряд вопросов заблаговременно, не прибегая к построению новой
13
конструкции, а используя выводы, полученные на прежних конструкциях.
Как всякая экспериментальная работа, эти виды опытных работ могут быть сокращены и проведены с минимальными затратами сил, средств и времени только при правильном подходе, правильной их организации, для чего часто бывает необходимым предварительное теоретическое освещение этих вопросов; в свою очередь, каждый тщательно проведенный эксперимент, каждый результат, полученный при „отладке", может обогатить теорию автоматического оружия, дающую иногда лишь приближенный ответ.
ЧАСТЬ I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОСНОВАНИЯМ УСТРОЙСТВА МАТЕРИАЛЬНОЙ ЧАСТИ'АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
§ 1. Основные положения
В понятие „основания устройства материальной части11 разные лица вкладывают различный объем рассматриваемых вопросов. Мы под основаниями устройства материальной части подразумеваем следующий круг вопросов: 1) обзор тактических современных требований, предъявляемых к оружию, и задачи, возлагаемые на данный вид оружия; 2) вытекающие из этих требований бали-стические свойства оружия; 3) общие конструктивные особенности, присущие данному виду оружия, определяемые тактическими и служебными требованиями; 4) разрешение противоречий, неизбежно возникающих во всей сумме требований, оценкой их сравнительной важности по отношению к данному виду оружия.
Как при оценке существующего образца оружия для получения полной характеристики его материальной части, так и при проектировании нового боевые свойства и качества оружия приходится рассматривать с трех сторон: мощности, маневренности и надежности.
В понятие мощности стрельбы обычно включают балистиче-ские свойства оружия: эффективность действия отдельного выстрела на цель, для борьбы с которой данное оружие предназначено (при условии попадания), меткость и дальнобойность; кроме того, сюда же включается скорострельность.
Выражая мощность стрельбы М формулой
М = Епр,
где Е— энергия снаряда (пули) у цели;
р — вероятность попадания в цель;
п — скорострельность (число выстрелов в минуту), мы получаем представление о мощности стрельбы как о количестве энергии, полезно затрачиваемой оружием в единицу времени.
Дальнобойность в эту формулу входит неявно, поскольку Е является энергией у цели, т. е. при подсчете М должна учитываться дистанция стрельбы.
15
Балистические качества оружия эта формула учитывает полностью. Например, допустим, что мы имеем два одинаковых образца оружия, обладающих одинаковой начальной скоростью и одинаковым весом пули, одинаковой меткостью и одинаковой скорострельностью и отличающихся только устройством пуль, так что коэфициенты их формы > Х2. Следовательно, второй образец по балистическим качествам выше первого. Если в качестве меры Е взять живую силу пули у цели, сравнивая ее для обоих образцов на одну дистанцию, то получим Ё2 > Еъ следовательно, и ТИ2 > Влияние других балистических характеристик очевидно.
Автоматическое оружие является в высшей степени мощным оружием благодаря высокой скорострельности (п — велико); стремление увеличить скорострельность' и было основной причиной, вызвавшей появление автоматического оружия.
Из остальных параметров, входящих в формулу мощности, кратко остановимся на величине р.
Меткость стрельбы зависит как от свойств самого оружия, так и от стрелка, с одной стороны. Для автоматического оружия, вообще говоря, меткость ниже, ибо в количество причин, вызывающих рассеивание, входит новая причина: колебания оружия при автоматической стрельбе; с другой стороны, автоматическое оружие, освобождая стрелка от ряда приемов, связанных с перезаряжанием оружия, уменьшая иногда влияние на стрелка силы отдачи, в продолжительном бою меньше влияет на его утомляемость, что не может не отражаться на величине меткости, зависящей от стрелка. Заметим, что последняя гораздо резче выражается в случае стрелкового оружия, чем в случае артиллерийской системы.
В понятие маневренности, включаются не только те свойства оружия, которые характеризуют его подвижность (весовые данные, размеры оружия, удобство его транспортирования на любой местности и при любой боевой обстановке), но и все свойства, относящиеся к гибкости огня (быстрота и внезапность открытия огня, быстрота переноса огня вне зависимости от расположения цели), равно как и характеризующие условия боевого применения оружия в зависимости от обстановки (возможность стрельбы при любом положении стрелка и самого оружия, при лрбом взаимном расположении стрелка, цели и своих войск; целесообразность применения оружия при различных видах боя, в различных стадиях боя и по целям различного характера). По маневренности автоматическое оружие уступает неавтоматическому, главным образом, со стороны подвижности вследствие неизбежного усложнения конструкции и утяжеления системы (кроме оружия самообороны); но оно не должно уступать в огневой маневренности.
В понятие надежности включаются свойства оружия, характеризующие безотказность его работы, безопасность, сопротивляемость внешним условиям, уязвимость в бою, прочность и 16
длительность службы. Большая сложность конструкции, большая интенсивность работы механизмов создают для автоматического оружия более неблагоприятные условия в этом отношении, чем для неавтоматического.
Нельзя обойти молчанием и те свойства оружия, которые косвенно отражаются на условиях его боевого применения и так или иначе связаны с устройством его материальной части. С этой стороны отметим условия боевого питания и условия обучения бойца владеть оружием. Условия боевого питания в большой степени определяются устройством патрона — его весовыми и объемными данными, от которых зависит величина носимых и возимых запасов, а также средним расходом боеприпасов в бою в единицу времени. В последнем отношении автоматическое оружие усложняет вопросы боевого питания. В качестве одной из серьезных мер, упрощающих вопросы снабжения в широком смысле (снабжение тыловое и боевое питание), является унификация патрона для возможно большего количества видов оружия. Обучение бойца правилам применения и сбережения оружия в большой степени зависит от сложности конструкции; очевидно, что и здесь автоматическое оружие поставлено в условия менее благоприятные.
Отдельно укажем на экономические условия. Благодаря массовости стрелкового вооружения, т. е. того вооружения, в котором автоматическое действие оружия встречает наибольшее применение, экономические условия получают здесь особенно важное значение. Помимо общих требований (возможной дешевизны материалов и стоимости производства) необходимо такое осуществление конструкции оружия, чтобы производственный процесс требовал минимального специального оборудования. Иными словами, детали оружия по возможности должны обрабатываться на станках общих типов, применимых для обработки невоенной продукции; обработка деталей оружия должна требовать минимума специальных приспособлений и инструмента. Соблюдение этих условий крайне важно из соображений мобилизационного характера, ибо это позволяет в период войны мобилизовать в данной отрасли тем более широкий круг производственных предприятий, чем проще технические процессы при изготовлении оружия.
Вследствие большей сложности и обилия деталей автоматического оружия разработка образца автоматического оружия требует гораздо больше забот, чем неавтоматического.
Вопросы экономичности и надежности тесно переплетаются в проблеме так называемой живучести. Живучестью называется продолжительность срока службы оружия без нарушения его боевых качеств при минимальном количестве запасных частей. По сравнению с машинами других областей техники автоматическое оружие обладает вообще незначительной относительной живучестью, если срок его службы измерять не абсолютным временем, а временем его действительной работы или числом циклов движения. Действительно, предельное число выстрелов,
А. А. Благонравов—124—2 17
выдерживаемых пулеметом при соответствующем комплекте запасных частей, редко измеряется больше чем сотней тысяч, тогда как каждая машина выдерживает сотни миллионов циклов. Если перевести сотню тысяч выстрелов на время непрерывной работы, то получим величину всего около трех часов.
В проблеме живучести следует подчеркнуть, что наиболее ответственные и важные детали отличаются обычно наименьшей живучестью (например ствол). В этом существенное значение данной проблемы.
§ 2. Полезная энергия пули. Действие пуль по целям
Анализируя формулу мощности стрельбы, следует указать, что критерий для количественного определения величины полезной энергии пули у цели не является безусловным: этот критерий зависит от характера самой цели и от свойств пули (снаряда).
Например, как это подробнее будет выяснено ниже, для действия по живым целям, т. е. в основных случаях применения стрелкового оружия, имеет значение кинетическая энергия пули, но в то же время приобретают известное значение и калибр, и скорость пули (независимо от ее веса); поэтому для надежного вывода живой цели из строя в разных случаях может понадобиться различная величина живой силы пули. .
С другой стороны, применение специальных пуль (снарядов) для каждого вида пули также требует различного подхода к оценке полезной энергии. Например, для действия зажигательной пули характерным свойством является количество тепловой энергии, передаваемой ею цели в чрезвычайно короткий промежуток времени, а кинетическая энергия пули является в этом случае уже второстепенным фактором. Эффективность трасирую-щей пули определяется как полной величиной световой энергии, выделяемой трасирующим составом, так и величиной световой энергии, выделяемой в единицу времени (продолжительность горения и яркость трасы).
Но так как основным видом снаряда для стрелкового оружия является так называемая обыкновенная пуля, предназначенная для действия по живым целям, то для характеристики мощности стрельбы каждого вида оружия в первую очередь следует иметь в виду полезную энергию для действия по живым целям. Особо следует остановиться на действии пуль по защитным преградам, поскольку живые цели в современных условиях боя их широко используют, а в частности, рассмотреть бронебойное действие пуль, учитывая массовые случаи необходимости применять стрелковое оружие по целям, защищенным броней (широкое применение танков в современном бою, „панцырная" пехота).*
Убойность пули. Действие пули на живой организм называют также убойностью. Это действие зависит от нескольких факторов.
18'
Во-первых, пуля должна обладать достаточной пробивной способностью, обеспечивающей глубину проникания ее во всевозможные части организма; пробивную способность в отношении той среды, в которую проникает пуля при попадании в человеческое тело, считают пропорциональной живой силе пули в момент удара, отнесенной к единице площади поперечного сечения. Для современных калибров (6,5—8 мм}, на основании опыта войн, считается достаточной для вывода человека из строя живая сила пули 8 кг-м, для вывода из строя лошади —19 кг-м. Оценивая мощность охотничьих винтовок, исходят из того, что для поражения насмерть наиболее крупных европейских зверей нужно иметь 35 фунто-футов на 1 кв. линию поперечного сечения пули. Если соответственную энергию вычислить для пули 6,5-лл калибра, то получим 21 кг-м. Современное оружие дает подобную величину живой силы пули на самых дальних дистанциях (например 3-линейная винтовка образца 1891/1930 гг. дает при стрельбе легкой пулей образца 1908 г. энергию пули у цели на дистанции 2000 м 17 кг-м}. Поэтому специальных забот об улучшении балистических свойств оружия с точки зрения пробивной способности не требуется1. Однако пробивная способность сама по себе еще не характеризует убойности; большое значение имеет „обширность области поражения" (в полевой хирургии этот фактор называется „боковым действием пули"), т. е. размеры не только самой раны, но и области повреждений по соседству с ней. „Боковое действие" зависит прежде всего от свойств самой области поражения (т. е. той части организма, в которую попала пуля), а также устойчивости пули при движении ее внутри различных тканей организма и способности пули к деформированию. Важность этого элемента убойности заключается в увеличении вероятности поражения наиболее важных для жизни органов и в сокращении промежутка времени между моментом попадания пули и моментом расстройства функций живого организма („останавливающее действие").
С этой точки зрения более убойными являются пули, требующие для правильности движения большей вращательной скорости, так как, теряя вращательную скорость при проникновении в ткани, они скорее потеряют и правильность своего движения. В этом отношении остроконечные пули, например, оказались обладающими бдлыпим боковым действием, чем прежние тупоконечные2. Улучшение формы пули в балистическом отношении (удлинение головной части) одновременно приводит, следовательно, и к увеличению ее „бокового действия". Значение способности пули к деформированию при попадании в человеческое тело особых пояснений не требует (стоит, например, вспомнить пули „дум-дум"); аналогично влияние разрывных пуль.
Характерно влияет на убойное действие скорость пули (независимо от величины живой силы) при попадании пули в ткани
1 Мы не говорим здесь о бронебойном действии.
г См. Э. Ю. Остен-Сакен, Курс полевой хирургии-
19
и области, богатые жидкостью. Современные пули на близких дистанциях в этом случае дают ранения, напоминающие действие разрывных пуль. Это явление можно объяснить тем, что сопротивление жидкой среды движению пули возрастает с повышением скорости; следовательно, при этом пуля теряет бдлыпую часть энергии, и разрушения, ею вызываемые, будут большими при большей скорости; поэтому из двух пуль разного веса, но обладающих одинаковой живой силой, более легкая, пуля даст больший эффект. Нужно заметить, что такое действие пули, называемое „гидродинамическим действием", проявляется лишь при скоростях пули, не меньших некоторого предела (около 700 м/сек). Значительно меньшую роль играют размеры пулевого канала; можно указать только на приводимое некоторыми авторами соображение о большей вероятности внесения инфекции через пулевой канал больших размеров и о более быстром заживлении мышечных ранений при узких каналах1.
Последнее связывается с вопросом о наименьшем „убойном калибре". Этот вопрос нельзя считать определенно решенным. На протяжении всей истории вооружения можно отметить, что переход к меньшему калибру всегда вызывал сомнения в убойности: опасения возникали как по поводу „останавливающего действия" пули, так и по поводу скоротечности выздоровления раненых пулей малого калибра2.
Из опыта войны можно заключить, что наименьший из существующих на вооружении ружейных калибров (6,5 мм), повиди-йому, в отношении убойности не хуже других.
Итак, если говорить о повышении могущества ружейной пули в смысле увеличения эффективности действия ее по живым целям, то здесь следует итти по линии увеличения начальной скорости и балистического улучшения формы пули. Заметим, что эти меры одновременно приводят к увеличению настильности траектории.
Вопрос об „останавливающем действии" пули , имеет особо существенное значение при боевом применении оружия самообороны (или вообще оружия на очень коротких дистанциях), о чем подробнее будет сказано ниже при рассмотрении автоматических пистолетов. Здесь только кратко укажем, что один из факторов, влияющих на останавливающее действие, — это калибр пули при прочих одинаковых данных, например, при одной и той же живой силе пули.
Пробивное действие пуль. Бронебойная способность пули. Живая сила пули в момент встречи с преградой имеет существенное значение для глубины проникновения ее в данную преграду. Однако глубину проникновения пули в преграду нельзя считать, как показывает опыт, только пропорцио
1 Э. Ю. Остен-Сакен, Курс полевой хирургии и К характеристике ранений в русско-японской войне.
2 См. например, Оеtele, Die Wirkting der modernen Infanterie-Spitzge-schosse, Zeitschrlft fiir das Gesammte Schiess u. Sprengstoffwesen, 1914.
20
нальной величине живой силы; можно указать на такие факторы, как калибр, вес пули, ее форма и конструкция, которые также влияют на глубину проникновения.
Для иллюстрации пробивного действия пули по преградам различного характера приведем данные, относящиеся к пуле образца 1908 г., выпущенной из винтовки на расстоянии 50 м от преграды.
Глубина проникновения (в миллиметрах):
в стальную плиту . . . до 6
„ железную „ 12
„ слой гравия 120
„ я песка 700
„ „ земли 700
„ „ мягкой глины . . . . 800
, „ торфа .............. „ 2800
. „ утрамбованного снега . . „ 3500
„ кирпичную стену ............ „ 150 — 200
» дубовую „ ......... „ 700
„ слой соломы.................. „ 4000
Влияние величины живой силы пули при встрече последней с преградой можно иллюстрировать следующим примером: бронебойная пуля образца 1930 г. в 100% случаев пробивает насквозь броню толщиной 7 мм с расстояния меньше 400 м, с расстояния 600 м сквозные пробоины в той же броне встречаются до 75% случаев, с 800 м — менее 50% и с 1 км броня не пробивается.
Как уже упоминалось, особого внимания заслуживает действие пули по броне или так называемая бронебойная способность пули.
Опыт показывает, что бронебойная способность пули зависит от следующих факторов: от качества самой брони, от ее толщины, от скорости пули в момент встречи с броней, от калибра и веса пули, от качеств материала, из которого пуля приготовлена, от формы и конструкции пули и, наконец, от угла встречи.
Вследствие многообразия упомянутых факторов не существует достаточно надежного теоретического метода определения бронебойной способности пули. Существующие формулы, по которым подсчитывается обычно бронебойная способность, неизбежно включают параметры, определяемые чисто’ эмпирическим путем.
Наибольшим распространением пользуется так называемая «Гаврская формула", известная также под наименованием упрощенной формулы Жакоб де-Марра. Эта формула получена из следующих соображений. Если предположить, что сопротивление броневой плиты при пробивании пулей аналогично сопротивлению плиты, продавливаемой пуансоном, то можно было бы по аналогии с формулой, применяемой при расчете работы пробивных прессов, предположить, что кинетическая энергия пули пропорциональна квадрату толщины плиты и периметру пробиваемого отверстия, т. е.
(1)
21
_ t Uti wrf1,5
(2)
<70,к
где b — толщина плиты;
q — вес пули;
v — ее скорость;
£•— коэфициент пропорциональности.
Однако опыт показывает несогласованность этой формулы с действительностью, что следует объяснить различием в условиях динамического действия пули по сравнению со ’статическими условиями приложения усилия в прессах.
Были попытки заменить эту формулу другой, считая кинетическую энергию пули пропорциональной площади пробиваемого отверстия:
w* _ s 2g ~'l° 4 •
Эта формула давала отклонения от действительных величин в другую сторону, чем предыдущая. Тогда была предложена формула, по которой кинетическая энергия прямо пропорциональна среднему геометрическому между площадью и периметром отверстия, кроме того, опытным путем был подобран показатель степени Ь, равный 1,4, при этом формула приобретает вид:
qv* ~2g-откуда
v
где коэфициент пропорциональности, объединенный с прочими постоянными, выражен через А.
Последняя формула (2) получила название Гаврской (Жакоб де-Марра).
Коэфициент Л получил название .цены брони", поскольку основным фактором, определяющим его величину, является качество брони.
Следует, однако, заметить, что свойства самой пули (или снаряда) также должны влиять на величину А. Поскольку d и q (калибр и вес пули) являются величинами взаимозависимыми, удобнее формулу видоизменить следующим образом: вес пули можно выразить, как q = Kd3, где К носит название коэфициента относительного веса (q выражается в килограммах, d — в дециметрах, или q — в граммах, d — в сантиметрах), формула приобретает вид:
ь0,7 ‘V==A ‘
В таком виде формула дает ясное представление, что при увеличении калибра, равно как и при увеличении веса пули при данном калибре, требуется меньшая скорость пули.
Если в формуле (2) или (2а) выразить b и d в дециметрах, а V—-в метрах в секунду, то величина А при различных сортах 22
брони колеблется в пределах 1600 — 2500 (в первоначальной Гаврской формуле А — 1530, что свидетельствовало об относительно низких качествах брони того периода, когда эта формула проверялась на опыте). При ориентировочных расчетах для современной брони значение А следует брать в пределах 2000 — 2400.
Следует заметить, что формула предполагает попадание пули по нормали к поверхности брони (угол встречи равен 90°); в случае отклонения конца траектории от нормали к поверхности брони потребная для пробивания брони скорость увеличивается. В этом случае формулу следует переписать так:
. б0’7 v = mA ,
7<O,5dO,75
где т — множитель, больший единицы, зависящий от величины угла отклонения конца траектории от нормали к поверхности брони а.
Для того чтобы определить величину т, различные исследователи дают различные,выражения в зависимости от а. Так, например, принимают т = 'CQSa ; Кранц считает, что
3 т — sec —а;
1 1 по другим данным можно принять т = и даже т = .
Заметим, что при очень больших скоростях (« > 1200 м/сек) попадания пули в броню приведенная формула (2) не удовлетворяет своему назначению.
Цри наличии больших скоростей бронебойное действие пули качественно отличается от действия при обыкновенных скоростях. Это отличие заключается в следующем: а) приобретает значение не столько живая сила пули, сколько ее скорость (даже при относительно небольшом весе); б) при больших скоростях даже легкие (свинцовые) пули оказывают хорошее бронебойное действие; в) диаметр пробоины превышает диаметр самой пули (выбивание пробки из плиты), на задней поверхности броневой плиты отверстие расширяется в виде воронки, а выбитый металл образует осколки, обладающие некоторой живой силой; г) менее резко влияет на пробивную способность пули отклонение траектории от нормали к броне.
Это качественное изменение бронебойного действия можно уподобить отмеченному выше проявлению гидродинамического эффекта, только проявление этого эффекта в твердой среде обусловлено более высоким значением „критической* скорости.
Явление увеличения бронебойного действия при высоких скоростях экспериментально было обследовано Герлихом. Приводим следующие его данные
В 1931 г. Герлих имел при стрельбе из винтовки Halger-Ultra ф0=1358 м/сек при весе пули 8,15 г и калибре 7 мм. Сравне
3
ние траекторий этой пули и немецкой тяжелой пули весом 12,8 г дает следующее: пуля Герлиха имела скорость, равную начальной скорости пули немецкой на дистанции около 850 л/, время полета на дистанции 1000 м—0,98 сек. против 1,87 сек. германской пули, высоту траектории на этой дистанции около 1,3 м против 4,3 м. Бронебойное действие этой пули характеризовалось следующим:
1) „мягкая" (небронебойная) пуля указанного веса насквозь пробивала броню хромоникелевой стали толщиной 15 мм (механические свойства стали: предел упругости 61 кг)мм?, удлинение 13,5*%), причем в броне выбивалась пробка диаметром 18—20 мм и происходил откол брони с противоположной стороны диаметром около 40 мм\ куски брони получали такую живую силу, что углублялись в сосновые доски за броней на глубину около 30 мм-, 2) испытывались три листа твердой стали, поставленные один за другим (первый толщиной 10 мм, второй — 7,5 мм и третий— 12 мм) на расстоянии 10 см один от другого, причем два последних наклонно под углом 20° (дистанция стрельбы 60 м, t'o:=13OO м/сек)-, первые два пробиты насквозь, в третьем пуля засела на глубине 6—7 мм.
В дальнейшем Герлих получил начальные скорости (для пули весом 6,5 г) г>0 = 1500 м/сек и для пули весом 9 г — около 1400 м/сек, получив пробивание хромоникелевой брони толщиной до 20 мм1.
Итак, вопрос об улучшении балистических качеств современного стрелкового оружия повышением начальных скоростей пуль имеет актуальное значение прежде всего с точки зрения повышения бронебойного эффекта.
Рассмотрение действия специальных видов пуль является особым вопросом, выходящим за рамки настоящей книги.
§ 3. Скорострельность оружия. Значение автоматизации оружия
Под скорострельностью оружия подразумевают число выстрелов, которое оружие способно произвести в единицу времени (минуту). Промежуток времени, протекающий между двумя последовательными выстрелами, слагается: а) из времени, необходимого для перезаряжания оружия; б) из времени, необходимого для нацеливания оружия; в) из времени, необходимого для функционирования всех механизмов, сопряженных с производством самого выстрела (например спускового механизма); очевидно, этот промежуток времени связан с конструкцией и устройством самого оружия, с удобством обращения с оружием и с устройством
1 Литература по вопросу о винтовке Герлиха: 1) Army Ordnance, 1930, т. X, май—июнь; 1931, сентябрь—октябрь; 1932, март—апрель (статья Роне); 1933, январь — февраль (ответ на предыдущую статью); 1933, март — апрель; 2) The -American Rifleman, сентябрь 1930; 3) Zeitschrift fOr das gesammte Schiess-u. Sprengstoffwesen, 1931, декабрь и 1932, № 7; 4) Wehr und Waffen, апрель—июль 1931; 5) Kugel und Schrot, апрель—июнь 1931, 6) Сборник ,Ультра-пуля*.
24
прицельных приспособлений. Перезаряжание оружия .представляет процесс тем более длительный, чем более громоздким патроном оружие обладает. Поэтому скорострельность уменьшается с увеличением калибра.
Основной особенностью автоматического оружия является использование энергии газов, образующихся благодаря сгоранию порохового заряда, для приведения в действие механизмов, выполняющих функцию перезаряжания ствола. При этом процесс перезаряжания совершается во много раз быстрее, чем при перезаряжании вручную, а время перезаряжания фактически почти совмещается с временем, необходимым для действия механизмов,, связанных с производством выстрела.
Необходимые для производства выстрела приемы в автоматическом оружии, таким образом, упрощаются.
Эти свойства и определяют в основном значение автоматизации оружия.
Существует два рода автоматического оружия: 1) оружие, к котором кроме действия основных механизмов автоматизировано и действие механизмов, связанных с производством каждого последующего выстрела; стрелок воздействует на спусковой механизм лишь для производства первого выстрела в серии непрерывно следующих друг за другом выстрелов и для прекращения стрельбы; такой род автоматического оружия называется самострельным, а вид огня — непрерывным автоматическим огнем; 2) оружие, в котором автоматически совершается лишь-процесс перезаряжания ствола; каждый выстрел происходит при непосредственном воздействии стрелка на спусковой механизм; этот род автоматического оружия принято называть самозарядным.
Ведение непрерывного огня в течение длительного промежутка времени осложняется следующим: 1) необходимостью исправления прицеливания, что затруднено в процессе стрельбы; при обстреле площади („стрельба с рассеиванием“) очередь непрерывного огня без тщательной корректуры прицеливания может быть более длительной; 2) необходимостью пополнения запасов; патронов в самом оружии по мере их израсходования (перезаряжание самого оружия — смена магазинов и т. п.).
Применительно к самострельному оружию предельное числа выстрелов, которое может быть произведено при непрерывном огне в минуту, называют темпом стрельбы. Темп стрельбы характеризуется продолжительностью цикла работы механизмов автоматического оружия между двумя последовательными выстрелами и является, таким образом, чисто технической характеристикой оружия. При определении темпа стрельбы остаются без внимания моменты, связанные с прицеливанием оружия и с порядком его питания боеприпасами. Увеличение темпа стрельбы связана со скоростями работы механизмов автоматики и с длиной хода подвижных частей: в этом отношении большое значение имеет длина патрона. При более крупном калибре благодаря увеличе-
25
нию и утяжелению патрона и большей массивности подвижных частей автоматики темп стрельбы меньше, чем для оружия меньшего калибра.
Характеристикой скорострельности, охватывающей и боевые качества оружия, служит практическая скорострельность, под которой подразумевают число выстрелов, производимых в минуту, с учетом затрат времени на прицеливание и перезаряжание оружия (смену магазинов). Эта характеристика в равной •степени применима и для автоматического и для неавтоматического оружия.
В автоматическом оружии практическая скорострельность •обычно выражается значительно меньшим числом выстрелов в минуту, чем темп стрельбы: с укрупнением калибра разница между темпом стрельбы и практической скорострельностью возрастает; в авиационных пулеметах благодаря малой продолжительности ведения огня по данной цели практическая скорострельность приближается к темпу стрельбы.
Наконец, следует указать еще на одну характеристику скорострельности оружия — режим огня, T. е. нормальное число выстрелов в минуту, типичное для данного вида оружия при его боевом применении. При определении режима огня учитывается наиболее эффективный способ ведения огня для данного вида оружия (например стрельба малыми сериями выстрелов в очередях непрерывного огня), а также некоторые технические вопросы, связанные с нормальной эксплоатацией оружия (например ограничение интенсивности огня из соображений относительно излишнего нагрева ствола).
Конкретные цифры, характеризующие скорострельность оружия, будут приведены ниже при рассмотрении видов оружия.
§ 4. Меткость стрельбы. Факторы, влияющие на меткость
Меткость стрельбы -зависит от причин, связанных с устройством самого оружия и его свойствами, от стрелка (обученность, тренировка) и от внешней обстановки (метеорологические условия, освещенность и т. п.).
Эти факторы являются взаимно связанными при влиянии их на меткость: например, устройство оружия может само по себе влиять на степень умения стрелка владеть оружием; различное качество прицельных приспособлений может привести к разной степени влияния освещения на меткость; различные балистиче-ские свойства приводят (подробнее будет указано ниже) к различной степени влияния метеорологических условий на меткость и т. д. Перечисленные факторы общеизвестны.
Поэтому, не вдаваясь здесь в подробный разбор каждого из этих факторов, перечислим их только с той целью, чтобы указать конструктору условия, подлежащие оценке и требующие внимания при проектировании оружия. Именно с этой стороны и будем рассматривать влияющие на меткость причины, прежде всего 26
зависящие от самого оружия непосредственно, а затем, хотя непосредственно от оружия не зависящие, но такие, при влиянии которых величина рассеивания является все-таки функцией балистических и конструктивных данных.
Рассмотрим сначала влияние перечисленных причин на меткость ручного оружия, взяв в качестве примера винтовку.
Свойства самого оружия, влияющие на меткость:
1. Величина отдачи, влияющая на сохранение положения оружия при выстреле. Непосредственно действие отдачи отражается на величине угла вылета. Угол вылета мог бы быть учтен шкалой прицела при его постоянном значении, однако, при различных способах упора винтовки в плечо, прц применении различных упоров при стрельбе угол вылета изменяется, и чем больше отдача, тем резче эти изменения. Кроме того, чрезмерная величина отдачи, влияя на утомляемость стрелка и на его психику, косвенно влияет и на меткость.
2. Конструкция, тщательность изготовления и состояние ствола, отражаясь на меткости, требуют внимания как конструктора, так и производственника-оружейника.
Одним из главных факторов, связанных с влиянием ствола на меткость, служит явление вибрации. Сущность этого явления изложена в § 39. Здесь мы только отметим, что наиболее существенно отражаются на меткости вертикальные поперечные колебания ствола, возникающие при выстреле; форма ствола, толщина его стенок, способ закрепления ствола, его длина — все это сказывается на вибрации. Определение конструктивных данных ствола в связи с этим обычно осуществляется; опытом при толстостенных стволах влияние вибрации меньше; однако такой способ уменьшения вибрации находится в противоречии со стремлением к уменьшению веса винтовки1.
В конструкции ствола немаловажное значение имеет устройство нарезов: длина хода нарезов, которую определяют, как известно, исходя из условий устойчивости пули на полете, и отчасти профиль. Резко сказывается на меткости тщательность обработки нарезов; шероховатость, неровность дна нарезов, грубость обработки поверхности увеличивают рассеивание до 20°/о, особенно сильно влияя на рассеивание в пределах дальности действительного ружейного огня. Последнее определяет соответствующие требования к производству стволов.
Из числа других производственных условий, имеющих значение для меткости оружия, отметим: ограничение допусков при-обработке канала ствола до таких пределов, при которых их влияние практически мало сказывается на меткости2; необходимость заботы о строгой перпендикулярности плоскости дульного среза
1 Примером может служить канадская винтовка Росса, обладающая отличной меткостью, но вследствие массивности своего ствола весящая 4,3 кг без штыка (наиболее тяжелая из всех винтовок кроме швейцарской).
* Подробнее см. § 39.
27
к оси канала ствола (при отклонении этой плоскости на угол а = 1° (черт. 1) — соответствующее отклонение пули на дистанцию 1С0 шагов равно 8 см\ радиус круга, вмещающего половину пробоин, при этом увеличивается на 10%)х. Способ обработки дульного среза также влияет на кучность боя.
Здесь же упомянем о влиянии точности обработки опорных плоскостей ствольной коробки и соответствующих поверхностей боевых выступов затвора; в случае несимметричной обработки таковых вследствие возникновения пары сил, отклоняющей оружие (черт. 2), наблюдается резкое (до 50%) увеличение рассеивания.
Черт. 1.
Черт. 2. Несимметричная обработка боевых выступов затвора.
Значение состояния канала ствола не требует пояснений; состояние ствола зависит, главным образом, от условий службы, хранения оружия и ухода за ним, на долю же конструктора выпадает забота о мерах, приводящих к большей сопротивляемости ствола влиянию неблагоприятных условий его службы и к большей живучести. Наиболее неблагоприятно влияет на меткость износ полей нарезов, раздутость и растертость дульной части и даже самые минимальные искривления ствола; ржавление ствола прогрессивно влияет на степень износа, поэтому борьба со ржавчиной составляет предмет усиленных забот в каждой воинской части. Из всего этого вытекает необходимость выбора для ствола специальных сортов стали, правильной их термической обработки, обеспечения прочности ствола от погиба при случайных ударах; стремление выработать „нержавеющий" сорт ствольной стали — задача, до сего времени еще не получившая вполне удовлетворительного решения.
3. Влияние ложи, соединенной своим цевьем со стволом, сводится к тому, что при неправильной пригонке цевья ствол может получить упругую деформацию изгиба. Опыты с подкладыванием тонких пластинок между стволом и цевьем показали возможность изменения средней точки попадания на дистанцию 100 шагов — до 10 см. То же наблюдается при усыхании и разбухании ложи. Изменение (коробление) деревянной ложи под влиянием различных условий, например при изменении темпера-
1 Н. М. Ф и л а то в, Основания стрельбы из пужей и пулеметов.
28
туры, поэтому также отражается на меткости оружйя, что наблюдается иногда вследствие перегрева ствола. Очевидно подобное влияние ложи на меткость будет сказываться тем сильнее, чем массивней самая ложа. Наличие алюминиевой прокладки между стволом и ложей в некоторых системах автоматического оружия отчасти смягчает влияние нагрева ствола на изменение ложи. Благоприятно сказывается величина некоторого зазора в цевье.
Способ соединения ствола с ложей также может отражаться на меткости. Например, разрезные ложевые кольца, затягиваемые винтами, при чрезмерном подтягивании последних могут привести к погибам ствола.
4. Прицельные приспособления в отношении точности их обработки, точности шкалы, рациональной конструкции, рассчитанной на уменьшение влияния всевозможных причин (загрязнения, величины допусков) на ошибки прицеливания (например оптические), в отношении удобства пользования ими играют для меткости оружия весьма существенную роль.
5. Расположение центра тяжести относительно оси ствола влияет на отклонение ствола от приданного ему положения. Если центр тяжести винтовки, например, лежит правее оси ствола, что обычно и наблюдается (неизбежность нарушения симметричности частей из-за наличия рукоятки затвора, штыка), то при выстреле винтовка будет стремиться отклониться влево. При неизменном положении центра тяжести можно устранить последствия такого
отклонения пристреливанием винтовки; но если центр тяжести меняет свое положение (плохая пригонка штыка, в автоматическом оружии, имеющем магазины большой емкости,— изменение положения центра тяжести по мере опорожнения магазина)1, то это явление отразится на меткости.
Для уяснения зависимости величины отклонений оружия от конструктивных данных рассмотрим, что происходит при выстреле, если центр тяжести оружия смещен относительно оси канала на расстояние г (черт. 3). Для упрощения не будем рассматривать опорной реакции (т. е. положим, что оружие не имеет упора). Тогда, приводя действие давления на дно канала ствола Р к паре сил Рг и силе, приложенной к центру
Prdt = Id®, уравнение, служащее для определения оружия при выстреле, где I—момент
тельно оси вращения и <в — угловая скорость вращения оружия.
Черт. 3.
тяжести, получим:
вращательного движения инерции оружия относи-
1 Это будет иметь особенное значение для ручных пулеметов.
29
Нас интересует положение ствола в момент вылета пули — tceK. t
Интегрируя уравнение от 0 до t и замечая, что §Pdt = ту0*, о где т — масса пули и щ—начальная скорость, получим:
mrv0 = /о>о-
Заменяя в уравнении тги = /со величину угловой скорости в дан-о dy
ныи момент о) = и интегрируя вторично, имеем:
t mr fvdt = /<р, О
где ? — искомый угол отклонения ствола от первоначального положения. Или
1ПГ Г л 1ПГ Т = —у- J v dt = -J- Z, о
где L — длина нарезной части ствола. Видим, что, чем тяжелее пуля, длиннее ствол и легче оружие* 1, тем чувствительнее будет оружие к расположению центра тяжести в смысле меткости.
6. Устройство пули отражается существенно на меткости. Выше уже было упомянуто, что необходимая для обеспечения правильности полета пули на протяжении всей траектории скорость вращательного движения зависит от положения центра тяжести пули, распределения ее массы и ее длины. Для пуль, имеющих относительную длину, превышающую пять калибров, обеспечение правильности полета на большие дальности потребовало бы большой крутизны нарезов, поэтому обычно упомянутую длину считают предельной длиной пули. На меткость оружия влияет точность изготовления пули не только в смысле ограничения весовых допусков, но и в смысле симметричного распределения массы пули относительно ее геометрической оси, в смысле точности и полного однообразия очертаний, и положения центра тяжести. Неточность изготовления пули весьма резко сказывается на меткости, особенно в случае пули наиболее выгодной балистической формы (имеющей суженную хвостовую часть). Американская пуля образца 1925 г. (boat-tailed bullet) дала хорошие результаты по меткости только после весьма тщательной в смысле точности изготовления постановки производства патрона. Помимо конструкции пули для меткости имеет значение прочность оболочки, обеспечивающая от срыва пули с нарезов, однородность пуль в отношении сопротивления их давлению газов в канале
* Импульс давления на дно канала и на дно пули будет одинаков.
1 Ибо для винтовки габарит является довольно определенным, и момент инерции I определяется преимущественно весом.
30
(однообразие деформации пули при выстреле). Влияние допусков в наружном диаметре пули аналогично влиянию допусков в канале ствола. Наилучшие результаты по меткости получаются, когда наибольший диаметр (диаметр ведущей части) пули в точности равен диаметру канала по нарезам.
7. В отдельную группу факторов, влияющих на меткость, выделим балистические свойства оружия. Здесь представляют интерес две стороны: каковы должны быть балистические данные, чтобы определенные относительные отклонения этих данных от их средних величин минимально отражались на рассеивании, и такие меры следует принять при проектировании оружия, чтобы уменьшить величину этих отклонений.
Первое сводится к нахождению такой комбинации калибра, веса пули и начальной скорости, при которой неизбежные колебания веса пули (вернее, вообще ее балистического коэфициента)-и начальной скорости приводили бы к наименьшему рассеиванию, а влияние ошибок в определении дальности сказывалось бы наименее чувствительно на поражении цели.
Общеизвестным фактом является то, что именно последнее соображение приводит к стремлению иметь возможно более настильную траекторию для стрелкового оружия; при этом обычна ссылаются на увеличение дальности прямого выстрела, расширяющее возможности пользования постоянным прицелом. Если произвести подсчет при одном выстреле вероятности поражения широкой цели, имеющей высоту головной мишени, на дистанцию 50 м для нашей 3-линейной легкой пули и для новой американской (имеющей улучшенную форму, вес—11,15 г) при и0—807 м)сек для последней, причем траектория американской пули будет настильнее, то вероятность поражения цели в случае срединной ошибки в определении дистанции 40 л в первом, случае получается 8,09%, а во втором 9,04% (при подсчете предполагалось, что рассеивание траекторий в обоих случаях одинаково и равно табличному для автомата). При срединной, ошибке в определении дистанции 80 м, (что вполне возможна при глазомерном определении дистанции рядовым стрелком) соответственные величины вероятности поражения получаются 5,66% и 6,8%. Для наглядного представления о значении настильной траектории в этом отношении приведен график (черт. 4), показывающий изменение вероятности попадания в указанную выше цель при стрельбе на дистанцию 850 м в зависимости от положения цели относительно конца средней траектории для обеих пуль.
Из приведенных цифр видим, что значение настильности траектории тем больше, чем больше ошибка при определении дистанции.
Оценим теперь влияние на отклонения траектории изменения начальной скорости. Так как отклонение по нормали к траектории для случая стрельбы из винтовки (прицельной стрельбы — при очень малых углах прицеливания) можно считать почти совпа-зь
лающим с вертикальным отклонением, то последнее и будет характеризовать рассеивание траекторий; поэтому берем известную формулу внешней балистики для отклонения траектории по высоте в зависимости от изменения г/0:
пули весом 9,6 г; пунктирная — для американской пули.
Подсчеты, произведенные по этой формуле, приводят к выводу: чем больше настильность траектории на данной дистанции, тем меньше влияют колебания начальной скорости на рассеивание траекторий (см. табл. 1).
Таблица 1
Изменение высоты точки попадания при изменении начальной скорости на 2%
Изменение высоты Легкая пуля 3-линейной винтовки образца 1891 г. м Американская пуля образца 1925 г. м Пуля улучшенной формы 7-мм калибра, вес 9,6 г. при г0== 842 м]сек м
При стрельбе на дистанцию 500 м При стрельбе на дистанцию 2500 м Влияние изменения траектории выразится ф 0,095 8,600 веса пули н ормулой 0,08 7,20 :а вертикалы 0,08 6,90 ные отклонения
sin (0f — ср) Ас cos ср cos с *
32
где с — балистический коэфициент, как известно, зависящий от веса пули. Решающее значение при настильной стрельбе в этой формуле имеет величина sin (9^ — <р): чем меньше эта величина, т. е. опять-таки чем настильнее траектория, тем меньше Ду (см. табл. 2). Следует заметить при этом, что с изменением веса изменяется всегда и начальная скорость.
Таблица 2
Влияние изменения на 1% веса пули на отклонение траектории
Пули Вес г Калибр мм Начальная скорость м/сек Отклонение по высоте (в м) на дистанции
500 м | 1200 м 2500 м
Русская . . . Типа американской1 . . . 9,6 . 7,62 870 0,012 0,262 6,65
11,5 7,0 770 0,006 0,145 3 58
То же 9,6 7,0 842 0,006 0,142 3.86
8,3 6,5 860 0,006 0,150 3,80
Для оценкй настильности траекторий пуль, приведенных в табл. 2, помещаем табл 3.
Таблица 3
Данные траекторий пуль, приведенных в табл. 2
Пули Калибр м м Вес г ^0 м]сек Дистанция 500 м Дистанция 2500 м
угол бросания угол падения высота траектории угол бросания угол падения
Русская . . . Типа амери- 7,62 9,6 870 17'30" 25 30" 0,73 9° 23°
канской . .* Типа амери- 7,0 11 5 770 17'40" 20'40" 0,71 3°52' 11°55'
канской . . Типа амери- 7,0 9,6 842 15'15* 19'20" 0 62 4°03' 12с42'
канской . . 6,5 8.3 860 14'35" 18'30" 0 60 3'56' 12° 23'
И здесь приходим к выводу, аналогичному предыдущему: с целью уменьшения влияния колебаний, как веса пули, так и начальной скорости на рассеивание следует стремиться к таким балистическим данным, которые приводят к наиболее настильной траектории.
Как видно из таблиц, влияние колебаний начальной скорости и веса пули на рассеивание весьма невелико для дистанции 500 м, но с возрастанием дистанции увеличивается весьма сильно; поэтому учет этих факторов гораздо более важен при выборе
1 Коэфициент формы принят одинаковым с американской пулей образца 1925 г.
А. А. Благонравов—124—3
33
балистических данных для пулемета (о чем речь будет иттн ниже), чем для винтовки. Однако колебания начальной скорости приводят к понижению меткости и на небольших дистанциях, но не вследствие изменения траектории, а из-за вибрации ствола: при различной скорости движения пули в канале ствола момент вылета соответствует различным фазам колебаний ствола; следовательно, влияние вибрации тем сильнее будет отражаться на меткости, чем больше пределы изменения начальной скорости.
Рассматривая вторую сторону вопроса — меры к уменьшению отклонений г»0 и веса пули от их средних значений, — прежде всего следует указать на необходимость точности изготовления патронов. Однообразие пороха, минимальные, практически возможные допуски в его навеске, объеме гильзы, весе пули будут необходимыми условиями. Большое значение имеет подбор соответствующего сорта пороха, если речь идет о проектировании нового оружия с новым патроном. Обеспечение возможной полноты сгорания заряда при выстреле должно составить важную задачу при проектировании оружия. При этом следует учесть, что полученная балистическими теоретическими подсчетами длина пути пули в канале, отвечающая полному сгоранию заряда, может значительно отличаться от своей действительной величины, так как теоретические формулы исходят из ряда допущений, оставляющих в' стороне некоторые действительные условия (например неполную одновременность воспламенения заряда). Благодаря этому при теоретических подсчетах необходим некоторый запас времени на горение заряда (если вести подсчет по методу Бианки, то для 3-линейной винтовки получается при существующем патроне ZK=0,65£, где ZK — длина пути пули к моменту полного сгорания заряда, a L — полная длина пути пули в канале; между тем незначительное укорочение ствола приводит к весьма заметному неполному сгоранию заряда). Неполное сгорание заряда ведет к резким отклонениям в величине начальной скорости.
Приведем результаты опытов, проделанных в этом направлении еще в 1891 г.
Таблица 41
Длина Среднее значение начальной скорости м!сек Отклонение начальной скорости Примечание
ствола мм
м]сек %
800 650 12 1,85
700 638 12 1,88
600 620 18 2,90
500 605 15 2,50 Отмечено неполное сго-
400 580 25 4,30 рание заряда
300 550 30 5,45
1 Данные из „Ежегодника ЕбЬеГя’ 1891 г.
34
Из числа допусков при выработке патрона укажем еще один, пределы которого отражаются на величине начальной скорости: это допуск в усилии обжатия дульца гильзы. Сила, которую необходимо приложить к пуле для извлечения ее из гильзы, войдет составной частью в усилие „форсирования" пули; в различных образцах патронов эта сила имеет различную величину и иногда для одних и тех же патронов колеблется в широких пределах (например 35—80 кг).
По немецким опытным данным1, влияние усилия обжатия дульца отражается на величине v0 и наибольшем давлении следующим образом:
Vo м/сек
При необходимой для извлечения пули силе 10 кг 825 . » » » » » 20 „ 836
. . . , „ . 30 . 847
Р max кг/см2
2620 2840
Абсолютная величина этих цифр требует поверки, ибо таких резких колебаний, например в нашем патроне, несмотря на большое разнообразие усилий обжатия, не наблюдается; но во всяком случае этот вопрос заслуживает внимания.
Следующую группу причин, влияющих на рассеивание, составляют причины „внешнего характера"; сюда относятся атмосферные условия. Здесь нас может интересовать лишь то, в каком направлении следует производить выбор балистических данных с целью уменьшения влияния этих причин. Влияние плотности воздуха, отражаясь на балистическом коэфициенте, при оценке отклонений траектории определяется по формуле, приведенной выше для учета влияния изменений веса пули; следовательно, в этом случае и вывод остается таким же: настильная траектория выгодна и здесь. Влияние ветра наиболее существенно при стрельбе из оружия малых калибров; его можно учесть по простейшим поправочным формулам; изменение дальности при продольном ветре:
Дх = w ( Т—х-----tg ? й Y
\ Vo COS tg 0с г
боковое отклонение:
z = w sin w Т-------— ,
L v0cos<p J’
где w — скорость ветра;
ш — угол, составленный направлением ветра с плоскостью стрельбы;
Т —время полета;
х —дистанция.
В обеих формулах решающее значение имеет величина Т— время полета; так как уменьшение времени полета совпадает с увеличением настильности траектории (увеличение г»0 и улуч
1 Заимствовано из журнала „Zeitschrift fur das gesammte Schiess- u. Spreng-
stoffwesen*1.
35
шение формы пули), то и в этом случае более настильная траектория предпочтительнее. Отметим, что для малых калибров имеет значение „порывистость" ветра. Отдельный порыв ветра, оказывающий незначительное влияние на артиллерийские снаряды, существенно может сказаться на отклонении пули.
8. Остается упомянуть о рассеивании, зависящем от стрелка. Причинами рассеивания в этом случае являются ошибки прицеливания и толчок при спуске курка; обе эти причины вызывают рассеивание, различное по величине у различных стрелков. Ошибки прицеливания, завися от индивидуальности стрелка, в то же время определяются: а) ошибками в измерении дистанции; б) качеством прицельных приспособлений (их устройством, длиной прицельной линии, удобством пользования, приспособляемостью к ним стрелка, точностью шкалы и точностью изготовления и пр.).
Требования, предъявляемые к спуску в отношении его плавности, небольшого усилия, короткости, наличия предупреждения, обусловлены повышением меткости оружия, но одновременное конструктивное осуществление всех этих требований практически трудно разрешимо.
Балистические свойства оружия можно считать не играющими роли для величины отклонений, зависящих от последней группы причин. Действительно, производя подсчет отклонения траекторий при изменении угла бросания ср:
Ду = х Д?,
tg2? *’
найдем, что при незначительности угла ср, как для винтовки, 'Ду почти постоянно для одной и той же дистанции при данном Д<р, независимо от балистических данных траектории.
Если взять автоматическое оружие, устанавливаемое на станке (установке), например пулемет, то перечисленные факторы, влияющие на меткость оружия, сохраняют свое значение, но удельный вес того или иного фактора во всем их комплексе может меняться.
Так, несколько иным по характеру действия на меткость оружия будет влияние отдачи, хотя величина отдачи всецело связана с вопросом устойчивости оружия при стрельбе и для рассматриваемого случая. Вместо влияния ложи будет налицо влияние станка в смысле его конструкции, устройства, связей оружия со станком, наличия зазоров в сочленениях опорных деталей; следует отметить, что количественно влияние станка на меткость оружия может быть настолько существенным, что оно окажется основным фактором, определяющим рассеивание выстрелов и поглощающим влияние всех остальных факторов1.
1 Подробнее об этом см. В. Малиновский, Основания проектирования пулеметных станков и установок, Оборонгиз, 1940.
36
Некоторые свойства автоматического оружия служат добавочными причинами рассеивания выстрелов при стрельбе. Сюда относятся толчки и удары, которые оружие получает при работе автоматики.
При различных условиях боевого применения оружия относительное значение перечисленных факторов для меткости стрельбы может быть различным: например, для винтовки, огонь которой используется преимущественно на ближних дистанциях боя, наиболее существенное значение приобретают причины рассеивания, связанные со стрелком, потому что на ближних дистанциях абсолютная величина рассеивания из-за ошибок прицеливания, влияния спуска и т. п. больше, нежели величина рассеивания, связанная с балистикой оружия; наоборот, для станковых пулеметов при стрельбе на дальние дистанции преимущественное значение будут иметь последние причины.
С вопросами меткости стрельбы имеет непосредственную связь проблема стабильности боя оружия. Под стабильностью боя подразумевается отсутствие расстройства из-за различных причин связи выверенной прицельной линии с направлением полета пули, как-то: влияния разборки и сборки оружия, метеорологических условий и пр. Для винтовки в силу указанных выше причин существенную связь с вопросом стабильности боя имеет устройство и качество ложи.
§ 5. О весовых данных оружия
Необходимость учета всего комплекса требований при проектировании и оценке оружия. Как было указано, среди требований, относящихся к обеспечению маневренных качеств оружия, важнейшее место занимает вопрос получения минимального веса оружия по возможности без ущерба другим его свойствам.
Вес оружия, прежде всего, стоит в прямой связи с могуществом выстрела. Для каждого типа оружия существует определенное соотношение между весом оружия и величиной дульной энергии. Это соотношение можно выразить формулой:
= (3)
где Ео = ~2~-дульная энергия пули (снаряда) в кг - м;
Q — вес оружия;
т) — отношение дульной энергии к весу оружия, называемое характеристикой мощности или коэфи-циентом использования металла.
Характеристика мощности принимает различное значение для различных видов и типов оружия: так, для винтовок среднее значение т) изменяется в пределах от 80 до 100 кг • м)кг, для военных образцов пистолетов — около .45 — 50 кг • м/кг, для станковых пулеметов (с учетом веса станка) — от 8,5 до 11,5.
37
В случае станковых пулеметов в понятие веса системы можно включать либо полный вес со станком, либо вес оружия без станка; в зависимости от этого величина т) характеризует либо рациональность комплексной конструкции (со станком), либо рациональность конструкции самого оружия (пулемета без станка). Чем больше значение величины т) для данного типа оружия, тем рациональнее конструкция оружия. Величина -») отражает, таким образом, успехи в деле конструирования оружия и с развитием техники увеличивается. Пользуясь средним значением -г) для данного типа оружия, можно приближенно определить ожидаемый вес оружия при его проектировании, исходя из балистических данных.
Для увеличения т) или, что то же самое, для уменьшения веса оружия при определенных его балистических данных, мероприятия могут итти по нескольким направлениям. Главнейшие из них: а) тщательное продумывание конструкции с точки зрения максимальной компактности деталей оружия; б) удаление излишнего металла со всех деталей оружия и в первую очередь с деталей, не несущих нагрузки при работе оружия; это мероприятие иногда приходит в противоречие с требованиями производственной простоты изготовления деталей, заставляя усложнять конфигурацию деталей; в) тщательный анализ вопросов прочности деталей, возможное уменьшение нагрузок на них применением рациональных схем механизмов; г) применение качественных сортов металла, обеспечивающих большую прочность деталей при относительно меньшем объеме; данное мероприятие встречает иногда возражения с экономической стороны, поскольку всегда желательно избежать таких сортов качественных сталей, которые содержат дефицитные и дорогие компоненты или связаны с дороговизной изготовления и обработки.
Во всяком случае проблема снижения веса оружия решается совместными усилиями и успехами конструкторов, технологов и металлургов.
Перечисленные выше остальные категории требований не нуждаются в особых пояснениях. Следует заметить только, что, как при проектировании нового образца оружия, так и при оценке изготовленного образца должен быть принят во внимание весь комплекс требований к оружию.
Для пояснения возьмем, например, такой этап проектирования, как балистический расчет нового типа оружия. Решение балистической задачи должно исходить из условия обеспечения требуемой в соответствии с боевым назначением оружия мощности стрельбы: это условие обеспечит данные для выбора начальной скорости и веса пули (снаряда); однако из всех возможных вариантов надо выбрать такой, который обеспечивает, и необходимые маневренные качества (вес боеприпасов и вес самого оружия, зависящий от патрона), и необходимую меткость стрельбы (например, обеспечение полноты сгорания пороха в канале ствола), и надежность оружия (например, возможное снижение 38
давления пороховых газов позволит легче обеспечить вопрос прочности и живучести ствола и затвора), и экономичность (например, возможное уменьшение веса заряда при современных массовых запасах боеприпасов может обеспечить серьезную экономию).
§6. Выбор калибра стрелкового оружия
При возникновении нового типа стрелкового оружия приходится решать вопрос о выборе балистических данных. Конкретное решение зависит от назначения калибра оружия. Со времени перевооружения армий (в 80-х и 90-х годах прошлого столетия) основной калибр стрелкового вооружения остается неизменным, снизившись до 6,5 — 8 мм. Образцы, появившиеся позднее, как йравило, проектировали, исходя из условия применения к ним уже имевшегося на вооружении патрона. Это условие ’ диктовалось соображениями о необходимости использования тех колоссальных запасов боеприпасов, которыми обладают современные армии, и соображениями о возможно полном сохранении налаженного производства, так как каждое, даже незначительное, изменение в оружии влечет за собой необходимость значительных переделок в производственном процессе.
Таким образом вопрос о сохранении штатного патрона имеет серьезное экономическое значение, и переход к новому патрону для основных образцов систем стрелкового вооружения может быть оправдан лишь соображениями о весьма значительных боевых и технических преимуществах, получаемых оружием при новом патроне.
Исключения из этого правила встречались очень редко: например, можно указать на принятие на вооружение французской армией ручного пулемета образца 1924 г., имеющего калибр 7,5 мм, а следовательно, и патрон, отличный от винтовочного патрона (применяемого и для станковых пулеметов), калибра 8 мм. В данном случае во французской армии пошли не только на создание нового патронного производства, но и на усложнение системы боевого питания, поскольку в системе вооружения оказались разнотипные патроны; однако это мероприятие несомненно обеспечило возможность создания более совершенного образца ручного пулемета, чего не достигли бы при применении старого лебелевского патрона.
При решении вопроса о выборе калибра для конкретного вида оружия необходимо исходить из условий боевого применения оружия и из тех задач, которые оружие должно решать, при этом должны учитываться все перечисленные выше требования, оформляемые .в виде конкретных тактико-технических требований, предъявляемых к данному образцу. Поэтому пути анализа вопроса о наивыгоднейшем калибре оказываются различными для каждого вида оружия и по своему многообразию, а также по ряду соображений о необходимости пользоваться
39
применительно к новым видам оружия материалами секретного порядка, не могут быть изложены в настоящей книге.
Поэтому здесь мы ограничимся разбором примера решения вопроса о наивыгоднейшем калибре применительно к винтовке.
Изложим сначала общие соображения о балистике винтовки.
Балистика оружия определяется условиями боевого применения оружия. В число этих условий входят следующие: а) объекты действия данного вида оружия; б) дистанция, до которой должен применяться огонь. Степень усовершенствования балистики зависит от технических возможностей данного момента, но встречает известный предел, определяемый условиями удобства применения в бою, главным образом, условиями маневренного характера. Иными словами, улучшение балистических качеств данного вида оружия в желаемом направлении обычно теоретически может быть разрешено теми или иными путями, но, параллельно при этом развиваются отрицательные свойства, противоречащие основным требованиям, которые могут заставить отказаться от применения такого оружия. Увязка разносторонних требований-к оружию в конечном итоге и приводит к вполне определенному типу оружия, выполняющему в бою роль, ограниченную теми рамками, в которых применение этого оружия имеет достаточную целесообразность.
До мировой войны винтовка являлась универсальным вооружением пехоты, выполнявшим многообразные огневые задачи в различные фазы боя и на различных дистанциях. В течение войны, с развитием автоматического оружия, с насыщением пехотных частей пулеметами, произошла диференциация задач по отдельным видам стрелкового вооружения.
Наставлением по стрелковому делу РККА (НСД38) винтовка определяется как „основное оружие стрелка для поражения противника огнем, штыком и прикладом. Она является наиболее действительным средством для поражения одиночных живых целей (открытых, маскированных, двигающихся и появляющихся на короткое время). Наилучшие результаты стрельбы из винтовок . получаются на расстояниях до 400 м. Сосредоточенный огонь стрелков применяется для поражения групповых целей на расстояниях до 800 м и штурмующих самолетов на расстояниях до 500 м. Снайперы поражают цели на расстояниях до 800 ма.
Между тем во всех армиях винтовка с 80—90-х годов прошлого столетия претерпела весьма незначительные изменения. Наиболее существенным изменением балистических свойств винтовки является изменение, связанное с принятием остроконечной пули. То, что винтовка в настоящее время сделалась оружием преимущественно для боя на ближних дистанциях, должно иметь определенные причины. В основном эти причины лежат в развитии пулеметов, так как на дальних дистанциях пулемет гораздо легче справляется с задачей поражения современных 40
групповых целей, чем винтовка. Возникает вопрос, чем определяется граница, за которой огонь винтовки начинает терять свои качества.
Очевидно, действительность ружейного огня на определенной дистанции достигает некоторой величины, до которой применение ружейного огня наиболее целесообразно. Понятие о действительном ружейном огне —понятие условное; трудно установить конкретные признаки той границы, за которой ружейный огонь перестает быть „действительным"; обычно понятие „действительности" огня связывают с некоторой определенной дальностью, но эта дальность — величина переменная, зависящая от степени развития и военной техники, и военного искусства. В зависимости от состояния других средств вооружения пехоты, от тактики, от средств защиты меняется критерий оценки „действительности" огня.
В литературе 90-х годов можно, например, встретить определение границы действительного ружейного огня как границы, за которой пули перестают рикошетировать, причем этот критерий выводится из соображений о якобы сильном моральном действии рикошетирующих пуль. В современных условиях, когда изменилась система вооружения в смысле количественного увеличения мощных огневых средств, изменились приемы борьбы, изменилась и вероятность поражения целей, типичных для современных условий боя, вследствие большой их раздробленности, вследствие „пустоты полей сражения", вследствие того, что цели, против которых применяется винтовка, стремятся иметь значительно меньшую уязвимую поверхность, чем это было раньше. Можно заметить, что дистанция прямого выстрела по головной мишени для современных винтовок равняется приблизительно 400 м (точнее для нашей винтовки 375 ж). А так как размеры головной мишени примерно соответствуют типичным в современных условиях боя размерам целей, с которыми приходится иметь дело стрелку, вооруженному винтовкой, то значение этой дистанции для „действительности" огня делается ясным. Отсюда, исходным пунктом при выборе ‘балистических данных для вновь проектируемой винтовки следует выбрать дальность прямого выстрела по цели указанного выше размера. Очевидно, чем больше эта дальность, тем более мощное оружие будем иметь; таким образом балистические свойства винтовки определяются получением наиболее настильной траектории на дистанциях ружейного огня.
Поэтому понятно, что на основании опыта мировой войны большинство уставов всех армий определило дистанцию 400 м как дистанцию действительного одиночного ружейного огня. Однако в руках хорошо обученного стрелка винтовка является прекрасным средством для поражения живых целей на гораздо более дальних дистанциях. Этим объясняется то внимание, которое уделяется вопросам качества стрелковой подготовки в войсковых частях.
41
Данные совреме
Государство Система Год Калибр, мм I । Вес, кг
без штыка i со штыком
А. Магазинные винтовки
Австрия Манлихер 1895 8,0 3,65 4,02
Англия Ли-Энфильд 1914 7,7 4,15 4,45
Бельгия Маузер 1889 7,65 3,90 4,35
Германия 1898 7,92 4,10 4,52
Германия 1936 7,92 3,9 4.36
Голландия Манлихер 1895 6,5 4,30 4,67
Дания Краг-Иоргенсон 1889 8,0 4,25 4.48
Испания Маузер 1893 7,0 4,00 —
Италия Манлихер-Каркано 1891 6,5 3,90 4,24
Италия — — 7,35 34 3.67
Канада Росс 1910 7,7 4,30 4,5
Норвегия Краг-Иоргенсон 1894 6,5 4,00 —
Польша Маузер 1924 7,9 3,98 4.46
Румыния Манлихер 1893 6,5 4,00 —
США Спрингфильд 1917 7,62 4,17 —«
Турция Маузер 1903 7,65 з,ео —«
Франция Лебель 1907/1915 8,0 4,20 4,5
Франция Сен-Этьен 1936 7,5 3,72 —
Чехословакия Маузер 1924 7,9 4,08 4,48
Швейцария Шмидт-Рубин 1889/1896 7,5 4,30 4,73
Швеция Маузер 1896 7,0 3,97 4.32
Япония Арисака 1897 6,5 3,90 4,2
Б. Автоматические винтовки
Мексика Мондрагон 1907 7,0 4,12 —
Спрингфильд 1916 7,62 —
Томпсон 1923 7,62 4,48 —«
США 1923 7.62 5.02 —
vLLl/A. Гаранд 1928 7,62 4,47 —
1928 7,0 4,47 —
Педерсен 1928 7,0 4,0 —
США Ml 1936 7,62 4,05 —
Англия Фаркар-Хилл —- 7,7 4,5 —
Италия Скотти 1930 6,5 4,05 —
Чехословакия ZH29 1929 7,92 4,2 । —
Из перечня данных современных магазинных винтовок, собранных в табл. 5, подчеркнем следующее.
Длина без штыка колеблется в пределах 1,1 — 1,33 м-, вес винтовки без штыка от 3,65 до 4,6 кг (Швейцария); число патронов в магазине не менее пяти; длина ствола 600—800 мм (80— ПО калибров). Весовые данные в зависимости от калибра в среднем дают такую картину:
Калибр 6,5 мм средний вес 3,9 кг . 7,0 . . . 4,05 .
, 7,5—8лл » » 4,1 ,
42
ных винтовок
Таблица 5
Длина, мм Длина ствола, мм Число i нарезов । Глубина нарезов, мм\ Ширина нарезов, мм Длина хода нарезов, мм Вес, г Начальная скорость, м!сек Число патронов 1 в магазине
без штыка со шты-I ком патрона пули заряда
1270 1520 765 4 0,203 3,5 250 28,65 ' 15,8 2,75 620 5
1170 1470 660 5 — — 254 25,25 11,27 2,43 740 5
1270 1529 780 4 0,14 4,55 250 — — 860 5
1250 1460 740 4 — 240 23,75 10 3,05 895 5
1110 1360 — 4 — — — — — — 755 —
1290 1660 791 4 0,15 2,5 200 21,1 8 285 840 5
1330 — 837 6 0,14 — 300 28,8 12,7 3,12 770 5
1230 — 739 4 — — 220 25,1 10 3,27 860 5
1280 1580 780 4 0,15 — 520/200 22,67 10,5 2,25 700 6
1020 1195 — — — — — — — — 757 —
1270 - 774 4 — — 254 — 11,27 — 732 5
1270 765 4 — — 200 23,37 9 3,2 830 5
1100 1430 590 4 — — — 23,7 10 .— — 5
1230 — 725 4 — — 200 —. — । — 730 5
1170 — 660 5 — — 254 25,5 9,72 3,24 820 6
1240 — 740 4 0,105 4,2 208 24,1 10 1 3,0 833 5
1307 2050 804 4 — 240 27,6 12,8 3.0 700 5
1092 — — — — — — — — — 800 8
1100 1400 590 4 — — 240 24,6 10 3.0 820 5
1300 1595 780 3 0,10 3,8 270 26,3 11,3 3,2 825 12/6
1260 1725 740 4 — — 200 23,6 10,1 2,36 710 5
1270 1600 789 6 — — 200 21,0 9,02 2,14 730 5
1150 — — — — — — — — 712 10
1220 — 610 — — —
1220 — 610 — — — — — — — — —
— 609 —— - —- —— — — _— —
— 609 — — — — 19.8 8,1 1,95 820 —
1140 — 609 & — —. 229 19,8 8 — 820 10
1020 — — — — — —- — — — 820 —
ИЗО — 619 -—. — — — — — — — —
1380 — — — — — — — — — 700 6
1140 — — — — — — — — — 820 5/10
Начальные скорости изменяются в пределах 620—900 м[сек (см. табл. 5).
Говоря о балистических данных винтовки, нужно исходить из следующего: 1) винтовка предназначена для действия по живым целям; 2) увеличение мощности винтовки должно итти по линии увеличения дальности прямого выстрела по цели размеров, наиболее типичных для современных условий боя; вертикальный размер цели примем около 40 см, что отвечает размерам проекции лежащего стрелка на нормаль к траектории. Также отмечалось, что с целью увеличения убойности пули следует стремиться к большим скоростям движения пули, что живая сила
43
пуль современных патронов в отношении убойности сама по себе не требует забот об ее увеличении; кроме того, мы отметили, что для улучшения меткости винтовки нужна такая комбинация балистических данных, которая ведет к увеличению настильности траектории.
Меры, при помощи которых можно увеличить настильность траектории, известны: улучшение балистической формы пули, увеличение начальной скорости, увеличение поперечной нагрузки пули (если бы таковое возможно было без снижения начальной скорости). Однако все эти меры имеют практический предел, определяемый, с одной стороны, возможностью получения желаемых величин при современном состоянии техники, а с другой, тем, что с изменением, например, веса и начальной скорости пули оружие приобретает некоторые качества, препятствующие его принятию на практике. Отдача оружия играет весьма значительную роль при оценке качеств ручного оружия: существует известный предел величины отдачи, при переходе которого винтовка делается неприемлемой в качестве военного оружия вследствие сильного психофизиологического воздействия большой'отдачи на стрелка. Поэтому величина отдачи ставит предел изменения балистических данных винтовки, направленного в сторону увеличения настильности траектории. Поскольку речь идет об „ощущениях" стрелка, воспринимающего действие отдачи оружия, естественно, что выбор меры для изменения действия отдачи затруднителен1.
Выстрел из автоматической винтовки действует иначе на стрелка, чем из обыкновенной; чтобы уяснить это, достаточно представить себе характер изменения реакции руки и плеча стрелка, являющихся опорами винтовки при выстреле.
В случае неавтоматической винтовки давление пороховых газов на дно канала является тем усилием, которое передается стрелку; частично это усилие компенсируется, пока пуля движется в канале ствола, силой трения пули, стремящейся двигать ствол вперед; при вылете пули последняя сила мгновенно исчезает, а реакция газов на дно канала остается, убывая затем до нуля; поэтому реакция опоры сначала возрастает с увеличением давления газов в канале, затем уменьшается, а в момент вылета пули получает резкое изменение, воспринимаемое как толчок; это изменение довольно значительно, так как статическое измерение силы трения пули в канале ствола дает величину около 60 кг (в наших опытах от 58 до 70 кг).
Действие выстрела на стрелка при автоматическом оружии зависит от устройства самого оружия (в этом легко убедиться при стрельбе из образцов оружия, сконструированных на различных принципах). Например в оружии с подвижным стволом (черт. 5) давление пороховых газов будет восприниматься опорой-не непосредственно, а через усилие пружин Р и Q; при
1 Для уменьшения отдачи можно поставить на винтовку дульный тормоз; однако это мероприятие не всегда желательно.
44
ударе движущихся частей в крайнем их положении (что почти всегда имеет место) соответствующий толчок передается опоре. Сила этого толчка зависит от непоглощенной пружинами энергии движения подвижной системы. Возвратные пружины в винтовках не могут быть чрезмерно сильными, так как это осложняло бы ручное перезаряжание для первого выстрела. Энергия же подвижной системы зависит от ее веса. Последнее вытекает из того, что источником движения независимо от системы автоматики является давление пороховых газов, дающее определенный импульс и, следовательно, определенное количество движения системы. Энергия же подвижной системы, как величина, пропорциональная квадрату скорости, будет тем больше, чем меньше вес ее частей. Поэтому при стремлении уложиться в малый вес винтовки, можно получить достаточно большую кинетическую энергию, не поглощенную работой пружин.
Черт. 5. Схема автоматического оружия. а — с подвижным стволом; б — с отводом пороховых газов.
При возвращении частей в переднее положение опять-таки усилие пружины определяет реакцию опоры. В оружии с отводом газов картина более сложная: сначала действие пороховых газов аналогично случаю неавтоматической винтовки; при проходе пулей газового канала возникает реакция на переднюю стенку каморы R, стремящаяся увлекать оружие вперед, незначительно компенсируемая усилием пружины Q; если затвор в момент вылета пули заперт, то возникает явление, описанное для неавтоматической винтовки; таким образом в этом случае колебания величины реакции опоры имеют совершенно своеобразный характер. Кроме того, в автоматической винтовке наблюдается толчок при возвращении подвижной системы в переднее положение.
Вследствие этого представляется совершенно невозможным установить какой-то абсолютный критерий для допустимой в автоматической винтовке отдачи. Поэтому, говоря о величине отдачи, из осторожности не будем рассчитывать, что действие отдачи как-то „смягчается" в случае автоматической винтовки, и влияние отдачи будем учитывать так, как будто имеем дело с винтовкой неавтоматической. Однако в этом случае не так легко
45
выбрать соответствующую меру величины отдачи. Опыты и исследования Journee по поводу отдачи ружья привели его к выводу, что „действие отдачи на стрелка приблизительно пропорционально логарифму величины энергии отдачи" Ч
Этот эмпирический вывод, конечно, не мойсет являться бесспорным; но, принимая во внимание громадный опытный материал, накопленный Journee, а также соответствие этого вывода законам, устанавливаемым для психофизических ощущений некоторыми исследователями, он может быть принят для приближенной характеристики оружия. Добавим, что Journee пытался связать действие отдачи с количеством движения оружия, с величиной скорости отдачи, но не нашел возможным установить зависимость действия отдачи на стрелка от этих величин, отметив только, что от скорости отдачи зависит местное ощущение у плеча, а не общее психофизическое ощущение.
Так как в существующих системах винтовок величина энергии отдачи колеблется в незначительных пределах, то, принимая действие отдачи пропорциональным не логарифму энергии, а самой энергии, мы не сделаем большой погрешности по отношению к выводу Journee. Если же учесть, что при проектировании новой винтовки будем стремиться получить вес, близкий к весам существующих винтовок, причем влияние калибра на вес винтовок сказывается довольно незначительно (в пределах существующих сейчас и подлежащих исследованию величин), что видно из вышеприведенных данных, то, поставив требование, иметь энергию отдачи, не превосходящую величины, принятой в современных винтовках, мы можем привести сравнение выгодности балистических качеств винтовок разных калибров при разных весах пули, исходя из постоянства энергии отдачи.
Таким образом устанавливаем положение: наивыгоднейшей по балистическим качествам винтовка будет в том случае, если будет иметь наиболее настильную траекторию на дистанцию ружейного огня при условии, что энергия отдачи ее не будет превосходить энергию отдачи современных винтовок-, при этом, конечно, исследуя влияние на настильность траектории различных факторов, нужно все время учитывать реальность их осуществления в современных условиях. Прежде чем перейти к исследованию влияния веса пули и калибра, как основных величин, изменение которых может влиять на характер траектории при поставленном условии, проследим кратко развитие винтовки, чтобы выявить, в каком направлении изменялись балистические данные и свойства винтовки по мере ее совершенствования.
Табл. 6 показывает, что основными тенденциями в развитии винтовки были следующие: 1) уменьшение веса оружия, 2) увеличение настильности, 3) увеличение пробивной способности, 4) уменьшение веса патрона.
1 Revue d’Artillerie, май, 1925.
46
Вес оружия ограничивался требованием не увеличивать отдачи, что могло быть достигнуто либо уменьшением начальной скорости, либо уменьшением веса пули; первый способ противоречил другим тенденциям; оставалось итти другим путем. Уменьшение веса пули без изменения калибра было невыгодно (получалась слишком короткая пуля, плохой бали-стической формы), отсюда вытекала необходимость уменьшения калибра. Увеличение настильности могло быть достигнуто двумя путями: увеличе-
нием начальной скорости и уменьшением влияния сопротивления воздуха; увеличение начальной скорости удлинением ствола противоречило другим требованиям, отсюда оставался путь совершенствования пороха и увеличения относительного заряда. Второй способ вначале осуществлялся, главным образом, за счет увеличения поперечной нагрузки, а в последнее время за счет совершенствования формы пули, что позво-
w 009 ииНнехэия 1 / | Ьооч Ок к ООООООъОООо
ЕН BHHOtfEII ITOJ^
*3? 00 СЧСЧ —< < О О О О О
а
л?
£ ItBdES 00 О СО 00 из 00 из
00 <О" из" из ТГ U3 <О из 00 00 со"
И1ЧНЧ1ГЭ1ИЭОН1О Ч—Ч Ч—4 Ч-Н Ч—4 Ч—Ч Ч—Ч т—Ч Ч—Ч Ч—Ч Ч—4 Ч—4
C0U300C0O — О О I"- со сч
‘вилбэне BEHqirXtf ч— СЧСЧСЧООООСМООСМтГОООО
XEdQHIT -ЕЯ а И1гЛи EHHITtf 1 ~ ~ И"5 ю [ч- о-^из Ф СО из 0О~ о'U5 04ICD —« 04 04 CM Tf Tt Tf тф ео Tf тГ
ВЕНЧ1ГЭ1ИЭОН1О
EHeXdj иЗООт^тГОООСЧО^ООООГ-
-eh BBHhadsuon из" 00 О" (О с-уоГ о" со" ~ о" —" из" ч-ч ч— OOC4C4C4OO0JOOC404C4
X X со г *hitXu ээд о ч-^ч— о ч-мтЦ>О1тГСО(©00 СО" Ф ОХ ГО -- О О сГ ч-Г
р СО 00 СО сч 04 —< —4 ч-ч ~4 ~
X
X
со ydofw ‘qxaod ООСООиЗООООиЗОиЗ
-ОЛЭ BEHHITEhEJ-I ТГ^5тГ'^О4тт01ООиЗО)ОО01 00 00’4’’ф)0с0с00-000 00 00
<и
S’
Л
X х гм ‘влгшп <О U3 1 1 — со из 00 СО о со 1 100
X X о <у еэр BHHtXdo ээд ’ 1 СОСО"со"с6 * I rf
S’
X Q X ww ‘dpHiTEyj Ю £4 01 _ 01 СМ СО l> СО о со со из СО со из 00 Tf ч-^ ? о о" ь~" г> со о" о" о"
ч се
ю
<и
X
X
со
§ 03
а. а о ... о?
Q. * ’ ч •
се С • * * * • .... ... с ч .
ИЛИ чная Я пу
ема ружья _ . . с? <р се « Я • » • г к о о-. s s.b’s R S.O •
о S g S. . с 5s h?os S О, О
X
О = ч о,«\о s а £ к s S §
i
фр At Ге М< Се Ге Ру । Ис Яп Ге Ру Ш
Xnod 01 О-,-4 00 ч-ч СО Г* 00 со со О-О- 00 00 <о <о о 000000Х0000Х00 00^0 со
-1ЕИ Игги oiqntXd л
бэвеТпвэонхо ‘ехеЦ Ч—ч V—4 •>—4 Т—ч WM Ч—Ч Ч—Ч W-Ч Ч—Ч Ч—Ч
47'
лило принять более легкую пулю. Пробивная способность увеличивалась параллельно с начальной скоростью, несмотря на уменьшение веса пули. Наконец, уменьшение веса патрона шло вместе с уменьшением калибра, облегчением пули и совершенствованием пороха. Последний столбец таблицы показывает, насколько улучшалась настильность траектории с каждым последующим образцом; достижения в смысле веса оружия за вторую половину XIX столетия невелики: калибр, уменьшившись к 90-м годам до 6,5—8 мм, остановился на этой величине.
В свое время над вопросом о балистических данных винтовки и о „ружье будущего" много работали Рубин, Хеблер (Швейцария) и Вилле (Германия). Как Хеблер, так и Вилле свои исследования сопровождали большими опытами, и некоторые результаты их работы нельзя обойти молчанием.
Хеблер вначале был противником уменьшения калибра ниже предела 7,5 мм, мотивируя свои взгляды, главным образом, затруднениями производства стволов и чистки их при малом калибре, но после появления винтовок &,Ь-мм калибра на основании опытов резко изменил свои взгляды, сконструировал Ь-мм винтовку, произвел с ней ряд опытов и пришел к заключению о возможности дальнейшего уменьшения калибра (до 3 мм), исходя из того, что с уменьшением калибра: 1) облегчался патрон; 2) увеличивалась настильность траектории и росло поражаемое пространство; 3) уменьшалось рассеивание; 4) увеличивалась пробивная способность; 5) уменьшалось влияние бокового ветра; 6) при оболочечной пуле ранения малым калибром „более гуманны".
Вилле в результате своих опытов с винтовкой 5-jwjw калибра провозгласил последний калибр „идеальным" и определил его как калибр „ружья будущего". Его заключения сводятся к следующему: 1) вопрос о скорострельности уже достиг своего предела (не технического, а целесообразного1); 2) меткость винтовки не требует специальных забот, ибо она увеличивается попутно с увеличением скорости полета пули; 3) основное совершенствование винтовки сводится к увеличению настильности траектории; 4) пробивная способность ружей малого калибра лучше как на ближних, так и на дальних дистанциях; 5) главным врагом малого калибра является увеличение наибольшего давления пороховых газов в канале и затруднительность получения устойчивой пули при большой поперечной нагрузке (Вилле стремился иметь тяжелую пулю, исходя из соображений о пробивной способности; не следует забывать также, что в ту эпоху винтовка была универсальным оружием пехоты). Однако Вилле пришел к выводу о допустимости наибольшего давления до 4000 кг/см2 и в своей 5-мм винтовке при подборе заряда имел пулю весом 4,9 г (поперечная нагрузка 25,0 г/см2), длиной 5 калибров, получив при весе заряда 2 г начальную скорость 910 м/сек-, при попытках
1 Под углом зрения тактики того времени, конечно. — А. Б.
-48
дальнейшего увеличения начальной скорости появились уже неприятности с экстракцией гильзы. Решение задачи об „идеальном" ружье Вилле видел в осуществлении прогрессивного пороха, который бы позволил получить при указанном давлении значительно большую начальную скорость для калибра 5 мм.
Рубин не считал целесообразным уменьшение калибра далее 7,5 мм, но мотивировал свои соображения тем, что с уменьшением калибра неизбежно падает дульная энергия ружья (главным образом, из-за увеличения отдачи). Нет надобности особенно доказывать необоснованность исходить из дульной энергии при решении вопроса о балистических данных ружья: если мы возьмем осуществленные винтовки — французскую %-мм, турецкую 7,65-лглг и 6,5-л/л« Манлихера (данные относятся к старым патронам),— то соответственно имеем дульную энергию: 306 кг-м, 298 кг-м и 286 кг-м-, но если взять живую силу пули на дистанциях 300, 600 и 1200 м, то соответствующие величины будут такими:
На дистан- На дистан- На дистан-
ции 300 м ции 600 м ции 1200 м
147 кг • м 86 кг*м 40 кг •м
142 „ 87 „ 45 „
151 „ 94 . 47 „
Лишь на дистанциях, больших 1500 м, 7,&5-мм винтовка в этом отношении получает преимущество перед 6,5-мм.
Государства, перевооружившиеся позднее других (в 1892 — 1895 гг.), используя опыт и выводы, полученные уже при перевооружениях предшествовавших, в большинстве случаев остановились на калибре 7 мм.
Несмотря на явное, казалось бы, преимущество уменьшения калибра хотя бы до пределов, проверенных опытом вооружения некоторых армий (6,5 мм), мы видим, что большинство государств в дальнейшем твердо держалось выбранного ранее калибра (6-л/и калибр существовал только во флоте США). Причины этого были следующие: 1) недоверие к убойности малого калибра, что, как мы уже отметили, нельзя считать вполне разрешенным вопросом; 2) стремление получить решение задачи об улучшении винтовки наиболее дешевым и скорым путем, почему все последующие улучшения сводились преимущественно к улучшению патрона (порох и пуля), по возможности не вызывавшему переделки или перемены самой винтовки. Этот способ решения задачи господствует и до сего времени.
Приведенная здесь историческая ссылка на прежние исследования помещена с целью освещения значения такого фактора, как калибр; оценка же удельного значения тех или иных балистических данных, конечно должна быть произведена применительно к современному состоянию вопроса о том, какой должна быть винтовка, хотя бы потому, что тактическая роль винтовки понимается теперь иначе, чем во времена Хеблера и Вилле.
. А. Благонравов—124—4 49
Мы установили, что выбор балистических данных должен исходить из условий допускаемого действия выстрела на стрелка (подобно тому, как в основаниях устройства материальной части артиллерии учитывается действие выстрела на лафет) и из условий получения наивыгоднейшей (настильной) траектории на дистанции огня винтовки в бою. Для характеристики настильности траектории примем ее высоту, ибо последняя определяет дальность прямого выстрела по цели соответствующего размера. Конкретно поставим задачу так: найти наилучшее балистическое решение для винтовки, учитывая современные возможности, с целью получения дальности прямого выстрела по цели высотой не более 40 см до величины, большей 400 м, т. е. большей, чем дают современные винтовки. Кроме сохранения постоянства энергии отдачи придется учесть и величину наибольшего давления пороховых газов в канале. Эта величина, имевшая существенное значение для неавтоматической винтовки, еще большую роль играет в случае винтовки автоматической. Чем больше предельное давление, тем больше осложнений возможно при экстракции гильзы, тем чаще будут задержки работы механизмов винтовки, связанные с этим явлением; обилие задержек уничтожает основные преимущества автоматического оружия — скорострельность и освобождение стрелка от лишних приемов при стрельбе. Поэтому вопрос о наибольшем допустимом давлении требует особого внимания в случае автоматического оружия. На основании современной практики можно указать Ршах — 3500 кг]см? как величину, еще обеспечивающую нормальную работу существующих конструкций автоматического оружия \ Эту цифру мы и примем предельной для винтовки. Задавшись рядом калибров и различных поперечных нагрузок пули для каждого калибра, произведем подсчет траекторий на дистанцию 400 и 500 м, причем, определяя начальную скорость каждой пули, будем исходить из указанных условий относительно энергии отдачи и наибольшего давления. Результаты такого подсчета приведены в табл. 7.
При подсчете принималось, что форма пули близка к наивыгоднейшей из осуществленных до сего времени, т. е. коэфициент формы принимался одинаковым для всех пуль и равным к = 0,5 при пользовании законом сопротивления воздуха по Сиаччи (хотя к можно было бы принять несколько меньшим значением, на основании осуществленных пуль — до 0,42; величина же к = 0,5 взята из осторожности, так как ее можно считать надежно осуществимой для пуль в тех пределах веса, которые были взяты при подсчетах траекторий). Так как подсчет велся для небольшой дистанции, то для сравнения траекторий можно •без особой погрешности принять k — const для всей траектории.
1 См., например, М. Деву ж, Современное автоматическое оружие, изд. Военный вестник, 1927.
50
Таблица 7
Балистические элементы для винтовок разных калибров при различных весах _____________________пули (дистанция стрельбы 400 м)____________________
Калибр Поперечная нагрузка, г/см2 Вес пули, г Начальная скорость, м[сек г Дульная энергия, кг • м Вес заряда, г Относительный заряд Наибольшее давление, кг)см2 Скорость отдачи м/сек Угол бросания для 400 м Высота траектории, см Окончательная скорость, м/сек Живая сила пули на дистанции 400л/
7,5 18 7,97 975 385 3,50 0,44 2990 3,02 9'12" 30,3 666 179,3
20 8,83 905 368 3,38 *0,38 2860 3,03 10'30* 35,0 637 182,0
22 9,73 844 353 3,24 0,33 2740 3,07 11'51" 38,2 610 184,3
24 10,69 796 342 3,14 0,29 2680 3,05 13'12" 42,5 588 186,5
26 11,48 751 330 3,06 0,27 2580 3,05 14'31' 46,1 566 187,3
7,0 18 6,92 1055 393 3,49 0,50 3500 2,96 7'58" 26,3 730 188
20 7,70 1002 394 3,50 0,45 3500 2,99 8'15" 28,0 716 201
22 8,46 945 384,5 3,38 0,40 3425 3,09 9'20" 30,2 692 206
24 9,23 878 368 3,27 0,35 3360 3,09 10'33" 34,3 656 203
26 10,0 826 347 3,05 0,30 3200 3,09 12'5" 38,0 629 201
6,5 18 5,97 1055 337 2,91 0,49 3500 2,65 7'49" 26,3 730 162
20 6,74 1002 337 2,90 0,43 3500 2,65 8 22" 28,0 716 176
22 7,30 951 337 2,90 0,39 3500 2,68 9'8" 29,3 700 186
24 7,96 915 337 2,83 0,36 3500 2,80 9'51" 31,6 687 192
26 8,62 879 337 2,85 0,33 3500 2,90 10'38" 34,0 672 198
6.0 18 5,09 1055 288 2,45 0,47 3500 2,12 7'49" 26,3 730 138
20 5,66 1002 288 2,43 0,42 3500 2,20 8'22" 28,0 716 148
22 6,22 951 288 2,42 0,38 3500 2.25 9'8" 29,3 700 156
24 6,79 915 289 2,40 0,35 3500' 2,36 9'51" 31,6 687 163
26 7,35 879 1 289 2,39 । 0,32 3500 | 2,44 10'38" 34,0 1 672 169
Сопоставляя результаты подсчета, мы получим следующие выводы:
1. При одной и той же величине отдачи для винтовки 7,5- и 7,0-км калибра настильность траектории на исследуемую дистанцию резко увеличивается с уменьшением веса пули; для винтовки калибра меньше 7 мм при условии сохранения наибольшего давления не выше поставленных пределов (несмотря на уменьшение отдачи, что показывает на возможность еще большего увеличения мощности) с уменьшением веса пули также увеличивается настильность траектории.
2. При переходе от большего калибра к меньшему при условии сохранения постоянства энергии отдачи и при одинаковой поперечной нагрузке пули настильность траектории возрастает; уменьшение калибра дает выгоду до тех пор, пока не будет достигнут поставленный предел наибольшего давления, при уменьшении же калибра в случае сохранения РШах = const получается выгода лишь в величине отдачи, но не в смысле настильности траектории.
51
Поэтому чем больше поперечная нагрузка пули, тем <1иже граница балистически выгодного калибра; для пули с поперечной нагрузкой, равной 22 г/см2, наивыгоднейшим калибром при принятой величине Ртах будет калибр 6,9 мм, для случая поперечной нагрузки 26 г] см2 величина наивыгоднейшего калибра около 6,7 мм.
Выше указывалось, что, исследуя вопрос, нельзя упускать из виду всего, что влияет на реальность осуществления делаемых подсчетов. Приведенный подсчет исходит из допущения, что ко-эфициент формы пули один и тот же; на практике балистически выгодная форма пули осуществлена для достаточно длинных пуль (более 4,5 калибра длины). При необходимости иметь длину ведущей части пули, обеспечивающую правильность ее движения, следует предвидеть, что пуля с малой поперечной нагрузкой будет иметь худшую форму, следовательно, ставится под сомнение возможность получения малого коэфициента формы для чрезмерно легкой пули; ухудшение же формы пули сведет к нулю все балистические преимущества ее. Во всяком случае для получения выгодной балистической формы легкой пули придется принять целый ряд мер, включительно до изменения пульного1 сплава, с целью получения меньшего удельного его веса. В подтверждение этого приведем вычисленные на основании данных о стрельбе патронами Halger средние значения коэфициента формы тяжелой, средней и крайне легкой пули:
пуля калибра 7 мм поперечной нагрузки 30,5:Х = 0,38
„ „ . . . 23,9: Х = 0,48
» . . . . 16,5.x = 0,72
Первые две пули имеют форму не хуже той, которая была предположена в приведенных подсчетах, тогда как последняя очень значительно от них отличается. Поэтому едва ли практически будет особенно выгодно, уменьшая вес пули, итти ниже поперечных нагрузок 20 — 21 г! см2.
По поводу приведенных подсчетов приходится сделать ряд необходимых замечаний.
При расчете балистических данных здесь приходилось исходить из некоторых определенных данных существующих патронов. Так, при решении задачи внутренней балистики, применяя различные сорта пороха, можно, конечно, получить различные соотношения между РШах и начальной скоростью; здесь определение балистических данных произведено, исходя из того условия, что при лучших из современных патронов отношение среднего давления к наибольшему:
1 max
При подборе сорта пороха (в смысле его размеров) задача и решалась так, чтобы в каждом случае иметь указанную величину
52,
этого соотношения. Чем более прогрессивен порох, тем выше это отношение, а следовательно, при одном и том же значении отдачи можно получить меньшее значение Ртах. Так как отРтах зависит граница выгодности уменьшения калибра, то при более прогрессивных порохах аналогичный вышеприведенному подсчет дал бы вывод, что уменьшать калибр балистически выгодно далее указанных выше пределов. Мы видели, что еще Вилле считал применение прогрессивного пороха одним из необходимых путей для решения задачи об „идеальном ружье". Обратим внимание также на то, что ствол оружия малых калибров имеет увеличенный запас прочности по отношению к давлению пороховых газов в передней части, почему применение прогрессивных порохов не отзовется на конструкции ствола.
Полное решение задачи внутренней балистики, громоздкое по объему и времени, должно применяться при подсчете выбранного варианта оружия (или ряда вариантов) после уточнения вопроса о том, в каких пределах возможно получение наиболее выгодных, отвечающих поставленным целям, решений. Для того же, чтобы получить ответ на поставленный вопрос, чтобы ориентироваться в. общей картине возможных решений и иметь дифры сравнительные, хотя бы и не претендующие на большую точность своих абсолютных значений, следует, конечно, итти наиболее простыми, наиболее быстро дающими общие выводы путями. Указание таких путей относится также к задачам курса оснований устройства материальной части. Покажем здесь, как можно было бы решать вопрос о выборе балистических данных винтовки для получения общих выводов таким упрощенным путем.
Известно, что дульная энергия отличается от величины полной работы давления пороховых газов в канале оружия на величину неизбежных потерь, что во внутренней балистике учитывается помощью введения „коэфициента фиктивной массы снаряда" <р, исходя из допущения пропорциональности величины потерь и величин живой силы снаряда.
Формула
fPsdl^^L (4)
о
выражает эту зависимость. Здесь Р — давление пороховых газов; s— площадь поперечного сечения канала; I— путь пули в канале; L — полная длина этого пути; <р — упомянутый коэфициент; т — масса пули; д0 — начальная скорость. Интеграл в левой части уравнения представляет площадь кривой давления в канале и может быть определен для существующих образцов оружия по опытным кривым давления. Отсюда можно найти значение коэфициента <р; делая такой подсчет для пули с мельхиоровой оболочкой 3-линейной винтовки, получаем ср =1,11 — 1,12. Вилле указывает аналогичное значение этого коэфициента по своим
53
опытам (<р = 1.12)1. При пуле с жесткой оболочкой, очевидно, значение <₽ больше (до <р = 1,2). Приняв значение <₽=1,12 для оболочечной пули в случае обычных калибров 6,5 — 8 мм и длины стволов существующих образцов оружия и обозначая отношение
Р
= 7] ИЛИ Рср = 7] Ршах, rmax
приведем формулу (4) к виду:
1,12^
7] Ртах • S • L = 2 Ф 9,81~ , (4а)
где q — вес пули, а длина и скорость выражены в метрах.
Обозначая: А — поперечная нагрузка пули, d — калибр и под-ставляя (приближенно) $ ( или точнее: s = к ~4~, где kt—
коэфициент > 1, учитывающий площадь поперечного сечения нарезов и могущий быть принятым некоторым средним значением), получим:
1 • 124t>2
2-981 = ^>тах " (46)
(приняв коэфициент klt МОЖНО ПОЛОЖИТЬ kiH = 7]х, вид формулы не изменяется).
Если теперь принять среднее значение т], характеризующее условия горения пороха в современном оружии соответствующего типа, и взять для L пределы, отвечающие современным конструкциям этого оружия, то формула (46) позволяет легко получить примерное значение Ртах-при желаемой поперечной нагрузке и начальной скорости пули или, наоборот, вычислить значение начальной скорости данной пули по заданному предельному давлению пороховых газов. Например, беря на основании сделанных выше замечаний т] = 0,5 и длину пути L — 650 — 700 мм, приводим формулу (46) к виду;
Ртах = 0,1634при L =700 мм или
Ртах = 0,176А^ при £ = 650 мм,
где Ртах — выражено вкг/см2, А в кг/см2, v0 в м/сек, или соответственно:
Ртах = 0,0001634^ 4- 0,0001764^, (46)
если брать более обычное измерение 4 в г/см2.
Скорость, отдачи выражается формулой:
’(l + ₽v)
И шах — Q (5)
1 Wille, Fortschritt und Riickschritt des Infanteriegewehrs, стр. 23.
54
где Ушах — скорость отдачи;
о> —вес заряда;
Q — вес оружия,
Р — коэфициент, учитывающий значение периода последействия газов и веса заряда для величины отдачи.
Для сравнения балистических величин при незначительных изменениях калибра и веса пули можно принять, что веса зарядов приблизительно пропорциональны дульной энергии; получим:
Что касается величины коэфициента р, то подробно о его определении указано ниже, в § 48; здесь же для возможного упрощения формул примем следующее:
1) по опытам Journee коэфициент р можно для ружей считать изменяющимся почти обратно пропорционально начальной скорости пули;
2) в брошюре В. Слухоцкого „Определение скорости свободного отката" (КБНТКАУ, 1929) выведено, что главным фактором, влияющим на коэфициент 0, является начальная скорость, и дан график зависимости ? от у0; в пределах скоростей от 700 м/сек и выше, т. е. скоростей, представляющих интерес в данном случае, кривая этой зависимости приближенно может быть выражена 1275
уравнением р= —, причем характер закона изменения £ согласуется с опытом Journee;
3) при сравнительных подсчетах нет надобности добиваться точной абсолютной величины отдачи, а достаточно, установив приближенный закон ее изменения, определить таковую по этому закону для существующего образца и сравнивать с величинами, получающимися при подсчете для других вариантов.
Приняв эти положения, получим:
0 9 1275
Р —• = -----= е2-у..
г q 1 u v0 1 0
(7)
Определив ех по формуле (6) из существующей винтовки, получим: р =0,00056%. (7а)
Выражение для скорости отдачи принимает вид:
У =-^-(! +0,00056%)% V
ИЛИ +0,00056%)%. (5а)
Сравнивая отдачу для одной и той же винтовки при переходе от одного веса пули к другому, получим:
Ах (1 + 0,00056 %>,)%, = А, (1 + 0,00056%,) Vo, (8)
55
По формуле (8) определим допустимую начальную скорость пули нового веса, исходя из постоянства отдачи. Например, при Ях = 22 г/см2 и г»0 = 844 м/сек калибра 7,5 мм имеем отдачу, не превосходящую отдачи нашей 3-л инейной винтовки; требуется определить допустимую начальную скорость при переходе к тяжелой пуле А2=26 г/см2. Произведя вычисления, получим:
т»о2 = 743 м/сек.
Аналогично, переходя к А — 18 г /см, имеем '*ц2 =980 м/сек.
Оценивая изменение балистических величин при переходе от одного калибра к другому при условии сохранения постоянства энергии отдачи, будем иметь следующее:
QiV? =Qan
где Qx и Q2, и У2 соответствуют весу оружия и скорости отдачи существующего образца и намечаемого варианта; отсюда
Подставляя значение У по формуле (5а), получим
(! _|_ 0,00056*00,) = lA(1 + 0,00056о0) <и0. (9)
V Г 41 V2
Переходя от одного калибра к другому при одной поперечной нагрузке пули и учитывая, что веса винтовки в пределах изменения калибров 6—8 мм относительно мало отличаются, можно считать __
поэтому:
(1 + 0,00056*00.) *Оо, = (4Ц2(1 + 0,00056*o0j) о0,.
Например, переходя от калибра 7,5 мм к калибру 7,0 и А= = 22 г/см2, пользуясь предыдущими данными, получим для начальной скорости 7-мм винтовки
*о0^940 м/сек.
Таким образом, пользуясь формулами (8) и (9) и поверяя наибольшее давление по формуле (46), можно быстро составить сравнительные таблицы *о0 при изменении калибра и веса пули в исследуемых пределах, а затем, пользуясь формулами внешней балистики, оценить выгодность того или иного варианта. Если мы в основу подсчета положим данные, взятые из более совершенного образца, так что коэфициенты ех, могут быть приняты с некоторым другим значением, то приведенные выше формулы изменят, конечно, значение стоящих в них коэфициентов, что легко может быть подсчитано.
56
На основании приведенных соображений наиболее выгодным представляется калибр, близкий к 7,0 мм.\ останавливаясь на поперечной нагрузке 20 — 21 г) см?, мы видим, что без опасения за величину отдачи следует добиваться начальной скорости 970— 1000 м.{сек. При улучшенной форме пули (к =0,5) дальность прямого выстрела по цели высотой 40 см при этом достигает, как показывает подсчет, величины 465 — 475 м, увеличивая по сравнению с 3-линейной винтовкой поражаемое пространство для такой цели на 100 м.
Однако эти выводы получены нами при анализе вопроса о винтовке изолированно от других видов вооружения пехоты и исходя из условий наилучшего действия винтовки на ближайших дистанциях. Решение было бы неполным, если бы мы не учитывали еще наличия следующего. Прежде всего винтовка в крайних случаях должна применяться в бою и на средних дистанциях пехотного огня; ружейный огонь должен заменять огонь пулеметов до дистанции 1000 м. А в этом случае легкая пуля уже теряет свои преимущества; подсчеты показывают, что при стрельбе на эту дистанцию наивыгоднейшая поперечная нагрузка пули близка к 25 г!смг (табл. 8). Это заставляет удержаться от увлечения чрезмерно легкой пулей для военной винтовки.
Таблица 8
Влияние поперечной нагрузки пули на балистические свойства оружия при стрельбе на дистанцию 1000 м (калибр 6,5 мм)
Поперечная нагрузка г/см Вес пули г Начальная скорость м/сек Угол бросания Угол падения Окончательная скорость м/сек Превышение траектории на расстоянии перед целью; м Высота траектории см
40 | 80 | 100
20 6,63 962 38'46" 1 ° 13'30" 366 97 176 211 396
24 7,96 877 39'30" 1° 7'15" 394 74 139 170 375
25 8,29 860 40'7" 1° 7'5" 397 72,5 137 167 376
26 8.63 843 40'50* 1° 7'0" 400 72 135 164 379
28 8,96 827 41'40" 1 1° 7'10" 403 75 144 176 385
30 9,95 785 44'24" 1° 7'35" 409 81 । 153 । 188 404
Примечание. Таблица составлена, исходя из Ршах = 3500 кг/см2 и L = = 600 мм. .
Данные, приведенные выше, также указывают на преимущества пули среднего веса.
Еще большее значение будут иметь соображения об едином патроне как для винтовки, так и для пулеметов. Конечно, балистически наилучшее оружие можно получить, только имея для этого оружия патрон, строго приноровленный к соответствующим задачам оружия. С этой точки зрения для каждого вида вооружения должен быть свой патрон. Однако соображения удобства снабжения армии, боевого питания войск, соображения производственные и экономические требуют унификации патрона
57
для винтовки и пулемета. Можно представить системы вооружения пехоты, построенные трояким образом: 1) единый патрон для пулеметов как станковых, так и ручных и винтовки; 2) патрон общий для винтовки и ручного пулемета, но особый патрон (отличающийся по калибру и устройству) для пулемета станкового; 3) патроны, различные для всех этих видов оружия. Очевидно, только в третьем случае имеется возможность выбрать наиболее подходящие балистические качества для каждого вида вооружения, исходя из условий его боевого применения.
Несмотря на невыгоды системы боевого питания в этом случае, некоторые считают, что такая система вооружения оправдывает себя. Так, М. Девуж1 пишет, что наличие двух видов патронов во время мировой войны 1914—1918 гг. не вызывало „серьезных неудобств". Применение одного патрона для винтовки и ручного пулемета вполне оправдывается теми соображениями, что балистические свойства этих видов оружия должны быть близки друг к другу, между тем как для станкового пулемета и винтовки разница в условиях их боевого применения уже значительна, и патрон „идеальный" для винтовки будет далеко не хорош для станкового пулемета и наоборот. Это говорит в пользу второго типа системы вооружения. Тем не менее система единого патрона имеет многочисленных сторонников, так как вопрос о том, покрывают ли преимущества, которые дает предыдущий тип системы вооружения, затруднения в снабжении (как со стороны организации боевого питания, так и осложнения в производстве), принадлежит к числу спорных вопросов, решить который трудно вследствие крайней разнородности соображений за и против каждого решения.
Немаловажную роль, как уже указано, при решении вопроса о балистических свойствах винтовки играют и соображения неприкосновенности налаженного производства как самого оружия прежнего образца, так и патрона, с одной стороны, и стремление полного использования запасов оружия и патронов, с другой.
Наконец, существенно важным является то, что абсолютное значение балистических данных пули для стрельбы на малые дистанции невелико. Поэтому нельзя не отметить, что отступления от теоретически наивыгоднейшей комбинации калибра и веса пули вовсе не представляют каких-либо значительных потерь.
Далее мы увидим, что для пулеметов выгоднее иметь тяжелую пулю с поперечной нагрузкой не менее 25 г)смг. Если говорить о едином патроне для винтовки и пулемета, то винтовка мало проигрывает при пуле с большей поперечной нагрузкой. При тяжелой пуле для нашего 3-линейного патрона благодаря одновременному улучшению формы пули была получена лучшая кучность боя винтовки, несмотря на теоретически худшую для малых дистанций поперечную нагрузку.
1 М. Девуж., Современное автоматическое оружие, стр. 88, изд. „Военный вестник” 1927.
58
Приводим для сравнения следующие данные для тяжелой пули образца 1930 г. (q = 11,8 г) и легкой пули образца 1908 г. (q — 9,6 г) (табл. 9).
Таблица 9'
Углы бросания и падения и высота траектории
Дистанция м Тяжелая пуля образца 1930 г. Легкая пуля образца 1908 г.
угол бросания «0 угол падения 0. высота траектории см угол бросания ^0 угол падения Or высота траектории см
200 7' 9 6' 7
400 13' 16' 42 13' 15' 43
600 22' 30' 110 22' 32' 120
800 33' 51' 230 35' 1 °01' 270
1000 48' 1°22' 460 52' 1°44' 550
1200 1°08' 2°04' 810 1°15' 2°42' 1100
1400 1°93' 2°55' 1300 1°46 3°55' 1800
2000 3°10' 6°22' 4200 4°14' 9°27' 6300
Из табл. 9 видно, что легкая пуля имеет преимущество по настильности траектории примерно до дистанции 400 м., но это преимущество крайне незначительно.
Резюмируя, находим, что некоторое уменьшение калибра (ниже принятого у нас 7,62 мм) принесет известное улучшение балистических качеств; однако незначительность получаемых при этом преимуществ оправдывает решение сохранить пока старый калибр и во вновь проектируемых образцах, для того чтобы использовать штатный патрон.
§ 7. О влиянии данных и устройства патрона на конструкцию оружия
Одну и ту же мощность стрельбы мы можем получить при различных вариантах балистического решения, приводящих и к различным патронам. Качества патрона — в смысле его размеров, формы, особенностей устройства, величины наибольшего давления, сорта пороха, обусловливающего характер кривой давления в канале ствола,—весьма сильно отражаются и на свойствах самого оружия. Для автоматического оружия свойства патрона имеют свое специфическое значение. Поэтому, проектируя патрон, необходимо выбрать такое решение, которое приводило бы к наиболее выгодным условиям конструирования и самого оружия.
При выборе варианта балистического решения можно руководствоваться различными критериями его выгодности, например, разные варианты решения приводят к различной длине ствола, что в некоторых случаях противоречит удобным габаритам системы; можно исходить из условия экономичности
59-
использования заряда: в этом случае особое значение приобретает вариант с наименьшим возможным весом заряда. При конкретном решении вопроса о каком-либо виде оружия для выбора наивыгоднейшего варианта необходимо руководствоваться всем комплексом требований, предъявляемых к оружию (учитывая и маневренные качества и экономическую сторону).
Уже отмечалось, что в значительном числе случаев существенное значение имеет получение минимального веса оружия. Для автоматического оружия качества патрона, вытекающие из принятого варианта балистического решения, имеют существенное влияние на вес системы. Поэтому дается анализ оценки выгодности того или иного варианта патрона именно с этой стороны.
Заметим, что при малом калибре затвор и прочие части, с ним связанные, обеспечивающие его движение, имеют гораздо большее относительное значение веса по отношению к весу тела орудия; это существенно отличает оружие малых калибров от артиллерийских систем средних и больших калибров. Для автоматйческого оружия вследствие наличия добавочных механизмов, подающих патрон, приводящих в движение затвор, и пр., размеры деталей которых связаны с размерами патрона, вес ствола представляет обычно незначительную часть веса тела пулемета. Условимся называть для автоматического оружия весом автоматики вес всех частей, относящихся к телу оружия, за вычетом веса ствола; так, например, будем включать в понятие веса автоматики для винтовки вес всех частей за вычетом веса ствола и ложи; для ручного пулемета —за вычетом ствола, цевья, кожуха, приклада и сошки; для станковых пулеметов — за вычетом ствола и всего станка. Если обратить внимание, как изменяется с изменением калибра относительный вес автоматики (по отношению к весу тела), то получим следующее: для калибра 6,5—8 мм вес автоматики составляет 75—90%, для калибра 12—13 мм—55—70%, для калибра 20 мм—50—60%. Поэтому при облегчении веса системы в первую очередь приходится заботиться о снижении веса автоматики, в особенности для таких видов вооружения, как винтовка, ручной и станковый пулеметы. Вес автоматики может быть снижен следующими способами: 1) рациональной конструкцией, 2) применением соответствующих материалов при изготовлении деталей, как-то: повышением механических качеств материалов для ответственных крупных деталей, применением легких металлов для частей неответственных и 3) выбором соответствующих балистических и конструктивных качеств патрона.
Оружие малых калибров отличается в балистическом отношении от артиллерийских систем тем, что плотность заряжания А у первых, как правило, выше. Помимо значения величины гравиметрической плотности при малых размерах пороховых зерен, применяемых в оружии малых калибров, причина повышения плотности заряжания кроется и. в рассматриваемом вопросе. 60
Можно считать, что снижение Д до известных пределов позволяет уменьшить длину ствола для получения одной и той же начальной скорости при прочих одинаковых балистических данных. Влияние изменения Д на вес ствола будет различно для артиллерийских систем и для ручного оружия. В первом случае ствол рассчитывается на прочность при выстреле по кривой давления пороховых газов, во втором—передняя часть ствола имеет значительно повышенный запас прочности по отношению к давлению пороховых газов, ибо необходимо учитывать служебные условия оружия, а для автоматического оружия и нагрев ствола. Поэтому в первом случае наилучшее использование металла ствола будет наблюдаться при некотором определенном Д, так как плотность заряжания определяет вид кривой давления и длину ствола, а вместе с тем и распределение металла по длине ствола. В случае ручного оружия, увеличивая Д, мы удлиняем ствол, вследствие чего растет его вес за счет удлинения дульной части, имеющей относительно толстые стенки (особенно в автоматическом оружии). Однако, несмотря на проигрыш в весе ствола, вес системы выигрывает благодаря тому, что при возрастании Д уменьшается объем гильзы, а при уменьшении размеров патрона уменьшаются размеры затвора, а следовательно,, и ствольной коробки (как поперечные, в связи с уменьшением размеров затвора, так и продольные), ибо вместе с длиной патрона уменьшается и длина хода затвора, необходимая для перезаряжания ствола. А так как вес автоматики составляет большую часть веса тела оружия, то и его изменения играют тем большую роль для веса системы, чем меньше калибр, как это следует из приведенных выше цифр. Поэтому в конечном результате для автоматического оружия малых калибров увеличение плотности заряжания выгодно, и Д достигает значения > 0,8 (в нашем 7,62-лг.и патроне 0,813). Если же мы возьмем больший калибр, то благодаря меньшему удельному значению веса автоматики результаты изменения Д могут оказаться иными.
Таблица 10
Теоретический вес тела 20-мм автоматической пушки при различных вариантах балистического решения_____________________________________________________
v0 м/сек Р max кг/см2 Вес снаряда г Вес заряда г Плотность заряжания Д Вес ствола кг Вес автоматики кг Вес тела кг
960 3000 184 ЧЬ 0,60 30,6 33,4 64,0
960 3000 184 74 0,65 27,7 32,0 59,7
960 3000 184 74 0,70 28,4 31,1 59,5
960 3000 184 74 0 75 32,9 30,4 63,3
960 2800 184 83 0,60 20,5 32,4 52,9
960 2800 184 83 0,65 19,7 31,8 51,5
960 2800 184 83 0,70 21,5 30,7 52,3
6t
В табл. 10 сведены результаты подсчета веса тела автоматической пушки калибром 20 ммх; вес ствола подсчитывался после расчета такового на прочность по кривой давления пороховых газов; автоматика рассчитывалась для системы с отводом газов, исходя из одинакового запаса прочности частей при условии «однотипности системы во всех случаях.
При подсчете был взят ряд вариантов орудия с изменением А при сохранении всех остальных балистических величин; для сравнения результатов подсчета был сделан переход к новому наибольшему давлению и измененному весу заряда. При этом видно, что кривая изменения веса ствола в зависимости от плотности заряжания имеет некоторый минимум, тогда как вес автоматики с увеличением А падает, а в результате общий вес тела имеет наименьшее значение при А = 0,65—0,70. Конечно, абсолютное значение этой цифры для другой системы автоматики могло быть несколько иным. Но во всяком случае видно, что при данном калибре имеется некоторое наивыгоднейшее значение плотности заряжания. Подобным же образом можно найти наивыгоднейшую плотность заряжания и для калибра 12—13 мм, которая будет выше, чем полученная для предыдущего случая.
Аналогично можно проследить влияние наибольшего давления пороховых газов в канале. Известно, что при увеличении наибольшего давления мы будем получать более короткий ствол, прочность же стенок ствола в сечениях по патроннику и вблизи него придется увеличить; заметим, что уменьшение длины ствола для относительно длинных стволов, как в нашем случае, будет незначительно; в результате с увеличением давления вес ствола возрастает. Одновременно необходимо упрочнять затвор, опорные плоскости ствольной коробки; поэтому и полный вес тела сильно возрастает с увеличением РШах. Данные табл. 11 отчетливо показывают это. Поэтому при выборе балистических данных патрона весьма важно остановиться на таком варианте, при котором наибольшее давление получается возможно малым (при приемлемых остальных балистических элементах). Важность этого для облегчения условий экстракции гильзы была отмечена выше. Известное значение для облегчения системы имеет соответствующий подбор заряда. Чем больше относительный заряд, тем больше объем гильзы, а следовательно, и размеры патрона. Влияние же последнего фактора было оценено выше; поэтому очевидно, что при меньшем относительном заряде вес тела оружия будет меньше (см. табл. И).
При одной и той же величине дульной энергии при изменении веса пули меняются и условия внутренней балистики, что не может не отразиться на патроне и весе оружия; однако это
1 При меньшем калибре относительное влияние изменения балистических данных на вес автоматики сказывается более резко, но получаемые абсолютные значения весов и точность их определения меньше; поэтому для примера взят калибр 20 мм.
£2
влияние незначительно, и вес пули следует подбирать, руководствуясь исключительно соображениями внешней балистики.
Таблица 11
Влияние веса заряда на расчетные данные 20-л«лс автоматической пушки
Начальная скорость м]сек Наибольшее давление кг] см2 Вес заряда г Плотность заряжания Д Длина ствола (в калибрах) Теоретический вес кг
ствола авто- матики общий
850 2800 60 0,65 93 16,4 28,9 45,3
850 2800 70 0,65 82 17,0 29,8 46,8
850 2800 80 0,65 77 18,3 31,8 50,1
850 2600 60 0,65 98 13,2 25,9 39,1
850 2600 70 0,65 87 13,5 27,2 40,7
850 2600 80 0,65 82 14,3 29,2 43,5
Итак, при оценке того или ИНОГО варианта балистики при
проектировании патрона следует прежде всего стремиться получить наименьшую величину Ртах (т. е. итти по пути увеличения прогрессивности горения пороха), причем, как указывалось при рассмотрении вопроса о винтовке, нужно позаботиться, чтобы конец горения пороха, полученный теоретическим подсчетом, не был близок к дульному срезу; из всех возможных вариантов с одинаковым Ртах следует предпочесть тот, который дает плотность заряжания наиболее подходящую, т. е. более высокую при малом калибре и не менее Д = 0,65 при калибре 20 мм-, наконец, величину заряда следует подобрать наименьшую, лишь бы длина оружия не превышала величины, целесообразной для данного вида оружия. Из этого мы видим, что при проектировании автоматического оружия критерии оценки выгодности ба-
листического варианта несколько отличаются от случая проектирования обычной артиллерийской системы.
"Кроме балистических элементов при проектировании патрона имеет значение и его форма. Последняя определяется соотношением между его продольными и поперечными размерами. При одних и тех же балистических данных, т. е. при одинаковом объеме гильзы, ей можно придать различную форму, принимая или большую длину патрона за счет уменьшения его среднего диаметра, или, наоборот, взяв меньшую длину, но при этом получая большие поперечные размеры. В качестве величины, определяющей соотношение между продольными и поперечными размерами патрона, введем понятие о „коэфициенте бутылочности“ гильзы. Под последним будем подразумевать отношение среднего внутреннего диаметра гильзы к калибру или, точнее, величину
где /0 — приведенная длина гильзы;
/кам — истинная ее длина, считая от дна гильзы до положения дна пули в патроне.
63
Последнее выражение получается, если положим объем гильзы w равным произведению истинной ее длины /кам на среднюю внутреннюю площадь поперечного сечения гильзы scp; тогда
W — 10 • S — /кам ‘ Scpj
где $— поперечное сечение канала. Положив
получим
^ср
d ’
Т d~
S = -4- И Sep = —Р , где г'ср — средний внутренний диаметр гильзы, = ^ = А и = =
6 а *кам у *кам
Коэфициент ф должен быть > 1, при ф = 1 имеем цилиндрический патрон; чем больше ф, тем короче относительная длина патрона. Можно заметить, что чем больше объем гильзы, тем выгоднее иметь большее значение ф. Объясняется это тем, что при очень большом объеме гильзы и при малом ф мы получим.крайне длинный патрон, вследствие чего будет увеличиваться и длина хода затвора (для всех систем кроме систем с качающимся затвором), что приводит, как мы уже отмечали, к удлинению коробки — наиболее тяжелой части автоматики; увеличивая же ф, мы тем самым уменьшаем длину коробки, но увеличиваем поперечные размеры затвора и коробки. Эти два противоположных влияния должны приводить при некотором определенном значении ф к минимальному весу коробки и затвора вместе, что не трудно подсчитать в каждом частном случае для выбранной системы (практически приводя поперечное сечение затвора и коробки к простейшей удобной для подсчета форме).
Коэфициент бутылочности нашего 7,62-.шг патрона равен 1,4; при 10 = 1 калибрам наивыгоднейшее значение получается от 1,4 до 1,5. Иногда удобство носки патронов и соображения подачи патронов при проектировании системы могут заставить несколько изменить форму патрона и тем самым коэфициент ф, что всегда следует учитывать при проектировании самого оружия. Это свидетельствует о том, что каждому типу оружия должен отвечать свой наивыгоднейший патрон, к чему мы ранее пришли по другим соображениям; но опять-таки следует помнить, что получение выгоды с одной стороны неизбежно влечет невыгоды с другой, и теоретической выгодой патрона приходится иногда жертвовать в пользу соображений, подобных приведенным при разборе вопроса об унификации патрона.
Кроме соотношения размеров большое значение имеет и самое устройство патрона, как то: конструкция гильзы, размеры и очертания ее элементов (корпуса, ската, дульца), так как все это отражается на работе автоматики.
По конструкции, как известно, гильзы бывают трех основ.
64
ных типов: 1) с упором закраиной гильзы в обрез пенька ствола. 2) с упором скатом гильзы в скат патронника, 3) с упором специальным выступом вблизи дна гильзы в расточку патронника. Не вдаваясь здесь в подробный разбор достоинств и недостатков этих типов гильзы \ укажем лишь на основные свойства, имеющие значение для автоматического оружия. Первый тип приводит к увеличению поперечных размеров затвора и к осложнению вопросов подачи патронов при системах магазинного питания, почему является особенно невыгодным для автоматической винтовки (некоторое увеличение веса и затруднительность компоновки и отладки магазина). Второй тип вообще более удобен для оружия и является более современным типом, будучи лишен указанных недостатков. Однако этот тип требует более точного изготовления патронника. Гильзы третьего типа совмещают положительные качества обоих предыдущих, но обладают лишним весом (тяжелый патрон).
Толщина стенок гидьзы непосредственно не отражается на качестве оружия. Желательно во избежание лишнего веса и размеров иметь возможно тонкие стенки гильзы, но во всяком случае толщина их должна обеспечивать от продольных разрывов гильзы при выстреле, так как это явление сопровождается обычно сильным загрязнением механизмов оружия нагаром и ведет к осложнениям при экстракции гильзы. Толщина стенок выработана практикой. Латунные гильзы калибров 6,5—8 мм имеют толщину стенок у дульца 0,3—0,4 мм, у дна 0,4 — 0,5 мм, в некоторых случаях и больше (до 0,89 мм у нашего 7,^2-мм патрона). Толщина дна 4,5—5 alm. Размеры желобка для зацепа выбрасывателя (или соответственно размеры закраины): толщина закраины 1,45—1,6, глубина желобка (ширина закраины) 1 — 1,25 мм. Эти размеры приводятся здесь для учета их при конструировании соответствующих деталей оружия.
Наилучшим гильзовым материалом является латунь; из экономических соображений, однако, выгоднее гильзу иметь железной, покрытой сверху тонким слоем, предохраняющим от ржавления и уменьшающим трение гильзы при экстракции (например томпак). Благодаря меньшей тягучести железа по сравнению с латунью прочность таких гильз при выстреле меньше: требуется подбор сорта железа, обеспечивающего от разрывов гильзы; экстракция несколько ухудшается. Стенки железной гильзы должны быть немного толще приведенных выше размеров2.
1 См. Благонравов и Гуревич, Боеприпасы стрелкового вооружения, § 4, Ленинград, 1932.
2 Заметим, что иногда вычисляют коэфициент бутылочности не в виде отношения диаметров, как мы приняли, а в виде отношения площади среднего внутреннего поперечного сечения гильзы к площади поперечного сечения канала ствола; обозначая составленный этим способом коэфициент бутылочности d*
имеем или = ф2.
А. А, Благонравов—124—5
65
Большое значение для патронов, применяемых в автоматй-' ческом оружии, имеет обжатие дульца гильзы в смысле величины усилия, потребного для извлечения пули из гильзы. Надежное закрепление пули в гильзе получается при длине дульца не менее одного калибра; кроме того, что пуля вставляется в дульце с натягом (диаметр пули обычно на 0,05 мм больше внутреннего диаметра дульца), края дульца вжимаются в желобок на пуле или же закерниваются. В тех случаях, когда патрон в автоматическом оружии при подаче подвергается резким продольным движениям, возникающая сила инерции пули может выдернуть пулю, поэтому необходима поверка величины усилия, удерживающего пулю в патроне. В нашем винтовочном патроне это усилие было установлено в пределах от 16 до 60 кг. С утяжелением пули, очевидно, величину этого усилия нужно увеличивать пропорционально весу. При более резкой подаче патрона необходимо увеличение нижнего предела (до 45 кг).
В целях улучшения экстракции гильза делается конусной (до 1°) за исключением случая малой мощности патронов (пистолетные патроны). При изменении бутылочности гильзы условия экстракции изменяются, так как, с одной стороны, увеличение бутылочности приводит к сокращению длины и уменьшению поверхности стенок гильзы, с другой стороны, сильно бутылочная форма ухудшает работу экстрактора.
Затруднения с экстракцией гильзы нередко обнаруживающиеся в автоматическом оружии, выдвинули мысль о „безгиль-зовом заряжании". Однако раздельное заряжание неприемлемо, так как требует двух подающих механизмов, особого вида воспламенения заряда при выстреле, особых мер, предохраняющих порох, и точности работы механизмов, обеспечивающей нужную величину заряда, что чрезмерно усложнит конструкцию оружия. Поэтому более жизненной представляется идея „сгораемой" гильзы. Трудности, имеющиеся на этом пути решения вопроса, сводятся к получению прочного патрона, выдерживающего условия хранения, переноски, перевозки, тряски, сопротивляющегося проникновению влаги, а главное выдерживающего те усилия, которым подвергается патрон в условиях работы автоматического оружия.
Требования, которые нужно предъявить к патрону в автоматическом оружии, прежде всего определяются следующим: 1) надежным креплением пули в патроне, противодействующим не только продольно направленным силам инерции, но и поперечным усилиям, выламывающим пулю, нередко возникающим в процессе подачи патрона, 2) надежным закреплением капсюля, ибо выпадение последнего приводит не только к задержкам, но и к авариям в оружии; 3) жесткостью самого патрона в смысле неизменяемости формы во избежание нарушения правильности работы системы. Все перечисленное показывает сложность решения данной задачи, особенно если учесть величину сил, действующих на патрон в автоматическом оружии.
66
Тем не менее в отдельных случаях, например, при небольшом весе заряда, можно представить возможность осуществления конструкции, при которой все элементы выстрела будут выводиться через дуло оружия вместе с пулей (или снарядом). Однако решение вопроса полностью и в этих случаях все же потребует большой изобретательности и большой экспериментальной работы (например, затруднения с обтюрацией пороховых газов, прочность патрона такого вида и пр.).
Затронутые в настоящем параграфе вопросы имеют целью подчеркнуть значение того, что проектирование автоматического оружия не может быть оторвано от проектирования патрона. Решение этих задач во взаимной связи обеспечивает более рациональную конструкцию, позволяет легче справиться с рядом трудностей, возникающих при проектировании, с большим успехом позволяет осуществить необходимые тактико-технические требования.
В тех же случаях, когда приходится проектировать оружие под данный уже патрон, конструктор связан целым рядом подчас крайне неблагоприятных для задуманной конструкции условий.
Такие случаи являются необходимыми, когда возникает потребность создания образца оружия, пользующегося тем же патроном, который применяется в других образцах, когда имеется широко налаженное производство данного вида патрона; все-таки иногда может оказаться целесообразным введение некоторых изменений в технологический процесс изготовления патрона, оправдываемых достижением оружием ряда положительных свойств.
Предвзятый же выбор патрона вне связи с проектированием самого оружия, при отсутствии развернутого производства, а затем проектирование оружия под выбранный патрон, является недопустимой ошибкой, нередко ухудшающей решение задачи или отодвигающей его на длительные сроки.
§ 8. Конкретизация тактико-технических требований к различным видам оружия
Винтовка, ее свойства и предъявляемые к ней требования. Общие требования к оружию при разработке того или иного вида оружия подлежат конкретизации в смысле уточнения мероприятий, обеспечивающих выполнение общих требований к оружию и разрешающих противоречия, зачастую возникающие при обеспечении различных по характеру требований.
Поэтому переходим к анализу вопроса тактико-технических требований, которые должны предъявляться к различным видам оружия.
Рассмотрим прежде всего основное оружие пехоты — винтовку.
Следует исходить из того, что винтовка является индивидуальным оружием пехоты, что ее огонь в основном при
67
меняется на ближних дистанциях боя, что групповой огонь винтовок используется до дистанции 800 м и, наконец, чтр в руках отличного стрелка (снайпера) винтовка обладает хорошим действительным огнем на дальностях до 800—1000 м.
Ведение огня пехотой при больших дальностях возлагается на пулеметы.
Применение огня пехоты по мелким, хорошо маскирующимся целям требует весьма хорошей меткости стрельбы; возможность применения винтовки для снайперской стрельбы обеспечивается высокими качествами самого оружия.
Балистические свойства винтовки, обеспечивающие требуемую от нее мощность стрельбы, были рассмотрены выше. Как вывод мы получили положение о приемлемости для винтовки существующих (штатных) патронов, несмотря на то, что известное совершенствование балистических качеств винтовки могло бы быть получено за счет реконструкции патрона и, в частности, путем некоторого уменьшения калибра.
Последний вопрос был поставлен лишь на основе балистических свойств оружия. Однако иногда в пользу реконструкции патрона приводятся и другие соображения.
Большое значение имеет величина носимых и возимых запасов патронов. С переходом к автоматическому оружию, при котором нормы расхода боеприпасов в единицу времени повышаются, этот вопрос приобретает особо острое значение. Поэтому вопрос о нормах нОсимых и возимых запасов находится в тесной связи с автоматизацией винтовки.
Вес и габарит патрона являются данными, определяющими величину носимых запасов и влияющими на размеры транспорта. Средним весом носимого запаса патронов в современных армиях можно считать 3,5—3,75 кг (вместе с обоймами). Очевидно, чем меньше вес отдельного патрона, тем большим количеством патронов обеспечен стрелок (количество патронов изменяется не вполне обратно пропорционально весу патрона, так как при современном снаряжении пехотинца играет роль и объемный фактор: габарит патронных сумок не может быть изменяем в широких пределах). В современных армиях носимый запас колеблется в пределах 120—160 шт., крайние пределы, как видно, представляют значительную разницу. Емкость штатных обозов в отношении количества боеприпасов также довольно резко меняется с изменением веса патронов.
Таким образом легкий патрон является средством улучшения боевого питания, связанного с маневренными свойствами оружия.
Уменьшение калибра является одним из средств уменьшения веса и габарита патрона. Следует отметить также неудобство формы гильзы с закраиной для автоматического оружия, питаемого из магазинов; гильза без закраины позволяет конструктору легче справиться с уменьшением числа задержек, происходящих по вине питания патронами, и уменьшает габарит затвора и ствольной коробки, содействуя уменьшению веса самой винтовки;
68
последний довод также приводится часто в пользу необходимости изменения штатного патрона.
Тем не менее, повторяем, сохранение штатного патрона в настоящее время является одним из основных тактико-технических требований к винтовке.
Мощность стрельбы увеличивается с повышением скорострельности. История развития винтовки свидетельствует о непрерывном совершенствовании этого фактора (переход от заряжания с дула к казнозарядному ружью, применение унитарного патрона, замена однозарядной винтовки магазинной), игравшего основную роль в развитии винтовки. На современном этапе увеличение скорострельности решается за счет перехода к автоматической винтовке. При этом представлялось два возможных решения: 1) принятие самострельной винтовки, 2) принятие самозарядной винтовки (последняя в иностранной литературе иногда называется полуавтоматической). В пользу первого решения говорит то, что самострельная винтовка может быть использована в зависимости от необходимости и как самозарядная, т. е. для стрельбы одиночными выстрелами. Между тем применение непрерывного автоматического огня, превращающего винтовку в своеобразный пулемет, имеет свое значение в некоторые напряженные моменты боя (например отражение атаки). С другой стороны, применение непрерывного огня для винтовок до крайности осложняет проблему боевого питания, приводя к чрезвычайно большому непроизводительному расходу патронов.
Непрерывный автоматический огонь винтовки даже при небольшом числе выстрелов в очереди сопровождается ухудшением меткости стрельбы. Если условия прицеливания для автоматической винтовки ничем не будут отличаться от условий прицеливания обыкновенной винтовки, если в этом случае мы возьмем идеального стрелка, который бы сумел безукоризненно выполнить прицеливание, так что попадание первой пули в желаемую точку можно считать обеспеченным, то нельзя гарантировать, что все последующие пули в очереди автоматического огня не пройдут мимо цели.
Помимо действия отдачи в автоматическом оружии неизбежны толчки и удары движущихся частей; быстрая перемена направления движения их влечет за собой возникновение больших сил инерции, полное уравновешивание которых невозможно; поэтому стрельбе из автоматического оружия сопутствуют колебания его; следовательно, наводка сбивается от первоначально приданного положения, и каждая последующая пуля покидает ствол при новом его направлении; происходит нарушение правильности прицеливания, т. е. увеличение рассеивания. Исправление прицеливания винтовки во время автоматической стрельбы крайне затруднительно вследствие колебания прицельных приспособлений вместе с оружием и вследствие затруднительности наблюдения цели из-за движения газов перед дулом оружия, а при продолжительной автоматической стрельбе и движения
69
воздуха от нагрева ствола, и, кроме того, при высоком темпе стрельбы невозможно реагировать на быстро следующие одно за другим изменения положения оружия.
Вместе с тем расход патронов увеличивается не только из-за уменьшения меткости, но и потому, что стрелок зачастую не может ограничить себя желаемым числом выстрелов, производя например, при высоком темпе стрельбы вместо желаемых трех выстрелов еще один-два непроизвольно.
Чем выше темп стрельбы, тем сильнее ощущается влияние непрерывного ’огня на кучность боя; это можно объяснить тем, что при отклонении винтовки от приданного перед выстрелом направления упругая система рук и пдеча стрелка стремится возвратить винтовку в прежнее положение, и если промежуток между выстрелами достаточно велик, то упругие свойства опоры частично парализуют влияние предыдущего отклонения при следующем выстреле, при малом же промежутке времени отклонение от предыдущего выстрела суммируется с последующим.
Таким образом самострельная винтовка требует особых забот в отношении меткости и, кроме того, неэкономична. Применение автоматического огня бывает невыгодно в смысле маскировки и отражается на живучести винтовки.
Все отмеченные выше преимущества—повышение скорострельности, упрощение приемов, сохранение энергии бойца — дает самозарядйая винтовка, лишенная в то же время перечисленных недостатков самострельной. В этой винтовке при выстреле автоматически производится перезаряжание оружия новым патроном и взведение стреляющего приспособления; в функции стрелка входит только спуск стреляющего приспособления (не говоря, конечно, о перезаряжании магазина).
Попытки' усовершенствовать самострельную винтовку, уменьшая влияние отдачи, применяя дульные тормоза, создавая механизмы, запирающие переключатель одиночного огня на автоматический (причем ключ этого механизма может храниться не у стрелка, а у командира) и конструируя замедлители темпа стрельбы, не решили вопроса.
Поэтому большинство армий для очередного перевооружения намечает винтовку второго типа — „самозарядную", учитывая упомянутые недостатки самострельной винтовки.
В чем более конкретно заключаются преимущества самозарядной винтовки перед обыкновенной магазинной?
Главнейшее из них то, что стрелку после произведенного выстрела по данной цели в случае необходимости повторения выстрела не приходится выпускать цель из поля зрения. Действительно, при обыкновенной винтовке стрелок после выстрела должен открыть затвор и вновь закрыть его; внимание стрелка от цели невольно отвлекается к винтовке; производимая операция заставляет несколько изменять положение винтовки, и для производства повторного выстрела стрелок должен вновь найти 70
цель, нацелить винтовку и только после этого произвести выстрел; следовательно, для каждого выстрела приходится полностью производить „наводку" винтовки.
При самозарядной винтовке дело сводится лишь к „исправлению наводки"; винтовка смещается предыдущим выстрелом незначительно относительно линии цели, стрелок имеет возможность наблюдать цель непрерывно, лишнего приема для действия затвором не нужно. Повышение скорострельности при этих условиях несомненно. Подчеркиваем особенно то, что в современных условиях боя живые цели, применяющиеся к местности, использующие маскировку, требуют значительного внимания, чтобы быть разысканными вновь, если цель потеряна из поля зрения; из этого делается ясным огромное преимущество самозарядной винтовки.
В зависимости от качеств самой винтовки, ее прицельных приспособлений и от обученности стрелка практическая скорострельность самозарядной винтовки получается 25—35 прицельных выстрелов в минуту.
Обеспечение меткости и кучности боя винтовки достигается наличием удобных и точных прицельных приспособлений, при-кладистостью винтовки, удобным спусковым устройством и возможным ослаблением действия отдачи на стрелка. Совокупность этих условий вполне может обеспечить кучность боя винтовки, характеризующуюся тем, что на дальности 100 м рассеивание пуль не будет превышать г60 = 3—4 см и /?100 = 7 см (г5о — радиус круга, вмещающего 50% лучших пробоин и 7?100 ~ радиус круга, вмещающего все пробоины).
Для этой цели в современных винтовках применяется обычно секторный прицел с возможно большей длиной прицельной линии, как позволяющий иметь более совершенную и точную шкалу прицела. Для малых дистанций винтовка снабжается приспособлениями, позволяющими устанавливать на ней оптический прицел (для снайперской стрельбы).
Прикладистость винтовки помимо ее веса определяется расположением центра тяжести вблизи той точки, где левая рука стрелка поддерживает винтовку при прицеливании, положением прицельной линии над затыльником приклада, определяющим позицию головы стрелка при стрельбе, формой шейки ложи и расстоянием от затыльника приклада до спускового крючка.
Наклон шейки ложи определяется тем, чтобы продолженная прицельная линия проходила над верхним углом затыльника приклада не выше 60 мм и не ниже 40 мм; при этом самая шейка ложи должна быть устроена так, чтобы при указательном пальце, наложенном на спусковой крючок, остальные пальцы правой руки полностью охватывали шейку.
Расстояние от затыльника до спускового крючка, строго говоря, для разных стрелков будет иметь различную наивыгоднейшую величину (в смысле прикладистости винтовки).
71
С целью сделать винтовку более прикладистой для каждого стрелка, еще генерал Холодовский предлагал установить переменную длину приклада, что достигалось применением серии вставных прокладок под затыльник; в Англии для этой же цели винтовки изготовлялись с различной длиной приклада для индивидуальной „пригонки" оружия к стрелку. В среднем же указываемый размер обычно принимается равным 340 мм.
Качества спускового механизма определяются тем, чтобы нажим на спусковой крючок не был чрезмерно длинным, но в то же время не требовалось значительного усилия пальца при спуске (наивыгоднейшей величиной можно считать усилие около 2,5 кг)-, при очень малом усилии на спуск оружие делается не вполне безопасным, так как спуск может произойти от толчка и вызвать случайный выстрел. Желательно иметь спуск „с предупредителен", т. е. перед самым моментом снятия боевого взвода с шептала спускового механизма величина усилия нажима на спуск должна изменяться, сигнализируя стрелку о моменте выстрела.
Наконец, вопрос об уменьшении действия отдачи мог бы быть решен увеличением веса оружия, так как энергия отдачи обратно пропорциональна весу оружия; однако такое решение противоречило бы требованиям к маневренным качествам винтовки; поэтому обыкновенно уменьшения действия отдачи достигают, применяя к винтовке дульный тормоз.
При выборе конструкции дульного тормоза следует обращать внимание на то, чтобы применение дульного тормоза не демаскировало винтовку (некоторые конструкции дульных тормозов увеличивают пламя при выстреле и способствуют поднятию пыли с земли при стрельбе лежа) и не увеличивало резкости звука выстрела, давая в то же время не менее 50% поглощения энергии отдачи; также следует обратить внимание на влияние конструкции дульного тормоза на кучность боя винтовки.
Для лучшей стабильности боя винтовки с целью исключения влияния ложи последнюю делают составной: т. е. изготовляют цевье отдельным от приклада. Однако составная ложа недостаточно прочна, например, для удара прикладом.
Что касается маневренных свойств винтовки как основного оружия пехоты, то коротко можно охарактеризовать их следующим образом: винтовка должна быть таким оружием, применение которого было бы обеспечено в любом виде боя, на любом этапе его, при всяких условиях обстановки, при каком угодно положении стрелка; причем должна достигаться возможно большая экономия сил стрелка как в бою, так и на походе. В отношении винтовки установились с этой стороны довольно четкие требования. Вес винтовки без штыка должен быть не более 4 кг (или не более 4,5 кг со штыком).
Возросшие требования к мобильности (понимая таковую в самом широком смысле слова) вызывают необходимость стремиться максимально экономить силы отдельного бойца; каждый 72
десяток граммов лишней весовой нагрузки, которую несет боец,, здесь будет иметь значение. Поэтому, чем меньше вес винтовки,, тем, конечно, решение задачи лучшее. Однако снижение веса упирается в два препятствия: а) невозможность конструктивного осуществления винтовки требуемой мощности при слишком ограниченном весе, б) увеличение энергии отдачи с уменьшением веса оружия. Действительно, если мы имеем две одинаковые винтовки, т. е. дающие при одной и той же пуле одинаковую начальную скорость v0, но имеющие различный вес Qi и Q2, причем Qr > Q2, то мы должны получить для обеих, этих винтовок и равные количества движения:
g g ’
где Иг и И2 — соответственные скорости отдачи. Энергия отдачи выразится:
£1 = .| V? .„ VI
НО
отсюда: р ___________________________р Ф1
£2-jCiQ2-
Последний фактор является одним из существенных: величина отдачи ручного оружия влияет на утомляемость стрелка при стрельбе, чрезмерно сильная отдача вызывает болезненные ощущения, следствием чего является непроизвольное нервное напряжение стрелка перед спуском курка, влекущее рефлективные движения, отражающиеся и на меткости стрельбы; наконец, замечено, что обучение стрелковому делу вследствие тех же причин проходит тем успешнее, чем меньше отдача, оружия.
В современных образцах автоматических винтовок проблему получения требуемого веса следует считать решенной, хотя и необходимо отметить, что эта задача являлась наиболее трудной для конструкторов при переходе от магазинной винтовки к автоматической.
Удобство носки оружия стоит в связи с возможностью применения оружия в разнообразных условиях обстановки и с экономией сил бойца; конструктивные свойства, связанные с этим качеством,—правильное распределение массы (положение центра тяжести), компактность, отсутствие резко выступающих частей. Удобство действия оружием в бою определяется теми же конструктивными свойствами, а кроме того, общими размерами винтовки, устройством прицельных приспособлений, спускового> механизма, прикладистостью и также малой отдачей оружия.
Из размеров винтовки отметим здесь размеры, относящиеся к длине оружия. Общая длина винтовки должна быть доста
73
точной для действия штыком, что дает наименьший предел всей длины.
При перевооружении в 80—90-х годах одним из условий, определяющих длину винтовки, было требование возможности стрельбы в двухшереножном строю,—требование, являющееся для нас уже полным анахронизмом. С другой стороны, применение винтовки в окопах современного профиля выявило известное неудобство длинного оружия. Таким образом винтовка должна быть возможно короткой, поскольку это позволяет первое из указанных условий. Винтовки, имеющие полную длину (без штыка) 1,1—1,2 м, вполне удовлетворительны при штыковом ударе; следовательно, более длинную винтовку и не нужно иметь (поскольку, конечно, при такой длине удается обеспечить и нужные балистические качества). Длина ствола определяется в винтовке из соображений не столько начальной скорости пули, сколько наилучшей кучности боя (влияние вибрации ствола).
При назначении длины ствола следует учитывать, что излишнее ее укорочение может привести к неполноте сгорания заряда, а также к получению резкости звука выстрела, неприятно влияющей на слух стрелка; из этих соображений при нашем штатном патроне не рекомендуется длина ствола менее €20 мм.
Чтобы быть оружием „отовсюдубойным", винтовка должна иметь все механизмы (затвор, стреляющий механизм, подающий), одинаково хорошо работающими при всяком положении оружия.
Высокая гибкость огня винтовки обеспечивается уже тем, что винтовка представляет индивидуальное оружие, относительно легкое по весу, что позволяет быстро переносить огонь с одной цели на другую, следить за быстро движущейся целью и т. п.
Таковы главные конструктивные требования, обеспечивающие необходимую маневренность.
В отношении надежности нет надобности повторять перечисленные выше требования, которые, конечно, целиком должны быть обеспечены в конструкции винтовки как оружия, роль которого в бою весьма велика.
Особенностью винтовки является то, что она кроме своих прямых функций как огнестрельного оружия должна служить и оружием рукопашной схватки. Отсюда должна быть обеспечена соответственная ее прочность и при таких условиях ее применения. Наконец, применение современной винтовки в качестве гранатомета также требует оценки конструкции и с этой стороны.
Следует, однако, отметить, что выполнение последнего условия представляется трудно достижимым для автоматической винтовки: механизмы ее довольно чувствительны к тому сильному действию выстрела, которое получается при применении ружейной гранаты.
74
Винтовка обязательно должна иметь предохранительные устройства, обеспечивающие невозможность выстрела при невполне закрытом затворе и невозможность случайных выстрелов. Патрон может быть дослан в патронник и находиться там при взведенном ударном механизме.
Механизмы винтовки должны давать минимальное количество задержек и отказов (обычно не более 0,1%).
Важное значение имеет проблема живучести винтовки; живучесть винтовки связана с продолжительностью срока службы ствола, так как обыкновенно ствол делают несменяемым; поэтому требуется, чтобы основные детали имели не меньшую живучесть, чем ствол, а второстепенные детали, которые могут находиться в комплекте запасных частей, не перегружали его.
Встречается требование, чтобы затвор после израсходования последнего патрона оставался открытым, что избавляет стрелка от потери времени на напрасный спуск ударника и облегчает наблюдение за количеством патронов в магазине.
Увеличение скорострельности самозарядной винтовки по сравнению с магазинной приводит к требованию иметь для первой более емкий магазин (10—15 патронов); однако чем больше емкость магазина, тем обычно хуже работает механизм подачи патронов, что увеличивает процент задержек.
Необходимо осуществить возможность перезаряжания винтовки и без смены магазина.
Требования экономического порядка особенно важны для винтовки, если учесть массовость ее изготовления; поэтому требуется возможная простота изготовления ее деталей.
На основе изложенного определились и тактико-технические требования к самозарядной винтовке, которая является, как ясно из изложенного, современным типом винтовки и с созданием которой оружейная техника на данном этапе вполне может справиться.
Так, например, имеются сведения о введении на вооружение самозарядной винтовки в США.
Основные тактико-технические требования на самозарядную винтовку являются, повидимому, общими в различных странах.
Для примера приведем главнейшие из условий, поставленных США для конкурса на вновь проектируемую самозарядную винтовку 1 в 1928 г.:
Калибр d == 276 (7,0 мм).
Пуля весом 125 гран (8,1 г; поперечная нагрузка 21,1).
Гильза без закраины.
Начальная скорость и0 = 825 MjceK.
Предельное наибольшее давление Ртах = 3025 кг!см2.
Простая конструкция.
Легкое изготовление.
Вместимость магазина не менее пяти патронов.
Затвор после выстрела последним патроном должен оставаться открытым.
1 Заимствовано из „Army Ordnance".
75
При сменном магазине последний должен вставляться и при открытом и при закрытом затворе.
Отдача 3—5 американских фунта.
Вес с полным магазином (без штыка) не более 8,75 американского фунта (3,97 кг).
Примечание. Балистические данные подобраны, исходя из дальности ружейного огня 1000 ярдов (915 м)1.
В этих требованиях обращает на себя внимание калибр 7,0 мм, отличающийся от принятого до сего времени в США 7,62 мм, и пуля с меньшим относительным весом, чем имеющийся на вооружении (поперечная нагрузка 24,6), что, повидимому, объяснялось затруднениями в получении требуемого веса.
Однако в дальнейшем в требованиях к винтовке указывалась желательность сохранения принятого патрона.
Черт. б. Внешний вид винтовки системы Джонсона.
Данные некоторых иностранных самозарядных винтовок уже были приведены в табл. 5. В дополнение приведем краткие сведения об одной из последних американских винтовок системы Джонсона (черт. 6): калибр 7,62 /гм, вес 4—4,3 кг. Автоматика — на принципе отдачи с коротким ходом; круговой магазин на десять патронов; затвор по опустошении магазина остается открытым.
Одним из вопросов, с которыми приходилось сталкиваться конструкторам, являлся вопрос о возможности автоматизации существующего образца магазинной винтовки. Его решение заманчиво с той стороны, что экономические выгоды такого способа несомненны, позволяя сохранить в значительной степени существующий технологический процесс и использовать имеющиеся в стране запасы оружия.
Рассматривая существующие образцы материальной части магазинных винтовок, приходится отметить ряд неблагоприятных обстоятельств для решения этой задачи. Во-первых, нужно добавить новый механизм для автоматического открывания затвора, который не может уложиться в имеющийся габарит и вес винтовки, следовательно, вызовет необходимость переделки ствольной коробки — одной из наиболее сложных и дорогих деталей. Во-вторых необходимо ввести возвратную пружину к затвору, причем ни один из существующих типов затворов не позволяет поставить возвратную пружину без существенной его переделки или без добавления к нему какой-либо специальной детали. Таким образом подвергается, изменению вторая важнейшая часть винтовки — затвор. Следует отметить,
1 Числовые величины переведены нами в метрическую систему, как более привычную.
76
что конструкции затворов магазинных винтовок вообще крайне неудобны для автоматического действия, приводя к излишней громоздкости системы при ее автоматизации; нельзя рассчитывать во всяком случае получить лишь незначительное увеличение веса при переделке винтовки без коренного изменения ее механизмов и деталей.
Ряд сделанных попыток подтвердил это полностью, так как в конце концов неизмененным мог оставаться только один ствол, и первоначальная установка — сохранение технологического процесса — оказывалась невозможной.
Своеобразное решение этого вопроса мы видим в одной из конструктивных работ Педерсена в США, выполненной еще в 1918 г. и опубликованной в журнале „Army Ordnance" в 1932 г. Автоматизация винтовки Спрингфильда была осуществлена Педерсеном при помощи перехода к новому патрону: вместо винтовочного патрона был применен пистолетный патрон того же калибра (7,62 мм). Сущность этой переделки заключалась в том, что затвор винтовки заменялся вкладным приспособлением, представлявшим собой систему пистолета-пулемета с коротким стволиком, входившим в патронник винтовки. Приставной магазин на 40 патронов (пистолетных калибра 0 • 30 образца 1930 г.) вставлялся в это приспособление сверху. Вес всего прибора без магазийа 0,96 кг и снаряженного магазина 0,45 кг. Таким образом вес незаряженной винтовки возрастает приблизительно на 0,7 кг.
При данном способе решения вопроса, как видим, не получается выгоды в весовых данных, но зато емкость магазина делает оружие чрезвычайно мощным в нужные моменты, тогда как при применении обычных патронов емкость магазина стоит в противоречии со скорострельностью винтовки. Что касается снижения балистических качеств винтовки, то для применения на дистанции ближнего боя балистические свойства винтовки остаются еще удовлетворительными, но не может быть и речи о сколько-нибудь действительном огне на большие дистанции.
Такая переделка превратила винтовку по существу в пистолет-пулемет. Если рассматривать винтовку исключительно как оружие ближнего боя, то переход к патрону с пониженной балистикой имеет известную почву под собой. В этом случае последовательное развитие автоматической винтовки приводит к ее замене пистолетом-пулеметом Ч
Из соображений же получить возможно большую мощность огня для пехотного подразделения в целом вытекает стремление к сближению автоматической винтовки с ручным пулеметом и последующей замене ручных пулеметов автоматическими винтовками при условии удачного решения вопроса о повышении режима огня последних. Основное отличие автоматической винтовки от ручного пулемета заключается в том, что при более
1 Следует указать, что американцы вскоре отказались от этого видоизменения винтовки.
77
ограниченном вес? винтовка стеснена как в отношении емкости магазина, так и ё отношении возможности применять повышенный режим огня, так как ее легкий ствол очень быстро будет перегрет.
Все же групповой огонь нескольких автоматических винтовок вполне может заменить огонь ручного пулемета.
§ & Ручной пулемет, его свойства и требования к нему
Ручной пулемет был введен повсеместно на вооружение армий в ‘течение мировой войны 1914—1918 гг. Мировая война определила и задачи ручного пулемета. М. Девуж называет ручной пулемет оружием, применяемым „в зоне отчетливой видимости". В. Г. Федоров пишет: „Ручной пулемет служит для выполнения тех же задач (что и станковый.—А. Б.), но при непременном условии сохранения за оружием хорошей подвижности, хотя бы в ущерб мощности и точности".
Риттер в своей книге „Война и оружие будущего" говорит: ^Огневой удар ручного пулемета, вплоть до ближайших дистанций, превосходит кучностью и меткостью „индивидуальный" огонь, т. е. огонь стрелковой цепи или группы, направленный в одну точку без рассеивания в глубину, причем пулемет с необычайной гибкостью приспособляется к разнообразнейшим формам маневренного боя пехоты... К ручному пулемету предъявляется тактическое требование быть в состоянии уничтожить механически разрушаемые, главным образом групповые, цели различной видимости и величины быстро начинающимися и действительными огневыми ударами. Это оружие должно быть, приспособлено к сопровождению самых мелких подразделений наступающей или обороняющейся пехоты с возможностью его беспрепятственного применения на любой местности и при любом положении пулеметчика. Ручные пулеметы, которые не поспевают за движением пехоты, или такие, которые отказывают в решительный момент, являются камнем на шее пехоты... В техническом смысле отсюда вытекает ограничение дальности действительной стрельбы от 1000 до 1500 м. Ведение длительного непрерывного огня не требуется. Вес и размеры могут быть гораздо меньшими, чем у станкового пулемета; устройство должно обеспечивать удобство обслуживания одним человеком. Безусловно необходима точная работа механизма, другими словами — простая, крепкая конструкция, обеспечивающая постоянную готовность к открытию огня".
БУП-38 и НСД-38 определяют ручной пулемет, как „основное автоматическое оружие стрелкового отделения. Его основное назначение — уничтожать открытые групповые и важные одиночные цели на дистанциях до 800 м и поражать штурмующие самолеты на дистанциях до 500 м. Огонь ручного пулемета ведется, как правило, короткими очередями (3—6 выстрелов)"1. Основные
1 Наставления .по стрелковому делу (НСД-38), стр. 7.
78
данные состоявших на вооружении в различных армиях и состоящих на вооружении сейчас ручных пулеметов приведены табл. 12, стр. 80—81.
Подчеркнем некоторые данные, относящиеся к ручным пулеметам:
1) вес ручных пулеметов первоначальных образцов, как правило, был более 10 кг, позднейшие образцы имеют вес пределах 7—9 кг\
2) размеры ручного пулемета по длине не отличаются от размеров винтовки, а поперечные его размеры несколько больше размеров последней;
3) способность ручного пулемета следовать со стрелковыми отделениями по любой местности;
4) возможность ведения огня с открытых позиций;
5) прицельная дальность до 1800—2000 м, действительный огонь до 900 м;
6) темп стрельбы от 250 до 600 выстрелов в минуту, в некоторых образцах применяется изменяемый темп стрельбы (в сторону его снижения);
7) практическая скорострельность 80—150 выстрелов в минуту;
8) высокие маневренные качества достигаются за счет некоторого снижения меткости и устойчивости при стрельбе по сравнению со станковым пулеметом;
9) возможность применения огня против низко летящих самолетов;
10) возможность ведения огня с высоких предметов (крыши, деревья и пр.).
В каком же направлении должны совершенствоваться качества ручного пулемета? Если связывать этот вопрос с возможностью принятия на вооружение нового патрона с более совершенными балистическими свойствами, то прежде всего надо поставить цель увеличить мощность оружия без потери маневренных качеств дальнейшего совершенствования маневренности, стремясь, например, приблизить ручной пулемет по габариту и весу к винтовке, поскольку он сопровождает пехоту во всех одинаковых условиях с винтовкой.
Если в период мировой войны огонь ручных пулеметов считался „действительным" до дистанции 800— 1000 м, то увеличение мощности прежде всего будет заключаться в увеличении этой дистанции. А чтобы „действительность" огня оказалась такой же, как у прежних образцов пулеметов на новой дистанции, необходимо, очевидно, стремиться к осуществлению „бали-стики у цели" на дистанции 1200— 1500 м, идентичной с бали-стикой у цели прежних образцов на упомянутой дистанции; одинаковость балистики у цели будет достигнута в том случае, если очертания траектории перед целью (превышение траектории вблизи цели и угол падения) примерно будут одинаковы, равно как одинакова будет меткость и живая сила пули. Задача может быть разрешена без увеличения веса оружия, за счет
79
Таблица 12
Данные ру
Страна Система Год । ; ТГ Z- ! Калибр, мм\ ! Система автоматики 1 Способ питания
Австрия Шварцлозе 1907/1912 8,0 I, 1, Б, а Лента
1916
Англия Гочкис 1909 7,71 П, 1, А Жесткая лента
Льюис 1915 7,71 То же Дисковый магазин
• 9 1923 7,71 99 Коробчатый магазин
Виккерс-Бертье 1924/1925 7,62 99 Коробчатый магазин
я Бердмор-Фаркар 1924/1925 7,65 Дисковый магазин
Англия Брен 1937. 7.7 II, 1, А Коробчатый магазин
Германия Максим 1908/1915 7,9 I, 2, Б, а Лента
* 99 1908/1918 7,9 То же И
Дрейзе 7,9 Дисковый магазин
Бергман 1915 7,9 Лента
Германия МГ34 — 7,92 I, 2, Б Барабанный магазин
Италия Фиат 1917 6,5 99 Магазин
99 » 1924 6,5 п и
99 Бриксиа 1923 6,5 19 Коробчатый магазин
М5 7,92 Коробчатый магазин
99 Ревелли 1929 6,5 I, 1, А Коробчатый магазин
Польша Браунинг 1928 7,92 И, 1, А Коробчатый магазин
Дания Мадсен 1920 7,71 I, 2, Б, г Коробчатый магазин
Франция Шоша 1915 8 I, 2, А Коробчатый магазин
99 Гочкис 1909 8 II, 1, А Жесткая лента
99 1923 8 То же я я
99 Шательро 1924 7,5 Коробчатый магазин
Чехословакия Z-B 1926 7,9 Коробчатый магазин
Швейцария Фуррер 1923 7,45 I, 2, Б, а Коробчатый магазин
S-2-2000
(Солотурн) 1931 7,92 То же Коробчатый магазин
Бельгия Браунинг 1930 7,65 II, 1, А Коробчатый магазин
Япония — 1922 6,5 II, 1, А Несменяемый магазин
Япония — 1936 6,5 П, 1, А Коробчатый магазин
Финляндия LS 1926 7,62 П, 1, А Коробчатый магазин
СССР Дегтярева 1929 7,62 II, 1, А Дисковый магазин
ных пулеметов
Емкость магазина Скорострельность теор./практ. Длина ствола, мм Длина оружия мм Прицельная дальность м Вес, кг Начальная скорость пули, mJ сек Вес ствола кг Число всех частей Примечание
тела с сошками
100 400/250 530 — 2000 1 22,4 24,3 1 _ — —1
30 400/250 600 — 2000 Н,4 12,5 — — —
47 (97) 500/150 660 1100—1280 1850 13,0 15,5 — —
20 600/300 600 1140 — — 8,2 1 । 800 2,28 114
20—30 450/250 600 1250 1700 — 9,2 1 — —
81 450/— 660 1210 — — 7,27 850 2,12 140
30 500/250 — 1155 — — Ю,1 750 — —
250-100 500/300 721 — 2000 17,8 18,9 870 — — С водяным ох-
250-100 550/300 600/— 721 721 — 2000 2000 14,0 9,7 15,1 10,3 870 — — лаждением С воздушным охлаждением
250-100 250/— 725 1150 2000 12,0 15,5 — 1,60 143
50 500/— — 1220 — — 12 755 — —
25 470/— — — — 8,0 9,9 — — —
25 350/— — — — 7,0 8,2 — — —
35-50 350/150 460 940 । — — 11,0 — 2,4 —
20 450/150 500 — — — 8,8 — — —
20 — 500 — — — — — — —
20 600/400 607 1112 1600 — 8,5 840 2,47 125
25 400/300 580 1165 2000 7,0 8,6 — 1,74 229
20 240/120 450 1150 2000 8,35 8,75 — — 124
24 400/250 600 1190 2000 11,25 12,0 — — —
15 500/300 500 1150 2000 7,72 8,47 — 2,13 178
25 450/150 500 1110 — 8,83 9,59 820 2,31 193
20 600/200 602 1170 1500 — 8,84 795 — 143
30 400/250 640 1160 2000 8,2 9,33 — 2,55 —
30 500/— — 1170 — — 8,4 — — —
20 300/— — 1112 — — 9,3 —— — —
30 500/— — 1110 1500 — 10,2 — — —
30 550/— — 1048 — — 8,7 680 — —
20 и 75 600/— — — — — 10,4 870 — —
47 600/— 605 1266 1500 7,72 * 8,42 840 — —
1 Согласно обозначениям классификации (см. § 17).
2 Без магазина.
. А. Благонравов—124—6
.80
совершенствования балистических качеств путем: а) улучшения формы пули, б) выбора наивыгоднейших для этого случая калибра и веса пули.
Необходимо заметить, что почти все состоящие на вооружении образцы пулеметов делались под патрон, спроектированный в свое время для винтовки; результатом этого является то, что в балистическом отношении ручной пулемет вообще хуже винтовки, ибо более короткий ствол (на 15 — 25 калибров короче винтовочного), как правило, принятый почти во всех ручных пулеметах, с целью возможного облегчения и уменьшения размеров, ведет не только к понижению начальной скорости, но и к .ухудшению условий полного сгорания заряда; важность последнего обстоятельства указывалась выше.
Действительно, на практике легко обнаружить неполное сгорание заряда при стрельбе из большинства ручных пулеметов. Между тем причины, влияющие на рассеивание, зависящие от свойств самого оружия, для стрельбы на дистанцию > 1000 м приобретают значительно больший вес, чем это было в случае винтовки. Для винтовки преобладающее значение для меткости имеют вызывающие рассеивание причины, связанные со стрелком; в этом не трудно убедиться, просмотрев абсолютную величину отклонений от различных причин на дистанции до 500 м. Беря (по Н. Филатову) для винтовки при стрельбе на дистанцию 500 шагов рассеивание, зависящее от оружия, равным а =5 см, а рассеивание, зависящее от стрелка при стрельбе со станка, равным 10 см, т. е. 2а, видим, что суммарное рассеивание будет характеризоваться величиной /"а2-)- 4а2 — а/5, и если свойства оружия изменятся так, что рассеивание, зависящее от оружия, уменьшится в два раза, при неизменяемости рассеивания, зависящего от стрелка, то суммарное рассеивание изменится только в = -у-_ раз, т. е. на 8%; при стрельбе же на дистан-
цию 1400 м а = 72 см, а рассеивание, зависящее от стрелка при стрельбе со станка, только 40 см, т. е. 0,55 а; уменьшив а в два раза, получим изменение суммарного рассеивания в
1,303 , со осп,
= 1,53 раза, или 35%.
Отсюда и вытекает соответствующее внимание к балистике патрона для ручного пулемета: если иметь единый патрон для ручного пулемета и винтовки, то его балистику нужно подбирать, исходя из условий,, чтобы патрон был наивыгоднейшим для пулемета, а не наоборот. Поэтому, исследуя подобно тому, как это было сделано для винтовки, влияние калибра и поперечной нагрузки пули на характер траектории, применительно к условиям стрельбы из ручного пулемета, мы можем сделать вывод, что наивыгоднейшим калибром является тот же, который мы определили для винтовки; наивыгоднейшая поперечная нагрузка пули —около 25 — 26 г/ел? (см. табл. 13).
82
Таблица 13
Балистические элементы траекторий пуль различного веса и калибра при улучшенной их форме и угле бросания cf=lo
Калибр мм Вес г Поперечная нагрузка г/см2 Начальная скорость м/сек Дальность м Угол падения Окончательная скорость Живая сила в конце’ полета
7,62 1 9,60 i 1 i 21,4 870 1220 1°55' 326 52,0
7,62 11,15 24,8 807 1180 1°46'40" 337 62,7
7,0 9,62 25,0 842 1240 1 °48'30" 343 57,7
7,0 11,54 30,0 770 1215 1°40'55" 362 77,0
6.5 8,30 25,0 860 1280 1°5Г30" 342 49,5
в;5 9,95 30,0 785 । 1249 1°40'20" 365 67,3
Если сравнить балистические свойства состоящего на вооружении ручного пулемета Дегтярева при стрельбе легкой пулей образца 1908 г. и тяжелой пулей образца 1930 г., то получим, что балистические свойства траектории тяжелой при стрельбе на дальности 840 л/ приблизительно идентичны свойствам траектории при стрельбе легкой пулей на дальности 800 м\ таким образом штатный патрон с тяжелой пулей дает лишь незначительное преимущество.
Указанный выше вывод о патроне сделан, исходя из возможности получить наиболее настильную, на рассматриваемую дистанцию, траекторию, что, как мы видели, связано и с вопросом улучшения меткости.
Повышение мощности ручного пулемета увеличением его скорострельности встречает препятствия вследствие необходимости в первую очередь считаться с маневренностью пулемета. При возрастании практической скорострельности неизбежно усиливается нагрев ствола; это требует принятия и соответствующих мер для его охлаждения; во избежание же излишнего веса для ручного пулемета приходится применять способ охлаждения наиболее простой. Кроме того, отсутствие достаточно устойчивой опоры (станка) делает бессмысленной стрельбу длинными очередями вследствие нарушения правильности прицеливания в процессе автоматической стрельбы. Поэтому, как правило, ручной пулемет ведет огонь короткими очередями по 3 — 6 выстрелов, во всяком случае не более 10 выстрелов в каждой очереди.
Высокий темп стрельбы может иметь значение при стрельбе ПО| быстродвижущимся целям, а так как задачи подобного рода для ручного пулемета не являются основными, то возникает мысль об уменьшении темпа стрельбы для него, учитывая вредные стороны быстрого темпа (усиленный нагрев, более быстрый износ механизмов, иногда излишний расход боеприпасов). Если подсчитать вероятность поражения цели, учитывая:
83
1) продолжительность ее появления, 2) вероятность попадания, как функцию размеров цели и меткости оружия, 3) время, тратящееся стрелком для исправления прицеливания в промежутке между двумя очередями огня (в связи с устройством прицельных приспособлений и конструкцией пулемета), 4) способ стрельбы (т. е. количество выстрелов в каждой очереди), то можно, задаваясь при этом различным темпом стрельбы, выяснить, насколько последний влияет на поражение целей.
Выводы, получаемые при таком подсчете, следующие: а) темп стрельбы имеет большое значение при быстро появляющихся и скрывающихся целях; б) при меньшем времени, нужном для исправления прицеливания; в) при худших условиях попадания в цель (малых размерах цели и дальних дистанциях); г) изменение вероятности поражения цели в зависимости от изменения темпа стрельбы с 450 до 600 выстрелов в минуту незначительно во всех случаях. Для стрельбы по наземным целям без опасения, повидимому, возможно снижение темпа стрельбы ручного пулемета до той цифры, которую дают наименее скорострельные из существующих (пулемет Шоша).
Однако при стремлении получить легкую систему автоматики обыкновенно получают довольно высокий темп стрельбы, и для его искусственного снижения приходится прибегать к созданию специальных (замедлительных) механизмов. Это усложнение конструкции нежелательно.
В целях увеличения практической скорострельности желательно иметь достаточно емкий магазин, легко и быстро сменяемый; однако увеличение емкости магазина отражается на весе пулемета и снижает его надежность. Заслуживающим внимания по идее является решение этого вопроса в японском ручном пулемете, где осуществлена возможность снаряжения патронами в обоймах несменяемого магазина независимо от того, полностью или частично израсходован запас патронов в магазине.
Переходя к маневренным свойствам ручного пулемета, как наиболее существенным для этого вида оружия, необходимо отметить следующее. На первом месте для обеспечения маневренных качеств стоит вопрос о весе ручного пулемета. Системы, имевшие применение в мировую войну 1914 — 1918 гг., были весом от 7 до 16 кг \ Чтобы удовлетворить требованиям всюдупроходи-мости, отовсюдубойности, максимальной, гибкости огня и сбережения сил стрелка и не стать в трудных случаях обузой для пехоты, вместо того чтобы быть ее надежнейшим оружием, ручной пулемет должен обладать весом, в идеале приближающимся к весу винтовки. Эта задача, являясь пока неразрешимой, определяет неуклонное требование — понизить вес насколько возможно.
Развитие ручного пулемета после мировой войны свидетельствует об этой тенденции: в мировую войну средний вес бывших
1 Кроме Максима 1908/1915 — весом 19 кг с магазином.
84
на вооружении армий ручных пулеметов был 11,5 кг, теперь — 8,5 «г. Мерами для снижения веса являются: 1) уменьшение калибра, (до наитвыгоднейшей его величины); уменьшение калибра мы видим, например, во Франции, которая не остановилась перед созданием для ручного пулемета специального патрона, отличающегося от винтовочного; 2) выработка более прогрессивного пороха, что, отражаясь на величине наибольшего давления, ведет к уменьшению прочных размеров затвора, ствольной коробки, а вместе с тем и веса;3) меры конструктивного характера: упрощение конструкции, применение легких металлов для тех частей, где это возможно. Уменьшение калибра, как мы знаем уже, сопровождается и некоторым облегчением условий боевого питания благодаря понижению веса патрона. Остальные маневренные требования вызывают необходимость соответствующих конструктивных мероприятий (обеспечение независимости работы системы от положения ее, угла возвышения и пр., удобство конструкции для транспортирования пулемета, возможно большая емкость магазина). Условия боевой работы ручного пулемета требуют очень высокой степени надежности этого вида оружия. Наконец, большая численность ручных пулеметов в армиях вызывает усиленное внимание и к экономическим требованиям. Особенно следует подчеркнуть вопрос о живучести пулеметных деталей; поскольку ручной пулемет обычно обладает сменным стволом, живучесть основных деталей следует довести до нормы, обусловливаемой общей живучестью всех запасных стволов, могущих быть в комплекте пулемета; иначе говоря, от деталей ручного пулемета требуется гораздо более высокая живучесть, чем от деталей самозарядной винтовки.
В данное время большинство армий стоит на точке зрения применения к ручному пулемету штатных винтовочных патронов, исходя из чего и разрабатывались новые образцы конструкций.
Поэтому существенного изменения балистических качеств ручного пулемета не происходит, и стремление увеличить мощность стрельбы может быть осуществлено за счет мероприятий, увеличивающих меткость (совершенство прицельных приспособлений, обеспечение устойчивости при стрельбе с помощью придания пулемету легкой, но надежной опоры).
Из изложенного и вытекают конкретные тактико-технические требования к пулемету, из которых основные сводятся к следующему:
1. Вес вновь создаваемого ручного пулемета должен быть порядка 7 кг, т. е. в тех пределах, которые уже достигнуты оружейной техникой на современном этапе.
2. Темп стрельбы желателен по возможности невысокий (не более 500 выстрелов в минуту), но достигаться это должно рациональной конструкцией пулемета без осложнения ее созданием добавочных механизмов; регулирование темпа стрельбы не следует считать обязательным для ручного пулемета; практи-
85
ческая скорострельность может быть доведена до 200 выстрелов в минуту.
3. В числе других свойств, обеспечивающих маневренность, пулемет должен: а) обладать небольшими размерами, имея длину ствола не бблыпую, чем это установлено для винтовки; б) быть портативным (дТТя удобства переноски); в) иметь конструкцию всех механизмов, одинаково хорошо работающую при всяком положении пулемета; г) обладать точными и удобными для быстрого прицеливания прицельными приспособлениями; д) иметь достаточную емкость магазина (не менее 20 патронов), причем магазин должен обладать наименьшим „мертвым весом11; с этой точки зрения выгодной является ленточная система подачи патронов, но она имеет другие недостатки: неудобства при перебежках, необходимость добавочных устройств для переноски лент, более медленную и кропотливую смену магазина; в этом отношении система коробочных магазинов или жестких лент удобнее; возможность смены магазина в любом положении пулемета, при закрытом или открытом затворе, является немалым преимуществом; поэтому последний тип подачи патронов» предпочтительнее, хотя и дает меньшую емкость магазина; магазин должен быстро замёняться (время смены до 3 секунд); хорошим решением является устройство несменяемого магазина, удобно и быстро снаряжаемого патронами; е) пулемет должен допускать стрельбу как автоматическую, так и одиночными выстрелами; ж) сошки пулемета должны иметь вес не более 1 кг.
4. Для обеспечения надежности следует: а) выбрать систему автоматики наименее сложную; б) механизмы расценивать с точки зрения наименьшего числа возможных задержек и легкости устранения последних; в) стремиться к уменьшению числа отдельных частей и легкости их замены; г) иметь надежное, но простое по своему устройству и негромоздкое охлаждение; д) обеспечить независимость работы пулемета от условий передвижения, хранения оружия, состояния погоды и пр.; е) придать ручному пулемету внешний вид, не привлекающий к нему внимания противника (габарит и очертания, близкие к винтовке); ж) иметь легко и быстро сменяемый ствол; з) живучесть основных деталей не менее 75000 выстрелов. ,
5. В целях маскировки желательно принятие мер по уменьшению вспышки пламени и звука выстрела (наличие пламягасителя и звукопоглотителя).
6. В целях уменьшения действия выстрела на стрелка, учитывая известное-своеобразие этого действия при различных системах автоматики, нужно по мере возможности уменьшить удары движущихся частей в пулемете рациональным осуществлением законов движения и соответствующим подбором сопротивлений их движению (например возвратной пружины).
Существовали взгляды, что ручной пулемет должен уступить свое место в системе вооружения автоматической винтовке. Сокращение числа образцов в системе вооружения является, 86
конечно, желательным, но, как уже отмечалось, на замену ручного пулемета автоматической винтовкой можно рассчитывать, только компенсируя количеством винтовок различие в возможном режиме огня. Поэтому ручной пулемет занимает в настоящее время видное место в системе стрелкового вооружения.
§ 10. Станковый пулемет, его свойства и требования к нему
Станковый пулемет представляет оружие, мощность которого весьма велика, несмотря на малый калибр.
По определению Боевого устава: „станковый пулемет наиболее мощное оружие для поражения открытых и находящихся за небольшими складками местности групповых живых целей и огневых средств противника на дистанцияхдо 1000 м\ для борьбы с самолетами на удалении до 1500 м применяются станковые пулеметы со специальной установкой и с особым прицельным приспособлением. Станковый пулемет, обслуживаемый отважными бойцами, в открытом бою недоступен для пехоты противника до тех пор, пока есть патроны и жив хотя бы один пулеметчик. Огонь ведется очередями. Боевая скорострельность 250—300 выстрелов в минуту. Пулеметы ведут огонь в Составе отделения, взвода и роты с открытых, полузакрытых и скрытых позиций".
„Наставление по стрелковому делу РККА" 1932 г. определяет основное назначение станкового пулемета: „а) в наступательном бою — огневое обеспечение наступления и атаки своих войск и отражения контратак противника; б) в оборонительном бою — отражение наступления и атаки противника и огневое обеспечение контратак своих войск. Кроме того, станковые пулеметы являются наиболее действительным средством пехоты (конницы) для борьбы с самолетами противника (на дистанции до 1500 м) и могут быть использованы для борьбы с броневыми силами противника".
Начав свою службу со скромной роли вспомогательного вооружения крепостей, станковый пулемет, начиная с 1904 г., завоевывает себе все более и более почетное место, делаясь в конце концов оружием, определяющим основания боевого порядка пехоты.
Пулемет должен позволить применение огня с закрытых позиций, стрельбу через голову своих войск и в промежутки между подразделениями. Дальность его огня—до 4 км (хотя действительным огнем для современных пулеметов считается огонь на дистанцию 1000 м). Объектом огня станкового пулемета являются на дальних дистанциях скопления противника, крупные группы; с приближением противника целями могут быть пехотные орудия, пулеметы, резервы. Усовершенствование бронебойной пули дает пулемету возможность бороться с легкой броней (щитовыми прикрытиями) на ближних дистанциях. При наличии пули траси-рующей и соответствующем устройстве станка пулемет стано
87
вится серьезным противником для низко летящих воздушных сил. Исключительная способность станкового пулемета к ведению довольно продолжительного непрерывного огня, дающая пулемету громадную практическую скорострельность, является основной причиной увеличения мощности станкового пулемета. Благодаря этой же особенности станковый пулемет способен в короткие промежутки времени уничтожать некоторые виды искусственных препятствий (проволочные заграждения на деревянных кольях, кирпичные стенки небольшой толщины). Мощность станкового пулемета, как это следует из основной формулы для мощности, выше мощности ручного пулемета еще и вследствие большего значения параметра р, т. е. большей меткости. Благодаря наличию устойчивого при стрельбе станка автоматическая стрельба гораздо меньше влияет на „сбиваемость наводки"^ и рассеивание от автоматического огня для станкового пулемета в полтора-два раза меньше, чем для ручного. Это же обусловливает и возможность увеличения параметра п, т. е. практической скорострельности.
Такие преимущества станкового пулемета куплены, однако, ценой понижения его маневренных качеств. Для обеспечения полной устойчивости системы при современном патроне необходим минимальный вес станка около 15 кг. Возможность стрельбы длинными очередями автоматического огня только тогда будет обеспечена, когда пулемет имеет надежную систему охлаждения. При водяном охлаждении по сравнению с ручным пулеметом вес тела пулемета увеличивается приблизительно на 4 кг без воды и, кроме того, требуется еще 3—4 кг воды; менее эффективное воздушное охлаждение требует при применении его к станковому пулемету также увеличения веса по сравнению с пулеметом ручным (большой радиатор и массивный ствол). Если добавить к этому необходимость обеспечить пулемет гораздо большим количеством выстрелов как в смысле емкости магазина, так и числа запасных магазинов (лент), которые должны транспортироваться в бою вместе с пулеметом, а также желательность установки щита на пулемете, то неизбежность довольно громоздкой системы делается очевидной. Станковый пулемет должен быть тяжелее ручного пулемета не менее, чем на 25 кг. Хотя и существуют специальные пулеметы для стрельбы по воздушным целям, желательно, чтобы станковый пулемет был универсальным, т. е. позволял стрельбу и по наземным и по воздушным целям. Универсальный станок будет еще более тяжелым (25—30 кг).
Конкретизируя требования к станковому пулемету, отметим: 1. Балистика пулейета должна отвечать возможности применять огонь на возможно бблыпих дистанциях. Этим объясняется применение патрона с тяжелой пулей.
2. Чтобы применение огня на дальние дистанции оправдывало себя, необходима надлежащая меткость оружия (обеспечивается оптическим прицелом).
88
3. Так как своей мощностью пулемет обязан большой практической скорострельности, то таковая должна быть не менее 300 выстрелов в минуту. Соответствующий темп стрельбы — 500— 600 выстрелов в минуту.
Для успешной стрельбы по воздушным целям требуется более высокий темп стрельбы. Поэтому универсальный станковый пулемет должен иметь переменный темп стрельбы (при максимальном— до 900—1000 в минуту).
4. При наличии устойчивого станка, обеспечивающего наименьшее влияние автоматической стрельбы на рассеивание, вес системы пулемета получается не менее 30—35 кг, а при универсальном станке 40—45 кг. В целях повышения маневренных качеств пулемета в отношении подвижности следует свести вес к этим пределам и принять меры к наибольшему удобству транспортирования пулемета на поле боя, которые отчасти, парализовали бы влияние невыгодного, веса.
5. Для обеспечения соответствующей практической скорострельности нужно следующее: а) надежная система охлаждения ствола;, б) магазин большой емкости (ленты, вмещающие не менее 250 патронов)^) удобный и быстрый способ смены магазина (ленты).
В последних конструкциях избегают применять водяное охлаждение.
6. Универсальность станкового пулемета в смысле решения огневых задач помимо соответствующих балистических качеств требует и соответствующего станка, который позволял бы: а) осуществлять быстрый перенос огня с одной цели на другую; б) применять стрельбу при любых углах возвышения (и для стрельбы по воздушным целям); в) при обстреливании глубоких и широких целей (стрельба по площадям) нужны приспособления для применения рассеивания по дальности и в ширину; желательно наличие ограничителей рассеивания, устанавливающихся на определенный сектор обстрела; приспособления для рассеивания должны выключаться для возможности стрельбы в „точку**.. Обстрел требуется круговой. Наибольший угол возвышения до 85°.
7. Применять огонь пулемета на дальних дистанциях, как уже отмечалось, будет целесообразно при достаточной меткости. Это приводит к необходимости оптических прицельных приспособлений, возможно портативных и легких, способных противостоять вредному действию колебаний при автоматической стрельбе, и в то же время служащих приборами для наблюдения и корректирования стрельбы.
Желательно иметь универсальный оптический прицел.
8. Применение пулеметов для стрельбы с закрытых позиций требует обеспечения их соответствующими приспособлениями для возможности стрельбы непрямой наводкой.
9. Занимаемое станковым пулеметом место в системе вооружения не позволяет никакого послабления в смысле общих требований к оружию, относящихся к его надежности (безотказ
ен
пости, безопасности, простоты устройства, обслуживания и обучения).
Более массивная система позволяет поставить требование к живучести основных деталей выше, чем для ручного пулемета.
Рассматривая вопрос о балистических свойствах пулемета, исследуем траектории пули при различных калибрах и весах ца дистанцию 2500 м, исходя из того, что, начиная с этой дистанции, стрельба пулемета имеет наиболее частое применение. Сравнивая результаты подсчета (табл. 14), видим, что, наивыгодней-1йий вес пули при стрельбе на эту дистанцию лежит в пределах поперечной нагрузки 28 — 30 г/см.. Уменьшение калибра также теоретически выгодно, но следует учесть затруднительность получения достаточно устойчивой на полете пули с большой поперечной нагрузкой при малом калибре; практическим пределом, для поперечной нагрузки пули балистически выгодной формы можно указать приблизительно:
для калибра 6,5 м — 27 г)смъ
7,0 ,—28 „
, , 7,5 „ — 29 ,
что несколько уменьшает выгодность малых калибров. Кроме того, надобность в специальных видах пуль также заставляет относиться с осторожностью к уменьшению калибра. 7-мм калибр и здесь можно признать одним из наилучших при пуле весом не менее 10,7 г.
Таблица 14
Элементы траектории при стрельбе на 2500 м
Калибр мм Поперечная нагрузка пули, г)см2 Вес пули, г Начальная скорость, | м/сек Угол бросания Дульная энергия кг-м Угол падения на дистанцию 2500 м Оконча- тельная скорость м/сек Живая сила пули на 2500 м Время полета в секундах
24 10,60 796 4°37'10" 342 9°26' 214 24,7 7,49
7’5 1 26 11,48 751 4°37'15" 1 330 9°6Z 221 28,5 7,444
28 12,36 J10 4°40z30" | 317 8°5Г 227 32,3 7,437
24 9,23 878 3°59'10" 368 8°35' 223 23,8 7,02
7 Л 26 10,00 826 4°0' 347 8°17' 230 25,3 6,93
/ ,и 28 20,77 785 4°2' 20" 337 8°0' 236 30,8 6,93
30 11,54 750 4° 2' 30" 331 7°53z 242 34,6 6,94
24 7,96 915 3°43'30" 337 8°12' 227 20,7 6,82
6,5 26 8,62 879 3°37z15" 337 7°45' 236 24,3 6,69
28 9,28 832 3°39' 327 7°32' 242 27,6 6,69
Табл. 14 составлена исходя из начальных скоростей, дающих энергию отдачи, не превышающую величины, которую мы брали в случае винтовки, т. е. в предположении, что патрон станкового
S0
пулемета используется и для винтовки. Если же стать на точку зрения создания специального для станкового пулемета патрона, то величина энергии отдачи уже не будет играть такой роли, как в случае винтовки; исходя из действия выстрела на систему и ограничивая величину наибольшего давления, произведем подсчет для различных калибров, сохраняя постоянство дульной энергии. Результаты подсчета сведены в табл. 15, из которой мы видим, что можно получить лучшую балистику пулемета, если пользоваться для него специальным патроном.
Таблица 15
Элементы траекторий при стрельбе на дистанцию 2500 м, вычисленные при постоянной дульной энергии
Калибр мм Поперечная нагрузка пули, г/см2 Вес пули, г Начальная ' скорость, м]сек Угол бросания Дульная энергия, кг-м । Угол падения на дистанцию 2500 м । Окончательная скорость м!сек Живая сила на 2500 кг/м Время полета в секундах
7.5 28 12,36 755 4°15' 362 8° 17' 238 34,3 7,14
7,0 28 10,77 815 3°43'20" 363 7°42'20" 240 31,6 6,78
7,0 30 11,54 785 3°43'45" 363 7°26'30" 246 35,7 6,73
6,5 28 9,28 875 3°20'50" 362 7°7' 247 28,8 6,44
Однако вопрос об отдельном патроне для станкового пулемета не может быть решен только на основании теоретических выкладок; упомянутые выше соображения могут привести к решению отказаться от балистических преимуществ в целях единства патрона.
История станкового пулемета показывает, что пулемет только тогда стал незаменимым оружием пехоты, когда избавился от чрезмерно громоздкого и тяжелого лафета, увеличив этим свою подвижность. Мы видели, что маневренные качества станкового пулемета сравнительно невысоки; вес системы является предельным для возможности передвижения пулемета в боевой обстановке силами одного человека. Стремление увеличить маневренность станкового пулемета, с одной стороны, а с другой, — увеличить устойчивость, а вместе с тем и меткость ручного пулемета, привело к созданию промежуточного типа между этими двумя пулеметами — легкого станкового пулемета. Осуществленные образцы этого типа имеют вес от 11 до 16 кг и являются по существу ручными пулеметами, снабженными легким портативным станком. Действительно, емкость их магазинов не превышает 50 патронов, практическая скорострельность не выше 200 выстрелов в минуту; способ охлаждения ствола простой и недостаточно интенсивный. Существует взгляд, что пулемет этого типа представляет собой развитие ручного пулемета, так как при
91
Справочные данные
Страна Система Год Калибр, мм\ Система автоматики 1 Способ питания
Австрия Шварцлозе 1907/1912 8 I, 1, Б, а Лента
Англия Виккерс 1909 7,71 I, 2, Б, а »
Кольт 1914 7,71 П, 1, В
Германия Максим 1908 7.92 I, 2, Б, а 99
п Дрейзе 1908/1915 7,92 То же
99 Бергман 1915 7,92
Италия Перино 1909 8 Ящичный магазин ।
Фиат 1914 6,5 >9 »
Бриксиа 1920 6,5 99 Коробчатый магазин^
США Браунинг 1917 7,62 Лента
Кольт 1917 7,62 п, Г, в
Франция Гочкис 1914 8 П, 1, А Жесткая лента
Ст.-Этьен 1907 8 П, 1, Б 99 99 1
Чехословакия Шварцлозе 1907/1924 7,92 I, 1, Б, а Лента ;
СССР Максим 1905/1910 7,62 I, 2, Б, а
Япония 92 1932 7,7 П, 1, Б Пулеметы
Италия Фиат 1926 6,5 I, 2, Б, а Магазин
V 1927 6,5 I, 1, Б Магазин с обоймой
Сиа 1918 6,5 То же Коробчатый магазин
Бреда 1924 6,5 I, 2, !Б, а Магазин с обоймой
Чехословакия Прага 1924 7,8 II, 1, А Коробчатый магазин
сохранении подвижности позволяет улучшить боевые качества такового2. Во всяком случае вес станка у легких пулеметов (от 2 до 5 кг) не позволяет рассчитывать на обеспечение полной устойчивости без специальных мер и, следовательно, мало обеспечивает целесообразность применения пулемета на дальних дистанциях; непрерывная стрельба длинными очередями может быть допущена в виде исключения. Заметим, что пулеметы этого типа прежде всего получили распространение в Италии, где театр войны требовал именно наибольшего внимания к маневренным свойствам пулемета. Итальянский пулемет образца 1920 г., который можно отнести к типу станковых тяжелых пулеметов, является наиболее легким из всех подобных систем (см. табл. 16), где-либо имеющихся на вооружении (вес всей системы 28,5 кг при наличии водяного охлаждения, емкость магазина — только 50 патронов, вес станка 9 кг); облегчение веса системы и здесь получено исключительно за счет снижения веса станка.
1 Цифры и буквы обозначают класс, группу и тип — согласно классификации, приведенной в § 17.
2 См. В. Федоров, Современные проблемы ружейно-пулеметного дела.
92
Таблица 16
танковых пулеметов
Емкость магазина (ленты) Скоростр. теор./практ- । Длина ствола, мм Вес ствола | кг Прицельная дальность, м Длина пулемета, мм Вес, кг Охлаждение
тела 1 со станком
100 -250 400/250 530 1,35 2000 945 22,5 42 Водяное
250 600/300 721 — 2275 1100 17,5 34,8
250 450/200 721 — 2275 1050 17 38 Воздушное
250 600/— 721 1,88 2550 1200 23,35 49,35 Водяное
100—200 500/350 721 — 2000 — 18,5 49,8 п
250 500/600 750 — 2000 1140 22 41 99
250 500/— — — 2000 — 30 50 »
50 500/300 650 — 2000 — 22 43,5
25-50 550/— 550 — 2000 — 19,5 28,5
250 500/250 610 — 2800 — 16,6 37
250 450/200 — — — —. 16,5 40,4 Воздушное
24; 250 500/250 750 10,4 2000 — 24 49 п
*25 400/— 800 4,75 2000 1200 24,7 51,2
250 520/— 630 — — — — — Водяное
250 550/300 721 2,0 — 1067 18 63 Воздушное
— 450 — — — 1155 28 55,5 п
легкого типа
20 — 500 — — — 10,6 12,5 Г
25 550/200 470 — — — 8 10 V
25-50 600/200 — — 1500 — 11 16,3
30 400/180 — — — — 9 11
30-50 । 380/150 1 570 — — — — П,2
Однако дальнейшее совершенствование пулеметных станков не исключает возможности получения хороших стрелковых качеств станкового пулемета легкого типа. Для этого необходимым средством является амортизация станка при сохранении его универсальности, возможности быстрого переноса огня с одной цели на другую: Следует заметить, что не всякая система автоматики одинаково легко допускает возможность правильной работы на амортизированном станке; например, система, работающая на принципе отдачи ствола, требует крайне осмотрительного согласования амортизации тела пулемета с движением системы автоматики. При разрешении задачи конструирования такого станка пулемет легкого типа при наличии емкого магазина (ленты) может заменить тяжелые типы пулеметов.
§ 11. Крупнокалиберный пулемет, его 'свойства и требования к нему
Необходимость дать пехоте средства борьбы против танков и вооружить ее огневыми средствами противовоздушной обороны против самолетов, действующих на высоте около 1500 м (артил-
1 В системах с водяным охлаждением в вес тела включен и вес воды;
93
лерийские средства противовоздушной обороны поставлены в трудное положение для борьбы с самолетами на этой высоте вследствие больших угловых скоростей целей и, следовательно, необходимости обладать очень большими скоростями наводки) привела к возникновению в системе вооружения крупнокалиберного пулемета.
В различных армиях для этой цели были выбраны калибры от 11 до 14 мм (главным образом калибр 12,7 мм); основные виды боеприпасов для этих пулеметов снабжены специальными видами пуль (бронебойными, трасирующими, зажигательными и пр.).
Крупнокалиберный пулемет имеет некоторое значение и для борьбы с крупными групповыми наземными целями на дальностях, превышающих досягаемость станкового пулемета (дальность огня крупнокалиберных пулеметов достигает 7 км).
Особенностью крупнокалиберного пулемета является, таким образом, совмещение двух различных задач, приводящих к достаточно противоречивым к нему требованиям.
В отношении балистических свойств пулемета (для борьбы с воздушными целями) следует исходить прежде всего из стремления получить минимальное время полета пули до цели, так как вероятность попадания по весьма быстро движущейся в пространстве цели незначительна, но увеличивается обратно пропорционально некоторой степени времени полета (по некоторым исследованиям обратно пропорционально пятой степени).
Эта задача решается увеличением начальной скорости пули и приданием ей хорошей балистической формы. Учитывая, что вес системы пропорционален дульной энергии, значительного увеличения начальной скорости пули можно добиться (без затруднений в отношении маневренных качеств системы) только при относительно легкой пуле.
Наоборот, как мы видели выше, для борьбы с бронированными целями выгоднее тяжелая пуля. К крупнокалиберному пулемету предъявляются требования быть способным пробивать броню средних танков с дистанции до 1000 м.
Борьба с зенитными целями требует также высокой скорострельности пулемета по следующим соображениям.
Во-первых, относительно малую вероятность прямого попадания в цель приходится компенсировать большим числом выстрелов в единицу времени, для того, чтобы иметь надежные результаты стрельбы. Во-вторых, при уменьшении темпа стрельбы, например, при стрельбе заградительным огнем или при слежении за целью, которое осуществляется некоторыми скачками, самая вероятность попадания в цель уменьшается.
Поясним это таким примером: пусть воздушная цель, двигаясь со скоростью 400 км/час или 6660 м/мин, пересекает среднюю траекторию пуль, выпускаемых из пулемета; допустим, что при этом продольный размер по уязвимой поверхности самолета равен 3 м; при этих условиях самолет может безнаказанно пересечь траекторию в промежутке между двумя пулями, если 94
промежуток времени между двумя последовательными выстрелами больше 3/ббво минуты, т. е. если темп стрельбы меньше 2220 выстрелов в минуту. Отсюда вытекает необходимость всемерного повышения темпа стрельбы.
Получение столь высокого темпа стрельбы осложняет конструкцию и, заставляя облегчить вес подвижной системы, приводит к затруднениям в обеспечении надежности и живучести пулемета.
Для стрельбы же по наземным целям необходимости в очень высоком темпе стрельбы нет. Напомним, кроме того, что темп стрельбы уменьшается с увеличением калибра.
Во всех случаях от крупнокалиберного пулемета приходится требовать большой гибкости огня. Это обеспечивается удобной установкой, скоростью наводки горизонтальной и вертикальной и, наконец, возможным уменьшением веса пулемета. Установка (станок) должна быть универсальной для стрельбы и по наземным и по воздушным целям. Ради устойчивости вес установки приходится допускать довольно большой, с другой стороны, стремление увеличить маневренные качества требует уменьшения веса; поэтому можно встретить два типа пулеметов — тяжелый и легкий. Характеристика мощности первого типа выражается в среднем т)= 10 4-25 кг-м/кг, для легкого типа имеет значение т]^30 кг-м!кг*, в целях увеличения устойчивости нередко пользуются дульным тормозом; вес самого пулемета (без станка) может быть получен без особых затруднений в пределах 30 — 35 кг при достаточно мощной балистике.
Для обеспечения универсальности пулемета желательно иметь, переменный темп стрельбы, увеличивая его при стрельбе по воздушным целям. Практическая скорострельность может быть обеспечена порядка 150 выстрелов в минуту. Тедоп стрельбы при однотипной конструкции со станковым пулеметом калибра 6,5 — 8 мм получается меньше, чем у последнего, раза в полтора..
Приводим некоторые данные о первоначальных образцах крупнокалиберных пулеметов.
Таблица 17 Крупнокалиберные пулеметы
Наименование Калибр, мм Вес пулемета без станка, кг Вес со станком, кг Темп стрельбы Вес пули, г\ Начальная скорость, м!сец,
Виккерс, с воздушным охлаждением (Англия) 12,7 23,6 47,6 600 37,03 800
Виккерс, с водяным охлаждением (Англия) 12,7 25,5 79,89 600 37 800
Гочкис, легкий тип (Франция) . . 13,2 32 65 450 52 800
Гочкис, тяжелый тип (Франция) . — 32 185 450 52 800
Бреда (Италия) 13,2 32 100 200 62 1000
Туф (германский образец 1918 г.) 13,2 37 130 500 50 550
Браунинг (США, образец 1924 г.) . 12,7 29,9 74 600 50 900
Японский 92 (1932 г.) 13,2 - 1 - 450 — 800
95
§ 12. Специальные виды вооружения
В настоящем параграфе рассмотрим свойства оружия противовоздушной обороны (зенитных пулеметов), авиационного стрелкового вооружения, вооружения танков и противотанкового и требования, предъявляемые к этому вооружению.
В качестве специальных пулеметов для противовоздушной обороны применяются обыкновенно пулеметы тех же типов, которые состоят на вооружении пехоты (станковые и крупнокалиберные), но обладающие специальными установками; эти пулеметы часто называют зенитными. Установки зенитных пулеметов могут быть полевого типа. В целях придания этим пулеметам необходимой маневренности требуется небольшой вес установки. Между тем, как мы уже видели, для успешной борьбы с воздушными целями требуется значительное увеличение темпа стрельбы, что, следовательно, требует или создания специального типа пулемета, или же комплексирования нескольких пулеметов на одной установке.
В последнем случае вся установка получается весьма громоздкой и не может быть осуществлена в виде установки полевого типа. Поэтому так называемые комплексные пулеметные установки, объединяющие два — четыре пулемета, обычно устанавливаются на автомобильных платформах (на грузовых или специальных автомобилях). Наконец, возможны стационарные установки зенитных пулеметов для обороны местных предметов.
Комплексные установки требуют применения некоторых специальных устройств, например, спускового механизма, позволяющего вести стрельбу по желанию всеми или отдельными пулеметами, приспособления плечевых упоров, позволяющих удобно вести огонь при больших углах возвышения; наконец, зенитные пулеметы требуют прицельных приспособлений особого типа, учитывающих поправки стрельбы в соответствии с направлением полета, высоты и скорости цели.
Авиационные пулеметы, устанавливаемые на самолете для стрельбы как по воздушному противнику, так и по наземным целям, применяются обычных стрелковых калибров (6,5—8 мм) и крупнокалиберные.
Относительные скорости целей по отношению к оружию в случае воздушного боя еще больше, чем при стрельбе из неподвижного пулемета по самолетам. Поэтому упомянутые выше условия стрельбы по воздушным целям приобретают еще ’большее значение для конструкции пулеметов.
Применение огня авиационных пулеметов по какой-либо цели характеризуется чрезвычайной скоротечностью: в течение короткого промежутка времени пулемет должен выпустить весьма значительное количество пуль; какая-либо задержка стрельбы или ее перерыв, помимо воли стрелка фактически выводят пулемет из действия по данной цели; добавим, что устранение в воздухе задержек и неисправностей оружия представляет 96
весьма трудную, а в некоторых случаях и невыполнимую задачу. Из сказанного вытекают два основных необходимых качества авиационных пулеметов: чрезвычайно высокая скорострельность и безусловная надежность (абсолютная безотказность в действии всех механизмов). Отметим некоторые особенности обслуживания пулемета в воздухе: особенности питания патронами пулеметов, установленных на самолетах (иногда расположенных в недоступных для стрелка местах), влияние резких изменений температуры с подъемом на высоту; все это предъявляет и особые требования к конструктивному устройству авиационных пулеметов. Поэтому первоначальные попытки приспособить уже существующие пулеметы (пехотные) в качестве авиационных довольно скоро уступили место конструированию специальных типов авиационных пулеметов. В зависимости от места и способа установки пулеметов на самолете приходится видоизменять их конструкцию.
Различают пулеметы: 1) турельные, 2) крыльевые, 3) синхронные. Первый тип пулеметов назначен для установок, подвижных относительно самолета, позволяющих вести стрельбу в направлениях, не зависящих от направления движения самолета (турели, шворневые установки). В этих случаях стрелок непосредственно управляет огнем пулемета, имея возможность обслуживать оружие: например, в нужных случаях осуществить перезаряжание.
Два других типа пулеметов устанавливаются неподвижно относительно самолета; направление стрельбы связано с направлением полета, и, следовательно, нацеливание пулеметов производится изменением полета самим летчиком. Оружие не обслуживается непосредственно стрелком. Синхронные пулеметы отличаются тем, что установка их на фюзеляже самолета приводит к необходимости стрелять „через винт“, т. е. траектории пуль при стрельбе пересекают плоскость, ометаемую винтом. Чтобы избежать повреждения винта при стрельбе, необходимо обеспечить прохождение каждой пули между лопастями вращающегося винта. Это осуществляется помощью синхронизаторов — устройств, связывающих спусковой механизм пулемета с вращением вала мотора. Принцип устройства синхронизаторов1 заключается в блокировке выстрела, если автоматика, пулемета оказывается готовой к выстрелу в тот момент, когда пуля может попасть в лопасть винта. Поэтому при работе синхронизатора происходят пропуски некоторых выстрелов в очереди непрерывного огня. Последнее приводит к снижению темпа стрельбы и к его зависимости от числа оборотов мотора в единицу времени; с увеличением числа оборотов мотора темп стрельбы растет, достигая нормального темпа стрельбы, который пулемет имел бы без синхронизатора, а затем — с дальнейшим увеличением числа оборотов мотора — резко падает и вновь начинает возрастать.
1 Подробнее см. М. В. Гуревич, Вооружение авиации.
А. А. Благонравов—124—7 97
Заметим, что в условиях воздушного боя практическая скорострельность близка к темпу стрельбы (кратковременность огневого боя и отсутствие перезаряжания).
Из изложенного видно, что особое значение для синхронных пулеметов имеет увеличение темпа стрельбы.
Первой задачей, которая решалась при создании авиационных пулеметов, и была задача увеличения темпа стрельбы по сравнению с прежде существовавшими образцами.
Другие особенности, подлежащие учету, следующие. Ограниченность места на самолете при неподвижной установке пулемета и условия размещения масс могут заставить вынести пулемет довольно далеко от летчика, что вызывает необходимость вспомогательных устройств и механизмов, позволяющих летчику осуществлять заряжание, производить выстрел и устранять типичные для данной системы пулемета задержки со своего места.
Питание пулемета патронами должно быть устроено так, чтобы избавить летчика от необходимости менять в воздухе магазин (это может быть допущено в случае турельной установки); наиболее подходит подача патронов ленточного типа, но обеспеченная от неблагоприятных влияний резкого изменения атмосферных условий. Ограниченность места на самолете требует и компактности способа питания самолета: лента должна быть максимально гибкой для наилучшего приспособления ее к любой конструкции самолета; магазины не ленточного типа также должны обладать небольшим габаритом. Чтобы выбрасываемые из пулемета гильзы (а также звенья — в случае разъемных лент) не могли послужить причиной аварии, попадая в органы управления самолета и пр., необходимо устройство гильзоулавливателей, обычно в виде специальных рукавов или мешков, собирающих гильзы. Значительная величина сопротивления воздуха требует уменьшения размеров пулемета (в особенности для турельной установки); эта же причина заставляет в случае ленточной подачи помещать ленту, подводимую к приемнику пулемета, в специальный рукав, защищающий ее от напора воздуха. Применяемая обычно система охлаждения — воздушная, так как водяное охлаждение и громоздко и ненужно для авиационного пулемета. Одним из специфических требований является нечувствительность пулемета — в смысле работы механизмов — к резким переменам температуры; в некоторых системах приходится прибегать к устройству специальных обогревателей, так как пулемет плохо работает при низких температурах. Наличие двигателя на самолете приводило к мысли использования его не только для синхронизирующих приборов при стрельбе через винт, но и в качестве источника энергии для работы всех механизмов пулемета, т. е. к конструкции механического пулемета, работающего от мотора, или так называемого механизированного пулемета. Изложенные ниже недостатки этого типа оружия не позволили ввести его на вооружение. Частичное использование энергии мотора, однако, возможно, например, для подачи патронов, в осо-
98
бенности для крупнокалиберных пулеметов, что упростило бы конструкцию самого оружия и позволило бы иметь более высокий темп стрельбы, так как в механизмах пулемета отсутствовало бы сопротивление движению частей, являющееся результатом затраты энергии на подачу патронов.
Что касается балистических свойств, которыми должны обладать авиационные е пулеметы (если конструкция пулемета разрабатывается одновременно с новым патроном), то, следует отметить, что они определяются следующими условиями: 1) бой на относительно коротких дистанциях, 2) большие относительные скорости самолета и цели. При стрельбе по быстродвижущимся целям решающее значение имеет, как указано, фактор времени (продолжительность полета пули). Отсюда легкая пуля и большая начальная скорость должны быть характерными данными
мы уже выяснили, большое значение
для патрона авиационного пулемета.
Противотанковое оружие. Рассматривая бронебойную способность пули, какое
имеет калибр оружия, вес и попадании в броню. Оружие стрелковых калибров маломощным для борьбы с например, специальная бронебойная товки калибра 7,62 мм, пробивает толщиной 11 мм (при попадании только 6,5 мм—при попадании под углом к нормали 30°; с дистанции 400 м эти данные соответственно 7 мм и 4 мм. Мы
скорость пули при
(6,5 — 8 броней
мм) оказывается слишком современных танков. Так, пуля, выпущенная из вин-с дистанции 100 м броню по нормали к броне) и
видели также, что можно достигнуть значительного увеличения бронебойной способности пули, увеличивая скорость ее полета за пределы 1200 — 1300 м/сек. Отсюда естественными явились попытки конструирования стрелкового оружия малых калибров, обладающих большими начальными скоростями пули, или так называемого „сверхскоростного" оружия. Выше упоминалось о работах Герлиха в этом направлении.
Работы эти сводились к-следующему: сначала был использован подбор сорта пороха для увеличения скорости пули, а затем дальнейшее повышение начальной скорости достигалось за счет конструктивных мероприятий в самом оружии.
В основном эти мероприятия свелись к изготовлению особой формы пули типа, указанного на черт. 7, и конической сверловке канала ствола. Пуля, имеющая два ведущих пояска, сначала движется в канале, имеющем диаметр, больший номинального калибра оружия; затем по мере сужения канала пояски сминаются и из дульного среза пуля выходит, приняв нормальный диаметр, так что пояски не мешают ее дальнейшему полету. Выигрыш
99
в скорости, получаемый при этой конструкции пули и канала, обязан прежде всего тому, что давление пороховых газов действует на площадь, большую чем дно пули. Так, при калибре 7 мм и диаметре ведущих поясков 10 мм получается увеличение усилия, действующего на пулю при одной и той же величине давления газов в канале, приблизительно (не учитывая влияния . 100
нарезов) в -4Q, т. е. в два раза.
Вследствие того, что при подобном устройстве канала объем заснарядного пространства растет быстрее, получается возможность увеличивать эффективность порохового заряда без повышения относительных давлений в канале, и, наконец, постепенное увеличение сопротивления движению пули по коническому каналу вместе с относительным уменьшением освобождающегося объема позволяет получить при этом же условии более повышенные давления в передней части ствола, чем это бывает у обыкновенных винтовок, т. е. получать кривую давления, свойственную прогрессивно горящим порохам в обыкновенном канале ствола. Отсюда и получается повышение среднего давления, действующего на пулю в стволе, а следовательно, и увеличение работы пороховых газов за счет увеличения заряда, но без повышения максимального давления. Черт. 7 изображает пулю американской опытной винтовки, сконструированной по типу винтовки Герлиха. Калибр винтовки 6,2 мм, вес пули 6,48 г, размеры пули указаны на чертеже; диаметр по дну нарезов в дульной части 6,35 мм; канал, вначале цилиндрический, имеет диаметр по дну нарезов 8,89 мм; по полям 8,73 мм; общая длина ствола 660 мм, длина патронника 61 мм, длина цилиндрической нарезной части 134 мм; дульная часть канала показанных размеров также цилиндрическая, длиной 305 мм. Заметим, что пуля Герлиха может быть оболочечного типа, т. е. нести в себе сердечник желаемого материала в целях улучшения бронебойного действия.
Идея конического ствола винтовки не является новой, она была предложена еще в 1872 г. (Пру); винтовка с коническим стволом проектировалась Пуффом в 1906 г.; однако эта идея, как мы видим, воскресла тогда, когда определенная потребность — борьба с танками — выявила возможность ее целесообразного использования. *
Недостатками такой конструкции ствола, однако, является большое сопротивление пули при врезании в нарезы, а отсюда зависимость полезного использования заряда от более или менее удачного образца пули, сложность массового производства боеприпасов и самых стволов. Поэтому данный вариант решения задачи не получил осуществления в каких-либо принятых на вооружение образцах.
Возможны и другие йути решения задачи об увеличении скорости, например, увеличение порохового заряда (а вместе с тем и патрона), совершенствование пороха и т. п.
100
Указанное решение задачи нельзя считать приемлемым в настоящих условиях для винтовки как массового вооружения пехоты, так как увеличение начальной скорости связано с чрезвычайным возрастанием энергии отдачи; это не представляет непреодолимого препятствия, но требует специальных устройств для амортизации винтовки, усложняя ее конструкцию и создавая лишние трудности при проектировании автоматической.вин-товки. Однако создание сйециального противотанкового оружия вполне возможно на этом принципе. Возражения, основанные на том, что большие начальные скорости достигаются для легких пуль, быстро теряющих свою скорость (Шалеа), все же не исключают возможности применения „сверхскоростной" винтовки в боевой обстановке на определенных дистанциях. Возможно применение этого принципа и для противотанковых пулеметов.
Получение „сверхскоростного" противотанкового оружия на современном этапе не представляет еще решенной задачи; поэтому на вооружение армии принимается в качестве средства борьбы против танков оружие больших калибров. Выше указывалась роль крупнокалиберного пулемета в этом вопросе. Однако для борьбы с современными танками крупнокалиберный пулемет не представляет совершенного оружия. Достаточно подсчитать условия бронепробиваемости по формуле Жакоб де-Марра, чтобы убедиться в том, что от крупнокалиберного пулемета требуется большая скорость пули, а с увеличением таковой растет дульная энергия, почему потребуется и значительный вес пулемета; последний будет лишен необходимых маневренных качеств.
Условия успешной борьбы с танками требуют наличия подвижного, хорошо маскирующегося и скорострельного оружия, способного пробивать броню танков (25—30 мм) с дистанции не менее 1000 м. Поэтому возник новый тип оружия — противотанковое оружие.
Прототипом современных противотанковых ружей было немецкое ружье типа Маузера калибра 13 мм, однозарядное, созданное еще к концу войны 1914— 1918 гг. Бронебойная способность пули этого ружья характеризуется следующими данными: с дистанции 960 м пробивается броня толщиной в 18лм«, с дистанции 560 м—в 22 мм и с дистанции 250 л в 25 мм. Могущество оружия недостаточно, в то же время ружье громоздко, мало скорострельно и имеет большую отдачу.
Поэтому в целях увеличения могущества был испробован более крупный калибр — 20 мм.
Известны два образца противотанковых ружей, данные которых приведены в табл. 18.
Из табл. 18 видно, что первый тип ружья Эрликон был мало могущественным образцом, тип Солотурн уже дает приемлемую бронебойную способность на дистанциях, меньших 500 м. Однако вес велик для того, чтобы этим оружием мог быть вооружен и обслуживал его один боец. Оба типа представляют самозарядные ружья. Преимущество калибра 20 мм
101
Таблица 18
Данные противотанковых ружей Щ-мм калибра
Данные Ружье Эрликон Ружье Солотурн
Калибр .................
Длина оружия............
„ ствола ............
Вес пули (снаряда) ....
Начальная скорость . . .
Вес оружия..............
Толщина пробиваемой брони
20 мм
1450 „
750 ,
0,128—0,142 кг
550 м/сек
33 кг С дистанции 500 м
15 мм
С дистанции 250 м
18 мм
20 мм 1640 „ 900 „
0,132 кг 0,140 „ 0,145 „
730-750 м/сек
38 кг
24 мм
30 мм
перед калибром 12—13 мм заключалось в возможности применения снарядов с разрывным зарядом, способных давать поражение после пробития брони. Однако маневренные качества этих ружей еще несовершенны.
Следует стремиться к дальнейшему снижению веса ружья (до 25 кг). делать его удобно и быстро разбирающимся на две части для удобства переноски; возможен калибр меньший, но с применением пуль, обеспечивающих достаточное убойное действие после пробивания брони. В целях повышения скорострельности ружье должно быть самозарядным с быстро сменяемым портативным магазином. Очень важно обеспечить качество прицельных приспособлений. При требуемом могуществе неизбежна большая отдача; в целях ослабления ее влияния на стрелка необходимо снабжение ружья опорой (сошками), уменьшение энергии отдачи применением дульного тормоза и наличие хорошего амортизатора в плечевом упоре (прикладе).
Танковое стрелковое вооружение. На вооружении танков состоят пулеметы калибра 6,5—8 мм и крупнокалиберные. Их тип представляет собой обыкновенно приспособленный пехотный пулемет. При конструировании специального типа танкового пулемета следует в первую очередь заботиться о небольших габаритах той части оружия, которая находится внутри башни танка: отсюда предпочтительные конструкции с малой длиной автоматики, с питанием пулемета, расположенным позади него. Необходимо иметь гильзоотводы или гильзоулавливатели. Наконец, система питания пулемета патронами также должна быть рассчитана на то, чтобы не загромождать башню танка (малые, удобные портативные магазины или специально приспособленное „непрерывное" питание). Приспособление пулеметов в башне танка относится к вопросам, рассматриваемым в курсе пулеметных станков и установок, и здесь не разбирается.
102
Отметим только, что конструкция пулеметов должна быть рассчитана и на возможность применения зенитной стрельбы из башни танка.
§ 13. Особенности устройства автоматических пушек
Развитие бронетанковых средств и воздушного флота послужило толчком к работе над автоматизацией артиллерийских систем. Данные и основные свойства существующих типов автоматических орудий приведены выше. Однако на данном этапе автоматизация малокалиберной артиллерии при условии могущества выстрела, обеспечивающего хорошие бронебойные качества системы и приводящего к мощной балистике, является еще Очень трудной задачей. Основную трудность представляют вопросы, связанные с конструированием установки (лафета) для такого орудия. Если в пулеметах вопрос устойчивости может быть решен весом станка, то в автоматических пушках необходимо принимать меры к уменьшению усилий, действующих на лафет, заботиться о противооткатных приспособлениях, иначе автоматическая .пушка будет крайне невыгодно отличаться от современных неавтоматических систем своими маневренными качествами. Если все тело орудия откатывается на лафете, то вопрос согласования этого движения с работой механизмов автоматики представляет достаточно сложную задачу. Прежде всего осложняются вопросы системы питания патронов. Можно представить два варианта такой системы: 1) с откатом магазина и 2) с магазином или приемником, закрепленным на неподвижной части системы. В первом случае участие в движении громоздких деталей вызывает заботы о прочности их и связанных с ними частей орудия, во втором усложняется кинематическая схема подающих механизмов.
Другим вопросом, останавливающим внимание, является громоздкость самого орудия при его автоматизации. Длина автоматики, т. е. размеры казенной части орудия от среза ствола, должна иметь размеры, во всяком случае превышающие сумму длин затвора и патрона. Если длину автоматики выражать через длину патрона, то в пулеметах длина автоматики в среднем достигает У/2—4 длин патрона. Если и можно рассчитывать на сокращение этой относительной длины, например за счет применения клинового затвора, то все же длина автоматики остается достаточно большой, и все тело орудия приобретает громоздкие размеры; конструкции автоматических пушек должны обязательно исходить из возможного сокращения длины автоматики. Для того чтобы получить требуемое могущество выстрела, удовлетворяющее нужному бронебойному действию, требуется длина ствола, превышающая 50 калибров; поэтому, например, для 37-мм автоматической пушки можно ожидать при проектировании длину тела орудия до 2,5 м.
С другой стороны, громоздкость автоматики обусловливается и необходимостью обеспечить прочность деталей. Благодаря
103
вообще большим относительным весам автоматики по отношению к стволу при малых калибрах для них этот вопрос стоит менее остро; при крупных калибрах неизбежно приходится искать решения в соответственном приспособлении конструкции во избежание получения резкой разницы в габарите и весе с неавтоматическим орудием того же калибра. Отсюда возникает потребность в возможно более полном поглощении кинетической энергии всякого рода тормозящими приспособлениями, а следовательно, появляются новые устройства и механизмы, изменяются и конструктивные формы, обычные для автоматики малокалиберных систем.
Таким образом простого перенесения опыта, накопленного оружейной техникой, на автоматические артиллерийские системы недостаточно, необходимо этот опыт использовать, приспособляя его к своеобразным условиям.
Более резко при автоматизации артиллерийских систем встает и вопрос о расхождении между темпом стрельбы и практической скорострельностью. Уже отмечалось, что темп стрельбы с возрастанием калибра падает довольно значительно. Крайне затруднительно получить темп стрельбы порядка 1U0 выстрелов в минуту для такого калибра, как, например, 76 мм. Между тем средняя практическая скорострельность для пулеметов раза в два-три меньше темпа стрельбы. Расхождение между темпом стрельбы и практической скорострельностью с увеличением калибра должно еще увеличиваться из-за ограничения емкости магазина, о чем подробнее укажем ниже. Поэтому, чтобы полная автоматизация орудий средних калибров оправдывала себя по сравнению с орудиями полуавтоматическими, очевидно, нужны поиски новых путей осуществления конструкции, отличающихся от путей, выработанных практикой оружейного дела.
Упомянем еще о необходимости ограниченного режима огня в связи с усилением нагрева ствола при укрупнении калибра, а следовательно, осложнения вопросов охлаждения. Правда, применение автоматического огня артиллерийских орудий в основном должно быть при обстреле „скоротечных" целей, т. е. автоматический огонь будет применяться преимущественно короткими очередями в небольшие отрезки времени, но это полностью не устраняет всех затруднений.
С возрастанием веса патронов уменьшается возможное число патронов в магазине (или ленте), иначе магазин становится крайне неудобным в обращении, тяжелым, затрудняется и замедляется перезаряжание, требуя участия нескольких человек или же механизации подачи самых магазинов к соответствующему месту системы. Так как вес патрона растет почти пропорционально кубу калибра, то легко сообразить, какое значение имеет это при переходе к более крупным калибрам.
В целях разрешения этого вопроса возникает потребность в обеспечении механической непрерывной подачи патронов. Эта задача еще не осуществлена.
104
Требование универсальности применения малокалиберной артиллерии заставляет гораздо более, чем в оружии пехотных калибров, заботиться об однообразии действия автоматики при различных углах возвышения.
Наконец возникает потребность в механизмах, совершенно незнакомых оружейной практике, как, например, механизмы для автоматической установки трубки и др.
Все перечисленное показывает сложность задачи создания автоматических пушек и подтверждает, что существующие образцы не удовлетворяют в отношении надежности работы столь же строгим требованиям, какие предъявляются к пулеметам.
Тем не менее потребность в создании надежных и скорострельных автоматических систем орудий в современной обстановке войны при наличии мощного воздушного флота и быстроходных танков несомненно требует решения этой задачи.
§ 14. Оружие самообороны
Автоматическое оружие самообороны завоевало себе прочное место среди вооружения современных армий. Применение автоматики для оружия самообороны впервые встречается в 1872 г. (Плесснер).
Предшественником современных автоматических пистолетов (по конструкции) был магазинный пистолет Шлегельмильха (1891 г.)> (движение затвора и подача патронов при взводе курка).
Назначение оружия самообороны—наверняка поразить ..противника, находящегося в непосредственной близости (дистанция. 50 м и меньше), обезвредив его немедленно,—определяет и основные требования к этому роду вооружения.
Прежде всего оружие самообороны должно обладать „оста-навливающим“ действием. Если противник, будучи раненным,, сохранит остаток сил настолько, что будет в состоянии еще короткое время владеть своим оружием (произвести выстрел, бросить ручную гранату) или продолжать движение, то такое действие оружия самообороны следует признать неудовлетворительным. В те крайне напряженные моменты боя, когда человек вынужден прибегать к оружию самообороны, совершенно необходимо, чтобы пораженный противник сразу же перестал приковывать к себе внимание стрелка, что позволит стрелку немедленно перенести огонь на другого противника; это очень важно, ибо в подобные моменты боя численный перевес противника будет явлением весьма вероятным.
До сего времени нет какой-либо определенной меры, которая, позволила бы оценить „останавливающее действие" оружия с количественной стороны. Некоторые авторы считают возможным принять за такую меру живую силу пули, отнесенную к единице площади поперечного сечения (М. Девуж). Однако эта величина, скорее может служить мерилом пробивной способности, чем „останавливающего действия", а пробивная способность отнюдь
105
не является тождественной останавливающему действию. Кроме того, увеличение дульной энергии имеет свой предел, ограниченный, с одной стороны, весом оружия, о чем речь будет ниже, с другой —величиной отдачи.
Поэтому, взяв выражение где Af —масса пули, <и0— ее начальная скорость и s — площадь поперечного сечения пули, мы можем притти к заключению, что „останавливающее действие" увеличивается с уменьшением калибра, так как s пропорционально квадрату калибра, а величина', стоящая в числителе, хоть и изменяется с калибром, но имеет указанный выше практический предел.
ТТ ^0
Действительно, подсчитав значение величины для различных существующих образцов пистолетов, получим следующее:
кг • лг/л/л/2
Пистолет калибра 22 при условии применения патронов типа Long rifle ......................... 0 280
Пистолет калибра 6,35 мм (карманный)........0,260
Пистолет системы Веблей калибра 4,55 (11,5 мм) (английского военного образца)...................0,372
Пистолет Кольта образца 1911 г. (Govern. Mod.) калибра 45(11,4 мм).............................. 0,456
Парабеллюм калибра 9 мм.......................0,652
Кольт калибра 9,1 мм (MiliL Mod)..............0,736
Парабеллюм калибра 7,65 мм....................0,856
Маузер калибра 7,63 мм........................1 084
Эти данные подтверждают невозможность брать величину Mvi
в качестве мерила „останавливающего действия", ибо наиболее мощные в этом отношении пистолеты (Веблей и Кольт 1911 г.) дают сравнительно небольшое ее значение, тогда как уступающий этим пистолетам в отношении „останавливающего действия" Маузер имеет наибольшую из всех существующих систем вели-
-чину
Из боевых эпизодов можно установить, что с увеличением калибра „останавливающее действие" возрастает; с другой стороны, имеет значение и величина живой силы, а также способность пули к деформированию при попадании в ткани живого организма. Увеличение дульной энергии посредством увеличения веса пули имеет ограниченные пределы, приводя к утяжелению патронов и пистолета, а увеличение начальной скорости возможно также за счет увеличения размеров ствола, а следовательно, утяжеления пистолета и ухудшения расположения центра тяжести, делающего пистолет неудобным в обращении.
Большинство авторов, интересовавшихся вопросом о пистолете, приходит к заключению, что наивыгоднейшее действие дают J06
пистолеты калибра 9—11 мм1, считая калибр 9 мм минималь* ным для военного оружия; некоторые же, мотивируя свои соображения стремлением получить малый вес, считают калибр 7,65 мм более подходящим2. Были попытки получить достаточно хорошее „останавливающее действие", увеличивая дульную энергию за счет начальной скорости при малом калибре (6,5 мм — Япония), но на вооружение этот калибр принят не был.
Применение оружия самообороны на коротких дистанциях обусловливает и балистические качества пистолетной пули. Очевидно, пуля с большой поперечной нагрузкой для пистолета не нужна; соображения о весе патрона приводят к легкой пуле.
Весовые данные пуль приводятся в таблице 19.
Таблица 19
Весовые данные пистолетных патронов
Патрон Калибр мм Вес заряда Вес пули г Полный вес патрона г Поперечная нагрузка г[см2
’22 короткий 5,66 0,105 1,95 — 7,72
• 22 длинный 5,66 0,136 2.27 — 9,00
•22 Zong rifle 5,66 0.22 2,59 —. 10 28
•25 6,35 0,071 3,24 5,3 10,24
•32 7,95 0,162 4,8 7,7 ^SO-
Парабеллюм 7,65 0,27 6,0 10,5 lS,05
Маузер 7,63 0,36 5,5 10,7 12,00
Смит и Вессон -35 8,1 0,13 4,9 — 9,50
„ „ , -380 9,1 0,17 6,15 9,4 9,50
, . » -зз 9,1 0,30 8,4 — 13,00
Парабеллюм 9,0 0,30 8,1 12,5 12,75
Кольт -45 . И,4 0,305 12,9 — 12,50
То же П,4 0,305 14,9 j — 14,50
Веблей • 455 11,5 0,454 14,3 ! — 13,80
Из этой таблицы видим, что военные пистолеты имеют пулю с поперечной нагрузкой 12—14 г/сл<2.
Для военного пистолета считается необходимой дальность действительного огня до дистанции 100 м, причем на эту дистанцию оружие дожно давать хорошую меткость (вероятность попадания в стоящего человека на расстоянии 100 м—0,66 и на 200 м — 0,33). Убойную способность пуля должна сохранять до дистанции 500
Чтобы дать представление о балистических свойствах пистолетных пуль, приводим следующие данные (см. табл. 20 на стр. 108).
1 Н. Pollard, Automatic Pistols, London, 1920.
M. Дев у ж, Современное автоматическое оружие, Военгиз, 1927.
2 В. Федоров, Автоматическое оружие, Главное артиллерийское управление 1907.
* По английским требованиям.
107
Таблица 20
Скорость и живая сила пули на дистанцию 50 м
Патрон Патроны Элей | Живая сила кг -м
t^0, м/сек р50, м/сек\
• 32 280 272 18,4
• 9 мм 326 305 34,2
•38 335 316 42,0
К ольГ -45 253 238 37,4
Веблей • 455 .... 217 207 31,8
Обстановка, в которой приходится применять оружие самообороны, диктует целый ряд конструктивных требований к пистолету. Из числа тех случаев, когда пускается в ход оружие самообороны, довольно большая часть носит характер внезапного нападения. Это обусловливает необходимость: 1) надежности и безотказности действия механизмов оружия (при условиях даже плохого ухода за оружием); 2) готовности к мгновенному открытию огня; 3) таких размеров, габарита ивеса оружия, чтобы его всегда можно было иметь под рукой.
Упомянутая уже возможность иметь дело с численно превосходящим противником, находящимся в непосредственной близости, требует, во-первых, высокой скорострельности и, во-вторых, обеспечения достаточным числом патронов.
Применение оружия для стрельбы по Противнику почти в упор вызывает своеобразные приемы пользования оружием самообороны. В большинстве случаев не будет времени для достаточно точного прицеливания; стрельба будет производиться из оружия, наведенного „инстинктивно"; чтобы такой способ стрельбы был целесообразным, необходимо обеспечение правильного положения пистолета в руке при минимальном напряжении мышц кисти руки. Каждый последующий выстрел должен быть не хуже предыдущего, отсюда — нужно обеспечить незначительную утомляемость стрелка при стрельбе. Наконец, необходимость иметь оружие постоянно при себе, быстрота приемов при извлечении оружия из кобуры (или кармана), и обеспеченная возможность мгновенного открытия огня вызывают повышенные требования к безопасности пистолета в обращении. Из этих требований и вытекают необходимые балистические и конструктивные свойства пистолета.
Перечислим эти свойства.
Как уже указано, калибр не менее 9 мм; отвечающий этому калибру вес пули 7,5—9 г (поперечная нагрузка пули 12—14 г/см2). Начальная скорость определяется из соображений получить возможно ббльшую живую силу пули, но последняя ограничивается требованиями малого веса оружия. Pollard считает, что 108
в рационально сконструированном пистолете дульная энергия 37 кг-м приходится на вес 1 кг (в среднем).
Таблица 21
Дульная энергия пистолетов
Система ' 1 Вес с магазином Q Ео Ео *)= -—кг-м/кг ч
Кольт 1911 г 1,245 46,3 37,2
Кольт-38 . 1,170 48,5 41,5
Веблей-38 0,980 40,0 40,8
Маузер 7,63 мм . . . . 1,290 51,5 39,9
Парабеллюм 7,65 мм . . 0,910 39,4 43,0
Парабеллюм 9 мм . . . 1,050 41,5 39,5
Штейр 8 мм 0,835 25,8 30,9
Бриксиа 8,85 мм 1,035 37,0 35,7
Токарева образца 1930 г- 0,910 49 7 54,5
Эта таблица дает возможность сделать следующие выводы: 1) считая достаточной для военного пистолета дульную энергию 45 кг • м и вполне достижимую величину коэфициента использования металла ц = 50, видим, что при существующих патронах полный вес пистолета (с патронами) должен получаться около 0,9 кг-, 2) при этом калибр пистолета может быть без затруднений доведен до 9 мм-, 3) идя в сторону снижения вес.а пистолета ниже указанной цифры, получим, например, при весе 0,8 кг дульную энергию около 40 кг • м, что будет недостаточно (по сравнению с существующими образцами).
Из табл. 21 видно, что наилучшим коэфициентом использования металла обладает пистолет образца 1930 г. системы Токарева (калибр 7,62 мм).
Вес пистолета до 1 кг вместе с патронами можно считать еще вполне приемлемым для военного пистолета, как не представляющийся особенно обременительным и для носки и рри стрельбе. При одинаковой дульной энергии, как видно из вышеприведенной таблицы, калибр мало отражается на весе пистолета: в подтверждение этого можно также произвести сопоставление пистолетов Маузера калибра 7,65 и 9 мм, не отличающихся друг от друга по весу. Гораздо большее значение имеет другое соображение, говорящее не в пользу большого калибра: утяжеление патрона, а вместе с тем. и утяжеление снаряженного магазина при увеличении калибра, равно как и уменьшение числа патронов в полностью снаряженном пистолете. Число патронов колеблется в пределах 7—10; при этом можно считать, что при нормальных размерах пистолета, не затрудняющих его носку, калибр 7,65 мм допускает предельное число патронов 10, калибр 9 мм—-до 9, калибр 11,5 мм — до 8\ Практическая
1 При помещении патронов в рукоятке, исходя из размеров рукоятки, необходимых для удобного обращения с пистолетом.
109
скорострельность пистолетов при стрельбе с прицеливанием доходит до 18 выстрелов в минуту (учитывая и . замену магазина).
Требование надежности и безотказности в работе приводит к конструктивным требованиям максимальной простоты конструкции, малого чисда частей, обеспечения механизмов пистолетов от проникания в них грязи; однако последнее требование осуществимо с большим трудом при одновременном соблюдении требования о простоте устройства, и существующие образцы в этом отношении далеко не безупречны. Задержки и повреждения пистолета должны устраняться без применения каких-либо инструментов: пистолет должен иметь крайне простую систему сборки и разборки.
Требование безопасности в обращении находит в конструкции пистолета отражение в следующем: 1) в наличии предохранителей, обеспечивающих при носке пистолета невозможность произвести случайный выстрел; 2) в наличии указателя присутствия патрона в патроннике; 3) в выведенном (наружном) курке; 4) в соответствующем спуске. Обеспечение, безопасности устройством спускового механизма заключается в том, чтобы спуск был длинным и усилие на спусковом крючке было не менее 1,75 кг-, с другой стороны, для удобства целевой стрельбы желателен плавный, не очень длинный и в то же время возможно слабый спуск, что находится в противоречии с предыдущими требованиями.
Упомянутые выше особенности применения пистолета („инстинктивная" стрельба) заставляют позаботиться о том, чтобы таким образом „нацеленный" пистолет давал возможно большую меткость. Достигается это соответствующим устройством рукоятки. Если производить стрельбу „навскидку" из пистолета с рукояткой, посаженной перпендикулярно к направлению ствола, то большая часть пуль падает на расстоянии до 20 м от стрелка, т. е. пули идут ниже цели. Следовательно, наиболее „естественный", обеспечивающий правильное направление пистолета при подобной стрельбе наклон рукоятки должен быть сделан несколько назад (угол наклона должен быть около 110—115°).
В существующих пистолетах этот наклон у Парабеллюма 1209, у Маузера 102°, у Браунинга 105°, у Кольта 108°, у Сэвэджа 105°.
Кроме этих требований необходимо учесть еще следующее: 1) положение оси ствола должно быть возможно ниже к кисти руки стрелка с целью уменьшения плеча отдачи; 2) расположение центра тяжести должно быть возможно ближе к рукоятке во избежание перевеса оружия вперед, вызывающего лишнее напряжение руки стрелка; 3) предохранитель должен включаться пальцем правой руки в положении оружия для боя; 4) для удобства носки пистолет не должен иметь резко выступающих частей; 5) расположение патронов предпочтительнее в рукояти во избежание излишней громоздкости пистолета (см. пистолет Маузера).
по
В заключение отметим, что преимущество автоматического оружия самообороны по сравнению с неавтоматическим заключается именно в том, что большинство из перечисленных условий гораздо лучше осуществляется в первом случае.
К числу таких условий относятся следующие: а) повышение скорострельности благодаря тому, что оружие перезаряжается и его стреляющие приспособления взводятся при выстреле, между тем как при неавтоматическом оружии для этого требуется, особый прием (в случае же так называемых „самовзводных“ револьверов необходимость перезаряжания при нажиме спускового крючка весьма сильно увеличивает усилие на спуск); кроме того, скорострельность возрастает и благодаря более быстрой смене магазина; б) емкость магазина автоматического пистолета обычно больше, чем барабан револьвера; в) форма пистолета удобнее и портативнее. Этим объсняется то, что большинство армий приняло на вооружение автоматические пистолета, хотя конструкция последних несколько сложнее, чем конструкция револьверов, а надежность меньше вследствие появления возможных для автоматического оружия задержек.
§ 15. Пистолеты-пулеметы
Мы рассматриваем отдельно пистолет-пулемет как оружие» появившееся в конце мировой войны 1914—1918 гг. Основное свойство пистолета-пулемета—мощный огонь на ближних дистанциях; мощность стрельбы при этом достигается вследствие большой скорострельности. Пистолеты-пулеметы проектируются под патрон пистолетного типа; в этом и состоит их основное отличие от автоматической винтовки, допускающее выигрыш в весе и получение портативного образца, дающего возможность вести автоматическую стрельбу и обладающего довольно емким магазином, но с весьма ограниченной сферой действия. Существовал взгляд, что в будущем пистолет-пулемет заменит винтовку, так как роль винтовки сведена к роли оружия ближних дистанций боя, а на этих дистанциях мощность огня пистолета-пулемета больше (Риттер); некоторые же смотрят на пистолет-пулемет, как на вспомогательное оружие пехоты, усиливающее мощь огня в период боя, непосредственно предшествующий атаке. В. Г. Федоров считает пистолет-пулемет недооцениваемый оружием, исходя из того, что при возможной простоте конструкции, дешевизне и легкости производства введение этого вида оружия на вооружение армии давало бы крайне легкий способ усиления мощи огня пехоты. Пистолеты-пулеметы могут быть использованы в качестве средства вооружения авиации, вооружения авиадесанта, автомобильных частей и войск внутренней охраны и пограничной службы.
Укажем на следующие свойства существующих систем пистолетов-пулеметов: легкий вес — со снаряженным магазином от 3 до 5 кг, калибр 9—11 мм, емкость магазина от 20 до 100 патро
111
нов, скорострельность практическая от 200 до 4С0 выстрелов в минуту, прицельная дальность 500 м и больше (до 800 м).
Весьма существенным качеством пистолета-пулемета является возможность у бойцов, им вооруженных, иметь большой носимый запас патронов.
Необходимыми требованиями считаются: 1) удовлетворительная меткость и убойное действие до дистанции 400 м; 2) возможность стрельбы как автоматической, так и одиночной; 3) наличие предохранительных механизмов; 4) надежность работы всех механизмов.
Для удовлетворения первому условию при применении пистолетных патронов требуется повышение начальной скорости, что достигается удлинением ствола; в осуществленных образцах вес пули от 5 до 9 г, .начальная скорость 300—475 м/сек при длине ствола 200—350 мм и общей длине оружия 800—1000 мм (с прикладом), дульная энергия существующих образцов от 45 кг-м (германский пистолет-пулемет Бергмана) до 173 кг • м (военный образец Томсона). Столь резкая разница объясняется отчасти неустановившимися взглядами на роль этого оружия; конечно, разница в могуществе отражается и на разнице в весе систем.
В своей эволюции пистолет-пулемет сближается с автоматической винтовкой. Ряд опытных образцов по наружному виду представляет малое отличие от винтовки: вес близок к весу последней, приклад ружейный, длина приближается к длине винтовки, наконец, иногда пистолет-пулемет снабжается штыком. Единственным отличием остается малое могущество выстрела, а отсюда и преимущество автоматической винтовки перед писто летом-пулеметом — возможность ведения огня на большие дистанции и большая меткость.
Зато в отдельных случаях пистолет-пулемет может обнаружить свое преимущество перед винтовкой, когда требуется в напряженные моменты боя развить максимальную мощность огня на коротких дистанциях (например отражение атаки). Возможность иметь большие носимые запасы патронов, выпускать большие очереди выстрелов непрерывным огнем (без смены магазина), меньшее влияние напряженного режима огня на самое оружие (вследствие меньшего нагрева ствола) — все это в указанных случаях выгодно отличает пистолет-пулемет как ручное автоматическое оружие.
ЧАСТЬ II
ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ И ЕГО ДЕТАЛИ
Отдел I
ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
§ 16. Автоматическое оружие. Краткая история его развития. Особенности конструирования автоматического оружия
Автоматическое оружие появилось во второй половине XIX столетия. Мы уже отмечали, что в основе его возникновения лежали две причины: стремление к повышению мощности оружия увеличением его скорострельности и увеличением, так сказать, коэфициента полезного действия оружия как машины, путем использования возможно большей доли энергии пороховых газов для полезной работы. Естественно, что прежде всего мысль изобретателей обратилась к вопросу об утилизации энергии отдачи, в которую преобразуется часть энергии пороховых газов; прежде всего стал вопрос о том, как эту энергию, до тех пор вредную, сделать полезной, направив ее для какого-либо вспомогательного обслуживания оружия и в первую очередь для перезаряжания, как одной из наиболее продолжительных операций при стрельбе.
Напомним вкратце историю развития автоматического оружия.
Начало конструированию автоматического оружия положил в 1853 г. Бессемер, запатентовавший автоматически заряжающуюся пушку; в этой же пушке им впервые было применено водяное охлаждение ствола. В 1862 г. Blakely сконструировал аппарат для автоматического открывания й закрывания затвора, а также для подачи патронов на высоту казны орудия, использовав силу отдачи и комбинацию пружины и противовеса. Однако этот проект, равно как и целый ряд последующих (Массо, Калье, Кларк, Мокрифф, Джонсон, Миллер —1869 г.), не имел практического применения.
Первым проектом автоматического ружья считается проект Пилона (1863 г.) со скользящим назад затвором и возвратной пружиной. В 1866 г. Curtis построил ружье, где впервые был применен принцип отвода газов (ружье с барабанным магазином).
А. А. Благонравов—-124—8 ИЗ
Первый образец ручного автоматического оружия принадлежит Плесснеру (1872 г.).
Из прочих работ в этот период отметим применение ленты для заряжания (Bailey, 1876 г.). Наконец, изобретение X. Максима явилось первым образцом, имевшим действительно практическое значение. В течение ряда лет Максим непрерывно работал над усовершенствованием своего пулемета, причем им были испробованы весьма разнообразные конструкции автоматического оружия, действовавшие на основе различных принципов использования энергии пороховых газов (оружие с отводом газов, отдача всего оружия, отдача ствола).
Краткий перечень работ Максима таков: в 1883 г. — переделка ружья типа Винчестера под автоматическое; 1884 г. — крепостное ружье (работа не закончена); в том же году — первый пулемет, подвергшийся ряду изменений, и в 1888 г.— создание пулемета почти в том виде, в каком он и до сего времени продолжает нести свою службу.
Первый автоматический пистолет принадлежал Люце (1874 г.), но практически пригодным автоматическим пистолетом оказался лишь пистолет Бергмана (1884 г.).
Первоисточником энергии для механизмов автоматического оружия служит упругость пороховых газов. Способы использования этого источника, однако, могут быть разнообразными. Непосредственной причиной движения тех или иных механизмов являются различные силы, возникающие во время выстрела.
Прежде всего в автоматическом оружии приходится иметь дело с „силой отдачи", под которой в сущности подразумевается давление пороховых газов на дно канала ствола как в период движения пули по каналу, так и после вылета пули в период истечения газов из канала, или так называемый период последействия пороховых газов. Направляя пороховые газы из канала ствола на какие-либо специальные детали, можно получить силу давления пороховых газов или удар газовой струи на эти детали: так, в системах с отводом пороховых газов имеем действие газов на поршень; выходящие из дульного среза газы могут сообщить движение „надульнику", т. е. поверхности, расположенной на пути движения газов, и пр. Во время движения пули по каналу возникает значительной величины трение пули о стенки канала (особенно в момент врезания пули в нарезы); если дать стволу возможность движения вперед, то эти силы трения также могут быть использованы для работы механизмов оружия.
Наконец, благодаря значительной величине действующих сил в оружии подвижные детали могут получить большие ускорения и накапливать в себе запас энергии в виде кинетической энергии; энергия, накопленная в каких-либо деталях, может быть использована для работы других механизмов; этот путь использования энергии пороховых газов иногда называют „использованием сил инерции".
114
В зависимости от того, какие из перечисленных усилий используются для полезной работы механизмов автоматического оружия, и различаются системы автоматического оружия.
Особо отметим еще силу возвратной пружины, так как последняя неизбежно встречается в большинстве типов автоматического оружия. Возвратная пружина служит своего рода аккумулятором энергии, заимствуемой оружием от пороховых газов и используемой затем для работы различных механизмов.
Явление выстрела весьма сложно. Теоретические выводы внутренней балистики, как известно, основаны на значительном ряде допущений. Огромная величина давления пороховых газов в канале ствола, высокая их температура, кратковременность всего процесса делают крайне затруднительным точное экспериментальное исследование всех связанных с выстрелом явлений. Поэтому и при решении вопроса о работе механизмов автоматического оружия приходится весьма часто упираться в крайнюю затруднительность подхода к этому решению более или менее точным расчетным путем благодаря трудности определения действующих усилий. В большинстве случаев придется остановиться лишь на приближенном теоретическом решении вопросов, связанных с движением элементов механизмов автоматического оружия, уточняя эти вопросы в процессе изготовления опытных образцов.
Необходимо заметить, наконец, что правильность функционирования механизмов автоматического оружия в сильной степени зависит от точности изготовления деталей, величины допусков на размеры их и от качества материалов, применяемых для их изготовления. Как на пример влияния последнего обстоятельства можно указать на расстройство функций механизмой пулемета при осадке возвратной пружины и на прекращение работы вследствие быстрого износа некоторых трущихся частей механизмов. Что же касается первого из указанных факторов, то иногда ничтожное изменение размеров какой-либо из деталей механизма влечет за собой если не полный отказ в работе, то нерегулярное действие, сопровождающееся периодическими остановками, замедлением скорости движения и пр. Отсюда возникает необходимость тщательной „отладки" деталей. Поэтому, чем конструкция менее чувствительна к неточности обработки частей, чем меньше может отразиться на правильности работы механизмов изменение размеров или очертаний каждой детали, тем рациональнее эта конструкция;особенно много забот в этом отношении требуют механизмы, подающие патроны. Конструктору необходимо обращать на это существенное внимание.
§ 17. Классификация автоматического оружия
Возможность осуществления автоматической работы оружия различными путями приводит к разнообразию типов автоматического оружия. Вследствие различия условий и способов боевого
115
применения, различного назначения тех или иных видов вооружения наиболее выгодный тип автоматики для одного вида вооружения оказывается недостаточно подходящим для другого.
Чтобы сопоставить преимущества и недостатки одного типа автоматики перед другим, необходимо разобрать особенности и принципы работы каждого из этих типов. При этом удобнее изучать автоматическое оружие, систематизировав это изучение путем объединения сходных между собой по каким-либо признакам типов автоматики в отдельные группы.
Различные авторы по-разному подходят к способу классификации автоматического оружия, полагая в основу классификации различные признаки.
Известны классификации Вилле, Кайзертрея, Кордье, Бутурлина, Девужа, Вильневича, Федорова, Островского.
Вилле, например, делит автоматическое оружие на следующие четыре группы: 1) оружие с движением ствола назад; 2) с неподвижным стволом, 3) с неподвижным стволом, имеющим каналы для отвода пороховых газов, 4) оружие с движением ствола вперед.
Кайзертрей рассматривает две группы: 1) оружие, основанное на принципе непосредственного давления пороховых газов; 2) оружие, основанное на принципе отдачи. Эти группы подразделяются на подгруппы по признакам конструктивных деталей.
Классификация Кордье исходит из способа действия газов. Два основных класса по Кордье: 1) оружие на принципе отдачи и 2) оружие на принципе действия газов. Первый класс делится на группы: а) с неподвижным стволом и несцепленным затвором; б) с подвижным стволом и сцепленным затвором. Второй класс: а) отвод газов через дуло, б) отвод газов через отверстие в канале и в) отвод газов через гильзу.
Девуж классифицирует оружие следующим образом: 1) действующее силой отдачи, 2) действующее отводом газов,' 3) смешанного типа, 4) действующее силой трения пули в канале ствола.
Бутурлин делить оружие на классы: 1) оружие, действующее отведенными из канала ствола газами или отработавшими, 2) оружие, действующее силой отдачи.
Вильневич в основу классификации кладет признак подвижного или неподвижного ствола. Островский дает классификацию, близкую к классификации Кордье. Наконец, в основу классификации В. Г. Федорова положен признак характера использования энергии пороховых газов, а в дальнейшем подразделении — признак конструкции затворов (классификация, наиболее близкая к классификации Девужа).
Последний принцип классификации мы считаем наиболее правильным и в дальнейшем будем придерживаться 116
классификации Федорова, с некоторыми изменениями в деталях ее1.
В общих чертах деление систем автоматического оружия по классам вытекает из изложенного выше понятия об усилиях, действующих в оружии.
Обратимся к более детальному рассмотрению классификации автоматического оружия.
Класс 1. Системы автоматического оружия, построенные на принципе использования отдачи (эти системы называют также работающими от давления пороховых газов на затвор).
Системы этого класса могут быть поделены на следующие группы.
Группа 1. Системы с отдачей затвора (при неподвижном стволе). Включаемые в эту группу системы можно различать в зависимости от способа со-
единения затвора со ство- MW)
лом, так как от этого спо- WBl—
соба зависит характер ра-
боты автоматики. Черт. 8. Схема системы с отдачей
Тип А. Системы с затво- свободного затвора.
ром, не сцепленным со ство-
лом, называемые также системами со свободным затвором. В системах этого типа массивный затвор прижимается к обрезу ствола единственно силой поджатия пружины, одним концом закрепленной в неподвижной части оружия (коробе) (черт. 8). К этому типу принадлежат многочисленные системы автоматических пистолетов (например, пистолет системы Браунинга, Манлихера 1904— 1905 гг.), некоторые системы пистолетов-пулеметов (Бергмана, Вальтера, Фольмера), ручной пулемет Ревелли модель 1929 г., 2Q-MM пушка Беккера, пушка Эрликон.
Тип Б. Системы с полусвободным (или самооткрывающимся) затвором. К этим системам будем относить те из систем автоматического оружия с отдачей затвора, у которых движение передней, запирающей ствол, части затвора (или движение всего затвора) хотя и начинается одновременно с движением пули, но замедляется в первый момент выстрела вследствие наличия каких-либо добавочных частей в затворе. Здесь можно отметить две разновидности:
а) Системы с затвором, представляющим совокупность частей, кинематически связанных таким образом, что незначительному перемещению передней, запирающей ствол, части затвора отве-
1 Желающих ознакомиться подробнее с указанными классификациями, отсылаем к первоисточникам: 1) Wille, Selbstladefragen; 2) Kaisertreu, Die principiellen Eigenschaften der automat. Feuerwaffen; 3) Cordier, Les armes automatiques; 4) Д e в у ж, Современное автоматическое оружие; 5) Бутурлин, Стрельба пулей, т. I; б) Вильневич, Опыт классификации автоматического оружия, Бюллетень НВ РККА по ГАУ 1932, № 2 или Wiadomosci techn.-artyleryjskie № 7, 1930; 7) W. Ostrowski, Karabiny maszynowe; 8) Федоров, Основания устройства автоматического оружия.
117
И
чает более значительное перемещение других, достаточно массивных частей (черт. 9). К этой категории можно отнести, например, пулемет Шварцлозе с затвором, включающим в себя кривошипный механизм, мас-.................................. сивные звенья которого при закрытом затворе находятся i^T...............................в положении, близком к мерт-
вой точке (схема действия пу-Черт. 9. Схема полусвободного затвора, лемета Шварцлозе изображена на черт. 10); пулемет Шкода, подобного же устройства (образца 1909 г.); итальянские пулеметы SIA, Fiat образца 1924 г., где для получения возможности
поступательного движения головная часть затвора должна предварительно повернуться около своей оси на 40°; винтовка системы Педерсена.
б) Системы, у которых первоначальное движение затвора замедляется благодаря большим силам трения, развивающимся на начальном
Черт. 10. Схема системы Шварцлозе.
участке пути затвора (на поверхности некоторых деталей, принадлежащих затвору).
К этим системам принадлежит, например, пистолет Бергмана образца 1901 г.
Черт. 11. Система Томсона в закрытом (слева) и открытом (справа) положении.
Представителем этих же систем является пистолет-пулемет Томсона, в котором замедление и даже удержание затвора на месте в первый период выстрела основано на принципе увеличения коэфициента трения вместе с возрастанием удельного давления на трущихся поверхностях (черт. 11).
Устройство сцепления затвора заключается в том, что запирающий клин (вилкообразный вкладыш) имеет выступы 2, входящие в наклонные пазы ствольной коробки /; при наличии 118
большого давления на затвор механизм оказывается самотормо-зящимся; при уменьшении же давления клин выжимается вверх, расцепляя затвор с некоторым опозданием относительно момента начала выстрела.
Тип В. Системы с отдачей затвора при наличии прочного сцепления затвора без самооткрывания. Эти системы, обладая сцепленным со стволом затвором, для открывания последнего должны обладать специальным механизмом, работающим благодаря какому-либо иному принципу использования энергии пороховых газов. Задача заключается в том, чтобы этот механизм сработал чрезвычайно быстро, раньше чем закончится период давления газов в канале ствола, ибо иначе затвор не получит движения. Работа таких систем не надежна и сколько-нибудь широкого применения они на практике не получили.
Примером такого оружия является автоматическая винтовка системы Чеи-Риготти.
Более совершенно принцип устройства такой системы разработан в автоматическом пистолете Сэвэдж, в котором затвор удерживается на месте (за счет давления пули на боевую грань нарезов, стремящегося повернуть ствол, причем последний заклинивает затвор до момента вылета пули) до тех пор, пока пуля не покинула ствол.
Группа 2. Системы с отдачей ствола (подвижный ствол). Системы этой группы имеют затвор, прочно сцепленный со стволом в момент выстрела, благодаря чему давление газов на дно гильзы, а после вылета пули реакция истекающих газов, заставляют затвор двигаться вместе со стволом назад. Для перезаряжания оружия следующим патроном необходимо расцепить затвор со стволом, сообщить затвору движение относительно ствола, с тем чтобы перемещение затвора тгозволило ввести в патронник следующий патрон, после чего закрыть затвор и привести все части в положение для выстрела. В зависимости от момента расцепления затвора со стволом, вернее, от того, при каком положении системы начинается относительное перемещение затвора по отношению к стволу, эту группу можно поделить на два типа.
Тип А. Системы с длинным ходом ствола. Под этим названием будем подразумевать такие системы автоматического оружия, у которых расцепление затвора со стволом происходит не ранее крайнего заднего положения подвижных частей, т. е. ствол под влиянием отдачи вместе с затвором движется назад на полную длину хода подвижных частей. Затвор, задержанный в заднем положении, в дальнейшем остается на месте; ствол же, возвращаясь в переднее положение, в конце своего возвратного движения освобождает затвор; последний, двигаясь вперед, захватывает очередной патрон, досылает его в патронник и вновь сцепляется со стволом.
Представителями этих систем являются ручной пулемет Шоша и автоматическое охотничье ружье Браунинга.
119
Тип Б. Системы с коротким ходом ствола. К этому типу относятся те системы автоматического оружия, которые работают на принципе отдачи и у которых длина хода ствола ограничена меньшей величиной, чем длина хода затвора; поэтому расцепление затвора со стволом должно наступать в период движения частей назад на небольшом относительно участке пути, после чего затвор, отделившись от ствола, совершает самостоятельное
движение, производя одновременно перезаряжание оружия (черт. 12).
Работа систем этого типа может осуществляться по трем схемам:
1) пройдя некоторый путь, ствол задерживается, а затвор
продолжает движение по инерции на величину пути, достаточную
для перезаряжания ствола; затем затвор меняет направление
Черт. 12. Схема системы с длинным ходом ствола.
движения на обратное и, двигаясь под действием возвратной пружины, досылает патрон
в патронник, причем ствол находится в заднем положении; после
досылания патрона вся система (ствол—затвор)
приходит в переднее
положение, причем осуществляется сцепление затвора со стволом;
2) пройдя некоторый путь, ствол расходует свою кинетическую энергию и меняет под действием возвратной пружины направление движения на обратное, затвор же продолжает свое
движение после расцепления независимо от движения ствола и после перезаряжания сцепляется со стволом, уже находящимся в крайнем переднем положении;
3) если движение затвора при его открывании не совпадает по направлению с движением ствола (качающийся затвор, клиновой затвор в автоматических пушках), затвор отпирается и отодвигается во время движения ствола назад, а закрывается — во время движения ствола* вперед; цикл движения ствола совпадает с циклом движения затвора.
По первой схеме работают, например, системы Федорова, Дрейзе, Бергмана и др., по второй — пулемет Максима; по третьей—-пулемет Мадсена.
Заметим, что вторая схема работы автоматики может быть осуществлена при наличии лишь определенного устройства сцепления затвора со стволом, а именно, шарнирно-рычажного или сцепления вращающейся вокруг продольной оси частью (или всем остовом) затвора.
В. Г. Федоров в своей классификации делит системы с коротким ходом ствола на разновидности в зависимости от способа функционирования затвора и устройства его сцепления со стволом; эта классификация представляется в следующем виде:
120
1. Системы с поступательным движением затвора. В свою» очередь, по способу соединения затвора со стволом эту категорию можно разделить на следующие виды:
а) запирание затвора защелками, движение которых происходит в горизонтальной плоскости (при горизонтальном положении оси канала); такова автоматическая винтовка Маузера 1899 г., винтовка Галле, система Кьельмана;
б) запирание затвора защелками, движение которых совершается в вертикальной плоскости: пистолет Маузера, карабин Ман-лихера образца 1901 г., автомат Федорова, пулемет Гаста1, пулемет Браунинга2, пулемет Перино;
в) запирание затвора при помощи специальной части, имеющей вращение вокруг оси затвора (пулемет Бреда);
г) рычажное сцепление затвора (применение кривошипного механизма, причем запирающая ствол часть является ползуном)^ таковы пулеметы Максима, Виккерса, пистолет Парабеллюм, ручной пулемет Фуррер.
2. Системы с поворачивающимся затвором; затвор соединен со стволом так, что при поступательном движении ствола поворачивается вокруг своей оси, причем расцепляется со стволом (система Токарева).
3. Системы с перекашивающимся при запирании затвором;, затвор имеет возможность некоторого поперечного перемещения в переднем положении, благодаря чему может быть соединен со специальными выступами ствольной коробки (например пистолет Бергмана образца 1897 г.).
4. Системы с качающимся затвором; затвор укреплен в ствольной коробке при помощи оси или цапф, перпендикулярных к оси канала, на которых может вращаться на некоторый угол, открывая при повороте патронник (система Schuboe, пулемет Мадсена)3.
По классификации Федорова отдельно рассматривается третий тип автоматического оружия, действующего на принципе отдачи ствола.
Тип В. Системы с поворотом ствола. По существу этот тип является разновидностью предыдущего типа; разница заключается в том, что помимо поступательного движения ствол поворачивается вокруг своей оси вследствие наличия выступов на поверхности и соответствующих винтовых пазов короба; при повороте ствола на некоторый угол затвор, могущий двигаться только-поступательно, выходит из сцепл&ния своими боевыми выступами со стволом и получает возможность самостоятельного движения (пистолет системы Рота образца 1904 г.).
1 Затвор Гаста можно называть крановым затвором.
2 Роль защелки в пулемете Браунинга выполняет клин.
3 Здесь мы должны оговориться, что тип сцепления затвора не являете» признаком, свойственным только системам с коротким ходом ствола; большинство перечисленных здесь затворов может быть применено, например, и в следующем классе автоматического оружия (в классе 1J).
12Г
Рассмотренная группа имеет многочисленных представителей на вооружении различных армий.
Группа 3. Системы с отдачей всего оружия. В этих системах ствол не имеет движения относительно короба и, будучи сцеплен с затвором в момент выстрела, воспринимает отдачу вместе с остальными частями оружия. К этой категории принадлежало первое автоматическое ружье системы Максима 1883 г. Более
поздние системы автоматического оружия, построенные на принципе отдачи всего оружия, включали в свое устройство специальные части, инерция которых использовалась для открывания и закрывания затвора.
Тип А. Система Жоегрень с ползуном, сжимающим силой своей инерции затворную пружину. При отдаче оружия особая муфта-ползун, оставаясь по инерции на месте, сжимает пружину, которая, затем разжимаясь, отодвигает ползун вместе с затвором назад; возвращение частей в исходное положение совершается под действием второй пружины — возвратной.
Тип Б. Системы, в которых инерция специальной части (ползуна) служит для расцепления затвора со стволом, после чего затвор отбрасывается назад благодаря реакции газов на дно гильзы (одна из систем Маузера). Таким образом данная система по существу является системой смешанного типа.
Класс II. Системы автоматического оружия, устройство которых основано на действии пороховых газов на специальные детали (поршень, подвижной надульник, специальный ударник). Наиболее многочисленную трупу, относящуюся к данному классу,
представляют системы, получившие особенное распространение в последних по времени образцах авто-
г матического оружия —
Черт. 13. Схема системы с отводом пороховых rj
газов с отво/г^ом га
зов.
Г руппа 1. Системы с отводом газов через особый канал в стволе (черт. 18). Пороховые газы после прохода пулей газового канала а поступают в газовую камору Ь, приводят в движение поршень' с, связанный посредством штока d с рамой е и затвором f. При этом обычно некоторый участок пути рама проходит при неподвижном затворе; в этот период происходит расцепление затвора, а затем, после вылета пули, затвор увлекается рамой назад; одновременно с движением затвора работают и все вспомогательные механизмы, с ним связанные (подача патронов и пр.). Эту группу можно разделить на три типа:
Тип А. Системы с продольным движением поршня, в направлении хода затвора. Этот тип наиболее распрастранен среди современных конструкций (особенно ручные пулеметы и самозарядные винтовки); конструктивное устройство отвечает приведенной схеме (черт. 13). В качестве представителей этого
122
типа можно указать пулеметы Гочкиса, Льюиса, французский FM-24, чехословацкие „Прага" и ZB-26, Бердмор-Фаркар1, ручной пулемет Браунинга, пулемет Дарна, Виккерс-Бертье, Ферт, самозарядные винтовки системы Мондрагона, Гаранда, Фаркар-Хил, французскую 1918 г.
Все системы этого типа отличаются друг от друга, главным образом, способом сцепления затвора со стволом.
Тип Б. Системы с движением поршня вперед, трансформируемым для движения затвора назад, представляют разновидность типа А (пулемет Сент-Этьен).
Тип В. Системы, в которых поршень подвергается толчку газовой струи в направлении, перпендикулярном оси ствола. Поршень, закрепленный на рычаге, вращающемся на оси, своим движением отбрасывает затвор назад (пулемет Кольта, черт. 14).
Черт. 14. Схема системы Кольта.
Тип Г. Системы, в которых отвод газов предназначен только для отпирания затвора с расчетом получить движение затвора под действием реакции газов на дно гильзы (системы смешанного типа) (ружье Чеи-Риготти, Манлихера образца 1900 г.).
Группа 2. Оружие, работающее давлением пороховых газов на подвижной надульник (отвод газов через дуло ствола; иногда эти системы называют системами, действующими от отработанных газов). Представителями этой группы являются ружье Банга и пулемет Пюто. Здесь для приведения автоматики в движение используется импульс газовой струи, вырывающейся из дула вслед за вылетом пули.
Примечание. Вырывающиеся газы могут быть использованы для работы автоматики в целях усиления действия газов в системах других категорий (например применение неподвижного надульника в системе Максима); приспособления типа дульных тормозов позволили бы осуществить автоматическое оружие с движением ствола вперед (например система Дыбов-ского, черт. 15).
1 Пулемет Farquhar В. Г. Федоровым выделяется в особую группу, так как в нем поршень сжимает специальную рабочую пружину (main spring), работа которой и используется для приведения в движение затвора.
123
Группа 3. Автоматическое оружие, работающее с помощью отвода части пороховых газов через дно гильзы. Действие этого оружия происходит следующим образом. Специальный патрон
Черт- 15. Схема системы Дыбовского.
А — колодка; В — ствол; С — короб; Е — надульник; F — возвратная пружина; а, б, в, г — части ударного механизма.
имеет гильзу с очень толстым дном и удлиненным капсюльным гнездом; при выстреле капсюль играет роль поршня и, двигаясь назад, отбрасывает ударник.
7
Это движение и используется для приведения в действие прочих механизмов (автоматическое ружье системы Рота, черт. 16).
Класс III. Системы, использующие силу сопротивления врезанию пули в нарезы (движение ствола вперед). Эти
системы не получили распространения (пистолет Манли-хера, его видоизменения — пистолеты Винклера и Вессона). Пуля, врезаясь в нарезы и двигаясь по стволу с тре-
Черт. 16. Схема системы Рота.
1—возвратная пружина; 2—ударник; 3—курок, запирающий затвор; 4—личинка; 5 — ствольная коробка; 6 — затвор; 7—боевые выступы;
8— пружинка ударника; 9 — ствол.
нием, увлекает вперед ствол, что и может быть использовано для перезаряжания оружия. Использование этого же принципа, но для запирания ствола, мы встречаем в упомянутом выше пистолете Сэвэдж Ч
Системы автоматического оружия смешанного типа. В некоторых случаях для приведения в действие различных механизмов автоматического оружия применяются различные принципы использования энергии, получаемой при сгорании
1 Отсылаем читателя к книге В. Г. Федорова, Эволюция стрелкового оружия, ч. 2, Москва, 1939 г., где он дает более подробное описание систем автоматического оружия, разделенного по классам.
124
порохового заряда. Такие системы можно назвать системами смешанного типа. Приведем примеры подобных систем: 1) система Маузера, использующая принцип отдачи всего оружия для отпирания затвора и принцип отдачи затвора для работы остальных механизмов; 2) система Чеи-Риготти, использующая принцип отвода пороховых газов для отпирания затвора и отдачу затвора для действия остальных механизмов; 3) в системах II класса группы 2 был указан случай применения надульника, скрепленного со стволом; в этом случае движению ствола вперед помогает сила врезания пули в нарезы и сила трения, т. е. система работает частично по принципу, отнесенному к III классу. Благодаря особенностям конструктивного устройства иногда получается смешение различных типов автоматики, приводящее к тому, что по замыслу конструктора и по внешним признакам система принадлежит к одной группе или типу, но в существо работы автоматики примешивается другой способ использования энергии пороховых газов: например, пулемет Бриксиа с отдачей ствола имеет по существу самооткрывающийся затвор, и в системе запирания ствол играет роль звена этой системы, сообщающего системе признаки принципа отдачи полусвободного затвора; если в системах с отводом пороховых газов заставить механизм отпирания затвора срабатывать в первый же момент выстрела, то остаточное давление пороховых газов в канале ствола будет действовать на отпертый затвор, т. е. система будет работать частично по принципу отдачи затвора и в ней появятся свойства, присущие этому типу оружия, как, например, затруднения в экстракции стреляной гильзы. Конструктивное оформление систем автоматического оружия представляет значительное разнообразие.
§ 18. Механизированное оружие
Иногда к автоматическому оружию относят оружие, в котором действие всех механизмов, имеющих отношение к перезаряжанию оружия, происходит за счет энергии, доставляемой отдельными от оружия источниками энергии (например, механизмы пулемета, установленного на самолете, могут приводиться в движение авиационным мотором). По принципу устройства это оружие близко к картечницам, которые являлись в истории развития оружия предшественниками пулеметов; разница заключается лишь в том, что в картечницах использовалась мускульная энергия человека, а в механизированном оружии используется энергия механических двигателей; кроме того, конструкции механизированных пулеметов отражают все усовершенствования, которые были осуществлены в ходе развития автоматического оружия.
Толчком к появлению этого вида оружия послужило развитие авиационных пулеметов благодаря наличию мощного источника энергии — авиационного мотора, а также благодаря тому, что механизированный пулемет при стрельбе через винт не тре-
125
бует устройства специального синхронизатора, так как работа механизмов пулемета непосредственно связана с вращением винта.
Преимущества такого оружия перед автоматическим сводятся к следующему:
1) возможность получения желаемого темпа стрельбы посредством соответствующего расчета и устройства трансмиссионных механизмов, связывающих пулемет с мотором;
2) упрощение конструкции самого оружия и уменьшение его веса;
3) исключение влияния осечек патронов на задержку стрельбы из пулемета, а следовательно, повышение надежности;
4) возможность использования значительно большей энергии, нежели энергия пороховых газов, для обеспечения работы механизмов, а следовательно, меньшее ограничение конструктора при проектировании механизмов и выборе таких данных, как скорострельность;
5) меньшая чувствительность механизмов к неточности обработки (возможность относительно грубой конструкции);
6) независимость работы механизмов от качества патронов;
7) совмещение в авиационных пулеметах функций синхронизирующего механизма с функциями привода от мотора.
Недостатки механизированного оружия следующие:
1) независимость работы механизмов перезаряжания ствола от явлений, сопровождающих выстрел;это приводит к небезопасности оружия при затяжном выстреле: действительно, в случае затяжного выстрела затвор может несвоевременно открыться (при наличии давления пороховых газов или даже в момент начала выстрела), что повлечет за собой возможность поломки оружия;
2) предыдущий недостаток мог бы быть парализован применением специального предохранительного механизма, выключающего связь затвора с мотором в случае отсутствия нормального выстрела; такой механизм мог бы быть осуществлен, например, на принципе отвода пороховых газов; однако применение подобного механизма снабжает оружие теми же чертами устройства, какие имеет автоматическое оружие, и, кроме того, ведет к потере ценного качества — нечувствительности работы системы к осечкам; конструирование механизма предохранительного по отношению к затяжному выстрелу, но не реагирующего на осечки, возможно, но представляет большую конструктивную сложность;
3) при наличии каких-либо неполадок в работе (например утыкание патрона) продолжающий свою работу мотор может вызвать серьезную поломку в оружии, во избежание чего приходится снабжать оружие приспособлением, отключающим привод мотора, как только сопротивление со стороны механизмов пулемета становится больше нормального; такое приспособление тоже усложняет конструкцию.
Конструктивное выполнение систем оружия, работающих ог мотора, может быть разрешено различными путями. В первой по 126
времени из этих конструкций — пулемете Сименса (1917 г.) —запирание затвора осуществлено с помощью специальных ползунов, связанных с передаточным механизмом; открывание затвора совершается при помощи усилия затворной пружины, отбрасывающей затвор. Были попытки переделать существующие системы пулеметов, связав их механизмы с мотором: таков пулемет Фоккера, представляющий собой переделку германского ручного пулемета Максима. Естественной мыслью явилось стремление приспособить передачу от мотора к системам, напоминающим картеч-ницы — оружие, бывшее предшественником современного пулемета. Отражение этой идеи мы видим в проектах пулеметов Cham-bon, Jossand, Laribe. Эти системы являются многоствольными пулеметами (два, три и семь стволов). Пулемет Jossand представляет три ствола, поворачивающиеся вокруг оси, параллельной
им; казенная часть стволов помещается в цилин-
дрическом кожухе, вмещающем в себе меха- Д низм, управляющий движением затворов; мага- Jrjl зин —общий для трех стволов. . । I .—
Применение постороннего источника энергии дает большой простор в смысле конструиро- \
вания подающих механизмов. В пулеметах Cham- !
bon, Foure и Outra предлагался способ подачи I
лентой, причем затвор проходил в гнездо лен- Ша /
ты, выталкивал патрон вперед в патронник и щг---------
после выстрела, возвращаясь назад, вновь вкла-дывал гильзу в гнездо ленты, затем происхо-дило поперечное передвижение ленты. У семи- ч 17 ствольного пулемета Лариб лента была составлена из ряда магазинов по семь патронов, гибко соединенных между собой. Оригинальность этой системы заклю-
чается в том, что гнездо магазина, в котором помещается патрон, является патронником. Продольным движением подающего механизма вводятся только в стволы передние части патронов; после выстрела (залпа) магазин отходит назад, и всей ленте сообщается поперечное передвижение, подводящее к стволам следующее звено ленты. Осуществление подобного принципа подачи для пулемета, использующего энергию пороховых газов, было бы довольно затруднительно, так как требуется перемещение тяжелого магазина на большем участке пути при каждом выстреле, что ведет к сравнительно большому расходу энергии на подачу патронов. В установках, работающих от сильных авиационных моторов, этот расход энергии мало отражается на работе двигателя.
Укажем на приспособление, примененное в целях безопасности от затяжных выстрелов во французском пулемете STAe.
Это приспособление представляет следующий механизм (черт. 17). На валу А, вращающемся от мотора, сидит мотыль Б, шип которого В входит в криволинейный паз шатуна Г. Очертания паза сделаны в пределах сектора ab по окружности. Шатун
127
вращается около оси; с другим концом шатуна шарниром Д связана затворная тяга Е, управляющая движением затвора.
Благодаря такому устройству, пока мотыль совершает движение в пределах сектора ab, затвор остается неподвижным. Идея устройства механизма сводится к тому, чтобы время движения шипа В в пределах сектора ab сделать большим, чем предельное время затяжного выстрела (по французским данным, достаточно 0,025 сек.). Однако подобное приспособление вводит неизбежное •ограничение темпа стрельбы, чем уничтожает одно из главных •преимуществ описываемых систем. Действительно, если принять время, в течение которого затвор должен оставаться неподвижным, > 0,025 сек. и назвать центральный угол, отвечающий сектору ab — а0, то темп стрельбы п выстрелов в минуту:
60 • а _ а
П 360-0,025 — 0Д5
(при равномерном вращении вала). Поэтому в подобных системах
требуется предохранительный механизм такого типа, который
Черт. 18. Схема устройства пулемета, чехословацком механизированном
давал бы при отсутствии выстрела в момент, когда должно произойти открывание затвора, пропуск дей-
-7-----^стипя механизма.
/ ' Аналогично устройство
для уменьшения опасности затяжных выстрелов в од-
ной из последних осуществленных конструкций — пулемете ZB-80; в этом пу-
лемете подвижной деталью, связанной с приводом от мотора, является ствол 1. На вращающемся диске 2, расположенном сверху пулемета, имеется палец 5, входящий в паз 4, разделанный сверху ствольной коробки 3 и имеющий вид, показанный на черт. 18. Для перезаряжания пулемета ствол движется вперед (в сторону выстрела), стреляная гильза 6 остается на месте, удерживаемая звеном ленты, охватывающим головку гильзы. Оригинальностью этой конструкции является то, что разъемные звенья ленты служат в то же время упором для дна гильзы (играя, таким образом, роль детали затвора) и имеют отверстие для прохода бойка.
Благодаря указанным серьезным недостаткам, присущим этому типу оружия, оно до настоящего времени не привилось на вооружении.
Кратко упомянем, наконец, о механическом оружии, которое также иногда ошибочно причисляют автоматическому.
В этом типе оружия исключен пороховой заряд и для метания пули и для работы механизмов служит источник энергии в виде мощного двигателя. Попытки конструирования подобного
128
оружия в виде так называемых центробежных пулеметов, однако, не привели к созданию приемлемого для системы вооружения образца вследствие громоздкости, затруднительности обслуживания в бою и значительной потребной мощности мотора1.
Отдел II
УСТРОЙСТВО ОРУЖЕЙНЫХ СТВОЛОВ И ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
§ 19. Назначение ствола и особенности условий его службы в стрелковом оружии
Как известно, ствол является основной деталью огнестрельного оружия. Ствол используется для сгорания в нем порохового, заряда; энергия, источником которой служат пороховые газы используется в стволе для сообщения пуле поступательного движения с необходимой скоростью; направление оси ствола определяет направление полета' пули; наконец, устройство стволов современного огнестрельного оружия позволяет сообщить пуле вращательное движение вокруг ее оси для получения устойчивого движения после вылета из ствола.
Стволы артиллерийских орудий и стрелкового оружия должны обладать прочностью, обеспечивающей упругое сопротивление их стенок действию давления пороховых газов внутри ствола, максимальное значение которого (давления) может достигать величины 3500—4000 кг)см\ Прочность стенок ствола артиллерийских орудий определяют, исходя из сопротивления давлению пороховых газов; в стрелковом оружии — при малом калибре ствола — приходится принимать во внимание и другие служебные условия: сопротивление ствола изгибу при случайных ударах, при падении оружия, при штыковом ударе; на определение толщины стенок ствола могут иметь влияние условия его вибрации при выстреле, связанные с кучностью боя оружия. Наконец, в автоматическом оружии при назначении толщины стенок ствола могут быть приняты во внимание условия его нагрева при стрельбе. Для правильного расчета и проектирования ствола необходим учет всех упомянутых условий.
§ 20. Внутреннее устройство ствола
Ствол представляет собой трубу, внутренняя полость которой называется каналом ствола. Канал ствола делится на следующие части:
1) патронник — заднюю часть канала, служащую для помещения патрона и имеющую форму соответственно форме гильзы;
2) нарезную часть канала, служащую для сообщения пуле необходимого движения; стенки нарезной части канала имеют идущие по винтовой линии выступы и выемы — нарезы, врезаясь
1 См. „Материальная часть автоматического оружия* под ред. проф. Благонравова, ч. 1., Военгиз, 1940.
А. А. Благонравов—114—9
129
в которые пуля при дальнейшем по ним движении, как по направляющим, приобретает вращательное движение;
3) пульный вход —участок канала, соединяющий патронник с нарезной частью.
Передний, открытый, конец ствола называется дулом.
Размеры патронника определяются в соответствии с размерами патрона; однако и по диаметру и по длине размеры патронника несколько разнятся от размеров патрона; необходимо обеспечить свободное вкладывание патрона при возможных (в пределах установленных на его изготовление допусков) максимальных его размерах (по диаметру и длине), даже при наличии попадания в патронник смазки или его запыления. Поэтому между стенками патронника и поверхностью гильзы должен быть предусмотрен зазор. Минимально допустимая величина диаметрального зазора для соблюдения указанного условия равна 0,05 мм-, наибольшая его величина, учитывая принятые в производстве допуски, доходит в крайнем случае в стрелковом оружии до 0,25 мм. Большая величина зазора может привести к продольному разрыву гильзы, так как получаемая при выстреле деформация стенок гильзы может оказаться соответствующей временному сопротивлению металла гильзы. Исходя из этого, нельзя рекомендовать получение диаметрального зазора больше 0,15 мм, в соответствии с чем и надо назначать данные, относящиеся к посадке патройа в патроннике, и допуски на изготовление патрона и патронника.
Определение размеров патронника в соответствии с чертежом патрона несколько различно в зависимости от того, имеет гильза закраину или нет. В первом случае шляпка гильзы упирается в казенный срез ствола и длина патронника определяется длиной гильзы, но с учетом необходимости иметь указанные выше зазоры как по корпусу, так и по скату и дульцу гильзы. При упоре гильзы своим скатом в скат патронника дно гильзы может несколько выходить из казенного среза (на величину, определяемую конструкцией затвора), а скат патронника будет начинаться ближе к казенному срезу, чем скат патрона, на величину
д . а = ~2 tg а,
где Д — диаметральный зазор между стенками патронника и гильзой;
а — угол наклона ската гильзы.
Зато часть патронника, отвечающая дульцу гильзы, будет длиннее последнего на величину (а 4- Ь) (черт. 19); эти соображения и определяют построение размеров патронника. Конус пульного входа обычно делается длиной около двух калибров.
Нарезная часть ствола имеет длину, соответствующую получению пулей необходимой начальной скорости (длина нарезной части меньше длины пути пули в канале, получаемой балисти-ческим расчетом, на величину расстояния дна пули от. начала нарезов при вложенном в патронник патроне).
130
Устройство нарезов. На цилиндрической поверхности канала ствола разделываются продольные канавки, обычно описывающие на поверхности канала винтовую линию. Образующиеся между нарезами выступы называются полями нарезов. Диаметр по полям определяет калибр ствола d\ диаметр по дну нарезов dH отличается от калибра на двойную глубину нарезов. Глубина нарезов в стрелковом оружии обычно бывает равна ^d~^d.
Черт. 19.
Слишком малая глубина нарезов ведет к понижению живучести ствола вследствие износа, большая глубина нарезов приводит к невыгодным условиям деформаций пули при врезании и к излишней работе форсирования.
При движении пули по каналу ствола одна из граней нареза (в зависимости от направления нареза) служит ведущей гранью и называется боевой гранью; на боевой грани возникает реакция со стороны пули. Подсчет величины этой реакции может быть произведен, исходя из следующих соображений.
Уравнение поступательного движения пули в канале ствола может быть выражено:
P-S—N(sina+/cosa) = т (1)
Уравнение вращательного движения пули
A/(cosa-/sina) = ~^J-, (2)
где Р— давление в канале ствола;
S — площадь поперечного сечения канала;
N — величина суммарной нормальной реакции на боевых гранях нарезов;
т — масса пули;
a — угол наклона нарезов;
/ — момент инерции пули относительно ее оси;
f—коэфициент трения;
d — калибр;
ш — угловая скорость вращательного движения пули.
Действительно, если представить развертку канала ствола (черт. 20), то ведущая грань нареза (в случае, если нарез идет по винтовой линии) представится прямой линией.
131
Проекции на направление оси канала ствола сил, действующих на пулю, выразятся левой частью уравнения (1); приравнивая эту величину произведению массы пули на ее ускорение в поступательном движе-
У нии, получим уравнение (1).
N Момент сил, действую-
щих на пулю, относительно ^3 оси ее вращения выразится:
п _ N(cosa— /sinа)
Черт. 20. Приравнивая его произве-
дению момента инерции пули на угловое ускорение, получаем уравнение (2).
Если представить уравнение развернутой боевой грани нареза в виде у =/(х) (в случае винтовой линии это будет уравнение прямой) и учесть, что у = 6 • где 6 — угол поворота винтовой линии в сечении, отстоящем от начала координат на расстоянии х, то: dy d d
—— • = • (О dt----2 at 2
Последнее выражение представляет собой вращательную скорость точки, расположенной на поверхности пули. С другой стороны: tZO __ 2 dy dx dt — d dx * dt9
HO dy . dx
= tg a, a -T7 = dx b ’ dt x9
где vx — скорость пули в сечении х.
Следовательно, d^ 2 .
— = e) = _tga^, d<s> d20 2 . d2x /fy\
~dt ~ dt2 ’ ~ ~d ‘ a ’ dt2'
Если упростить уравнение (1), введя в него фиктивную массу пули <р • т и учитывая тем самым потери на сопротивления движению пули по нарезам, то получим
(4)
Подставляя (4) в (3), имеем: d<& 2 , Р • S
dt d ъ у • m
Уравнение (2) можно поэтому выразить:
М(COS a —/sin a) = 4г tga • (5)
132
Отсюда:
jV = 4 —• tga---------------------. (6)*
т <р ° cos a— /sin а _ ' '
Для расчета реакции 7V уравнение (6) можно представить в более простом виде, если выразить — = р2 (радиус инерции) и учесть, что при незначительности угла а (обычно около 5° COS a—/sina^r 1:
W = tga. (6а)
и. Y
p2
Наконец, отношение для обычных типо\ пуль колеблется в пределах 0,1—0,14, <₽ = 1,12 — 1,20.
Отсюда:
N^0,5P-S-tga. (66)
В формуле (66) коэфициент 0,5 взят как наибольший из возможных. Чтобы получить наибольшее значение N в формулу (66) следует подставить Р = Рта. Вычисленную таким образом суммарную реакцию на боевых гранях нужно разделить на число нарезов—получим величину реакции на боевой грани одного нареза. Удельное давление на единицу поверхности боевой грани получится отсюда равным
N — N где п — число нарезов;
X —длина ведущей части пули;
8 — глубина нарезов.
Для оболочечных пуль не следует допускать Муд>30— 32 кг/мм2.
Последнее данное может служить критерием для проверки правильности назначения глубины нарезов.
Число нарезов. Для стрелкового оружия калибра 6,5—8 мм обычно принято число нарезов 4, реже встречалось 3, 5 и 6 нарезов. С увеличением калибра число нарезов растет: при калибре 11—14 мм число нарезов принимается 8, реже 6. При более крупных калибрах для артиллерийских орудий расчет числа нарезов по французской формуле принимается:
л >3</,
* В случае прогрессивной крутизны нарезов уравнение y = f(x) не будет уравнением прямой; если угол а считать углом наклона касательной к развертке нареза в сечении х, то
dt d [ dx -r & dZ2J
d2 cos a — f sin a
133
где d—калибр, выраженный в сантиметрах с округлением п до числа, кратного 2 или 4.
Произведенные опыты дают возможность установить, что уменьшение числа нарезов благоприятно влияет на повышение живучести ствола; увеличение числа нарезов уменьшает удельное давление на боевые грани, но приводит к сужению полей и делает их менее прочными на изгиб, в особенности после появления поверхностных трещин при разгаре канала.
Ради удобств изготовления нарезов в производстве число нарезов желательно делать четным.
Ширина нареза и ширина поля. Если ширину нареза и поля измерять по дуге окружности, соответствующей калибру, и обозначить а —ширину нареза, b — ширину поля, то:
,. , nd “+4-7-
Ширина нареза делается большей ширины поля не менее, чем в 2 раза; поэтому
Полученный размер округляют (уже считая не по дуге окружности, а по хорде — для прямоугольных нарезов), для того чтобы получить удобный размер для режущего инструмента.
Излишнее увеличение ширины нареза, уменьшая ширину полей, снижает прочность последних; уменьшение ширины нареза приводит к более жестким условиям деформации пули и влияет на прочность оболочки пули при ее врезании в нарезы.
Поперечное сечение канала ствола. Соотношение между диаметром пули и размерами канала. Благодаря наличию нарезов площадь поперечного сечения канала ствола больше для приближенного подсчета площади попе-речного сечения канала стволов стрелкового оружия при обычно принятых системах нарезок можно пользоваться формулой:
S = 0,8(Z24-0,82d2 (8)
Диаметр пули принимается всегда больше калибра, но обычно с таким расчетом, чтобы наибольший возможный по допускам диаметр пули был равен или несколько меньше наименьшего диаметра канала по дну нарезов (также учитывая допуски). Наивыгоднейшее соотношение между этими размерами зависит от конструкции пули.
Приведем соотношение между калибром, диаметром по дну нарезов и диаметром пули для некоторых систем оружия.
Табл. 22 показывает, что в приведенных четырех случаях в основу согласования размеров канала с диаметром пули заложены различные соображения: наибольший зазор между пулей и дном нарезов получается для пулемета Шварцлозе: его край-134
Таблица 22
Соотношение между диаметром пули и размерами канала в пределах установленных допусков
Страна Оружие Диаметры, мм
по полям по нарезам пули
наиболь-' ший наименьший наибольший наименьший наибольший наименьший
СССР Германия Франция Австрия Пулемет образца Максима 1910 г Пулемет образца Максима 1908 г Пулемет Гочкиса . . . Пулемет Шварцлозе . . 7,68 7,94 8,02 8,05 1 7,61 7,90 7,98 7,95 8,00 8,31 8,33 8,45 7,92 8,23 8,30 8,34 7,87 8,24 8,35 8,25 7,72 8,20 8,30 8,20
ние возможные пределы — 0,1 и 0,25 мм-, следующее место занимает пулемет Максима образца 1910 г. (СССР): наименьший зазор 0,05 мм, наибольший — 0,28 мм-, у немецкого пулемета Максима возможен натяг 0,01 мм и наибольший зазор 0,11 мм-, у французского пулемета Гочкиса возможен натяг 0,05 мм и наибольший зазор 0,03 мм. Заметим, что эти соотношения для австрийской пули отвечают наиболее твердой оболочке, для французского же пулемета — безоболочечной пуле (сплошной томпаковой); последним и можно объяснить столь существенную разницу в подходе к данному вопросу.
Одним из критериев правильного соотношения между диаметром пули и размерами канала может служить также отношение площади поперечного сечения пули к площади поперечного сечения канала, которое нормально должно быть в пределах 1,0—1,01; при большей величине этого отношения пуля получает значительную „протяжку", т. е. продольную деформацию при прохождении канала ствола; при меньшем значении получается плохая обтюрация пороховых газов.
Профиль нарезов. Форма нарезов может быть довольно разнообразной. Фигура, образующаяся при сечении нареза плоскостью, перпендикулярной оси канала ствола, носит название профиля нарезов. Обычно на практике встречаются профили: прямоугольный, трапецевидный, скругленный и сегментный. Прямоугольным называется такой профиль, когда грани нареза являются плоскими, параллельными друг другу; в частности, прямоугольный профиль принят в нашей системе вооружения (черт. 21); его преимущества — относительная простота изготовления инструмента для обработки нарезов при требуемой степени точности. Трапецевидный профиль (например, австрийская вин-
135
товка Манлихера) имеет наклонные грани (черт. 22); этот профиль соответствует лучшему заполнению нареза материалом оболочки пули, особенно при жесткой оболочке (железной), улучшая
Черт. 21. Разрез ствола винтовки образца 1891 г.
обтюрацию пороховых газов. Та же цель, а также облегчение чистки канала ствола, достигается при скругленном профиле нарезов (черт. 23).
Наконец, сегментный профиль нарезов (нарезка Метфорда)
Черт. 22. Трапецевидная нарезка.
образуется описыванием дуг окружностей радиусом, меньшим полукалибра, из центров, не совпадающих с центром сечения канала (черт. 24); такая система нарезки принята, например, в Японии. Ее достоинство — большая легкость чистки канала ствола; производство инструмента несколько сложнее.
Черт. 23. Скругленный профиль.
Черт. 24. Сегментные нарезы Арисака.
Крутизна и направление нарезов. Длина, на которой нарез делает полный оборот винтовой линии, называется длиной хода нарезов и выражается обычно в калибрах. Чем меньше эта длина, тем большей крутизной обладают нарезы. Крутизну нарезов, таким образом, можно определять или по длине хода, или же по углу подъема винтовой линии.
Необходимая для устойчивого полета пули крутизна нарезов зависит как от начальной скорости пули (так как скорость вращательного движения пули зависит при одной и той же 136
крутизне нарезов от скорости ее поступательного движения), так и от устройства (формы) пули.
При теоретическом определении необходимой крутизны нарезов чаще всего пользуются формулой Н. Забудского, которая была видоизменена в отношении подбора согласованных с опы-гом коэфициентов инж. Гобаром:
I» k ^‘7 ’
t\ = а
1А
(9)
‘А где -j-‘в
— отношение моментов инерции пули (полярного к эква-
ториальному);
R — полукалибр;
q — вес пули;
k — коэфициент в выражении веса пули q = kd3 (d — калибр в дециметрах);
р' — функция сопротивления воздуха;
z — расстояние между центром сопротивления воздуха и центром тяжести пули.
Расстояние до центра сопротивления от начала оживальной части пули можно принять по следующей таблице:
Высота оживала в калибрах................. 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Расстояние от начала оживала до центра сопротивле-
ния (в калибрах)...................... 0,69 0,98 1.26 1,54 1,81 2,09
р'— определяется по следующей таблице (по Забудскому), в зависимости от начальной скорости ц0:
р'
1100 0,0305
1050 0.0312
1000 0,0318
950 0,0327
900 0,0334
850 0,0343
800 0,0352
750 0.03Б9
700 0,0366
Коэфициент а для современных пуль следует принимать не более 7, чтобы получить результаты, согласованные с опытом.
Для артиллерийских снарядов Гобаром было получено значение а от 8 до 8,5, причем он считает надежным значением а — 8.
Из других формул для подсчета крутизны нарезов укажем формулу Хеблера, эмпирически полученную им специально для пуль стрелкового оружия:
£) =____— • (10)
137
Черт. 25. Форма дульного среза.
где D — длина хода нарезов в метрах;
г>0—начальная скорость пули в метрах в секунду;
s —поперечное сечение пули в квадратных миллиметрах; h —длина пули в миллиметрах.
Применяемая иногда в артиллерии переменная крутизна нарезки (увеличивающаяся от казенной части к дулу),—так называемая прогрессивная нарезка — в стрелковом оружии почти не встречается, так как изменение угла наклона нарезов ведет к добавочной деформации оболочки пули и невыгодно отражается на прочности оболочки.
Что касается направления нарезов, то в большинстве случаев (в том числе и в СССР) принимается правая нарезка (если смотреть со стороны патронника, то при этом направлении нарезов пуле придается вращение по ходу часовой стрелки); левая нарезка принята в Англии и у французской винтовки. Особых преимуществ правое или левое направление нарезов не имеет, но от него зависит направление деривации пули.
Дульный срез. Передняя оконечность ствола носит название дульного среза. Известно, что всякая неисправность (например, заусенец, задирина, помятость) оконечности канала ствола у дульного среза чувствительно сказывается на кучности боя оружия. Поэтому необходимы мероприятия, предохраняющие дульный срез от повреждений, что достигается приданием дульному срезу формы, например, по одному из типов, показанных на черт. 25.
Необходимо крайне тщательно соблюдать симметричность дульного среза по отношению к оси канала ствола.
§ 21. Условия работы ствола при выстреле
При выстреле давление пороховых газов выбивает пулю из ствола. Как известно, это давление сначала быстро возрастает, -достигая величины до 2500 — 4000 кг] см2 в стволах винтовок и пулеметов и величины до 2000 кг/см2 в стволах револьверов и пистолетов. По мере продвижения пули вперед из-за расширения газов давление падает. Характер изменения давления в функции от пути, пройденного пулей в канале, показан на черт. 31. Под действием этого давления стенки ствола подвергаются упругим деформациям. Толщина стенок ствола, следовательно, должна быть такой, чтобы обеспечить прочность ствола при выстреле. Вследствие указанного характера изменения давления внутри ствола, очевидно, что в задней части его стенки должны быть более толстыми, чем в дульной; отсюда — наружные очертания ствола часто представляют усеченный конус (или комбинацию цилиндрических и конических поверхностей).
138
Кроме того, винтовые нарезы при движении пули испытывают реакцию. Следствием действия этой реакции является деформация скручивания ствола.
Наконец, в зависимости от характера закрепления ствола в оружии отдельные участки ствола могут подвергаться растягивающей или сжимающей нагрузке силами, параллельными оси канала; эти силы — продольное усилие при врезании пули в нарезы, ее трение при движении по каналу и давление газов на скат патронника и на затвор, сцепленный со стволом.
Исходя из характера действия пороховых газов при выстреле, мы можем представить ствол, как трубу с достаточно толстыми стенками, подвергнутую изнутри давлению переменной величины. Это давление изменяется в больших пределах в весьма короткий промежуток времени, определяемый продолжительностью выстрела (порядка тысячных долей секунды). Таким образом деформации стенок ствола изменяются с большой скоростью, что является причиной динамического характера деформации: частицы материала, из которого сделан ствол, будут иметь колебательное движение.
Вследствие сложности полного решения задачи о величине деформаций динамического характера для практических расчетов прочности ствола пользуются обыкновенно решением задачи в первом приближении, предполагая ствол подвергнутым давлению изнутри, равным наибольшему давлению газов в каждом рассматриваемом его сечении в статических условиях. Принимая при таком способе расчета стволов запасы прочности, установленные практикой, получают вполне удовлетворительные результаты в смысле сопротивления стволов давлению пороховых газов при выстреле.
Вторым упрощением задачи является то, что не учитывается коническая форма ствола, а весь ствол, предполагается как бы состоящим из достаточно большого числа цилиндрических участков, имеющих соответствующие средние наружные диаметры. Таким образом задача сводится к определению деформаций цилиндрической трубы, подвергнутой изнутри некоторому постоянному давлению пороховых газов, исходя из условий равновесия частиц материала при действии внешних сил — давления газов и внутренних сил — напряжений в материале, возникающих при его упругой деформации. Кроме того, предполагается, что материал трубы является вполне однородным и изотропным, давление в каждой точке — нормально к поверхности и форма трубы остается при деформации цилиндрической, а любое ее поперечное сечение остается плоским.
§ 22. Деформации цилиндрической трубы при действии давления на ее внутреннюю и наружную поверхность
Рассмотрим общий случай, когда цилиндрическая труба подвергнута действию давлений как снаружи, так и изнутри и, кроме того, действию сил, направленных параллельно ее оси.
139
Эта задача при решении ее в указанных выше условиях носит название задачи Ламе.
Возьмем точку т внутри стенок трубы в каком-либо поперечном сечении трубы и проведем две взаимно перпендикуляр
ные меридиональные плоскости, из которых одна проходит
через точку т. Примем эти плоскости вместе с плоскостью поперечного сечения за координатные плоскости и дадим обозначения координатным осям: ОХ—*ось, проходящая через
точку т, OY — вторая ось, лежащая в поперечном сечении, OZ—геометрическая ось трубы (черт. 26).
Выделим около точки т бесконечно малый элемент, проведя две плоскости поперечного сечения на расстоянии dz друг от друга, две меридиональных плоскости под углом db и две (одноосных с трубой) цилиндрические поверхности радиусов г и r-\-dr (черт. 27). Нормальные напряжения, действующие на соответствующие грани выделенного элемента при деформированном состоянии трубы, обозначим:
1) ап и (ап-Ь d<3n) — в направлении радиальном; эти напряжения будем называть радиальными напряжениями; соответствующие поверхности, на которые следует распространить эти напряжения, для определения сил, действующих на элемент, будут равны rdhdz и (r + dr)d$dz;
2) ot—напряжения в направлении, касательном к окружности поперечного сечения слоя, в котором находится точка т; эти напряжения назовем тангенциальными; нетрудно видеть, что эти напряжения одинаковы на обеих боковых гранях элемента, ибо в противном случае, равновесие элемента невозможно; поверхности соответствующих граней будут равны dr • dz-,
3) <зг и (az4-rfaz) — напряжения, параллельные оси трубы (продольные); величины соответствующих граней будут равны г db dr.
140
Подсчитывая теперь величину внутренних сил, действующих: на элемент, и составляя условия их равновесия, найдем следующее. Суммы моментов всех внутренних сил относительно осей OX, OY, OZ будут равны нулю. Сумма проекций внутренних сил на ось ОХ (в радиальном направлении) будет:
SX = — °nrdti dz + (а„ + cfo„) (г + dr)db dz 4-
4- 1<3t dr dz cos ^y + -y-) .
Сумма проекций внутренних сил на OY (ось в поперечном: сечении, перпендикулярная к ОХ) равна нулю. Сумма проекций внутренних сил на OZ:
= (а. + da^rdbdr — sjdbdr.
Таким образом уравнения равновесия статики дают следующие условия:
— <зпг dft dz + (а„ 4- da„) (г 4- dr) db dz — 2az dr dz sin -у = 0 (11 > и
dsz • rdhdr — 0. (Ha}
В уравнении (11) раскроем скобки и заменим sin-у на 4^-,. d вследствие малости угла
— <зпг d$ dz 4- <зпг dd dz 4- anr d'idz + r dan db dz 4-
4- drdsndbdz — atdrdzdb = 0.
Пренебрегая членом dr • d?n • • dz, как бесконечно малым выс-
шего порядка, и сократив на dr • dft •dz обе части уравнения получим:
+ = (11б>
Из уравнения (На) следует с?аг = 0. Это показывает, что напряжения аг = const по всей длине трубы.
Составим выражения для соответствующих относительных, деформаций в точке т:
радиальная деформация
s« = 4-l°n —н(зг + <зг)];
тангенциальная деформация
1 А
= нЧ + ^)];
продольная деформация
14L
по известным формулам сопротивления материалов (|х — коэфициент Пуассона, Е—модуль упругости материала трубы).
Выявим эти деформации геометрически. Если при деформированном состоянии трубы радиус г превратится в величину г + 8г, то рассмотрим, как изменится величина dr — расстояние между цилиндрическими поверхностями, ограничивающими выделенный элемент (черт. 28). Изменение радиуса r-\-dr, очевидно, в общем случае будет отличаться от 8г на некоторую бесконечно малую величину; пусть радиус г + dr обратится в величину : г + dr + 8г ф- iZ8r; тогда расстояние между рассматриваемыми поверхностями будет:
dr + rfSr, а, следовательно, относительное удлинение будет:
Найдем геометрически величину st. Заметим, что угол t/б при переходе трубы в деформированное состояние не изменяется, ибо если бы он изменялся у данного
меридионального сечения, то таким же образом этот угол изменялся бы у любого другого меридионального сечения, что приводило бы к абсурдному заключению, что дуга полной окружности после деформации не была бы равна 2п. Таким образом деформацию г{ определить легко — новая величина дуги после деформации будет: (r-j-SrjtZO, абсолютное приращение: 8г • </9, а относительная деформация:
Ъг • м \Ъг /1ОЧ
**= ~Пт~ ~ ~ • (13)
Подобным же образом находим деформацию:
(Л)
Возьмем производную по г от е/.
dzt _( г ) 1 d Ъг Ъг
dr dr г dr г2 ’
— _L С~ Ъг — Ъг-Л •
~ г I dr г ) ’
= у(вп-вД (15)
142
или
(«.-•,)-r>. (15а)
С другой стороны:
_ 1 / dat dan X / d<s2 _ n\
dr ~ E \ dr P dr )> \ dr ~V) ’
а из уравнения (116):
d<st _ dan । \ dr /
~dr ~~ ar ‘ dr
откуда:
Г ±L-1. /1 ,,x , V dr '
dr ~ E [У dr dr
Из равенств (А), вычитая из первого второе, имеем: еп - st = + 1) 3« - 6х + !)ej =
Подставляя полученные выражения в уравнение (15а), получим:
1 / , 1Х / ч 1 /, U’» । d(,r~dr~)
-£-(?+l)(o„-^ = Trpi-lb)-^- +--------dF~~ -
Принимая во внимание уравнение (116), имеем:
[d{r d?n)' dir-
Сокращая полученное уравнение на г, приведем его к виду:
(16)
или
Интегрируем полученное уравнение:
2ап + г-^=2сх,
где постоянная интегрирования для удобства дальнейших преобразований обозначена 2СХ. Вторичное интегрирование полу
143
ченного диференциального уравнения легко произвести, умножив предварительно обе его части на rdr:
2anrdr + r2dan = 2C1rdr, d^3n) = C1d^), Г2°П = С1Г2 — C2>
ИЛИ
®я = сх—(17)
Таким образом мы получили величину напряжений ап, выраженную через радиус.
Находим:
^^Л ‘
dr г3 ’
Из уравнения (116):
+ (18)
Остается определить постоянные Cj и С2 из граничных условий на внутренней и наружной поверхностях трубы.
Положим, что радиус внутренней поверхности трубы гх, наружной поверхности г2, давление на внутреннюю поверхность P-l, на наружную Р2 (кг! см?).
Тогда для соблюдения условий равновесия на внутренней поверхности необходимо:
= — Л-
На наружной поверхности:
°л2 — Р%-
Подставляя соответственные значения Р и г в уравнение (17), получим:
_р _ г __ _2 > Г1
-р,_ -с,--S-.
г2
Вычитая из нижнего уравнения верхнее, 4имеем:
^2 ~ С2 ( ~ 2~ ~~ ТГ V 1 г2
ИЛИ
(Р»-Р8)гМ
(19)
144
Определяя затем Clt получим:
С1 =
(Л-Р2)г2 Г*-Г?
г2 —г2
'2 Г1
(20)
Сг =
Вычислив Ct и С2 по формулам (19) и (20), получаем возможность определить и <st по формулам (17) и (18) для любой точки трубы.
Выразим величины деформаций через Сг и С2, подставив значения ап и <st в уравнения (А):
е» = 4[(н-1)С1-(и + 1) 1 ПР и ।
st= ~р Г(и — 1) Ci + (и + о ег = — 2НА)- С2 1 4 J20*]; (В)
Величина <з2 всецело зависит от осевых усилий, приложенных к трубе; при отсутствии таковых <зг = 0 и формулы (В) соответственно упрощаются.
Частный случай. Труба подвержена давлению только изнутри. В этом случае Р2 = 0. Формулы (19) и (20) соответственно будут:
Р г2 г2
с; =-44; (19а)
Г2~Г\
Р
с; =44 (20а)
Г2~Г\ и
Исследуя выражения радиальных и тангенциальных напряжений и деформаций, видим, что как те, так и другие зависят от расстояния от оси трубы (переменного радиуса г).
Полученные для деформаций формулы можно выразить, приняв определенным значением коэфициент Пуассона.
„ 1
Так, полагая (А = у, имеем:
е -JL/2 с V
« Е к 3 G1 3 г2 3 г/ ’ - __L( 2 г 4- 4 ^-±4-
1 ( 2 r \
— Е vг 3 4
Лл. А. Благонравов—124—-10
145
Влияние дна на сопротивление трубы. Деформации трубы при отсутствии осевых сил. Положим, что имеем трубу, закрытую дном с одного конца и закрепленную в каком-то поперечном сечении. Тогда участок трубы от дна до места закрепленйя будет под влиянием внутреннего давления Рг и наружного подвергаться осевым усилиям.
Осевые напряжения:
_ Pi^ — P^rl
_ Рг^-Р^г _ г sz 2 _2 ^1-
'2 ~~Г1
Формулы деформаций в этом случае представятся:
е___L (X с__—
п ~~ Е \ 3 1 3 г2 J ’
— ЗЕ
В случае же отсутствия осевых усилий (зг — 0):
- -l(*r
"п ~ Е к 3 1 3 г2 ) ’
е — — (—С -4- — —^
4 — Е К 3 °* 3 гг J ’
Связь между радиальными и тангенциальными напряжениями и деформациями. Складывая уравнения (17) и (18), получим:
*„ + *, = 2СЬ
т. е. сумма радиального и тангенциального напряжений — величина постоянная для любой точки трубы.
Вычитая из уравнения (18) уравнение (17), имеем:
или
(oz — sn) г2 — 2С2 = const.
Эти формулы могут служить поверочными формулами при расчете напряжений в различных местах трубы.
146
Аналогично для деформаций получим:
вд — const,
(£/ — ел) г2 = 4- у с2 = const
при отсутствии осевых усилий, или
I 1 2Л
en + — £ 3
при наличии дна в трубе (формула для разности деформаций остается без изменений и при наличии дйД).
Распределение давлений в толще стенок трубы, выше мы видели, что внутреннее и наружное давление, исходя из условий равновесия трубы, соответственно можно приравнять:
Pi — ; Р%=
или:
Л=-Сх + 4; р2 = -с1 + Ь_.
Г1 г2
Если мысленно выделить в трубе цилиндрический слой, обладающий внутренним радиусом г и наружным (r-\-dr), то со стороны прилежащих к нему слоев рассматриваемый слой также будет испытывать давление — внутреннее Р и наружное P-^-dP.
По аналогии с предыдущим давление Р можно выразить:
р = А_С1. (21)
Распределение напряжений и деформаций в трубе. Исследуя формулы для напряжений и деформаций в трубе, заметим следующее. Все напряжения и деформации в различных точках трубы могут иметь различные значения; их величина является функцией расстояния рассматриваемой точки в стенках трубы от ее оси (функцией радиуса г) при данных условиях нагрузки трубы.
Изменение условий нагрузки трубы отражается на изменении постоянных интегрирования Сх и С2.
В общем случае Сг и С2 могут быть и положительными и отрицательными. Действительно: Сх>0, когда Р^ > Р2г2 или когда g>(^)2.
Примем для дальнейшего обозначения отношение наружного радиуса (или диаметра) трубы к внутреннему радиусу (или диаметру) равным а.
Записанное выше условие перепишется:
147
Также видно:
СХ = 0,
Сх<0,
С2>0 С2 = 0 С2<0
когда 1 р2 = «2,
когда Р1 р2 < я2,
при Pl >Р„
при Л = Ръ
при Л <Р2.
р
Если С2>0, т. е. -£-> 1, то возможны случаи: Сх>0; Сх = 0
*2
и Сх < 0, так как всегда а > 1;
р
если С2 = 0, т. е. -^-=1, то очевидно Сх<0,
р2
если С2<0, т. е. то обязательно и Сх<0.
Взяв формулы для выражения радиальных и тангенциальных напряжений:
°„ = СХ—(17)
°,=Сх+£, (18)
видим, что если Сх и С2 одновременно являются положительными, то at >0, уменьшаясь от внутренней поверхности к наружной; нетрудно видеть, что <зп < 0; действительно, при подстановке значений Сх и С2 по формулам (20) и (19) получится
_ РЛ (г “ гг) + РЛ <ri - г2>
откуда видно, что числитель состоит из двух отрицательных слагаемых, поскольку г2 > г и г > гх. Абсолютная же величина at больше абсолютной величины ап, поскольку сумма положительных количеств всегда больше абсолютной величины их разности. Наибольшего значения <st достигает на внутренней поверхности трубы (при г — гх).
Если С2 > 0, а Сх < 0, то <st может быть и положительным и отрицательным (т. е. в некоторых точках трубы может быть тангенциальное растяжение, в других—тангенциальное сжатие, или же во всей толще стенок трубы только тангенциальное растя жение, или же, наоборот, только тангенциальное сжатие).
<зп, как и в предыдущем случае, везде отрицательно (радиальное сжатие).
Абсолютная величина а„ при этом для любой точки в стенках трубы больше абсолютной величины at, достигая наибольшего значения на внутренней поверхности трубы.
Если С2 > 0, а Сх = 0 (случай = а2), то
С2 С,
148
т. е. для любой точки трубы напряжения тангенциальные и радиальные одинаковы по величине, но различны по знаку (тангенциальное растяжение и радиальное сжатие); их величина наибольшая на внутренней поверхности трубы.
Если С2<0, то, как уже было указано, С*г< 0; следовательно, <^<0; согласно выведенной формуле ап тоже отрицательно, но его абсолютная величина меньше |aj, так как разность двух отрицательных количеств по абсолютной величине всегда меньше их суммы.
Наибольшего значения величина напряжений сжатия достигает на внутренней поверхности трубы.
Наконец, если С2 = 0, то °„ = ^ = < 0, т. е. во всех точках
стенок трубы имеем одни и те же напряжения сжатия как в радиальном, так и в тангенциальном направлении.
Обобщая произведенное исследование, можем сказать, что: 1) величина тангенциальных напряжений больше, чем величина радиальных напряжений для любой точки трубы, если и С2 имеют одинаковые знаки, наоборот, величина радиальных напряжений больше, если Сг и С2 разнозначны', 2) наибольшего значения напряжения достигают на внутренней поверхности трубы за исключением случая Рг = Р2, когда напряжения одинаково распределены по всей толще стенок трубы.
Производя аналогичное исследование для деформаций тангенциальных и радиальных, т. е. взяв для исследования формулы:
^ = (1-^ + (1 + ^22
для случая отсутствия осевых напряжений (о2 = 0), ввиду одинаковости структуры этих формул с исследованными выше, получим те же выводы: 1) деформация в тангенциальном направлении в любой точке трубы по величине больше радиальной деформации, если Сг и С2 имеют одинаковые знаки и, наоборот, радиальная деформация больше по величине, если и С2 имеют разные знаки; 2) наибольшая по величине деформация отвечает внутренней поверхности трубы кроме случая — Р2, когда деформации сжатия одинаковы для любой точки трубы:
Если кроме внутреннего и наружного давлений к трубе приложена осевая растягивающая или сжимающая сила F, то = F к
= —2—Т > и в зависимости от величины г осевые напряжения Л С*2
и деформации могут достигнуть большей величины, нежели а, и ал и ez и соответственно.
♦ Заметим, что в этом случае Q = — Р.
149
Рассмотрим несколько подробнее частный случай, когда Р2 = О, т. е. труба подвергнута действию только внутреннего давления, и осевая сила F отсутствует.
В этом случае, как уже было указано:
откуда
Последние две формулы при значении y примут вид:
1 Pifj 14 rl 2 \ е« — г2 \ 3 г2 3 ; ' 2 ' 1 \ '
. -JL (± J 4..2Д /931
г< ~ £ ,2 г2 I 3 г* + 3 / ' '2 Г1 \ '
Распределение напряжений и деформаций по толще стенок трубы можно проследить, придавая различные значения радиусу в пределах от гг до г2.
Так, для получим:
а) на внутренней поверхности (г = г\)
<4 = — Р1,
б) на наружной поверхности (г = г2)
°ла = 0.
для at получим:
а) на внутренней поверхности
2 2
= (20
'2 '1
б) на наружной поверхности
2г2 9
(25)
'2 Г1
150
для е„ имеем:
а) на внутренней поверхности
_ 1 2 р2г2—г1_ 1 2 р 2йг-1
г"‘ ~ Е ’ 3 1 г2 _ Е ’ 3 — 1 ’
'2 ' 1
(26)
б) на наружной поверхности .2
.2 2
I , - р
Е З^1
ДЛЯ
е, имеем:
а) на внутренней поверхности
в 1 Ap2J + r* _
Е 3 г2
б) на наружной поверхности
. -±р 2г* - 1 р 2
'» Е 1 2 _ 2 — Е fl2 _ I •
'2 Г1
- _ _£ 2 р 2а2 + 1 .
2 ~ Е 3 1 а2 — 1 ’
(28)
(29)
Вычислив значения напряжений и деформаций и для промежуточных значений радиуса г, можно построить эпюры распределения напряжений и деформаций в толще стенок трубы (черт. 29 и 30).
Полученные для рассматриваемого случая результаты соответствуют приведенным выше общим выводам: так как для дан
151
ного случая Сх > 0 и С2 > О, то оказалось, что тангенциальные напряжения и деформации для любых точек стенок трубы больше радиальных по абсолютной величине, а наибольшие тангенциальные напряжения и деформации отвечают внутренней поверхности трубы.
§ 23. Расчет прочности цилиндрической трубы под действием внутреннего давления
Расчет прочности трубы, подвергнутой действию только внутреннего давления, можно вести, исходя из одной из существующих теорий прочности. Например, по первой теории прочности (теории Рэнкина) принимается, что причиной разрушения материала являются нормальные напряжения в материале. Следовательно, пользуясь этой теорией, нужно при расчете добиваться, чтобы наибольшие напряжения в материале не достигли определенного предела (допускаемых напряжений). Если выбрать допускаемые напряжения в соответствии с пределом упругости а
материала <зе, выразив Rz = -^-, где Rz — допускаемые напряже-Ния на растяжение, п — коэфициент безопасности, устанавливаемый по отношению к пределу упругости, то необходимо:
т. е. наибольшие напряжения (а таковыми являются для рассматриваемого случая тангенциальные напряжения на внутренней поверхности з/,) должны быть меньше допускаемых. Отсюда
(30)
По этой формуле вычисляется или необходимая толщина стенок трубы для заданного внутреннего давления, или величина допустимого давления при заданных размерах трубы.
Известно, однако, что первая теория прочности является несовершенной и приведенная формула поэтому — устарелой и в настоящее время для расчета труб не применяется.
Чаще всего расчет трубы производят, исходя из второй теории прочности (Сен-Венана), по которой причиной разрушения материала считается деформация растяжения (сжатия) в каком-либо направлении. Следовательно, для расчета трубы по этой теории необходимо установить место и величину наибольшей деформации и соблюсти требование, чтобы эта деформация не превосходила некоторого предела, обеспечивающего отсутствие остаточных деформаций. Как известно, этот предел устанавливается принятием допускаемых напряжений, величину которых не должно превосходить так называемое приведенное напряжение, вычисляемое по формуле:
з = Ее.
152
Для рассматриваемого случая, как уже выяснено, наибольшей деформацией является тангенциальная деформация на внутренней поверхности трубы:
1 2 п 2а* + 1
(28>
Следовательно, для соблюдения указанного условия прочности!
необходимо: < R2,
или 4 < R. (31>
Последняя формула и служит обыкновенно расчетной формулой для определения либо толщины стенок а при заданном давлении Pi или допустимого давления при заданных размерах трубы.
В артиллерийской практике обычно применяют эту формулу следующим образом.
Так как
•то
2а2 + 1 я2—1
<5
поэтому, если заданное давление умножить на величину коэфициента безопасности (или запас прочности) установленного по* пределу упругости материала трубы, и эту величину считать расчетным давлением: __
Р1 = nPlt
то формула перепишется:
2 2я2+1 _
я2 —1 ~‘3е>
или
<32>
Если определить отсюда толщину стенок через отношение диаметров (радиусов) трубы, то формулу можно переписать так г
а =
Зае + 2Р±
Зае-4РХ‘
(33>
Расчет трубы по третьей теории прочности. По» третьей теории прочности, как известно, расчет производится на основании определения небольших касательных напряжений.
В случае отсутствия осевой силы наибольшее касательное напряжение можно выразить, как:
'Чпах —
(34>
153t
2 *
Чтобы не был превзойден предел упругости при сдвиге тг, нужно:
е 2 ’
Принимая тв = 0,5зе, получим:
°е > 3/ — Зп (35)
Подставляя в уравнение (35) значения и <зп из (17) и (18), получаем:
(36)
Последнее уравнение показывает, что расчет слёдует вести .для внутренней поверхности трубы, так как в этом случае вели-2С
«чина-2-—наибольшая. Следовательно, получим расчетную формулу при г = гх:
зе > (36а)
Применяя эту формулу для случая одного внутреннего давления
имеем
или
пли
(37)
(37а)
р й2~1
2а2 •
(376)
Беря запас прочности п, получим расчетную формулу:
= (37в)
Для получения одинаковых размеров трубы расчетом по второй и третьей теории прочности в последнем случае запас проч-яости приходится брать меньшим.
Расчет трубы по другим теориям прочности. Теория прочности Бельтрами—Хэйга исходит из определения величины потенциальной энергии, накопленной в единице объема деформированного тела, считая, что таковая должна быть одинаковой как в случае простого, так и сложного напряженного состояния при условии доведения материала до состояния текучести. Отсюда получается: потенциальная энергия для единицы объема при 154
простом растяжении
U = —
2Е
должна быть равна потенциальной энергии при объемной Деформации
4" + Зл)
или применительно к случаю деформации трубы при доведении материала до предела упругости:
1
2~ “Ь 4“ ®zzz) = ~2Е'
Подставляя значения и et и принимая случай отсутствия осевой силы (<з2 = 0), получим
2Е *" Е anat — 2Е
ИЛИ
Выражая по формулам (17) и (18) значения а„ и sz: (Cl- tF)2+ (ct + £) - 2И (с. - £ ) (Сх + Ь-) = ИЛИ
+ = (38>
Наибольшего значения деформированное состояние трубы, как видно, достигает при наименьшем г, т. е. на внутренней поверхности трубы, поэтому, подставляя г = гг и заменяя и С2 их значениями:
С.
РА i-rf
Р г2 №
Г1 _ 1 2
С2— —2----j
Г2 - Г1
(для случая нагрузки трубы внутренним давлением), будем иметь: о2
РЦ < (1 - н) + Г24 (1 + ^)] = -f (rl - ;
1
принимая р. = -у:
P2(2rt + 4r^) = 432(r2-rp2;
р = V1 0 о /-----------л.-
1/ оЛ । •
(39)
155
Если же материал не доводится до предела упругости, то вместо <зе следует подставить допускаемые в этом случае напряжения:
тогда имеем расчетную формулу: — 2 2
3
2г* + гх4
- а2 — 1
2 °е У2а‘+ Г
(39а)
По теории прочности Губера—Мизеса принимается в расчет величина потенциальной энергии формоизменения, одинаковая для единицы объема со случаем простого напряженного состояния. Это условие по теории прочности Губера—Мизеса приводит к следующей зависимости:
«», - +(=, - ]=-^ • 2«:,
К-5-)2 + (ах-’г)2+^-аг)2 = 2а:. (40)
Для случая трубы при отсутствии осевой силы:
(’„-°/)2 + ’2+’? = 2о^ (41)
или
ап + °? - = °2. (41а)
Беря случай нагрузки трубы внутренним давлением и подставляя соответственные значения а„„ С2, получим:
С2
Ч + 3-Д=а<, (42)
ИЛИ
Pl
Наибольшего значения напряженное внутренней поверхности трубы, т. е. при ? —г2 р _3
Если, не доводя материал до предела
скаемые напряжения Rz то получим расчетную формулу:
2 2
Р1П = ае-^-Ц^. (45)
= о2
состояние
г = гх; отсюда:
(43)
достигает на
(44)
упругости, взять допу-
2 '1
или
р = —д2~ 1
1 п V Зл« + 1 •
(45а)
156
§ 24. Применение теории расчета цилиндрической трубы к расчету орудийных стволов
Пользуясь выведенными формулами (§ 23), рассчитывают орудийный ствол на прочность при выстреле; обычно применяют при этом формулы (32) и (37в), т. е. вторую или третью теорию прочности. Наружное давление принимают равным нулю, а данные для расчета толщин стенок в каком-либо сечении ствола берут по кривой давления пороховых газов в канале, рассчитываемой методами внутренней балистики (черт. 31).
Черт. 31. Изменение давления газов в стволе винтовки, образца 1891/1930 гг.
Для расчета толщин стенок в сечениях- казенной части ствола позади места наибольшего давления пороховых газов принимают давление равным максимальному давлению; иногда же учитывают возрастание давлений в заснарядном пространстве от дна пули к дну канала, пользуясь формулами, даваемыми внутренней балистикой: например, в сечении у казенного среза принимают давление равным Рт = (1 + 6 Ршах, где 9= = -2~ч-Ц-; в промежуточных же сечениях берут значения давлений между РДн и Ршах, считая изменения распределения давлений пропорциональными длине ствола.
При расчете по второй теории прочности принимают величину Запаса прочности в сечении, отвечающем Ртах-
п = 1,3 -ь 1,5.
157
Такая величина запаса прочности обусловлена как неточностями теории сопротивления трубы, если учесть принятые допущения, так и возможными отклонениями действительных величин давлений в канале ствола от расчетных (причем. эти отклонения достигают иногда величины 15—20%).
В сечениях ствола в области патронника запас прочности берется ниже; необходимость снижения запаса прочности вытекает здесь из того, что при одинаковой величине запаса прочности с сечением у Ртах из-за бутылочности патронника наружные размеры ствола резко увеличивались бы в области патронника, приводя к неудобной форме ствола; возможность же снижения запаса прочности здесь обусловлена участием гильзы в сопротивлении действию пороховых газов; снижение запаса прочности у казенного среза допускается до 1,1 (хотя встречаются даже случаи, когда п— 1).
У дульного среза запас прочности берется не менее п = 2, так как условия работы трубы у конца иные, чем в сечениях средних.
Однако в дульном срезе при этом расчете получаются весьма тонкие стенки, не обеспечивающие прочности в других служебных условиях; поэтому у дульного среза для толщины стенок исходят из других соображений, делая ее не менее 2,5 мм, а при наличии крепления штыка к стволу—не менее 3,5 мм, что приводит к запасу прочности п — Зч-5, а иногда и более (утолщение пулеметных стволов ради уменьшения нагрева). Промежуточные сечения между местом наибольшего давления и дульным срезом определяют, исходя из возможности получения удобной для обработки формы ствола с дальнейшей поверкой запаса прочности, чтобы таковой был не меньше указанного для сечения У Рmax-
Обыкновенно расчет производят, не принимая во внимание осевых сил, растягивающих ствол, что приводит к неявному увеличению запаса прочности.
Во избежание снижения запаса прочности при неточном определении места наибольшего давления последнее следует считать несколько ближе к “дульному срезу (калибра на два, на три), чем это получается при балистическом расчете.
Если построить кривую, откладывая по оси абсцисс длину ствола, а по оси ординат значения давлений, которые предельно можно допустить в каждом сечении сконструированного ствола (т. е. считая запас прочности п = 1), то такая кривая будет называться кривой действительного сопротивления ствола (прочного сопротивления); если совместно с этой кривой построить кривую давлений в канале ствола, то отношение ординат первой кривой к ординатам кривой давлений в любом сечении ствола выразит запас прочности.
При расчете по третьей теории прочности, как уже указывалось, запас прочности для сечения у Ртах следует принимать меньшим (1,20—1,25).
158
Наружная форма ствола получается обычно сочетанием цилиндрических и конических участков.
Материалом для оружейных стволов является либо углеродистая, либо специальные стали. Ствольная углеродистая сталь,, применяемая для винтовочных и пулеметных стволов, термически обработанная, дает значение предела упругости 55— 56 кг {мм2-, специальные сорта сталей позволяют принимать в расчетах значение предела упругости до 80 кг)мм2.
§ 25. Графический расчет трубы
Выше мы видели, что распределение давлений в толще стенок трубы (в функции от радиуса) можно выразить:
(21)
Распределение тангенциальных напряжений выражается: а^-^-4-Q. (18)
Распределение тангенциальных деформаций определяется формулой:
(В> распределение радиальных деформаций:
= (В>
распределение наибольших касательных напряжений:
а. — а с
г = (34a)
Введем в эти выражения вместо переменного радиуса г- новук>
переменную х=4, Г2 ’
где А—некоторое постоянное число.
Получим: (D)
(E)
р _| 4 Qi у. з 4+ з ft Л, (F)
tn w а II w| ГО HP (G>
c2 т = X. fl (I>
159
Выражения для тангенциальной и радиальной деформаций преобразуем, разделив обе части равенства (F) и (О) на 4/з и,
учитывая, что ел является величиной отрицательной (деформация сжатия), возьмем .абсолютное значение |е„|; имеем:
— Ее — х I
4 CSZ— h Л2
Таким образом все приведенные величины являются линейными функциями х. Это крайне просто позволяет выразить графически прямыми линиями величины Plf
и тв зависимости ОТ X.
На графике эти линии, имея общий угловой коэфициент будут параллельными. При этом линия, выражающая давления в стенках трубы, имеет начальную ординату, равную —С4; линия, выражающая тангенциальные напряжения, имеет начальную ординату, равную Сх; соответственно начальные ординаты линий, выражающих 3/4 E<s.t и |3/4£е„|, будут иметь начальными ордината-
Ci / Ci \
ми и I—~; ли-
Черт. зз. ния т проходит через
начало координат. Эти линии в дальнейшем будем называть соответственно: линия давлений, линия тангенциальных напряжений, линия тангенциальных деформаций, линия радиальных деформаций и линия
Й60
случай Р2 = 0, отвечающий обычным
касательных напряжений. Черт. 32 изображает построение указанных линий для случая, когда Р2 = 0, черт. 33 изображает то же построение для случая Р2ф0, черт. 34 изображает также последний случай (Р2Ф0), но когда Сх<0.
Ох± соответствует радиусу внутренней поверхности трубы, Ох2— радиусу наружной поверхности трубы; таким образом х2хг изображает на графике зону распределения давлений, напряжений и деформаций в толще стенок трубы.
Г рафики наглядно показывают распределение давлений, напряжений и деформаций в различных случаях, легко строятся и позволяют решить все задачи, относящиеся к расчету трубы.
Графический расчет трубы по второй теории прочности. Возьмем
условиям расчета оружейного ствола.
Положим, что нам даны размеры трубы г2 и гх и величина внутреннего давления Рг при отсутствии наружного давления.
Определим х2 = —2 и хх=задавшись каким-либо значе-Г2 Г1
нием Л; нетрудно видеть, что величина А определяет горизонтальный масштаб графика.
Отложим х2 и хх по оси абсцисс (черт. 35) \
Построим линию давлений в трубе, учитывая, что Р при хх равно Р1( при х = х2 равно нулю. Полученная прямая отсекает ординату ОА = С. Если вверх от точки О отложить ординату ОА
ОВ, равную -2~, и через точку В провести прямую, параллельную АР, то ее точка, отвечающая абсциссе хх, определит значение 3/iEetl для r — rlt т. е. для внутренней поверхности трубы. Таким образом легко найти величину наибольшей деформации и приведенного напряжения на внутренней поверхности трубы.
1 Масштаб графика удобно подбирать, задаваясь величиной л, в зависимости от требуемого горизонтального размера графика, каково бы ни было значение задавшись xlt получим:
___Л___ ri _
Хг ~ г2 ~ Х1 _2 й2 •
'2 '2
А. А. Благонравов—124—11
161
Заметим, что прямая, параллельная построенным прямым и проведенная через начало координат, делит расстояние между ними в отношении 1 :2.
Этот способ позволяет легко рассчитать с вполне достаточной степенью точности трубу по заданному давлению.
и предел упругости металла ае; требуется найти наружный радиус трубы так, чтобы напряжения, соответствующие наибольшей деформации, не превосходили предела упругости.
Выбираем масштаб графика, задаваясь величиной хг, в пределах имеющегося на графике места и откладываем по оси абсцисс эту величину (черт. 36). По оси ординат в выбранном масштабе откладываем величину давления Рх и 3/4 <зе = 3/4 Ee.t. Отмечая соответствующие точки на ординате, отвечающей абсциссе %i, делим расстояние между ними на три части. Отложив две трети этого расстояния по оси ординат вниз от начала координат, полученную точку а соединяем с Р± прямой линией. Точка пересечения последней с осью абсцисс b определит вели
чину х2, как это следует из изложенного выше. Так как
Л
= — = а2, то находим г2 = ai\. ri
х2
Поставим задачу несколько иначе. Даны: гг; г2 и ое, найти Рь которое труба безопасно может выдержать.
Попрежнему выбираем соответствующее размерам графика хъ
JC Р
откладываем величину xt и х2 = по оси абсцисс. На орди ri
нате, соответствующей хХ) отмечаем точку С, определяющую3/^,
162
в выбранном масштабе по оси ординат. Чтобы получить искомое давление Plt очевидно, надо провести через С и х2 две параллельные прямые так, чтобы расстояние между ними в точке О делилось на части, пропорционально 1:2. Для этого продолжаем
ось абсцисс влево и откладываем Ok = 1/20х2; соединяем точки
k и С и проводим через х2 линию параллельно kC; пересечение последней с х2С дает величину давления Рг (черт. 37).
Рассматривая случай трубы, наружному давлению (f\ и Р2), получим разницу по сравнению с предыдущим случаем при построении графика лишь в том, что абсциссе х2 отвечает ордината, равная Р2 на линии давлений (черт. 38).
В этом случае возможно, что начальная ордината для линии давлений будет иметь положительную величину Ci < 0; тогда для линии 3/4 Eet начальна ная ордината, равная отрицательна (черт. 39). Заме-
подвергнутой и внутреннему и
тим, что для этого случая наибольшей деформацией будет дефор-
мация радиальная.
Линия радиальных деформаций в трубе параллельна линии Q
давлений и имеет начальную ординату, равную отложенную
в том же направлении от начала координат, что и начальная ордината линии давлений. Отсюда ясно ее построение и метод решения задачи для этого случая.
163
Графический расчет трубы по третьей теории прочности. Касательные напряжения т определяются линией, проходящей через начало координат и параллельной линии давлений. По третьей теории прочности необходимо, чтобы наибольшие касательные напряжения были не больше
Отсюда метод расчета ясен. Например, дано: rlt Pt и <зе. Определим г2, принимая третью теорию прочности. Построим хъ как и выше (черт. 40). Отложив на ординате, отвечающей х1г значения -^-иР^ через первую точку проводим
линию к началу координат, а через Рг — ей параллельную, которая в пересечении с осью абсцисс и определит хй.
§ 26 Скрепленные стволы артиллерийских орудий. Понятие о скреплении. Распределение давлений в стенках скрепленной трубы
При расчете толщины стенок ствола при заданном внутреннем давлении, например, по второй теории прочности, мы пользовались формулой:
а = 3gg + 2£1. (33)
Если Рг > 3Л <з, то знаменатель подкоренного количества отри-тТ 3
цате лен и а получает мнимое выражение; при Рг=-^-ае имеем решение, что а = со.
Физически это решение имеет тот смысл, что если внутреннее давление в трубе достигает значения, равного 3/4 предела упругости, то никакая толщина стенок трубы не обеспечивает ее от появления остаточных деформаций на внутренней поверхности трубы. Поэтому при больших значениях Р± придется или применить сорт металла, обладающий соответственно высоким пределом упругости, или же искать искусственные способы повышения прочности трубы.
з
Заметим, что при значениях Р\<.-^-^е, но достаточно близких к этой величине, можно получить чрезвычайно большое значение г2, что на практике неприменимо, ибо приводит к большим весам ствола.
Возьмем случай, когда толщина стенок трубы равна 2гх, т. е. г2 = 3ft или а = 3.
164
В этом случае:
р _2_„ 2-9+1
С — 3 9 — 1
или
ЕеЛ 2-19 19
~Р~ 3 • 8 = ТГ
12
Давление может быть доведено до jg- <зе. Практически невыгодно иметь большую толщину стенок, чем в данном случае, так как дальнейшее повышение ее незначительно увеличивает прочность трубы.
Средством увеличения прочности трубы без утяжеления является так называемое скрепление.
Сущность скрепления трубы заключается в том, что на трубу нагоняется с натягом наружная труба (обычно в нагретом состояния—для облегчения сборки; после охлаждения наружная труба, сокращаясь, создает натяжение). Тогда внутренняя труба окажется под действием некоторого давления, приложенного к ее наружной поверхности. Это давление создает деформацию тангенциального сжатия внутренней трубы. При действии внутреннего давления в трубе сначала ликвидируется это сжатие, а затем уже начинается растяжение. Очевидно, что до предела упругости металл внутренней трубы дойдет при действии гораздо более высокого давления Plt чем это было бы без наружной трубы, а из дальнейшего увидим, что и гораздо большего, чем давление, доводящее до предела упругости трубу, нескреп-ленную, имеющую наружный радиус, равный радиусу наружной скрепляющей трубы.
Можно производить многослойное скрепление, нагоняя еще третью, четвертую трубу, что на практике имеет место для орудий крупных калибров.
Здесь мы будем рассматривать лишь случай двухслойной скрепленной трубы, так как этот случай является предельным для стволов малых калибров (например, стволы ручного оружия вообще не скрепляются, ибо для труб небольших размеров гораздо легче на практике иметь металл с достаточно высоким пределом упругости).
Давление в трубе при скреплении. Возьмем скрепленную трубу, состоящую из двух труб: наружной и внутренней. Вследствие возникающего при скреплении натяжения и наружная и внутренняя трубы будут деформированы. При этом внутреннюю трубу следует рассматривать как простую трубу, подвергнутую давлению с наружной поверхности, а наружную трубу, как подвергнутую давлению изнутри. Это общее для обеих труб давление называется давлением, произведенным скреплением. Будем обозначать его Р^ (значок 2 показывает, что рассматривается давление на поверхность трубы, отвечающей радиусу г2). Размеры трубы внутренней охарактеризуем радиусами гх и г2, наружной — радиусами г2 и г3.
165
Очевидно, внутренняя труба будет иметь тангенциальную деформацию сжатия; как уже указывалось выше, наибольшее значение эта деформация будет иметь на внутренней поверхности трубы. Определим напряжения сжатия на внутренней поверхности
трубы: С2 — С}. + . 1
Но в данном случае: А С1~ р-р Г1 Г1
и Г - _ ^-*2 2 2
(так как давление изнутри Рг можно считать равным нулю). Отсюда
(J = — р -----------
tt Г2 „2 Л '
Л2 ““ Г1
Знак минус показывает, что это напряжение сжатия. Обозначим абсолютную величину этих напряжений через Tt:
2г2
Л = (46)
Л2 '1
Определим тангенциальную деформацию на внутренней поверхности :
с. 2^,4 ct
Eet. — — С, Н--—~;
3*3 г« ’
2 г2 4 г?
3 2 r|-r2 3^r|-r2’
Г2 ~~ Г1 ИЛИ
г1=|£е/,|.
Давления в скрепленном стволе при выстреле. Если имеем скрепленный ствол, то давление пороховых газов при выстреле — Р1} будучи приложено к внутренней поверхности внутренней трубы, вызовет соответствующую деформацию внутренней трубы и передастся наружной трубе. Существовавшее давление Р2 между внутренней и наружной трубами изменится и станет Р2; разность Р2 —Р' обозначим Р"2 и будем называть дополнительным давлением,
При этом как наружный радиус внутренней трубы, так и внутренний радиус наружной изменятся на одну и ту же ве-166
личину 8г2. Так как -р- = е‘ (значок ej поставлен, чтобы обозначить, что речь идет о тангенциальной деформации, отвечающей дополнительному давлению Рг), то, подсчитав величину е,а> как деформацию наружной поверхности внутренней трубы и как деформацию внутренней поверхности наружной трубы, мы должны получить один и тот же результат.
Выполняя эти операции, получаем:
=-тс1 + —%
'» 3 1 3 rl
но в первом случае Сх и С2 можно выразить как: — 2 2 ’
_ (Р^Р^г* г2—г2 ’ Г2 Г1
откуда:
, _ 2P,rf - 2Р' + 4Р1ГI - 4₽; г?
3(?2-г?)
(48)
Если же эту деформацию вычислять для внутренней поверхности наружной трубы, то
р* Л г __ г2 Г2
“ Т2^?2"
г3 г2
И
, 2 г? + 2гз
Ее' = — Р;-2—2-3 2 г|_г2
(49)
Приравнивая между собой оба полученных результата, имеем:
, 2 г^ + 2г2 _ 2 г2 + 2г2
1 ri-r? 3 Ъ 3 2
167
Отсюда :
2 р. Г3 /"2 + 2Гз Г1 - Z-2 - 2r2 + d + 2г3 Г2 - Г2 Г1 -
3 2 (r32-ri)(d-r?)
р._р r^rl-rj) 2 1 •
(50)
Посмотрим, как распространялось бы давление в сплошной (нескрепленной) трубе, если бы внутри ее было приложено давление Plt а ее размеры определялись бы г3 и г\.
Вычислим давление Р3, в этом случае отвечающее радиусу гг:
Р3— ап2 —
б’з р .
2 Gl> ' О
но в этом случае:
Р2 г2 2
С _ 1 Г3 Г1
2 2
откуда
Г22^1-ЛУ
т. е. Р3 выражается аналогично P’v Это дает право заключить, что дополнительные давления распространяются в толще металла скрепленной трубы так же, как и давления при выстреле в сплошной трубе.
§ 27. Упругое сопротивление скрепленной трубы. Расчет прочности скрепленной трубы
Вычислим тангенциальные напряжения на внутренней поверхности канала при выстреле (рассматривая внутреннюю трубу под действием давлёний, равных Р2 и Рх):
Cl = r2- >--- И С2 = --------Г2 " 2 ’
г 2 Г1 Г2 '1
= Р1
'г + Г1 р 2г| rl-r? •
168
Заменяя Р2 = Р'ч 4- Рч, имеем:
—2 । r2 2 х г2 > 2г2
„ _ D 2 + 1 Р 2 2 Р 2 °'1 — Р1 г2 г2 Pi г2 — г2 Р* г2 —г2
Г2 Г1 ГЧ Г1 ГЧ Г1
Пользуясь формулой (50) для Рг и формулой (46) для 7\, имеем после преобразований:
\!-Т, = Р. (51)
Л3 Г1
Так как
с- 1
— % з °п>
% + "3“ ^1»
то
или
/ г2 —г2 \
Л = 4<£ч+7’>) 5?т;^ • <52>
\ "з + П /
Исходя из второй теории прочности и определяя давление, доводящее до предела упругости металл внутренней трубы, следует подставить <зе вместо Estl:
(2 2 \
(52а) "8 "г '1 '
Сравнивая этот результат с аналогичной формулой для не-скрепленной трубы тех же размеров г3 и ги видим, что в случае скреплённого ствола давление может быть допущено гораздо ббльшим, как будто бы металл имеет предел упругости, увеличенный на 7\.
Выше мы видели, однако, что при наличии и внутреннего и наружного давлений, как это бывает для внутренней трубы скрепленного ствола, наибольшей деформацией может оказаться и радиальная деформация. В этом случае расчет трубы придется делать, заменяя величину ЕеП1 пределом упругости. Определим:
= %. з~ °fi,
= ~ ~ T °t-L,
169
Или, беря абсолютную величину деформации:
l£’snil = 'T°4 + Pb
= 3(|Ee„J — Pj).
Подставляя значение atl в уравнение (51), имеем: 4Г2__________________________________2г2
31^1+^ = ^-!-^;
Г3 Г1 _ Л „2 „2
I Pg 14- = — Р 3 1 •
I С5П! I Т 3 3 2 _ 2 ’
'3 '1
rl-rl
р __ °’
P1 2t
(53)
Если радиальная деформация на внутренней поверхности больше тангенциальной, то следует для определения Pv доводящего металл до предела упругости, заменить | ЕеП11 через <se.
Имеем:
^=4Ь+4)(^)- <53а>
Признак необходимости расчета скрепленной трубы по деформациям тангенциальной или радиальной. Для выяснения того, когда необходимо вести расчет внутреннего слоя скрепленной трубы по тангенциальной деформации и когда по радиальной, сравним формулы (7) и (8). Положим, что при некоторой определенной величине внутреннего давления тангенциальная деформация доводит металл до предела упругости:
(52а)
^здесь через а обозначается отношение
Положим, что отношение величины давления Pt к величине предела упругости металла равно т:
pt = т<зе,.
Тогда формула (7) принимает вид:
3 z I 'Г' \ m<3ei = ~2~ ’J" ™ 2а2 + 1 ’
Отсюда:
__ 2-(2а2т + т) — За2 + 3 я
11 — 3 (а* — 1) е*‘
170
Определим величину |ЕеЛ1| для этого же случая по формуле (8); учитывая только что полученное значение Ть имеем:
I п , 2 2а2 — 1 Ti
| Ee„t | — 3 maei ai _ j 3 —
_ 1 Г 2m (2a2 —1) 2(2a2 + 1)m — 3a2 + 3
“З’ч[ д2 —1 3(д2 — 1)
1 Sm + 3
з Ч з
Чтобы |Еея1| было равно ае1, необходимо:
8/и 4- 3 _-J
9 =
Отсюда
При этом значении m получается, что одновременно и радиальная и тангенциальная деформации доводят металл до предела упругости. Итак, при Рг = 3/4 <з , имеем случай, когда расчет прочности внутреннего слоя скрепленной трубы можно производить безразлично по формулам (7а) и (8а).
Если tn^h, т. е. Pi < 3/4 то < Ъ а следовательно, |Ре„,|<ае„ имеем случай, когда радиальная деформация не до-
водит металл до предела упругости, в то время как по тангенциальной деформации предел упругости уже достигнут; следовательно, в этом случае необходим расчет по тангенциальной деформации [формула (7а)].
Наоборот, если /и>3/4, т. е. Pi>8/4<Je„ то окажется, что | ЕгП11 > ав1, в то время как Е^ — ^е^ поэтому в данном случае радиальная деформация больше тангенциальной, и необходим расчет по формуле (8а).
Определяя значение а из формул (52а) и (53а), соответственно
получим:
т/3(% +ТО + 2РХ V з^ + л)-^
и
а
3^ + Т1 - 2Рх
Зав, + Т1 — 4РJ
(54)
(55)
Заметим, что на практике величина 1\ берется всегда меньше 3/4<з£1, во избежание слишком большого натяжения при скреплении.
Если выразить Тг^=, где К—некоторое число, большее единицы, то при различных значениях К и различной величине р
отношения —— будем получать разные значения а; при этом
171
р
при —> 3/4 будем пользоваться второй из приведенных выше
формул. Вычисления разных значений а при К — 2, К = 2,5, К = 3, К = 3,5 и К = 4 сведем в табл. 23.
Таблица 23
Прочные размеры двухслойной скрепленной трубы при различных величинах напряжений сжатия на внутренней поверхности Тг и различной величине отно-шения—— (размеры выражены через отношения радиусов наружного к внут-%
реннему а == —)
X л к 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 1 1 0,8 0,85
4 1,68 1,76 1,92 2,1 2,32 2,65 7,5 —
3,5 1,61 1,73 1,88 2,04 2,24 2,52 4,45 —
3 1,57 1,68 1,81 1,96 2,12 2,36 1 3,66 —
2,5 1,53 1,62 1,73 1,86 1,99 2,18 3,09 —
2 1,48 1,56 1,65 1,75 1,86 2,0 2,52 4,25
1,33 — 1,45 1,51 1,58 1,65 1,73 1,98 2,43
Табл. 23 можно пользоваться для приблизительного определения размеров скрепленной двухслойной трубы при данном пределе упругости металла и величине внутреннего давления. Например, дано: внутренний диаметр трубы d = 20 мм, давление Рг = 3000 кг!см2, запас прочности я =1,5, предел упругости р
= 6000 кг/см2. Находим—1- = 0,75; в соответствующем столбце
таблицы имеем: при = а = 2,65, при Л =-2*- а = 2,0, т. е., если Тг — 1500 кг/см2, то наружный диаметр следует взять равным 53 мм- если 7\ = 3000 кг]см2, то наружный диаметр равен 40 мм.
Как видим, задача допускает разные решения в зависимости от величины натяжения, при котором произведено скрепление. Ниже будет выведена связь величины 7\ с натяжением.
172
Некоторые варианты этих решений могут быть непригодны вследствие того, что наибольшие деформации наружного слоя скрепленной трубы могут превысить допускаемые величины; это может получаться при значительной величине 7\-, наоборот, при малых значениях Тх наружный слой может оказаться недогруженным и, следовательно, его металл недостаточно использованным.
Предел упругости наружного слоя скрепленной трубы и связь с ним давления внутри трубы. Понятие о пределе упругого сопротивления скрепленной трубы. Так как наружный слой является трубой, подвергнутой давлению изнутри, то при расчете по второй теории прочности следует иметь в виду выведенное ранее для обыкновенной трубы условие: тангенциальные приведенные напряжения не должны во всяком случае превышать предел упругости металла, т. е.:
Est, < <зе,.
При достижении в отсюда имеем:
металле наружного слоя предела упругости
о г2 - г2
р _ з гз гъ
2 2 ае‘2г? + г29
Если при этом внутри самой трубы приложено давление и деформация внутреннего слоя также доведена до достижения его металлом предела упругости, то: или Ее(1 — или | Es„, | — ае, в зависимости от того, какая из деформаций (тангенциальная или радиальная) является наибольшей. Но так как
F- ___2 с _1_ JL с- _ 2 г___________£_
с з ' з г» ’ Cni ~~ з G1 з ’
то, подставляя значения Сх и С2, получим:
о _ 2 ^.+г; 2,;
е' 3 ** г2 — г2 г2 — г2
'2 '1 г2 '1
в случае наибольшей тангенциальной деформации, или
3 2
в случае наибольшей радиальной деформации.
Подставляя значение Р2, полученное выше из условия прочности наружного слоя, имеем:
г2~г? , 3 Зг^(г2-^)
1 2 ^-2г2 + г2+2 * (2г2 + г2)(2г2 + г22) ( )
173
для случая наибольшей тангенциальной деформации внутреннего слоя, или
2 ^2г2_г?+ 2 (2ri+4)(2rf-r?) (57)
для случая наибольшей радиальной деформации. Для вычисления по этим формулам удобно ввести обозначения:
тогда соответственно получим:
3 Л?— * 3 За? (а?—1)
Р1 = + -у (2д2+1)(2й2 + 1) ’ (56а)
ИЛИ
3 а?—1 з 1)
<57а>
Итак, по этим формулам вычисляют давление внутри трубы, при котором одновременно получаются деформации на внутренней поверхности обоих слоев, соответствующие пределу упругости металла. Вновь подчеркнем, что этот случай возможен лишь при некотором определенном натяжении, с которым произведено скрепление.
Если скрепление произвести с натяжением, ббльшим этого значения, то, очевидно, предел упругости металла наружного слоя будет достигнут при меньшем значении Рх-, наоборот, при меньшем натяжении (вследствие уменьшения Тх) будет достигнут предел упругости металлом внутреннего слоя также при меньшем значении Pv Таким образом выведенные формулы дают представление о наибольшем возможном значении Plt которое можно допустить при заданных размерах слоев скрепленной трубы и при заданных значениях предела упругости их металла. Иными словами, выведенная зависимость между Р, se, и определяет наивыгоднейший вариант решения задачи при заданном соотношении размеров слоев. Величина Рх, определяемая выведенными формулами, называется пределом упругого сопротивления скрепленной трубы.
Пример расчета скрепленной трубы. Дана скрепленная труба гг = 10 мм, г2 = 20 мм, г3 = ЗО мм, <зе^ = 4800 кг)см2, ае = 4400 кг {см2.
Найти наибольшее давление, возможное в трубе, и соответствующие напряжения сжатия на внутренней поверхности трубы при скреплении 7\.
Пока неизвестно, какая из деформаций для внутренней трубы является опасной: радиальная или тангенциальная.
174
Предположим последнее. По формуле (15) имеем:
/ 9 \
Pi = 4-4800 44 + 4 4400 —-Ц»—-X = 4400 кг!смг-
2 8+12 (8+1)0>_+1)
Однако при Pi>3/4 опасной деформацией должна быть радиальная.
Действительно, по формуле (15а):
Рг=4- 48оо -4+44400 444=3943 кг1см2-
Это будет предельной величиной допустимого давления. Иа формулы (53а) имеем:
2а2-> а .
Л = 2 • 3943 • — 4800 • 3 = 2360 кг)см2.
Исследуем еще величину давления Р2 [формула (32)]:
Р2 = 4 4400.4 ♦ 4 = 1500 кг1смК
По формуле (50) дополнительное давление при выстреле:
D* D a"~t R1R I г
Ря= pi-a* — i =616 кг/см2.
Давление, произведенное скреплением:
р; = р2 - р; = 1500 - 616 = 884 кг/см2.
Поверим величину 7\ по формуле (46):
Л = 884 • = 2357 кг/см2.
§ 28. Определение величины натяжения при скреплении труб
Выше мы видели, что для сопротивления скрепленной трубы имеет значение величина напряжений сжатия на внутренней поверхности канала Тъ которая является функцией давления скрепления Р2, а следовательно, зависит от натяжения труб, при котором скрепление производится.
Пусть до скрепления внутренняя труба имеет наружный радиус гп, а наружная имеет внутренний радиус г22; при этом
г22 < ^21-
После скрепления устанавливается общий радиус г2:
^22 < г2 < г21.
175
Абсолютным натяжением назовем величину 9 = 2г21 —2г22, относительным натяжением величину: S = — 21~ .
Изменение радиусов г22 и г21 при скреплении обозначим соответственно 8г22 и 8г21:
ГЧ — ГЧ& 4* ^Г22 = Г21 + ^Г21> (58)
но
8г2. , 6г21
—— = е, И — — s , Г 22 *22 Г21 *21
где е' — тангенциальные деформации на смежных поверхностях обеих труб.
Из равенства (58) имеем:
/"21-Г22 = 0Г22 — 'зГ21
И
9 = 2 (8г22 — 8г;
= 2г2(е'.
k t„ Гг tn г2 )
Но так как обычно разница между величиной радиусов труб до скрепления и после скрепления крайне мала, то без особой погрешности можно принять ^-= 1 и — = 1.
Г2 Г2
Отсюда:
<7 = 2r2(e;ti-e;j;
И
s=<59)
Определяем величину е' :
1 / 2 Г» I 4 С2 \ % Е 3 G1 + 3 г4 ) ’ \ 2 /
где
„ Р2 Го _ Р2 Г2 Г3
__ А & А А 6 72 И С2 = 9
г3 '1 г3 ГЪ
ИЛИ
' = 2 . Р8 'з + 2гз 3 Е ___________й *
гз Г2
Величина определяется таким же образом, но здесь:
__р' г2 ___Р г2 г2
Г — ** 2 Г — Г2 Г1
U1 Г2—Г4’ °2- г2—г4 ’
г2 Г1 г2 Г1
, __ 2 ₽2 r2+2rj
%— 3 ‘ Е S — r*'
г2 Г1
176
Подставляя найденные результаты в формулу (59), имеем:
2 Р'2 ( ^ + 2^ \
3 Е \ + г*-г* /’
2 Р'г Зг’ ( % - rj)
3” Е \
2^*2 а2 — 1
~е~ • (й|_1)(йро
(60)
(60а)
при этом предполагается, что модуль упругости металла обеих труб одинаков).
Формулу (60) можно выразить иначе. Так как
2г!
2 . (46)
А А уй * 4 '
'2 '1
ТО
Г2—Г2
(61)
Величина S в артиллерийской практике допускается < 0,002.
Пример. Для данных разобранного выше примера определить натяжение при скреплении трубы:
£ = 2 • 106 кг/<ш2;
2360
to = 2obU •----л— :
>-4
£5=3776 кг/см2;
5 = ^^ = 0,00189.
т. е. не выше допускаемого. Отсюда разность диаметров внутренней и наружной трубы должна составлять:
2r2S = 40 • 0,00189 = 0,076 мм.
На практике, очевидно, придется последнюю величину округлить в меньшую сторону, пересчитать вновь предельно возможное давление в трубе; а также произвести подсчеты при предельных допусках на обработку поверхностей скрепленных труб.
§ 29. О наивыгоднейшем соотношении размеров внутреннего и наружного слоя в двухслойной скрепленной трубе
Разберем это положение для случая, когда оба слоя изготовлены из сортов металла, обладающих одинаковыми механическими качествами, т. е. а = а .
А. А. Благонравов—124—12
177
Взяв формулу (56), положим в ней а,, — <зе^ — ае; имеем: р = з Г'I-'! . ^2(ri-ri) -1
1 2 O42ri + rf + \2rl+rl)(2rl+rl)
Не
ние г2 ДРг
изменяя величины г3 и гх, исследуем, как влияет изменена величину Рх. Найдем максимум Рх. Взяв производную
, получим:
2 dPr = ’«•('s'l-'s'l) 3^ ’ d(r|) -(24 + r^(2rU<'
Приравнивая последнюю нулю, имеем:
или
»*2 *»2 —
3 1 ' 2»
Гэгх = г1.
Исследование показывает, что при этом значении г2 имеем действительно максимум Рх. К такому же заключению придем, если будем искать максимум для Рг, исходя из формулы:
р =2_а Г г2~г1 | г2(^-г22) 1
1 2 e[2ri-r2+(2r82 + ^)(2ri-rf)J-
Отсюда получаем, что наивыгоднейшее соотношение между размерами слоев будет, если г2 является средним геометрическим между наружным г3 и внутренним г\ радиусами трубы:
§ 30. Расчет скрепленной двухслойной трубы по третьей теории прочности
При расчете по третьей теории прочности установлено условие прочности:
(36 ri
Применяя это условие для внутреннего слоя, имеем (Рх-Рг)г^
С2 =-----з---—, и, следовательно:
d-'-i2
^2(P1-Pi)rj 2r\
« О *1 9 9
2г? 2г?
г_____f______D"_______г
2 „2 ^2 „2 и2
178
ГI < rj — Г 2 )
Подставляя значение Р2 = Pi-^p—> получим: 0 > р 2г2 т _р 2г.(^-гР .
2 2
ИЛИ
Л< (=,. + Л)
(64)
(64а)
Следовательно, имеем для расчета прочности ту же формулу, что и для простой трубы, но при условии увеличения предела упругости на величину напряжений тангенциального сжатия внутренней поверхности слоя, полученных при скреплении.
Для предела упругого сопротивления из формулы (63), под-Гз — Л
ставляя значение Р2 = <3^----, получим:
2 г»
(65)
§ 31. Применение теории скрепленной трубы для расчета скрепленного ствола
При расчете ствола по заданной кривой давления пороховых газов в канале применяем данные последней так же, как и в случае обыкновенного (нескрепленного) ствола. Обыкновенно начинают расчет с сечения канала ствола в области наибольшего давления. При выборе запаса прочности руководствуются теми же соображениями, что и для простого ствола.
Приведем ход расчета размеров ствола в указанном сечении по второй теории прочности. Последний можно вести по двум вариантам.
Первый вариант расчета. Заданную величину давления пороховых газов умножаем на коэфициент запаса п
Pi = nPt.
Выбираем сорт металла и соответствующий ему_предел упру-р
гости (для внутреннего слоя) ае,. По отношению —, пользуясь табл. 23, подбираем 7\ в зависимости от желаемых наружных размеров трубы (данные таблицы придется при этом интерполировать).
Выбрав значение 7\, подсчетом по формуле (54): ------------------------------------_ 3(^1 + Т1)~4Р1
179
или
У З^ + Л-^!
(55)
уточняем значение г3 = агх; первая формула служит при Рг < 3/4ав1, вторая при Pj> 3/40г,. Определив наружные размеры трубы, выберем размеры слоев, т. е. зададимся г2; при выборе следует учитывать, например, бутылочность патронника, чтобы не получить
чрезмерно тонких стенок внутреннего слоя у казенного среза ствола [при очень большой бутылочности гильзы возможен случай, когда внутренний слой придется делать ступенчатым, придавая в области патронника увеличенное значение г2 (черт. 41)].
После этого надлежит
Черт. 41.
позаботиться о прочности наружного слоя, для чего определяем давление, которому подвергается наружный слой Р2. Давление слагается из
р р и Р’
Pi хг2(г3-ф
_т
Имея вычисленное значение Р2, можем определить необходимую величину предела упругости <зе>:
°е2
2 р
3 г? — г2 ’ '3 '1
Наконец, по 7\ определим величину натяжения слоев при скреплении:
Величину S в артиллерийской практике допускают < 0,002, исходя из условий скрепления с нагревом; при большом натяжении для производства скрепления пришлось бы применять слишком высокий нагрев наружного слоя, чтобы получить тепловое его расширение, перекрывающее величину натяжения (нагрев допускают до 400 — 450°).
Недостаток такого варианта расчета заключается в следующем: а) можно получить высокое значение <зг>; если
180
то вариант нельзя признать удовлетворительным, поскольку одним из преимуществ скрепленных стволов является возможность использования менее качественного металла для наружного слоя, как не подвергающегося износу и разгару, что представляется важным из экономических соображений; б) возможен обратный случай, когда расчетное <зСа окажется настолько низким, что в действительности придется принять металл существующих сортов с ббльшим значением но тогда будем иметь случай недогрузки наружного слоя, т. е. можно было бы в этом случае обойтись меньшим значением г3 и большей величиной Тг или иметь лучший вариант.
Пример расчета ствола по первому варианту. Дано: калибр ствола 37 мм, Ртах — 3200 кг/см2, запас прочности л =1,4, предел упругости ствольной стали, применяемой для внутреннего слоя, <зе, = 55 кг/мм.2.
Так как 3/4 <зе, = 41,25 кг/м_м2, а расчетное давление Рх = = 1,4-32,00=44,8 кг/мм2, то Pi>3lt ае,; имеем случай необходимости проектировать скрепленный ствол:
-^- = 0,815. ’в,
По табл. 23 находим, что при 7\ = 4,25 > a > 2,52; интерпо-
лируя, определяем, что a ^2,9. Это приблизительно удовлетворяет условиям получения нужных габаритов ствола.
Итак, задаемся Тг = -£ = 2750 кг/см2; учитывая глубину нарезов, равную 0,5 мм, имеем для расчета гх = 19 мм.
D 1 /З- 55 + 27,5 — 89,6" о ,
Вычисляем a = I/ о ск ’—= 2,78 (расчет согласно изло-г 3-55 4-27,5—179,2
женному выше в данном случае ведем по радиальной деформации). Отсюда г3 = 2,78 • 19 = 52,8 мм.
Принимаем г3 = 53 мм.
32
Выбираем г2 = 32 мм. Тогда а2 = 1,65; = -цу = 1,68;
Р’г = 4480 = 4480 = 1155 кг/см2;
Ръ = 2750 = 2750 = 890 кг/см2;
Р2 = 1150 + 890 = 2045 кг/см2;
2045 • J = 5080 кг/см2;
о__ 2750 532 192 _хч .J
2-106 * 532 — 322 0,U01°8,
Натяжение получилось допустимым.
181
Второй вариант расчета. Имея те же данные, что и при первом варианте расчета, выбираем сорт металла для внутреннего и наружного слоев. По формуле (56) или (57) в зависимости от величины по отношению к пределу упругости внутреннего слоя находим г3 так, чтобы внутреннее давление в трубе оказалось равным пределу упругого сопротивления скрепленной трубы1. Пользуясь формулой (52) или (53), опять-таки в зависимости от того, идет ли расчет по тангенциальной или радиальной деформации, — определяем величину Ту, отвечающую данному случаю, т. е. одновременному достижению предела упругости приведенными наибольшими напряжениями в металле и внутреннего и наружного слоев; в соответствии с найденным значением Ту определяем S по формуле (61). Можно также осуществить следующую поверку: найти
pt = p9-Pi. Ту = Рг-2-±--
а, — 1
и сравнить с ранее вычисленным значением Т
Пример расчета по второму варианту. Воспользуемся данными предыдущего расчета: Пу = 19 мм, г2 = 32 мм, Ру = 4480 кг)смй-, выберем металл, имеющий предел упругости для внутреннего слоя ае1 = 5500 кг/см2, для наружного слоя = 5000 кг/см^.
Так как Pi>3l^e„ расчет производится по радиальной деформации:
— з а? — 1 з а, (al — 1)
Имеем а = 1,68:
,.en 3 кспп ’.82 . 3 2-82 (а2 ~ ’)
4480 == -5- • 5500 • 4- • 5500 —г—-----.
2 4,64 2 (2а* +1)4,64
Решая это уравнение, получаем:
0,458а*= 1,271;
al = 2,78;
а2=1,67;
г3 = а2г2 = 53,5 мм.
1 г2 необходимо задаться.
182
Наружный радиус получился несколько больше, чем в предыдущем примере, что следовало ожидать, поскольку ае2 несколько меньше.
п з / . тл а2 —1
Л - -2- + ~з) 2а2“г;
а = 2,82; а2 = 7,95.
4480 = <(5500 +
Отсюда
7\ = 2730* кг!см2.
Натяжение
2730 53,5J—192.
д 2-10е ’53,52 — 322 ’
= 0,00186.
Делаем поверку. Находим
Р2 =4480Ш^Т;
= 1150 кг]см?-,
P, = 45000.g<-];
= 2030 кг1см2\
Ръ = 2030 - 1150 = 880 кг/см ;
Л = 880^,;
= 2720 кг) см\
Расхождение с ранее вычисленным значением 1\ лежит в пределах точности вычислений, произведенных на логарифмической линейке.
Расчет длины наружного слоя в скрепленной трубе. Длина наружного слоя определяется в зависимости от кривой давления пороховых газов в канале: так как давление в канале ствола резко падает по мере продвижения снаряда к дулу, то может оказаться, что прочное сопротивление одного внутреннего слоя, имеющего размеры гх и г2, будет достаточным в некотором сечении ствола. Очевидно, что нет надобности продолжать наружный слой далее этого сечения. Поэтому расчет длины наружного слоя ясен: 1) определяем давление:
Р = JL5
1 2 ' 2г| + ’
отвечающее прочному сопротивлению одного внутреннего слоя; 2) находим по кривой давлений то сечение ствола, в котором давление пороховых газов падает до найденной величины Рх; последнее сечение определяет конец наружного слоя.
183
§ 32. Поверка прочности какого-либо сечения сконструированного скрепленного ствола
Наружная поверхность скрепленного ствола, как и обыкновенного, представляет ряд цилиндрических и конических участков. Чаще всего цилиндрический участок по наружной поверхности наружного слоя оканчивается немножко далее того сечения, которое соответствует месту РШах по кривой давления пороховых газов. Теоретически возможно было бы, постепенно уменьшая толщину наружного слоя, довести последнюю до нуля к переднему его концу; однако на практике делают толщину наружного слоя у его переднего конца обычно не менее трети его наибольшей толщины, получая соответственно этому коническую его наружную поверхность. Поскольку в производстве легче всего иметь внутреннюю расточку наружного слоя и наружную обточку внутреннего слоя цилиндрическими, то величина г2 как для наружной, так и для внутренней трубы до скрепления будет постоянной по всей поверхности, по которой скрепление происходит, следовательно, и величина натяжения S будет постоянной для любого сечения ствола (величина S может измениться при изменении величины г2 в области патронника, как это было указано выше, а также обычно уменьшается у переднего конца наружного слоя, где можно сделать на небольшой длине легкую коническую расточку внутренней поверхности наружного слоя до уменьшения S до нуля).
Поэтому покажем, как проверить прочность какого-либо сечения ствола, размеры которого гх, г2 и г3 взяты с полученной, как указано, конструкции ствола, исходя из определенного натяжения S; предел упругости для обоих слоев также следует считать заданным, поскольку он выбран при предыдущем расчете.
Ход расчета следующий:
1) находим величину напряжений сжатия на внутренней поверхности ствола
г! — T^ES-*------
гз “ Г1
2) определяем прочность внутреннего слоя:
Полученное значение сравниваем с величиной давления пороховых газов, отвечающего данному сечению по кривой давлений, т. е. находим запас прочности в сечении. Однако, если вычисленное значение окажется больше 3/4 Рх, то последний расчет не отвечает прочности сечения, так как при этом значении Рг величина приведенного радиального напряжения дкажется больше предела упругости материала; поэтому в последнем случае следует пересчитать Рх по формуле:
г> ( t ЛА «2—1
~ 2 Vе* "Г 3 ) 2а2 — 1 ’
184
3) произведенный расчет не гарантирует прочности наружного-слоя, поскольку последний при вычисленной величине Рг и заданной величине 5 может оказаться перенапряженным; для поверки, прочности наружного слоя вычисляем последовательно:
Ра == Рг 4" Рз
И
+ 1
а2 —1 •
Если при этом окажется Ег/г < аег> то поверка прочности ствола в данном сечении закончена и определенное выше значение отвечает тому давлению, которое ствол в данном сечении может выдержать без нарушения условий прочности.
Если же Eet, > <зег, то, очевидно, можно допустить меньшее значение Р2, а следовательно, и меньшее значение Ръ т. е. благодаря условиям прочности наружного слоя, внутренний слой может работать лишь с недогрузкой.
В этом последнем случае расчет придется переделать так:
1) найти
„ _ з «;-1.
2 2 2а2 + 1 ’
2) определить, какое значение Pi отвечает найденному Р2 по формуле
а2.— 1 а® — 1
Полученное отсюда значение Рг и следует рассматривать^ как предельно допустимое давление в данном сечении ствола.
§ 33. Графический расчет скрепленной трубы по второй теории прочности
Положим, что даны радиусы труб гх, г2, г3 и ав1, ае
Определить возможное давление Ръ давления Р2, Р'2 и напряжения сжатия на внутренней поверхности 7\.
Как и ранее, вводим новую переменную х =
185-
Задаемся величиной хг — п0 масштабу графика и вычисляем: ri
г2 г2
х2 — ~-хг и х3 = Г2 >3
Откладываем величины хг, х2 и х3 на оси абсцисс. По оси -ординат будем откладывать значения давлений и напряжений как истинных, так и приведенных по деформациям (черт. 42).
На ординате, отвечающей х1( отложим Ахг = 3/4 ае,, на ординате, отвечающей х2, отложим Вх2=&/^ез. Рассматривая наружную трубу, построение давлений и напряжений для нее можем сделать, как для простой трубы с давлением на внутренней поверхности, равным Р2. Чтобы Р2 доводило металл этой трубы до предела упругости, нужно, чтобы Esft = set.
Черт. 42.
Задача сводится к построению двух параллельных прямых, из которых первая проходит через точку В, вторая через точку %3, и расстояние между которыми делится прямой, проходящей через начало координат и параллельной им в отношении 1 :2. Для построения этих прямых разделим расстояние между точками х3 и В на три равных части и из точки на */3 от В проведем прямую в начало координат. Прямые, параллельные последней прямой, являются искомыми прямыми. Нижняя прямая х3Р2—линия давлений в наружной трубе; л2Р2— отрезок, определяющий величину давления Р2. Переходя к внутренней трубе, построим аналогично для нее линию давлений PJ\. Заметим, что если Pi=3/4o«„ то £е/1=|£еЯ1| и, следовательно, в этом случае С4 = 0, линия давлений должна пройти через начало координат. Поэтому, проведя линию АО, посмотрим, пройдет ли она выше Р2 или ниже; в первом случае опасной является тангенциальная деформация, во втором — радиальная. Случай, изображенный на черт. 42, относится к первому.
В этом случае расчет должен производиться по тангенциальной деформации, и построение производится так: соединяем 186
точки А и Р2 прямой, делим последнюю на три равных части, соединяем верхнюю точку деления с началом координат и через Р2 проводим линию параллельно последней прямой Р2Р2, получаем х1/э1, равные давлению, доводящему металл внутренней трубы до предела упругости.
На черт. 43 изображен случай расчета по радиальной деформации. В этом случае:
Отсюда следует, что линия радиальных деформаций, будучи параллельна линии давлений Р — х — Clt имеет начальную ординату одного с ней знака, но в два раза меньшую. Для построения проводим Р2А и на продолжении ее откладываем АА'=Р2А. Соединяя А’ с О, проводим через Р2 линию Р2Р± параллельно А'О; Р, — искомое давление, доводящее трубу до предела упругости.
Пользуясь выведенным выше положением, что дополнительные при выстреле давления* в скрепленной трубе распространяются, как в простой, заключаем, что линия дополнительных давлений выразится прямой Рхх3. Эта . линия определит величину дополнительного давления, равную х2Р‘2.
Давление, произведенное скреплением:
Р2 = Р2 - Р2 = х2Р2 — Х2Р2 = Р2Р2,
т. е. выражается величиной отрезка Р2Р2.
Отложим х2Р’2 = Р2Р2 (черт. 44), проведем прямую хх Р'2 и продолжим линию х±Р2 до пересечения с осью ординат в точке К.
Линия Р2Хх — линия давлений, произведенных скреплением во внутренней трубе. Ее начальная ордината ОК = | Q |. Но так
187
как для этого случая:
С1==-Р'
2
2
— Г
2 ’ 1
а напряжения сжатия на внутренней поверхности:
Л =
то, следовательно, О/С=-у, представляя графически половину
величины напряжений сжатия на внутренней поверхности канала.
Эту же величину можно получить более простым построением. Продолжим линии полных давлений РгР2 и дополнительных давлений Ргх3 до пересечения с осью ординат, соответственно в точках N и R. Отрезок NR=OK =
Л
= , что следует
из геометрических зависимостей
Р^Р2 ХгХ2 ~NR~~ Оа
И
х2р? __ хгх2
~ОК~ ~ Oxj"’
а так как х2Р'2 — Р2Р2, то и OK = NR. Заметим, что точка М—-пересечения прямых РХР2 и хгР2 имеет абсциссу Ох3, что следует из пропорций:
NK Ox-j OK Oxr
x3M X]X3 x3M хгх3
Наконец, поставим задачу нахождения натяжения S. Так как:
2 2
ES = Л 'з~'1
2 2 г2_ 2’
Г3 Г2
188
ri h r\ h r\ h
о, делая подстановку г* = —, г* = — и rf = —, получим-
° *з х2 1
ES __ 7\ х2(хг— х3)
___ 2 2 х± (х2 х$)
Назовем х3М = у.
Из подобия треугольников 0Кхг и х3Мх, имеем:
У _ *з*1
ОК 0*1 или
у = ок^=^-=
*1
_ Т (Хд х3)
~~ 2 хх
Поэтому
ES х2
-т-у^
Соединив точку х2 с М и продолжая прямую х%М до пересечения с осью ординат в точке S, имеем:
откуда следует, что 0S = -2-.
Пример графического расчета скрепленного ствола. Положим, что требуется изготовить двухслойный скрепленный ствол калибра 20 мм при наибольшем давлении пороховых газов Рт — 3000 кг/см, запасе прочности по пределу упругости га = 1,4 и сортах металла — с пределом упругости ае,= = 6000 кг{см? для внутренней трубы и <зв2= 4800 кг/см? для наружной.
Возьмем напряжения сжатия на внутренней поверхности канала при скреплении: 7\ = = 1400 кг/см^.
Строим график, откладывая хг — 100 мм или
л1=-2=1^; Л = 10000 (мм?). х 1UU 4 '
Откладываем 3/4аг1 = 4500 кг/см2 (точка А) в выбранном масштабе по оси координат ( черт. 45) 1 мм 50 кг/см? и Р4=4200 кг{см? (точка В}. Расчет производится по тангенциальной деформации.
Проводим линию давлений во внутреннем слое (черт. 45), для чего разделим АВ в отношении 1 :2и через точку деления проведем линию в начало координат, а затем через В, параллельную ей. Эта линия пересекает ось ординат в точке С. Отложив т
отрезок CD — -у (в нашем масштабе равный 14 мм), проводим BD. Это будет линия дополнительных давлений. Ее пересечение
189
с осью абсцисс — точка Е — определит вода § 26.
Находим ОЕ= 18 мм.
на основании вы-
Гз
г2 = 23,5 мм.
В в
О
С
м н
В
Черт. 45.
г ( ЮООО .. . \
Берем г2=15 мм (л2 = - 225 = 44,4 мм) и поверяем напряжения в наружном слое. Полное давление при выстреле между слоями определяется точ-А. кой F и оказывается равным 1750 кг]см?.
Линия FE определяет полные давления в наружном слое, приведенные напряжения (тангенциальные) найдем, если отложим ОН = 1/2 OG и проведем НК параллельно FE. Величина х2К определит 3/4 Ее(г-, по чертежу имеем л2/<=71 мм или 3/4£е/,=3550 кг/сл2-E^t, = 4730 кг]см\ что удовлетворяет механическим качествам металла наружного слоя. Соединяя х2 с точкой L, получим величину отрезка ОМ — J/2 ES. ОМ = 20 мм = 1000 KijcM.2.
Отсюда:
JLJ22P — о 001
2 • 106 u,uul"
q =S • 2r2= 0,03 мм.
S =
натяжение
Абсолютное
Решим вопрос, как практически будет осуществлено скрепление, учитывая допуски на обработку поверхностей труб. Берем прессовую посадку по 2-му классу точности. По системе вала имеем:
Вал
Отверстие
верхи.откл. нижи. откл.
О —14
верхи, откл. нижи. откл.
—19 н .—421*
Итак, наибольший возможный натяг 42р.- наименьший равен 5р. 190
= 167 кг[см2.
М б
очевидно, допустимая дефор-
Черт. 46.
Черт. 47.
Проверим, как эти пределы отклонений отражаются на свойствах скрепленного ствола. При минимальном натяге 5р.
= 0,000167;
ES _ 0,000167.2 . 106 2 “ 2
Благодаря меньшему натяжению, мация внутреннего слоя будет достигнута при меньшем давлении Рг. Поверяем это, производя следующие построения. По оси ординат отложим ОМ= — (черт. 46), соединяем М с точкой л2.
Прямая Xj/Wj пересечет ординату, отвечающую абсциссе х3, в точке £х. Через точку £г должна пройти линия полных давлений во внутреннем слое; при этом 3/4 Est не должно превышать 4500 кг/см2; точка А отвечает этому значению приведенного напряжения. Соединив А с Ах и разделив ALr в отношении 1 :2 в точке Р, проводим ОР и параллельно последней LXB. Линия LtB определит искомую линию давлений. Точка В отвечает давлению внутри трубы, доводящему металл трубы до предела упругости. В данном случае имеем Р = = 3450 кг) см2 или запас 3450 прочности « = -зоад = = 1,15.
При наибольшем натяге 42|* возникает опасность перейти предел упругости для наружного слоя. Делаем соответственную
19»
поверку (черт. 47). Отложив О/И2 — 2 10 =1400, со-
единяем ТИ2 и х2, находим на последней прямой точку L2, через которую должна пройти линия давлений внутреннего слоя. В наружном слое определяем давление, доводящее его металл .до предела упругости, обычным способом.
Давление по поверхности скрепления дает точка F. Проведем прямую L2F2, получаем на ней точку В, определяющую допустимое давление во внутреннем слое. В данном случае получаем ,Р1^3770 кг1см2-, запас прочности
п —
3770
3000
= 1,26*.
§ 34. Понятие об автоскреплении стволов
Если деформация какого-либо материала превосходит величину деформации, отвечающую пределу упругости материала, то появляются остаточные (пластические) деформации. Однако требуется достаточно большая
величина остаточной деформации, прежде чем наступает момент разрушения материала (деформация, отвечающая временному сопротивлению).
Известно, что, если дать стальному бруску нагрузку, создающую напряжения, превышающие предел упругости, но не доводящую брусок до разрушения, снять эту нагрузку, а затей вновь нагружать его, то материал бруска при вторич ной нагрузке окажется имеющим более высокий предел упругости, нежели до нагрузки. Диаграмма растяжения бруска приведена на черт. 48.
Если точка А отвечает первоначальному пределу упругости материала бруска, а нагрузка продолжалась до точки С на диаграмме, то при вторичной нагрузке бруска предел упругости окажется на диаграмме близ точки С, а при дальнейшей нагрузке участок кривой CD будет служить как бы продолжением кривой АС диаграммы растяжения при первоначальной нагрузке.
* Из разобранного примера видно, насколько существенное влияние могут оказать на прочность скрепленного ствола допуски на обработку поверхностей скрепляемых труб. Отсюда вытекает или необходимость весьма точной обработки поверхностей при условии взаимозаменяемости, или же специальной подгонки скрепляемых труб друг к другу в процессе изготовления, что обычно и делается на практике.
Во всяком случае необходимо иметь на учете указанное влияние допусков на изготовление, чтобы гарантировать желаемый запас прочности.
192
Таким образом получение остаточных деформаций металлом сопровождается повышением предела упругости металла (наклеп).
Поэтому, если подвергнуть цилиндрическую трубу давлению внутри такой величины, чтобы получить остаточные деформации, то также можно рассчитывать на повышение предела упругости металла.
Так как величина деформаций на внутренней поверхности трубы больше, чем в любой точке в толще ее стенок, т. е. по мере удаления материала от оси трубы деформации уменьшаются по величине, то возможен такой случай, что слой металла трубы до некоторой глубины получит остаточные деформации, а остальные слои металла будут иметь только упругие деформации. Такой случай будем называть частичной перегрузкой металла трубы. Увеличивая давление, можно добиться, что остаточные деформации будут получены и на наружной поверхности трубы; этот случай будем называть полной перегрузкой металла трубы. Известно, что с возрастанием полной деформации увеличивается как ее упругая часть, так и остаточная. Поэтому внутренние слои металла, будучи деформированы сильнее наружных, получат и большие остаточные деформации. Если представить трубу, состоящей из бесконечно большого числа бесконечно тонких слоев, то в результате такого характера деформации трубы каждый внутренний слой после снятия давления изнутри окажется как бы обжатым прилегающим к нему наружным слоем; получается как бы картина непрерывного скрепления. Прочность трубы после приложения внутреннего давления, выводящего деформацию металла за предел упругости, таким образом возрастает как за счет повышения предела упругости металла (за счет наклепа), Так и за счет непрерывного скрепления. Деформированные таким способом трубы называются автоскрепленными, или самоскрепленными, а самый процесс упрочнения труб носит название автоскрепления, или автофретажа.
На практике автоскрепление производится с помощью гидравлического давления. Мощность установок для автоскрепления такова, что позволяет получать давления в трубе порядка 8000— 10000 кг/см2.
Необходимая для производства автоскрепления основная аппаратура состоит из: 1) насосов; 2) трансформаторов давления; 3) соединительных труб высокого давления; 4) герметических пробок, закрывающих концы скрепляемой трубы; 6) манометров, измеряющих давление; 7) индикаторов, контролирующих величину деформации.
Трансформаторы давления устраиваются обычно по принципу гидравлических прессов. Во избежание большого расхода жидкости в скрепляемую трубу вставляется стержень, причем между ним и стенками трубы остается небольшой зазор; на этом стержне собираются герметизирующие пробки и через него подводится давление жидкости. Жидкость должна быть возможно мало сжимаемой при высоких давлениях; применяется буферное масло,
А. А. Благонравов—124—13
193
касторовое масло, глицерин, разбавленный водой, вода и керосин.
Полученные пластические деформации в металле закрепляются тем, что после нагрузки давления труба подвергается медленному нагреву до температуры 200—400° и выдержке при этой температуре до 2 час. (стабилизация деформаций). Специальные и высокоуглеродистые стали требуют более высокой температуры нагрева и большей выдержки при ней.
Выгодами автоскрепления являются:
1) возможность получения высокого предела упругости;
2) замена скрепленных орудий моноблоками и, как результат, удешевление производства;
3) параллельное испытание качества поковки ствола во время процесса автоскрепления;
4) меньший вес орудийных стволов;
5) повышение производительности заводов.
Согласно изложенной выше теории сопротивления трубы для получения автоскрепления необходимо подвергнуть трубу действию внутреннего давления, превышающего величину:
р _ 3 а2 —1 ^1 — 2 2а2 + 1 ’
исходя из второй теории прочности, или о «2—' Р^ — ае 2а2 ’
исходя из третьей теории прочности.
После автоскрепления произойдет некоторое увеличение как внутреннего, так и наружного диаметра трубы. Следовательно, для автоскрепления ствол должен изготовляться с некоторыми допусками по каналу. Однако величина этих изменений незначительна.
При изготовлении оружейных стволов применяется испытание их усиленным давлением пороховых газов (так называемая пороховая проба). При этом испытании величина применяемых давлений превышает указанные выше величины; однако существенного изменения канала ствола (улавливаемого калибрами) и упрочнения при пороховой пробе, невидимому, не происходит, что можно объяснить динамическим характером приложения нагрузки и отсутствием процесса, стабилизирующего остаточные деформации после пороховой пробы.
Появление остаточных деформаций будем иметь также при изготовлении канала ствола протяжкой, что может служить причиной упрочнения протянутых стволов. Например, еще в XIX столетии был известен способ изготовления так называемых сталебронзовых орудий, которые могут считаться прототипом автоскрепленных стволов; при этом способе применялась протяжка Каналов стволов1.
1 Желающих ознакомиться с теорией автоскрепления и с расчетом автоскрепленных стволов отсылаем к труду проф. Н. Ф. Дроздова, Сопротивление артиллерийских орудий и их устройство, Арт. Академия.
194
§ 35. Живучесть оружейных стволов. Понятие об их разгаре и износе
Вопрос прочности ствола при выстреле еще не охватывает всех сторон действия выстрела на ствол. Существенным является износ ствола, возникающий и прогрессирующий по мере увеличения числа выстрелов, произведенных из данного ствола. С увеличением износа ствола ухудшаются балистические каче
ства оружия: уменьшается начальная скорость, увеличивается радиус рассеивания; ствол выбывает из строя, когда кучность боя делается плохой и в изобилии начинают встречаться слу-
чаи срыва пуль с нарезов, ведущие к неправильному полету пули. Предельное число выстрелов, которое можно сделать из
данного ствола до такой степени износа, при которой ствол бракуется, определяет живучесть ствола.
В качестве критериев, по которым определяется живучесть ствола, могут быть указаны:
1) падение начальной скорости до определенной величины;
2) увеличение рассеивания пуль на определенной дистанции до определенной величины;
3) появление срывов пуль с нарезов в определенном про
центе, что устанавливается по Черт. 49.
характеру пробоин в мишенях;
4) состояние поверхности канала ствола (уничтожение полей нарезов на определенной длине, увеличение диаметра канала).
Все эти критерии в количественном отношении являются условными. Характер изменения начальной скорости пули и ра-
диуса рассеивания в зависимости от числа выстрелов, произведенных из ствола, показан на черт. 49.
По этим кривым видно, что сначала падение начальной
скорости и ухудшение кучности незначительно, но после определенного числа выстрелов наступает резкое ухудшение балистических качеств оружия; этот момент и определяет практическую живучесть ствола.
Живучесть ствола является чрезвычайно важным вопросом, так как из ответственных деталей оружия ствол является самой недолговечной деталью. Нередко продолжительность службы автоматики в целом оказывается в несколько раз больше живу-
чести одного ствола.
Эта диспропорция заставляет уделять вопросу увеличения живучести ствола серьезное внимание.
Основными причинами, вызывающими износ и разгар ствола, являются следующие:
195
1) давление и температура пороховых газов;
2) скорость движения газов в канале ствола (и в частности, скорость газов, прорывающихся в зазор между пулей и стенками канала ствола);
3) давление пули на боевую грань нареза;
4) трение пули о поверхность канала ствола при ее движении по нарезам.
Износ ствола представляет сложное явление, вызываемое совокупным действием указанных факторов.
При исследовании состояния поверхности канала ствола после отстрела обнаруживается следующее:
а) оплавление металла по поверхности;
б) вынос частиц металла действием пороховых газов наружу;
в) трещины на поверхности канала ствола, влекущие иногда в своем развитии выкалывание более крупных частиц металла (по полям нарезов);
г) истирание поверхности канала ствола.
Природу действия пороховых газов на поверхность канала ствола нельзя определить полностью вследствие сложности явления; высказываются гипотезы о превалировании либо термического, либо механического, либо химического действия газов.
Мы остановимся здесь только на тех мероприятиях, которые применяются в конструкции оружия для увеличения срока живучести ствола.
К таким мероприятиям относятся:
1) максимальная чистота обработки поверхности канала ствола и дальнейшее ее сбережение от влияния коррозии;
2) конструкции пули, приводящие к лучшей обтюрации пороховых газов; подбор жесткости оболочки;
3) профиль нарезов, исключающий образование острых углов;
4) изыскание материала ствола, более стойкого против износа и разгара (специальные стали, в состав которых входят .такие элементы, как хром, никель, ванадий, вольфрам, дают несколько ббльшую живучесть стволов, но пока большого экономического эффекта получить при применении специальных сортов сталей к оружейным стволам не удалось); •'
5) придание большей твердости поверхности канала ствола; а) специальными покрытиями (хромирование), б) цементацией, в) поверхностным наклепом;
6) изыскание новых порохов (в частности, уменьшение температуры горения);
7j интенсивность охлаждения ствола.
Заметим также, что живучесть ствола зависит от режима стрельбы: при большей интенсивности режима стрельбы живучесть снижается (последнее особенно имеет значение для автоматического оружия).
196
§ 36. Лейнер. Расчет лейнера по второй теории прочности
Одним из мероприятий, вызванных относительно быстрым износом стволов, является их лейнерование.
Как указывалось, обычно нормы общей живучести системы выше нормы живучести отдельного ствола. Это привело к конструкциям оружия со сменяемыми стволами (пулеметы). В артиллерийских системах ствол представляет собой основную часть системы — запасные стволы при сколько-нибудь крупном калибре представляли бы излишнее загромождение системы, следовательно, живучесть определяется в этом случае живучестью ствола; между тем по выходе ствола из строя другие детали системы (станок, качающаяся часть, механизмы) еще могут продолжать свою службу тем более, что с укрупнением калибра живучесть стволов резко падает; замена ствола в крупнокалиберных артиллерийских системах, как правило, может быть осуществлена лишь в заводских условиях. Поэтому, естественно, возникла мысль о способе замены изношенного канала ствола простейшим способом. Такую замену возможно осуществить, если ствол делать составным из двух труб: внутренней, с нарезным каналом ствола, и наружной, в которую первая труба вставляется; внутренняя труба может быть сделана достаточно тонкостенной и только она одна будет подлежать замене после износа канала ствола.
. Если внутренняя труба вставляется в наружную с некоторым зазором, то, очевидно, способ замены изношенной трубы может быть очень прост; такая труба носит название свободной, трубы, а тонкостенная свободная труба называется свободным лейнером. Применение вставных труб в теле орудия называется лейнеро-ванием орудий.
Экономическая выгодность лейнерования для артиллерийских систем, в особенности крупных калибров, не требует пояснений (увеличение норм общей живучести системы, возможность применения высококачественного металла, стойкого против износа, только для вставных труб—лейнеров, при возможности применения другого сорта металла для наружной трубы).
Для оружия малых калибров до настоящего времени более выгодной представляется замена ствола в целом из-за трудностей технологического процесса изготовления лейнерованных стволов. Однако были попытки применить лейнер к стрелковому оружию.
Рассмотрим условия работы свободного лейнера при выстреле и способ его расчета, исходя из второй теории прочности.
Допустим сначала, что имеем составную трубу, в которой внутренняя часть пригнана к наружной с „нулевым зазором", т. е. наружный радиус внутренней трубы в точности равен внутреннему радиусу наружной трубы г2. В этом случае наблюдается также отсутствие какого-либо натяжения при сборке труб.
Предполагая металл и наружной и внутренней трубы обладающим одинаковым модулем упругости, можем указать, что 197
на основании ранее сказанного возникающие при выстреле давления в такой трубе будут распространяться так же, как и в сплошной трубе. Расчет внутренней трубы в этом случае можно представить, как частный случай расчета скрепленной трубы при Л = 0, т. е. для расчета размеров трубы следует применить формулу
Наружная труба может быть при этом рассчитана по формуле:
Р = Р ' 3 rj-rf
2 1 W-r}) 2 еГ 2г2 + гГ
или
2 г? 2г~ 4- г?
<3 3 -
з 1 ,2 г2 —г2 ’
12 Г1
При этом получается, что о может быть выбран меньше о.,.
Возьмем теперь случай, когда трубы собраны с некоторым зазором.
Абсолютную величину радиального зазора назовем е. Обозначив, как раньше, внутренний радиус наружной трубы г22, а наружный радиус внутренней трубы г21, будем иметь:
г22 = '’гх + е.
Если внутреннюю трубу подвергнуть нагрузке давлением Р1У то ее наружный радиус г21 получит упругое удлинение 8г21. Если ог21 < е, то очевидно внутренняя труба будет работать без участия наружной трубы, т. е. такое сочетание труб не имеет смысла. Если 8г21 > е, то при нагрузке трубы давлением Р1У будут вызваны деформации и в наружной трубе.
Назовем отношение — = т) относительным зазором. Итак, предельно максимальная величина 'определится
Но
_ 1 / 2 г I 4 С2_\
Ч» Е \ з С1 з r2 J’
\ '2L /
(мы рассматриваем здесь предельный случай, когда Sr21 = е, а следовательно, еще никакого давления на наружной поверхности Р2 не возникает).
198
Отсюда имеем:
2ri ^<Р\—---2
41 - Г1
(66)
(67)
Очевидно нужно, кроме того, соблюсти условие, чтобы нигде в трубе не были вызваны остаточные деформации. Так как наибольшей деформацией в этом случае является тангенциальная деформация на внутренней поверхности , то, следовательно, необходимо соблюдение условия:
Вычисляя
Е& -*_р
~ 3 г2 —г2’
*21 '1
получим предельное значение для Рг
2 2
2 в124+<
.(68)
Подставляя найденное значение Рх в формулу (67), имеем:
3^
+ Г1
fl]
(69)
Последняя формула определяет зависимость допустимого зазора от размеров лейнера и от предела упругости его металла.
Для того чтобы нагрузка при выстреле передавалась наружной трубе, а лейнер не получил при этом остаточных деформаций, очевидно, величину нужно взять достаточно малой по отношению к правой части неравенства (69).
Определим необходимый предел упругости металла лейнера при заданных величинах r\, r2, rs и е.
Расчет будем вести исходя из того, что тангенциальные деформации в лейнере по своему значению больше радиальных.
При нагрузке лейнера давлением Рг зазор е будет выбран, и наружный радиус г21 получит приращение Зг21 > е\ внутренний радиус наружной трубы также получит приращение Sr22. Нетрудно видеть, что
8г21 = 8г22 + е.
Разделив последнее равенство на г21 и, имея в виду незначительность разницы между г21 и г22, т. е. полагая ~2-, получим: ^*21 Г 22
ч. - %+
(70)
199
В фори на п< ычисляя тангенциальные деформации et _ и s, по известной 2 4 С 1уле Ezt = -у С\+ -g- у- и, обозначая давление, возникшее эверхности раздела труб, через Р2, будем иметь: 2 / Зг? rl + 2ri \ ре _ ( р 1 р, _2_ L . 3 Г2-Г2 /’ Е. _ 2 р
(здес диус Т< ь можем уже считать г2 — как общий установившийся ра-поверхности раздела труб). эгда уравнению (70) можно придать вид: Ет _ _2_ |р _±2_ _ р ( • 2гз + г2\] * 3 1 1 г2 2 г2_ 2 ‘ 2_ 2 / ’ L г2 Г\ \ Г2 Г1 Г3 Г2 /J
или 2 Зг? 2г| ( г? — г?) 3-^1-2-Ц- Р27 2 2Л 2 2V- (71) 3 Г2-Л (''2-^)(r3-d)
О тсюда находится Р2: Р-Р . (rj-rD(d-r2) 2“ 2-2(г2-г?) • (72)
Теперь может быть найдена наибольшая тангенциальная деформация на внутренней поверхности трубы:
р. __ 2 г , 4 С2
или
Подставляя
Ле =2.(р
“ 3 ‘ Ч-d
значение Р2 из (72), имеем:
r2 + 2r22 3r2(r2-r2)
1 d-d ^d-dXd-
(73)
_ _2_
“ 3
(74)
Чтобы откуда 200
3 ( Го — Го) 1 + —1т •>
2(rf-<) J
_ 2 Р 2r3 + , Е г1~г22
— 3 1 ^2 _2 ' г2_ 2-
г3 '1 г3 Г1
не получить остаточных деформаций, нужно: Eetl < з имеем возможность определить искомый предел упругости
металла:
. 2 р 2r2+r2 г2-г2
S1> 3’Р1 r2_r2 +&i r2_r2 •
(74а)
Заметим интересное сходство полученных формул с формулами, применяемыми для скрепленных труб.
Для последних мы имели:
2 2^о + г?
5?1 + 7\ = -3-рх—2 -...1СМ- формулу (52)],
Г3 “Г1
и
г2 — г2
Т± = £3-1-----\ [см. формулу (61)],
''з - г\
или
3 = Lp 2гз+г- £е/з2-^2
3 1 r2-r2 г2-г2'
(75)
Последняя формула аналогична формуле (74а): обе формулы могут быть объединены, если рассматривать относительный зазор при вставленном лейнере, как отрицательное относительное натяжение при скреплении труб.
Точно так же для скрепленной трубы мы имели:
о _ р' р~ но Р" - Pt г2^г2з~Г2> г^2 *2 . ;2 ’ НО Г'х 2 / о 2\
Г2 \ Г3~ Г\)
Р- = т
2 1 2г2
отсюда:
РДЛ-Ъ{Г22-ГЪ .
(г2-г2).2г2 ’
р=рrKrkJ), 2 1 ^('з2-'-?) 2г2 (г2-г2)
(76)
Последняя формула аналогична формуле (72) и может быть объединена с ней, если обозначить ?), как —S. Из сказанного вытекает, что к расчету свободного лейнера приложимы формулы теории скрепленной трубы, если зазор при вставленном лейнере считать, как отрицательное натяжение.
§ 37. Графический расчет лейнера
Из вывода предыдущего параграфа следует, что для расчета лейнера можно применить и график, разработанный для расчета скрепленных труб, но только необходимо величину относительного зазора, умноженного на модуль упругости, откладывать по 20t
оси ординат вниз от начала координат, после чего и привести построение графика в соответствие с графиком расчета скрепленной трубы.
Последовательность графического расчета лейнера покажем на примере решения следующей задачи (черт. 50).
Пусть дана величина зазора т;, размеры лейнера и оболочки, определяемые радиусами гь
требуется найти необходимый предел упругости металла для лейнера при заданной величине расчетного давления внутри трубы и определить наибольшие напряжения в металле оболочки.
Отложим по оси абсцисс xlt х2 и хз в соответствии с заданными радиусами
Г2 И г3;
h ri ’
х± —
ft
Х2 “2 ’ г2
ft хз ~ 2 ’> гз
в выбранном масштабе на ординате при отложим величину заданного давления Plt а также по-строим ОЛ=-у . Если соединить точку А с точкой л2, то в пересечении этой линии с прямой, параллельной оси ординат, проведенной через х3 (гра-
ница наружной поверхности), получим точку 7И. В соответствии с графиком для скрепленной трубы линия давлений в лейнере должна пройти через точку /И; поэтому для построения этой линии соединяем точку М с Рг. Для определения предела упругости продолжим последнюю линию; находим ее начальную ординату ОВ\откладываем ОС — х/2 ОД; через С проводим линию, параллельную линии давлений; последняя линия и определит величину согласно изложенному при построении графика скрепленной трубы. Для решения второго вопроса строим линию давлений в оболочке, соединяя Р2 с х3 (величина Р2х2 соответствует давлению наружной поверхности лийнера на внутренюю поверхность оболочки); параллельная последней линия De, начальная ордината которой в два раза меньше начальной ординаты линии давлений, и является линией тангенциальных деформаций в оболочке. От
202
резок гх2 соответствует 3/4 Е%, где SZ2 — наибольшая деформация металла оболочки.
Заметим, что если линию давлений в оболочке х3Р2 продолжить вправо (в зоне лейнера) до точки F, то она изобразит давления, наросшие в лейнере с момента выбирания зазора между лейнером и оболочкой, а следовательно, отрезок PrF представляет величину давления внутри трубы, которое деформирует лейнер до соприкосновения с оболочкой.
Рассмотренная задача дает представление о том, что с увеличением зазора т) необходимый предел упругости металла для лейнера увеличивается значительно; поэтому относительный зазор не может быть велик, что осложняет вопрос точности обработки поверхности лейнера при малом калибре. Точность обработки и высокий предел упругости металла и являются теми препятствиями, которые делают неэкономичным способ лейнерования стволов стрелкового оружия.
§ 38. Нагрев ствола при стрельбе и его охлаждение
Выше указывалось, что для стволов стрелкового оружия расчет на прочность только с учетом действия пороховых газов при выстреле является недостаточным, и, исходя из необходимости упрочнения ствола в условиях его службы, главным образом, для повышения сопротивления изгибу, ствол в дульной части делают с более утолщенными стенками, чем это требуется для сопротивления ствола внутреннему давлению.
Стволы автоматического оружия, применяющего интенсивный режим огня, например пулемета, как правило, обладают еще более толстыми стенками, обеспечивающими в дульной части запас прочности при расчете на давление пороховых газов п = 8—10, что делается ради- понижения температуры нагрева ствола при стрельбе.
Распределение температуры в стенках ствола как по длине, так и в глубину стенок зависит от многочисленных факторов: а) от степени охлаждения пороховых газов при расширении их в канале, вследствие чего передняя часть ствола подвергается при выстреле действию газов, обладающих менее высокой температурой', чем казенная часть; б) условий охлаждения поверхности ствола; в) интенсивности стрельбы (режима огня, продолжительности стрельбы); г) толщины стенок ствола в различных сечениях. При этом процесс теплопередачи не является установившимся, что не позволяет теоретически точно подойти к определению температуры ствола в его различных частях. Практически важными являются следующие обстоятельства, связанные с нагревом ствола:
1) при нагреве металла понижаются его механические качества, уменьшается сопротивление стенокствола действию выстрела;
2) при усиленной стрельбе с перегревом ствола понижается его живучесть, прогрессивно растет степень износа внутренней поверхности канала;
233
3) в системах с подвижным стволом расширение от нагрева изменяет условия движения ствола, увеличивает трение;
4) нагревание воздуха при сильно нагретом стволе затрудняет возможность правильного прицеливания вследствие появления восходящих токов воздуха;
5) увеличивается рассеивание пуль и уменьшается дальность полета;
6) при очень сильном перегреве пули также излишне нагреваются и падают вблизи оружия, совершенно деформированные;
7) при происшедшей задержке стрельбы при перегреве возможно самовоспламенение патрона, введенного в патронник;
8) затрудняется маскировка оружия вследствие увеличения пламени;
9) быстрое нагревание ствола поэтому вынуждает устанавливать ограниченный режим огня;
10) стрелки и обслуживающий персонал могут пострадать от ожогов, что требует специальных забот о соответствующих мерах предохранения.
Неодинаковость толщины стенок ствола создает и неравномерную температуру нагрева ствола. Опыт показывает, что более тонкие части ствола нагреваются сильнее. Так, по опытам одного из наших заводов, распределение температуры в стволе пулемета Дегтярева дает следующую картину:
Число выстрелов при непрерывной стрельбе со сменой магазинов Температура ствола , °C
в казенной части в средней части У дула
50 100/200 120/120 190/120
100 210/100 250/240 320/260
200 360/230 450/400 540/440
300 440/280 530/500 | 630/540
400 520/330 610/570 1 720/580
Числителем в этой таблице показана температура вблизи внутренней поверхности канала, знаменателем — температура на ружного слоя.
Диаметр ствола в соответствующих сечениях: 26, 22 и 19 мм. Цифры этой таблицы наглядно показывают влияние толщины стенок ствола: помимо более сильного нагрева в толстых стенках температура наружного слоя резче отличается от температуры внутреннего. Низкие температуры первого столбца отчасти обязаны наличию ствольной коробки, на нагревание которой идет часть теплоты.
Видим также, что повышение температуры вначале идет интенсивнее, что можно объяснить условиями теплоотдачи во внешнюю среду, увеличивающейся с повышением температуры наружной поверхности.
204
Приведенная на фиг. 51 сплошная кривая повышения средней температуры ствола (при воздушном охлаждении) на каждый выстрел относится к пулемету Дегтярева, пунктирная — к пулемету Максима без воды в кожухе.
На черт. 52 дан график повышения температуры при наличии водяного охлаждения: картина здесь получается такая же, но интенсивность нагрева меньше благодаря усиленному охлаждению.
Нагрев ствола вызывается: а) поглощением теплоты пороховых газов (их температура при горении заряда около 2400 — 2500° к моменту
&Т
0 50 i00 '150 200 250 300
Черт. 51. Изменение средней температуры ствола на каждый выстрел (воздушное охлаждение).
Черт. 52. ствола
Изменение средней температуры на каждый выстрел (водяное охлаждение).
вылета пули падает до 1400—1800°), омывающих поверхность канала; б) работой силы трения пули при ее движении по нарезам; в) частью работы, переходящей в теплоту при врезании пули в нарезы; г) работой упругих деформаций в стенках ствола.
Грубую прикидку средней температуры ствола после одного выстрела можно сделать, исходя из следующих соображений: на сообщение поступательного движения пуле расходуется 28 — 33% всей энергии порохового заряда; на нагревание ствола идет око
ло 10% этой энергии. Таким образом количество теплоты, поглощаемое стволом при выстреле, можно определить:
£
Q = з7“427 кал0Рий
205
и повышение средней температуры ствола дт =----------------------------1°----
1 3 • 427 • с • G ’
где с 0,115—теплоемкость металла и G — вес ствола. Конечно, подобный подсчет является приближенным, но практическое значение этого подсчета заключается в том, что, получив ДГ в пределах 1,5 — 1,8°, можем считать условия работы пулеметного ствола на нагрев (при воздушном охлаждении) вполне приемлемыми, так как существующие конструкции работают в этих условиях; в противном же случае следует изменять вес ствола. Для винтовочных стволов допустимо более высокое нагревание.
Justrow делал попытку подсчета теплоты, пюглощаемой стволом, учитывая упомянутые источники нагрева.
Пороховые газы отдают теплоту, количество которой может быть учтено как
Qi = а • Fz (t— 0), где Qi — количество теплоты;
а = 20000 — коэфициент теплопередачи;
z— время действия газов в часах;
F — поверхность (в квадратных метрах), подвергаемая действию газов; t — температура газов;
& — температура поверхности канала перед выстрелом.
В этой формуле являются переменными величинами F—по мере движения пули по каналу, и температура газов, изменяющаяся с расширением их.
Z
Поэтому для вычисления Q следовало бы взять a [*F(t — $)dz, но так как о
представляется затруднительным связать аналитически F и t с величиной z, то Justrow прибегал к следующему приему; он делил продолжительность выстрела на два периода: до достижения наибольшего давления, считая нагрев соответствующей поверхности канала при температуре газов 2500°, и от момента достижения наибольшего давления до момента вылета пули, считая, что в этот период подвергается нагреву вся поверхность канала ствола, но средняя температура газов 1600 — 1700°, и суммировал полученные количества теплоты. Нагревание от трения в нарезах получим, если выведем выражение для работы силы трения. Называя нормальное давление боевых граней нарезов N, будем иметь силу трения fN.
Так как согласно ранее выведенной формуле (для нарезов постоянной крутизны)
N = 0,5 Р - S • tg а, (бб)
ю работу силы трения можно выразить:
L L
А = [‘fN — = 0,5/ / Р . S dx-
J COS ОС COS a J
о о
считая cos а 1, получим:
А == 0,5/ • tga • Р • S • L,
А так как Рср • L == —— = ср£0’ гДе Д) — дульная энергия, то А = 0,5/ tg acpF0;
(77)
(77а)
принимая / = 0,2, получим от А = 0,08 Ей • tg а и до 0,11 Ео tg a.
Количество теплоты: Q
2 427*
206
Работу, затрачиваемую на врезание пули, Justrow учитывает по формуле:
Д2 = • ц
где Ft — поверхность, подвергающаяся смятию (величина площади отпечатка нарезов на пуле Ft = nbl^
—усилие на смятие, равное 3300 кг/см2-,
п —число нарезов;
b —ширина поля;
/х —длина отпечатка нареза на пуле;
I —длина конического ската нарезной части канала.
Количество теплоты, поглощаемое при этом стволом:
Полное количество теплоты сложится из
Qi + С?2 Q*
Среднее повышение температуры ствола-
дг=с4- <78>
Полученные этим способом цифры, однако, значительно меньше, чем опытные. Поэтому данный метод можно применить только для сравнения условий нагрева двух стволов, например, существующего образца и проектируемого^ причем сравнивать можно только нагрев сходных по калибру и мощности стрельбы образцов.
Если мы, идя подобным путем сравнения, для проектируемого ствола получим ДТ больше, чем получаемое таким же подсчетом Д7\ для ствола, выбранного за образец, то можно сделать вывод, что первый ствол будет находиться в худших условиях в смысле нагрева, а поэтому следует применить или более интенсивное охлаждение, чем в существующей, принятой за образец системе, или же увеличить вес проектируемого ствола за счет утолщения его стенок.
Из перечисленных выше нежелательных явлений, которые влечет перегрев ствола, прежде всего следует считаться с возможностью самовоспламёнения патрона при задержке стрельбы. Требуется, чтобы промежуток времени, через который происходит самовоспламенение патрона, от момента введения его в патронник, при условии максимально возможного в боевой обстановке числа сделанных выстрелов, был больше, чем время, потребное на устранение наиболее сложной задержки, при которой патрон будет находиться в патроннике-. Из всего изложенного вытекает, что этот промежуток времени не может быть подсчитан сколько-нибудь точно, почему и приходится обращаться к сопоставлению условий нагрева проектируемого ствола и существующих образцов, а также прибегать к опытам. Сравнение мы считаем возможным производить по средней температуре, так как с момента прекращения стрельбы в металле ствола происходит процесс известного выравнивания температуры: более нагретые участки ствола отдают теплоту менее нагретым, не говоря, конечно, об отдаче тепла во внешнюю среду, благодаря которой наружная поверхность продолжает оставаться менее нагретой, чем внутренний слой металла.
207
Приводим примеры, показывающие, какое время может находиться патрон в стволе до самовоспламенения: у пулемета Кольта, имеющего весьма массивный ствол, воспламенение введенного в патронник патрона после непрерывной стрельбы 500 выстрелов происходит через 7 минут; у ручных пулеметов, имеющих менее массивные стволы, этот промежуток сокращается до 0,5—1 минуты; пулеметы, применяющие водяное охлаждение, можно считать обеспеченными от самовоспламенения патрона совершенно. В качестве иллюстрации укажем еще, что ствол станкового пулемета системы Гочкиса после 1400 выстрелов (непрерывно — со сменой лент) нагревается до температуры красного каления.
Таким образом из соображений уменьшения температуры нагрева стволов автоматического оружия приходится увеличивать толщину стенок ствола значительно больше, чем они получились бы расчетом только на прочность. При этом, чтобы нагрев был по возможности равномерным, приходится относительно больше увеличивать толщину стенок ствола в дульной части. Однако делать ствол цилиндрическим по всей длине, начиная с того сечения, в котором необходимый наружный диаметр удовлетворяет условиям прочности, невыгодно из тех соображений, что центр тяжести ствола окажется сильно смещенным вперед, что затрудняет балансирование ручного оружия и закрепление на станке станковых пулеметов.
Системы охлаждения. Из всего изложенного вытекает необходимость заботиться об охлаждении стволов в автоматическом оружии. При этом, чем на более длительную непрерывную стрельбу рассчитано оружие и чем больше емкость его магазина (ленты), тем интенсивнее должно быть охлаждение. Большая эффективность системы охлаждения связана, однако, с необходимостью добавочных устройств и утяжелением системы. Поэтому в тех видах оружия, в которых большое значение имеет каждый лишний десяток граммов веса, охлаждение всегда будет недостаточным. В автоматической винтовке, учитывая ее режим огня, сравнительно малую емкость магазина, что влечет неизбежно частые перерывы стрельбы, условиями охлаждения придется пренебрегать. В ручном пулемете внимание условиям охлаждения уже больше, но система охлаждения все же самая примитивная: обычно — утяжеление ствола (которое, однако, не может итти дальше определенных пределов, в современных конструкциях не больше 2 кг), стремление увеличить поверхность теплоотдачи (снабжение ствола ребрами), наконец, конструкция крепления ствола, позволяющая быструю замену нагретого ствола запасным. Более интенсивное охлаждение — воздушное с применением специальных радиаторов — в современных ручных пулеметах уже не встречается. Из существующих систем охлаждения наиболее эффективную систему представляет водяное охлаждение. Кратко оценим применяемые системы охлаждения.
1. Увеличение массы ствола. Значение этой меры для охлаждения ясно из предыдущего; недостатки—лишний вес.
,208
Черт. 53. Соединение ствола со ствольной коробкой (пулемет Бриксиа).
более тщательной обработки, при смену ствола; без ключа сборка
2. Бистро заменяемые стволы. Обычно эта мера дополняет предыдущую; выигрыша в весе при этой системе не достигается, так как пулеметчик должен иметь все время под рукой запасные стволы. Недостатком является затруднительность иметь одинаковую меткость при разных стволах, в особенности если мушка закреплена не на самом стволе, а, например, на кожухе: пристрелять мушку к нескольким стволам можно приблизительно, ибо известное разнообразие в положении закрепленных стволов будет зависеть от допусков на их изготовление.
Конструктивно крепление стволов при условии их быстрой замены осуществляется различными путями. Чаще ствол вынимается из ствольной коробки, с которой может быть соединен или резьбовым соединением, или сухарным замком, или клиновым соединением. Резьбовое соединение неудобно, ибо требует сравнительно большого времени сборки ствола и инструмента для сборки и разборки; сухарнорезьбовое соединение(пулемет Дегтярева) лишено этого недостатка, но зато требует забоинах резьбы затрудняет
иногда затруднительна. Производственные операции, связанные с точной пригонкой деталей на резьбовом соединении, сложны и дороги.
Помимо резьбового соединения требуется какой-либо замок (например чека), предохраняющий от самоотвинчивания. С этой точки зрения клиновое соединение проще и удобнее, хотя и в этом случае пригонка требуется весьма точная, чтобы обеспечить однообразное и правильное положение ствола; также необходимо принимать меры от выпадения клина. Оригинален способ соединения ствола у пулемета Бриксиа (черт. 53), где ствол вкладывается в поперечные пазы ствольной коробки специальным выступом и от выпадения обеспечивается особым замком. Смена ствола должна производиться как при закрытом, так и при открытом затворе. Соблюдение этого условия в случае стволов, соединенных резьбой или сухарным замком, требует соответственного очертания вырезов на казенном срезе ствола (например для выбрасывателя), чтобы ничто не мешало стволу поворачиваться. Вследствие этого сменяемые стволы присоединяются
А. А* Благонравов—124—14 209
обычно к несменяемой ствольной коробке. Смена ствола вместе со ствольной коробкой неудобна.
3. Увеличение поверхности охлаждения ствола достигается снабжением ствола продольными и поперечными ребрами. Этот способ удобнее в системах с неподвижным стволом. Применяя его, следует выбрать наиболее выгодные очертания ребер в смысле увеличения поверхности охлаждения, но в то же время не осложняющие обработку ствола.
Этот способ охлаждения имеет значение при достаточной высоте ребер; невысокие ребра (типа, примененного для пулемета ДП) мало влияют на усилие охлаждения.
4.____Желая значительно увеличить поверхность охлаждения, возможно мало увеличивая при этом вес, прибегают к надеванию на ствол так называемых радиаторов, изготовляемых обычно из алюминия. Радиатор представляет ребристую трубу, ребра которой имеют большую поверх-7///^///////////^ ность, и может быть надет или на часть ствола, ______ или на весь ствол (итальянские пулеметы Фиат, ) ' Бриксиа). Помимо увеличения поверхности теп-
лоотдачи радиатор берет на себя часть теплоты, WWWW благодаря чему снижается температура ствола (т. е. радиатор играет такую же роль, как и уве-Черт. 54. Радиатор личение массы ствола). При алюминиевых ра-ствола пулемета /г г—
sia. диаторах нужно их надевать на ствол с натягом, так как коэфициент линейного теплового расширения алюминия в два раза больше, чем коэфициент линейного расширения стали, иначе при небольшом нагреве между радиатором и стволом образуется зазор. В целях облегчения пригонки и сборки радиатора его можно сделать из нескольких отдельных секций; так, радиатор пулемета SIA представляет ряд таких алюминиевых колец, надеваемых на ствол вплотную друг к другу (черт. 54).
5. Перечисленные способы охлаждения объединяют иногда под общим названием воздушного охлаждения, так как средой, в которую совершается отдача тепла, является воздух. Особо следует отметить системы охлаждения, в которых с целью повышения интенсивности охлаждения применяется продувание воздуха или через канал, или вдоль наружной поверхности ствола, или через радиатор. Как мы уже видели, количество отданной теплоты можно выразить:
Q = a.Fz (t — Я).
Коэфициент теплопередачи а зависит, как показывает опыт, от скорости движения среды относительно охлаждаемого предмета; зависимость от скорости движения воздуха выражают эмпирической формулой а = 2 + 10 /w при Fb квадратных сантиметрах (где w скорость движения), из которой видно, что скорость движения воздуха является существенным фактором для охлаждения.
210
Продувание воздуха через канал ствола может быть осуществлено при помощи специального устройства, в котором поршень, связанный с движущимися частями оружия, при открывании затвора посылает в канал струю воздуха. Следует заметить, что рассчитывать получить сильную струю не приходится; большее значение для охлаждения в этом случае будет иметь то, что из канала при каждом выстреле выгоняется часть нагретого уже воздуха и оставшихся пороховых газов.
В пулемете системы Льюиса движение воздуха происходит снаружи вдоль ствола между продольными ребрами алюминиевого радиатора; достигают этого тем, что радиатор помещают в трубу кожуха, и газы, выходящие из ствола, создают тягу в трубе.
Черт. 55. Изменение температуры ствола при стрельбе.
Система охлаждения Льюиса благодаря достаточной теплоемкости радиатора и такому устройству весьма эффективна, но довольно громоздка по своим размерам и весу. Приводим график (черт. 55), показывающий температуру нагрева ствола, измеренную водной и той же точке ствола при наличии системы охлаждения Льюиса и без нее. Радиатор Льюиса сделан разрезным и пружинит, что обеспечивает его плотное прилегание к стволу. Baumann предложил способ увеличить интенсивность воздушного охлаждения, используя особый инжектор впереди дульного среза, в котором утилизируется поток пороховых газов, вытекающих из дула; этот способ представляет собой развитие конструкции Льюиса.
6. Существенная особенность водяного охлаждения состоит в том, что при этой системе охлаждения каждый, даже самый кратковременный, перерыв стрельбы влечет резкое понижение температуры ствола. Охлаждение ствола идет не только за счет теплоемкости воды, окружающей ствол, но и за счет скрытой теплоты парообразования, в особенности при интенсивной стрельбе. Количество воды можно считать достаточным, если обеспечивается возможность непрерывной серии в 600 выстрелов. Для охлаждения станковых пулеметов обычно требуется 2,5 — 4 л воды; крупнокалиберные пулеметы (12 — 13 мм) требуют 5 — 8 л.
211
Недостатки системы: необходимость иметь запасы воды, парообразование, демаскирующее пулемет, излишний вес и громоздкость, нарушение нормального охлаждения при отсутствии воды, при пробивании кожуха пулей или осколком. В зимнее время приходится заботиться о том, чтобы вода не замерзала (прибавляя глицерин, спирт и пр.).
Систему водяного охлаждения удобнее применять в автоматическом оружии с неподвижным стволом, так как при подвижном стволе требуются сальниковые устройства, обеспечивающие от просачивания воды наружу и в короб. В свою очередь в сальниках неизбежно сильное трение, на преодоление которого тратится значительная часть энергии пороховых газов. Интенсивность охлаждения при этой системе видна из сопоставления графиков (черт. 56) температуры ствола пулемета Максима с нор
212
мальным охлаждением и при отсутствии воды в кожухе1 (обращаем внимание читателя в особености на то, что при имевших место задержках в первом случае температура ствола резко уменьшалась в короткий срок, во втором же случае, даже при очень длительном перерыве стрельбы, падение температуры ствола весьма незначительно: с водой при задержках в 16 сек.— падение температуры со 120 до 60°, при задержках в 25 сек.— падение температуры с 280 до 60° и с 300 до 75°, тогда как в случае отсутствия воды задержка в 55 сек. вызвала падение температуры с 545 до 520°).
В конструкциях систем водяного охлаждения надо предусмотреть следующее: а) перекрытие ствола водой при всех возможных углах возвышения или склонения; б) возможность вывода пара при любом положении пулемета; в то же время надо принять меры, чтобы вода не выливалась через пароотводные отверстия; в) удобство наливания и выливания воды; г) для наилучшего использования водяного охлаждения кожух надо располагать так, чтобы ствол находился в нижних слоях воды; этим достигается усиленная конвекция, иначе слои воды, наименее нагретые во время стрельбы, будут находиться ниже ствола. В силу описанных выше недостатков в современных, вновь конструируемых образцах избегают применять водяное охлаждение.
7. Системы охлаждения химическими реагентами. Например имелись предложения охлаждать ствол, применяя жидкую СО2, впуская ее через известное количество выстрелов в кожух (охлаждение углекислоты при быстром испарении возможно до — 70°). Эта система требует специального снабжения, громоздких резервуаров и будет вызывать чрезмерно резкие колебания температуры ствола. Поэтому системы подобного типа едва ли можно признать жизненными.
8. Утилизация энергии пороховых газов для работы систем, охлаждения типа рефрежираторных машин. Схема устройства таких систем — отнятие теплоты искусственным путем от охладителей: сжатие охлаждающей смеси (для воздуха) в компрессоре, охлаждение в холодильнике и расширение для соответствующего понижения температуры. Подобные системы громоздки, используя энергию пороховых газов, усложняют вопрос о достаточности этой энергии для работы остальных механизмов (и во всяком случае уменьшение скорострельности), конструкция сложна; поэтому применение этой системы возможно лишь для стационарных установок и, по нашему мнению, не имеет жизненного практического интереса2.
Выбирая и осуществляя конструкцию системы охлаждения, следует всегда руководствоваться следующими соображениями: а) минимальным осложнением конструкции оружия и производ
1 По данным заводских опытов.
2 Желающих несколько подробнее ознакомиться со схемой этой системы охлаждения отсылаем к журналу „Война и техника", № б—7, 1927.
213
ственных условий, б) оценкой весовых данных; в) достаточной эффективностью в зависимости от боевого применения оружия, допустимого режима огня, г) незатруднительной маскировкой.
§ 39. О влиянии вибрации ствола на кучность боя оружия
Как известно, в оружии малых калибров вибрация ствола имеет весьма важное значение в смысле влияния ее на меткость. Источником вибрации являются удары: при спуске ударника, при почти мгновенном нарастании давления пороховых газов и при врезании пули в нарезы. Опытами обнаружено, что возникающие в стволе продольные и крутильные колебания не имеют практического значения, а влияющими на меткость оказываются поперечные колебания ствола.
Черт. 57.
Ствол можно рассматривать как стержень, закрепленный одним концом в ствольной коробке. Поперечные колебания такого стержня являются сложными колебаниями. Прежде всего стержень колеблется в „основной тон“; эти колебания представляют колебания с единственным узлом в ствольной коробке (черт. 57).
4.
Черт. 58.
Второй вид колебаний — „в первый верхний тон“, при которых образуется вспомогательный узел приблизительно на х/5 расстояния от дульного среза (черт. 58); эти колебания на две-три октавы выше первых. Кроме того, возникают колебания и высших порядков, но амплитуда их настолько мала, что они никакого влияния на свойства оружия не оказывают.
В случае одиночных выстрелов наибольшее влияние оказывают на рассеивание пуль колебания в первый верхний тон. Причины этого объясняются самым характером колебаний: колебания в основной тон имеют сравнительно малую частоту, и благодаря удаленности узла от дульного среза ось ствола в месте вылета пули не дает большого угла отклонения от своего положения в спокойном состоянии (черт. 57). Колебания в первый верхний тон имеют частоту в 5,5 — 7 раз большую (теоретически
214
в 6,27), и благодаря близости узла к дульному срезу угол 6' > 0. Однако в смысле влияния на меткость оружия значение имеет не абсолютная величина угла отклонения оси канала от своего первоначального положения, а разнообразие моментов, вылета пули в зависимости от разнообразия скоростей движения пули в канале ствола; поэтому первые колебания, естественно, окажут малое влияние на разброс пуль по сравнению со вторыми, ибо за один в тот же промежуток времени запаздывания пули разница в фазе колебаний для колебаний „верхнего тонаа будет больше, чем для колебаний основного тона.
Опыты Кранца и Коха с Маузеровской винтовкой показывают влияние на полет пули именно вторых колебаний, так как при
уменьшении заряда, т. е. изменении скорости пули, отклонение пули резко меняется, а фотографии колебаний показывают при этом разницу в фазе колебаний в верхний тон в момент вылета пули. Это. же под-
тверждается опытами, которые проводил Quail с винтовкой Спрингфильда Ч Существенное значение имеет то, в какой фазе колебаний верхнего тона происходит вылет пули: при наиболь
шем отклонении оси ство- Черт. 59.
ла скорость колебания обра-
щается в нуль, между тем как при прохождении ствола через среднее положение скорость колебательного движения наибольшая. Между тем скорость пули в момент вылета ее из ствола
представляет геометрическую сумму скорости поступательного движения по направлению оси канала и скорости поперечного колебания дульного среза; поэтому, если имеем два выстрела, при которых время вылета пули от начала колебаний отличается на величину Дт, то при вылете пули при положении ствола, близком к средней линии, разница в направлении пули будет больше, чем при вылете пули при положении ствола, близком к крайнему в колебательном движении. Черт. 59 поясняет это.
Следовательно, наиболее меткими будут такие стволы, у которых вылет пули происходит в конце первой четверти или в начале второй четверти колебательного движения первого верхнего тона. Так дело обстоит при одиночном выстреле.
При автоматической стрельбе приходится расценивать влияние вибрации на кучность боя несколько иначе. Если темп стрельбы достаточно равномерный, то можно опасаться резонанса
1 The American Rifleman, № 1, 1927.
215
колебаний, возобновляемых при каждом выстреле, если число колебаний окажется кратным темпу стрельбы; в этом случае возрастет амплитуда колебаний и окажет свое влияние на кучность боя. При рассмотрении колебаний на фотографиях Кранца и Коха можно заметить, что колебания первого верхнего тона затухают через 0,05 сек. (приблизительно), а колебания основного тона продолжаются значительно дольше. Поэтому с излагаемой точки зрения при обычных темпах стрельбы большее значение приобретают именно последние колебания, а явления резонанса колебаний верхнего тона могут наблюдаться лишь при скорострельности, большей 1200 в минуту.
Теоретический подсчет вибрации ствола представляет значительные затруднения: несомненно принимает участие в колебаниях и ствольная коробка. Поэтому представляется невозможным установить точно расчетную длину колеблющегося ствола. Во-вторых, ствол обычно представляет стержень переменного сечения, снабженный, кроме того, выступами и приливами разного рода (мушка, ребра охлаждения, газовая камора), поэтому расчет, произведенный для цилиндрического стержня, окажется несовпадающим с действительностью. Так, в опытах Кранца и Коха с винтовкой Маузера 1871 г. расчетная частота колебаний: в основной тон — 23,8 пер/сек. и в верхний тон—148,8 пер/сек., а действительная частота 27,6 и 139 пер/сек.; в опытах Quail’a с винтовкой Спрингфильда расчетная частота основных колебаний 47 пер/сек. (для цилиндрического ствола), а опытная 61 пер/сек. (в верхний тон 432 пер/сек.). Поэтому учет влияния вибрации и конструктивное усовершенствование ствола на основании этого учета обычно делаются путем опыта.
Одним из существенных факторов, влияющих на кучность боя в связи с вибрацией ствола, является длина ствола при данных размерах его стенок. На опыте обнаруживается, что с изменением длины ствола кучность боя, измеряемая радиусом рассеивания пуль, изменяется, проходя последовательно ряд максимумов и минимумов.
С другой стороны, взяв ствол определенной длины, можно улучшить или ухудшить его кучность боя путем распределения массы металла на длине; кучность боя улучшается, если сделать на стволе утолщения в местах, отвечающих пучностям колебаний.
Подсчет числа колебаний можно произвести по следующим формулам. Для цилиндрического ствола число периодов колебания основного тона в секунду
Р2 ]./ J_*
2к ’ Z2 Г р ’ со ’
где ,8 — коэфициент;
L — длина;
Е—модуль упругости в кг/см2',
* См., например, С. Тимошенко, Теория колебаний в инженерном деле» стр. 234, Москва, 1931.
216
—----плотность материала в кг • секшем*-,
/ — момент инерции площади поперечного сечения;
<о — площадь поперечного сечения.
Называя внутренний диаметр стержня ствола d1} а наружный cf2, получаем;
1
П = 2л
4£gn(d^ — 4) _ £ 64n ( dg — dj) р
’ i2 к Р
Коэфициент ₽ — 1,875.
Для числа колебаний в первый верхний тон:
«1 = -м- П>
где ₽! = 4,694.
Для суживающегося стержня переменного сечения вычисления производятся следующим образом. Если момент инерции в месте заделки и площадь поперечного сечения 1а и <оа на свободном конце 1е и а по середине длины 1т и wm, то составляем
следующие выражения:
_ (аа —<pg _____1_ / 1а 4-
’ 4 /Д 2
тогда:
'а\ 2
. 1/ 1—Tja —
П “ П° V 1 —
где л' —число колебаний;
п0 —число колебаний соответствующего тона ствола цилиндрической формы, имеющего площадь поперечного сечения <яа, а значения ко-эфициентов о, а', тит' определяются:
а ч т а' т' для основного тона.......... 0,193 0,807 0,493 0,493
для первого верхнего тона .... 0,406 0,594 0,703 0,703
§ 40. Крепление ствола в оружии
Ствол присоединяется обычно к ствольной коробке (в автоматических пушках последняя часто получает название казенника). При несменяемом стволе чаще всего применяется резьбовое соединение; при сменных стволах применяется резьбовое,, сухарное, клиновое соединение. Способы расчета прочности этих соединений не отличаются от принятых в общем машиностроении. Так, например, при расчете прочности резьбового соединения на изгиб, срезание и смятие витков рекомендуется учитывать половинное число витков. Здесь мы только разберем силы, действующие на соединение ствола с коробкой в различных случаях, которые и применяются для расчета прочност» крепления ствола.
Следует отдельно разобрать случай подвижного при выстреле ствола и неподвижного. В первом случае на соединение ствола с коробкой действуют следующие силы:
217
а) сила давления пороховых газов в стволе, действующая на скат патронника и направленная в сторону выстрела; ее расчетная величина равна:
7*1 — Рmax ($1 5), (77)
где Ртах—наибольшее давление:
— поперечное сечение патронника по казенному срезу; $ — поперечное сечение канала ствола.
Формула (77) учитывает наибольшее значение этой силы для наиболее опасного случая, когда произошел поперечный разрыв гильзы (так как при нормальном выстреле часть этой силы поглощается сопротивлением гильзы, вложенной в патронник);
б) продольная составляющая силы трения пули при движении по нарезам, которую вычисляют, исходя из формулы (6):
F2=/7Vcosa. (78)
Заметим, что в период врезания пули в нарезы эта сила принимает наибольшее значение, но так как сила 7^ в этот период относительно невелика, а она в настоящем расчете является превалирующей, то этими соображениями и оправдывается применение формулы (78);
в) реакции связи ствола с коробкой, вызываемой инерцией ствола; принимая вес ствола Qc для величины этой силы, имеем:
Рз=~^; (79)
последняя сила принимает наибольшее значение также в момент развития наибольшего давления пороховых газов и может быть вычислена следующим образом:
= SR,
где Q — вес всей подвижной системы;
S/? — сумма сопротивлений движению системы.
.Наиболее неблагоприятный для расчета случай будет при ZR = О (например, при поломке возвратной пружины); поэтому принимаем отсюда
и _Ртах • 8 • g
Х ~ Q.
Отсюда:
F3 = ^Pmax-s. (79а)
Полное расчетное усилие:
F — Р%'\~ Рз>
— Ртах($1 5) “Ь 7*2 4" Т^тах’5,
+ (80)
218
Рассмотрим случай неподвижного ствола. Расчетное усилие будет зависеть от того, как закреплено самое оружие на установке (станке). Если речь идет о ручном оружии, например о винтовке, то силы, действующие на ствол, те же, что и в предыдущем случае, за исключением силы F3, вовсе не имеющей места. Следовательно, расчетное усилие для этого случая:
F=F1 + F,
— Ртах ($1 S) F%. (81)
Эта же формула применима для большинства случаев при установке оружия на станках. Исключение представляет случай, когда оружие крепится на установке самым стволом; в этом случае на соединение ствола с коробкой будет действовать при выстреле давление пороховых газов, передаваемое через затвор на ствольную коробку; будучи рассчитано для. наихудшего случая (без учета сопротивления гильзы), оно выразится:
F = Рmax • Sx. (82)
Отдел III
УСТРОЙСТВО МЕХАНИЗМОВ И ДЕТАЛЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ § 41. Общие замечания об особенностях механизмов в автоматическом оружии
Каждый образец автоматического оружия.представляет собой машину, использующую энергию, развиваемую газами порохового заряда: 1) для бросания пули с определенной скоростью (как всякое огнестрельное оружие); 2) для перезаряжания оружия после каждого выстрела и взведения, а иногда и спуска стреляющих приспособлений (отличительное свойство автоматического оружия).
Цикл работы механизмов сводится в общих чертах к следующему: 1) расцепление затвора со стволом; 2) отделение затвора от ствола (открывание затвора); 3) извлечение стреляной гильзы из патронника; 4) удаление стреляной гильзы из оружия; 5) перенос очередного патрона к открытому стволу (в приемник); 6) досылание очередного патрона в патронник; 7) закрывание затвора (вернее—закрывание ствола с казенной части затвором); 8) запирание затвора. Все перечисленные операции составляют цикл перезаряжания. Параллельно этому циклу совершается цикл работы стреляющих приспособлений: 1) взведение ударника (курка); 2) спуск ударника (курка).
В цикле перезаряжания для некоторых систем (системы со свободным , затвором) могут отсутствовать операции 1-я и 8-я; перечисленные операции могут производиться последовательно во времени или же некоторые из них могут производиться одновременно: например, в цикле перезаряжания операции 2-я, 3-я и частично 5-я мргут производиться совместно; могут быть объединены операции 6-я и 7-я; 1-я операция цикла работы стре
219
ляю1цих приспособлений может совмещаться со 2-й или 7-й операцией цикла перезаряжания; 2-я операция цикла работы стреляющих приспособлений обязательно является завершающей цикл работы всех механизмов и может быть совмещена во времени лишь с 8-й операцией цикла перезаряжания.
Некоторые из перечисленных операций производятся за счет потенциальной энергии взведенных пружин, причем взведение пружин совершается во время выполнения предыдущих операций, или же заблаговременно при снаряжении оружия (работа падающей пружины в магазинах — для выполнения 5-й операции цикла перезаряжания).
Несмотря на то, что работа механизмов является при серии непрерывно следующих один за другим выстрелов периодической, каждый из входящих в систему механизмов работает только на небольшом промежутке времени, составляющем часть периода цикла; остальное время механизм не работает; иными словами, каждый цикл сопровождается остановкой механизма.
Таким образом в механизмах автоматического оружия мы имеем ярко выраженную неравномерность движения, и весь период работы механизмов имеет признаки неустановившегося состояния движения. Последнее является характерным отличием работы механизмов автоматического оружия, определяя преимущественное значение для их работы сил инерции звеньев механизмов.
Основные детали механизмов автоматического оружия преимущественно имеют поступательный характер движения; вращательное движение, как правило, для деталей механизмов встречается в пределах ограниченных угловых поворотов.
Остановка и начало движения многих механизмов сопровождаются ударом. Связи между звеньями механизмов нередко бывают односторонними.
Работа полезных сопротивлений очень мала, энергия пороховых газов в основном расходуется на преодоление вредных сопротивлений и на создание значительной живой силы некоторых звеньев (так как период работы механизмов мал и, следовательно, скорости движения получаются довольно большими), причем иногда эта живая сила не используется для непосредственных функций механизмов (например поглощается при ударе). Поэтому коэфициент полезного действия всей совокупности механизмов автоматического оружия обыкновенно весьма мал.
Указанные особенности механизмов автоматического оружия влекут за собой: 1) значительную чувствительность работы механизмов к точности обработки и к влиянию посадок при сборке деталей; 2) резкое проявление износа деталей; если представить себе непрерывную работу оружия, то продолжительность службы механизмов выразится в минутах (редко — в часах); 3) преобладающее значение для расчета прочности деталей —реакций связей, вызываемых силами инерции составных частей механизмов.
220
Сделав эти общие замечания, характеризующие условия работы механизмов и их деталей, перейдем к рассмотрению основных механизмов, обеспечивающих указанные выше функции оружия, и наиболее типичных их деталей.
§ 42. Пружины
Применение пружин неизбежно в автоматическом оружии. Главную роль играют возвратные пружины, служащие для аккумулирования энергии, используемой затем для приведения движущихся частей в исходное положение для выстрела. Вместе с тем они служат и для торможения движения частей, позволяя избегать слишком сильных ударов. Кроме возвратных необходим еще целый ряд пружин для приведения в исходное положение отдельных деталей механизмов (выбрасыватели, спусковые механизмы и пр.). В некоторых случаях пружины являются источниками энергии для подачи патронов.
Вследствие разнообразия назначения вспомогательные пружины встречаются самых разнообразных видов; возвратные пружины обычно являются цилиндрическими винтовыми пружинами, работающими на сжатие, реже — на растяжение.
Цилиндрические винтовые пружины. Усилие пружин можно считать пропорциональным деформации. Вводя обозначения: /—стрела поджатия, П —усилие пружины, отвечающее данному поджатию, будем иметь полную работу пружины, работающей на сжатие
А = | П/. (1)
При сборке пружины обычно бывают несколько поджаты; будем называть стрелу поджатия пружины при сборке—/0 — стрелой предварительного поджатия, а соответствующее усилие пружины-По—предварительным поджатием. Очевидно, в этих условиях работа, которую может произвести пружина, сжатая на величину /, равна
Л = П+ПО (/ _Л) = п + п0 к (2)
где л — длина хода пружины в оружии.
Характеризующей пружину величиной является ее жесткость:
Из этого равенства
П = 7|/ И
• и)
Жесткость пружины зависит от соотношения между конструктивными размерами пружины. Для пружин кругового сечения,
221
обычно применяемых в автоматическом оружии, введем следующие обозначения: d — диаметр проволоки пружины, г—средний радиус витка пружины (черт. 60), п — число витков. Для расчета
пружины с достаточной степенью точности можно пользоваться приближенными формулами:
уу _ тс d3 т
-16
+ Зг
(5)
где т — касательные напряжения в проволоке1. Так как при нормальных размерах пружин величина незначительна (г > 2,5rf, а чаще г = 3 — 4rf), то для расчетов формулу упрощают:
п = <5а>2
или, полагая 2r = D, т = 6793d3’ (56)
черт. у-г
н Для расчета диаметра проволоки по задан-
ной величине рабочего усилия пружины в формулах (5), (5а) и (56) пользуются вместо t величиной допускаемых напряжений в проволоке на кручение Rs.
В машиностроении величину Rs берут в пределах 4000— 6000 кг/см2', в автоматическом оружии при расчете по таким
допускаемым напряжениям возвратных пружин они получались бы громоздкими и оказались бы неудобными для компоновки сопряженных с ними деталей. Поэтому, учитывая также относительно малый срок службы пружин в оружии, принимают Rs от 8000 до 9500 кг/см2 (в некоторых существующих конструкциях расчетная величина напряжений доходит даже до 10000 кг/см2, но, как правило, при этом живучесть пружины снижается). Для определения числа витков пружины при заданной ее жесткости воспользуемся положением, что основной деформацией материала является кручение проволоки. Потенциальная энергия деформации кручения выразится U = где крутящий момент М —
= П • г, а угол закручивания,
т itd4
Проволоки пружины, 1р — ^2
м. L ,, как известно, = f—-Q (L—длина
— полярный момент инерции сече-
ния, G — модуль упругости второго рода); потенциальная энергия деформации должна быть равна работе сжатия пружины А — ~ .
1 Ф. Лен дер, Теория цилиндрических винтовых пружин, Ленинград, ВТА, 1927.
2 Формулу (5а) легко получить из условий работы проволоки пружины на скручивание.
222
Отсюда:
П/ _ П2г2£
2 ~~2Ip-G’ или, приближенно считая длину проволоки L = Ъъгп, получим:
Последняя формула и формула (5а) называются формулами Рело; по формуле (6) определяется число витков.
К полученному расчетом числу витков п прибавляют полтора-два витка, учитывая концевые нерабочие витки пружины.
Черт. 61.
Общая длина проволоки, из которой навивается пружина, определяется:
L = 2кг^п (7)
здесь а — угол подъема винтовой линии, характеризующий крутизну навивки пружины.
При составлении рабочих чертежей пружин на последних кроме простановки размеров указывают число витков и приводят диаграмму работы пружины (черт. 61), на которой указывают стрелу предварительного поджатия /0, усилие предварительного поджатия По, рабочее наибольшее усилие пружины П и отвечающую ему стрелу поджатия, и также иногда и наибольшее усилие Пшах, необходимое для сжатия пружины до соприкосновения витков.
Наивыгоднейшей по весу при заданной величине работы в оружии пружина получается при /0 — или, что то же самое, при/=2Х; однако при этом пружины получаются длинными и неудобными для сборки; поэтому нормально берут /0 меньше (до /0 = 4).
223
Чем меньшее число витков имеет пружина при заданной высоте ее Н, тем больше ее жесткость и тем больше угол подъема винтовой линии а. На практике угол а берется в пределах 6 — 9° (или шаг навивки пружины устанавливают от I 2/3 г до г). Высота пружины получается:
Н = nd + d 4- tie +f, (8)
где f—стрела рабочего поджатия;
е — зазор, остающийся между витками при наибольшем поджатии пружины;
nd + d — высота пружины в полностью сжатом состоянии, учитывая п рабочих витков и опиленные концевые витки.
Как видим, при работе механизмов пружина не доводится до сжатия, отвечающего соприкосновению витков; это объясняется Z, нарушением линейного за-
7 кона возрастания усилий
1 пружины, наблюдающимся
I на практике при сжатии,
I близком к соприкосновению
I витков (черт. 62). Величину
I зазора е Грейфер рекомен-
I дует брать по формуле
I е = V-.
I 4п
< Следует обращать вни-
। мание также на отношение
I ' которое для нормаль-*-•------ fmax---------*4 “ -
' ных пружин берут в преде-
Черт. 62. лах от до 2,5.
Приведенные формулы для расчета пружин не являются точными. В них, например, не учитывается такой фактор, как наклон витков; предполагается, что каждый виток подвергается •одинаковой нагрузке. Кроме того, формулы сопротивления материалов, из которых исходят приведенные формулы, можно считать справедливыми лишь для очень малых деформаций, на практике же работа пружин сопровождается деформациями значительной величины.
Поэтому целый ряд расчетных формул, с большей или меньшей точностью учитывающих характер деформаций пружины (формулы Сажина, Лендера, Лекорню и др.), не является совершенным, и приведенные выше формулы (Рело), наиболее .простые для расчетов, являются вполне приемлемыми, характеризуя условия работы с достаточной для практики точностью. Однако следует указать, что вычисления, произведенные по приведенным формулам, могут расходиться с действительностью и по таким причинам, как неоднородность проволоки, различный режим термообработки при изготовлении пружин, сорт металла и пр. 224
Варьируя величиной модуля сдвига G, принимаемой для расчета, можно получить совпадение расчетных и опытных данных. Для пружин, применяемых в качестве возвратных пружин в оружии, где существует не особенно широкий диапазон в относительных размерах пружины, а также более или менее однообразен и процесс изготовления пружин, величину G, как показывает опыт, следует брать в пределах от 8000 до 9000 кг!мм?-. Лишь в случаях слабых пружин малых размеров совпадение расчетных данных с практикой получается при меньших значениях модуля сдвига G.
(Для материала пружинной проволоки экспериментальное значение модуля сдвига G получается следующее: патентирован-ная проволока G = 8200—8350 кг[мм2, для углеродистой стали при применении закалки с последующим отпуском приблизительно 7500 кг!мм?).
Для сокращения расчета пружин в приложении дана номограмма для расчета, по которой определяют по величинам П и D — 2г диаметр проволоки и отношение стрелы поджатия к числу витков, исходя из величины Rs — 85 кг)мм? или 90 кг/мм2 (имеются соответственно две шкалы).
Пример расчета пружины. Положим, что пружина должна дать работу, равную 1,2 кг на длине хода 120 мм-, внутренний диаметр направляющей трубки, в которой пружина помещается, не более 15 мм. Найти конструктивные размеры пружины.
Пружина работает на сжатие. Ориентировочно задаемся средним диаметром пружины 13 мм, учитывая необходимость зазора между пружиной и направляющей трубкой и предполагая, что проволока будет иметь диаметр менее 2 мм. Предварительное поджатие назначаем 3,5 л г. Ищем предельное усилие пружины при полном сжатии: к = 120 мм:
~П°2 П к = 1,2;
отсюда П — 16,5 кг.
Принимая = 8500 кг[см?, получим диаметр проволоки:
,, 16,5-1,3 ,
d 0,393 • 8500 СМ •
d = 1,85 мм.
Округляя в большую сторону до стандартного диаметра проволоки, берем d = 2 мм:
что вполне допустимо;
П 16,5 р, , 16,5 , о , о п
**1 f fa х ’ П° "Vo 12 fo — 3,5; f0 — 3,2 см.
А. А. Благонравов—124—15
225
Число витков:
32 • 8000 • 24 __
= 64/6,5»-3,5" = 67 ВИТК0В
Подобранная пружина имеет наружный диаметр 15 мм, почему входит без зазора в трубку, и, кроме того, стрела предварительного поджатия по сравнению с ходом к мала, что является признаком жесткой пружины \
Берем другой вариант, увеличивая предварительное поджатие до 5 кг и изменяя средний диаметр пружины до 12,5 мм. Тогда:
П = 2/Ц _ = 2^4 5 = 15
~ 0,393 • 8500 СЛ<3’ d = 1’78 ММ'
Принимаем d = 1,8 мм-, поверяем соотношение между /0 и X:
/о = 6 см = -^-. 60 • 8000 • 1,84 ,
п = " 64 • 6,253 5 = 65 Рабочих ВИТКОВ.
Наружный диаметр пружины 12,5 + 1,8 = 14,3 мм, диаметральный зазор между пружиной и трубкой—0,7 мм.
Пружина удовлетворяет условиям.
Ее полная длина в разжатом состоянии сложится из следующих величин: 1) из длины полностью сжатой пружины, равной (65 + 1) 1,8 = 119 мм\ 2) из необходимого запаса на то, чтобы пружина не сжималась до соприкосновения витков; берем запас 30 мм, из расчета примерно 0,5 мм на виток; 3) из полной стрелы поджатия /0+ X = 180 мм-, отсюда Н= 325 4- 330 мм.
Проверяем последний вариант по номограмме (см. приложение). Прикладывая линейку к точке П = 15 кг на правой шкале и к точке D — 12,5 на второй слева шкале, читаем (при #5 = 85 кг/мм1 2) — по левой шкале правый столбец ” = 2,8 и по шкале диаметра проволоки d^1,8 мм-, так как / = 180 мм, то 180 с.
п = jg- — 64 витка.
Цилиндрические винтовые пружины круглого сечения с закрепленным концом, работающие на скручивание. Применение цилиндрических винтовых пружин, работающих на скручивание, встречается в оружии сравнительно
1 Излишнюю жесткость пружины можно было обнаружить сразу, сопоставив величину По и полученную величину П; действительно, Д- = =
П П Jo J
=—т—т-2-; в данном случае: Х==/—f0= 2 см, П —- По = 13 кг, ~ J Jo л
По , 3,5 . „ , X
= - г. , откуда /о = -тт X, а нужно для нормальной пружины fe 1 1 1 1 о 1О
226
редко; в этом случае один конец проволоки пружины заделывается в неподвижной детали, другой же конец связывается с деталью, имеющей вращение вокруг оси, совпадающей с геометрической осью пружины. При Деформации (повороте второго конца пружины) проволока пружины в качестве основной деформации испытывает деформацию изгиба, поскольку кривизна витков изменяется при закручивании пружины. Рассмотрим элемент витка пружины длиной ds (черт. 63), имеющего до деформации радиус р0; после деформации радиус витка уменьшается, получая величину р; пренебрегая деформацией растяжения проволоки, т. е. принимая длину ds неизменяемой, а также пренебрегая углом подъема винтовой линии, получим, что если центральный угол, отвечающий взятому эле
менту витка, до деформации равен то после деформации он будет равен d§, причем:
ds = р0 <Z0o = р tZO.
Уравнение изогнутой оси для рассматриваемого элемента напишется:
El(-------) = Л1, (8)
\ Р Р» / ’ ' '
где М — изгибающий момент, постоянный по всей длине, поскольку имеем случай кругового изгиба.
Заменяя р через р0, получим:
М = Е1— Ро W0O J
Называя изменение центрального угла для элемента витка da, имеем:
М = • da.
Интегрируя по всей длине проволоки пружины, получим:
М -.L = Е • / • а, (9)
где L — длина проволоки пружины; а — угол закручивания пружины.
Для пружины, изготовленной из проволоки круглого се-ения, г____________________________
1 “ 64 ’
227
отсюда
лл Е /И = . -^7 • а,
L 64
так как М = П • г, то, называя стрелой деформации пружины перемещение ее конца / = га, получим:
г 64MLr 64П г о .
/ = га. — - „ „ .. Аг2. (Ю)
J End* End* v '
Напряжения в проволоке пружины 32М 7ttZ8
Отсюда, принимая допускаемые напряжения Rb, получим формулу для расчета диаметра проволоки по заданному моменту: d3=^ (И)
из формул (Ю) и (И) получаем также:
О2)
что позволяет определить допустимую величину угла закручивания пружины при заданных ее размерах и допускаемых напряжениях. Величину допускаемых напряжений на изгиб для проволоки принимают при расчете .100—120 кг]мм2.
Более точные формулы для расчета пружин этого типа получаются, если учитывать угол подъема витков (угол подъема винтовой линии):
n 32М cos (3
^ = —<11а)
/ = г. а = (1+И Sin 23) (10а)
([а — коэфициент Пуассона, р —угол подъема).
Пример расчета. Определить допустимый угол закручивания пружины и наибольший момент, даваемый пружиной, если Rb = 100 кг]мм2, пружина имеет 6 витков, диаметр проволоки d — 1 мм, радиус витка г — 5 мм, Е = 2 • 104 кг/мм2.
По формуле (12) находим:
2£ Rb d ' Е ’
но L • гг,
4л • 5 • 6 • 100 Л с то о а = —л 2 ; jQ4— = 0,6it = 108 ;
= /?Л = 9,8 кг-мм.
Цилиндрические винтовые пружины прямоугольного сечения применяются в качестве буферных пружин 228
(в амортизаторах), а в качестве возвратных пружин могут служить в автоматике крупных калибров (например пушка Эрликон). Расчетные формулы: при работе пружин на сжатие:
n = V3^--^; (13)
2nk • пР3 П _ к » nP3k т]3864 G 4т)364 G
(14)
где т]2 и т]3 — коэфициенты, зависящие от отношения размеров сечения — = k;
И
пружины.
' Таблица значений к)2 и т|3
-с> II •ее *)2 *1з
1 0,208 0,140
1 1,5 0,231 0,196
v2 0,246 0,229
х/з 0,267 0,263
V4 0,282 0,281
свитых вместе
b — меньшая сторона h — большая;
D—средний диаметр Цилиндрические винтовые пружины канатного сечения. Если несколько проволок свить в одну, а затем из такой проволоки изготовить цилиндрическую винтовую пружину, то такую пружину называют пружиной канатного сечения или многожильной пружиной (трехжильной, четырехжильной и т. д. в зависимости от числа
Экспериментальная диаграмма сжатия таких пружин получается типа, изображенного на черт. 64. Эта диаграмма показывает, что в начале сжатия пружины ее жесткость как бы меньше, после же некоторого поджатия жесткость увеличивается, и в дальнейшем диаграмма сжатия пружины не отличается от такой же диаграммы обыкновенной винтовой пружины. Это явление можно объяснить влиянием при деформации
прямоугольника сечения;
пружины сил трения м“ежду жилами
проволок).
Черт. 64.
пружины.
Сравним сначала работу такой пружины, имеющей т жил> с системой т параллельных обыкновенных пружин, изготов-
229
ленных из проволоки, которая применена для отдельных жил пружины. Пусть диаметр проволоки равен d, радиус витка г, число витков п, жесткость каждой пружины if.
Не-
полное усилие при сжатии системы пружин до величины стрелы поджатия f будет равно:
тП = т • »]/.
Допустим, что изготовлена одна обыкновенная винтовая пружина с тем же числом витков, с тем же радиусом витков, но с поперечным сечением проволоки, равным сумме т поперечных сечений указанных выше пружин:
bD2 mud2
Т ~ 4~’
или
D = d т.
Допустим, что система т, тонких пружин и последняя пружина деформированы так, что напряжения в проволоке во всех случаях одинаковы и равны т.
Это выразится следующими условиями:
16Пг 16П,г
т = и т==-^’
где Г^ —усилие пружины из толстой проволоки; из этих усло-
вий получаем:
п = п,£
п, mY~m
или
тП —
Ym
Следовательно, для деформации толстой пружины потребуется усилие в т) раз больше, чем усилие для деформации системы тонких пружин. Жесткость пружин выразится следующим образом:
пружины из тонкой проволоки
— Gd*
— 64пг3 ’
пружины из толстой проволоки
__ GD1 ___Gd^m*
64пг3 64лг”
отсюда:
^-=т\
*1
230
или
т. е. жесткость пружины из толстой проволоки в т раз больше, чем жесткость системы тонких пружин.
Сравним теперь стрелу поджатия систем тонких пружин f со стрелой поджатия пружины из толстой проволоки /х:
/ _ п . г __ п,__ п ____ f
’I ’ 1 ’ll i] I' m У Th
Сравним потенциальную энергию системы тонких пружин с потенциальной энергией пружины из толстой проволоки:
mA = т 11x4 = т
Мы видим, что потенциальная энергия в обоих случаях одинакова.
Переходя теперь к пружине канатного сечения, можем указать, что по экспериментальным данным работа, требующаяся для деформации такой пружины, одинаковой с деформацией т раздельных пружин, оказывается несколько большей:
Ао — kmA *; J
здесь А0 — работа сжатия многожильной пружины; А — работа сжатия отдельной пружины из тонкой проволоки.
Для трехжильной пружины Л = 1,2 —1,3 (в зависимости от шага навивки пружин).
Из изложенного вытекает возможность следующего способа расчета многожильной пружины: заданную величину работы пружины делим на ink и по полученной величине рассчитываем диаметр проволоки и число витков как для обыкновенной пружины; полученный расчетом диаметр d означает диаметр одной жилы, п—число рабочих витков многожильной пружины.
Благодаря более тонкой проволоке, идущей на изготовление пружины, ее механические качества оказываются более высокими, и величину допускаемых напряжений при расчете можно брать
Rs= 100 -f- ПО кг) мм?.
Приведенное выше сравнение с обыкновенной пружиной показывает, что для выполнения одинаковой работы с обыкновенной пружиной пружина канатного сечения будет получена с меньшей жесткостью. Последнее ведет к несколько большей живучести пружин канатного сечения, в чем й заключается их достоинство.
* По данным заводских опытов, приведенный способ расчетов также заимствован из заводской практики.
231
Некоторые справочные данные о пружинной проволоке и пружинах. В качестве справочных данных приведем таблицу нормальных диаметров пружинной проволоки и допусков на ее диаметр по ОСТ 8033.
Таблица 24
Диаметр пружин проволоки, мм Допуск на диаметр, мм Диаметр пружин проволоки, мм \ Допуск на диаметр, мм Диаметр пружин проволоки, мм 1 Допуск на диаметр, мм Диаметр пружин проволоки, мм Допуск на диаметр, мм
0,3 4-0,02 - 0,01 0,7 +0,03 -0,01 1,4 +0,04 -0,02 3,о +0,07 -0,03
4-0 02 -0,01 +0,04 —0,02
0,4 0,8 +0,03 -0,01 1,6 3,5 +0,07 -0,03
0,45 +0,02 -0,01 1,8 +0,05
0,9 +0,03 —0,02 4,0 +0,07
0,5 +0,02 -0,01 —0,02 2,0 +0,05 —0,02 -0,03
+0,03 —0,02 +0,08 -0,03
0,55 +0,02 —0,01 1,0 2,3 +0,05 - 0,02 4,5
0,6 +0,03 —0,01 1,2 +0,04 -0,02 2,6 +0,05 — 0,02 5,0 +0,08 -0,03
Проволока наших заводов при содержании углерода от 0,75 до 1% имеет следующие механические качества: временное сопротивление ай = 130+• 150 кг 1мм2 (в зависимости от диаметра); предел пропорциональности <зр^91^ь-, удлинение 4—6%: для патентированной проволоки ай до 200 кг/мм2-, для рояльной проволоки <зй = 175300 кг [мм?, ар^0,55зй.
Для готовых пружин средние допуски можно принимать следующие: на наружный диаметр + 2%, на высоту пружины ± 2%. Отклонения значения расчетного модуля сдвига зависят от качества металла, режима термообработки и составляют ± 1-2%.
О влиянии допусков на работу цилиндрической винтовой пружины. Отклонения от номинальных размеров (d, г, И) в пределах устанавливаемых допусков могут заметно отражаться на величине работы пружины. Возьмем, например, боевую пружину, примененную в одном из образцов оружия, со следующими данными: d = 1,О+0’05 мм, D = 2г = 4,75_о,з мм, Н — 37_0,з мм, п = 16.
232
Допуская напряжения Rs = 90 кг/мм2, произведем расчет рабочего поджатия пружины при номинальных ее размерах.
n = iVv-fe = тйзв• 90 = 7>43
64г3лП _ 64 • 2,3753 • 16 • 7,43 _ 10 7 J~ d*G ~ 1-8000 12,Z ММ'
Полагая, что стрела предварительного поджатия /0 = б ммг имеем:
рабочий ход
К = 6,7 мм-,
усилие предварительного поджатия
По = П^- = 3,5 кг-,
работу пружины в оружии
к = 5,465 - 0,0067 = 0,0366 кг - м. А
Сделаем расчет для крайних отклонений от номинальных, размеров: d = 1,05, 0 = 4,45, /7 = 37 мм, полагая, что условия работы останутся прежними, т. е. /0 = 6л/л, к = 6,7 мм. Имеем:.
П = f _GdL..
J 64r3n ’
= 10,99 кг.
Напряжения в проволоке:
, _ 16Пг = 16 • 10,99 • 2,225 . g , 2.
Т ~ itd3 3,14 • 1.053 116 кг1мм ’
работа пружины:
Ах =-----2------- 0,€067= 0,0541 кг • м\
замечаем, что благодаря допускам на изготовление пружины: напряжения могут возрасти на 20% выше допускаемых, а работа пружины в оружии увеличится на 40%.
Разобранный пример показывает, что в тех случаях, когда от пружины требуется выполнение работы определенной величины, необходим достаточно внимательный подход к назначению допусков; например, излишне сильная боевая пружина может вызвать сквозное пробитие капсюлей; наоборот, слабая боевая пружина приведет к осечкам.
Разберем вопрос о влиянии допусков в более общем виде.
233
Поскольку работа пружины в механизме:
Л1== По + II ^4
изменяется в зависимости от изменения длины рабочего хода « от изменения усилия предварительного поджатия и рабочего усилия, то отметим, что длина рабочего хода зависит не от -самой пружины, а от допусков на размеры сопряженных с пру-жийой деталей. Величины же По и П будут зависеть от свойств пружины.
Изменение величины работы пружины можно выразить:
ВЛ1=6(П0 + П) . вх.
А п0 + п ‘ х ’
где 8П0 и 8П — отклонения усилий от их расчетных величин;
3k — отклонение длины рабочего хода от ее расчетной величины.
Исследуем зависимость 8П0 и 8П от установленных допусков «а размеры пружины и от отклонений величины модуля сдвига G от расчетной его величины. Взяв формулу Рело:
п = -^-у
64r3n
майдем, что
По + П = -^-(/о+/).
Прологарифмируем и затем продиференцируем последнюю зависимость:
</(П0 + П) _ dG л d(d) , rf(/o+/) dr _ dn
П„ + П “ G d ‘ fa+f 6 r n •
Заменяя диференциалы величиной отклонений П, О, d, f, г и п, получим приближенную формулу:
В (По + П) BG ;Bd В/о /„ В/ f , Вг 5п , -пГПГ = -о- + 4^-+лГ-лГРУ + т' /Т+7-3“--7Г- <15>
Заметим, что 3/0 = 8/=8//, так как при сборке в данном механизме стрела поджатия пружины увеличивается на столько же, на сколько увеличивается высота пружины (влиянием изменений К пренебрегаем).
Учитывая, личин и от получим: что в общем случае отклонения от расчетных ве-номинальных размеров могут быть в обе стороны,
, 6Л1 _ + 4 + 8d 2// □ — Ъг ’ /о +/ 6 Г -5^- + ^ (15а)
+ -А, G d 1 н
а _ — ZG + 4 — Brf , -ън 2Н о 4-Бг (156)
G d 1 н /о+/ Г
234
. B/L g, g,
где + -д1- обозначает наибольшее относительное изменение ра-боты пружины в большую сторону, а--------£ — в меньшую сто-
рону, знаки 4- и — при отклонениях величин Q, d, Н, г, п обозначают также отклонения этих величин в ббльшую или меньшую сторону.
Применяя эту формулу к рассмотренному выше примеру, имеем:
— 8rf
4- — — 5°/ ~bli — о +Sr _ n ~8г
+ d d. и’ г ~и> г
= _ — 4,75 ~
— = 0.
п
-6,3%,
Т = 0> ^ = -0,81%,
Изменения модуля сдвига 8G и изменения рабочего хода ок во внимание не принимаем.
Получим:
+ = 4.5% + 3 • 6,3% 39%;
“ = - W * °’81% ~ ~ 3’2%-
Итак, благодаря влиянию допусков изменение работы пружины в механизме может достигнуть значительной величины как в сторону уменьшения, так и увеличения, что может нарушить правильность функционирования механизма. Правда, нами разобран случай неблагоприятного совпадения отклонений в размерах, но тем не менее во всех случаях, когда возникает необходимость иметь величину работы пружины в определенных пределах, надо подходить к назначению допусков на размеры пружины, исходя из изложенных соображений. Иными словами, для правильного подбора пружины необходимо опытным путем проверить работу механизма при слабых и сильных пружинах и этим установить практически допустимые пределы для работы пружины: назначить номинальные размеры пружины, рассчитать их для среднего значения величины работы, определить в процентах отклонение крайних пределов величины работы от среднего значения и по формулам (15а) и (156) рассчитать допуски так, чтобы сумма относительных изменений в правой части равенств (15а) и (156) не превышала найденных процентов. При этом может оказаться, что не всегда можно обеспечить требуемые условия и при неблагоприятном сочетании допусков все же величина работы пружины выйдет из заданных пределов, либо придется работать с непосильно жесткими допусками. Поэтому всегда необходимо производить проверку пружин, измеряя величину рабочего усилия пружины и устанавливая допустимые пределы изменения его в соответствии с требуемой работой пружины.
Пластинчатые пружины имеют применение в спусковых механизмах, ударных, выбрасывателях, подающих механизмах.
235
Работая на изгиб, они требуют для своего расчета формул из теории изгиба.
Рассмотрим сначала плоские пластинчатые пружины.
Если пластинчатая пружина прямоугольного сечения (черт. 65),
постоянного по всей
__
ж.
1/7
длине, то расчет ее ведут по обычным формулам изгиба.
Работа пружины:
Черт. 65.
L
= 1 /' APdx"
— 2 J EI ’ о
где М — изгибающий момент;
I—момент инерции сечения пружины (по известному выражению потенциальной энергии изгиба — из сопротивления материалов).
Отсюда:
А = 1 Г П2лМг 2 ./ EI 0 12П2£3 ЪЕЬ№ ____ 2П2/3 — Ebh3 ' (16)
Стрела прогиба / — П J-L — J — EI ’ 3 “ 2 Z2 3 h E ’ (17)
усилие П = #-6 Jh. L ’ (18)
жесткость П 1 ’’=/-4 bh? A3 E. (19)
Плоские пластинчатые пружины переменного сечения. Если пружина имеет треугольную форму (черт. 66) (равного сопротивления), то:
f П L3 L2 Rj) f17\
J ~ EI ’ 2 — Л ' Е ‘ ' '
Усилие — по формуле (18). Жесткость
ъ = <19а>
Здесь момент инерции сечения I берется для широкого селения.
Для расчета пружины переменного сечения руководствуемся следующими соображениями. При интегрировании уравнения изогнутой оси: Ely" = М следует иметь в виду, что / — переменная величина, зависящая от места расположения сечения пружины х; поэтому для интегрирования следует выразить / в функции от х. В качестве примера рассмотрим пружину, у ко-236
торой толщина h постоянна, а ширина меняется от а у основания до b на конце, так что в плане пружина имеет вид трапеции (черт. 67). Назовем ширину пружины на расстоянии х от конца Ьх, тогда
bx = b + kx,
где
I = ^ = ~(b + kx).
Работа пружины выразится:
L л_1 f M*dx
Л 2 J EI ’ о
L
__л П2 1 Г х2 dx
“ Ь ”Ё F J b +kx ' о
. П2 ( А2 b т , b* in kL + b\ .
= 6~Eh* I 2k + -К 1П ’
П2 /Л2 b J Ь* 1 а\
° Eh* \2k k* k*[n b)''
= (2°)
где
»r__ a ab , ab2 )ri a
7V — 2 (a — b) (a — b)2 + (a — b)3 П ~T’
Стрела прогиба (по теореме Кастильяно):
f — дА — 12П£3 V-
? ~ •“ Eah3 ' /V’
= Дг1^.
£/ ’
(21)
здесь — численный коэфициент, зависящий от отношения-^- ; так (см. таблицу на следующей странице):
237
ь а N
0 0,5
0,1 0,463
0,2 0,438
0,333 0,417
0,5 0,386
0,8 0,340
1 0,333
чая: пластинчатая
Связь между усилием на конце пружины и напряжениями попрежнему выражается формулой (18).
Подобного типа пружины встречаются в спусковых механизмах, в качестве пружины выбрасывателя и т. п.
Изогнутые пластинчатые пружины. Расчетные формулы для таких пружин получаются различными в зависимости от формы пружины. Разберем пример расчета подобной пружины для простого слу-
пружина постоянного сечения в ненагружен-ном состоянии изогнута на дуге окружности (черт. 68); разберем деформацию пружины при нагрузке ее сосредоточенной силой на конце П, полагая другой конец жестко закрепленным: изгибающий момент
М — П(а — л); работа пружины . _ {муз. Л J2EI’
Черт. 68.
О стрела прогиба z — дА дП S
__ d CXI2 (а—х)2 ds ~ Oil J 2Ё1
о
п
= gy /*11(0 —р sin <f»)2p<Z<p, о
где р — радиус кривизны пружины;
df—центральный угол, отвечающий дуге cfs; ds — элементарная дуга окружности;
—— центральный угол, отвечающий всей дуге.
Отсюда:
п
I" (а2 — 2ар sin <f> + р2 sin2 <р) dy;
О
/ . 2к
/ sin
Пр / а2п , Л к Л , о к о п
= 7:7 + 2арcos — — 2ар + р2^-р2 —
— ЕР
238
где через К назван численный коэфициент, зависящий от величины дуги пружины, подробное выражение которого написано выше в скобках. Учитывая, что
a = Psin £,
A'=p2-J-sin2^- + p2 sin-2- —2p2sin-^- +р2^ —-J-sin
л тс 13 • 2тс п • тс . тс \
sin2------h Т" Sin —-------2 Sin-------h ъ— •
n 1 4 n n 1 2n J
Обозначая стоящее в скобках выражение Ki, имеем:
/ = (22>
или <22а>
где о Я Sill8 — п Значения Кг (см. в таблице). Прочность пружины рассчитывается по обычной формуле тео- к | с: II э- л "3" т л т
К1 0,227 0,121 0,0427
К, 0,350 0,342 0,341
рии изгиба:
Если пружина изогнута не по дуге окружности, а ее форма5 может быть выражена уравнением y — F(x), то составление расчетной формулы производится аналогичным путем:
М = П(а —л);
5 . _ ГМ* ds Л j 2EI '
О
S f=~[ П(а-х)2^. о
Учитывая, что
dS = /l + [F'«dx;
а
(а~х)2 /1 + I/7' (x)]2Jx. о
(23>
Как на пример применения пружин подобного типа укажем на пружины на крышке короба пулемета Максима, помогающие спусканию личинки при движении замка.
239'
Пружина типа, указанного на черт. 69, нагруженная посредине нагрузкой П, может быть рассматриваема, как составленная из двух пружин предыдущего типа с нагрузкой на концах у, и ее расчет приводится к предыдущему случаю.
Общее замечание о работе пластинчатых пружин. Приведенные способы расчета пружин являются лишь приближенными, но чаще всего применяемыми на практике. Точ-чем большей жесткостью обладают пружины. При более мягких пружинах расчетные данные могут значительно отличаться от истины вследствие двух причин:
1. Уравнение изогнутой оси в виде Ely" — Л1, применяемое в сопротивлении материалов, справедливо лишь для малых
деформаций изгиба, так как оно выведено в предположении, что отклонение касательной к оси изгибаемой пластинки при деформации пренебрежимо мало; более точно уравнение изогнутой оси должно быть, как известно, выра-ЖРНП. Ely" ______дд
жен0- (1+у1 2^ ~М'
2. Для тонких пластинок условия изгиба иные, чем для брусьев, для которых выведены приведенные выше зависимости Ч Спиральные ленточные пружины (черт. 70). Как пример применения таких пружин, можно указать возвратную пружину пулемета Льюиса, магазин пулемета Дегтярева и др.
Выведенные выше формулы (8) и (9) вполне применимы для этого типа пружин, так как условия их работы идентичны со случаем закручивания винтовых пружин.
Для ленты прямоугольного сечения имеем:
П = — б ' г
f==rn_JL - 2LT Rb J r EI h ‘ E '
ность расчетов тем выше.
Черт. 70.
(24)
Работа полная
i i
. _ 1 f №ds _ C/te ~ 2 J EI ~ 2EJ Г
(25)
о
О
1 С. Тимошенко, Курс сопротивления материалов, гл. 17; его же, Со-
противление материалов, ч. II, гл. 3.
240
так как пружина работает, имея деформацию изгиба; здесь ds — элементарная дуга закручивания пружины, а — угол закручивания, М — момент, кбторый дает пружина, /—момент инерции поперечного сечения ленты, L—длина ленты (выпрямленной пружины), М = П . г, г — наибольший радиус пружины. Концы пружины предполагаем закрепленными:
Л ~ 2 Е I - 2 EI • W
Полагая, что пружина имеет вид, близкий к Архимедовой спирали, и обозначая г0 расстояние между смежными витками (считая от середины сечения каждого витка), назовем угол спирали ?, число витков я; тогда <р = 2лп; длина ленты при п > 4 может быть определена:
I = <f2 = «Ч = ягп (27)
(в том случае, когда внутренний конец закреплен в центре).
Пример на расчет спиральной пружины. Пружина свертывается из ленты длиной 150 см, имеющей поперечное сечение 8 X 1 мм2, наибольший радиус 5 см. Определим наибольшее усилие пружины при допускаемом напряжении Rb — = 12000 кг/см2:
п 8 • I2 120 о о
П — 6 ' 50" ~ 3,2 Кг‘
Дуга прогиба f „ 2 • 1500 • 50 • 120 onn
f = га. ==---2 • 10* • 1-= 900 мм-
Соответствующий угол закручивания
а = ^= 18,0 = 5,74-гг.
Если всю работу в оружии пружина должна совершить на одном обороте, то угол начального поджатия (угол закручивания при сборке): 5,74л —2л = 3,74л.
Усилие предварительного закручивания (при сборке):
П -П-3’74"-3»2'3’74 -2 09 *3
Ио ~ 11 5,74л 5,74 — 2,иУ К2‘
Работа пружины в механизме: потенциальная энергия пружины при закручивании на угол 5,74л:
. _ 1 ПМ£ — 2 EI '
при закручивании на угол 3,74л:
. _ 1 ПфГ2£
712 “ 2 EI ’
А. А. Благонравов—124—16
241
следовательно, работа пружины в механизме: А' = А1-Л2=1.^(т-П02);
= 42^о*:5о°8 12о,1»<3’22-2>092) = °’82 кг •м
Следует учесть, что при шарнирном закреплении наружного конца пружины напряжения распределяются неравномерно по длине пружины; в этом случае наибольшие напряжения будут в наружном витке в
формы встречаются
сечении, противоположном свободному концу; изгибающий момент в этом сечении будет Ми = 2Пг. Это нужно принимать во внимание при назначении допускаемых напряжений в пружине.
При расчете пластинчатых и спиральных ленточных пружин на изгиб принимают допускаемые напряжения = = 100—н-120 кг]мм2, а в случаях статической нагрузки для тонких пластинчатых пружин толщиной, менее 0,5 м.м, даже до 150 кг [мм\
Примеры расчета пружин сложной формы. К пружинам сложной формы относятся пружины преимущественно типа пластинчатых, но скомбинированные из нескольких пружин одного или нескольких разных типов.
Расчет таких пружин можно свести к случаям расчета простых пружин (учитывая вместе с тем изложенные выше неточности расчета). Пружины сложной [в спусковых механизмах в качестве подающих пружин в магазинах, реже—в качестве боевых пружин (например двуперая боевая пружина в пулемете Максима). Приведем несколько примеров расчета сложных пружин, имея в виду, что охватить все случаи конструирования пружин сложной формы невозможно.
Рассмотрим, например, пружину типа, изображенного на черт. 71, состоящую из двух ветвей, являющихся продолжением концов винтовой пружины с малым числом витков, работающей на скручивание (пружина типа „английской булавки").
По величине допускаемого напряжения Rb, длине ветви I, радиусу витка rv числу витков п и диаметру проволоки, из которой изготовлена пружина, d, находим допустимое усилие, которое можно приложить к ветви пружины:
ТТ _ О
11 ~ 321 •
242
Очевидно, тот же результат получим, исходя из условий работы витков пружины:
7И=^/?й; М = П • Z = Пгг.
Находим стрелу прогиба конца ветви пружины: перемещение конца ветви определяется: 1) прогибом всей ветви, 2) поворотом ветви благодаря закручиванию винтовой пружины на угол а:
прогиб ветви
1 Ш3
ТЁТ’
где
кд?4
64 ’
а -
угол закручивания пружины ML ________________________ м • 2пгп
EI EI ’
перемещение конца ветви благодаря закручиванию пружины
потенциальная энергия взведенной пружины
Л
В качестве второго примера рассмотрим двуперую пружину (черт. 72), закрепленную шарнирно в точке А.
Обозначим усилия в концах Пх, П2; соответственные каждого пера и Z2. Полагая пружину прямолинейной, иметь П2/2 = (считая в этом случае длину пера равной плечу приложения усилия П относительно точки опоры пружины А). Работа, поглощенная пружиной:
/ z, \
боевую-
Z1 I х2 dx
ДЛИНЫ будем
"г
/?
Черт. 72.
£ х2 dx
(28)
^£3 \*7 <1 *2 •'2
\О О
Если пружина имеет постоянное поперечное сечение в обеих ветвях, то формула упрощается:
Д=------Ш -J-+42 ;
2EI 1 \ 3 3 /
п2 /2 П2 /2
= ^7L(/1 + 4)=~(4 + 4). 6EI ос/
(28а)
1
А -2
243
Обычно из геометрических соображений легко найти сближение концов пружины, определяющее стрелу прогиба каждого конца. Обозначив /х и /2 соответственно стрелы прогиба концов, имеем:
П Z3 П /3
г __Н1Ч . г _ 112*2
'2==~ЗЁГ
ъ i22'
Зная сумму /1+/2 и отношение-4-, можно найти и /2 порознь, J 2
затем определить Щ и П2, рассчитать наибольшие напряжения и определить работу пружины.
Пример. Подобрать толщину двуперой пружины по следующим условиям: ширина пластинки не более 3 мм, длина одного пера 50 jwjw, другого 70 мм.
По чертежу находим, что при сборке пружины сумма стрел прогиба концов равна 3 мм, во взведенном положении 15 мм. Работа пружины в механизме должна быть не менее 0,1 кг-м. Найти усилие на сжатие всей пружины и наибольшие напряжения.
Полагая пружину одинакового поперечного сечения, имеем потенциальную энергию пружины при сборке:
п2 /2 4= бй°г(/1 + 4).
Потенциальная энергия пружины во взведенном положении:
п2 z2
^2= ”6^7“ + А>)-
Работа пружины в механизме:
A' = A2-AV= % 2 (П2-П2о^10 кг-см. (а) С другой стороны:
A = Z22 — о-
/2 502 25
= 2/2; /х + Л = 15 мм; /1=10мм; f2 = 5 мм.
Стрелы прогиба при сборке: /10 = 2 мм, = 1 мм. Так как fi= 5/10, то Щ = 5П10, что следует из (30); уравнение (а) дает:
-«-7-2-^725 4= ’°; и;-213(юо/. (6)
Из формулы (16) П /3 П • 73 = 0,000057 Щ.
244
Подставляя полученный результат в предыдущий: Пх = 213-57-10-3= 12,3 кг-, П10 = 2,46 кг.
Соответственно -^-= 17 «г; 1120 = 3,4 кг.
Находим из (б): п? 148
1 = 213000 = 213000 =0>000694 см^
. bh3 0,8/t\ ,3 _ 12 • 0,000694
12 — 12 ’ Л — 0,8
Поверяем наибольшие напряжения:
Отах — bhi — bfl2 — 6- 12,3 • 7
~ 0,8 • о,222 = 13300 кг/см?.
Расчет показывает, что поставленные условия выполнить нельзя: нужно увеличить длину пружины или же пойти на уменьшение ее работы, если это возможно при обеспечении правильной работы механизма, иначе пружина будет весьма непрочной и крайне жесткой. Практическим мероприятием будет утолщение пружины у точки опоры, что несколько изменит условия ее работы.
Иногда условия работы двуперых пружин будут несколько иными; именно, возможны случаи, когда каждая ветвь работает независимо от другой, например, если пружина не может свободно поворачиваться; в этих случаях каждую ветвь придется рас-
= 0,0104 cjw4 h ^2,2 мм.
Черт- 73.
считывать отдельно.
В качестве третьего примера разберем работу подающей пружины, составленной из ряда пластинчатых изогнутых ветвей типа, изображенного на черт. 73. Пусть ширина пружины (длина ветви, измеряемая перпендикулярно оси пружины) равна 2а. Положим, что каждая ветвь имеет очертание двух сопряженных дуг окружностей радиуса р (работой концевых закруглений пре-
245
небрегаем). Шаг пружины обозначим 2/, причем, если высота пружины Н, а число ветвей п, то t =
По величинам а и t находим р и центральный угол, соответствующий дуге полуветви:
а = р sin срх;
р2=
отсюда:
4а2+/2 р = ~4г-;
4aZ
S111 4Я2 •
Рассмотрим, например, ветвь bdc- в силу симметричности двух ее половин достаточно исследовать условия деформации одной ее половины bd, при нагрузке пружины усилием П можно считать, что реакции со стороны сопряженных ветвей на концы ветви be равны П и. кроме того, к концевым сечениям ветви приложены реактивные изгибающие моменты р., удерживающие концевые сечения от поворота.
Взяв начало координат в середине ветви d, определим изгибающий момент для сечения правой половины ветви, отстоящего от начала координат на величину х:
М — П (а — х) — fi.
Назовем потенциальную энергию деформации для одной ветви Лх:
2*= 2ЕТ J*^2^A о
где 21 — длина выпрямленной ветви.
Концевой момент р находится из того условия, что в середине ветви имеем точку перегиба изогнутой оси, т. е. для сечения при х — О, М = 0, откуда:
р. = Па.
Следовательно,
М = П(а— х) — Па = — Пх;
~2~ ~ 2ЁТ I" ( П*)2 dl-о
Если стрелу поджатия всей пружины обозначить через /, то стрела прогиба одной полуветви равна ; последнюю находят
246
согласно теореме Кастильяно:
2L=!Cr)=_L fnxM/
2п ап EI J 11Л аь' о
но х = а — р sin ср; dl — р dy\
<Pi
-/- = нт f (а2— 2ар sin <р н- р2 sin? <р)р dy; £П Lil J
о
г 2лП о (а2 . n а п а , ф, sin 2<Pi \
f = ЁГ p3Cf ¥1 + 2Т cos<f>i-2T + -т -
ГТД Л
Гак как — = sin<рх, то:
/=М^Р3, (29)
где — <fx (sin2 <р±+ -у ] + у sin 2<рх — 2 sin <рх.
Видим, что коэфициент и р в конечном счете определяются соотношениями между а и t. Жесткость пружины:
EI 1 /on \
71 2лр3 " Nt • (29а)
Прочность пружины рассчитывается по изгибающему моменту и допускаемым напряжениям обычным путем.
Пренебрегая кривизной ветвей, приближенно можно рассчитать пружину более простым способом, принимая пластинки за плоские; тогда, идя аналогичным путем, получим:
Пл3
3
г 2лП о
и
(30)
3EI
71 — 2ла3,
(30а)
Для облегчения вычислений по формулам (29) и (29а) приведем значения (Vjp3 в зависимости от —:
а ~Г 10 5 4 3 2
NlP3 0,333а3 0,334а3 0,335а3 0,336а3 0,337а3
247
Из этой таблицы видна возможность с достаточной степенью точности пользоваться формулами (30) и (30а) вместо формул (29) и (29а).
§ 43. Затворы автоматического оружия; их связь со ствольными коробками
щадь дна гильзы.
д
Черт. 74.
Назначение затвора — во время выстрела закрывать патронник со стороны казенного среза, удерживая гильзу и делая невозможным прорыв газов. Таким образом затвору приходится принимать на себя все давление пороховых газов, действующее на пло-между передней поверхностью затвора и дном гильзы остается зазор, превосходящий некоторую величину, то при выстреле наблюдается поперечный разрыв гильзы. Это явление объясняется тем, что гильза, подвергаемая давлению газов, не может быть сдвинута давлением на дно, так как ее стенки испытывают то же давление, и между ними и патронником развивается трение.
Рассмотрим происходящее в этом случае явление, сделав некоторые допущения для упрощения задачи.
Пусть величина зазора Ал; давление газов внутри гильзы Р. Предполагаем гильзу цилиндрической и толщину ее стенок одинаковой по всей длине и равной 8. Площадь дна гильзы . Давление между стенками гильзы и патронником Р' (черт. 74).
Выделяя кольцевой элемент гильзы длиной dl, получим действующую на его поверхности величину силы трения f-~dP' dl. В сечении, отстоящем на длине I от казенного среза, усилия fP' (L — /) трения вызовут напряжения ——, если сделать допущение, что напряжения распределяются равномерно по толщине стенок гильзы (в действительности нельзя рассчитывать на равномерное их распределение, так как силы трения приложены к поверхности тонких стенок).
Относительное удлинение кольцевого элемента
_ fP'(L-l) .
1 £8 ’
абсолютное удлинение
fP'(L — l)dl_ ЕЬ ’
dM =
полное удлинение гильзы
ЕЪ ' 2 ~ 2Е‘
248
Если же удлинение достигнет некоторой величины X, то напряжения в сечении у дна гильзы определятся
Это условие справедливо в случае только упругих деформаций. Чтобы получился разрыв гильзы, нужно довести напряжение до временного сопротивления. Зная величину последнего для металла гильзы и соответствующее удлинение, можно определить приблизительную величину зазора, предельно допустимого между дном гильзы и поверхностью затвора.
Допустимый зазор поверяется „лекалом-шашкой". Например, в пулемете Максима размеры лекала-шашки заключаются в пределах 0,064 — 0,066'" или 1,63—1,68 мм (этот размер складывается из высоты закраины гильзы и допустимого зазора Д).
Поперечный разрыв гильзы произойдет при наличии условий:
1) сила трения больше разрывной нагрузки, т. е.
fP'L
5 °ь>
2) давление газов на дно гильзы также более сопротивления: гильзы разрыву
Picrf2 Pd
или-
При несоблюдении первого условия гильза имеет возможность осаживаться без разрыва; при несоблюдении второго она не может удлиниться на величину зазора, если последний превосходит допустимую величину.
Первый случай возможен при коротких патронах, второй — при наличии малых давлений в канале, т. е. практически не встречается.
При переменной толщине стенок гильзы опасное сечение может быть и не у дна: разрыв произойдет по середине гильзы; кроме того, при гильзе, имеющей скат, напряжения в стенках
Р (S, — s)
гильзы увеличиваются на величину —, где st — площадь дна гильзы, a s — площадь поперечного сечения дульца, что сдвигает место разрыва ближе к скату.
Таким образом недопустимо образование зазора между поверхностью затвора и дном гильзы, почему соответствующие размеры деталей (ствольной коробки и самого затвора) должны быть выдержаны с большой степенью точности.
Для сцепления затвора со ствольной коробкой нужно, чтобы затвор какой-нибудь из своих частей опирался на соответствующую поверхность ствольной коробки. Схематично изобразим эта сцепление, как указано на черт. 75.
Если расстояние от переднего среза затвора до опорных поверхностей а, то вся впереди лежащая часть затвора длиной а будет испытывать упругую деформацию при выстреле. Приме-
24»
нительно к изображенной схеме здесь будет сжатие передней части затвора, срезание боевых выступов и их изгиб. Эти деформации ведут к увеличению зазора между казенным срезом ствола и передней плоскостью затвора. Действительно, если Рд — давление на дно, ndb — площадь 'кольцевого сечения гильзы у дна и — площадь поперечного сечения передней части затвора, то увеличение зазора Дк определится решением уравнений:
Черт. 75.
Р1 + Р2==РД, где Ел—модуль упругости металла гильзы; £с—модуль упругости металла затвора, из которых видно, что это увеличение тем больше, чем длиннее расстояние а.
Отсюда ясна невыгодность затворов, у которых сцепляющие детали отодвинуты далеко от передней пло
скости. Но в целях удобной и простой конструкции затвора часто приходится сцепление делать позади затвора: например в пулемете Бриксиа. Правда, в этой системе влияние указанного обстоятельства сильно смягчено большими размерами площади поперечного сечения затвора так же устроены затворы, перекашивающиеся при запирании.
Как известно, существуют системы с затвором, не сцепленным со стволом; естественно, что здесь при выстреле получается возможность большой продольной деформации гильзы; обеспечение от разрывов гильзы достигается (см. системы с отдачей затвора) увеличением массы затвора, за счет чего уменьшается ускорение затвора. Подобного типа затворы иногда называются инерционными.
Кроме указанной основной функции на затворы возлагается еще целый ряд задач: затвор должен принимать участие в перезаряжании оружия (досылка патрона в патронник), вмещать в себе ударные приспособления для воспламенения капсюля1,
наконец, извлекать из патронника стреляную гильзу или патрон — при разряжании с помощью выбрасывающего механизма/
1 Ударные механизмы в целом иногда сохраняют* название „замка*. Во избежание неясностей разграничим термины: 1) затвор — механизм, в целом предназначенный для запирания ствола при выстреле, 2) замок — совокупность детелей, назначенных для производства выстрела и присоединяемых к затвору. -С этой точки зрения, например, у пулемета системы Максима, затвором является трехзвенный механизм — мотыль, шатун, замок; название замка в основе правильное, хотя к нему присоединены части, выполняющие и другие функции (личинка и части спускового механизма).
250
Так как затвору приходится принимать на себя давление пороховых газов, то он должен обладать соответствующей прочностью. Прежде всего должны быть обеспечены от смятия опорные поверхности. Если принять допускаемое напряжение на смятие для закаленных поверхностей до 2500 кг)см1 2 и выше (3500) \ то получим необходимую величину поверхности, из которой придется исходить, определяя основные размеры затвора.
В целях облегчения ручного автоматического оружия (автоматической винтовки), стремясь уменьшить размеры затвора и связанные с ним размеры ствольной коробки, допускают в этом случае еще большие напряжения, доводя их до предела, который может выдержать закаленная поверхность соответствующего сорта стали. Поперечные размеры затвора обусловливаются необходимостью перекрыть головку патрона; таким образом наименьший возможный поперечный размер затвора равен диаметру головки гильзы; в этом случае другой из поперечных размеров ради обеспечения прочности запирания согласно упомянутому расчету пришлось бы делать значительно большим. Для того чтобы облегчить систему, следует придать затвору поперечный’ габарит [круглый или (приблизительно) квадратный].
Вторым условием, определяющим поперечные размеры затвора, является необходимость помещения в нем ударника. Продольный размер затвора обычно определяется теми соображениями, чтобы полностью перекрыть отверстия (окна) в ствольной коробке, служащие для подачи очередного патрона и выбрасывания его; поэтому длина затворов (кроме качающихся) всегда превосходит длину патрона.
Различные части затвора в зависимости от его конструкции и условий работы могут быть рассчитаны по соответствующим формулам сопротивления материалов (например, срезание выступов затвора у пулемета Дегтярева, изгиб совместно со сжатием боевых упоров). Надо отметить, что каких-либо норм в отношении допускаемых напряжений не существует, и в случае если нужен подобный подсчет, приходится обращаться к аналогичным проектируемому образцу системам, определять соответствующие напряжения в частях затвора этих систем и производить расчет сравнительным способом.
Обеспечивая достаточную прочность затвора, не следует чрезмерно увеличивать его размеры, так как с размерами затвора связаны и размеры ствольной коробки, а следовательно, и вес оружия.
В конструкции затвора нужно предусмотреть меры к уменьшению износа частей. Главнейший вид износа — истирание подвижных частей; истирание опорных поверхностей ведет к увеличению упомянутого выше зазора между гильзой и затвором.
1 Эта цифра в среднем принадлежит существующим конструкциям (пуле-
мет Дегтярева— 2500 кг)см*, пулемет ZB-26 — 2900 кг/см*, пулемет Шоша — 2500 кг/см*, пулемет SIA — около 3000 кг/см*).
251
Черт. 76.
Во избежание сильного истирания необходимо производить отпирание затвора после того, как давление газов в канале упало, в противном случае опорные поверхности несут большую нагрузку, вызывающую значительные силы трения. Конструктивным средством для этого является „свободный ход“ движущихся частей (поршня в системах с отводом газов, ствола в системах с отдачей ствола); иными словами, до начала отпирания затвора должен пройти некоторый промежуток времени, чтобы не только пуля успела выйти из канала ствола, но и пороховые газы успели почти покинуть канал.
Другими мерами для устранения влияния износа затвора являются следующие:
а) возможность регулирования положения затвора в ствольной коробке (например, в системе Максима положение замка регулируется подкладками под гайку шатуна, чем выбирается зазор от износа);
б) сменные опорные поверхности (вкладыши) или сменные упоры (как в пулемете Д); в этом случае запасные части должны иметь повышенные размеры, чтобы устранить влияние износа.
Приводимая схема (черт. 76) поясняет это: при истирании изнашивается не только подвижный упор А, но и поверхность опорного выступа В; поэтому запасный упор для устранения влияния износа должен быть длиннее на величину глубины
истирания поверхности выступа. Ради уменьшения этого износа нужно также применять для трущихся частей сорта стали, наибо-
лее сопротивляющиеся истиранию, и давать им соответствующую термическую обработку. Запирание затвора может быть симметричным (двухсторонним) или несимметричным; в последнем случае эксцентрическое'приложение силы давления газов создает пару, дающую добавочный вращающий момент всей системе, что не может не отражаться на кучности боя оружия; с этой точки зрения первая система предпочтительнее.
При движении затвора следует избегать излишних трений; в этом отношении надо обращать внимание на возвратное движение затвора: обыкновенно движущиеся части (рама в некоторых системах, ударник, связанный с рамой) выполняют функции запирания затвора, благодаря чему при возвратном движении давят на запирающие части (ударник и боевые упоры в системе Дегтярева); поэтому развивается трение запирающих частей о стенки коробки; в этом отношении выгоднее такие конструкции затвора, у которых запирающие части (защелки, упоры) связаны не с затвором, а со стволом, и участия в движении затвора не принимают (например сцепные щеки в системе Федорова).
Из вспомогательных функций затвора упомянем еще о досылке патрона в патронник. Здесь важна достаточная поверхность соприкосновения затвора (досылателя) с дном гильзы, чтобы полу-
252
чить надежность досылки. Чем большая часть дна гильзы захватывается затвором, тем удачнее в этом отношении сконструирован затвор (черт. 77).
По конструкции и способу запирания затворы делятся на:
I. Скользящие затворы:
1) затворы с клиновым запиранием (пулемет Браунинга, пулемет Бергмана — черт. 78);
2) запирание путем перекоса затвора [пулемет Кольта, ZB-26 (черт. 79), Шательро, Виккерс-Бертье (черт. 80)];
3) сцепление затвора со стволом подвижными защелками: а) защелки, качающиеся в вертикальной плоскости (сцепные щеки в автомате Федорова); б) защелки, качающиеся в горизонтальной плоскости (боевые упоры в системах Дегтярева, Кьель-мана, Маузера);
4) сцепление затвора со стволом подпиранием затвора рычагом [системы Манлихера (черт. 81), пулемет Дрейзе];
5) затворы кранового типа [пулемет Гаста (черт. 82 \ пушка Шнейдера)];
6) сцепление шарнирно-рычажное [по схеме кривошипного механизма (пулеметы Максима, Фуррера)];
7) затворы, сцепляющиеся при повороте: а) всего затвора; б) передней части затвора (личинки);
8) сцепление затвора со стволом вращающейся муфтой.
II. Качающиеся затворы (пулемет Мадсена).
III. Поперечнодвижущиеся (клиновые) затворы.
IV. Инерционные затворы (не сцепленные со стволом).
Пример предварительного расчета затвора при проектировании. Выберем конструкцию затвора для проектируемой системы, например по типу Виккерса-Бертье (черт. 80). Пусть наибольшее давление пороховых газов 3000 кг] см?, площадь дна гильзы 0,9 см?. Затвор рассчитывается на наибольшее возможное усилие; последнее следует принять в предположении, что гильза не участвует в сопротивлении давлению (например,
1 В пулемете Гаста при движении ствола назад защелки 2, встречая по-верхностью выреза упоры 6, поворачиваются в направлении часовой стрелки и позволяют боевым выступам 4 проходить в пазы 3, чем достигается отпирание затвора. В запертом положении боевой выступ цилиндрической поверхностью опирается на цилиндрическую поверхность защелки.
253
к
Схема запирания '6 момент ЪЬ/стрела.
Черт. 78. Затвор с клиновым запиранием.
1 — затвор; 2 — ствольная коробка; 3 — запирающий клин; 4 — короб; 5 — отпирающий выступ короба.
Черт. 79. Затвор пулемета ZB-26.
Черт. 81. Затвор пулемета Дрейзе (системы Манлихера).
Черт. 80. Затвор пулемета Виккерс-Бертье. а —"ствол; b — ствольная коробка; с — опорная поверх ность ствольной^коробки; d •—затвор; /— опорная поверхность затвора; h и g—выступы, управляющие запиранием.
1—затвор; 2 — опорная поверхность; 3— короб; 4 — 6 — запирающий рычаг; 7 — выступ короба (отпирающий).
получила поперечный разрыв вблизи дна). Тогда действующее на затвор усилие Р = 3000 • 0,9 = 2700 кг.
Если бы опорная поверхность ствольной коробки была перпендикулярна к направлению давления на затвор, то необходимая площадь ее была бы
Р S~~R’
где R — допускаемое напряжение. Если затвор проектируется для пулемета, то примем /? = 2500 кг)см\ имеем s=l,08 сл/2.
Однако эту площадь можно получить различными вариантами
конструкции затвора; задаваясь шириной опорной поверхности
затвора, например, а = 25 мм, получим необходимую высоту ее
1 108 А г,
h = -==- = 4,3 мм
25 ’
при а = 30 мм и h = 3,6 мм.
Эти два варианта отличаются друг от друга тем, что в
Черт. 82. Затвор пулемета Гаста.
1 — затвор; 2 — вращающиеся в гнездах стволь-^ ной коробки защелки затвора; 3 — паз в защелке для прохода боевого выступа; 4 — боевой выступ затвора; 5 — ствольная коробка;
6 — вкладной упор; 7 — ствол.
первом придется производить опускание затвора для его расцепления больше на 0,7 мм, а главное, тем, что они при-
водят к различном очертаниям
ствольной коробки. Поэтому для оценки преимуществ того или иного варианта придется разработать эскизно ствольную коробку, собранную с затвором, и выбрать вариант, приводящий к более компактной и более легкой системе.
Предположим, что остановились на втором варианте. Обратим теперь внимание на то, что опорная поверхность на схеме сделана наклонной; действительно, если бы ее сделать перпендикулярной к оси пулемета, то при опускании затвора происходило бы „заедание", в свою очередь приведшее бы к износу опорной поверхности. Угол наклона опорной поверхности а определится, очевидно, следующими соображениями. В данной конструкции затвора при опускании он будет поворачиваться вокруг поперечной оси, проходящей через точку О. Чтобы не было „заедания", необходимо соблюсти условие а>аъ если —угол, образуемый радиусом вращения точки, расположенной в верхней части опорной поверхности затвора (черт. 83) с горизонтальной плоскостью.
С другой стороны, угол а не должен быть больше угла трения, в противном случае получим самооткрывающийся при выстреле затвор. Таким образом получаем пределы для а.
Если эти пределы несовместимы (ах — больше угла трения), то для уменьшения ах нужно будет удлинять размеры затвора. Это мероприятие не всегда выгодно, приводя к утяжелению
255
системы1. Поэтому удачнее будет конструкция, в которой затвор подпирается еще снизу выступом рамы b (как это, например, сделано в пулемете ZB-26), а не удерживается только трением на опорной поверхности. Останавливаясь на таком варианте, мы уже не связаны ограничением угла а в большую сторону и можем получить легко открывающийся затвор, на открывание которого не придется расходовать значительную величину энергии рамы. Из этих соображений выбираем угол а.
Учтем теперь поправки, которые можно внести в размеры затвора в зависимости от угла а.
Черт. 83. Черт. 84.
Представим схему работы затвора, как показано на черт. 84. Здесь N — нормальная реакция опорной поверхности, на величину которой и следует рассчитать последнюю по деформации смятия; fN— сила трения, F— реакция выступа рамы (трение здесь не учитывается)
N = т----------;
/ sin а 4- cos а
F = N(sin а— /cos а).
Величина опорной поверхности
_ ______Р_______
S1 ~ R ~~ R(f sin а 4- COS а)*
Высота опускания затвора при расцеплении h связана с высотой наклонной опорной поверхности
= -Л-COS а
И
S1 = —. cos а
Если Ь — ширина опорной поверхности, то
, _______Pcos а____.
bR (f sin а 4- COS а) ’
1 Кроме того, угол трения — переменная величина, так как зависит от смазки, качества обработки поверхностей и пр., почему расчеты должны проводиться с известным обеспечением.
256
при малых значениях а можно пренебречь величиной/sinа, тогда ‘4г
что отвечает произведенному выше расчету, но обеспечивает уже несколько больший запас прочности.
При достаточно больших значениях а следует поверить на смятие поверхности выступа рамы по силе F. Для последней можно взять или приведенное выше выражение или же по известной формуле нак-лонной плоскости:
F = Ptg(a —<р), где <р — угол трения.
Пусть в нашем случае получено: a — 20, причем / — 0,1 или <Р = 5°45':
Д7= _____2700______ 2700 _ 978п.
0,1-0,342 + 0,94 0,97 ^/ои>
S1 R 2500 — 1 см ;
, s.cosa 111,5-0,94
h = — = —39-----— 3,5 ММ\
F = 2700 (0,342 — 0,094) = 690 кг.
Что касается расчета запирающего и отпирающего кулачков рамы, то большее внимание в смысле прочности привлекает отпирающий кулачок. Начало отпирания затвора относится к периоду, более позднему, чем момент наличия наибольшего давления. Поэтому могут быть случаи: 1) затвор несамооткры-вающийся — угол а мал, 2) затвор самооткрывающийся, но в момент начала отпирания уже отсутствует давление газа на затвор, 3) затвор самооткрывающийся под влиянием остаточного давления пороховых газов на дно канала. В нашем примере первый случай исключается (угол а достаточно большой); более невыгодным случаем с точки зрения прочности кулачка является второй; его и следует принять в расчет.
Задаемся длиной хода рамы /х, на которой происходит отпирание затвора; в целях уменьшения длины ствольной коробки lv надо сделать возможно малой, но при этом надо помнить, что с ее уменьшением мы будем увеличивать угол наклона скоса отпирания затвора 0. Усилие, действующее на отпирающий кулачок, зависит от скорости рамы в момент встречи кулачка с отпирающим скосом затвора, так как здесь налицо удар системы, и поэтому соответствующие расчеты прочности можно будет произвести лишь после уточнения вопросов о движении системы. При предварительном же расчете затвора, назначая размеры кулачка, следует исходить из конструктивных соображений сравнением с существующими системами.
Последнее, что надо сделать, это сочетать наклон запирающего скоса с кулачками рамы, чтобы отпирание и запирание затвора совершалось беспрепятственно.
А. А. Благонравов—124—П 257
В качестве другого примера расчета затвора возьмем затвор, сцепляющийся при повороте вокруг своей продольной оси (например типа пулемета Льюиса). Затвор представляет собой цилиндр, внутри которого имеется цилиндрическое же гнездо для прохода ударника; стойка последнего играет роль кулачка, управляющего поворотом затвора для его сцепления и расцепления со ствольной коробкой (черт. 85); стойка проходит внутрь
-ф-
Черт. 85. Затвор пулемета Льюиса.
1 — боевые выступы; 2 — стойка ударника; 3 — ударник; 4 — криволинейный паз в остове затвора.
затвора через криволинейный паз 4-, передняя часть этого паза прямолинейная; в ней помещается стойка ударника при запертом положении затвора (черт. 86); при движении стойки вдоль участка аб затвор остается неподвижным, при движении на участке бв затвор поворачивается вокруг продольной оси, что
сопровождается расцеплением выступов затвора с выступами ствольной коробки; положение стойки па участке вг фиксирует затвор в рас-
ш
2 цепленном положении; упираясь в заднюю грань паза, стойка ведет за собой затвор в заднее положе-
Черт. 86. Развертка паза затвора, ние; при обратном движении СТОЙ-
1 -сечение стойки ударника. Ки УЧЭСТОК дв СЛуЖИТ ДЛЯ ПОВО-
рота затвора при сцеплении.
При расчете затвора данной конструкции подлежат определению следующие элементы:
1) число боевых выступов, определяемое конструктивными соображениями; чем больше число выступов, тем меньше будет угол поворота при расцеплении и сцеплении затвора; например, при четырех выступах угол поворота будет 40—42°, если учесть необходимость иметь некоторые зазоры между выступами ствольной коробки и затвора после расцепления затвора;
2) ширина боевых выступов, зависящая, очевидно, от их числа;
3) высота боевых выступов h, которую рассчитывают, исходя из необходимой величины опорной поверхности, на смятие согласно изложенному выше;
258
4) длина боевых выступов, рассчитываемая на срезание под действием давления пороховых газов на затвор;
5) конфигурация паза затвора.
Остановимся на последнем. Передний прямолинейный участок паза должен иметь длину в соответствии с выбранной величиной свободного хода, как указывалось выше. Криволинейный участок бв может иметь различные очертания; очевидно, от его очертаний зависят условия вращательного движения затвора; если, например, сделать участок бв очерченным по винтовой линии, то будем иметь неплавный переход от участка аб к участку бв, что вызовет удар стойки о затвор; при плавном сопряжении кривой бв с участком аб будет происходить плавное страгивание затвора с места (при условии точной пригонки профиля стойки). Построение очертания паза можно вести, исходя из выбранного закона вращения затвора. Например, полагая, что поступательное движение штока, несущего стойку ударника, происходит на участке отпирания затвора со скоростью, выражаемой в зависимости от пути штока
и выбрав закон изменения угловой скорости затвора при отпирании:
получим:
ш = У^;
угол поворота затвора:
jg М*)
8== /га dx '> о
уравнение развертки кривой очертания паза
X
y = =
J J1 V
Пусть, например, на участке отпирания затвора скорость поступательного движения штока можно считать постоянной V = а, а угловую скорость вращения затвора при отпирании выразим:
со = b sin kt, или
, k о) — b sin — x, a
имея в виду, что затвор плавно трогается с места и плавно останавливается после поворота на угол
259
Тогда:
X
f\ 7t (* b , k j/
9r =3 — = / — sin — x dt\
1 4 J a a '
о b k X
=k(1-cost4
Но из условия, чтобы в конце отпирания при х = хг угловая
скорость сделалась равной нулю, имеем:
dsin — Xi = 0;
а х
отсюда:
k
k
9 = — fl — cos к —);
ла хг1’
01= ^(1—cosk) = 4;
, к2а
Ь ~ 8хГ’
У = Г0 = ? (1 — cos к ^Y О \ /
По последнему уравнению можно построить развертку паза.
Имея очертания паза, можно рассчитать усилие, приложенное к стойке в момент отпирания затвора:
/Л1Тр [ do>\ , . .
Р=\~Г + т at
где <о —угол трения;
а — угол подъема профиля паза к образующей затвора;
I —момент инерции затвора относительно его оси;
7Итр — момент трения при повороте (учтем, что tga=_y'x).
Исследовав, при каких условиях Р имеет наибольшее значение, вычисляем его для соответствующего значения х.
Часто из производственных соображений предпочитают упрощать очертания паза; например, в данном случае паз можно сделать состоящим из следующих участков: 1) прямолинейного, параллельного оси затвора; 2) очерченного по винтовой линии; 3) вновь прямолинейного; поворот затвора будет происходить при перемещении стойки в винтовом участке паза: угловая скорость вращения затвора окажется пропорциональной скорости штока, но в момент, когда затвор трогается с места, будет удар.
260
При неточной подгонке стойки (при наличии зазора между рабочей поверхностью паза и стойки) также неизбежен удар в начале поворота затвора.
При проектировании затворов преходится принимать во внимание размещение и сборку в затворе стреляющего механизма и механизма, производящего расцепление и сцепление затвора. Вследствие многообразия конструкций затворов в этом вопросе трудно рекомендовать какую-либо схему работы; соображения, которыми надлежит руководствоваться, сводятся к такой ком-* поновке деталей, которая, обеспечивая прочность их, приводила бы к габаритам затвора, наиболее выгодным; такой случай будем иметь, если поперечное сечение собранного затвора (не считая специальных деталей, связанных с подачей патрона) приближается к квадрату или кругу, так как в этом случае получим наиболее компактные размеры ствольной коробки.
Ствольные коробки. При проектировании ствольной коробки как детали, собирающей в себе обычно большую часть механизмов оружия и, как правило, являющейся несменяемой частью последнего, приходится в первую очередь заботиться о ее живучести. Место соединения ствольной коробки со стволом должно быть не менее прочно, чем соответствующие места на стволе; расчет прочности соединения ствола и ствольной коробки был упомянут выше. Благодаря обилию вырезов, окон и т. п., служащих для размещения деталей механизмов и для подачи патрона и удаления из оружия стреляной гильзы, при конструировании коробки может получиться одно из поперечных сечений ослабленным. Необходимо при конструировании установить наиболее слабое поперечное сечение коробки и толщину стенок в этом сечении назначить так, чтобы получить это сечение равнопрочным с местом соединения ствола со ствольной коробкой.
Опорные поверхности ствольной коробки, через которые воспринимается давление пороховых газов при выстреле, передаваемое боевыми выступами (или другими деталями") затвора, нужно проверить на смятие так же, как это делается при расчете боевых выступов затвора; учитывая же несменяемость ствольной коробки, твердость опорных поверхностей следует брать большей, нежели поверхность боевых выступов, что определяет выбор материала для ствольной коробки.
Однако сложная конфигурация, необходимость избавиться при термической обработке от поводки (коробления) требуют весьма вдумчивого подхода к выбору сорта стали для ствольной коробки, и иногда приходится делать опорные вкладыши для боевых выступов затвора в ствольной коробке из материала, обладающего высшими механическими качествами.
По готовому чертежу ствольной коробки конструктор обязан тщательно проанализировать условия нагрузки при выстреле и работе механизмов на все отдельные места (вырезы, выступы) ствольной коробки, чтобы, с одной стороны, обеспечить их проч
261
ность, с другой стороны,— убрать лишний металл, чтобы не получить излишнего утяжеления. В этой работе также не может быть указано какой-либо определенной схемы, так как очертания ствольных коробок принимают различные формы.
§ 44. Подача патронов
Наиболее ответственной частью автоматики, трудной при проектировании и капризной в работе, являются подающие механизмы. .
Все главнейшие неполадки и задержки работы автоматического оружия почти целиком объясняются причинами, заключающимися в подаче патронов. Подающий механизм является тем механизмом, который больше других нуждается в „отладке", т. е. обязательно требует экспериментальной работы на готовом образце.
Процесс подачи патрона состоит в автоматическом перемещении патрона из магазина в патронник; при этом патрон должен быть подан в течение одного цикла движения механизмов пулемета.
Подача распадается на два этапа: 1) движение патрона из магазина в приемник, 2) движение патрона из приемника в патронник; последний этап называют досылкой патрона. Под приемником мы вообще подразумеваем ту деталь или то пространство, в котором помещается очередной патрон перед подачей непосредственно в патронник. Основное назначение приемника — поставить патрон в строго определенное положение с таким расчетом, чтобы затвор при своем движении захватил патрон и вложил его в патронник.
Следует отличать случай „двухэтажной" подачи, когда первый этап подачи складывается из двух процессов: 1) передвижение патрона (вместе с патронной лентой) в приемнике; 2) извлечение патрона из ленты и перенесение его в то положение, из которого* он досылается непосредственно в патронник (пример — пулемет Максима).
Подача патрона требует относительно большой затраты энергии. Эта энергия берется или от движущихся частей системы (ствола или затвора) или же аккумулируется предварительно при снаряжении магазина, для чего обычно служат пружины. Возможно использовать для подачи патрона энергию постороннего источника (например мотор при самолетной установке оружия).
Таким образом можно разделить системы подачи на два вида: 1) подача за счет кинетической энергии движущихся частей, 2) подача за счет посторонней энергии (пружинная и механическая подачи); заметим, что в последнем случае второй этап подачи требует все же расхода энергии движущихся частей. Необходимость затратить работу движущихся частей на подачу патрона ставит скорострельность оружия в известную зависимость от конструктивного осуществления подачи.
262
Необходимыми элементами конструкции являются: магазин, в котором патроны размещаются в определенном порядке, приспособления, транспортирующие патрон и приемник, и досылатель, представляющий обыкновенно часть затвора1.
По конструктивному осуществлению подачу можно разделить
на следующие виды.
1. Подача из коробчатого магазина. Магазин имеет сходство с магазинами неавтоматического оружия. Первый этап подачи осуществляется за счет работы сжатой при снаряжении магазина пружины. Расположение патронов в магазине или в
один ряд друг за другом, или в шахматном порядке; при патронах, имеющих закраину, необходимо применять меры против сцепления патронов шляпками друг с другом; особенное затруднение это встречает при шахматном расположении. Неудобство этих магазинов — большая длина, а при сокращении этой длины — малая емкость.
Черт. 87. Схема подачи патронов в коробчатом магазине.
Внешний вид магазина — кольцевой сектор; такая форма вызывается конич-ностью гильзы; чем больше конусность
патрона, тем больше кривизна магазина.
Поэтому в пистолетах, применяющих цилиндрические патроны, коробчатый магазин обычно прямой, что делает его удобно
помещаемым в. рукоятке пистолета.
Наилучшей мерой, предохраняющей патроны от сцепления закраинами в магазине, служит подбор соответствующего радиуса кривизны очертаний коробки, как это ясно из черт. 87.
Пружина коробчатого магазина должна быть достаточно сильной, чтобы, преодолевая вес подавателя и патронов, успевать вовремя поставить на место, освободившееся от извлеченного патрона, очередной патрон. Направляющими при досылке патрона служат обычно загнутые верхние края стенок магазина. Эти загибы конструируют, исходя из соображений удержать патроны в магазине: этим определяется расстояние по ширине между загибами. Длина их будет достаточна, если корпус гильзы перекрывается ими несколько далее расположения центра тяжести патрона, считая от дна гильзы. Чем длиннее захваты магазина,
тем, как правило, дальше придется отодвинуть магазин от казенного среза ствола, во избежание утыкания патронов, так как в этом случае патрон позднее освобождается из захватов магазина и, следовательно, позднее получает возможность свободного движения.
К недостаткам коробчатых магазинов следует отнести сравнительно малую прочность, возможность помятия магазина, вле-
1 Ленту можно считать особым видом магазина ибо она отвечает назначению магазина, одновременно являясь и звеном транспортирующего механизма.
263
кущую неисправную работу; при достаточном же упрочнении стенок магазина конструкция приобретает большой „мертвый вес“.
Этот вид подачи применяют в пистолетах, в самозарядных винтовках и в ручных пулеметах, а иногда и в автоматических пушках.
2. Подача из дискового магазина. Дисковые магазины могут быть применены в системах подачи, использующих энергию пороховых газов и использующих энергию предварительно взведенной пружины (например, пулемет Льюиса — первый вид, пулемет Дегтярева — второй вид).
Следует различать магазины однорядные и многорядные. Последние позволяют уменьшать габарит магазина за счет увеличения высоты диска. Вообще же магазины этого типа обладают довольно невыгодным габаритом и ограниченной емкостью. Если подача осуществляется за счет использования энергии пороховых газов, то движение затвора связывается с поворотом диска на угол, отвечающий подходу очередного патрона в приемник; при этом требуется принять меры к застопориванию магазина, как только нужный поворот будет совершен. Если же первый этап подачи производится за счет энергии пружин, то помимо этого надо принять во внимание своевременность подачи патрона в приемник.
Заметим, что по мере израсходования патронов в магазине уменьшается момент инерции вращающейся части магазина относительно оси вращения, но параллельно с этим уменьшается и вращающий момент, который дает пружина. Поэтому при подборе пружины следует убедиться в соблюдении условия своевременности подачи как при первом подаваемом патроне (при полном магазине), так и при последнем патроне. Чтобы пояснить это, рассмотрим условия работы такого магазина. Берем тип магазина пехотного пулемета Дегтярева. В средней части диска помещается спиральная ленточная пружина, дающая вращающий момент верхнему диску, который своими зубцами увлекает за собой патроны. Усилие пружины определяется формулами:
п = и /=/?? =
где П — усилие пружины;
b и h — размеры сечения пружины;
Kd— напряжение в пружине;
R — радиус пружины;
Е — модуль упругости;
I—момент инерции сечения пружины;
I — длина пружины;
Допустим, что при подаче первого патрона пружина закручена на два полных оборота, т. е. <fx == 4л; следовательно, при подаче последнего патрона угол закручивания пружины будет — 2л. Тогда усилие пружины при подаче первого патрона будет: ' „ Е/ф, Ebh3 . 1 bfi3
П1 = ДГ = W? • 4л = -3'TRn’
264
при подаче последнего патрона:
П2=1.^и; Щ = 2Щ.
Момент, вращающий диск:
Д/f = И • /? = ф.
Работа пружины при повороте диска на угол, необходимый для подачи очередного патрона:
ср-}-Дер ср4~Д<р
А = f Md<$ = rfep.
<Р ер
Угол Дер можно считать равным4^, где п — число патронов в магазине (у пулемета Дегтярева Дер
Произведя интегрирование, имеем:
А = ^[2?Д? + д|2].
Так как угол Дер незначителен по сравнению с углом ер, а ф изменяется в пределах — 4тг, то вторым членом можно пренебречь и полагать:
л EI А = —<?&<?,
т. е. считать, что в течение поворота на угол Дер вращающий момент постоянный.
Обозначив Л1тр — момент трения диска на оси вместе с трением патронов о поверхность неподвижного диска, будем иметь:
~2- = т^-
где /0—момент инерции диска с патронами относительно оси вращения;
о> — его угловая скорость к концу поворота.
Отсюда легко определить время поворота диска: считая вра-
(О щающий момент постоянным в течение поворота, примем =
— “ср — среднюю угловую скорость; время поворота:
Шер
Если конструкция магазина достаточно продумана, то Л1тр невелик и приближенно можно считать
/оо>2 EI . 1/Ё7 Z Д<р 1/211 „ .
-2-=т^; ш'₽=
265
или
4z=2K®p-“- (31)
Исчисленное время должно быть меньше, чем промежуток времени, проходящий от момента извлечения патрона из приемника до подхода досылателя к приемнику при следующем выстреле, в противном случае очередной патрон не будет захвачен досылателем. Учитывая, что при подобном расчете мы пренебрегали трением.,и не приняли во внимание возможного отскока диска при ударе к концу поворота, следует ввести запас в смысле усиления пружины; в существующих конструкциях этот запас получается равным приблизительно 2, т. е. расчетное время поворота диска в два раза меньше, чем упомянутый выше промежуток времени движения затвора. Из этих соображений можно подобрать нужную пружину магазина. Следует учитывать, что /0 и М изменяются, как было указано выше, поэтому следует поверить подачу и первого и последнего патрона. В нашем примере:
<Pi = 4it; Д<р=
при подаче первого патрона
1 r EI 100 при подаче последнего патрона
?2 = 2^;
' EI 50
/01 равно моменту инерции диска (/'), вычисляемому обычно легко, так как диск можно рассматривать как совокупность нескольких цилиндрических тел плюс момент инерции всех п патронов относительно оси вращения диска:
Z()j 4 + ^/п,
42 = fO +
Дисковый магазин должен быть сконструирован так, чтобы сопротивления трения в магазине были возможно малы. Например, следует предусмотреть, чтобы при повороте диска подаваемые патроны под влиянием усилия пружины не прижимались к неподвижным частям магазина, как бы заклиниваясь между подвижными и неподвижными частями.
Дисковые магазины находят применение в пулеметах ручных и авиационных — на турельной установке.
3. Ленточная подача. Ленточная подача является весьма распространенной системой подачи патронов. Достоинство этой 266
подачи заключается в возможности увеличения емкости магазина при относительно небольшом габарите самого оружия и в небольшом „мертвом весе", приходящемся на один патрон.
Этим свойством обладают гибкие ленты (мягкие и полужесткие); некоторую разновидность представляют жесткие ленты, более затрудняющие возможность получения емкого магазина1. Впрочем, при обеспечении автоматического сцепления жестких лент друг с другом или при применении магазинов типа Перино емкость фактически становится неограниченной. Мягкие ленты—• обычно холщевые, полужесткие — металлические, состоящие из звеньев, шарнирно соединенных, причем шарниром может служить патрон; гибкость последних весьма сильно зависит от конструкции звеньев.
Достоинством звеньевой ленты является ее разъемность после извлечения патрона; отдельные звенья могут быть затем собраны. Металлические звеньевые ленты имеют преимущество перед матерчатыми лентами в том смысле, что не являются гигроскопичными; гигроскопичность матерчатых лент служит лишней причиной неисправностей в работе автоматического оружия вследствие удлинения или сжатия ленты при различной степени влажности, а отсюда происходит изменение расстояния между патронами в ленте. Кроме того, матерчатые ленты подвержены более быстрому износу.
По способу извлечения патронов из ленты, можно различать два типа ленточной подачи:
а) ленты с кольцевыми гнездами для патронов (пулеметы Максима, Кольта), требующие продольного извлечения патронов (в направлении назад); в этом случае движение патрона совершается последовательно в двух плоскостях: извлеченный из ленты патрон должен быть перемещен сначала на высоту оси канала ствола, а затем уже направляется вперед—в патронник („двухэтажная подача");
б) ленты с пружинящими незамкнутыми гнездами (например типа Гочкиса, пушка Эрликон); в этом случае патрон может быть извлечен из ленты без движения назад.
По способу приведения в движение ленты следует различать два основных типа подачи: передвижение ленты вращающимся барабаном и ползуном, совершающим поперечное движение. Устройство подачи в сильной степени связано с конструкцией автоматики, а в частности, с системой запирания.
Ленточная подача является типичной системой, требующей непосредственного расхода кинетической энергии подвижной системы.
Оценивая основные требования, которым должна удовлетворять подача патрона, нужно отметить:
1 Под „емкостью магазина* мы понимаем число выстрелов, которое может быть произведено без смены магазина (ленты).
267
а) Своевременность подачи очередного патрона; очередной патрон должен быть в приемнике к тому моменту, когда затвор, досылающий его в патронник, окажется в соответствующем досылке патрона положении; это условие необходимо при системе подачи, не связанной непосредственно с движением затвора.
б) Застопоривание очередного патрона в приемнике — обеспечение возможности для патрона занимать единственное положение, из которого он должен досылаться в патронник.
в) Устранение причин, могущих вызвать остановку (утыкание) досылаемого патрона; в этом отношении необходимо при проектировании системы подачи самым тщательным образом проследить весь путь патрона в оружии, обеспечить конструктивно единственно возможное определенное движение патрону, устранив какие бы то ни было возможности уклонения патрона от намечаемого для него пути. Рекомендуемый при этом метод работы заключается в построении продольных и различных поперечных сечений той полости, в которой движется патрон, с нанесением в разрезах положения патрона в различные моменты его движения;, чертежи должны выполняться в крупном масштабе (например пятикратном), представляя детальную рабочую схему подачи.
г) Независимость функционирования подачи от положения оружия; в этом отношении необходимо поверить правильность работы системы при горизонтальном и вертикальном положении: не следует рассчитывать на движение патрона в каком-либо участке его пути под действием его собственной тяжести—весь путь патрона во время подачи должен быть „принудительным".
д) Возможно малая чувствительность системы подачи к неточностям обработки деталей, к загрязнению и пр. Проектируя систему подачи, всегда необходимо исследовать вопрос о влиянии допусков в деталях, о значении спаривания частей системы друг с другом. Чем менее уделено этому внимания в процессе проектирования, тем длительнее будет процесс „отладки" системы.
е) Плавность движения системы подачи — в смысле отсутствия толчков, движения при наименьших ускорениях; это особенно важно при йроектировании подачи ленточного типа (подробнее рассматривается ниже). Здесь только укажем, что при резком дергании патрона назад в процессе подачи (например при извлечении его из ленты) возможны такие случаи, как выдергивание пули из патрона под влиянием ее инерции — случай, который обычно влечет длительную задержку в стрельбе. Совершенно нежелательными являются всякого рода толчки и усилия, могущие вызвать помятие патрона. Нежелательно при движении патрона направлять его при помощи упора пулей в какие-либо направляющие поверхности: при недостаточно прочном закреплении в дульце гильзы пуля может подвергаться выламыванию; в особенности это недопустимо, если оружие имеет патроны с зажигательными, дымовыми или разрывными снарядами.
268
ж) С предыдущим условием связано условие наименьшего расхода энергии на подачу; следует отметить, что механизм подачи патронов, как правило, берет на себя наибольшее количество энергии по сравнению со всеми другими механизмами.
з) Обеспечение достаточной прочности всех деталей подающего механизма может быть достигнуто в процессе проектирования правильным анализом условий работы механизма, правильной оценкой действующих на те или иные части системы усилий и использованием опыта по осуществленным ранее конструкциям.
Отдельно рассмотрим условия работы механизма при ленточной системе подачи независимо от его типа (барабан или ползун). В системах с отдачей ствола работа механизма может быть связана или с движением ствола или с движением затвора, в остальных системах — с движением затвора. В последнем случае, как уже отмечалось, отпадает надобность в заботах по выполнению первого из указанных выше условий; при связи механизма подачи с движением ствола мы имеем несомненную выгоду в том отношении, что отнимаем у ствола излишнюю энергию его движения, с другой стороны, не перегружаем затвора, но зато при этом устройстве отладка системы подачи несомненно труднее. Необходимо тщательно согласовать движение ствола и движение затвора, обеспечивая своевременность подачи: в одинаковой степени и запаздывание подачи и ее преждевременность будут мешать правильной работе системы, приводя к заклинениям, утыканиям и т. п. При современном универсальном автоматическом оружии, предназначенном для стрельбы и по наземным и по воздушным целям, потребуется регулирование системы для обеспечения подачи при разных углах возвышения, ибо при взаимной независимости движения ствола и затвора координация их движений будет изменяться при изменении угла возвышения.
Только при соблюдении этого условия, при наличии конструкции, позволяющей легкую отладку, можно рекомендовать систему подачи приводить в движение стволом.
Другим вопросом является использование того или иного этапа движения системы для работы подающего механизма, т. е. для передвижения ленты. С точки зрения рационального использования энергии, а также в целях получения большей скорострельности лучше процесс подачи ленты производить в период движения системы назад. Действительно, если положить, что система подачи требует определенного расхода энергии, то целесообразнее эту энергию тратить во время движения системы назад, так сказать — из большего запаса; если же связывать работу механизма подачи с движением системы вперед, то потребуется поставить более сильную возвратную пружину, аккумулирующую энергию не только для возвращения системы в переднее положение, но и для работы подающего механизма. При этом период возвратного движения будет более продолжительным, чем в первом случае. Скорострельность уменьшится по этой же при^ чине. Однако при ленте, из которой требуется извлечение патрона
269
назад, его извлечение происходит во время движения системы назад, следовательно, в этот период передвижения ленты производить нельзя (или же нужно чрезмерно удлинять ход системы);, поэтому при данном типе ленты неизбежно передвижение ее в период возвратного движения.
Укажем здесь на особенность системы Бергмана, в которой подача производится действием специальной пружины, взводимой в период движения системы назад; пружина работает при возвращении системы в переднее положение, таким образом расход энергии на подачу фактически совершается в период движения системы назад, а при возвратном движении подача совершается, по существу, независимо от энергии системы.
Рассмотрим условия движения ленты при работе системы автоматики для выяснения основных вопросов: 1) усилий, возникающих в деталях подающего механизма, в целях определения их прочности и прочности ленты; 2) расхода энергии системы на подачу патронов, чтобы определить влияние подачи на условия работы системы.
Пусть подающий механизм сконструирован достаточно рационально: исключен „рывок" или удар подающего механизма в начале его работы, т. е. скорость подачи нарастает плавно от нуля до некоторого максимума (заметим, что конструктивно добиться этого условия не легко, но все же для некоторых типов подачи возможно, например в пулемете Браунинга).
Обозначим расстояние между геометрическими осями патронов в ленте, или так называемый „шаг ленты" S.
На эту величину должна быть передвинута лента в течение одного цикла работы механизма. Пусть хг— длина рабочего хода системы, т. е. того пути системы, на котором работает подающий механизм; v— скорость движения системы; ъл— скорость подачи ленты; М— масса поступательно движущейся системы автоматики; Мл—масса участка ленты, приводимого в движение. Уравнение движения системы в самом общем виде можно написать следующим образом:
Mvdv + 7ИЛ <ол йг'л +QdS + Rdx 4- Fdx — Hdx= 0. (32)
Здесь включены следующие величины: Q — вес свешивающегося конца ленты, R—силы сопротивления движению системы (например трение), F—реакция, действующая на систему вследствие извлечения очередного патрона из ленты (для тех систем подачи, когда извлечение патрона совершается одновременно с поперечным движением ленты; в системе подачи типа пулемета Максима F = 0, так как извлечение патрона из ленты происходит в другой период работы системы); dS — перемещение ленты при перемещении системы dx-, П — действующие на систему силы в сторону ее движения, например усилие возвратной пружины, если подача происходит во время движения системы вперед (при подаче в период движения системы назад усилие пружины войдет в уравнение со знаком +). Из уравнения видно, 270
что предполагается прямолинейное движение системы, как это обычно бывает в системах автоматического оружия. Промежуточные звенья механизма подачи не включены в рассмотрение; массу ползуна, подающего ленту, можно включить в массу ленты; если подача барабанного типа, то движение самого барабана при значительной его массе следует учесть, что можно сделать, включив в уравнение член Ул , где I — момент инерции барабана; г—расстояние от оси вращения барабана до оси патрона, вложенного в барабан. Следовательно, влияние барабана можно учесть, включая в обозначение Мл и величину
В зависимости от устройства привода скорость подачи ленты связана со скоростью движения системы. Пусть эта связь выражается зависимостью
Ул = kv, (33)
где k — некоторое переменное число, которое будем называть передаточным числом подающего механизма.
Величина передаточного числа является функцией пути системы, завися исключительно от конструкции подающего механизм#:
/(*-)>•
если х — путь системы. Заметим, однако, что это выражение безусловно справедливо лишь в том- случае, если связь системы автоматики с подачей является связью удерживающей. Если же эта связь односторонняя, что бывает довольно часто (например подача системы Шпагина), то при наличии удара, при наличии сильного торможения самой системы барабан подающего механизма будет продолжать свое движение по инерции, и определенную зависимость k от х уже нельзя выразить.
Тем не менее в большинстве существующих механизмов подачи, из-за потерь на трение, на всякого рода Язаедания“ патронов и пр., практически можно считать, что лента в течение всего цикла подачи движется принудительно, т. е. ее скорость зависит от скорости системы, и выражения (33) и (34) могут быть применены.
При проектировании новой системы видом функции k=f(x) конструктор может задаться и соответствующим образом осуществить конструкцию подающего механизма (о том, как это делается, см. ниже). В тех же случаях, когда нужно проанализировать имеющуюся уже конструкцию, установить вид этой функции иногда бывает затруднительно: применяя графический метод исследования кинематики механизма, можно во всяком случае получить график k—f(x) и воспользоваться им для численного интегрирования уравнения (32) или же попробовать подобрать по графику подходящее аналитическое выражение / (х) и интегрировать уравнение непосредственно.
271
То же самое можно сказать и о силе F как функции от пути •системы х. Qd$ можно заменить через Q-kdx. Что касается усилия П, то оно зависит также от пути системы, как это подробнее разбирается в § 50.
Учитывая все сказанное, видим, что уравнение (32) можно интегрировать, имея независимой переменной путь системы.
Действительно, уравнение сводится к общему виду:
Mv dv + /И'т>л dvR 4- Ф (х) dx — 0, (35)
где под обозначением М'я объединены как масса ленты, так и масса двигающихся вместе с лентой частей подающего механизма, а под обозначением Ф (х) просуммированы F, П, Qk и R.
Чтобы учесть потери на всякого рода вредные сопротивления, можно в уравнение по известным методам прикладной механики ввести коэфициент полезного действия механизма и дать уравнению вид:
М'
Mv dv -]--vR dvR + Ф (x) dx = 0. (35a)
Заменяя vR его выражением из (33), имеем:
м'
Mv dv+ kv (kdv + v dk) 4- Ф (x) dx = 0.
Полагая v2 = z, приведем уравнение (356) к виду:
Mdz + ^- k2dz + ^~ zkdk -j- Ф(х) dx = 0,
ИЛИ
-T + 0(x) = °-
(356)
Разделив обе части последнего уравнения на
2м;
м
2
получим:
dz 2Мл k dk z . 2Ф (x)
dx + , 2M.' \ dx M'
4 M + —- k2 M+— k2
\ •») / ’I
Так как k и функции x, то, приняв обозначения
Р(х) =
dk
/ м' \dx
272
и
Q(x)==_2£W
М
ЛЦ--- к2
1
имеем линейное диференциальное уравнение: z' + Р (х) z + Q (х) = О,
интеграл которого выражается:
с~ fQ(x)e$PC')dXdx
СР (х) dx е’
или
1/ /»~ ч /*P(x)dx
у С — fQ (х) е ’ dx
(36)
(36а)
1 fp(x)dx е 2J
Черт. 88.
Постоянная интегрирования С найдется по начальной скорости системы.
Повторяем, что при затруднительности аналитического выражения k=f(x) уравнение придется интегрировать численно.
Разобранный способ учета подачи патронов в смысле влияния подачи на работу всей системы придется применять при уточнении вопросов о работе системы автоматики для получения значения скоростей v и на любом участке движения, о чем речь будет итти ниже.
Здесь же мы осветим, какие факторы надо учесть, чтобы наиболее рационально построить подающий механизм.
Прежде всего учтем наибольшее усилие, действующее на звенья механизма, непосредственно соединенные лентой, а также усилия, возникающие в самой ленте при нормальной работе подающего механизма.
Возьмем наиболее невыгодные условия работы. Для этого оценим максимальную возможную по условиям боевого применения системы длину ленты (черт. 88), свешивающейся из приемника (эта длина, например, будет зависеть от высоты расположения приемника над ящиком с лентой). Назовем эту длину Н. Будем считать, что при подаче очередного патрона в движение приводится участок ленты длиной Н и, кроме того, патроны, уже вошедшие в приемник; число их обозначим п. Тогда при
А. А. Благонравов—124—18 273
подаче усилие на пальцах ползуна или на зубьях барабана должно быть равно а) весу участка ленты длиной Н; б) силам трения, возникающим при передвижении ленты; в) силе инерции передвигаемого участка ленты. Обозначим вес ленты с патронами, приходящийся на один патрон, q. Выразим это усилие Р уравнением:
р-4 «??+«• <37>
Я О
где q — вес свешивающейся части ленты;
--------масса, участвующая в движении при подаче;
d2S Л'л л
— -ц— ускорение, приобретаемое ползуном (или касательное ускорение зуба барабана);
R — трение.
Вычисленное таким образом усилие имеет значение для решения вопроса о достаточной прочности ленты при работе оружия и для расчета прочности деталей подающего механизма (например, зуба ведущего ленту барабана, пальцев ползуна и т. п.).
Мы предположили при выводе формулы (37), что лента свешивается вертикально вниз; однако в разных случаях установок оружия направление ленты может быть различным; покажем применимость этой формулы для любого случая провисания ленты. Возьмем случай, когда лента при подаче входит в приемник, имея наклон под углом 7 к горизонту. Составляющая веса одного патрона, которую приходится преодолевать при передвижении ленты, равна q • sin 7; если на участке ленты имеется п патронов, то общее усилие на преодоление веса ленты F = n^-sin7; если высота подъема ленты Н, то можно выразить Н — nS • sin7; отсюда F = не зависит от угла наклона
ленты, а следовательно, первый член формулы (37) одинаково выражается для любого характера провисания ленты.
Определяя расход энергии на подачу ленты за один цикл автоматики, получим:
5 5 s
Е = fР • dS + fm^.dS + f^dS, (38)
00 о
где т — масса детали, подающей ленту;
7?!—трение ленты в приемнике.
Последнее выражение может быть представлено:
Е = Hq + Mjl^max + —I + (7? +7?!) S, (38а)
274
где Hq — работа поднятия одного патрона на высоту провисания ленты, второе и третье слагаемые дают величину кинетической энергии ленты и подающей ее детали, последний член—работу
трения.
Практически важным является наибольшая величина кинетической энергии ленты во время цикла автоматики, так как при гибкой ленте затраченная на подачу ленты энергия обратно не
отдается автоматике.
В большинстве случаев для приведения в движение системы
подачи пользуются кулачными механизмами.
Обратимся к некоторым сведениям из прикладной механики, имеющим значение для соображений при конструировании привода подачи. Если ведомому звену механизма требуется совер-
шить определенное перемещение в жутка времени, то движение может многообразными вариантами — по различным законам изменения скорости движения. Действительно, путь очередного патрона можно выразить:
t
S = ^vdt, b
где v — скорость движения патрона;
t— время.
При одном и том же значении t и S подинтегральная функция v может быть задана сколькими угодно способами.
течение заданного проме-быть осуществлено весьма
Черт. 89.
Поясним это графически: построив график и в зависимости от t, будем иметь путь S, выраженный площадью кривой; но равновеликих площадей разного типа, удовлетворяющих заданным
условиям, можно построить сколько угодно, например площади, ограниченные линиями /, // и III (черт. 89). Рассматривая эти три закона движения применительно к движению ползуна с лентой, видим, что в первом случае при равномерно возрастающей скорости мы будем иметь постоянную величину ускорения, которую можем определить по тангенсу угла наклона прямой /; во втором случае вначале ускорение меньше, но затем значительно больше, чем в первом случае; в третьем случае ускорение сначала положительное, но меньше, чем в перврм случае, затем отрицательное; однако начальное значение скорости не равно нулю, т. е. движение начинается с ударом — будет иметь место „рывок" ленты в начальный момент подачи, и условия прочности механизма будут хуже, чем в первом случае.
Удар в конце движения подачи может быть допущен в зависимости от конструкции механизма, например, для ползуна он
275
особенно вредного значения иметь не будет, если, конечно,скорость не чрезмерно велика, так как этот удар будет важен лишь для самого ползуна, масса которого невелика; в случае барабана к этому удару нужно отнестись осмотрительнее, так как благо-
даря ему может сломаться деталь, останавливающая движение достаточно массивного барабана (требуется поверка прочности). Во всяком случае с точки зрения прочности механизма подачи
Черт. 90.
предпочтительнее из всех трех случаев выбрать первый.
Рассмотрим расход энергии во всех этих случаях: разница в расходе энергии будет только обязана наибольшей живой силе, приобретенной лентой. Построим график изменения живой силы для всех трех случаев (черт. 90). Затрата энергии, таким образом, определяется максимальной ординатой этого графика; с этой точки зрения выгоднее всех третий случай и совершенно невыгоден случай второй, что видно и по черт. 89 (наименее
выгоден с этой точки зрения тот случай, где скорость достигает наибольшего значения).
Необходимо рассмотреть еще, как влияет масса ленты на
интересующие нас величины.
Мы отметили, что от величины расчетной массы Мл зависит и
расход энергии на подачу и величина усилия, приложенного к ленте, а следовательно, и прочность как самой ленты, так и звеньев подающего механизма. В расчетную массу М'л включаются как приведенные массы частей механизма, участвующих в движении, так и масса патронов, приводимых в движение при подаче ленты. Вследствие упругости звеньев ленты, чем дальше расположен патрон от входа в приемник, тем более разнится его передвижение от величины шага ленты, т е. условия движения различных участков ленты различны. Поэтому, допуская для расчета, что масса ленты пропорциональна числу патронов, мы вводим некоторую условность. Эта условность оправдывает себя в том случае, когда лента натянута. Обычно же на практике гибкая лента бывает изогнута, сложена и т. п., поэтому в движении при подаче более удаленные от приемника патроны имеют движение, еще более отличающееся от движения первого патрона, или, иными словами, расчетная масса ленты должна быть меньше, чем действительная. Делая же допущение, что лента на определенном участке должна являться абсолютно жесткой, мы учитываем наихудшие условия работы подающего механизма
В связи с этим же на практике наблюдается явление, что при различном расположении ленты система работает различно.
276
Учесть это бывает необходимо, особенно при проектировании таких установок, как авиационные, танковые и зенитные. Устраивая и располагая различным образом коробки, в которых помещается лента при таких установках, а также изменяя конструкцию путей, по которым передвигается лента при подаче патронов, мы будем получать разные случаи в смысле величины массы ленты, участвующей в движении при подаче. Очевидно, чем больше длина натянутого участка ленты, тем менее выгодный случай мы будем иметь.
Исследуя этот вопрос при проектировании, следует в каждом конкретном случае учесть, какие возможные положения может принимать лента, и для решения вопросов прочности нужно принять во внимание невыгодный из всех возможных случаев.
Здесь для определения вопросов прочности мы предполагаем, что подача патронов производится нормально, без каких-либо застреваний ленты. Очевидно, что если есть возможность предполагать случай такой „задержки*, то прочность механизма должна быть проверена из условия поглощения энергии движущейся системы частями механизма. Этот случай как анормальный рассматривать не будем.
Отметим, наконец, еще одно обстоятельство, подлежащее учету при проектировании системы подачи. С конструкцией подачи связывается всегда длина хода подвижной системы. Это, как увидим впоследствии, является важным для скорострельности. Чем больше расстояние от оси ствола до патрона в начале его досылки в патронник, тем больше должна быть длина хода затвора, так как патрон, толкаемый затвором, должен кроме движения вперед приближаться в поперечном направлении к оси затвора; естественно, что при большом . расстоянии патрона от оси затвору нужно дать больший отход назад. Поэтому, если приемник по условиям конструкции расположен на достаточно большом расстоянии от оси канала ствола, то при необходимости сократить длину хода затвора (главным образом, для увеличения скорострельности), нужно делать специальные механизмы, быстро переносящие патрон к затвору из приемника и приближающие его к оси канала. Пример подобного устройства представляет подача патронов в пулемете системы Дарна: на черт. 91 схематически показано устройство извлекателя патрона с добавочным рычагом, приближающего к патроннику и направляющего патрон по извлечении из приемника.
Остановимся в заключение на связи конструкции подачи со скорострельностью. Существенным фактором является в этом отношении емкость магазина. Быстрота смены магазина (ленты) имеет здесь также видное значение. Как правило, смена ленты почти всегда более кропотлива, чем замена коробчатого или дискового магазина, что, правда, с избытком покрывается большой емкостью ленты.
Помимо попыток установить автоматическое сцепление лент, отмеченное выше, следует указать на соответствующие меры, 277
Черт. 9Ь Схема подачи патрона в пулемете Дарна.
Черт; 92. Схема подачи патронов в пулемете Фиат-Ревелли.
предпринятые в тех же целях в итальянских пулеметах, где коробчатые магазины скомбинированы в ящике, вмещающем’ ряд обычных коробчатых магазинов. Такой магазин „ящичного" типа увеличенной емкости автоматически подвигает по мере опустошения одной коробки следующую к приемнику, что достигается включением собачки (черт. 92), передвигающей магазин под давлением сильной пружины; собачка 4 взводится движением замка и застопоривается остановом 7. По извлечении последнего патрона из очередной коробки подаватель этой коробки, поднявшись вверх, опускает останов, собачка имеет возможность повернуться и продвигает магазин, после чего вновь взводится, и т. д.
Схема, изображенная на черт. 92, относится к пулемету Фиат-Ревелли.
Черт. 93. Схема подачи патронов системы Перино.
Иначе разрешен подобный же вопрос в системе Перино, схема подачи которой представлена на черт. 93. В этой системе ленты жесткого типа укладываются в ящик; ползун, снабженный двумя собачками, имея поперечное движение вправо и влево, связан с подвижной системой. При движении ползуна вправо собачки, входящие своими зубьями в прорези нижней ленты, захватывают ее и подвигают очередной патрон к приемнику; такая же собачка в дне ящика препятствует движению ленты влево при обратном ходе ползуна. Когда будет вытянута из ящика нижняя лента, остальные опускаются под своей тяжестью вниз, и ползун захватывает следующую ленту. Подкладывая в ящик новые ленты, можно поддерживать постоянное наполнение магазина.
Возможность быстрого пополнения магазина патронами без его смены крайне важна при магазинах малой емкости. Одной из конструкций, разрешающих этот вопрос, впрочем не вполне совершенно, является японский ручной пулемет.
Кардинальным решением вопроса было бы осуществление возможности подкладывать патроны „россыпью" в магазин. Попытки, имевшие место в этом направлении, пока не дали поло
279
жительных результатов, так как при этом подача делается крайне ненадежной, страдает изобилием задержек, а для упорядочения работы такая система потребует весьма громоздких и сложных механизмов, обеспечивающих ее.
Примеры построения и анализа приводов подающих механизмов. Допустим, что шаг ленты равен 5/ мм. Ведущий конец привода связан с поступательно движущейся деталью автоматики (например с затвором); путь этой детали, на протяжении которого происходит работа подающего механизма, равен хг Задаваясь передаточным числом К = /(х), тем самым полностью определяем конструкцию выбранной схемы привода подачи. Действительно:
-Ул = К • V,
или
dS = К- dx,
откуда
xi
Si=f f(x) dx.
О
Если же интегрирование произвести в пределах от 0 до некоторого промежуточного значения х (между 0 и х7), то получим перемещение ленты S, отвечающее пройденному затвором пути х. Таким образом можно составить таблицу значений пути х и соответственных значений перемещения ленты.
Возьмем числовой пример. Пусть шаг ленты S/ = 24 мм, рабочий ход автоматики, на протяжении которого совершается подача ленты, х/ = 80 мм. Выберем привод подачи такого устройства, чтобы передаточное число на первой половине рабочего хода было пропорционально пути автоматики х, а на второй половине оставалось постоянным:
Кг = ах и /С2 = Ь,
xi причем Кг относится к движению автоматики от 0 до , а
•*/
—от ДО X/ .
Тогда
лх? Ьхг
:. = т + ^-
280
X, С другой стороны, имеем при х — -у равенство (#j) Xj = К2? х=~2~
т. е.
ахт
~2~ = Ь-
Отсюда 2 2
axr ах, q s‘=-bl+T=Tax>
и
8$, _ 8.0,024 1Л ,, а ~ Зх2 — 3.0,082 ~ 10 J!M>
b = 10-0,04 = 0,4;
ЛГ1 = 10х; #2 = 0,4.
Определим перемещения ленты S при различных перемещениях автоматики х, пользуясь формулой
X
S = J*K^dx при х < -у и и формулой
4-
S = j'Kidx-f- J K2dx при x > 0 JZ.
2
По первой формуле имеем:
S=5%2.
По второй формуле имеем:
5=5- 0,042 + 0,4 (х - 0,04).
X, мм 0 10 20 30 40 50 60 70 80
S, мм 0 0,5 2 4,5 8 12 16 20 24
Допустим, что привод подачи строим по схеме осуществленной в пулемете системы Дрейзе; этот привод состоит из рычага, качающегося на оси О, цилиндрическая головка которого А помещается в продольном пазу ползуна, другое же плечо имеет криволинейный паз Ьс, по которому движется кулачок d, жестко связанный с затвором (черт. 94); при поступательном прямолинейном движении кулачка d благодаря качанию рычага ползун
281
будет перемещаться в своих направляющих; перемещения ползуна сопровождаются перемещением ленты. Форма паза Ьс определится построением в соответствии с исчисленной выше таблицей. Рассмотрим порядок построения паза Ьс. Прежде всего определим положение оси О и длину плеч рычага ОА и ОВ. Общая длина рычага АВ будет зависеть от условий компоновки системы и определяется при построении сборочного чертежа системы. Длины дуг, описанных концами рычага А и В, будут зависеть от соотношения между ОА и ОВ, но первая дуга должна отвечать перемещению ползуна при подаче ленты Si (вернее, перемещение ползуна должно на небольшую величину
Черт. 94. Привод подающего механизма пулемета Дрейзе.
превосходить величину шага ленты St, чтобы обеспечить захватывание очередного патрона подающими пальцами ползуна); .дуга же, описанная концом В, зависит только от поперечных габаритов крышки короба, в которой собран рычаг; этими соображениями и определяется выбор соотношения между плечами рычага, а, следовательно, место расположения оси О. Допустим, что подача ленты происходит при движении ведущего кулачка d из заднего положения в переднее; положение кулачка dQ отвечает началу подачи (черт. 95); в этот момент головка рычага занимает положение До; при подаче центр головки А опишет дугу окружности радиусом ОА; проекция этой дуги на направление движения ползуна должна быть равна S,; за время подачи кулачок переместится из d0 в D, причем d0D = = хр т. е. равно длине рабочего хода автоматики за время подачи. Возьмем промежуточное положение механизма во время подачи, определяемое положением кулачка d, и головки рычага At; при этом dod{ и проекция дуги А0А(, равная Sit должны соответствовать друг другу согласно исчисленной выше таблице (например при rf0G(= 30 мм 5,-= 4,5 мм; при dodj = 50 мм S, = 12 мм и т. д.). В этом промежуточном положении рычаг окажется повернутым от начального положения на угол Представим себе, что мы возвратили рычаг в исходное положение; тогда точка рычага, совпадавшая с центром кулачка dt, опишет дугу <р; радиусом Odt и переместится в положение d'..
282
Точка d'., следовательно, показывает начальное положение про-
межуточной точки паза рычага. Делая подобное построение для ряда значений S и dadi в соответствии с таблицей, получим по точкам d\ очертание паза, соответствующее начальному положению рычага. Если кулачок d принят цилиндрической формы, то действительная форма рабочей грани паза определится как огибающая окружностей, имеющих диаметр, равный диаметру кулачка, центры которых располагаются на кривой — d0.. .<Л.. при иной форме кулачка придется строить очертания рабочей грани паза, как огибающей положения фигуры кулачка при поступательном ее движении вдоль кривой d0. ..d\... D', когда одна из точек фигуры все время лежит на этой кривой.
В качестве второго примера рассмотрим конструкцию привода подачи, осуществленную в виде двухплечего рычага АОВ [плечи рычага могут быть расположены в различных плоскостях (черт. 96)]. Плечо ОА снабжено роликом и перемещается в прорези рамы, движущейся со стволом вперед, плечо ОВ снабжено кулачком В, движущимся в прорези ползуна, имеющего поперечное движение и связанного с лентой. Закон движения ползуна будет зависеть от форми прорези. Построим очертания
I
Черт. 95. Черт. 96.
прерези так, чтобы оно соответствовало выбранному передаточному числу. Для этого на черт. 97 изобразим схематично
283
рычаг АОВ-, будем откладывать в направлении оси Y перемещения ствола (рамы), в направлении оси X— перемещения ползуна с лентой. Обозначим разность перемещений ствола между двумя смежными положениями механизма
xl+i — xt = Длг,
а разность перемещений ползуна
Отметим положения ствола 0,1, 2..соответствующие его перемещениям Дх2....; опишем окружность радиусом О А, отвечающую траектории центра ролика на конце рычага О А. Точки пересечения дуги окружности с отрезками прямых 1 —1,2 — 2... определяют положения центра ролика, соответствующие передвижениям ствола; соединяя эти точки с центром вращения рычага, получим положение плеча рычага ОА в соответствующие моменты времени. Отметим положения плеча рычага ОВ в те же моменты по углам поворота плеча ОА — Вь В2, В3... Если теперь от точки В отложим по оси Хв сторону движения ползуна его перемещения &SX, Д52..., то в показанном на чертеже случае ползун отстает в своем движении от кулачка В, что указывает на необходимость дать прорези некоторый наклон в сторону движения ползуна.
284
Для того чтобы получить очертание прорези, соответствующее выбранному закону движения ползуна, сделано построение на черт. 98 в увеличенном масштабе (вообще все построение же-: лательно вести в крупном масштабе), где изображено движение плеча ОВ. От точки отложим отрезок В1С1 = \S1 в сторону, обратную движению ползуна; от точки В2 таким же способом
отрезок Д2С2 = 4-А52; от точки В3—отрезок Z?3C3 = AS14-
-ЬAS2 + AS3 и т. д. Кривая ДСХС2С3... определяет очертание
прорези.
Действительно, возьмем, например, положение рычага ОВ3 (черт. 99); ползун должен в этот момент пройти путь S3 = Д-5\4-+ ^S2 + /SS3. В3С3 по построению равно S3. Кривая ВС3 очерчена на ползуне и вместе с ним перемещается влево поступательно; следовательно, _, в рассматриваемый момент времени она )
должна занять положение BtB3, что и доказывает соответствие построения ( выбранному закону движения. Следует 4— учесть еще, что для получения безудар- Черт. 100.
ного движения подачи в начальный момент кривая BCjC^ должна в точке В иметь общую касательную с окружностью ВВХВ3...
Полученная кривая определяет положение центра кулачка В в прорези ползуна; при криволинейной прорези кулачок, очевидно, должен быть цилиндрическим. Чтобы получить полный чертеж прорези, нужно на кривой BCtC3... построить.окружности радиуса, равного радиусу кулачка, центр которых расположен на кривой; обертывающая окружностей дает чертеж. прорези (черт. 100). Если полученное очертание окажется невыгодным в смысле трения на кулачке, то следует изменить соотношение плеч рычага или угол между плечами.
285
Черт. 101.
286
Эту же задачу можно решить несколько иной конструкцией, делая паз в подающем рычаге, а кулачок помещая в виде шипа на ползуне. Способ построения паза показан на черт. 101 для условий той же задачи. Построение делают, исходя из того, что точка В ползуна должна перемещаться по прямой влево, проходя пути Д5Х, Д52, соответственно перемещению вертикальной проекции точки А рычага на величины Дл2.
Например, когда точка А переместится в положение А3, точка В должна быть в точке В3. Но рычаг повернется за это время на угол а3. Вообразим после этого систему возвращенной в исходное положение. Тогда точка паза, совпадавшая с В3, займет положение В3, определяемое углом поворота радиуса ОВ3 на угол а3 против часовой стрелки и длиной ОВ'3, отложенной на этом радиусе, равном длине ОВ3. Таким путем построим последовательно точки Д', В'2, В'3 ...; плавная кривая, проходящая через эти точки, дает форму паза; построением обертывающей окружности, равной окружности кулачка, перемещающейся по полученной кривой, найдем действительные очертания паза, как и выше.
Пример расчета движения автоматики с учетом работы подающего механизма. Воспользуемся в качестве примера решения задачи о движении автоматики с учетом работы подающего механизма [на основе применения выведенных выше уравнений (32), (36), (36а)] разобранной в предыдущем случае конструкции последнего, где передаточное число К выражено: Кг = ах для первой половины хода автоматики от 0 до -у-иК2 —Ь—для второй половины —от -у до Xi . Пусть подвижные части автоматики (без привода подающего механизма) обладают массой М = 0,2 кг • сек^/м; движение происходит под действием возвратной пружины, имеющей следующие данные: усилие в начале подачи П7 = 11 кг, в конце подачи По = 5 кг; рабочий ход автоматики, на протяжении которого совершается работа подающего механизма, хг — 80 мм. Пусть масса ленты, передвигающейся при выстреле, совместно с массой ползуна равна 7ИЛ =0,1 кг-сек*1м. Для упрощения примера пренебрегаем влиянием массы самого рычага привода и потерями на трение в приводе. Пусть вес вертикально свешивающейся ленты Q = 0,98 кг, трение ленты при входе в приемник принимаем постоянным и равным /?л = 1 кг.
Скорость подвижной системы в начале работы подающего механизма пусть дана равной 3,5 м]сек\
Определим сначала жесткость возвратной пружины:
п, — п0
»)i = —---=0,75 кг/см= 75 кг!м.
xi
1 Предполагаем, что скорость приобретена системой на предыдущем участке движения — под действием возвратной пружины; расчет движения системы под действием пружин изложен ниже.
287
Следовательно, усилие пружины в зависимости от пути автоматики может быть выражено:
II — IIZ — 7)хх;
= 11 — 75л
(где х взято в метрах).
Для определения скорости движения системы по формуле (36а) предварительно подсчитаем:
Af' М
*1
Коэфициент полезного действия согласно сделанному допущению примем равным 1; тогда
м ’
7И+ АГ? = о,2 + 0,1 а2л2
для первого участка движения и
7И+— Д’? = 0,2 + 0,162 1 7] Л , I »
для второго; видим, что уравнение (36а) будет различным для двух участков движения. Сначала вычислим все величины, входящие в уравнение (36а) для первого участка:
м'
М+-^ А? — 0,2 + Юл2; ч 1
g=a = 10 1M;
~~ 0,2 + 10х2 х2 + 0,02 ’
0(x) = QoK1 + FJIKl-U-
= (0,98 + 1) Юл - (11 — 75л);
= 94,8л-11;
QW = _«£>_;
_ 2 • (94.8х — 11) .
~ 0,2+10 <2 ’
_ 0.2 (94,8х— 11) .
— х2 + 0,02 ’
288
f P (x) dx
e = л2+ 0,02;
f P (x) dx
Q(x)e - = 18,96л-2,2;
r fp(x)dx
JQ(x)e • dx = 9,48л2 — 2,2л;
2_ C — 9,48x2 + 2,2x
V ~ x2 + 0,02
Из начальных условий л = 0, v — 3,5 м/сек находим:
12,25 = 5^;
С = 0,245;
, 0,245 + 2,2х —9,48х2
и х2 + 0,02
Это равенство справедливо для всех значений х от 0 до х =
= = 0,04 м.
Результат вычислений сведем в табличку:
X 1 0 0,01 0,02 0,03 0,04
V2 12,25 13,26 13,98 14,47 14,71
V 3,5 3,64 3,74 3,81 3,84
Сделаем аналогичные вычисления для второго участка
М + — Кг = 0,2 + 0,016 = 0,216;
Ti
dK. =0 dx
Pix) = 0
Ф (л) = 1,98 • 0,4 - (11 - 75л) = 75л— 10,208;
Q (*) = —= 694’4х ~ 94’05;
efP^)dx__ । ,
f O.(x)dx = 347,2л2 — 94,05;
•и2 = Q - 347,2л2 + 94,05л
А. А. Благонравов—124—19
289
при
л = 0,04 я2 =14,71.
Отсюда:
Сх = 14,71 + 347,2 • 0,042 - 94,05 • 0,04;
= 11,503.
Вычисляем г»2 при х = 0,05, х = 0,06, х — 0,07 и х = 0,08 по формуле
-п2 = 11,503 + 94,05л: — 347,2л2.
Результат вычислений сводим в табличку:
X 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
V2 14,71 15,34 15,90 16,39 16,80
V 3,84 3,92 3,99 4,05 4,1
Если вычислить по среднему значению скоростей на каждом Д х
участке (длиной пути 10 мм) время движения М=-—, азатем "ср
скорости ленты va = v • Кг для первой половины рабочего хода и v„ = v- Кг — для второй и, наконец, получить среднее значение ускорений ленты на каждом из участков
• = Д"л
Ар st
и свести все вычисления в таблицу, то получим:
х, мм К у, м/сек "л Д/, сек /ср
0 0 3,5 0
10 0,1 3,64 ' 0.364 0,00280 130 м/сек?
20 0,2 3,74 i 0,748 0,00271 141
30 0,3 3,81 ; 1,143 0,00265 149
40 0,4 3,84 1 1,536 0,00261 151
50 0,4 3,92 I 1,568 0,00258 12,4 .
60 0.4 3,99 1 1,596 0,00252 И,1
70 0,4 4,05 ! 1,62 0,00249 9,6
80 0,4 4,1 1.64 0.00245 8,2
Наибольшее значение ускорения j= 151 м/сек*. Следовательно, наибольшее усилие, приложенное к ведомому концу привода подачи
Fmax — Qo + Ех
= 0,98 + 1 + 151-0,1;
17 кг.
290
Полное время работы подающего механизма получится суммированием столбца М в .таблице:
t = 0,0208 сек.
Наконец, расход энергии на подачу патрона можно вычислить из следующих соображений. Работа возвратной пружины:
Аг = - 0,08 кг-м;
= 0,64 кг м.
Следовательно, без учета потерь на трение (как и предполагалось в данном примере) кинетическая энергия системы была бы при выключенном приводе подачи:
г- 0,2 • 3,52 , п с .
Е — " “2"^---Ь О’64’
= 1,865.
При расчете же получилась энергия подвижной системы:
Р 0,2 • 4,1е . CQ ~
Ех =----2----= 1,68 кг-м.
Следовательно, расход энергии на подачу:
Е — Ех =Д ,185 кг-м.
Построение привода подачи для дискового магазина типа пулемета Льюиса. Аналогично предыдущему исследуется движение системы при подаче патронов и определяются элементы конструкции привода в случае подачи из дискового магазина при использовании кинетической энергии системы автоматики для подачи очередного патрона (типа Льюиса).'
В этом случае вместо уравнения (32) будем иметь:
Mv dv + /<« dx 4- р dy — И dx = 0, (32а)
где / — момент инерции диска с патронами относительно оси его вращения;
ш — угловая скорость вращения диска;
р —момент трения при вращении диска;
<р — угол поворота диска.
Вводя по аналогии с предыдущим обозначение отношения = х, получим dy — tdx, а уравнение перепишется:
Mv dv 4- hv (х dv 4- v d*) 4- R dx 4- p* dx — П dx = 0, (356) или
(Л4 4- /х2) v dv-^-Iv2v. tZx 4- Rdx 4- p*dx — Пdx=Q.
291
.Полагая v2 — z, имеем:
i + '«77 + Я + р-П = 0;
dz dx . 2Ф (x) _ dx ** M + /л2 z + M + № ~~
Как и выше, полагая:
получим в результате интегрирования:
Если полный угол поворота диска за один цикл работы автоматики tfp то
z/
= / v-dx.
От выбора х зависит форма выреза в хвосте подавателя — привода, соединяющего диск с ведущим кулачком затвора. Задаваясь х=/(х), можем вычислить угол поворота для любого промежуточного значения xt и в соответствии с этим произвести построение профиля выреза (подобно тому, как это делалось для рычага-подавателя типа Дрейзе). Предлагаем читателю для упражнения построить очертания выреза, задаваясь углом <рр радиусом диска г, длиной рабочего хода системы хг и х = ах.
Анализ работы сконструированного подающего механизма. Иногда конструктор при проектировании системы подачи исходит из условий компоновки механизма, приводящих к получению нужных габаритов, к удобству сборки и разборки, к упрощению технологического процесса изготовления деталей. В этих случаях встречается надобность проанализировать условия работы готового подающего механизма, т. е. решить задачу, обратную предыдущей.
Такая же задача встречается при исследовании существующего образца автоматического оружия.
Эта задача сводится к следующему: 1) к установлению ха рактера кинетической связи движения ленты с движением авто матики; 2) к учету влияния работы системы подачи на динамик 292
подвижной системы. Кинематическая связь ленты с автоматикой может быть, как и выше, выражена с помощью передаточного числа К =f(x), которое находят кинематическим анализом механизма подачи.
Разберем, например, механизм подачи ленты,аналогичный по конструкции существующему механизму в пулемете Максима. Этот механизм может быть сведен к плоскому двуплечему рычагу, ведущий конец которого А находится в вырезе рамы, имеющей прямолинейное поступательное движение (черт. 102); на ведомом плече рычага ОС имеется прямолинейная прорезь, в которую входит кулачок В, жестко связанный с ползуном,
перемещающимся в прямолинейных направляющих; движение ползуна перпендикулярно движению рамы. Пусть длина плеча ОА = а, расстояние от оси вращения рычага до траектории центра кулачка В = Ь. Обозначим скорость движения рамы vc. Линейная скорость конца рычага А может быть построена как скорость, составленная из скорости переносного движения вместе с рамой и скорости скольжения по срезу выема рамы, направление которой известно; направление же линейной скорости конца рычага А перпендикулярно ОА; если в данный момент плечо ОА составляет с горизонтальной осью на чертеже угол а, то линейная скорость конца рычага А выразится:
»с
V = ---- .
а cos а
293
Угловая скорость рычага:
a a cos а '
Обозначим угол между ветвями рычага 8. Линейная скорость точки касания ведомой ветви рычага с кулачком В направлена перпендикулярно ОВ и может быть рассматриваема, как сумма следующих скоростей: 1) скорости кулачка В, направление которой известно, и 2) скорости скольжения кулачка в прорези рычага, направление которой определяется также направлением прорези.
Обозначив эту скорость vb и имея vb = ОВ • <о, заметим, что при небольших размерах кулачка можем принять z} о ______________________________ .
" COS (а + 6 +90°) Sin (а + 8) ’
отсюда: ь 1
<и. = <иг-----------—ГТ .
° a COS а • Sill (а 4- 6)
Скорость кулачка В или, что то же самое, скорость ползуна с лентой ъл, отсюда выразится:
cos (а + 8 — 90°) ~ Фс a cos а • sin2 (а 4- 8) ’
/T=-i- = ±_________1 ______
Vc а lOS а • sn.2 (а 8)
(тот же результат можно получить, выразив путь рамы и путь ползуна в функции угла поворота рычага а, продиференцировав их по времени и составив их отношение).
Если угол 8 = 90°, то /<=4----------------------------
a cos'* а
Если же в последнем случае выразить К в функции пути рамы х, то, обозначая начальное значение угла а через а0, имеем:
X = a(sina0 — sin а);
COS-a = 1 —(sina0----^-^2;
zz_ ______________J_________
« Г, / ПЛ''1’
Для упрощения последнего выражения можно принять за начальное положение момент, когда ОА перпендикулярно направлению движения рамы, отсчитывая путь х в обе стороны
294
от этого положения; тогда
ь а
Вторая часть задачи —исследование движения—будет решаться аналогично предыдущему. При отыскании кинематической связи
ползуна с рамой можно было бы применить графический прием, вычерчивая механизм в ряде положений, строя векторы скоростей, как показано на черт. 102, для каждого из этих положений и находя величину
V
отношения К = — также для каж-
дого положения, а затем построить по точкам график К ==f(x).
На черт. 103 приведен вид графика К = f(x) для только что разобран-
ного случая.
Графический прием решения поставленной задачи следует рекомендовать в случаях сложных пространственных механизмов подачи. Последовательность построений, необходимых для
Черт. 105.
определения передаточного числа К в ряде последовательных положений механизма, определяется конструкцией механизма. Укажем для примера последовательность построений для барабанного механизма подачи ленты, изображенного на черт. 104 и 105.
Пусть затвор А (черт. 104), двигаясь поступательно, штырем С толкает рычаг В, качающийся вместе со своей осью в точке О. Скорость точки касания рычага со штырем С ч)а определяется по скорости затвора и3, как составляющей; по направлению она перпендикулярна Оа; вторая составляющая как скорость скольжения направлена по касательной к поверхности рычага в точке а.
Отсюда находим угловую скорость рычага u> = va.
Если на общей оси с рычагом посажена собачка, сцепляющаяся с храповиком барабана, то от угловой скорости собачки,
295
зная размеры собачки и храповика, легко перейти к угловой скорости вращения барабана.
Действительно, скорость точки касания собачки с зубом храповика vk является вертикальной составляющей скорости ‘Ус = = угловая скорость вращения барабана ш1 = ^|-;скорость подачи ленты: <ия = Vq^ , где R—радиус барабана, считая его до оси патрона, лежащего на барабане.
Черт. 106-
Следует только учесть, что O2k — величина переменная, зависящая от положения собачки, что учитывается по черт. 105.
Допустим, что по частным значениям передаточного числа К, определенным графическим приёмом, для ряда положений механизма построен график, выражающий зависимость K=f(x) (черт. 106). Можно подобрать формулу, дающую аналитическое выражение построенной кривой; тогда общее решение задачи о движении автоматики, связанной с механизмом подачи, остается таким же, как было указано выше. Если же такой подбор формулы не удается, то расчет можно осуществить приближенно следующим способом.
В качестве примера разберем случай, когда передаточное число задано графиком, изображенным на черт. 106. Переписывая в таблицу частные значения К для различных величин перемещений автоматики х, имеем в соответствии с графиком:
X, мм 0 10 20 30 35 40 50 60 70
к 0,05 0,28 ’ 0,44 0,55 0^6 0,57 0,45 0,28 0 i
296
Пусть полная длина рабочего хода автоматики за период работы подающего механизма будет Xi = 70 мм. Уже было отмечено,, *1
что У иными словами, площадь графика должна пред-
о
ставлять в соответствующем масштабе величину полного перемещения ведомого конца привода подачи, что может бцть использовано для поверки правильности построения графика.
Допустим, что весь путь движения автоматики разделен на ряд участков; пусть скорость системы при выключенном приводе подачи в начале каждого участка равна а в конце ‘Uiii- Расчет движения системы без учета подачи может быть произведен, как это указано в ч. III настоящей книги. Уравнение движения системы на данном участке в общем виде может быть представлено в форме уравнения живой силы:
4(^+1“^) = / ^Fdx, (39)
где выражает сумму действующих на систему автоматики сил.
Допустим, что теперь присоединен привод подачи к системе;, при наличии работающей подачи скорости движения системы на каждом участке изменятся (уменьшатся); обозначим скорости движения в этом случае v'..
Если пренебрегать трением ленты, потерями в приводе и работой на подъем ленты, то вместо уравнения (39) будем иметь:
ч-н
где Мл— обозначает массу ленты вместе с приведенной к ней массой привода;
—скорость ее движения.
Если же принимать во внимание трение ленты Рл и вес ее свешивающегося конца, то:
4(^+1-Ч!)+Ь^+1-Ч')=/ Kdx —
X. Xi
-*/4-1
-f KFndx. (41>
297
Вычитая из уравнения (40) уравнение (39), имеем
" - 4 «+, - + -г «+, - - 0.
Так как
Фл.= Кг^ и г\.+л=/<,+1^+1> то:
2 yi+l 2 i 2 \ i+l Vi)’
(42)
Последнее уравнение не является вполне точным, как это можно было видеть из интегрирования уравнения (35), но может быть принято для небольшого участка движения, на котором К изменяется незначительно.
В начале движения (при Z = 0) может быть принято равным v0, если только в момент начала работы подачи привод подачи не присоединяется к системе с ударом (для этого необходимо условие Ко=0У, в противном случае возникает необходимость определения потерь при ударе и пересчете v'o на основе этого определения. Таким образом, имея по уравнению (42) можно вычислить т/j ; имея последнее и вновь применяя уравнение (42), вычислим v'2 ит. д.; последовательно переходя от -и,—1 к г*,-, можно рассчитать изменение скоростей системы до конца рабочего хода.
Если же вместо уравнения (40) принимать во внимание уравнение (41), то получим:
+ M + M-K2i^n
2 ^’+1 2 Vi ~
= )— QoKicp (л<+> — х<)- V (*ж - X,), (42а)
где для облегчения решения вопроса значение передаточного числа в правой части уравнения берется средним значением для каждого участка.
Необходимо сделать еще одно замечание, что в случае, если значения /С сначала возрастают, а потом по достижении максимума начинают уменьшаться, то в силу односторонней связи привода подачи с лентой кинетическая энергия, приобретенная лентой за счет кинетической энергии системы автоматики, не передается обратно системе; поэтому после достижения величиной К максимума наступит момент, когда ял начнет уменьшаться; можно положить, что с этого момента работа внешних сил, приложенных к системе автоматики, идет лишь на изменение живой силы этой системы, а лента продолжает свое движение по инерции.
Поясним изложенное числовым примером. Принимаем приведенную выше таблицу значений К\ массу системы автоматики берем равной 0,2 кг-сек^м и массу ленты Л4л — 0,1 кг-сек^м.
298
Вследствие малости значения К в начальный момент (/<0=0,05) пренебрегаем потерями при первоначальном ударе; при этом допущении можем считать, что в момент присоединения привода подачи кинетическая энергия всей системы остается неизменной. Допустим, что движение системы с выключенным приводом подачи было исчислено (или измерено) раншье и характеризуется следующими данными скорости:
х, мм 0 10 20 30 35 40 50 60 70
и, м/сек 4 4,35 4J 5,0 5,2 5,3 5,6 5,8 5,9
Итак, в начальный момент кинетическая энергия системы: с- 0.2 • 42 , „
Е = —2— = 1,6 кг-м.
При присоединении привода подачи—в начальный момент:
откуда
ф* =----——о = 15,98,
0 М + Мл К20
или v'o = 3,997 м/сек, т. е. практически можно считать ско-
рость системы в начале подачи ленты не изменившейся.
Пользуясь уравнением (42), вычисляем:
М + /Ил/<2 = 0,20025;
А1+М/<2 = 0,2078;
~ — vl) = Ц- (4,352 — 4,02) = 0,292.
Отсюда
<»' = 4,268 м/сек-
далее
Л1 +Ml/<2 = 0,2194, и вновь из уравнения (42), уже имея значение , получим:
-ц' = 4,476 м/сек.
Продолжая вычисления, получим данные согласно таблице на стр. 300, в которой скорость ленты исчислена, как фл = Kv'.
299
X, мм 0 10 20 30 35 40 50 60 70
и', м/сек 3,997 4,267 4,476 4,649 4,778 4,887 5,21 5,424 5,531
и'л, м/сек 0,2 1,2 1,97 2,56 2,86 2,75 2,35 1,52 0
Здесь, начиная с х = 35 мм, положено, ,что на подачу ленты энергия не тратится — согласно высказанному раньше замечанию.
Учет массы ленты. Во всех предыдущих примерах мы принимали, что на определенном участке ленты все патроны одновременно приходят в движение, и весь участок ленты имеет по всей длине в определенный момент одну и ту же скорость движения.
Выше уже указывалось на характер движения ленты при подаче, на значение упругих ее деформаций и на различие в условиях ее движения в зависимости от того, является ли лента натянутой, или нет. Таким образом принятие в расчет полностью действительной массы ленты отвечает наихудшему случаю нагрузки подающего механизма.
Следует отметить, что в очереди непрерывно следующих друг за другом выстрелов из автоматического оружия нагрузка подающего механизма не одинакова при каждом выстреле. Действительно, приведенная в движение при первом выстреле лента к моменту начала работы подающего механизма может оказаться не натянутой, а ее отдельные звенья будут продолжать еще двигаться по инерции; поэтому при втором выстреле механизм подачи может подавать незначительный участок ленты.
На опыте это явление можно проверить следующим образом. Пулемет Максима, имея ствол, связанный с системой подачи, довольно резко меняет время движения ствола из заднего положения в переднее в зависимости от длины свешивающейся из приемника ленты, что подтверждает влияние массы ленты на условия работы автоматики. Замеряя время движения ствола из заднего положения в переднее при различной длине свешивающегося конца ленты при непрерывной серии выстрелов, можно заметить, что это время оказывается бблыпим при первом выстреле в очереди, нежели при втором. Приводим таблицу экспериментальных данных о времени возвратного движения ствола пулемета Максима при различном числе патронов в свешивающемся конце ленты (табл. 25).
Из таблицы видно, что предельная нагрузка, при которой ствол успевает дойти в переднее положение раньше, чем затвор с очередным патроном в личинке начнет догонять его (вследствие чего происходит утыкание патрона), несколько больше 200 патронов (при вертикально свешивающейся ленте) Ч Первый
1 При горизонтальном положении ленты на направляющих возможна нагрузка подающего механизма лентой до 1000 патронов.
300
Таблица 25
Время движения ствола пулемета Максима из заднего положения в переднее
Число патронов в свешивающейся ленте Время движения, (сек )
при первом выстреле в очереди j при втором выстреле в очереди при третьем выстреле в очереди
20 0,0302 0,0285
40 0,0321 0,0279
60 0,0333 0,0260
80 0,0417 0,0267
100 0,0628 0,0271
120 0,0671 0,0314 0,0620
140 0,0752 0,0313
160 0,0885 0,0346 0,0812
200 0,0940 0,0307
240 0,1165 Утыкание
столбец таблицы показывает, насколько значительно масса ленты может влиять на движение автоматики; второй столбец таблицы показывает, что при втором выстреле подающий механизм не является нагруженным, и при длине ленты до 100 патронов условия работы системы при втором выстреле практически не зависят от длины ленты.
Таким образом наихудшие условия работы для подающего механизма возникают при первом выстреле, что и следует учитывать при расчете этих механизмов.
О прочност и чаете й подающего механизма. Как мы уже видели, наибольшая величина усилий в частях механизма определяется, главным образом, теми ускорениями, которые будет иметь лента. Имея график изменения скорости подачи в функции от времени, можно найти ускорения подачи. По наибольшему ускорению согласно уравнению (37) можно определить и наибольшее усилие, растягивающее ленту, приложенное к кулачку подающего рычага, а следовательно, и усилия во всех прочих деталях. По найденному усилию производится расчет прочности деталей. Следует иметь в виду, что даже незначительные отклонения (в пределах нормальных допусков) в обработке ведущих поверхностей (пазов, прорезей и пр.) кулачковых механизмов могут привести к резкому изменению закона ускорений в механизме. Вследствие этого необходим и увеличенный запас прочности при расчете; можно рекомендовать увеличивать расчетное усилие при расчетах на прочность в два раза. По экспериментальным данным усилие подачи в некоторых системах пехотных калибров достигает величины 60 кг (при предельной длине ленты, с которой система еще может работать).
Приведем экспериментальные данные, относящиеся к прочности самых лент на разрыв (см. таблицу на стр. 302):
301
Тип ленты
| Разрывное усилие, кг
Матерчатая пулемета Максима . . . Матерчатая пулемета Шварцлозе . . Матерчатая пулемета Кольта . . . . Звеньевая металлическая Шпагина Звеньевая ПВ1.....................
160-170 210
100- ПО
НО 130 50-75
К вспомогательным деталям подающих механизмов относятся барабаны для навертывания лент (применяются в ручных и зенитных пулеметах: в последних необходимы во избежание перекосов ленты при больших углах возвышения) и приспособления для разряжания (для вынимания ленты). В подробности устройства их входить не будем.
Иногда в число требований к системе подачи включается возможность питания системы патронами различными способами, например, применением и ленточной подачи и коробчатого магазина. Обычно это требование осуществляется сменой приемника (например пушка Эрликон). Смена приемника применяется также, когда требуется иметь возможность ленточной подачи по желанию с правой или с левой стороны (авиационные пулеметы). В авиационных пулеметах часто требуется осуществление „двухсторонней" подачи, т. е. возможность входа ленты в приемник и справа и слева; этого достигают обычно, или заменяя некоторые детали или переставляя их в механизме.
Сравнивая различные системы подачи между собой, заметим, что некоторые из них типичны для определенных видов оружия. Так, коробчатые магазины являются единственным типом подачи в автоматических винтовках, хотя применяются также в ручных пулеметах и автоматических пушках; дисковые магазины типичны для легкого пулемета, как соответствующие по своей емкости, быстро сменяемые и сравнительно удобные при переноске. Отметим здесь также, что емкость этих магазинов зависит не только от соображений габарита, но и от условий работы системы подачи: при подаче, использующей кинетическую энергию системы, при увеличении емкости расход энергии на подачу становится большим, так что система может не справиться с работой; при применении пружины требуется для емкого магазина слишком сильная пружина.
Применение дискового магазина в авиационных пулеметах на турельных установках поставило задачу о мерах увеличения емкости в магазинах такого типа. Отметим оригинальное решение задачи в конструкции Пулена, где применена комбинация двух магазинов: одного — связанного с движущейся системой, другого — работающего от пружины, причем последний пополняет первый по мере расхода в нем патронов (применено было в системе Льюиса, причем емкость была увеличена до 97, .122 и 175 патронов в различных вариантах конструкции). Ленточная подача почти исключительно применяется в станковых и авиационных пулеметах, а также и в крупнокалиберной автоматике.
302
§ 45. Ударные и спусковые механизмы
Ударные механизмы необходимы при патронах современного типа, для того чтобы произвести выстрел. Необходимой частью ударного механизма является ударник, разбивающий капсюль патрона. Механизмы можно различать двух типов: курковые и ударниковые. Курковые механизмы автоматического оружия типичны тем, что в них некоторое тело приводится в быстрое движение силой сжатой боевой пружины и, сталкиваясь с ударником, передает ему известную часть своей живой силы; ударник, двигаясь вперед по инерции, разбивает капсюль.
В ударниковых механизмах ударник получает энергию от пружины непосредственно; при этом будем различать два вида: ударниковый механизм с отдельной боевой пружиной и ударни-ковый механизм, работающий от возвратной пружины.
Для того чтобы механизм безотказно работал (без осечек), ударник должен иметь определенный запас энергии, обеспечивающий разбитие капсюля. Величина энергии зависит от рода капсюля: при пистолетных, патронах достаточно 0,02 — 0,03 кг, для винтовочных патронов необходима энергия ударника 0,07 — 0,08 кг (для нашего капсюля обеспечивающая вполне от осечек энергия ударника 0,09 кг); с увеличением калибра и упрочнением капсюля эта величина возрастает.
Сначала посмотрим, как обеспечить необходимый запас энергии при курковом механизме. Курковые механизмы могут быть двух видов: с поступательным движением курка и с вращательным. Допустим, что имеем первый тип механизма. Пусть курок обладает массой тк, ударник — массой ту. Курок отводится в заднее положение, сжимая боевую пружину; при спуске движется вперед, приобретая живую силу, равную работе пружины (если не учитывать трения курка). Пусть в момент столкновения с ударником курок имеет скорость ик. Ударник, воспринимая часть энергии курка, приобретает скорость vy , определяемую' согласно теории удара:
mv •
vy = L (1 +fe), (43)
y mK + my v 1 ° v '
где k — коэфициент восстановления скорости при ударе, зависящий от упругих свойств материала курка и ударника, от скорости удара, а отчасти и от конфигурации ударяющихся частей (удар мы предполагаем центральным); в обычных случаях коэфициент k можно принять до 0,5.
В том случае, когда курок вращается на оси, передаваемая им ударнику энергия должна быть вычислена иначе, так как она зависит от формы курка. Если обозначить момент инерции курка относительно оси вращения /0, а расстояние от точки удара до оси вращения а, то, называя отношение —у = тк приведенной массой и определяя v'K — аш, где ш — угловая скорость курка
зоз
в момент удара, можно воспользоваться приведенной выше формулой для определения скорости, полученной ударником:
тк + ту
Работа боевой пружины в этом случае равна Называя энергию курка Ек и энергию, приобретенную ударником, Е}, получим:
Ev mvmK
^ = (^5(1 + 4)’
Максимум этого отношения имеем при ту = /п'; следовательно, наивыгоднейшие размеры курка (позволяющие выбрать наиболее •слабую боевую пружину) определяются условием:
/Пу — -4
у а2
(44)
Ударниковый механизм, работающий от боевой пружины, может быть сконструирован в виде ударника, сжимающего боевую пружину, непосредственно действующую на него при оттягивании ударника назад; ударник обычно имеет незначительный ход в затворе, становясь в своем заднем положении по отношению к затвору на боевой взвод.
Другой вид представляют ударниковые механизмы, в которых боевая пружина действует на ладыжку, взводящую ударник (пулемет Максима). В обоих случаях подсчет энергии ударника затруднений не представляет.
Ударниковые механизмы, работающие от возвратной пружины, отличаются тем, что:
1) находятся на „боевом взводе" в заднем положении подвижной системы;
2) при данном механизме не приходится заботиться о достаточной энергии ударника, наоборот, энергия подвижных частей избыточна и должна поглощаться ударом их о ствольную коробку или иную деталь неподвижной системы во избежание пробития капсюля и поломки ударника;
3) дают возможность осуществить более простой спусковой механизм.
Непосредственно соприкасающаяся с капсюлем часть ударника носит название бойка. Боек является наиболее ломкой деталью, что служит источником досадных задержек в стрельбе. Отсюда вытекает необходимость: а) предусмотреть условия работы бойка в смысле, предупреждения его ударов о какие-нибудь части затвора; б) исключить возможность работы бойка на изгиб; в) в решении вопроса о достаточной прочности бойка исходить из сравнения проектируемого бойка с зарекомендовавшими себя по прочности существующими системами; г) назначать правильную 304
термическую обработку бойка; д) делать боек легко сменяемым (отдельно от ударника или, чаще, вместе с ним); е) избегать резких переходов размеров в сечениях ударника и бойка.
Конец бойка рекомендуется делать закругленным: по- опытам Гриффита острые бойки ведут к увеличению продолжительности воспламенения капсюля, не говоря уже о меньшей их прочности; необходимо также иметь достаточное выступание бойка за поверхность затвора.
Величина выступания бойка делается различной в зависимости от того, работает механизм от специальной боевой пружины или от возвратной. Поскольку боевая пружина подбирается из расчета разбития капсюля и не дает излишней энергии, способной вызвать сквозное пробитие, выступание бойка делается большим (для винтовочных патронов до 2,5 мм). Излишняя длина выступания бойка при возвратно-боевой пружине может вызвать сквозное пробитие капсюля, почему и делается меньше (до 1,5 мм).
Отверстие в передней стенке затвора для выхода бойка должно иметь несколько больший диаметр, нежели боек, как во избежание заедания последнего при загрязнении или густой смазке, так и во избежание поломок бойка при провисании ударника вследствие наличия зазоров между ударником и его направляющими в затворе. Однако большой зазор между бойком и стенками отверстия для бойка также опасен, так как капсюль под действием давления пороховых газов при выстреле может вдавливаться в этот зазор, что ведет к прорывам пороховых газов, а иногда и к вырыванию капсюля из его гнезда в дне гильзы.
Ударные механизмы в сочетании со спусковыми механизмами должны обеспечивать невозможность произвести выстрел при не вполне закрытом затворе; в ударниковых механизмах, работающих от возвратной пружины, эту роль выполняет обыкновенно сам ударник, при своем продвижении вперед обеспечивающий докрытие и запирание затвора; в механизмах другого типа эта функция переносится обычно на спусковой механизм.
Говоря о применимости того или иного типа ударного механизма для различных видов автоматического оружия, следует остановиться на следующем.
В автоматических винтовках требуется механизм, работающий от специальной боевой пружины; во-первых, при таком механизме обеспечивается взведенное положение ударника (или курка) при запертом затворе, во-вторых, время, проходящее от момента нажима на спуск до момента воспламенения капсюля, в механизмах этого типа сокращается; это позволяет менее сильно отражаться явлению „дерганья" за спуск на отклонение оружия.
Выбор между ударниковым и курковым механизмом в этом случае может быть решен в пользу того или другого в зависимости от удобной компоновки системы, определяясь системой затвора.
Ударный механизм, работающий от возвратной пружины, часто встречается в ручных пулеметах; объясняется это преимущественно
А. А. Благонравов—124—20 305
удобством применения этого типа ударного механизма в системах с отводом газов, получивших особое распространение именно применительно к ручным пулеметам.
Устройство механизма крайне просто; в случае такого механизма нельзя иметь ударник на боевом взводе при патроне, лежащем в патроннике. Отметим неприменимость этого типа ударного механизма для авиационных пулеметов, стреляющих через винт, вследствие слишком большого времени, протекающего oi момента
спуска до момента выстрела, причем этот промежуток времени может чувствительно изменяться от состояния смазки, загрязне-
з
Черт. 107. Спусковой механизм пулемета Кольта.
ния, качества патрона и пр., что затрудняет регулировку синхронизации стрельбы пулемета с работой мотора.
Спусковой механизм. Назначение спусковых механизмов — освобождать ударный механизм для производства выстрела, когда это требуется.
В зависимости от того, предназначается ли оружие для стрельбы только непрерывным автоматическим огнем или же одиночным (самозарядное оружие), или требуется иметь и тот и другой вид огня, конструкция спусковых механизмов бывает различна. С другой стороны, конструкция спускового механизма определяется устройством ударного механизма. Наиболее простой вид спусковой механизм имеет в случае ударникового механизма для стрельбы только автоматическим огнем; например, в пулемете Дегтярева такой механизм состоит из спускового рычага, спускового крючка, оси последнего и спусковой пружины. Действительно, в этом случае только требуется убрать шептало спускового рычага, чтобы открыть огонь. Если же ударный механизм работает от боевой пружины, то независимо от его устройства необходимо взведенный курок или ударник удержать на боевом взводе до момента закрытия затвора; спуск автоматически производится самим закрывающимся затвором. Таким образом для возможности ведения автоматического огня возникает надобность в двух спусках: автоматическом (в пулемете Максима он называется также „предохранительным")1 и в спуске, позволяющем открывать или прекращать огонь. В виде примера приводим устройство спускового механизма в пулемете Кольта, схематично изображенное на черт. 107.
Здесь 1 — поступательно движущийся курок, 2— ударник, 3 — пружина ударника, оттягивающая его назад (во избежание случайного выстрела при закрывании затвора), 4 — боевая пружина, 5 — спусковой крючок, 6—шептало спуска, 7—автомати
1 Это название мы не считаем правильным.
306
ческий спуск, 8— рычаг автоматического спуска, 9— паз, приподнимающий передний конец рычага 8 при запирании затвора. Из схемы ясно, что для спуска курка требуется одновременно вывести из сцепления с курком и шептало 6 и спуск 7.
Подобное же устройство, но для вращающегося курка дано на схеме черт. 108 (пулемет Бергмана), где 1 — курок, 2—.спусковой крючок, 3 — спусковая пружина, 4 — боевая пружина, 5— автоматический спуск, 6 — выступ, выводящий автоматический спуск из сцепления с курком при закрывании затвора, 7—ударник.
Спуск курка может быть произведен только в том случае, если задний конец рычага 5
будет поднят при нажиме на него выступом 6, а это возможно лишь при закрытом затворе, и если в то же время спусковой крючок отведен назад.
Иногда механизма ления со
1
Черт. 109. Спусковой механизм пулемета Бриксиа.
в целях более выгодной компоновки спускового ударник или курок имеет единственную точку сцеп-спусковым механизмом (одно шептало); при этом шептало может быть выведено из сцепления только при закрытом положении и при условии нажатия на спуск. Эта система механизма чаще всего применяется при подвижном стволе. На черт. 109 схематично приведено устройство спускового механизма Бриксиа. Здесь 1—ударник, 2— боевая пружина, 3— спусковой рычаг, 5— его собачка, играющая роль шептала, 6—стерженек с пружиной, 7—тяга, 8— спусковая кнопка. Ось 4 спускового рычага помещается в ствольной коробке подвижного ствола, поэтому рычаг движется вместе со стволом. При нажатии спусковой кнопки стержень 6 будет опущен вниз, но выстрел возможен лишь тогда, когда вся система вернется в переднее положение (т. е. при закрытом затворе), так как лишь при этом условии спусковой рычаг опустится на стержень 6 вниз и выведет ударник из сцепления с собачкой.
307
Если оружие самозарядное, то для производства одиночного выстрела требуется автоматическое возвращение шептала на свое место немедленно после расцепления с ударником (курком). Это возвращение возможно или под действием пружины, действующей при продолжающемся нажиме на спуск, или же автоматически осуществляется при движении системы („принудительное разобщение").
Так как часто требуется возможность вести и одиночный и непрерывный огонь из данного вида оружия, то в этом случае спусковой механизм еще более усложняется.
В приведенной выше системе Бриксиа ведение автоматического
что при продвижении тяги вперед на небольшое расстояние стержень 6 будет отжат (огонь автоматический) вниз. При большем продвижении тяги стержень под действием своей пружины может вновь подняться, заскочив в выемку тяги 7; произойдет одиночный
и одиночного огня достигается тем,
Черт. ПО. Спусковой механизм пулемета Шоша.
выстрел, так как при возвращении системы в переднее
положение ударник сцепится с шепталом. Включая ограничитель продвижения кнопки (на схеме не показан), будем получать автоматический огонь, при выключении — одиночный. На схеме не показано приспособление, позволяющее тяге возвращаться назад (при положении одиночного огня), не утапливая стержня вновь.
Недостатком устройства данного механизма является недостаточная обеспеченность одиночного огня (нет гарантии от получения сдвоенных выстрелов). Между тем это требование является существенным и достигается способом „принудительного разобщения" шептала спуска. Примером может служить спусковой механизм в ручном пулемете Шоша (черт. 110). Здесь 1 — спусковой крючок, 2 — пружина спускового рычага, 3—спусковой рычаг, 4 — спуск с шепталом а, 5— разобщитель, 6 — рычаг разобщителя, 7—переключатель одиночного огня на автоматический (переводчик-предохранитель), 8 — пружина спуска. На чертеже спусковой механизм изображен в положении для одиночного огня после нажима на спусковой крючок. Действие механизма основано на том, что при повороте разобщителя 5 его конец б приподнимается; когда специальный выступ ствольной коробки надвинется на поднятый конец разобщителя, то разобщитель вместе со своим рычагом опускается вниз и утапливает шептало. Для поворачивания разобщителя служит зуб спускового рычага д. Переключатель 7 представляет эксцентрик, насаженный на ось. При повороте эксцентрика длинным плечом вниз спусковой рычаг скосом в при нажиме на спусковой крючок
308
набегает на него, чем достигается расцепление зуба спускового рычага с разобщителем после произ-
веденного выстрела; шептало будет / 2
поднято вверх, и ударный механизм останется взведенным для следующего выстрела. При повороте эксцентрика на 90° огонь будет непрерывным, ибо зуб спускового рычага будет держать разобщитель все время повернутым. Наконец, при повороте эксцентрика длинным плечом вверх спуск будет застопорен последним: выстрела произвести нельзя.
Прекрасно скомпонованный спусковой механизм подобного же типа у ручного пулемета ZB-26 (чехословацкого) изображен на черт. 111; на черт. 111,а механизм поставлен на предохранитель, на черт. 111,6 для непрерывного огня, на черт. 111,с — для одиночного. Разобщитель может ставиться в верхнее (для одиночного огня), в нижнее (для непрерывного) и в промежуточное (на предохранитель) положение поворотом переводчика 1, имеющего плоские срезы, выполняющие функции эксцентрика. В верхнем положении разобщитель сцепляется своим хвостом с верхней кромкой окна шептала 2 и при нажиме на спусковой крючок поворачивает последнее. Подвижная система, касаясь верхнего выступа разобщителя, отклоняет его вниз, чем достигается расцепление шептала с разобщителем, и шептало может заскочить теперь вновь за боевой взвод. При положении для непрерывного огня разобщитель опущен вниз и сцепляется с нижней кромкой окна в шептале.
Иногда делаются отдельные спуски для одиночного и для непрерывного огня (пулемет FM-24 Шательро — см. черт. 112, спусковые механизмы 20-.ил/ автоматических пушек Беккера, Эрли-
с
Черт. 111- Спусковой механизм пулемета ZB-26.
кон, РМ); такой способ нельзя при-
знать удобным, так как всегда возможно перепутать механизмы. Обычно вместе со спусковым механизмом комбинируются
309
предохранители — приспособления для выключения спускового механизма во избежание случайного выстрела. Не вдаваясь в подробности их устройства, ограничимся ссылкой на приведенные выше спусковые механизмы пулеметов Шоша и чехословац-кого; существенная разница между ними в том, что в пер-1п г л— . вом спусковой механизм за-
, стопоривается, а во втором —
If)/ Vj в положении предохранителя
\к у J / ©\\ можно нажимать спусковой
\ Vy крючок — механизм будет ра-
\ Vi ботать вхолостую. Последний v. vi тип, по нашему мнению, пред-\\ п почтительнее, так как в этом Il 5-Jj слУчае' нет в механизме лиш--------J них усилий.
Черт. 112. Спусковой механизм пулемета Отметим еще, что от спу-Шательро. сковых механизмов ручного
автоматического оружия требуется возможно малое усилие на спуск (см. ч. I), что обязывает конструктора проверить усилие на спусковом крючке, исходя из сил трения при работе механизма и поджатия пружин.
По отношению к спусковым механизмам станковых пулеметов укажем на нежелательность приложения усилия к спуску несимметрично относительно оси оружия, так как при стрельбе непрерывным огнем это влечет стремление пулемета уклоняться в сторону.
§ 46. Экстракция гильзы
Извлечение стреляной гильзы (а также разряжание оружия при вложенном в патронник патроне) совершается при помощи выбрасывающего механизма. Конструкция последнего определяется устройством затвора. При затворе, движущемся поступательно, выбрасыватель представляет собой зацеп, входящий в желобок или закраину гильзы, собранный в передней части затвора. В случае качающегося затвора выбрасыватель приходится собирать в казенной части ствола: в этом случае выбрасыватель представляет рычаг, поворачивающийся на оси от толчка, сообщаемого ему по открывании затвора (черт. 113 —система Мадсена). Для обеспечения захвата гильзы зацеп выбрасывателя очерчивается по дуге окружности, соответствующей окружности корпуса гильзы. При поступательном движении затвора гильза, захваченная выбрасывателем, движется с затвором назад, пока не встретится с отражателем, удаляющим гильзу за пределы оружия; отсюда другая функция выбрасывателя — надежно удерживать гильзу в затворе на соответствующем участке пути его движения.
310
Черт. 113. Экстракция гильзы в пулемете Мадсена.
Для обеспечения последней функции необходима пружинность выбрасывателя1, зажимающего головку патрона в чашке затвора. Благодаря пружинности выбрасыватель имеет возможность перескакивать через закраину (в желобок) гильзы при досылке затвором патрона в патронник (черт. 114); с этой целью передняя поверхность зацепа выбрасывателя делается скошенной.
Некоторые из типов выбрасывателей изображены на черт. 115 и 116. Своеобразен выбрасывающий механизм у пулемета Максима, где зацепами выбрасывателя являются загибы боевой личинки; это своеобразие определяется системой подачи патронов. Необходимо отметить выбрасыватель как одну из деталей, подверженных сравнительно частой поломке. В целях повышения живучести этой детали (упрочнение путем увеличения размеров далеко не всегда возможно за отсутствием места в затворе) кроме подбора сорта металла и правильной термической обработки, чисто конструктивными мерами являются: отсутствие в очертаниях резких углов и переходов во избежание повышен- /------ z —. 1
ных местных напряжений и \j-----------д ,
Пластинч. приж.
Черт. 114.
Черт. 115.
строгая симметричность, исключающая возможность зацепления гильзы одним краем выбрасывателя (отсюда же ограничение допусков в самом гнезде выбрасывателя, исключающее его перекосы).
1 Пружинность выбрасывателя нужна также для его совместной работы с отражателем.
311
Наконец, там, где позволяет место, в затворе иногда ставится двойной выбрасыватель (два зацепа, например, пулемет Льюиса, пушка Маклена).
Удаление стреляной гильзы за пределы оружия осуществляется с помощью так называемого „отражателя". Эта деталь почти везде в иностранной терминологии называется выбрасывателем (эжектором), а механизм, именуемый у нас выбрасывателем, обычно носит название экстрактора („вытягивателя"), что по существу более правильно. Отражатель обыкновенно представляет выступ, штырь или рычаг (черт. 116 — система Гочкиса), укрепленный в неподвижной части оружия и проходящий через прорезь затвора; на этот выступ, расположенный диаметрально по отношению к выбрасывателю, натыкается гильза Г, реакция отражателя 2 вместе с реакцией зуба выбрасывателя 3 дает пару сил, вращающую гильзу в сторону расположения выбрасывателя; с этой же стороны должно быть ‘расположено и выводное окно ствольной коробки, через которое производится удаление гильзы (или разряжаемого патрона).
Черт. 116. Отражение гильзы в пулемете Гочкиса.
Черт. 117.
Обратим внимание на условия работы выбрасывателя в момент „отражения" гильзы в связи с обычным устройством зуба выбрасывателя. Гильза опирается в этот момент на углы зуба выбрасывателя а и & (черт. 117), с достаточно большой скоростью поворачиваясь в плоскости движения системы. Приобретаемая при этом угловая скорость гильзы в весьма большой степени зависит как от конфигурации зуба выбрасывателя, так и от очертания закраины гильзы. Например, изменяя ширину зацепа выбрасывателя, как показано на черт. 117, мы можем улучшить условия работы выбрасывателя в том смысле, что усилия, приложенные к’ зубу в точках а и Ь, будут меньше (не следует, конечно, при этом чрезмерно уменьшать ширину зуба с риском нарушить прочность зуба на изгиб у его основания).
312
При наличии двух выбрасывателей конструкцию отражателя приходится делать иной: в этом случае гильза выдвигается из-под зацепов при помощи качающегося рычага в сторону (как у пулемета Льюиса или в пушке Маклена). При качающемся затворе (пулемет Мадсена) для целей вывода гильзы служит отражающая поверхность затвора.
Рассмотрев конструктивные свойства выбрасывающих механизмов, оценим теперь особенности экстракции гильзы в авто-, матическом оружии. Условия экстракции могут различаться в зависимости от принципа, на котором основано действие автоматики. В неавтоматическом оружии экстракция совершается всегда спустя известный момент после выхода всех пороховых газов из канала ствола. В оружии автоматическом возможен случай, когда гильза будет извлекаться из патронника в то время, пока еще в канале существует довольно высокое давление. Условия первого рода будут всегда в системе с длинным ходом ствола, могут быть в системах с коротким ходом ствола и с отводом газов при замедленном открывании затвора. Условия второго рода всегда будут в системах с отдачей затвора, но могут быть и в системах с отдачей ствола при коротком его ходе, и в системах с отводом газов. Простой опыт — стрельба с вынутым выбрасывателем из большинства существующих систем пулеметов с коротким ходом ствола или с отводом газов, особенно при смазанной гильзе, подтверждает это тем, что гильза выбрасывается из патронника сама.
В § 43 мы уже видели, что при наличии давления внутри гильзы между ее стенками и стенками патронника существует трение, чрезвычайно осложняющее вопросы экстракции. При отсутствии же давления внутри гильзы в момент экстракции усилие, испытываемое выбрасывателем, может быть обязано своим происхождением наличию остаточных деформаций гильзы после выстрела, если величина радиальных остаточных деформаций гильзы превосходит величину зазора между гильзой и патронником. В этом случае усилие обычно не особенно велико при рациональной конструкции самой гильзы: так, усилие, необходимое для извлечения латунной гильзы 7,62-л«л« патрона из патронника, спустя некоторый момент после выстрела имеет величину от 0 до 11 кг в зависимости от целого ряда условий: допусков в размерах гильзы по диаметру и толщине стенок, условий отжига металла гильзы, а также отделки и состояния патронника.
В случае же экстракции при наличии давления внутри гильзы ее трение может повлечь за собой разрыв гильзы и, следовательно, невозможность правильной работы системы. Поэтому определение, хотя бы приближенно, величины трения гильзы при ее экстракции и соответствующая поверка ее прочности являются важной задачей. Вопрос этот будет играть роль, главным образом, для систем с отдачей затвора, а также и в других системах, если отпирание затвора совершается при наличии
313
достаточно большой величины давления пороховых газов в канале.
Решение вопроса осложняется тем, что величина трения гильзы резко меняется в зависимости от состояния патронника, степени смазки, нагрева ствола, как это выясняется на опыте. Для обеспечения правильной работы автоматики необходимо учесть наихудшие условия для данной системы, проверив возможность работы при этих условиях.
Мы указали выше, что величина трения гильзы о стенки патронника зависит от давления между последними и самой гильзой. Приближенный способ определения этого давления применял Schwerd при установке производства железной гильзы в Германии в войну 1914—1918 гг. \
Определяя давление между гильзой и стенками патрона, Schwerd полагал, что экстракция гильзы происходит после того, как давление в каналр упадет до величины атмосферного. Мы распространим этот способ и на случай, когда экстракция гильзы происходит при наличии внутреннего давления.
Метод, который применял Schwerd, заключался в следующем. Рассматривая ствол как толстостенную трубу, подвергнутую в период выстрела внутренному давлению Plt как известно, можем выразить тангенциальную деформацию на внутренней поверхности в некотором сечении ствола формулой:
_ 2 Pl 2г~ + г~
4 ~ 3 * Е г22-г| ’
где Е— модуль упругости;
г2—наружный радиус сечения ствола;
гх— внутренний радиус.
Имея в виду связь между деформациями:
где or— абсолютное удлинение радиуса г, получим:
8 2Р1 24 + 4
3 £ r2 r2
т. е. огх пропорционально давлению Рг. Рассматривая гильзу как тонкостенную трубу радиуса г0, внутреннее давление можем связать с величиной напряжений в гильзе формулой:
г0 ’
1 Beitrage zur technischen Mechanick, techn. Physick, Сборник статей, посвященных Aug. Foppl к 70-летнему его юбилею, Статья F. Schwerd.
314
где Р — давление внутри гильзы;
а — нормальные напряжения;
8 — толщина стенок гильзы.
Если по этой формуле определить величину давления, дово дящего гильзу до предела упругости U:
то для обычных размеров гильзы нужно весьма небольшое давление Ро, чтобы удовлетворить поставленному условию. Например, для гильзы 7,62-лш патрона достаточно давления 425 кг/см\
чтобы вывести деформацию ст< за пределы упругости, и около Однако применение последней формулы возможно лишь для свободной гильзы, т. е. до тех пор, пока гильза не войдет в рассматриваемом сечении в полное соприкосновение со стенками патронника. Благодаря наличию зазора между гильзой и стенками патронника, обычно имеющего среднюю величину около 0,1 мм (по диаметру), а при предельных допусках — от 0,05 мм, до 0,2 мм, даже при наименьшем радиальном зазоре
л - О.**
нок гильзы в сечении у ее дна 230 кг/см? — в сечении у дульца.
,С'
Черт. 118.
0,025 мм,
стенки гильзы переходят предел упругости, прежде чем гильза плотно приляжет к патроннику. В этом не трудно убедиться, подсчитав упругое удлинение радиуса гильзы:
_r U
°Г0 — ro
(где Ег — модуль упругости для латуни), причем 8г0 окажется значительно меньше А.
Таким образом, если отметить на графике по оси абсцисс радиальный зазор между гильзой и патронником в некотором поперечном сечении и откладывать по ней же абсолютные радиальные удлинения гильзы, а по оси ординат отвечающую этим удлинениям величину давления Р внутри гильзы, то получим следующую диаграмму (черт. 118). Зависимость между радиальной деформацией гильзы и давлением до предела упругости 1 выразится линией Оа'\ точка а’ отвечает величине давления Ро\
1 Считая предел упругости совпадающим с пределом пропорциональности.
315
вившейся в патроннике: на
точка b — положение стенки патронника до выстрела; с —ее положение при наибольшем давлении в канале. Линия Ьс' выражает изменение давления в зависимости от радиальной деформации поверхности патронника. Линия а'сГ отвечает деформации гильзы за пределами упругости; Schwerd проводит ее параллельно оси абсцисс, учитывая значительную текучесть материала, что не дает особой погрешности. При падении давления в канале упругие деформации стенок патронника изменяются от с до Ь— при изменении давления от с' до Ь\ одновременно исчезающие деформации гильзы могут быть определены, если провести линию d'd параллельно Оа'\ точка d отвечает положению стенки гильзы при полном падении давления.
В изображенном на чертеже случае после выстрела между гильзой и стенкой патронника остается зазор db. Если наибольшее давление газов превзойдет некоторый предел, то после выстрела гильза может оказаться закли-дмме точка d в этом случае
окажется правее точки b (черт. 119); сокращающиеся стенки патронника будут стремиться сжать гильзу; состояние покоя наступит, когда давление со стороны патронника уравновесится соответствующим сопротивлением сжатию гильзы. Этому положению отвечает точка h, находимая на диаграмме из условия
k'h = hk',
величина k'h дает давление на стенки заклинившейся гильзы. Если воспользоваться этим графическим методом для определения давления на стенки гильзы в рассматриваемом нами случае, т. е. при различных значениях давления пороховых газов в канале, то придется поступить следующим образом. Построив диаграмму, как выше указано, по заданному А и вычисленным 8г0 и 8гь заметим, что нужно находить по = Ртах—
— Pk, где Рк— то давление внутри гильзы, которое доводит ее стенки до соприкосновения с патронником. Допуская, как это делает Schwerd, Pk=P& точку с' находим легко; линия Ьс’, таким образом, будет представлять давление между гильзой и патронником, а давление внутри гильзы выразится на диаграмме суммой ординат линий a'd' и Ьс' — в период нарастания давления и суммой ординат линий dd' и be' — в период падения давления.
316
Имея в результате решения задачи внутренней балистики кривую давления в канале (в функции от времени) в период выстрела и продолжив ее для периода последействия газов, пользуясь, например, изложенным ниже методом или применяя формулу Валлье
Р=Рд(1 -
мы можем, взяв ряд моментов времени, по давлению внутри канала определить по диаграмме давление на наружной поверхности гильзы в каком-либо сечении. Так как толщина стенок
гильзы — величина переменная, то придется взять несколько сечений гильзы и для каждого из них строить диаграмму.
Например, разбивая гильзу на ряд участков поперечными сечениями 1 — 1,11 — II, III—III (черт. 120), построим диаграмму для средних сечений участков аа', bb', сс', ее' и сечения по дульцу dd’. Определим в каж-
Черт. 120.
дом из этих последних сечений величину Рх при взятом давлении в канале Р. Умножая величину давления Рг на боковую поверхность соответствующего участка гильзы и на коэфициент трения f, мы получаем величину трения на данном участке:
Ct^^lfPi, где i — номер участка, I — длина участка гильзы. Составим табличку вычисленных величин в зависимости от выбранной величины давления:
Р Рхл Рх,2 Pl,3 Р1.4 Ql <?2 Q3 <?4 R=SQ р1 Р^ Р,\........................QI Qf.......................SQ1
Ра Р1\.......................... QJ1........................SQ11
Рп Р^л............................Q".........................LQ"
в последнем столбце которой мы получим полную величину трения гильзы, суммируя величину трения на всех участках для каждого данного давления. По этим значениям можем построить кривую изменения P = SQ„ в функции от Р, а если имеется зависимость Р от времени, то и график R в функции от времени, что в дальнейшем понадобится для определения движения системы с отдачей затвора. При этом решении мы не вводим в расчет поверхности ската гильзы, имея в виду ее конусность; конусностью же дульца и корпуса пренебрегаем,
* Здесь Рд —давление в канале в момент вылета пули, Т — полное время истечения газов, р — переменное давление в канале в период истечения газов, t — переменное время.
317
т. е. считаем гильзу цилиндрической. Не учтено также изменение трущихся поверхностей, если гильза уже получила движение, т. е. извлекается из патронника.
Таким образом, подобный подсчет дает возможность принять во внимание наиболее неблагоприятные условия при экстракции гильзы, но не может претендовать на точность.
Чтобы не возвращаться в дальнейшем к вопросу о трении гильзы при ее экстракции и в других системах автоматики, разберем случай экстракции гильзы, когда затвор какой-либо системы автоматического оружия открывается при наличии давления пороховых газов в канале. Положим, что в момент полного
расцепления затвора в канале существует давление пороховых газов Ръ уменьшающееся затем до атмосферного.Взяв ряд значений/3в этих пределах, подсчитаем трение гильзы согласно изложенному выше для каждого значения Р. Берем ряд сечений гильзы, обозначая их№1—5 (черт. 120). Можно положить, что при экстракции гильзы на каждом из этих сечений действует растягивающее усилие, равное силе трения, просуммированной по всей поверхности, лежащей влево от рассматриваемого сечения (согласно чертежу). Если на оси абсцисс отложить удаление сечения от дульца гильзы, а по оси ординат откладывать соответствующее растягивающее усилие для каждого из сечений, то получим, построив кривые при наличии различного давления внутри гильзы, семейство кривых (черт. 121), дающих представление о величине трения по длине гильзы в зависимости от давления в канале. Определив прочное сопротивление
гильзы во всех этих сечениях на разрыв (пренебрегая влиянием дна гильзы) по формуле Q=2w08aft, где г0—радиус гильзы в рассматриваемом сечении, 8 — толщина стенок, a —временное сопротивление материала на разрыв, построим кривую разрывного усилия в различных сечениях гильзы (на черт. 121—пунктиром). Там, где эта кривая пройдет ниже кривых, выражающих трение, получим область возможных разрывов гильзы (заштриховано). Например, на приведенном чертеже при давлении внутри гильзы, равном 600 к?1смг, разрыв возможен в сечении а, при давлении 700 кг [см2 разрыв гильзы возможен в пределах сечений Ьс, при давлении ниже 600 кг]см2 возможно отпирание затвора. Не трудно ви
318
деть, что при уменьшении коэфициента трения (влияние смазки) все кривые усилий при соответствующих давлениях пойдут ниже, т. е. открывание затвора будет возможно при большем давлении.
При подобном подсчете нами опять-таки не учитывается конусность гильзы, уменьшающая влияние трения, потому в результате подсчета будет введен некоторый запас. С другой стороны, благодаря распределению сил трения по поверхности распределение напряжений в сечении гильзы не будет равномерным1.
Практическое осложнение заключается в том, что механические свойства латуни сильно изменяются в зависимости от степени протяжки или отжига. Так, гильзовая латунь (с содержанием меди около 66%) имеет:
Предел Временное со- Удлинение упругости противление %
После 4-й протяжки гильзы около 39 кг!см2 около 39 кг/сз*2 37,5
» отжига ...... „ 19 „ 33 „ 40
Вследствие применения отжига дульца и различной степени протяжки у дульца и в корпусе свойства материала по длине гильзы неодинаковы. По другим источникам для 7,62-лш латунной гильзы можно принять предел упругости 32 кг/мм2 и временное сопротивление 42 кг!мм**. Коэфициент трения для наиболее неблагоприятного случая (без смазки) можно считать-равным 0,13.
Несмотря на довольно грубое приближение в решении вопроса о трении гильзы указанным способом, качественная сторона явления может быть изучена по диаграмме достаточно полно. Проследим влияние изменения толщины стенок гильзы, зазора и качеств металла на трение гильзы. Если увеличим толщину стенок гильзы, не изменяя зазора ее в патроннике, то давление Ро, доводящее гильзу до предела, упру гости, увеличится пропорционально толщине стенок. Но упругое радиальное удлинение не изменит своей величины (8г0 = г0 -^0; на диаграмме (черт. 118) это отразится в виде: 1) увеличения наклона прямой Оа' и 2) уменьшения ординаты сс', так как несколько большая часть давления пороховых газов „израсходуется" на деформацию гильзы, что весьма незначительно отразится на удлинении радиуса патронника 8гх; в результате при полном падении давления в канале остаточный зазор между стенками гильзы и патронником
1 Вопрос о трении гильзы при ее экстракции приобретает особую важность, как ясно из изложенного, для систем, работающих на принципе отдачи затвора, поэтому подробнее о мерах уменьшения влияния трения гильзы на работу системы будет сказано ниже в § 63.
♦ Кроме того, латунь принадлежит к числу материалов, резко понижающих механические качества при нагревании.
310
получит весьма малое изменение в смысле его увеличения. Но так как вместе с утолщением стенок гильзы растет несколько и поверхность трения гильзы, то практически утолщение стенок гильзы не дает выгоды в смысле экстракции при отсутствии давления внутри гильзы.
Экстракция при отсутствии давления пороховых газов облегчается также сравнительно мало (уменьшение давления на •стенки патронника на величину изменения Ро). Уменьшение зазора А не изменяет характера диаграммы, уменьшая только длину a'd', но не отражаясь на длине db (черт. 118); правда, если бы диаграмма была построена точнее, линия a'd' была бы слегка наклонной; в этом случае длина de при уменьшении зазора несколько уменьшилась бы, что указывает на ухудшение условий экстракции с уменьшением зазора. Но так как величина зазора А не может быть взята больше известных пределов, определяемых прочностью гильзы на продольный разрыв при выстреле, а влияние изменения зазора сказывается на экстракции, как видим, несущественно, то таким путем добиться улучшения экстракции практически нельзя.
Повышение предела упругости металла гильзы (например при соответствующей степени протяжки), увеличивая значение Ро, во столько же раз увеличивает 8г0. Следовательно, на диаграмме прямая Оа' пойдет с тем же наклоном, но прямая a'd' пойдет выше; упругая деформация, выражаемая отрезком de, увеличивается: имеем существенное улучшение условий экстракции.
Переход для гильзы к металлу, имеющему больший предел упругости, но в то же время и большее значение модуля упругости (например железо вместо латуни), не улучшает условий экстракции (наклон Оа' увеличивается), наоборот, влияние увеличения модуля упругости сказывается в сторону ухудшения экстракции.
Наконец, практической мерой является конусность гильзы. Не следует забывать, что при резком толчке, который обычно имеет затвор в момент начала открывания, на прочность выбрасывателя большое влияние может оказать и сила инерции гильзы, в этих случаях достигающая значительной величины.
§ 47. Вспомогательные механизмы и приспособления
В настоящем параграфе лишь в общих чертах остановимся на устройстве некоторых механизмов и приспособлений, не являющихся обязательными для всякой системы автоматического -оружия.
Средства для поглощения излишней отдачи. Цель этих приспособлений—поглощение избытка кинетической энергии подвижных частей автоматического оружия. Неизбежность различия отдельных патронов в смысле веса, сорта и состояния заряда, веса и размеров пули, допусков в очертаниях гильзы, а также влияние допусков в самом оружии, влияние смазки 320
и т. п. создают необходимость осуществлять оружие с некоторым запасом энергии для обеспечения работы автоматики при наихудших условиях. Этот избыток энергии в отдельных случаях может оказаться чрезмерно большим, что поведет в ручном оружии не только к неприятному ощущению у стрелка при стрельбе, но и к увеличению рассеивания, к большей степени расшатывания отдельных деталей, а следовательно, скажется и на живучести оружия. Наиболее важно поглощение этого избытка энергии в легких образцах оружия: например, в ручных пулеметах последних конструкций поглотители отдачи начинают составлять почти обязательную принадлежность оружия. С другой стороны, с избытком энергии отдачи приходится встречаться в автоматическом оружии крупных калибров, так как энергия, необходимая для обеспечения функционирования всех механизмов оружия, с увеличением калибра растет в более слабой степени, чем полная энергия отдачи. Наконец, изменение условий работы оружия (например в зимнее и летнее время) может потребовать лишь в некоторых случаях мер для поглощения отдачи.
Упругий буфер, деформирующийся в направлении движения частей, служит обычно в качестве приспособления для изменения темпа стрельбы. Этот буфер отчасти может играть роль поглотителя отдачи. Но, с другой стороны, чтобы увеличить темп стрельбы, нужно иметь очень сильный буфер, действующий в короткий промежуток времени. Такой буфер не вполне рационален в качестве поглотителя отдачи, так как сжатая сильная пружина будет оказывать большое давление на заднюю стенку короба, и смягчение толчка будет относительно невелико. Кроме того, необходимо учитывать, что энергия, поглощаемая упругим буфером, в весьма значительной доле возвращается обратно подвижной системе: система, получив большой запас энергии при движении вперед, с резким толчком придет в переднее положение, что не может не отражаться на меткости и живучести оружия. Заметим, что в этом отношении пружинные буфера менее выгодны, чем каучуковые: первые отдают поглощенную энергию почти полностью, вторые (в зависимости от качества материала) — от 25 до 66%. Поэтому более целесообразно в целях только поглощения отдачи устраивать такие приспособления, которые отдавали бы поглощенную энергию по возможности в слабой степени.
При механических поглотителях отдачи осуществление этого принципа возможно, если поглощенная кинетическая энергия переходит не столько в потенциальную энергию упругих деформаций, сколько в другой вид энергии: практически — в тепловую энергию, развивающуюся при трении. Из существующих поглотителей отдачи этого типа интересен поглотитель отдачи в ручном пулемете Браунинга М 1928 (черт. 122). Он представляет собой составной буфер, собранный в цилиндрической, втулке а; поршень d опирается на латунное кольцо Ь, имеющее внутреннюю коническую расточку; в кольцо входит стальное разрезное
А. А. Благонравов—124—21 321
пружинящее кольцо е, обточенное снаружи на конус, так что конические поверхности колец b и е прилегают друг к другу; за ним следует вновь кольцо b и т. д., последнее кольцо е опирается на винтовую пружину, вставленную между кольцом и дном втулки. Буфер собран вокруг возвратной пружины, которая свободно проходит сквозь него. Подвижные части оружия в конце своего хода назад, ударяясь о поршень d, заставляют последний продвигаться назад и продвигать латунные кольца; последние, надвигаясь на разрезные кольца, обжимают их. Таким образом избыток энергии идет на радиальное обжатие колец е и в значительной, степени поглощается трением колец, а незначительная часть энергии идет на сжатие пружины с.
е
Черт. 122. Поглотитель отдачи системы Браунинга.
Черт. 123.
Видоизменение этого же типа можно встретить в виде буфера, направление сжатия которого перпендикулярно к движению системы; сжатие буфера достигается при помощи клина (черт. 123). В этом случае не трудно подсчитать поглощенную часть энергии, исходя из работы наклонной плоскости. Энергия, поглощенная буфером Ег — Е-& ---, где Е — остаточная энер-
гия отдачи, а — угол подъема наклонной плоскости, <р — угол трения. Если буфер отдает энергию = kElt то вследствие трения на наклонной плоскости системе передается энергия:
£з = Е^-^ = kE^-Ц^ ;
tg a tg (а + <f) ’
например, при пружинном буфере и угле а — 45°, считая k—\, = 6°, имеем
р __ 39° р_ 2- р
3 — tg51° 3 •
Несовершенство поглотителей отдачи, работающих по принципу трения, заключается в неравномерности их работы, зависящей от состояния трущихся поверхностей (смазка, износ).
Гидравлические (и пневматические) поглотители отдачи представляют тормоза, в которых энергия движения поглощается трением жидкости, продавливаемой сквозь узкие отверстия. При непрерывной стрельбе и быстром движении возможен перегрев жидкости, нарушающий правильность работы. По этой причине, а также вследствие громоздкости эти 322
приспособления пока не получили в автоматическом стрелковом оружии достаточного развития.
Другой вид поглотительной отдачи представляют собой дульные тормоза, также нередко применяемые в пулеметах.
Дульные тормоза основаны на принципе использования энергии газов для сообщения системе движения в направлении, обратном отдаче. Общеизвестными типами тормозов являются активные тормоза, действующие ударом газовой струи, выходящей из дула, на некоторую поверхность, закрепленную на стволе (схема — на черт. 124), и реактивные,— основанные на принципе
Черт. 124,
отклонения газовой струи в направлении отдачи. Составляющая количества движения газов в направлении отдачи должна быть равна импульсу, действующему на отклоняющую струю поверхность в результате реакции пороховых газов (схема — на черт. 125). Чем большее количество газов отклонено в направлении назад, тем, следовательно, эффективнее действие тормозов. Меры для повышения эффективности действия тормоза: улучшение условий истечения газов помощью каналов специальной формы, увеличение числа каналов истечения (несколько рабочих поверхностей). Встречаются также тормоза, основанные на принципе расширения газов и раздробления газовой струи, представляющие собой камору с отверстиями в стенках.
Недостатки дульных тормозов следующие: 1) действие пороховых газов, движущихся назад, на стрелка (чем тормоз эффективнее, тем сильнее это действие, особенно присущ этот недостаток тормозам реактивного действия); 2) демаскировка оружия и затруднение прицельной стрельбы вследствие пыли, поднимаемой газами, ударяющимися о поверхность земли. Меры борьбы с первым дефектом обычно сводятся к созданию щитков, препятствующих движению газов непосредственно назад; однако всякий щиток понижает эффективность тормоза. Для борьбы со вторым недостатком делают отверстия для выхода газов только вверх и в стороны. Одновременно этим достигается стабилизация оружия вследствие того, что суммарная реакция газовых струй, будучи направлена вниз, создает момент, препятствующий прыжку ствола вверх, каковой обычно бывает при выстреле.
На черт. 126 изображен подобный тормоз (американской системы Cutts); такие тормоза улучшают меткость огня при непрерывной стрельбе, но влияние их на меткость одиночного
323
выстрела еще недостаточно изучено. Есть основания полагать, что из-за несимметричного действия газов на пулю при прохож дении ею дульного тормоза подобной конструкции нарушается
правильность ее полета.
Такой тормоз, поставленный на ручном пулемете Браунинга,
по американским опытам, делает возможным автоматическую стрельбу с руки (без сошки и упора); улучшение меткости
условий вибрации ствола при наличии на его конце добавочной массы тормоза.
Дульные тормоза поглощают от 25 до 60% полной энергии отдачи. Независимость их действия от внешних условий,
иногда объясняют изменением
отсутствие возвращения энер-
Черт. 126. гии при обратном движении
системы и достаточная эффективность делают их наиболее выгодным типом поглотителей отдачи. Однако они неприменимы, например, в тех случаях, когда требуется поглотить излишнюю энергию затвора, а позволяют поглотить энергию ствола (при подвижном стволе) или толчок всей системы (при неподвижном стволе).
Из всех типов дульных тормозов наиболее приемлемым для
стрелкового оружия мы считаем тормоз активного типа, как наиболее простой по конструкции, не требующий обязательного
наличия щитка, так как пороховые газы при этом типе тормоза обычно не доходят до стрелка. Наилучшие результаты тормоз активного типа дает при вынесении диска тормоза на 2У2—3 калибра вперед от дульного среза.
Усилители отдачи. Иногда требуется, наоборот, усилить отдачу: например, в случае подвижного ствола с водяным охлаждением велики потери энергии на трение в сальниках или требуется большой расход энергии на подачу патронов; усилители отдачи конструируются в виде надульников (например в пулемете Максима), в которых происходит расширение газов, а следовательно, замедление их выхода и использование давления на большую рабочую поверхность (например утолщенного конца ствола).
Поглотители других видов э н е р г и и — глушители звука и пламегасители. Цель их применения — улучшение маскировки оружия. Принцип действия — расширение газов, вследствие чего замедляется их выход, или искусственная задержка газов выпуском их через узкие каналы. Удачного типа глушителя, достаточно эффективного и в то же время негромоздкого и надежного, пока не создано. Пламегасители обычно представляют конический раструб, в котором расширяющиеся газы охлаждаются и уменьшают свечение.
Приспособления для стрельбы холостыми патронами. Приспособления этого рода являются по существу
324
усилителями отдачи, так как в случае стрельбы холостыми патронами последняя незначительна и не в состоянии обеспечить работу всех механизмов автоматического оружия. Для ознакомления с принципом устройства подобных приспособлений приводится чертеж усилителя отдачи при стрельбе холостыми
патронами немецкого пулемета Максима (черт. 127). Деревянная пуля напором газов разбивается, и ее осколки выносятся через канал втулки 7; при небольшом диаметре канала время
Черт. 127. Усилитель отдачи для стрельбы холостыми патронами.
рующего на принципе
Черт. 128. Смазка патронника в пулемете Фиат.
истечения газов замедлено; действуя на уширенный надульник 2, газы усиливают отдачу ствола и делают возможным функционирование автоматики.
Приспособления для смазки патронника. Эти приспособления применяются в целях уменьшения трения гильзы и, следовательно, облегчения условий экстракции, являясь особенно необходимыми для автоматического оружия, функциони-отдачи затвора. Их устройство обычно представляет масленку 1, сообщающуюся узким каналом 4, просверленным в стволе, с патронником. Канал закрывается стерженьком, который, будучи связан с подвижной системой, выходит из канала, открывая проход капельке масла в патронник при каждом выстреле. Для облегчения экстракции необходима весьма незначительная степень смазки. В системах с подвижным стволом (пулемет Фиат, схема на черт. 128) открывание и закрывание канальца происходит
при движении ствола благодаря несовпадению канальца в стволе.
Приспособления для изменения темпа стрельбы
описаны ниже, после изучения движения системы автоматического оружия, с целью сделать более понятными принципы устройства их и влияние различных факторов на темп стрельбы (см. § 71).
Нами описаны здесь детали и механизмы, имеющие непосредственное отношение к устройству автоматики. Вопросы устройства станков и установок, крепления оружия на них, а также устройство короба в данный курс не включаются.
ЧАСТЬ Ш
ДВИЖЕНИЕ АВТОМАТИКИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ
§ 48. Отдача оружия
Мы видели, что значительное число систем автоматического оружия работает по принципу использования отдачи. В ч. I мы выяснили значение отдачи в ручном оружии вообще, в смысле ее действия на стрелка. Поэтому представляется надобность в вычислении энергии отдачи как в целях определения действия выстрела на стрелка (что служило у нас одним из оснований для выбора балистических свойств винтовки), так и для расчета движения частей автоматики в системах автоматического оружия, относящихся к I классу. В настоящем параграфе мы и остановимся на способах определения величины отдачи.
Для сравнения отдачи ручного оружия различных образцов ранее определяли количество движения оружия, пользуясь формулой Пиобера:
Qr=(z7 + -^)^0, (1)
где Q — вес оружия;
V — скорость отдачи;
q — вес пули;
ш —вес заряда.
Определив отсюда И, можно вычислить энергию отдачи:
QV2 2g ’
полученная подобным образом величина и служила для сравнения отдачи различных образцов ручного оружия. Если эта величина для вновь проектируемого ружья не превосходит аналогичной величины для существующих на вооружении образцов, то можно приближенно считать, что действие оружия на стрелка будет иметь вполне допустимое значение. Произведя подобные вычисления для различных винтовок, получим:
326
При весе со штыком При весе без штыка
V м!сек ОУ1 2 — кг • м 2g V м/сек
Русская винтовка 2 25 1,07 2,46 1Д7
французская винтовка Лебеля . . Американская винтовка Спринг- 2,21 1,14 2,38 1,22
фильда • 2 13 1,02 2,24 1,06
Немецкая винтовка Маузера . . . 2,39 1,22 2.48 1,27
Итальянская винтовка 2 02 0 84 2 09 0,87
Английская винтовка Ли-Энфильда 2,21 1,04 2 25 1,07
Однако вычисленные по этой формуле величины отдачи, как известно, оказываются меньше действительных, наблюдаемых на опыте. Это объясняется тем, что в данной формуле не учитывается влияние последействия газов (коэфициент — при <о поставлен, исходя из допущения, что половина массы заряда как бы двигается вместе с пулей1. Для учета последействия газов формула пишется в таком виде:
Q V = (д + v0, (2)
где р — некоторый коэфициент, различный для различных образцов оружия и изменяющийся, по опытным данным, в пределах от 1,3 до 3,0 для различных существующих типов. Имеется ряд эмпирических формул для определения р; кроме того, существуют и теоретические попытки вычисления р.
Здесь мы рассмотрим теорию, основанную на методе, предложенном В. М. Трофимовым («Механика порохового газа")2 и разработанную В. Слухоцкйм.
Учитывая влияние давления газов в период последействия, мы можем написать уравнение количества движения:
= + 4 (3)
6 о
где I — импульс давления газа на дно канала.
1 Этот же результат получится, если допустить, что в заснарядном пространстве скорость движения газов распределяется между дном канала и дном снаряда пропорционально удалению частиц газов от дна канала, а у дна снаряда равна скорости снаряда; действительно, определим количество движения газов, исходя из этого положения: в сечении ствола на расстоянии К от дна х
канала скорость газов vx —v • -у- ; количество движения слоя газов в этом z
сечении — F* dx • v ; общее количество движения газов / — F • dxx g I J g
о
— v (обозначения здесь согласно изложенному ниже).
2 См. также В. Слухоцкий, Определение наибольшей скорости свободного отката, 1929 г.
327
Полагаем, что при истечении газа в выходном сечении устанавливается давление, равное критическому давлению:
к
₽* = (4тГ,р W
и истечение газа происходит со скоростью, равной критической скорости, где Рк— величина критического давления, k — показатель политропы расширения, а Р — давление в канале1.
Обозначим
к
тогда на дно канала действуют: 1) давление 1к PF, где F — площадь поперечного сечения канала; 2) реакция истекающего газа.
Последняя найдется как величина секундного расхода газа, деленная на g и умноженная на скорость истечения:
(Ч
из уравнения количества движения.
Скорость истечения газа wk найдется по формуле
где у — вес единицы объема газа.
Расход газа в секунду (весовой) найдем из следующих соображений: в 1 секунду при скорости истечения wk должно выйти из канала: Fwk— объемный расход газа, а весовой расход будет
Осек = Fwk чк. (8)
Подставляя значения входящих сюда величин:
га
По уравнению политропического процесса:
Ъ=-г(^)". (10)
Делая подстановку, имеем:
1 Это произвольное допущение, равносильное тому, что минимальное сечение газовой струи устанавливается у дульного среза и равно сечению канала. 328
Или, принимая во внимание уравнение (3):
где Р—давление в канале в рассматриваемый момент времени. Следовательно, реакция истекающего газа:
1 к
<12>
а полное действие газа на дно канала:
7?1 = F^(1 + 4)P’ <13>
ибо
к
<s>
Установим теперь закон изменения давления в канале в период последействия газов. /'
Обозначим давление в канале в момент вылета пули — Рд , а вес единицы объема газа в этот же момент — 7Д.
Вес единицы объема газа изменяется пропорционально количеству газа, остающемуся в канале. Обозначив первоначальное весовое количество газа ©*, мы будем иметь, что в каждый данный момент t в канале находится количество газа:
t
(О J* Осек dt)
О
а следовательно, так как оставшиеся в канале газы занимают постоянный объем:
Диференцируя, имеем:
=-Ссек^Л. (15}
Обозначив в выражении Осек постоянный коэфициент
* Равное весу заряда (предполагая что твердых продуктов горения нет).
329
получим:
fc + i
Осек = АР 2к
(Па)
1 fc +1
Af Р \ к А п 2к
а ( р- =---------Р dt\
\PnJ
1—к _1_ к + £
р к dp=——kp~kp2k dt\ CD ’
1 — 1
р 2к dp=-—kpkdt. ф
После интегрирования от Р = Рд до Р и от t = 0 до t имеем:
/ 1 — к 1 — 1
2^ ( р 2к р 2к \ ~ Ak р к
1 — k ' Д / ф д ’
1 — fc 1—к 1
р 2к р 2к 1 — k А р к
д 2 св д ’
1 — к / 1 4- fc \
= Р/П1 — --—A-P^t); \ ф и /
Р = РД(1+В^)1-'С; (17)
Р = -----Чг. (17а)
(1+В0Л-1
где для краткости постоянный коэфициент В означает:
В = ^-г(-^-Лк~1У^-уР (18)
2ш г k—1‘дд
Вычисление коэфициента В удобнее производить, придав формуле следующий вид:
1 + fc _____
7д
Заметим, что здесь величина радикала представляет собой скорость распространения звука в газе при состоянии газа в момент вылета пули по известной формуле:
C = (19)
Зная теперь закон изменения давления в канале в период истечения газов, определим продолжительность этого периода как полное время истечения. Для этого в формуле (17а) положим Т — полное время истечения газов, а вместо Р подставим вели
330
чину атмосферного давления РЛ:
к — i
1 г/ р \ 2к
'Т'_ 1 I л \
В 1д ра ) величина же Rt выразится:
(1 + B0fc-3
(20)
(13а)
Полный импульс, сообщаемый оружию давлением газа за время последействия:
т
l = fRrdt. (21)
О
Теперь можно, решая уравнение (2), определить И
Упрощение формулы для вычисления отдачи можно вести следующим образом.
Мы имеем для определения скорости отдачи:
= + A (2а>
о S
Интегрируя выражение импульса:
т т гк
/^^=^(1 + 4-)^/(и-во1-*, о о
обозначим
д = Ч‘ + -9
т т 2k
f R^dt =FDPz f (l+Bt)1-*, 0 0
положив z = (1 + Bt) для удобства интегрирования:
1
(1 + BT)k ~1 J
(21a)
331
Вводя, как и выше, выражение для скорости звука:
(19)
(216)
Выражение, стоящее в скобках, есть некоторая функция полного времени истечения газов; обозначим ее Ф (Г), тогда
3 7
+ =/«.*• (И«)
о
Подставляя величину импульса в формулу (21а), будем иметь:
з
QV = {, + [(1 + 4) (^)1 -С;- ф т]) v„. т
Сравнивая полученную формулу с формулой (2), видим, что они идентичны, если принять:
3
₽-(1+4-)(гт1Г^ф<;г’- (23>
Таким образом мы сможем вычислить коэфициент ₽.
Формула (23) не может претендовать на абсолютную точность, ибо при выводе ее были сделаны некоторые допущения, а именно: 1) что в сечении у дула устанавливается критическое давление; 2) в основу вывода положены формулы, относящиеся к установившемуся движению вытекающих газов; 3) взятые формулы относятся к случаю истечения газов, когда начальная скорость газа в сосуде равна нулю, т. е. -не приняты во внимание условия движения газов, существовавшие уже в канале к моменту вылета пули. Кроме того, не принят во внимание вес той части заряда, которая движется вместе с пулей вперед; между тем ее количество движения должно было бы быть учтено для вычисления количества движения оружия.
Наконец, самые уравнения истечения газов взяты в упрощенной форме: не введен в рассмотрение коволюм.
Поэтому, прежде чем пользоваться полученной формулой, надо рассмотреть, насколько результаты, которые она дает, согласованы с полученными из опыта величинами отдачи.
332
Мы уже отмечали, что живая сила отдачи на практике получается большей, чем дает результат вычисления по формуле Пиобера. Следовательно, величина коэфициента 0 должна быть во всяком случае > -у. Займемся вычислением для случая винтовки.
В формулу (23) входят величины: k — показатель политропы;
Со — скорость распространения звука в газе, состояние которого определяется моментом вылета пули из канала ствола;
v0 — начальная скорость пули;
Ф(7)— функция полного времени истечения газов из канала, которая в свою очередь определяется показателем политропы расширения и состоянием газа в момент вылета пули.
Первую из этих величин можно было бы определить, пользуясь указаниями В. Трофимова („Механика порохового газа") по формуле, предложенной Шюле1:
’ (24)
где То — абсолютная температура газа в момент вылета пули; эту последнюю можно определить из уравнения состояния газа
РД(Г —аш) = а)ЯТ0, (25)
где Рл — давление в канале в момент вылета пули;
W— объем канала ствола;
а — коволюм;
<о —вес газа (равен весу заряда);
/? — газовая постоянная.
Принимая R = 35 (по Трофимову) и беря значения 1Г в кубических метрах, ш — в килограммах, Рл — в килограммах на квадратный метр, для 7,62-ш< винтовки: о> = 0,00325 кг, 11^=0,00003 м3, а =0,00098, Рд — по кривой давления равно 600 кг/см2, получаем То= 1600° и по формуле (24) k = 1,28.
Учитывая же возможные неточности при определении давления, неточность в величине газовой постоянной, для практических расчетов в дальнейшем будем принимать величину k, как обычно берется для расчетов по внутренней балистике, в среднем:
k= 1,2— 1,25.
Скорость распространения звука вычисляется непосредственно по формуле (19), для чего берем указанное значение k,
1 В. Шюле, Технсичекая термодинамика.
333
давление Рд по кривой давления у дула и ] = (или же по равносильной формуле: _______
Со = / ДОТ0). (19а)
Величина Ф(Т) может быть вычислена по формуле:
* +1
I 1 Ifc — 1
Ф (Л = 1 — [(i^_ вгу]
Подстановка значения величины ВТ дает:
fc + 1 /р \ 2fc
Ф(Л=1-(р^)
Значение Ф (Т), как видно из последнего выражения, получается близким к единице (см. В. Е. Слухоцкий, Определение наибольшей скорости свободного отката, изд. Конструкторского бюро Арткома, 1929). Поэтому для упрощения расчетов примем Ф(Т)=1 и перепишем формулу:
Н‘ + -Ж4лГ£- <23а>
Исследуя формулу в этом виде и учитывая, что k принимаем в среднем величиной постоянной, видим, что: 1) коэфициент р можно считать независимым от калибра; 2) с увеличением начальной скорости значение коэфициента ₽ уменьшается и 3) чем выше величина давления у дула, тем больше коэфициент ₽.
Наиболее существенное влияние на величину коэфициента имеет значение начальной скорости, как не трудно видеть из структуры самой формулы; влияние величины Со оказывается меньше, ибо она сама меняется сравнительно мало для обычных типов оружия. В. Слухоцкий на основании подобных вычислений приводит график изменения р в зависимости от г>0 и пользуется этим графиком для вычисления энергии отката.
По этому графику находим:
vQ м)сек 3
500 2,6
600 22
700 1.8
800 1,55
850 1,45
Формула, предложенная В. Е. Слухоцким, как указывалось, основана на допущении установления минимального сечения газовой струи в дульном срезе, равного при этом сечению канала; но, кроме того, при выводе не учитывалась скорость движения газов, имевшая ранее место. Проф. И. П. Граве предлагает исчислять действие газов, исходя из уравнения:
g g 0
334
а импульс действия газов в период последействия — так, как это сделано В. Е. Слухоцким. При этом значение £ получится на 0,5 больше, чем по формуле (23):
з
+ + (23а)
Несмотря на допущения, принятые при выводе формулы (23), значения р, получаемые при пользовании ею, приводят к достаточно близкому соответствию с опытом для случаев, когда не выходит из пределов 600 — 900 м)сек (см. ниже), т. е. как раз в тех случаях, которые наиболее часто встречаются в стрелковом оружии, почему и можно рекомендовать пользование этой формулой. '
А. А. Толочков, также исходя из теории истечения газов, дает для коэфициента другое выражение1. Принимая скорость истечения пороховых газов и секундный расход газа выраженными по известным формулам термодинамики для истечения идеальных газов, он делает допущение, что скорость истечения нарастает от дна канала до дульного среза по линейному закону; расход газа в различных сечениях канала также принимается изменяющимся по линейному закону. Приравнивая полученное в этом предположении количество движения газа приращению количества движения подвижных частей орудия за время последействия газов, он получает для 0 выражение:
? = °-5 + ттг]/ й—<26)
Можно указать также на целый ряд других формул для определения коэфициента р. Большим распространением пользуются формулы вида:
? = (27)
получаемые непосредственно из закона количества движения. Если положить, что пороховые газы вытекают из канала со средней скоростью Кг, то количество их движения равно:
отсюда полное количество движения оружия должно быть равно:
g g g ’
Qy=i'l)(f + ~LA
откуда и следует равенство (27).
1 А. Толочков, Действие выстрела на лафет, стр. 78 — 84, Ленинград^ 1932.
335
Французы принимают vr = 1300, в США считают — 1433. Следует указать, однако, что при различных балистических условиях „средняя" скорость истечения газов должна получаться различной. По нашим опытам, при разных зарядах (а следовательно, при различных значениях дульного давления) vr оказалось переменным, уменьшаясь с уменьшением заряда от 1270 до 1090 (при изменении веса заряда в винтовке от 3,25 до 2,2 г).
Сопоставим вычисленные значения р по различным формулам с результатами опытов по изменению отдачи ружей при различных условиях.
Journee в своих опытах с ружьями пришел к заключению, что вычисления энергии отдачи совпадают с данными опыта, если принять коэфициент р изменяющимся обратно скорости, причем дает следующую зависимость:
v0 м/сек
500 1.8
600 1,7
700 1,6
800 1,5
900 1,4
Видим, что при обычно встречающихся начальных скоростях винтовочных пуль значения р, по Journee и Слухоцкому, почти совпадают.
Мы в наших опытах получили несколько иные результаты. При одном и том же весе пули, изменяя вес заряда, получим изменение р обратно начальной скорости согласно приведенным ниже данным; при изменении же веса пули, но при одном и том же весе заряда, несмотря на изменение начальной скорости, коэфициент р практически оставался неизменным (в пределах точности опытов), как видно из приведенной таблицы (при Q — 2,516 кг).
Вес пули q Вес заряда (О Начальная скорость Среднее значение и0 Наибольшая скорость отдачи Vm Среднее значение vm Коэфициент р в пределах Среднее значение р
11,7 .3,02 797-813 805,5 5.00—5,20 5,08 1,30—1,45 1,38
10,6 3,02 813-826 818 4,74—4,85 4,78 1,26-1,46 1,36
9,6 3,02 826-839 833 4,54-4,64 4,59 1,33-1,48 1,40
8,6 3,02 848-862 856 4,28-4,43 4,33 1,30-1,46 1,36
В другой серии опытов были получены несколько более высокие значения р. Данные опытов при различных весах заряда приведены в следующей таблице вместе со значением р, вычисленным по различным формулам.
336
Вес пули q Вес заряда со Начальная скорость v0 Значения ₽
по формуле Слухоцкого по формуле Толочкова по формуле 1300 по Journee из опыта
9,6 3,25 862 1,435 1,62 1,51 1,44 1,47
3,0 799 1,49 1,66 1,63 1,50 1,57
2,8 750 1,54 1,71 1,73 1,55 1,63
2,6 703 1 60 1,75 1,85 1,60 1,68
2,4 660 1^68 1,82 1,97 1.64 1,73
2,2 616 1,78 1,90 2,11 1,68 1,77
Приводимые результаты показывают, что в пределах обычно применяемых начальных скоростей (600—900 м!сек) для стрелкового оружия вычисленные значения коэфициентов р по формулам Слухоцкого и Толочкова имеют расхождения с опытными данными не более 6%; при этом формула Толочкова дает преувеличенные значения р. Формула Слухоцкого дает в этих пределах несколько пониженные значения £ по сравнению с результатами наших опытов, но совпадающие с опытными данными Journee; при уменьшенных же начальных скоростях ниже 600 м)сек эта формула дает значения р сильно преувеличенные.
Чтобы получить возможно полное представление о факторах, влияющих на величину отдачи, упомянем еще опыты, произведенные с охотничьими ружьями по инициативе журнала „Field". Результаты этих опытов дали следующие выводы:
1) величина отдачи различна при различных сортах пороха;
2) меньший калибр при одинаковом весе пули и одинаковой начальной скорости дает меньшую величину отдачи;
3) отдача ружья с коротким стволом при прочих одинаковых данных больше, чем отдача ружья с длинным стволом;
4) отдача при загрязненном канале больше, несмотря на уменьшение начальной скорости;
5) отдача при выстреле из ружья с выкачанным из канала воздухом (ствол прикрывался кожаным кружком, удерживаемым внешним атмосферным давлением до вылета пули) меньше;
6) на величину отдачи влияет сорт применяемого в патроне капсюля.
Ббльшая часть этих выводов может быть легко объяснена с точки зрения изложенной теории. Действительно:
1) разные сорта пороха дают различные виды кривой давления в канале, что отразится на величине Со, если даже подобрать все прочие данные одинаковыми (т. е. вес ружья, заряда, пули и начальную скорость);
2) при меньшем калибре для сообщения пуле одного веса с пулей большего калибра одинаковой начальной скорости нужно,
А. А. Благонравов—124—22 337
очевидно, увеличить длину ствола, что вполне достижимо при условии одинакового веса ружья, а это повлечет большее расширение газов и, следовательно, уменьшение коэфициента р; при одинаковой же длине ствола—в случае меньшего калибра ? будет больше, что уменьшит Со и, следовательно, коэфициент (3; отсутствие полных данных о сравниваемых ружьях лишает возможности рассмотреть соответствие с теорией более конкретно;
3) отдача ружья с более коротким стволом будет больше, ибо величина давления в канале Рд также должна быть больше; коэфициент р, вычисленный по формуле (23), в этом случае действительно больше;
4) влияние загрязнения ружья приведенной формулой не учитывается; этот вопрос оставляем в стороне вследствие трудности уложить его в какие-либо теоретические рамки;
5) влияние выкачанного воздуха объяснимо с той точки зрения, что в обычных условиях заряд должен выбросить кроме пули еще и некоторый столб воздуха, находящегося в канале;
6) влияние капсюля, очевидно, выражается в изменении условий сгорания пороха в канале, что может отразиться как на виде кривой давления, так и до известной степени на величине т»в' Приводимый способ вычисления скорости отдачи справедлив для вычисления „свободной" отдачи, т. е. при отсутствии действия на подвижную систему внешних сил. Однако этим методом можно пользоваться для определения скоростей движения частей автоматического оружия, если при этом учесть одновременное действие других сил на систему.
§ 49. Системы с отдачей ствола. Длинный ход ствола
Из многочисленных систем автоматического оружия’ подробнее остановимся на тех, которые оказались наиболее жизненными и встретили применение в образцах, принятых на вооружение. Многие из предложенных систем оказались практически невыгодными, а иногда и совершенно неприемлемыми по целому ряду причин; таким системам дадим лишь краткую оценку.
Переходя к рассмотрению условий работы различных систем автоматического оружия, начнем с наиболее простых в смысле расчета движения систем, работающих на принципе отдачи ствола — с длинным ходом ствола (класс I, группа 2, тип А).
В автоматическом оружии с отдачей ствола затвор должен в течение некоторого периода оставаться сцепленным со стволом; вследствие этого импульс давления пороховых газов как на дно пули, так и на дно канала за этот промежуток времени должен быть одинаковым. Это позволяет связать количество движения ствола с количеством движения пули и рассчитать движение ствола до момента вылета пули, пользуясь законом движения последней. Для случая свободного движения ствола (т. е. при отсутствии внешних сопротивлений) движение ствола 338
после вылета пули до конца периода последействия можно рассчитать, пользуясь приведенными в § 48 формулами для вычисления скорости отдачи. Однако применять соответствующие формулы можно только до тех пор, пока затвор не расцепляется со стволом, т. е. пока ствол и затвор представляют единую систему и затвор не получает движения относительно ствола.
Как мы установили, в оружии с длинным ходом ствола последний сцеплен с затвором во время всего хода системы назад, поэтому применить упомянутые методы расчета к этим системам вполне возможно; в этом случае мы имеем систему, принципиально ничем не отличающуюся от обычных артиллерийских систем, имеющих откат тела орудия-, а следовательно, и расчет движения такой системы может быть призведен теми способами, которые приняты для расчета отката артиллерийских орудий.
г ь
Ч
чУКх\хх\\\Х\\Х.Х\Х\ХХХХ\\\\ 3
Черт. 129.,Схема автоматики системы с отдачей ствола.
Воспользуемся, например, методом Гейденрейха — Раузенбер-гера для подсчета движения ствола вместе с затвором в первый период движения (движение под влиянием давления пороховых газов на дно канала). Эмпирический метод Гейденрейха дает для случая длинных стволов малого калибра балистические величины довольно близкими к практике и в то же время позволяет находить их крайне просто и быстро.
Схематически представим систему с длинным ходом ствола на черт. 129. Введем следующие обозначения: Q3—вес затвора и присоединенных к нему подвижных частей, Qc—вес ствола, Qr— вес гильзы, Q — вес движущихся частей в период движения назад: Q = Qc 4- Q3 + Qr; П' — усилие ствольной пружины, П*— усилие затворной пружины, q — вес пули, <о — вес заряда, q + шф-+ Qr = <7n — вес патрона, v0—начальная скорость пули, s— площадь поперечного сечения канала ствола.
Как видим, в данной системе необходимо наличие двух пружин для возвращения системы после выстрела в исходное положение, так как, дойдя до крайнего заднего положения, ствол начинает возвратное движение, а затвор должен быть задержан в заднем положении. Когда ствол отойдет от затвора на достаточную величину пути, должна быть выброшена стреляная гильза; для обеспечения подачи очередного патрона между казенным срезом ствола и передней плоскостью затвора должен образоваться промежуток, больший, чем длина патрона.
339
Возвращаясь в переднее положение, ствол должен выключить задержку, застопорившую затвор, после чего затвор начинает свое возвратное движение, досылает патрон и вновь сцепляется со стволом. Для выполнения возвратного движения затвора, таким образом, требуется специальная затворная пружина. Обе пружины — ствольная и затворная — суммируют свое сопротив ление во время движения системы назад.
Обозначим начальное поджатие обеих пружин соответственно П' и Щ. Изменение усилия ствольной пружины совершается по закону:
п' = п;(1 + *А=п; + 7]'л*,
где х — путь, пройденный системой, /0 — стрела начального поджатия пружины, •»] — жесткость пружины. Для затворной пружины ее усилие
n" = n;(i + ^-\ = n; + ^.
\ Jo /
Суммарное сопротивление обеих пружин в начале движения По = П' + П'; сопротивление обеих пружин в положении системы, отвечающем длине пути х:
п=п;(1 + 4)++v) =
\ Jo / X Jo J
= п0(1+^),
если положить
г_____Щ /о Л>
/о~ п;/о+п;л’
Суммарное сопротивление обеих пружин можно, следовательно, выразить как сопротивление эквивалентной пружины, имеющей предварительное поджатие По и стрелу предварительного поджатия /0. Величину П' определяют, исходя из необходимости преодолевания веса ствола (с определенным запасом около Щ — (1,5 — 2)QC). П' должно быть не только больше Q3+ q, но, кроме того, должно преодолевать сопротивление трения, развивающегося при закрывании затвора, сопротивление пружины выбрасывателя (а в системе Шоша, представительнице систем рассматриваемого типа, сверх этого еще и усилие пружины отражателя).
* Эта зависимость является следствием положения, что усилие пружины пропорционально стреле ее сжатия, что мало отличается от действительного закона сопротивления пружин при условии статической нагрузки.
340
Стрелы предварительного поджатия пружин могут быть найдены по необходимой величине работы пружин, рассчитанной на поглощение энергии Отдачи, как это будет показано ниже.
Пл
Выражая эти зависимости через жесткость пружин ''l = у> имеем:
П = П' 4- П"
= ПО + tfx + П" + 7)"х = По + (7)' + 7)*) х.
Отсюда действие обеих пружин, эквивалентно действию одной пружины, имеющей предварительное поджатие П0 = Щ — П' и жесткость т] = т)' + т)". Примем, что данный закон сопротивления пружины (статический) сохраняется и при движении системы.
Все движение системы назад можно рассматривать происходящим при наличии сопротивления одной пружины (По, т)). Для учета сопротивления пружин удобно пользоваться графическим построением: откладывая по оси абсцисс стрелу поджатия, а по оси ординат соответствующие усилия пружин, получим при линейном законе возрастания усилия пружины приведенную на черт. 130 диаграмму. Условимся обозначать полную длину хода системы К; величина наибольшей стрелы сжатия пружины будет f04-X; по диаграмме легко определить усилие пружины П при любом положении движущейся системы х.
Пружина, эквивалентная двум пружинам, будет изображена на суммарной диаграмме, если ординаты, выражающие сопротивление пружины П', сложить с соответственными ординатами диаграммы пружины П'(черт. 131). По Диаграмме легко определить жесткость эквивалентной суммарной пружины т) == у- и/0— приведенную стрелу предварительного поджатия.
Сделав эти предварительные замечания, обратимся к расчету движения в первый период по указанному выше методу.
Скорость движения ствола с затвором в момент вылета пули найдется по формуле:
= (28)
341
(по уравнению количества движения, считая, что за пулей как бы движется половина газов порохового заряда; влиянием другой половины заряда, предположительно движущейся в обратном направлении со стволом, можно пренебречь).
Наибольшая скорость свободного отката (при отсутствии сопротивлений движению) была бы равна, как уже известно:
у = S.+ (29)
v max Q v0>
где коэфициент р определяется согласно § 48. Путь, пройденный стволом к моменту вылета пули:
где L—длина пути пули в канале ствола; формула (30) получается путем интегрирования выражения х = Jv dt при замене о
17 я + 0,5 ш b 4- 0,5 io dl
V = --—q-— v =----q----- , если учесть, что до момента вы-
лета пули путь ее в канале / изменяется от 0 до (Z, — л0). Промежуток времени от начала выстрела до момента вылета пули определяем по формуле Гейденрейха:
^ = XTh)’ (31)
где v] — отношение среднего давления пороховых газов к наибольшему давлению, Т(^) — функция, значение которой находим по таблицам Гейденрейха 2. Например, при т] = 0,5 7'(т)) = 1,056.
Наибольшая скорость отдачи достигается при отсутствии сопротивлений движению к концу периода последействия газов. Время периода последействия мы могли бы определить, пользуясь формулой (20). По Раузенбергеру время периода последействия Т определяется следующим образом. Принимается, что в течение периода последействия давление в канале изменяется по закону, определяемому эмпирической формулой Валлье:
Р==Рд(1 2~4)’ (32)
где Рд— давление в канале в момент вылета пули, Р—величина давления в данный момент времени t, считая от момента вылета пули. Импульс давления на дно канала в течение периода последействия /* Psdt приравняем количеству движения подвижных о
1 Величиной # 4-0,5(0, стоящей в знаменателе, по сравнению с Q можно . q 4- 0,5 св,
пренебречь: х0 =-----------L.
2 См. приложение 1.
342
частей, приобретенному за это время:
откуда:
2(Р -0,5) ’ • g
Ч>0<0.
(33)
Зная теперь время периода последействия газов \ легко найти путь, пройденный стволом к моменту достижения максимальной скорости:
+ хг
^dy-Pf^-L} dt; Vo и
Xr=fVdt = VaT + ^-n (34)
О
В вычисленные длины пути х0 и лтах теперь следует внести поправки, учитывая сопротивления движению ствола, равно как исправить значение Ушах. Сопротивление движению представляет трение ствола и затвора в направляющих и усилие пружин. Обычным путем, составляя сумму проекций на оси координат всех усилий и уравнение моментов относительно центра тяжести системы, мы можем найти для различных положений системы реакции в направляющих, а следовательно, и силу трения. Обозначаем среднюю величину силы трения на первоначальном участке движения через R, силу сопротивления пружин примем тоже средней на участке х = 0 до х = х0; заметим, что благодаря незначительности пути х0 можно на этом участке сопротивление пружин принять постоянным и равным начальному По.
Для обозначения исправленных величин пути и скорости введем соответственные обозначения х и V.
До момента вылета пули импульс, сообщаемый движущимся частям, будет
to
f (Ps - /?-П) dt-, о
1 Обращаем внимание читателя на то, что вычисленное таким способом время Т отличается от величины, получаемой по формуле (20). Последняя формула дает более близкие к действительности результаты. Однако в данном случае точность определения самого времени Т особого значения не имеет.
343
принимая для 7? и П постоянные значения, как указано, получим количество движения системы:
/о ро= / Ps dt - Rt0 ~ ПЛ о 0
НО ^0 fPsdt = -*-V0, 0
отсюда yo=V0-^t0--Q-t<>’ (35) ч ч
или поправка скорости
ДУ—— (П° t — q Го-
Путь системы до момента вылета пули с учетом поправки на сопротивления пружин и трения:
о* О
_г (Я+По)£
— 0 Q 2 ’
(36)1
или поправка
д у _ (По + Я)£ <о
а ~ Q Г’
Наибольшая скорость отдачи будет достигнута; когда давление газов на дно уравновесится суммой сопротивлений движению, т. е. несколько ранее конца периода последействия газов. Обозначив соответствующий промежуток времени /тах, видим, что t <Т. max
В обычных случаях для системы с длинным ходом ствола вследствие относительно небольшой величины трения и относительно небольшого еще в этот период сопротивления пружин можно без особой погрешности принять /шах = Т, что упрощает ход расчета (тем более, что за достаточно точное определение величины Т по приведенному способу вообще нельзя ручаться). В этом случае наибольшую скорость движения Итах и путь, отвечающий моменту времени (f0+ Т) от начала движения, находят следующим способом.
1 Поправка пути обычно настолько незначительна, что на практике ,ею можно пренебречь.
344
В период последействия газов количество движения, полученное системой:
т
-К4„-к)= о
Так как пока неизвестен еще путь системы до момента достижения Утах в функции от времени, а величину П определить непосредственно мы можем в зависимости от пути, то упрощенно с достаточной степенью точности можно принять значения П и R некоторыми средними величинами Ч
Если конструкция системы такова, что R нельзя положить равным fQ, например, когда усилие давления пороховых газов и сопротивление пружин приложено не центрально к системе, то можно принять R— трение системы в направляющих на данном
1 Можно было бы уравнение движения интегрировать, представив предварительно его в следующем виде:
= Рд 5 (> - v) - (И» + Я) -
Данное диференциальное уравнение — линейное второго порядка. Интегрируя его обычным путем, имеем:
x=C1cosj/-^Z+C2sin|/^i— + (a>
Из начальных условий при t = 0 х = х0:
„ Рд • s - По - R PAs-n0-R
Ci -|---- Ci — х0--------------- ;
скорость
V с, ™ (j/f,) . + с. /X „ (]/1,) - <»>
при t = О V = Vo, следовательно,
Рд*
цТ
Pns и с - —+ -ЗГ_. и —
подставив в уравнение (а) найденные значения С1? С2 и t = Г, находим хшах> а из уравнения (б) при t = Т найдем Vmax,
Однако этот путь, гораздо более сложный для практических вычислений, дает поправку, незначительную по величине как для хтах, так и для Vmax, поэтому приводимый в тексте прием замены переменного сопротивления пружины П средним значением для участка от xQ до хтах, как упрощающий подсчет при незначительной погрешности, практически более приемлем.
345
участке — постоянным, определив его из условий при положении системы в начале периода последействия (для чего придется найти в этом положении реакции в направляющих); что же
IT*—|- п
Пх, х max гт
Ср, то проще всего его принять—5-> гДе —
сопротивление пружины в положении х0, уже найденном ранее, а Пх таХ — сопротивление пружины при положении системы на пути хтах, вычисленном для случая свободной отдачи.
Тогда:
(Knax - Vo) = РЛ • ST- Рл S-y - Пср • Т-RT'
= Рд-5^--(Пср + /?)Г, или
Ртах =Ро + [^—(Пср + /?)] % Т.
Иначе можно выразить поправку:
Д Vmax = - gT. (37)
Найдем исправленное значение лтах. Так как dx=Vdt, то:
/ dx = f V dt = J [izo + Рл • s f (t - - И dt,
T. о 0 или
^max = X0 + 70T +Рд5Х^._^_(Ьр+^) Л, (38)
или поправка величины лтах
= - ^(Пср + ^)-(^о)7’.
Таким образом находим путь системы ствол — затвор к концу периода последействия газов и отвечающую этому пути скорость Vmax.
В дальнейшем система будет двигаться по инерции, причем ее скорость будет уменьшаться из-за сопротивления пружин и сил трения. Для решения вопроса о движении системы в этом периоде исследуем движение некоторой массы, подверженной воздействию пружины.
§ 50. Движение тела, подверженного действию пружины
Положим, что некоторое тело, обладающее массой Л1, движется поступательно, прямолинейно, сжимая при этом пружину и преодолевая сопротивление постоянной силы трения. Движе-346
ние предполагаем горизонтальным, так ’fro сила веса не влияет на него непосредственно. Допустим, как и ранее, что усилие пружины возрастает пропорционально ее сжатию. Вводя прежние обозначения, закон возрастания усилия пружины выразим:
П = По + т)Л,
где По — усилие пружины в начальный момент движения при х — 0. Поставим себе задачей определить скорость тела на пути, равном х = к, и время, затраченное телом на прохождение этого пути. Если масса пружины по сравнению с массой Л1 невелика, то участием первой массы в движении можно пренебрегать; если же, наоборот, масса пружины представляет величину, которая существенно может сказаться на движении системы, то ее следует учесть.
При движении тела М отдельные витки пружины будут двигаться с различным^ скоростями: первый виток пружины
будет обладать скоростью, равной скорости <и тела М\ последний виток, упирающийся в поверхность А (черт. 132), будет неподвижен; промежуточные витки, двигаясь в направлении к А, кроме этого движения будут иметь некоторые продольные колебания.
Мы будем рассматривать данный вопрос приближенно, не принимая во внимание колебаний витков и вводя допущение, что скорость движения витка, расположенного на расстоянии х от точки А, пропорциональна этому расстоянию. Таким образом, если скорость первого витка В равна V, длина пружины равна I, то скорость витка, удаленного от А на расстояние х, равна
V* = VT-
Выделим на расстоянии х от точки А элемент пружины длиной dx.
Считая пружину однородной по всей длине, массу этого элемента можно определить как
dm = ^- dx.
Рассматривая движение всей системы, мы можем привести всю систему к точке В, пользуясь методами прикладной механики. Приводя массу выделенного элемента пружины к точке В, получим:
у2
(tZwj) = dm • р?;
т х2 1
~Т ' р" ^х’>
= x*dx.
м
— 1г Черт. 132.
347
I
Приведенная масса всей пружины выразится как dtnr или:
О
/пх =/% x^dx—^. О
Следовательно, для учета влияния массы 'самой пружины на движение рассматриваемой системы можно рассматривать движение массы 7MX = Л1у , как бы подверженной действию пружины, не имеющей массы.
Более точное решение задачи дает Charbonnierх, получая, что движение массы Л1 под действием пружины, имеющей массу т, эквивалентно движению массы М (1 + у^- i-45-др +-J при пружине, обладающей массой, равной нулю, но так как 1
дробь 45- • др в обычно встречающихся на практике случаях будет весьма малой, то, отбрасывая этот член, получим выражение приведенной массы, идентичное с выведенным нами.
Иными словами, рассматривая движение тела при действии на него пружины, нужно к его весу прибавить одну треть веса пружины, а самую пружину считать невесомой.
После сделанных замечаний составим уравнение движения системы:
л^=-п-я;
= — По — — R. (39)
(Если тело движется вертикально или наклонно, то нужно учесть влияние его веса в виде силы, присоединенной к величине R, что не изменяет характера уравнения.)
Если это уравнение взять в форме уравнения живой силы:
MXIW=(— ^-R-^xjdx (39а)
и проинтегрировать от Vo (начального значения скорости тела) до V и соответственно от 0 до х, то получим:
----2-----= — (По + /?) л — '2-. (40)
Отсюда скорость тела V на пути х равна:
У =1/ V* - х - £ х*. (41)
Г О Д?! Мг v
1 С h arr b о n n i е г, Theorie des ressorts manomGtriques, Мёш. de 1’art. Fr.; f. 2, 1924.
348
Если под корнем окажется отрицательная величина, то это будет означать, что система не может пройти путь х, а раньше этого момента начнется обратное движение.
Чтобы определить время движения на участке от 0 до х, нужно вычислить интеграл
о т. е.
t = dx ' . (42)
/ 1/1/2 2 (По+ 7?) у
J V v° м± х мг о
Полагая для сокращения письма:
имеем:
t =
dx_________
— ах — fix2
х
о
Представим подкоренное количество в виде:
^0 ( , । я , а2 \ . а2
-р + y%4'4g2<) + 4£2>
что равносильно , а2 ( । a V
У + 4р — V* ‘ 2?/ ’
• а введем переменную 2 = Л + 2з:
X
__ 1 р dz
- / 1/^
J V (л-+<2Г
349
или, подставляя пределы интегрирования:
arc sin
(43>
В развернутом виде эта формула выразится:
(х । П„ + 7? По + /? \
arc sin-.......—arc sin —— .71-----
/ VX (n0+R)2 j/ (По + /?)2
к •») + г(2 V ч /
ИЛИ
± 1 /"Alt / . (]Х Пд -J-
t = I/ —11 аге sin —
71 \ V + (По + Я)2
— arc sin --п° + /? (43а)
V Мр^ + Що + Я)2 /
Определим путь х, на котором скорость V будет равна нулю, по уравнению (41):
2L v-2 I 2(п« + R) х _i/г_о.
мг io и>
*.о
1 1 у 1 7)
_ п0 + я ,1/(По + Я2) ,
Х1~ ~±v
Так как х считаем положительной величиной, то решению удовлетворяет первый корень уравнения:
= 1[_п0-/? + / (П7+Я)2 +адТ|. Отсюда получаем:
+ (П0 + Я)2 + Л^1<
Определяя теперь время движения до момента остановки системы (т. е. до того момента, когда тело достигает крайнего положения при V = 0), после подстановки в формулу (43а) х = хг имеем:
j "I /" f . 1 . Пл -f- R \
= I/ — ( arc sin l — arc sin fr—/V-, ;
Y \ n0 + R + ’
350
Если /? пренебрежимо мало, то, учитывая, что = у2, где/0 —
стрела начального сжатия пружины, получим, полагая R — 0:
или, обозначая кинетическую энергию движущегося тела
С
в начальный момент с = - 2 , получим:
и время, отвечающее пути х£
, т/ДТо/П . 1 \
^== И тхг( 2 —arcsmr—
V +/о/
— 1/ M1J<> ( ъ— arc sin , )
У По V2 /о+-*1Л
В том случае, когда требуется определить скорость V и положение системы х в заданный момент времени t, формулы (41) и (43) для вычислений неудобны. Более удобные зависимости в этом случае получим, интегрируя уравнение (39) непосредственно как линейное уравнение второго порядка:
+ ^х +П0 + R = 0,
(396)
или
d*x . , По + R _ п
dp + д л + ~мг -°-
(39в)
Для удобства интегрирования обратим это уравнение в форму уравнения без свободного члена подстановкой
Тогда:
По+/?
4
= &У и д- А _ п° + #\ , По + /? _ п dt2 dt2 “ dt2 Мг V ц Д — и>
или
^У I л V — О dt2 + ~ °-
Интегрируя полученное линейное уравнение без свободного члена, имеем корни характеристического уравнения:
^2 + Л = 0; Alt
351
мнимые:
Поэтому общий интеграл уравнения имеем в виде:
j = Сх cos + С2 sin
Обозначив, как и раньше, = Р, определим постоянные интегрирования из начальных условий: при t = t0, х = 0 и х'— Vo. Заменим у его значением:
х + cos ,/р • t + С2 sin ,/J • t. (44)
Диференцируем
V — x' — — Ci 1/ p sin Zp"• £ + C2 / p cos j/p • t. (45)
Отсюда:
C __Пр + R .
1 — 3
и0 = с2/р и окончательно:
x + -5^ = cos (/PT) + sin (/p -0;
I I F P
X = cos (/p-. 0 + sin (/p-. t) - ; (46)
V= Vo cos (/p -t) - /fTsin (/p • t). (47)
Выведенные формулы относятся к периоду движения, когда пружина противодействует движению. Обратное движение тела, обязанное действию пружины, выразится уравнением:
Путь в сторону направления движения примем за положительное направление. Положим, что в начальный момент стрела сжатия пружины равна (/0 + Л)> слагаясь из предварительного сжатия пружины при сборке системы и величины X— хода системы. Тогда при прохождений системой пути х стрела сжатия будет выражена: /0 + ^ — х> а соответствующее усилие пружины можно выразить как П = Щ — цх или как П = По -|- v] (X — х), где Пх—усилие пружины в начальный момент движения, По— усилие в конечной точке пути (при сборке). (В данном случае с возрастанием х пружина разжимается—ее усилия уменьшаются.)
352
Уравнение движения может быть переписано:
— (По + — R) — ч*. (48)
Отсюда уравнение живой силы:
_Lk_----22 = (no + ^_/?)x-^, (49)
или
M1(V2—V?) г>х2
_LL_—в (Пх - Я) х — . (49а)
Скорость на пути х равна:
(50)
= J/"vl +.—•-д'^ ~ в) х - . (50а)
Время движения:
t = Г.......... dx ....-..?=. (51)
/ 1/ у2 . 2(П0 + ^-У?)_71_
J V о + Mi х М'Х
о
Последнее уравнение отличается от уравнения (42) лишь тем, что при х стоит множитель с положительным знаком, поэтому решение интеграла аналогично предыдущему; если положить
2 (По + т;Х — R) _ т| _ д
м
то получим в окончательном виде время движения:
Пр — /? + 7]Х
— arc sin — 71..........=
./ У20Мг (П0-/? + 7)Х)г
V V] + 7]2
А. А. Благонравов—124—23
353
t = 1/" — Гаге sin ' 4
R — По — y) (> -— x)
/л^о + О^ + Ь)-*)8
R — По — ч]Х
— arc sin r........... I .
ГМ#? + (П, + ^- R)’j
Если начальная скорость движения Ио = О, то:
(52a)
• R —По— тп(Х — х) . R— Пп — ’
arc sm —=—s—.IV D — arc sin -®—
По + ijX — R По — —
arc sin К-По-7! (*-*) По + - R
. По 4- (X — x) — arc sin -Цу -, -—i no + ТЛ —
при x = X получим:
• по — R — arc sin п ° .—
Пр + —
1
= I/ —- — arc sin
r r, I 2
L * + n0 -R J ’
Наконец, при отсутствии трения (/? = 0)
— arc sin
Сопоставляя полученное выражение с временем движения системы в аналогичных условиях, но во встречном направлении (при х1=Х), видим, что эти времена равны. Не трудно также видеть, что если тело начало двигаться, обладая энергией Ео ~ = —в сторону сжатия пружины, то, пройдя весь путь до И = 0 и вернувшись под действием пружины в начальное положение, оно будет обладать кинетической энергией, равной начальной, если только не было при этом действия других сил: /? = 0. Таким образом пружина нацело возвращает поглощенную ею энергию, что непосредственно вытекает из сделанных нами допущений о характере изменения усилий пружины в зависимости от сжатия. В действительности всегда некоторая доля энергии не возвращается пружиной, что свидетельствует о работе внутренних сил (работа упругих деформаций); эта доля энергии переходит в тепловую энергию, представляя потери, аналогичные потерям на трение.
Cornu1 учитывает эти потери, исходя из соображений, что кинетическая энергия определяет скорость деформации пру-
1 С. г. Acadfemie des Sciences, 1894.
жины, вследствие чего можно положить, что потери в единицу
времени в каждый момент пропорциональны кинетической энергии движущейся массы.
Если итти этим путем, то получим следующее: полная энергия слагается из кинетической энергии (4г/ и потенциаль-
ной энергии, накопленной пружиной на пути движения х,
каковую выразим:
±П(4 + л) = 1 (По + 7)Х)(/О + х) = ±П0 (1 + -£) (Л +Л) =
= Ь(/о + х?
(так как ?]= -у®-) или, вводя, как и выше, Р = -^-, получим выражение потенциальной энергии пружины:
Полная энергия:
Е = и + (А 4- х)* + (-^)2;
Потерю энергии за промежуток времени dt можем определить как —dE = —• dt:
- ЛЕ = - [2ИА + х) + 2 • -g-] dt-
= -М,[р(Л + л) + ^]^Л.
Принимая допущение Cornu, что потеря энергии пропорциональна кинетической энергии движущейся массы и называя коэфициент пропорциональности 4р, получим:
- м, D (А+•*)+4?14г 4г (4г)2 dt> <53)
где правая часть выражает выведенную из сделанного положения потерю энергии за время dt. Сократив обе части уравнения на ("й) dt, получим уравнение движения системы с учетом потерь в пружине:
Мх +1) (/о + *) + 2^ -£ = О, (54)
или
^ + 2р-^ + ?(/о + ^) = О, (54а)
355
Если к уравнению (53) присоединить работу силы трения Rdx, то уравнение выразится:
(/о * *) + -Sr| # = 41* -Т- (4г)1 2 dt + Rdx <53б>
а уравнение (54) приведется к виду:
~ 4т 2Л-g- + + Vo тк R = 0;
но Vo = no. откуда:
— Ь 2^x4? + V + По + R = 0. (546)
Сопоставляя уравнение (546) с уравнением (396), видим, что первое отличается от уравнения (396) лишь членом
Charbonnier1, анализируя выводы Cornu, замечает, что если член d2x
= 0 (т. е. пренебрегая самой массой пружины при отсутствии на ее конце тела, имеющего массу М), то член 2[лЛ4х-^- не должен быть равен нулю2, поэтому Charbonnier предлагает коэфициент потерь в пружине считать независимым от массы, сохраняя тот же вид уравнения. В нашем случае тогда уравнение (546) принимает вид:
Л41-^.+2&-^ + т1х+По + /?о = О (54в)
или, разделив на
^ + 2^ + Px + -^±^ = 0, (54г)
где мы положили
ь
Mi ‘
В этом уравнении величины [а и 0 являются величинами постоянными для данной системы, характеризующими работу пружины: 0 = -^г-, т- е- определяется жесткостью пружины; р. = £
= м----характеристика потерь в данной пружине, которую для
всякой пружины можно найти опытным путем (см. ниже).
1 Р. Charbonnier, Theorie des ressorts manometriques.
2 Ибо в противном случае при М1 — 0 получилось бы, что потерь в пру жине не будет, что противоречит действительности.—А. Б.
356
Рассматривая уравнение (54г), замечаем, что это линейное уравнение второго порядка представляет в сущности уравнение колебательного движения при наличии торможения (т. е. затухающее колебательное движение). В случаях, подлежащих нашему рассмотрению, для нас имеет интерес только ограниченный участок колебательного движения (в случае периодического колебательного движения — меньше четверти периода).
Из механики известно, что в зависимости от интенсивности торможения, т. е. от величины jx, зависит характер колебательного движения. Решение уравнения (54г) дает следующее.
Упростим, как и выше, вид уравнения подстановкой:
, п0 + /? у = х 4--.
т)
Имеем:
+ -йг + р^-Р—— +
или
SL + 2^ + PV = O.
Характеристическое уравнение:
k* + 2yk + р = 0;
его корни:
k — — р ± vV2 ~
Если [х > у^р, то оба корня вещественны, и общий интеграл уравнения выразится:
у = + C2eft»z,
где
= — у. + /р^р
И
^2= — [X —/ р.2— р.
Если (х = }/р, то ki = k2 = (X и общий интеграл:
У = (Ci + C2f)
В обоих случаях имеем апериодическое движение; однако оба эти случая для нас практического интереса не представляют, ибо разбираемый вопрос важен с точки зрения изучения движения систем автоматического оружия при действии возвратной пружины. В этом же случае обыкновенно имеем:
357
так как потери в самых пружинах, применяемых на практике, относительно невелики. При условии у. < корни характеристического уравнения мнимые. Общий интеграл уравнения:
у = e~v-‘ [Сх cos (/р — р.® t) + С2 sin (/р — у.2 /)], или
х = е-*( [ Сх cos (/(Г-^21) + sin (/) — р2 /?)] — •
Положим: р —р.2 —«о2
х = е~[Сх cos + С2 sin о>х/] — - .
Скорость движения в зависимости от времени:
V = х' = — ре-** (Сх COS a>tt + С2 sin ®xf) -f-
4- e~^(— <oxCxsin <dx£ 4- <uxC2 cos ®x0;
= e~p' [— p-Cx COS (Oyt — p.C2 Sin — Cl®! sin 4- C2<»x cos a>x£]
_ e—y.t [(C2®x — Cxp.) cos ©x£ — (C2p 4- Cxwx) sin <»xi].
Определим из начальных условий постоянные Сх и С2:
£ = 0; х = 0; I/=V0;
Q — о • С = —°-±-^ • 1 1) ’ 1 “ 7] ’
Vq = С2<ох Схр;
__По 4- R
— ^2Ш1 н;
откуда
Г уо ц по + 1
х = е-и Ь-±2? cos 4- —------5— sin . (55)
L\
O>1
Пл 4~ По 4“ R \ 4.
p-------COS a>xf -
(По 4” R) 0*1 ) . 7
v 1 / sin d)ii =
Y) / 1 J
txV0 + ^±^(o2 + p2)
= I 7 COS <oxf------------------!------------sin Wjt
L u x o)1 x ,
n„ + /?
7]<D1
(56)
’1
358
При р = 0 имеем <ох = /0 и формулы (55) и (56) соответственно обращаются в формулы (46) и (47).
Для случая обратного движения под действием пружины исходное уравнение:
+ 2ИМХ-^- = По + 7i'(k - л) - R
дает аналогичное решение, только вместо По -|- R в предыдущем случае будет входить величина (/? — По —цк), т. е. путь и скорость в функции от времени определятся:
х = е~^ [Ci cos <ojt + С2 sin — -———;
V = ег~''t [(С2®х — Схр) cos — (С2р ф- CjfDj) sin юх£];
при t — 0, x — Q, И =V0 имеем:
» __~ Пд ~~ л
1 - ; ч
V0 + ^_Jb_ZA|X
окончательно:
x = er-*1
ft — Пд —
*)
Vo 4- -----p, 1
cos ®xf 4-------------------------sin (Dj/J —
(55a)
v = [ vo cos wxZ—(— 0 4- -^) sin <»x^. (56a)
Если тело под действием пружины начинает двигаться со скоростью 1/0 = 0, то:
„ „ ,./Г^— Щ—т]Х , . (ft— По — т]Х) |* . л
х = e^vl ---5—- cos о>7 4* -——5—sin <D,t —
L V] 1 7]<ОХ Х J
_ (556)
И
V = е-^ R ₽ Sin ®xf). (566)
Если принять р. = 0, т. е. не учитывать потерь в п ружине то для случая движения в сторону разжатия пружины:
х = cos(/01) 4- Sin(/07) + -о + ^~/?5 (46а)
V = Ио cos (/р’О 4г /fTsin (/р f). (47а)
Полученные выражения для пути и скорости можно привести к иной форме, если положить Сх — a sin <р и С2 — a cos <р.
359
Тогда:
a = VCi + C2; tg<₽ = ^-; sin y —§ >
°2 V + c|
C2 cos <₽ = —f- ___--.
/cf + cl
Преобразуя выражение:
Cx cos Wjt 4- C2 sin <ox£ = a sin ф cos + a cos <f sin фх£ = a sin 4- <p),
получим вместо формулы (55):
х = е~^ a sin 4- ф) — П°^~— .
Диференцируя по t:
V — — р-е~a sin (o^t 4- ф) 4- е~cos (фх£ 4" ф)5 = аег~ & [o>j cos (a>i£ 4- ф)— н sin (wx£ 4- ф)Ъ
(57)
где:
(58)
a =
V2 J- 2V п0 + /? , (Щ + R)2 2
2 Vo + ZVO r-t- ^2 I*
4 ~2 5
“1
, (По + /?) ®ц
Ф = arc tg - 0 д J ‘ ;
,(v.+i±«4
— arf to-_0)1 (П°
с tg Vol + Р- (Пр + /?) •
Если не учитывать потерь в пружине: ^ = 0, фх = /Р
х = a sin (/F-^ + ф) — -°4
V = а ]/р cos (/р 14- ф);
(57a)
(58a)
a
+ Я\2 Vl
*) ) + ₽ ’
Ф = arc tg По +# = arc tg П° Z1—fL . т 6 6 v„Vмя
В случае обратного движения в сторону разжатия при р. — 0:
(59)
пружины
В этом случае
х = a sin (/р t + <р) 4- П° + —- 5 V = a yzp cos (/р 14- ?)•
(59а)
(60а)
(Я-П0-^)2 г* ^2 + ₽ ’
Т = arc = arc .
Т 6 6 Vo/Mjl)
а =
^0
(61а)
360
Так как все системы автоматического оружия имеют возвратные пружины, то выведенные формулы встретят применение при анализе движения затворов и стволов. В этом случае, когда кроме усилий пружины действуют на тело еще силы, являющиеся функцией времени, то уравнение движения, конечно, усложняется. При этом линейное уравнение второго порядка меняет вид свободного члена; при простой функциональной зависимости действующих сил от времени затруднений в интегрировании не будет; изменятся при этом постоянные интегрирования. Пример такого случая мы уже имели выше, интегрируя уравнение движения системы с длинным ходом ствола в период последействия газов (см. сноску § 49).
Укажем в заключение способы определения характеристики потерь в пружине |л. Если снабдить тело, закрепленное на пружине, пером, соприкасающимся с вращающимся барабаном, скорость движения которого регистрируется (например, тарированным камертоном, производящим одновременно запись на этом же барабане), то, сжав пружину и отпустив ее, предоставляя ей свободно колебаться, получим на барабане кривую движения тела в виде зависимости пути х от времени t.
Так как движение будет в обычных случаях периодическим, то получим периодическую кривую; измеряя расстояние между двумя maxima этой кривой и переводя в масштаб времени, определяем период, равный, как известно, Но а>1 = /р — у.2; вычислив р = -^-, найдем и величину у..
На практике точнее и удобнее определять величину ь измеряя последовательно амплитуды затухающего колебательного движения пружины.
Из уравнения (57) при По = 0 и tr = ~ получим значение амплитуды первого колебания
а1==е-^>аsin +<?) —у 5
вторая амплитуда - . / Зя , \ R
а2 = e-^asm + ?) — — ; i-тая амплитуда
—и./. . Г (2г— 1)к । "1 R
at = e sin + <pj — у.
где
_ (2Z — 1) я 11----*
Возьмем две амплитуды, разделенные одним периодом движения: а; и ai+2-
. R • Г(2« —1)" , 1.
а, + — = e 21 a sin J-5—?J 5
, R -/2о13)К . r(2i + 3)it ,1
ai+2± — = e 2u>> asm ? • Ф? >
4 L * J
361
Или
п <2г~1)д
а, 4- — = — e 2u>* a cos <p;
Z 7] ‘
(2i+3) тс
a;+2 + ~ = — e 2u>1 a cos ?•
Деля почленно одно на другое эти равенства, получим:
аг +у "/4-2 + -^-
= е Ш1 = е 2
где Т—продолжительность периода колебания. Отсюда
"(о-+4)-'"(‘-'+.+т)=^ И
|л=а[1п (а<- +v)-In +2 + ] •
При исследовании описанным путем характеристики потерь в пружинах, применяемых в автоматическом оружии в качестве возвратных, было найдено, что коэфициент р- пропорционален корню квадратному из жесткости пружины ?). Кроме того, было выяснено, что коэфициент р- при обычно встречающихся в оружии стрелах поджатия пружин можно считать от стрелы поджатия независимым. Наконец, характеристика потерь в пружине у. изменяется вместе с изменением массы присоединенного к пружине тела М: с увеличением массы М характеристика потерь у. уменьшается *
§ 51. Графический расчет случая прямолинейного движения тела под действием пружины
Взяв формулу (57а) в виде:
Л_|_ + =asin(/₽
видим, что левая часть уравнения может быть представлена как
проекция отрезка а на некоторую ось, причем отрезок а вращается с равномерной угловой скоростью w = у/p около точки, расположенной на этой оси, так как угол у/'t пропорционален
времени.
Рассматривая уравнение (58а) в виде —^-=acos(V< ви-
дим, что левая часть этого уравнения в то же время является
1 По опытам И. А. Маленко можно принять для учета р следующую эмпирическую формулу: р = 0,16^0,53 Af1~0’68» если т] выражено в кг) см и
в кг . сек2]м.
362
проекцией отрезка а на ось, перпендикулярную предыдущей (черт. 133).
На чертеже
ОА — а;
Аа = а cos (/р + <?) = ;
Оа = a sin t + <р) = х + -П°^~ .
Начальный момент движения отвечает положению точки Аои а0; в этот момент t = 0, х = О, откуда
V=V0>
/~\ . Пл 4“
Оа0 = a sin = —-------------•
t путь, можно
40a0 = acos<p = -^=.
Таким образом к моменту пройденный телом, на графике определить как отрезок аоа, скорость
же в этот момент в соответствующем масштабе изображается отрезком Аа. Период движения, отвечающий полному обороту отрезка а: 7' = -^=; момент времени t можно определить как длину дуги А0А, деленную на Отсюда вытекает возможность графического расчета движения (в случае, если потерями в пружине пренебрегаем).
Поясним этот расчет примером. Пусть система, движущаяся под влиянием силы отдачи, пройдя путь 10 мм, имеет наибольшую скорость движения Ишах = 4 Mfcex. Вес системы 1,9 кг, вес возвратной пружины 0,18 кг; начальное поджатие пружины По = 3 кг, жесткость т] = 0,5 кг)см-, полная длина хода системы 120 мм, сила трения в направляющих системы R = fQ = 0,15-1,9 = = 0,3 кг. Считая началом движения момент, отвечающий достижению ИШах, примем в этот момент поджатие пружины начальным:
п; = по + т]хШах = 3 + 0,5 • 1 = 3,5 кг.
Вычислим величину
По + Я 3,5+ 0,3 _с ------= см = 7,6 см.
и,Э
1
Приведенная масса
19+^8
м‘=-..«г=°’2 - °.1»2 т?-
₽ = я; = ода = 250 (st) : /₽ = 15-8 S
363
Отложим на графике (черт. 134) по оси абсцисс величину
пп + 7?
Оай = —------= 7,6 см
в каком-нибудь масштабе, например 1/10\ В направлении оси ор-« я ^тах 400
динат отложим отрезок, равный Лоао — —^=_ = см в том же масштабе: Лоао = 25,3 см. Радиусом ОА0 опишем окружность (не трудно видеть, что ОА0 — а, как это следует из формулы (59а), / YOA0 — <р). На оси ординат отметим масштаб скоростей движения: ордината а0А0 выражает скорость 400 см/сек. Если мае-25 3
штаб построения 1/10, то длина п0Л0=-т4-= 2,53 см. Следова-
тельно, масштаб скоростей -^33 = 158 см/сек в 1 см. Чтобы
определить скорость системы, например, на пути 4 см от лгаах, отложим аоаг — 4 см в своем масштабе (0,4 см). Проводя ординату до пересечения с окружностью, получим скорость V в соответствующем масштабе: = агАх. Измерив угол .А0ОД1 в радианах,
разделим его величину на у р =15,8, получим время движения на этом участке (в секундах). В (нашем случае получаем = 3,74 м]сек и t = 0,011 сек.
Отложив а0а2, равное полной длине хода системы от хтах, т. е.
Черт. 134. 12 см — 1 см = 11 CMj таким же спо-
собом найдем конечную скорость и полное время движения: У2 = 2,94 м!сек\ t2 = 0,031 сек. Заметим, что дуга AqAiAz изображает изменение скорости в функции
от пути.
При построении гафика можно сразу определить длину хода системы до полного поглощения энергии движения системой Xi — а0В; если эта длина меньше длины хода системы, то, следовательно, система не будет доходить до конца: необходима более слабая возвратная пружина.
Подобным же образом можно рассчитать и обратное движение системы под действием пружины. В этом случае только следует откладывать по оси абсцисс (черт. 135) Оа0 =---п„ + qX — R
влево от начала координат и пути х от точки а0 в положительном направлении. Например, на черт. 135 заданной величине хг
1 В целях уточнения решения желателен крупный масштаб для возможности правильного измерения угла (У pz), которое лучше производить одновременно, например, по хорде и косинусу или по синусу и косинусу.
364
отвечает отрезок аоах, ордината а^А^ = -у=; / Л0ОУ = f (в этом / У р г- _
случае /_ <р отрицателен); / AtOY = <р + у ^t; ^А0ОАг = ^^^,
’ ' V-,
отрезок А1а1 отвечает величине или скорости в данной точке в соответствующем масштабе; в остальном решение аналогично предыдущему. При настоящем способе мы не учитываем, как уже отмечено, потерь в пружине. Кроме того, следует сказать, что возвратные пружины, собираемые или в направляющих трубках или на направляющих стержнях, при сжатии имеют стремление продольно изгибаться, чем развивают добавочное трение своих витков о стенки трубки или стержня, учесть которое затруднительно. Во всяком случае опыт показывает, что, принимая линейный закон жины в функции от сжатия,
У
А,
а,
Черт. 135.
в а0
°—Х
сопротивления пру-не учитывая потерь в ней, полу-
чаем обычно время движения меньше на 10 —15%, чем получается на опыте, что следует в дальнейшем учитывать при подсчете скорострельности. Несомненно, что на результатах подсчета сказывается и то, что мы, в сущности, принимаем статический закон сопротивления пружины, не учитывая колебаний отдельных витков при ее динамической работе. На черт. 136 показан график работы пру-
ч 13б жины при статической нагруз-
р ’ ‘ ке: опытный (//), исчисленный
по методу, изложенному в § 42
(7), и полученный из опыта при функционировании пружины в оружии (/77)—путем опытного определения скоростей движения системы под действием пружины, а отсюда и работы пружины (с учетом сил трения в самой системе).
§ 52. Более точный способ расчета движения тела под действием пружины с учетом влияния массы самой пружины
Выше (§ 50) учет влияния массы пружины мы производили приближенно, исходя из допущения, что скорость промежуточных витков пружины является - линейной функцией расстояния
365
витка от неподвижно закрепленного конца пружины. Тем самым не принималась во внимание действительная картина колебания витков пружины.
Подробное решение аналогичной задачи — прямолинейное движение тяжелого тела, подвешенного к струне, было дано Пуассоном и распространено на различные случаи колебания пружин (в том числе и на вынужденные) академиком А. Н. Крыловым1.
Положим, что пружина, работающая в условиях, указанных выше, в свободном состоянии имеет длину Z; возьмем элемент пружины dx на растоянии х от ее неподвижного конца (О < х < Z).
Допустим, что при деформировании пружины перемещение одного конца выделенного элемента равно и, а другого — u-\-du. В зависимости от знака du элемент пружины окажется или растянутым или сжатым, причем абсолютное его удлинение (сжатие) по величине будет равно du.
Относительное удлинение е = (удлинение при О, сжатие — при < 0). Жесткость пружины т] = -у- . Полагая, что упругие свойства целой пружины не отличаются от упругих свойств выделенного элемента, заметим, что е можно выразить:
или
откуда
П = -qZ • е, (62)
а следовательно, усилие, действующее на выделенный элемент со стороны соседнего элемента, может быть выражено:
n = 4Z^-. (63)
При движении пружины усилие, приложенное с другой стороны элемента, будет отличаться на величину
dn = 7)Z-g-rfx. (64)
Массу элемента можно выразить как ^-dx. Ускорение элемента:
._ d2u
— dt2 '
1 А. Н. Крылов, О некоторых уравнениях математической физики, изд. 2-е, стр. 325 — Збб. См. также: Тимошенко, Теория колебаний в инженерном деле, отд. 8, стр. 215; Е. Л. Б р а в и н, Колебания пружины с грузом на
конце, ВВА.
Збб
уравне-
(66>
(67) и как
Составляем уравнение движения элемента; имеем:
(П + ОН) - П = dx • j,
ИЛИ
/ d2u , т d2u ^~dx2^X ~~ ~T ' ~1№ ’ ^X‘ (65)
Видим, что и зависит, с одной стороны, от координаты х, т. е. от места расположения элемента в пружине, а с другой стороны,—от времени, изменяясь при движении пружины:
« =f(x, t).
Поэтому входящие в уравнение (65) производные и второго порядка следует выразить как частные производные и; ние движения будет иметь вид:
< д2и _ т д2и
T^dt2' *fil2
Обозначая-*— = а2, имеем: т
9 д2и д2и
“ дх2 dt2 •
Применяя метод интегрирования Пуассона, выразим произведение двух функций:
и = X • Т,
из которых X — зависит только от л, а Т — только от t. Тогда
d2« _ т d2X . дх2 ~ 1 dx2 ’
<?2и _у rf2T dt2 dt1 '
Подставляя выраженные таким образом значения частных; производных в уравнение (67), получим:
d2 d2X _ 1 d2T
X dx2 ~ T dt2 ‘
Обе части последнего равенства представляют собой независимые друг от друга величины; поэтому равенство возможно лишь, в том случае, когда каждая из них равна некоторой постоянной, каковую обозначим —k2.
Тогда имеем два уравнения:
(68)
367-
Первое уравнение, как линейное диференциальное уравнение второго порядка, дает решение:
Т = Сг cos kt + С2 sin kt, (70)
решение второго уравнения:
X = Acos -£-*+ Bsin-^-x. (71)
Поэтому
и = (Cl cos kt + С2 sin kt) (A cos x В sin x) . (72)
Для определения постоянных интегрирования следует обратиться к граничным и начальным условиям. При х = 0 имеем неподвижный конец пружины, т. е. и = 0, откуда:
А (Сх cos kt + С2 sin kt) = 0, или
А = 0.
Обозначая В • Сг = D и В • С2 = Е, имеем:
и = sin х (D cos kt + Е sin kt).
Второе граничное условие: при х — I усилие, действующее на пружину, равно силе инерции соединенного с ней тела:
1 \дх Jx=i \dt2Jx=i
Но
=4cos 41 (D cos kt+E sin kt> >
(4“)x=z = | sin 4 x(~ cos sin |^-z ~
= — № sin 1 (D cos kt + E sin kt).
Отсюда:
cos I (D cos kt + E sin kt) = Mk2 sin -y-1 (D cos kt-\- E sin kt), или
tg f— /) = ,
° \ a ) akM’
HO
m ’ поэтому:
tg (± t\ = -±^ ° \ a / MM
ИЛИ
368
Обозначая — = z: а
. т Z.tgZ = ^.
Последнее уравнение имеет бесчисленное множество корней. Его удобно решать графически, представив предварительно в виде:
Черт. 137.
Строя график tgz и функции • -j- (черт. 137) по точкам пересечения, находим решения
^з> • • • • •
Значения наименьшего корня zx в зависимости от величины даны А. Н. Крыловым:
m ~M 0,01 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0
21 0,1 0,22 0,32 0,43 0,52 0,59 0,65 0,70 0,79 i 0,86
Каждому значению zz отвечает свое значение ke Поэтому решение уравнения можно представить в виде суммы:
z=oo
и = У sin х (Dt cos kt t -f- Z^sin k;t), (74)
А. А. Благонравов—124—24
369
или
/=оо
и = У sin z-t -у (j)i cos zt t + Ei sin zt -E- . (74a)
i=L
Для определения постоянных Df, Et используются начальные условия (данные о скорости и величине перемещения какого-либо элемента в момент времени, считающийся начальным в рассматриваемой фазе движения). Таким образом эти постоянные получат различные выражения для случая движения в сторону сжатия пружины, или для возвратного движения; в последнем случае они будут зависеть от степени сжатия (стрелы поджатия) пружины в начальный момент.
В качестве примера рассмотрим случай возвратного движения при начальной скорости тела, равной нулю (спуск с шептала). В этом случае имеем:
(» = °;
z=oo
= У, Sin х (— Dfii sin ktt 4- Efii cos kJ);
i-1
f=oo
(ди\ v « , ki
\Jt )^0 = £ Eiki sin — x = 0.
i=i
Так как это условие справедливо при любом значении х, то оно возможно лишь, когда любое слагаемое суммы равно нулю, откуда следует:
Д; = 0.
Итак, для данного случая решение диференциального уравнения (67) представится в следующем виде:
i=oo и = У Dj sin — х cos kJ. (75)
»=i
Для определения постоянных Dt учтем, что в начальный момент пружина имеет стрелу поджатия /, что можно выразить («)/=о, х=1 = —
Учитывая же равномерность сжатия пружины для любого промежуточного элемента пружины, получим:
(u)t=0 = —;
370
откуда
1 = 00
-^гл== XD'sin^X;
2 = 1
i=oo
= 2D‘ sin ~гх-i=l
Для определения постоянной Dn в каком-либо члене ряда воспользуемся следующим методом (Фурье).
Умножим обе части на (sin х • dx^ и проинтегрируем в пределах от х — 0 до х = I:
I 1=00 I
J sin -y-x^D( sin х • dx =—•*sin(‘yL*) О i=l О
В последнем выражении встречаются интегралы трех видов:
Z
J"sin (jf-x) - sin (-7-*) dx-, (a)
u
I
J" sin2 (-y-x) dx-, (6)
0
I
J x sin (-y- x) dx. (в)
0
Интеграл вида (а) будет входить в любой член ряда в левой части равенства за исключением /г-го члена; интеграл вида (б) встречается один раз в n-м члене ряда.
Интегрируя (по частям), получим:
i
У sin (-у- x'j sin (-у- х^ dx = — yl sin z,- • sin zn
0
(при преобразованиях учтено, что sin z,- = .
I
J xsin 0
cos zn zn
371
Следовательно, I i=tx>
f sin(^-x)^Z);sin^xdx = Dn^(l-s-^ 0 1=1
—~ M sin zn (Dj, sin zx 4- D2 sin z2 + ... + Dn-i sin z„_i 4-
4-Dn+isinzn+i4- ...).
Принимая во внимание, что
Z=oo
£Dt sin Zi = (u)x=i, t=o, i=l получим:
Di sin zx 4- O2 sin z2 +... 4- £>»-i sin z„_! 4- Dn+1 sin z„+1 4-... = = («)ж=г, /=о — Dn sin z„;
(«),=/. /=0=-/=-Л-.
Следовательно: I i—oo
J' sin x Dt sin -j- x tfx = 0 i—1
= Dn~2- (1 2J-5) 4- — M sin zn 4- Dn sin z^ ;
Dn 4(1 - 4?) + M sin zn + 4 MDn sin* zn =
__ П/ / sin^ coszn\
71 ( 2« г" J Ho
M Qin - _ $in*n _ cosz„ . tn " Zn • tg z„ zn ’
M Qin2 ~ _ cos z„ • sin z„ _ sin42z„ m Zn ^zn
Отсюда
n Г / Л Sin2z„\ . z sin 2zn “] Ш sinrrt
Dn L-211 ~ -21Г)+1 ~^r J=“ т •
Полученное справедливо'для любого значения п. Поэтому вообще имеем:
Ui== Т” (2zz + sin 2zz) • '
Уравнение же движения u=f(x, t) выразится:
4пу sinz.-sinz.-i
U ’'I jLi Zi (2zJi+sin 2zf) C0S Z'1 I z=l
(77)
372
или
. kil , ki sin —— sin x
a a
7 kil / 2ktl , .
—l— —l— + Sin f=i a \ a
cos ktt.
(77a)
и =
Чтобы получить уравнение движения связанного с пружиной тела, которое движется вместе с концевым элементом пружины, надо положить х =1:
z \ 4П Sin2 Z; Л , /*7О\
(и)х=/ = — — 2, • Si (2z, + Sin 2zt)C0S Zi ~T i=l
Приближенно, взяв только колебательное движение основного тона, т. е. отбросив все члены ряда при i>l, получим:
, \ 4П sin2 Zj а
(U)x=, = ~— 7^+2^) C0S г> L <78Э>
Заметим, что =1/—. I’m
Скорость тела в функции времени v=fdt) выражается
TZ_fd«\ _ 4П а ___ • а,
v ~\dt)x-l~ 7] ' I Дгг(2г/+ sin 2г,)81пг< / *• i=l
Реакция co стороны пружины на ее опору:
1 \ дх /х=о’
ди _ 4П V sin^COSTX л / . а Л.
дх 'Ч1 L 2г<’ + Sin 2Z"' C°S ' ‘ 1 ' ’
z=l
/=оо
P--4nZ2^2z,”S^Tf)- <79)
i=l
Решение задачи разобрано до конца для частного простейшего случая, когда в начальный момент движения пружина находилась в состоянии покоя.
В оружии на практике встречаются случаи, когда движение тела меняется на обратное (случай удара системы в заднем и переднем положении), что равносильно внезапно приложенной мгновенной нагрузке и что усложняет решение задачи.
Кроме того, вычисления, связанные с решением задачи по данному способу, весьма громоздки, и для их облегчения тре-
373
буется составление таблиц функций zif например, разобранного типа:
piZ\ = ____Sin^£z__
' 17 zi (2zt + sin 2г,) ’
Поэтому, несмотря на большую строгость данного способа, на практике приходится пользоваться ранее изложенным спосо-, ' „ т
бом с учетом приведенной массы пружины, равной ~3-; этот способ для малых значений отношения-^-, что и встречается обычно в практике оружейного дела, дает вполне удовлетворительные результаты.
§ 53. Подбор возвратных пружин
В системах с отдачей ствола за редкими исключениями (например пулемет Максима) применяются, как известно, две возвратные пружины: ствольная и затворная. Задача возвратной пру жины — не только приводить систему в исходное положение для очередного выстрела, но и торможением ее смягчать удар системы в ее заднем положении.
Если бы пружина нацело поглощала кинетическую энергию системы, то система пришла бы в заднее положение без удара. Однако такой случай на практике является исключительным. Часто приходится мириться с наличием некоторого удара вследствие того, что иначе пружины делаются громоздкими и затрудняют компоновку системы. Иногда для дополнительного поглощения энергии ставят, как мы уже знаем, буфера в виде жестких компактных пружин. Но более важным при подборе возвратных пружин является то, что при пружине, нацело поглощающей энергию системы, возможны отдельные случаи не-отхода частей в крайнее положение. Это явление происходит вследствие неоднородности боеприпасов: при наличии более „слабого" патрона пружина поглотит кинетическую энергию системы на меньшей длине хода, и в этом случае может, например, произойти неперезаряжание оружия. Такие же случаи будут возможны в условиях густой смазки, зимой, при загрязнении подвижных частей, o', е. в различных случаях увеличения трения системы. Для того чтобы обеспечить надежность действия оружия и исключить лишние задержки в стрельбе, лучше иметь лишний запас непоглощенной энергии движения, лишь бы это не отражалось вредно на прочности частей системы. Весьма желательно при конструировании системы обеспечить возможность регулирования сжатия (или натяжения) возвратной пружины во всех случаях, когда предполагается необходимость работы оружия в разнообразных условиях. Как на примеры оружия с регулированием возвратной пружины можно указать на пулемет Максима, на пушку Эрликон. Регулирование пружины крайне нужно в тех случаях, когда, например, конструкция оружия чувствительна 374
при своей работе к изменениям температуры (зимой и летом), к углам возвышения, из-за влияния веса подвижных частей (оружие для зенитной стрельбы); полезно иметь регулируемую пружину и на случай изменения условий работы системы вследствие износа подвижных частей и их направляющих. Наконец, регулируемая пружина позволяет легче произвести „отладку" автоматики в смысле координирования работы различных механизмов (например подачи патронов).
При возвращении системы в переднее положение пружина должна обладать достаточной накопленной энергией, чтобы обеспечить не только возвращение системы, но и работу связанных с ней механизмов (например, подачу патронов, запирание затвора и пр.). Исходя из этих условий, и следует производить подбор пружины.
В тех случаях, когда система движется в заднее положение как единое целое (системы с длинным ходом ствола, с отдачей затвора, с отводом газов), подобрать пружийу можно следующим образом. Вычислив энергию отдачи Е = • Vt max, где Q—
вес системы, следует помнить, что часть энергии будет поглощена различного рода сопротивлениями, кроме возвратных пружин (трение, взведение боевой пружины, расход энергии на подачу патронов и пр.). В зависимости от конструкции относительный расход энергии различен. Однако приближенно можно считать, что пружиной может быть на всей длине хода погло-
Е щена энергия около а иногда и меньше.
Такой подсчет может послужить исходным для выбора пружины, производимого затем согласно указаниям § 42.
Когда возвратных пружин две, как в разбираемой системе — с длинным ходом ствола, то эта часть энергии должна быть поглощена совместно обеими пружинами. Таким образом будет решена задача о суммарной (эквивалентной этим двум) пружине (см. § 49) или будет найдено суммарное усилие предварительного сжатия пружины По (пользуемся обозначениями §49) и суммарная жесткость пружины. Построив диаграмму работы „суммарной пружины", следует отделить на ней ствольную и затворную пружины (черт. 138), исходя из соображений, что усилие предварительного поджатия каждой из пружин должно превышать вес соответствующей части системы, а для затворной пружины учесть и условия, упомянутые выше. Жесткость каждой пружины лучше всего подобрать из условий соответствия пружин с работой системы. Например, если ствол связан с системой подачи патронов, приводя ее в работу на своем возвратном движении, то из общей диаграммы должна быть выделена площадь, во всяком случае достаточно превышающая работу подачи. Наоборот, если большая доля сопротивления при возвратном движении приходится на затвор, то соответственно более сильной должна быть затворная пружина. Разделив из этих соображений площадь
375
Ь
>Л[
Черт. 138.
диаграммы на две части, как показано на черт. 138, получим возможность определить жесткость каждой пружины, а затем и подсчитать их размеры (§ 42).
Например, пусть верхняя (заштрихованная) часть площади диаграммы (черт. 138) представляет работу затворной пружины. Отрезок ординаты ab представляет ее усилие п; — при крайнем заднем положении системы; жесткость vf ------------------------------------------ Пл
найдется как —стрела предварительного поджатия: /* =
= . Рассчитав до конца цикла
движение системы, как будет указано ниже — в случае неудовлетворительности работы ориентиро-способом пружины (например, из-
вочно подобранной таким
за недоучета влияния сопротивлений движению получается недо-ход частей), следует уточнить выбор пружины и произвести
вновь пересчет движения системы.
§ 54. Движение системы с длинным ходом ствола по инерции и возвратное движение — на примере пулемета системы Шоша
После прекращения давления пороховых газов на дно канала начинается период движения системы ствол — затвор по инерции. В этот период для расчета скорости и времени движения применимы формулы (41) и (43) или, приближенно, графический способ § 51.
‘ Qc+Qs + Qr zn' т"
При расчете массу определим как---------------rv + т >
8 з о
где т' и т —массы возвратных пружин. Начальной скоростью движения в этом периоде служит /max, рассчитанная выше (в § 49).
Найденную скорость в конце хода системы обозначим Ук, а время, затраченное системой на рассматриваемый период движения, t3. Тогда полное время движения системы назад определится как сумма
4 = Т + .
Если > 0, имеем неполностью поглощенную сопротивлениями энергию движения. Если эта скорость не особенно велика (в существующих системах доходит до 2 м)сек, редко — немного больше), то данный случай следует признать нормальным; при = О имеем идеальный случай работы системы, но по указанным выше соображениям в этом случае лучше взять несколько менее сильные возвратные пружины. Наконец, при 14 — мнимой величине — расчет показывает, что подобраны чрезмерно сильные возвратные пружины; систему надо пересчитать.
376
По достижении крайнего заднего положения система начинает движение вперед, которое будем называть возвратным движением. Пройдя незначительный путь, который необходим для обеспечения заскакивания затвора за шептало, затвор задерживается последним, а ствол продолжает свое движение вперед, производя расцепление затвора. Этот этап движения можно рассматривать, пользуясь формулами § 50.
Если конечная скорость VK > 0, то начальная скорость возвратного движения УВ=^УК, где k — коэфициент восстановления скорости при ударе системы в заднем положении. По нашим опытам k для существующих систем колеблется в пределах 0,3—0,4; можно взять в среднем &=1/3. Ввиду незначительности пути
на этом этапе движения (в пулемете Шоша 8 мм), громоздкую формулу (43а) для расчета времени с достаточной степенью точности можно заменить расчетом времени по средней скорости движения на пути
Если найденная скорость в конце данного этапа— У,, то
VB + и, 2
УСр——2—> или> ПРИ =0> vcP = у У (считая в начальный момент закон возрастания скорости близким к параболическому) Тогда время движения
Дальнейшие условия движения в зависимости от конструкции могут быть различны.
В качестве конкретного примера возьмем систему Шоша. В этой системе личинка затвора благодаря наличию винтового паза на теле затвора, увлекаемая при движении ствола вперед, получает вращательное движение вокруг своей оси; вследствие поворота личинки затвор и расцепляется со стволом. В период расцепления затвора движущей силой является усилие ствольной пружины. Силами сопротивления движению будут трение ствола и инерция личинки во вращательном движении. Обозначая вращательный момент, действующий на личинку, Fr, где г — средний радиус винтовой поверхности паза затвора, имеем:
Fr = I—
dt
(I—полярный момент инерции личинки).
Окружная скорость личинки на плече г:
Vr = «>г.
Отсюда
Vr da> 1 dVr
г ’ dt г dt*
Но V г — У ctg а, если У — скорость поступательного движения ствола, а—угол наклона винтовой линии; следовательно,
d<& dt
1 . dV
377
Так как по формуле передачи движения с помощью винта:
Р =Fctg(a — <р),
с I . dV р — осевая сила; у —угол трения, то, определяя г = -2 ctga-^-’ будем иметь для осевой силы, к которой приводится сопротивление личинки:
ctga-ctg(a —
Уравнение движения ствола на рассматриваемом участке от до л0 после этого можно написать так:
Qc + Зл dV . I , , , . dV п ,оп.
----------i----rff+^ctga- ctg(a— ф) -^ = TXx-R, (80) где Щ —усилие ствольной пружины;
—трение ствола в направляющих;
Ол — вес личинки.
Если размеры личинки невелики, и, следовательно, можно пренебречь величиной I, то уравнение перепишется так:
—<80а)
После расцепления с затвором ствол продолжает движение -один на участке от х2 до X. Общее уравнение его движения:
(81)
Произведя интегрирование уравнений (80) и (81), найдем скорости ствола в интересующих нас точках, а после вторичного интегрирования — и время его возвратного движения.
Согласно изложенному в § 50 пользуемся для определения скоростей и времени движения ствола формулой (41) и (43). При этом, если брать уравнение (39), то в качестве движущейся массы придется взять величину:
Зс + Зл , I , . , , , т' .>
---------------------F р- Ctg a ctg (a — ф) + -3- *, где — масса ствольной пружины или, пренебрегая вращательным движением личинки:
* Очевидно, тот же результат был бы получен при пользовании приемом приведения масс: Л4пр = где k — отношение скорости точки, расположенной на личинке на расстоянии г от оси вращения, к скорости поступателЪ-Г ctg (а —ср) I
-кого движения, а rtl — коэфициент полезного действия Гц = —-----— .
378
Силу трения ствола в направляющих /? можно принять:
Я = /(<?С +(?л)
в случае горизонтального положения системы.
На третьем этапе возвратного движения (движение ствола Q
от х2 до X) движущаяся масса 7MJ ~~g~> так как Движется теперь один ствол, а личинка остается застопоренной, будучи выдвинута из затвора на величину (х2 — Xj).
В результате получим:
а) скорость ствола на пути х2
У2= У V,2 + 2 + £
2 ' 1 Afj Мг '*2 Х1' ’
б) время движения ствола на этом же участке
Д 2 -
1
При интегрировании удобно положить х—x1~zf тогда
(л2 — л^) = z (z + 2лх) = z2 + 2%!?;
или
_ По + < (X — Xi) — R
___________jz _
[п;+г/ (A-xj- /?]2
— arc sin
П» + 71/ (X — xt) — R _________________
UJo+l'CX-X!)-/?2]
^/2
в)
г)
скорость ствола в переднем положении
arc sin
время движения ствола на последнем участке
379
где
«1 По + “Я О- *2) ’ R q _ т/
<= ; Р1~;йг
Примечание. Вычисления удобнее производить, определив сначала величины а, р и и пользуясь их подстановкой в формулы скорости и вре-мени. Заметим, что величина, входящая в выражение для а: Щ-|-у; (X—х) — не что иное, как усилие пружины, отвечающее положению ствола на пути х. Кроме того, не следует забывать необходимости выражения длин в одних единицах: например: tq —в кг]см, g— см)сек2, У—см[сек.
По найденной величине Vc можно судить о силе удара ствола в переднем положении и вывести отсюда соображения о прочности частей, подверженных деформации при ударе, пользуясь сравнением с существующей системой.
Совершенно так же можно исследовать и движение затвора, которое начинается с момента возвращения ствола в переднее положение. Последнее можно разбить на этапы: 1) движение на участке' от хг до х3 — до момента захватывания очередного патрона из магазина; 2) движение на участке от л3 до xit на котором происходит извлечение патрона из магазина;3) от xi до х5= — [К—(х2 — лх)], кончая досылкой патрона в патронник, так как личинка выдвинута из затвора на величину (х2—А); следовательно, поступательное движение ее прекратится, когда затвор подойдет на эту величину к своему переднему положению; 4) от л5 до к — участок, на котором происходит запирание затвора (поворот личинки).
Каждый из этих этапов отличается друг от друга тем, что движущиеся массы на них различны: на первом движется масса 7И” + где т'— масса затворной пружины, являющейся
теперь источником энергии движения; на втором—Л4}и = —3+ 4-—+^- (q—вес патрона), на третьем масса та же — АП11; на
s 6 Q3—Q. т"
четвертом 7HIV ---------+ (без учета вращения личинки).
На втором участке кроме движущихся частей в направляющих добавляется сопротивление трения извлекаемого из магазина патрона 7?п, учитываемое как некоторое постоянное усилие, зависящее от поджатия пружины магазина. В конце третьего участка добавляется сопротивление сжимаемой пружины отражателя. На четвертом участке следует, при точном исследовании движения, добавить потери на запирание затвора, аналогичные потерям на отпирание. Способ же расчета скоростей и времени остается всюду одинаков — по приведенным формулам:
Из,/]/ + — М ’
380
где t —означает номер участка;
Vt — скорость в конце соответствующего участка;
а; и р(-—значения величин а и р на соответствующем участке.
Значения соответствующих величин для каждого участка сведены в следующую таблицу.
Mi,i a j________________Pi
1-й участок движения затвора 0^1 Л + [п? +!"().-^)-₽]
2-й участок движения затвора «3 + Я ё + з тсД- [По" + (X -.х,) М1,2 Mll2
3-й участок движения затвора Q3 + q т" ё + з лЛ-[П." + Г (X- х4)- R] Afl,3 д" М,,з
4-й участок движения затвора 's Iм + п О’ I зд со О* тД- [По"+ <'(Х~х6)-/?] М1,4 Л” М114
На первом участке начальная скорость затвора равна нулю, что упрощает формулу для t, ибо радикал в знаменателе дроби в формуле (43) обращается в и второй член формулы в (-!)•’
Если участок движения мал, то для сокращения подсчетов время вычисляется по средней скорости.
Суммируя все времена движения ствола и затвора на отдельных участках, получим время возвратного движения . Складывая <н+^в+т, где т — продолжительность воспламенения капсюля, получим полное время цикла движения системы Т. По данным, которые удалось найти в литературе, т ~ 0,005 сек., однако, по нашим опытам т не превосходит 0,002 сек. для капсюля нашего винтовочного патрона.
Темп стрельбы исчисляется:
. 60
Н + у" выстрелов в минуту.
Цель анализа движения системы, конечно, не исчерпывается решением вопроса о темпе стрельбы, — это задача второстепенная. Основным является получение исходных данных для поверки
* Если на каком-либо участке присоединяется к системе новая масса, то начальная скорость движения на этом участке не будет совпадать с конечной скоростью на предыдущем участке как вследствие увеличения движущейся массы, так и вследствие возможных потерь энергии при ударе, что следует в расчете учитывать.
381
координирования функций механизма (например подачи патронов) и для решения вопросов о прочности деталей, работающих с ударом.
Нами здесь произведен подсчет движения системы при ее горизонтальном положении. В тех случаях, когда система предназначена для стрельбы и под большими углами возвышения, необходимо произвести расчет движения и при предельном угле возвышения, учитывая влияние составляющей веса.
§ 55. Влияние веса системы при различных углах возвышения
Для учета влияния веса системы при угле возвышения ср разложим вес системы Q на составляющие: по направлению движения и нормальную к направлению движения:
Q sin ср и Q cos ср;
Благодаря последней составляющей возникает сила трения /Q cos ср.
В период движения системы назад к ней будут приложены силы
Q sin <р — fQ cos ср = Q (sin <р —/cos ср);
в период возвратного движения
— Qsin <р —fQ cos ср — — Q (sin <р + /cos ср).
Так как эти силы в течение каждого периода постоянны, то влияние их на скорость движения системы определить легко.
При угле ср = 0 влияние веса выражалось в виде противодействующей движению силы—fQ. Следовательно, при переходе от угла <р = 0 к углу возвышения <р сила, противодействующая движению системы назад, уменьшается на величину
Л = Q [sin ф + /(1 — cos ср)].
Поэтому в течение заданного промежутка времени t при угле возвышения <р скорость системы будет больше на величину jt, где j— ускорение, равное
^ = g[sin<p+/(l — cos <р)], или поправка скорости за время t выразится
д^ = + £ф1П(?+/(1—cos<p)]. (82)
Посмотрим, как изменится в этих же условиях скорость на заданном пути х. Изменение живой силы системы при переходе от у = 0 к <р выразится
".W-H -Fx
о Г1Х,
382
где — скорость системы на пути х при угле возвышения <?.
Обозначим Vv — V = AV_v; имеем:
ДИЛ(2У+ДИГ) = -^,
ИЛИ ________
= -V + j/^4-^, (83)
что и представляет поправку скорости. При возвратном движении в этих же условиях противодействующая движению сила изменяется на величину
F^ = Q[sin<p —(1 — cos<p)/].
Соответствующие поправки скорости выразятся:
Д V,= —g[sin— (1 — cos<f)/K (84)'
и _________
-ДИл = -У + /^ + ^. (85)
Найдем поправки пути системы для заданного промежутка времени t. При движении назад
l^xt = ~- [sin<f+/(l — cos <р)]; (86)
при возвратном движении
bxt—— [sin — /(1 — cos ср)]. (87)
Наконец, поправка времени движения на заданном пути найдется, если в формуле (43а) и (52а) в числителе дробей добавить соответственно —Fr и + F2.
Очевидно, что при углах склонения • полученные формулы остаются справедливыми, если угол <р считать отрицательным.
Пользуясь приведенными формулами, можно проследить изменение условий движения системы при изменении угла возвышения, что бывает важно при проектировании авиационных или зенитных пулеметов и автоматических пушек.
§ 56. Пример расчета темпа стрельбы для системы с длинным ходом ствола
Возьмем следующие данные оружия:
Калибр 8 мм.
Наибольшее давление Рт — 2760 кг{см2.
Начальная скорость пули v0 = 650 м)сек.
Длина пути пули в канале £ = 400 мм.
Вес пули q = 12,8 г.
„ заряда <о = 3 г.
„ гильзы Q = 10 г.
Вес ствола Ос = 2,05 кг.
„ затвора Q3 = 0,74 кг.
Длина хода частей X = 145 мм.
383
Наибольшее давление пороховых газов на дно равно Рт- s — = 1400 кг.
qv^
Среднее давление РСр • $ = ~2gL~ = кг'
,->=0,5.
Г т
По таблице Гейденрейха: Т (»])= 1,056, продолжительность выстрела:
f0 = T(tJ = 0,0013 сек.
Находим Рл ; 1т — длина пути пули, отвечающая развитию наибольшего давления
1т = 01) = 400 • 109 = 43-6 мм-
Отношение ± = к = = 9,17.
Из таблиц:
ф (к) = 0,232;
Рл = Pmty(k) = 2750 • 0,232 = 640 кг/см*;
Рл • s ~ 320 кг.
Находим время периода последействия газов
т _ 2(3-0,5)ш « • g °'
Величина р = 1,8, для данного случая определенная согласно § 48:
Т. 2 • 1,3 • 0,005 ссп ПЛЛ1С „
Т = ~<го1—650 — 0,0016 сек.
Скорость свободной отдачи в момент вылета пули:
Уо = 650 = 3,32 м/сек.
Наибольшая скорость свободной отдачи:
,, 0,0128 + 0,0027 ссп . по
И m = ----2^'----66° = 4>28 м/сек-
Путь системы к моменту вылета пули:
*о = Jstzt • 400 = 2,03 мм.
^,0140
Путь системы в момент t9 + Т при свободном откате
Р_ Sg Т2
Хт — Х0 -t Н-----Q Г’
384
хт= 2,03 + 3320 • 0,0016 + ??-0^-89810. -QW’J’L;
= 2,03 + 5,32 + 0,96;
= 8,31 мм 8,3 мм.
Кинетическая энергия системы:
QV2 2,8 • 4,282
-2— = 2~“р1 = 2,61 Кг ' М'
Следовательно, пружины на пути к должны дать работу < 2,61 кг-м.
Для дальнейшего расчета возьмем ствольную и затворную пружины в том виде, как они подобраны в пулемете Шоша. Данные пружин:
ствольная . . . п' = 2,4 кг; = 10 см; П, = 5,9 кг; vf = 0,24 кг {см
затворная . . . = 3,5 „ ; Д = 7,5 „ ; П* = 10,3 „ ; т" = 0,467 „
„суммарная" . . По = 5,9 „ ; /0 = 8,35 „ ; П} -- 16,2 „ ; т( = 0,707 ж
Полная работа пружин определится:
= +&?_. 0,14;
= 1,547 кг • м.
Отношение кинетической энергии системы при свободной отдаче к работе пружин:
Видим, что можно было бы взять несколько более сильные пружины с целью уменьшения удара системы в заднем положении; однако при этом не следует упускать из виду, что при излишне сильных пружинах получим сильный удар системы при возвращении в переднее положение, что также невыгодно и с точки зрения прочности, и с точки зрения устойчивости оружия при стрельбе, а следовательно, кучности боя.
Вес ствольной пружины 80 г, затворной 40 г. Учитывая теперь вес пружин, имеем:
М = — = 0 29 кг' сек* т* 9-81 u,z м
Силу трения возьмем 2,3 • 0,2 = 0,56 кг (преуменьшено, так как пулемет имеет значительное трение на планке досылателя, А. А. Благонравов—124—-25 385
приводящей в движение лоток):
Vo = 3,27 м/сек.
Ч = Ц, - t, = 3,24 м/сек.
Итах— Ко + 2/Wj 1 ’
„ о. , 32Э — 2 • 6,8 nnnlt.
= 3,24 Ч- —-0,001b;
= 4,08 м/сек.
Путь x0 = 0,00198 м^2 мм.
лт= 1,98 + 5,19 —0,94-0,29 мм-— 7,7 мм.
Скорость в конце движения
VK = /р2-а(Х-лт)-р(Х-хт)®;
а = = 4'8,8 м/сек-
Р=й- = б?й= 244 л</^2;
VK = /16,65 — 48,8-0,1373 — 244-0,13732;
= уг5,34 — 2,31 м/сек\
CL _ 0L2
> = 4? = 0'01'
+ = 0,068; |/-"Ч 4+0,279;
, 1 0,1373 + 0,1 . 0,1 \
244 \ ЭГС Sin 0,279 arc Sin 0 27g J5
= (arc sin 0,851 — arc sin 0,368);
= -fgg- — 0,0418 сек.
Скорость в начале возвратного движения системы
Ив = VK = 0,77 м/сек.
Путь до остановки затвора 8 мм.
Скорость к этому моменту определим из уравнения живой
AliV? MjV?
силы —£— = —£-----F где А1— работа пружины без учета
трения.
386
Работа пружины: 0,1272 кг-м.
Работа трения: 0,56 • 0,008 = 0,00448;
= 0,1227 4- 0,086 = 0,2087;
v?=2w==1>44; V1= 1>2м/сек-
Время движения определяем по средней скорости:
КР = 0,985 м/сек, = 0,00813 сек.
Путь расцепления личинки берем 30 мм.
Движущиеся массы
A1J = + + _ 0,229.
Приведенная масса личинки
/ ctg a ctg(a — <р) = 0 QQ09 кг'сек3
Исправленная масса Ж’= 0,230 (видим, что поправка несущественна).
Работа ствольной пружины: 5,69 4,97 t оо
Среднее усилие: ——’— = 5,38 кг-,
работа: 5,38 • 0,03 = 0,16 кг • м.
Потери на трение: 0,45-0,03 =0,0135 кг-м.
023 • 1 23
Живая сила в начале участка: -——=0,166 кг-м.
Живая сила в конце участка: 0,166 4- 0,16 — 0,0135 — = 0,312 кг - м-,
^2 = "’пор 2 = 2,71; V2 = 1,65 м/сек.
Средняя скорость КР = 1,43 м/сек.
Время /6 = = 0,0210 сек.
Движение одного ствола:
Масса: = 2'Ю +°-027 - 0,212.
Работа пружины: 0,339 кг м.
Потери трения: 0,044 кг м.
Живая сила в начале:0,106• 2,71 = 0,287 кг-м.
Живая сила в конце: 0,287 4- 0,339 — 0,044 = 0,582 кг - м;
1/2 0,582 - 2 сс
Ve2 = -oji2- = 5,5;
Ус = 2,24 м/сек.
387
Теперь становится понятным, почему в пулемете подобрана относительно слабая ствольная пружина: иначе удар большой массы ствола в переднем положении был бы чрезвычайно ощутительным и при этой слабой пружине скорость ствола значительна.
Возьмем расчет времени по средней скорости:
т, 2,34 1,65 о п ,
Иср = ——2~-— =2,0 м/сек-,
ta = = °’0535 сек-
*1
Сравним время, подсчитанное по изложенному ранее методу: а __________ пв *1 (К ^2) R ___ 4,97 — 0,42 ___п
23 “ т] ““24 —
У 2
? = 0.21-2-= 113;/?= 10,62; = У! = 0,024;
. 1 ( 0,107 — 0,190
гв = (arc sin -Г===А —— arc sin
10,62 ( /0,024-p 0,036
1 / 0,083
— 10,62 (arcsin 0,245
= -taa-r = 0,0ol 1 сек. 10,62
— 0,190
0,060 /
. 0,190 \
arCSin 0^45 )>
Объединяем первые два этапа движения затвора: путь около 50 мм\ считаем среднее сопротивление трения патрона в магазине около 1,5 кг. Движущиеся массы
0,74 + 0,026 4- 0,013
9,81
(здесь <7=26 г — вес патрона). Трение берем 0,15 кг. Полное сопротивление движению округленно равно 1,7 кг.
Начальная скорость движения равна нулю:
о 46,7 сос
‘8 = 0?08 = 585;
а _____
2,3 “
9,9 — 1,7
46,7
= 0,176;
а =206.
Скорость к моменту извлечения патрона из магазина:
УзЛ = /206 • 0,05 - 585 • 0,052= /8,85 = 2,98 м/сек.
Время
, 1 / 0,05 — 0,176 , , 0,7714 ППО1П
t-, = 2^2 \агс sin —0Д76---! ,57/ = -24j~ = 0,0319 сек.
388
Движение до досылки патрона: Путь 57 мм.
Движущиеся массы: — 0,08.
Трение 0,16 кг.
? = 585 -J = —4К7— =0,1585;
а = 186 ^ = 0,0251
уз.2 = /8,85 + 186 • 0,057 - 585 • 0,057а = 17,55 = 4,19 м/сек;
, \ 0,057 — 0,1585 , . 0,1586
to = arc sin —7-------------- + arc sin =
8 24 2 у о 0151 + 0,0251 ®.°402
0,3822 п nieo
— 242— = 0,0158 сек.
Запирание затвора:
Путь 30 мм.
Работа пружины: 4,2-0,03 = 0,126 кг-м.
Работа трения: 0,16-0,03 = 0,005 кг-м.
Потери на работу пружины выбрасывателя и сжатие пружины отражателя (ориентировочно пружины не измерены и не подсчитаны) равны 0,01 кг • м.
лл 0,58 0.013 л /чплг-
Масса затвора: /И1 = -2—ggj---=0,0605.
Приведенная масса вращающейся личинки: 0,0009.
Исправленная масса: /И' = 0,0614.
0,8685-17,55 А са ,
Живая сила затвора: —%— =--------2---~ кг ' м‘
Живая сила конечная: 0,53 4-0,126 — 0,015 = 0,64 кг • м.
Скорость V2 = 00614 = 20,8;
V = 4,56 м/сек.
Время движения t9 = 0,0068 сек.
Присоединяя время на воспламенение капсюля: т = 0,005 сек., имеем Т = 0,1844 сек.
Темп стрельбы: 325 выстрелов в минуту.
Получился, как видим, преувеличенный темп стрельбы по тем причинам, которые были указаны раньше. Кроме того, в целях упрощения примера нами не вводилось в расчет трение планки досылателя затвора, приводящей в движение лоток, которое скажется на скорости движения затвора. Не учитывалось также трение очередного патрона после извлечения верхнего патрона о досылатель, а при ходе ствола назад—и о ствол; не учтено торможение ствола при спуске затвора; ориентировочно взята потеря на сжатие пружины отражателя; наконец, должны быть потери энергии при ударах (заскакивание затвора за шеп-
389
тало, удар личинки в переднем положении передается затвору). Если более тщательно проанализировать движение, учитывая все подобные сопротивления, то расчетный темп стрельбы приближается к действительному с погрешностью до 10%.
§ 57. Общие свойства систем с длинным ходом ствола
Вследствие того что расцепление затвора происходит спустя значительный промежуток времени, в разбираемых системах гарантируется экстракция гильзы при отсутствии давления внутри канала; эти системы дают, таким образом, наилучшие условия обтюрации; но вместе с улучшением условий экстракции ухудшаются условия удаления гильзы из оружия (отражение гильзы), так как гильза находится в состоянии покоя по выходе из патронника; в других системах для отражения гильзы можно использовать ее движение вместе с затвором, в данной же системе нужно прибегнуть к специальным устройствам отражателя, например, рычага, приводимого в действие возвращающимся в переднее положение стволом, или же пружинного отражателя (как в системе Шоша).
Системы относительно мало чувствительны к загрязнению благодаря большой величине движущихся масс. Но вследствие той же причины энергия отдачи системы, как мы уже знаем, меньше, чем в тех системах, где движущиеся части имеют меньший вес. Скорости7 движения частей невелики, что приводит к сравнительно низкому темпу стрельбы; главной же причиной невысокого темпа стрельбы является наличие „мертвого времени" в движении затвора: затвор неподвижен в течение периода возвращения в переднее положение ствола.
Кинетическая энергия системы ствол — затвор полностью используется для движения частей; из приведенного примера видно, что для полного поглощения энергии в конце хода частей назад приходится делать весьма сильные пружины или же специально ради этого удлинять ход частей.
В системе Шоша непоглощенная энергия ствола и затвора в заднем положении довольно велика и дает при стрельбе чувствительный толчок.
Система допускает простое устройство затвора, дает возможность надежной работы автоматики, однако, не получила большого распространения в стрелковом вооружении. Больший интерес системы с длинным ходом ствола представляют для крупных калибров, позволяя получить относительно небольшое усилие на связях с установкой и обходиться без специальных противооткатных устройств.
§ 58. Системы с коротким ходом -ствола. Особенности системы
Эта чрезвычайно распространенная группа систем автоматического оружия отличается от предыдущей тем, что ход ствола, сцепленного с затвором, невелик, расцепление затвора начинается 390
обычно вслед за вылетом пули; после расцепления с затвором ствол затормаживается, а затвор по инерции может продолжать движение и выполнять необходимую работу (экстракция гильзы, введение стреляющего механизма, досылка очередного патрона патронник).
Подающий механизм может быть связан как со стволом, так и с затвором. Остановленный ствол может быть*задержан в заднем положении вплоть до возвращения к нему затвора, после чего вся система ствол — затвор возвращается в переднее положение, причем происходит сцепление затвора со стволом; некоторые системы конструируются так, что ствол возвращается в переднее положение до возвращения затвора (не задерживается в заднем положении), что требует шарнирно-рычажного сцепления или поворачивающегося затвора.
В зависимости от длины хода ствола до полного его расцепления с затвором могут быть различные случаи: а) расцепление происходит до конца периода последействия газов; б) расцепление заканчивается после того, как давление в канале упало до величины атмосферного давления. В первом случае затвор может получить добавочный импульс от остаточного давления пороховых газов и увеличить таким образом свою кинетическую энергию. Однако слишком раннее открывание затвора может повлечь за собой такие же условия, какие имеются налицо в системах с отдачей затвора, т. е. затруднения в экстракции гильзы.
Второй случай обеспечивает от преждевременного открывания затвора, т. е. дает более надежную экстракцию гильзы, но может привести к излишнему удлинению оружия, так как увеличивается длина хода ствола, а полная длина хода частей слагается из длины хода частей и хода затвора, необходимого для перезаряжания оружия.
Если конструкция оружия обеспечивает возвращение ствола в переднее положение до начала возвратного движения затвора, то можно не бояться последнего недостатка, так как полная длина хода затвора не будет излишне увеличена; однако это условие удовлетворяется не в каждой системе.
Нет никакого смысла задерживать расцепление затвора дольше, чем будет достигнуто падение давления в канале, так как кроме увеличения длины хода частей мы будем иметь еще и торможение ствола его возвратной пружиной, и расцепившийся затвор будет иметь меньшую кинетическую энергию, чем имел бы, если бы расцепление происходило раньше.
С другой стороны, если период расцепления затвора со стволом протекает при наличии еще значительного давления пороховых газов в канале, то сцепляющиеся части затвора находятся под большой нагрузкой, что вызывает излишнюю величину сил трения в этих частях при расцеплении затвора и ведет к лишнему расходу энергии и скорейшему износу частей затвора.
С этой точки зрения выгоднее начать расцепление затвора возможно позднее, но с таким расчетом, чтобы оно было закон-
391
чено по возможности на малом пути хода ствола. Во всяком случае следует обеспечить то обстоятельство, чтобы начало расцепления затвора происходило уже после вылета пули из канала.
Движение системы ствол — затвор при этом условии ничем не будет отличаться от случая, разобранного в § 49. Следовательно, скорость Ио и путь системы к моменту вылета пули ха можно определить по формулам, приведенным в этом параграфе.
Определяя затем наибольшую скорость свободной отдачи и соответствующий путь системы СТВОЛ — затвор Утах и Л'тах, учтем, что по принятии в расчет сопротивлений движению путь, отвечающий наибольшей скорости хтах, весьма немного отличается от лтах. Отсюда можно ориентировочно наметить положение частей, отвечающее моменту расцепления затвора.
Подобно системам с длинным ходом ствола рассматриваемая система может иметь две возвратных пружины: ствольную и затворную. В редких случаях возвращение ствола и затвора в исходное положение после выстрела производится одной пружиной (пулемет Максима). При наличии двух пружин ствольная пружина обычно не в состоянии поглотить всю кинетическую энергию ствола на коротком участке его движения, так как ее пришлось бы для поглощения энергии делать чрезвычайно сильной. Это обстоятельство делало бы пружину конструктивно неудобной, а кроме того, такая пружина поглощала бы в период до расцепления затвора часть энергии системы, необходимой для дальнейшего движения затвора, и, наконец, энергично набрасывала бы ствол вперед. Поэтому ствольную пружину приходится подбирать, руководясь лишь соображениями о достаточной энергии для возвращения ствола в переднее положение, учитывая при этом необходимую работу для подачи патрона, если движение ствола связано с работой подающего механизма. Затворную же пружину следует подбирать, исходя из необходимости поглощения значительной доли энергии движения затвора, аналогично разобранным выше системам. В простейшем случае первоначальный подбор пружины можно, следовательно, произвести следующим способом: полагая, что затвор расцепляется со стволом на пути движения системы л2 и обозначая полную длину хода затвора, необходимую для перезаряжания считаем, что в положении л2 затвор будет обладать скоростью Vmax- Тогда работа пружины на пути (к — л2) выразится Пср(к —л2), где Пср = Пл2и Пх2 = По + т)Л2. Предварительное поджатие пружины намечается из соображений, подобных указанным для предыдущих систем. Жесткость же пружины получим, решая уравнение:
Пх2 + ПХ v <1 1 ^з^тах
2 Х2'~ п 2g ’
где ——коэфициент запаса, рассчитываемый на то, что часть энергии будет поглощена остальными сопротивлениями кроме 392
возвратной пружины; Q3—вес затвора. Подставив в это уравнение Пх2 и Щ , выраженные через По, найдем необходимую стрелу предварительного поджатия /0 и жесткость пружины т).
Нетрудно видеть, что поглощаемая затворной пружиной энергия составляет обычно небольшую долю всей энергии отдачи, действительно, обозначив вес ствола через Qc, имеем (при уело-вии расцепления ствола и затвора в момент достижения наибольшей скорости системы):
полная энергия отдачи
Е = ^±31 V-2g max’ кинетическая энергия затвора после расцепления
Е3 = Q^VZ ,
3 2g max
Энергия затвора тем меньше, чем меньше вес затвора по отношению к весу ствола; вес ствола не может быть получен ниже определенных пределов, поэтому для относительного увеличения энергии затвора потребовалось бы его утяжеление. Это решение невыгодно как вследствие увеличения веса системы, так и вследствие того, что при этом будет уменьшена величина Efl и выгода от утяжеления затвора будет невелика; между тем при небольшой величине кинетическая энергия затвора мо-жет оказаться настолько малой, что не обеспечит правильного функционирования системы. Кроме того, нельзя не учитывать, что значительная часть энергии движения ствола при данной схеме не только пропадает бесполезно для работы автоматики, поглощаясь при ударе ствола в его заднем положении, но и приносит явный вред системе, вызывая толчок и требуя повышенной прочности частей, воспринимающих этот удар.
Поэтому рациональной конструкцией автоматического оружия с коротким ходом ствола является такая, в которой кинетическая энергия ствола утилизируется для работы всех механизмов оружия возможно более полно. Задача решается обыкновенно' в подобной конструкции таким способом, что торможение ствола в заднем положении происходит за счет передачи его кинетической энергии затвору; механизмы, позволяющие осуществить этот принцип, называются ускорителями.
Принадлежа к типу кулачковых или рычажных механизмов, ускорители, в зависимости от конструкции, могут позволить более или менее полно утилизировать энергию отдачи. В системах, имеющих ускорители, скорость затвора может быть значительна повышена; поэтому приблизительный подбор затворной пружины и расчет движения затвора следует производить, определив предварительно условия работы ускорителя и приобретенную затвором скорость, которая, очевидно, будет больше, чем Итах-
393
За редкими исключениями (пистолеты) системы с коротким ходом ствола на основании изложенного приходится делать неизбежно с ускорительными механизмами. Обращаем внимание читателя на то, что главная функция ускорительного механизма
в системах с коротким ходом ствола отнюдь не увеличение темпа стрельбы (подчас этого вовсе не требуется), а рациональное распределение энергии в системе: излишняя энергия ствола передается затвору, от движения которого зависит правильное -функционирование автоматики. Принципы устройства ускорительных механизмов изложены в следующем параграфе.
Учет переменной величины силы трения при наличии динамической пары. Следует указать также, что в системе с коротким ходом ствола невозможно скомпоновать конструкцию так,
чтобы действующие на нее силы приводились только к одной равнодействующей. Вследствие смещенного относительно оси канала ствола положения центра тяжести системы неизбежно появляется
Черт. 139.
пара сил, увеличивающая трение при движении частей системы в их направляющих. При этом сила трения будет функцией величины действующих на систему сил и не может быть рассматриваема постоянной. Это носит название „случая наличия динамической пары при выстреле". Тем не менее всегда возможно привести уравнения .движения системы к виду уравнений, рассмотренных выше.
На черт. 139, изображающем схему автомата Федорова, показаны силы, действующие на систему в первом периоде ее движения: Рдн— абсолютная величина давления пороховых газов в канале, равная PS(где S— площадь поперечного сечения канала), являющаяся движущей силой; П' и П"—усилия ствольной и затворной пружин; и — нормальные составляющие реакций в направляющих системы при ее движении (в первом периоде считаем сцепленную систему ствол—затвор как единое целое); /TVj и /ЛГ2 — соответственные величины сил трения; Q — вес системы; Р2 — составляющая усилия, передаваемого через взводимый курок боевой пружиной (вертикальной составляющей пренебрегаем).
Если к центру тяжести приложить силу инерций системы то по началу д’Аламбера движение системы можно определить, пользуясь уравнениями статики. Взаимное расположение точек приложения сил и центра тяжести системы можно определить, пользуясь общим компоновочным чертежом системы (в случае, если центр тяжести сильно смещен в сторону от средней вертикальной плоскости, проходящей через ось канала ствола,
394
следует учесть силы трения от боковых реакций в направляющих); в рассматриваемом же случае мы сводим вопрос к плоской задаче.
На черт. 139 показано, что реакции в направляющих приняты: передняя, N19 направленной вниз, задняя, N2,— вверх, т. е. что система перекашивается в направляющих (соответствующий зазор в направляющих всегда имеется), стремясь вращаться по часовой стрелке. Решение уравнений статики поверяет правильность этого положения по знаку, полученному при и М2-Составляя уравнение проекций сил на горизонтальную и вертикальную оси, получим:
Рдн-/(М + ^)-П'-П"-Р2_|л"=О; (88)
—Wi-Q = 0. (89)
Уравнение моментов удобнее всего брать относительно центра тяжести системы:
Рм • а 4- II'Zz — П"с — N& —
+ + P# = 0. (90)
где a, b, c, e, $2, — соответствующие плечи всех усилий
относительно центра тяжести.
Решая совместно уравнения (89) и (90), определим реакции и Nit а по ним и силы трения:
N^ = Nx + Q;
Рдн а П'/> - П'с + Р2е — Q (5,
7V1 (Ci—Ли) + (?2 ’
Рдна + П'Ь - П’с + Р2е + Q & -
Отсюда определится сила трения + Л^2). Подставим ее значение в уравнение (88). Обозначая (5Х—fuj + (Е2 — Л]2) = В, имеем:
М1 - 2/Р. -п' (1+¥) -1Г 0 - ?) - р- 0+¥)
—/Q & = у Л". (88а)
что и дает уравнение движения.
Если положить численные коэфициенты
(1 + т)=
(1 4- = <Ь3 и fO = R,
то получим
ФРДН - фхП' - ф2П" - фзр2 - R = X". (91)
395
Замечая, что коэфициенты ф, ф1? ф2, фз и величина R зависят исключительно от размеров и конструкции системы, являясь постоянными числовыми величинами, можем сказать, что уравнение принципиально не отличается от уравнения движения си-* стемы с постоянным трением, и, следовательно, интегрируется таким же способом. Поэтому, применяя к данному случаю метод и обозначения § 49 для первого периода движения .системы (под действием давления пороховых газов), получим:
Vo = <Ь ~q’—-ио - -J-10 + ф2п; + + Я); (92)
+W+%₽. + «• (93)
Как видим, разница заключается в том, что каждый из постоянных коэфициентов ф, ф3 входит в результат интегрирования при соответствующем члене уравнения.
Также вместо уравнения (37) и (38) будем иметь:
итах = V.+ ----ф^ср - ф2Щр - ф3Р2ср - /? J -J- Г; (94)
л:тах= xQ + VqT4- ф ——з—(Ф1ПСР 4- ф2Пср4- ф3Р2ср4"^?) у» (95)
Получив значение лтах, следует посмотреть, будет ли лшах<х1, где — путь, отвечающий моменту расцепления затвора; в противном случае, как уже упоминалось, начиная с некоторого момента, импульс давления пороховых газов на дно канала дает движение затвору, и скорость Vmax для затвора следовало бы подсчитать отдельно, определяя давление в канале в момент расцепления. Теоретически в этой операции особых затруднений нет, но практически давление в период последействия газов определяется недостаточно точно, время истечения пороховых газов также, а это делает сомнительной поправку на скорость затвора, вносимую таким способом. Поэтому, оставляя в стороне такой случай, учтем, что при расчете вновь проектируемой системы будем стремиться к получению лгаах достаточно близким xlf т. е. конструировать систему запирания с расчетом получить ее расцепление не раньше окончания периода последействия газов, учитывая сказанное выше.
Если при этом в действительности и будет совершаться открывание затвора при наличии давления в канале, то изменение скорости затвора несущественно, так как импульс давления частично поглощается трением гильзы, и, кроме того, при более раннем расцеплении больше и потери на трение в запирающих частях затвора. В дальнейшем будем принимать, что в момент расцепления система имеет скорость Кпах. При наличии ускорительного механизма следует определить скорость затвора, сооб-396
щаемую последним (§ 59), и рассчитать движение затвора на остающемся пути. Так как движение затвора происходит под влиянием пружины, то расчет ведется согласно изложенному в § 50—52. Точно так же рассчитывается и возвратное движение затвора.
В случае связи движения затвора с подачей патронов необходимо учитывать потери энергии на подачу; движение затвора может быть подсчитано приведением масс звеньев механизма к затвору (§ 44).
Излагая вопрос о системах с коротким ходом ствола, мы, как видно из изложенного, имеем в виду системы с поступательным движением затворов, так как этот тип конструкции встречает наибольшее распространение и наиболее целесообразен по своему устройству.
§ 59. Ускорительные механизмы в системах с коротким ходом ствола
Наиболее целесообразную конструкцию ускорительных механизмов представляют механизмы типа кулачковых. Мы уже выяснили выше (см. подающие механизмы), насколько важно иметь конструкцию кулачковых механизмов, осуществленную так, чтобы приводимая в движение часть получала наименьшие возможные ускорения при одной и той же необходимой работе. На черт. 140 приведено два типа ускорителей: левый — в автомате Федорова, правый — в 20-лъи пушке Рейнметалла. Сверху чертежей, изображающих ускорители, показан характер изменения скорости затвора в функции от пути его в обоих случаях. Ускоритель в системе Федорова, представляя собой двуплечий рычаг,
шар нирно укрепленный на ствольной коробке, при соприкосновении с неподвижным выступом В передает удар в точке а затвору А. В этом случае скорость затвора резко увеличивается в момент работы ускорителя (путь Xj); на невыгоды удара мы уже обращали внимание. Во втором типе ускорителя участок работы ускорителя Х]Х2 характеризуется плавным подъемом скорости затвора, в то же время плавно тормозится и движение ствола; ускоритель работает без удара. Конструкция ускорителя представляет качающийся кулак, укрепленный на оси в неподвижной части системы.
Как третий тип ускорителя, укажем рукоятку пулемета Максима, представляющую эксцентриковый механизм, поворачивающийся на оси, закрепленной в раме и двигающейся, следовательно, со стволом. Скользя по ролику на неподвижной части
397
системы (коробке), рукоятка при своем вращении через кривошипный механизм сообщает движение замку. От очертаний рабочей поверхности рукоятки зависит закон относительного движения замка; увеличение скорости движения замка происходит за счет соответствующего торможения ствола. Механизм работает без удара благодаря тому, что профиль рукоятки в начале движения
имеет общую касательную с окружностью ролика в точке встречи.
Рассмотрим сначала условия работы ускорителя первого типа. Схематично изобразим его в виде коленчатого рычага на черт. 141.
Рычаг может поворачиваться вокруг оси О, соединенной со стволом; концом А он упирается в выступ на затворе, а конец В в некоторой точке пути ствола встречает выступ коробки. Наталкиваясь на последний выступ, рычаг вынужден поворачиваться, сообщая затвору дополнительную скорость и отделяя таким образом затвор от ствола.
Допустим, что в момент соприкосновения конца рычага В с выступом короба ствол и затвор обладали общей скоростью v. После того как рычаг натолкнулся на выступ, ствол, а вместе с ним ось рычага, имеют скорость Ис, а затвор У3. Найдем связь между этими скоростями. Представим движение обращенным: пусть выступ короба движется со скоростью V во встречном направлении, ствол же вообразим неподвижным; в этом случае горизонтальная проекция скорости конца рычага А даст нам величину относительной скорости затвора относительно ствола (движение предполагается поступательным). Последнюю скорость назовем Уз г. Полагая начало координат в точке О и ось абсцисс направленной в сторону движения системы, будем иметь:
абсцисса точки А
$ = a COS a;
(96)
и
рычага О A
абсцисса точки В
х = b cos (S — a), где: а и b — соответственно длины плеч Э- — угол между плечами рычага; a — угол между направлением плеча ОА и направлением движения.
Угол & предполагаем постоянным; поверхности выступов затвора и коробки, в которые упираются концы рычага, предполагаем плоскими, перпендикулярными к направлению движения (черт. 142).
398
(97)
ОВ-
Диференцируя $ и х, получим скорости Узг и Ус
Уа г— В/ = — a sin а . <о, (98>
Ис = — x't = — b sin (& — а) ш, (99>
где ш — угловая скорость ускорителя. Исключая «> из уравнений (98) и (99), получим искомую зависимость между V3r и Ус
(100)
Абсолютная скорость затвора:
= + + <101>
Обозначив
fl + r--azSi4n—г) = N, (Ю1а).
\ 1 6sin(» — а)/ ’ v ’
имеем
У3 = Wc,
При данном типе ускорителя имеет место удар в точке В~ поэтому соотношение между скоростями Vc и У3, определяемое уравнением (101), устанавливается под действием мгновенной силы—реакции выступа коробки. Определим в первом приближении величину скорости ствола К после удара ускорителя, для того чтобы установить, какую энергию имеет ствол после отделения от него затвора, так как эту остаточную энергию надо поглотить ствольной пружиной на оставшемся участке движения ствола.
Так как рассматривается действие мгновенной силы, то сопротивление пружин ствольной и затворной на соотношение скоростей Ус и Уз влияния не окажет. Потерями энергии при ударе пренебрегаем; пренебрегаем также и трением ускорителя на
оси и его концов А и В о поверхности выступов (эти допущения, приведут, конечно, к тому, что мы получим величину скорости v3 больше, чем она будет в действительности). Рычаг считаем, абсолютно жестким (черт. 143).
Составляя уравнение моментов количества движения относительно точки В, получим
М3 [a sin а + b sin (Я — а)] (V3 = У) = AMsin (» — a)(V- Vc). (Ю2> Замечаем, что за бесконечно малый промежуток времени, в течение которого совершается перераспределение скоростей системы, углы а и (0 — а) можно считать не изменившимися и равными первоначальному значению.
Черт. 143-
399'
Это уравнение дает изменение моментов количества движения ствола и затвора в момент удара ускорителя; Мс и Л43—соответственно масса ствола и масса затвора. Полагаем, что массы сосредоточены в точках О и А соответственно. Обозначая Qc и <2з — веса ствола и затвора, отсюда получим
Q3 [«sina + &sin(f> — а)]{Ис[1 + =
= Qc&sin(& — а) (И-Ис), (102a)
или
Q32V(HCW-V) = Q(V—Ис (1026)
4 по вынесении за скобки в левой части [6sin(&— а)]). Определяем отсюда
l/c = V + (103)
с Qc + <?3№’
При ускорителе данного типа — налицо удар ускорителя о выступ короба. Не трудно также видеть, что концы рычага ускорителя получают скольжение по поверхности выступов. Механически этот тип ускорителя не является выгодным. В целях
Черт. 145.
избежания удара можно построить ускоритель таким образом что относительная скорость затвора будет возрастать от нуля до некоторой желаемой величины. Это достигается приданием поверхности ускорителя и выступа затвора соответствующей формы (ускоритель эксцентрикового типа). Чтобы в начальный момент работы ускорителя относительная скорость затвора начала возрастать от нуля (безударный ускоритель), необходимо при механизме кулачкового типа соблюдение условия: в начальный момент радиус кривизны очертания кулачка должен проходить через ось его вращения.
Для наибольшей ясности приведем пример. Пусть ускоритель будет построен по типу ускорителя в автомате Федорова, т. е. ось его закреплена в ствольной коробке; но спроектируем вместо двуплечего рычага кулачок очертания, показанного на черт. 144.
При встрече конца В с выступом короба кулачок будет поворачиваться на оси О; при этом он будет стремиться оттолкнуть 400
выступ затвора; если в начальный момент работы ускорителя его радиус кривизны проходит через центр вращения О, то относительная скорость затвора будет возрастать от нуля. Возьмем частный случай: поверхность ускорителя очерчена по цилиндрической поверхности (ради простоты изготовления), радиус которой больше ОА (черт. 145) (первая фигура изображает момент начала работы ускорителя, вторая — промежуточный момент). Для соблюдения упомянутого условия необходимо, чтобы в начальный момент точки О', О и А лежали на одной прямой. Как только выступ В войдет в соприкосновение с нижним концом рычага и начнется вращение ускорителя, — точка О', т. е. центр окружности, изображающей на чертеже профиль ускорителя, начнет вращаться вокруг точки О. Если выступ на затворе имеет упорную для ускорителя плоскость, перпендикулярную к направлению движения, как показано на чертеже, то точка касания профиля ускорителя с выступом А' в каждый момент движения может быть легко найдена, а именно: радиус очертания кулачка О'А' должен быть перпендикулярен к плоскости выступа затвора как к касательной; иными словами, проведя линию О'А' параллельно направлению движения, найдем точку А'.
Рассматривая движение относительно ствола, т. е. принимая точку О за неподвижную, найдем, что при повороте ускорителя на угол ер выступ затвора должен переместиться относительно точки О на величину (ОА2 — О А). Обозначив ОА через а (расстояние выступа затвора от оси ускорителя в начальный момент), найдем: ОА2 = О'А' — ОК. Но О'А’ равно радиусу профиля ускорителя; обозначив его через R и замечая, что ОК = О'О cosep = =(R — a) cos <р, получим
0А2 = R — (R — d) cos <р
и, следовательно, перемещение затвора
£ = (/? —а) (1 cos <р). (104)
Относительная скорость затвора
= (R — a) sin <рш, (105)
где ш — угловая скорость вращения ускорителя. Если обозначить угол между ОВ и направлением движения в начальный момент через 8, то перемещение выступа В относительно точки О определится:
x = &cos&— b cos (8 + ср), (106)
где b — расстояние ОВ, полагаемое постоянным.
Абсолютная величина скорости выступа относительно точки О, т. е. скорость ствола:
x't = ftsin (8 + ср) ш = Ис, (107;
. А. Благонравов—124—26
401
откуда
(109)
Абсолютная скорость затвора
|'.-и.[1+(«-«)л^]. (ПО)
Положим, что мы задаемся целью довести скорость затвора до некоторого значения И3; к моменту начала работы ускорителя ствол и затвор имеют общую скорость И] (Их < И3).
Путь ствола х1г на котором происходит работа ускорителя, определим из конструктивных соображений; задаемся также величиной b и &. Тогда угол поворота ускорителя к концу его работы определится из уравнения:
cos (& <р) = cos & —--у-. (107а)
В первом приближении пренебрегаем потерями живой силы подвижной системы на рассматриваемом участке (эти потери слагаются из работы пружин, работы трения на ускорителе и работы трения при движении ствола и затвора); определим связь между Vc и V3‘.
Qc + Q3 ,,2 Qc 1Z2 , Q3 1Z2
—2Г~ + WVs-
Подставив найденное отсюда значение Ис в уравнение (ПО), вместе с желаемым значением У3' и найденным углом <р получим уравнение, из которого определяется /?, т. е. очертания ускорителя. Для уточнения решения следовало бы, построив в первом приближении кривую скоростей для ряда точек пути ствола, продиференцировать ее по времени, определить пути затвора для этих же точек и по найденным величинам пути затвора г ускорений определить усилия пружин и силы трения на ускори теле. После этого внести поправки в скорость затвора.
Из числа вращающихся кулачковых механизмов, применяемы в качестве ускорителя, рассмотрим еще ускоритель типа руко ятки пулемета Максима или Виккерса. Положим, что профил рукоятки на известном участке АВ (черт. 146) очерчен по кривой полярное уравнение которой
Р=/(6). (111
В точке А происходит касание профиля рукоятки с роликом О неподвижно закрепленным; ось рукоятки О' вместе со стволов перемещается в направлении, показанном стрелкой.
Предполагаем пока ролик имеющим бесконечно малый ра диус, т. е. в виде неподвижной точки (как увидим далее, пере 402
ход к истинным размерам ролика осложнений не вызовет). Назовем перемещение оси рукоятки за некоторый период х (черт. 147); этому перемещению отвечает угол поворота рукоятки 0. Расстояние между О' и О в начальный рассматриваемый момент было равно О'А или значению р при 6 = 0; назовем АО' = р0; в момент, отвечающий повороту рукоятки на угол О, расстояние 0'0 = р; следовательно, перемещение точки равно
•* = Ро~Р- (И2)
Скорость движения точки О':
Vc = .<=/'(6) •«>,
(ИЗ)
если <i> — угловая скорость вращения рукоятки.
Последнее уравнение в диференциальной форме устанавливает зависимость между скоростью движения ствола и профилем рукоятки для заданного ее движения. Если теперь вращательное
движение рукоятки связать кинематически с движением затвора (в зависимости от конструкции)* как это далее будет сделано для пулемета Максима, то получим связь между скоростью ствола и скоростью затвора, которая и должна позволить исследовать движение системы в целом.
Для пояснения приведем простейший пример построения профиля рукоятки для заданного закона ее движения.
Пусть на некотором участке движения ствола можно считать движение это происходящим с постоянной скоростью Уг. На этом же участке желаем сообщить рукоятке вращательное движение с равномерно возрастающей угловой скоростью
ш = mt-, (114)
при t = 0, <»0 = 0, т. е. движение без удара, угловую скорость хотим довести до значения ш1.
Рассматриваемый участок пути ствола дан л1( тогда
x1=V1t; (115)
ДОЗ
время движения на участке
= (116)
, тх, = mti = -у-1;
отсюда найдем
т — Xi
Так как = —/'(9) ш [из уравнения (114)] или /' (6) = — -^-, то, заменяя
/(0) = р;
X/ / П \ _ . rfp __ _ V 1
J k ' d§ ' dti mt*
Ho x — V±t и x = p0 — p; dx = —dp, следовательно
v2 x dx — — db. m
Получаем связь между углом поворота рукоятки и путем ствола в диференциальной форме.
Интегрируя
или
2V? (р- Ро)2 =
получим полярное уравнение кривой очертания рукоятки:
Р-Ро=-И1|/ —
(берется при корне знак минус (—), как отвечающий решению)
Р = Ро-К^~6- (И7)
Построенная по этому уравнению кривая дает желаемый закон движения рукоятки (можно для удобства построения перейти к Декартовой системе координат и строить кривую по точкам). Однако это очертание будет справедливо в случае 404
ролика бесконечно малого радиуса. От этой теоретической кривой следует перейти к практической, подобно тому как это делалось в кулачковых механизмах подачи.
Получив участок АВ и задаваясь радиусом ролика, построим обертывающую окружностей радиуса г, равного радиусу ролика, при движении их центра по кривой АВ. Обертывающая будет искомой практической кривой А'В'.
Возможен обратный случай, когда по заданному очертанию ускорителя в исследуемой готовой системе требуется установить закон движения. В этом случае крайне затруднительно аналитически выразить р =/(9), но можно, разбив очертание профиля
°г
X
Черт. 148. Черт. 149.
рукоятки на ряд участков, заменить их приближенными кривыми, уравнения которых легко написать в аналитической форме.
Например рукоятка пулемета Максима разбивается на ряд дуг окружностей. Положим, что мы подобрали соответствующую дугу окружности на участке профиля АВ. Представим систему координат, соединенную с рукояткой Юц, причем направление оси т) выберем так, чтобы она проходила через О2— центр дуги.
Заменим участок АВ теоретической кривой, построенной как обертывающая окружностей, движущихся по АВ и имеющих радиус г, равный радиусу ролика (получим участок А& теоретического очертания рукоятки при том же законе движения, но при скольжении рукоятки по точке, а не по ролику); Эта кривая А^! будет также дугой окружности. Пусть ее радиус будет А?; расстояние между Ог и О2 назовем k. Тогда уравнение окружности в Декартовых координатах:
£2 + 01 + А)2 = Я2;
переходя к полярному уравнению окружности
$ = psinO; J] = pcos9, имеем:
ра + 2Лр cos 9 + Л2 —= 0; cos9 = .
405
Если р0 — значение р в начальный момент, отвечающий касанию рукояткой ролика в некоторой точке С, то перемещение оси рукоятки вместе со стволом
* = Ро—р,
откуда
Если отсчитывать угол поворота рукоятки от ее начального положения
= е0 — 6,
то угловая скорость рукоятки
dy
® ~~dt "" ~ ~аIt'
“18>
Пользуясь величиной можно связать все элементы кинематики системы со скоростью ствола (см. дальше о пулемете Максима).
Приведенные примеры показывают, что аналитический метод решения удобен лишь в простейших случаях. Обычно быстрее можно получить построение профиля ускорителя графическим способом. В качестве примера на построение профиля ускорителя графическим -методом возьмем ускоритель, ось которого находится в неподвижном коробе (тип Дрейзе, Бергмана, РМ).
При проектировании ускорителя можно исходить из величины скорости затвора, которую желательно получить в результате работы ускорительного механизма. Для приближенного решения задачи сначала положим, что в течение работы ускорителя система не имеет потерь энергии, т. е. сопротивлениями движению как затвора, так и ствола пренебрегаем. Тогда, называя общую для затвора и ствола скорость в момент начала работы ускорителя У1, имеем
В = °c2g 9з V2v (П9)
К концу работы ускорителя должно быть:
О„ Q,
<12°)
Поэтому, задавшись желаемым значением V3, из последнего уравнения получим Ис — скорость ствола, которой последний будет обладать к концу работы ускорительного механизма. Однако возрастание скорости затвора от Vx до И3 может быть задано по произвольному закону:
К =А(0.
406
Построив IZ3 =/i(£) для ряда промежуточных моментов (при скоростях затвора И3 — У1, V11, И1П), найдем значения Ус, пользуясь допущенным постоянством кинетической энергии. Получим построением по найденным значения Ис графическое изображение изменения скорости ствола в функции времени (черт. 150). При
конструировании ускорительного механизма приходится задаваться длиной хода ствола, на которой происходит действие ускорительного механизма. Если до начала работы ускорительного
механизма ствол прошел путь х1г а к концу работы механизма должен пройти путь х2, то эта длина хода i
х = х2 — х±. Но х = f Vc dt, т. е. х о
выражается площадью кривой Кс; поэтому, если на черт.150 скорости были построены в некотором определенном масштабе, а время отложено в произвольном масштабе, то отсюда можно найти как масштаб
времени, измерив площадь, огра-
ниченную кривой, так и время, отвечающее различным моментам работы механизма. Если возьмем какой-либо промежуточный момент, то путь, пройденный стволом, определится площадью кривой Ус, взятой до соответствующего момента вре-
мени, а путь затвора — площадью кривой — У3 соответственно. Поэтому легко исчислить следующую таблицу:
Время Скорость затвора Приращения пути затвора Путь затвора Скорость ствола Приращение пути ствола Путь ствола
0 Vi 0 0 Vi 0
Д/ И Д$1 ?! V’ ДХ1 xi +
2А/ V” ?2 V? ДХ2
ЗА/ VI1I - Ез ?3 Vni F с Дх3
4Д/ V’v Е4 Viv v с Дх4
5А/ «5 Vc дх5 *2
Из столбцов таблицы $ и х можем составить график $ в функции от л; но удобнее определить относительные перемещения затвора по отношению к стволу
(-1 4~ ^-^х) — ’ll! (’2 — — ^x2)
и построить т) в функции от х (черт. 151).
407
Теперь нужно графически подобрать такое очертание ускорителя, чтобы каждому значению х отвечало значение т;, взятое из графика. Обычно задача просто решается путем применения прозрачной кальки.
Возьмем для пояснения числовой пример. Ствол имеет вес 1,8 кг, затвор 0,8 кг. Расцепление ствола с затвором достигается на пути 9,5 мм при скорости •ит = 4,0 м/сек. Заставим ускоритель работать, начиная с пути л' = 10 мм; участок движения ствола во время работы ускорителя (х2 —x'i) берем 8 мм. Задаемся' скоростью затвора v3 — 6 м/сек. Построим график изменения скорости затвора ‘У1‘П3 в функции от времени по линейному закону (черт. 152). Ускорение затвора будет в этом случае по-
стоянным v3 . Определяем по уравнению (120) скорость затвора в конце рабочего хода ускорителя — т>с = 2,67 м/сек. Разделив
все движение на четыре участка по времени, получим соответственно скорости затвора (с графика или вычислением по выбранному закону изменения):
Ух = 4,5 м/сек, Ип=5,0 м/сек, И1П= 5,5 м/сек.
Соответственные скорости ствола [по уравнению (96)]:
yi = 3,74, KJ1 =3,46, VJ11 = 3,09 м/сек.
Закон изменения скоростей выражен на том же графике (черт. 152).
Площадь кривой V — Vc = 17,1 см? при выбранном масштабе V = 1 м/сек в 1 см и при t = 5 см. Так как эта площадь должна дать рабочий ход ускорителя, то I см2 площади равенел/, что дает при выбранном масштабе времени 0,000468 сек. в 1 см.
Полное время работы ускорителя t = 5-0,000468 = 0,00234 сек.
Определим пути затвора и ствола к концу каждого промежутка времени по средним скоростям (в миллиметрах;
ствол: Дх1 = 2,26, Дх11 =2,11, Дхш = 1,92, AxIV = 1,70;
затвор: Д?1 = 2,49, Д£п = 2,78, Д£1П = 3,07, Д£1У = 3,36.
408
Абсолютные пути ствола от начала работы ускорителя:
л’ = 2,26, х" = 4,37, х1П = 6,29, x,v = 7,99 мм
(расхождение на 0,01 мм, так как мы наметили xIV = x2 — —
= 8 мм).
Абсолютные пути затвора соответственно:
5* = 2,49, sn=5,27, = 8,34, *IV = 11,70 мм.
Относительные перемещения затвора:
т)1 = 2,49 — 2,26 = 0,23 мм, т" = 0,9 мм, т),п = 2,05 мм, »)IVJ= 3,7 мм.
Вычертим выступ затвора (черт. 153), на который опирается ускоритель (ААр, причем рабочую его поверхность берем плоской. Наметим О — точку, отвечающую оси вращения ускорителя в коробе. На ствольной коробке наметим точку С, на которую ускоритель будет опираться в крайнем переднем положении системы. Полагая движение обращенным (ствол неподвижен, а движется навстречу ему короб с осью ускорителя), отметим положение оси ускорителя на прямой хх: О—в крайнем переднем положении системы, хг — в начальный момент работы ускорителя: Oxt= 10 мм (масштаб необходимо брать увеличенный). х1, х", х1П — в промежуточные вычисленные моменты (х1х1=2,26 мм, XjX11 = 4,37 мм)- конец работы ускорителя отвечает положению его оси в точке х2 (ххх2 — 8 мм).
Отметим перемещение опорной плоскости выступа затвора в эти же моменты времени (на чертеже они будут равны относительным путям затвора / — I, II —II, III — III, 2 — 2 (расстояния от исходного положения выступа соответственно будут для отмеченных прямых:0,23мм, 0,9 мм, 2,05мм, 3,7 мм). Наложим на чертеж лист кальки и наметим на нем (черт. 153) точку О, отвечающую оси вращения ускорителя, очертание самой оси и нерабочей части ускорителя и поверхность ускорителя, которой он опирается на выступ ствольной коробки в точке С.
Перенесем затем ось вращения ускорителя в точку хг, повернем лист кальки так, чтобы ускоритель вновь опирался на точку С, и наметим очертание ускорителя в начальный момент его работы, т. е. прочертим линию, совпадающую с поверхностью выступа затвора; эта линия должна быть касательна к профилю ускорителя.
В дальнейшем можно поступить двояко: или сразу наметить на черт. 153 очертания выступа ствольной коробки, — тогда профиль ускорителя будет вполне определенным для выбранного закона движения, или же производить параллельно построение
409
410
и профиля ускорителя и очертаний выступа; последний прием позволяет легче осуществить компактные размеры ускорителя, поэтому в нашем примере примем последний способ.
Переносим ускоритель, вычерченный на кальке, осью в точку х1; теперь он должен опираться в поверхность выступа затвора, занимающую положение I — I. Прочерчивая на кальке эту линию, получаем вторую касательную профиля ускорителя, в то же время на черт. 153 отмечаем опорную точку ускорителя на выступе ствольной коробки. Повторяя этот прием для положения оси ускорителя в точке х", хш и х2 и соответственно прочерчивая на кальке каждый раз положение поверхности затвора II —II, III —III и 2— 2, получим на кальке серию пересекающихся прямых, в которую и должен быть вписан профиль ускорителя (черт. 154), а на основном чертеже — очертание опорного выступа ствольной коробки в виде серии точек Сг, С2. Точка а — пересечение линии 1 — 1 с / — I, точка b — пересечение линии I-Ic II —II, точка с — пересечение II — II с III —III, d — пересечение III—III с IV—IV; эти точки принадлежат профилю ускорителя, в то же время профиль ускорителя не должен выходить за пределы прямых I — /, II — II... вправо на чертеже (чертеж нами построен в двойном масштабе — по условиям места; рекомендуется при построении брать еще больший масштаб и построение лучше начинать в обратном порядке— от положения х2 и линии 2 — 2).
В окончательном виде приведен готовый профиль ускорителя (черт. 155) и выступов ствольной коробки и затвора: сплошной линией показано положение ускорителя при крайнем переднем положении системы; пунктиром — конечный момент работы ускорителя. В период своей работы ускоритель плоской поверхностью опирается на выступ ствольной коробки: в нерабочем положении (затвор сцеплен со стволом) — на грань ССи в начальный момент своей работы (хх)— на точку Сх, в положении х1 — на грань СгС2, в дальнейшем — на точку С2. Построив очертания ускорителя, следует убедиться в возможности его свободного движения между выступами в период хода Ох1г так как следует помнить, что затвор в это время сцеплен со стволом. При неудачном варианте профиля ускорителя (например чрезмерно большие размеры рычага, заедание в период свободного хода) следует изменить построение, варьируя относительным расположением оси О, положением выступа СС1С2 или, наконец, очертанием поверхности ускорителя, опирающейся на выступ ствольной коробки, которую можно сделать и не плоской.
Определим теперь усилия, действующие на ускоритель и выступы затвора и ствола.
Усилие на выступе затвора
Г1 gJ g
411
Черт. 155.
412
Так как в нашем случае постоянно, то его легко определить как
Sv _ 2 _ 2 /2
~П ~ 5 • 0,000468 ~ 0,00234 М1сек
Отсюда
= 9,81 ’• 0,00234 Кг = 69,8 Кг = 70 7 Z‘
Усилие на выступе ствола находим по наибольшему ускорению (абсолютные значения) в конце работы ускорителя, проводя касательную к кривой VVt в точке Ис и измеряя в соответствующем масштабе тангенс угла ее наклона:
%* - —Ь_71_ л‘ 0,00234 ’
1,8-1,75 _1Че Г — 9,81 • 0,00234 160 Кг'
Усилие, приложенное к оси ускорителя, получается равным 65 кг. Таким образом имеется возможность проверить прочность ускорителя на изгиб и расчет его оси.
Заметим, что в несколько более выгодные условия в данном примере мы поставили бы ускоритель, если бы задались законом равномерного падения скорости ствола, так как сила была бы в этом случае меньше за счет увеличения в начальный момент силы Fx.
Проектируя подобного рода механизмы, никогда не следует забывать о значительном влиянии даже очень малых изменений в очертаниях звеньев механизма. Поэтому условия работы ускорителя необходимо проверить при предельных допусках, назначаемых на изготовление (расположение выступов, их очертания, самый ускоритель)1.
§ 60. Пружинный ускоритель
Ускорительный механизм можно спроектировать также в виде сильной пружины, аккумулирующей энергию системы в период совместного движения ствола и затвора и после расцепления затвора отдающей эту энергию затвору. На конструктивных деталях ускорителей этого типа останавливаться не будем; расчет же их основывается на изложенной выше теории пружин.
Изложим здесь схему расчета подобного ускорителя (черт. 156). Сначала система ствол а—затвор б движется, сжимая ствольную
1 Выше, при расчете действия ускорительного механизма не принимались во внимание сопротивления движению как ствола, так и затвора. Имея уже спроектированный ускоритель, не составляет особого труда пересчитать движение системы, принимая во внимание и все сопротивления (например, пружины). Очевидно, при этом получатся меньшие значения Кс и У3> но соотно-
у
шение между Vc и К3 сохранится без изменения, так как =к определяется только кинематической связью затвора со стволом.
413
пружину в, пружину затвора г и пружину ускорителя д. Положим, что в момент расцепления затвора система обладает скоростью Kj. Пусть усилие ствольной пружины обозначается Пс, усилие возвратной пружины Пв и пружины ускорителя Пу. Вслед за моментом расцепления затвора рычаг е, опускаемый стволом, освобождает ускоритель ж, который своим зубом з с этого момента начинает толкать затвор.
С момента расцепления движение ствола тормозится силами Пс и Пу , кроме остальных сопротивлений (трение); движение же затвора происходит под влиянием движущей силы Пу и при наличии
дез
Черт. 156. Схема пружинного ускорителя.
и-д-
Черт. 157.
тормозящей силы Пв. При этом поджатие пружины ускорителя зависит от движения ствола и движения затвора. Положим, что ствол после расцепления проходит путь х1г после чего встречает ограничение своего движения.
После этого начнется возвращение ствола вперед, а затвор будет еще продолжать движение назад. До прихода ствола в заднее положение пружина ускорителя как бы продолжает сжиматься стволом и разжиматься с другой стороны благодаря продвижению затвора; вследствие этого усилие Пу изменяется. При возвращении ствола вперед Пу резко убывает; при полном разжатии пружины ускорителя последний перестает действовать на затвор и увлекается стволом вперед. При возвращении затвора зуб з должен пропустить затвор вперед, а ускоритель вновь застопориться рычагом.
Приближенный способ расчета действия ускорителя. Практически для расчета движения системы удобно разбить все движение на ряд участков.
Берем первый участок на пути ствола до его заднего положения равным xv Ориентировочно определим время движения на этом участке из следующих соображений: скорость движения ствола уменьшается от Vu следовательно, время движения будет больше величины -р; допустим, что мы его ориентировочно назначим как некоторую величину tr секунд. Среднее усилие ствольной пружины определим по диаграмме ее работы на данном участке (фиг. 157), отложив на ней путь ствола до расцепления равным а и путь х^.
414
Среднее усилие пружины ускорителя за это же время пока неизвестно. Допускаем, что оно равно значению Пу в начале, участка — ПУо. Тогда среднее ускорение ствола
. _ Пер Пу,
мс
где Яс — сила трения ствола в его направляющих;
Л1С — масса ствола.
Скорость к концу выбранного промежутка времени v^ = Vi+jfi, пройденный стволом путь
7* t2 х=У^+±±-.
Если полученное значение х резко отличается от х1г то временем задались неудачно и лучше его сразу исправить и пересчитать У2 и х.
Переходя к движению затвора, имеем для него начальное значение ускорения
. Пу — Пв — 7?3
У _ Уо____ц0___
j3~ ’
где ПУо и ПВо — начальные значения усилий пружины;
7?з—сила трения;
/Из и /Иу—массы затвора и ускорителя.
Допустим пока, что в течение промежутка времени 1г и /3 сохраняют постоянное значение. Тогда скорость затвора к концу' рассматриваемого промежутка
а пройденный путь
~ 4" Л ~2“*
Теперь можем определить разжатие пружины ускорителя:
/1 = Л1 или
t2
fl = (j3-J\) -y
и по диаграмме ее работы найти значение ее усилия к концу данного участка движения; вместе с тем определяется и сжатие возвратной пружины и, следовательно, ее усилие.
Внесем поправки в расчет движения ствола, учитывая среднее усилие пружины ускорителя Пу вместо ранее принятого ПУо, т. е. вычислим
Пср — Пуср — Rc
и сделаем пересчет И2 и IFj при новом значении j'e
414
Аналогично внесенная поправка для j3 дает новое значение этого ускорения
nv — пв -R3
_ Уср ВСр 3
Л - ЛГ3 + Afy
после чего получим уточненные значения 1Г, и При расхождении результатов подсчета весь пересчет повторяется снова; таким образом излагаемый способ представляет собой метод последовательного сближения вычислений.
В конечном счете мы получим положение обеих частей системы— ствола и затвора с ускорителем — в момент времени и скорости их. Если окажется, что за это время ствол не прошел полного пути, то следует подсчитать остающийся участок движения; наоборот, если при этом окажется, что ствол прошел путь больший, чем xlt то нужно пересчитать путь и скорость системы для соответственно уменьшенного промежутка времени
Дальнейший подсчет производится аналогичным же способом, принимая усилия пружин, отвечающие концу предыдущего участка, за начальные на новом участке. При возвращении ствола в переднее положение разжатие пружин ускорителя будет определяться величиной /=% + $.
Другой способ расчета действия пружинного ускорителя. Рассматривая совместное движение ствола и .затвора после расцепления при наличии действия пружины ускорителя, напишем уравнение движения ствола:
Жсх" = -П-Пу-/?с;
~ V - Пуо - Чу (х - £) - Rc. (121)
Уравнение движения затвора:
ЖЛ" = -П3-/?з+Пу;
^ = -П3ф-^-/?з+Пу> + >)у(х-5) (122)
((масса затвора 7И3 взята с учетом массы ускорителя), или
х" = = _ х 4- - V 5; (121а) мс мс 1 мс ’ v '
?" = = - Пзо + ^3~Пу° - -Зм— * + 7ГХ- (122а) Л43 мз 1 М3 v
Для сокращения письма выразим эти уравнения в следующем
виде: х" + ах-Ы + с = 0; (123) + — qx + r = 0, (124)
416
где коэфициенты a, b, с, р, q и г легко подсчитываются по данным: массы частей системы, начальных значений для усилий пружин, их жесткостей и сил трения. Диференцируя дважды первое уравнение, получим
xIV + ах* - W = 0;
подставим сюда значение s" из второго уравнения:
xIV + ах" — qbx + pbl + Ьг = 0.
Но bZ — х" + ах + с, поэтому
xIV + (а + р) х" 4- (pa — qb^x-^- (pc + Ьг) = О
Вводя переменную
приведем последнее уравнение к виду:
+ (а+/>)/' + (pa — qb)y = Q. (125)
Характеристическое уравнение последнего линейного уравнения четвертого порядка будет:
Р4 + (а + р)Р2 + (pa — qb) = 0.
Корни биквадратного характеристического уравнения:
_fi; = -“+t + (/S+Z>LZ^rZ^); (]26)
- Pi = - - ]/J£+£>L _ (ра _ (127)
при ра — qb>0, как это получается на практике при подборе пружин, все четыре корня уравнения мнимые. Поэтому интеграл уравнения (125) представится:
у — A cosp^ + Bsinp^ + С cosp2£ + Dsin р2£ (128)
или
х = Д cospj£ H-Bsinp^ 4-Ccosp2/4-Z)sinp2^— (128а)
Так как
я. х" , а . с
< = 1г + -гх + -ь> а
х" = — рз Д cos — р2 В sin С cos D sin то
а —8? « — 3? я — Зо
£ = —A cos В sin + - b— С cos М +
. а — _ с а рс + Ьг
+ D sin [V + т----------Г" * ---Г- (129)
b 1 b b pa — qb 4 '
X. А. Благонравов—124—27
417
Таким образом получились формулы для подсчета перемещений как ствола, так и затвора — в функции времени. Диферен-цируя х и $ по времени, будем иметь формулы для подсчета скоростей ствола и затвора:
Vc = х' = — Pj A sin 0^ + Pj В cos fV — ?2 Csin +
+ p2 cos 02Z; (130)
a — 8?
= £' = —p (_ A sin 0^ + В cos .8/) 4-d____
+ —^₽2(—C sin Deos M). (131)
Постоянные А, В, С и D определим из начальных условий: если за начало отсчета перемещений ствола и затвора принять положение системы, отвечающее концу расцепления ствола и затвора и с этого же момента отсчитывать время, то при t = 0:
(Ч=о = о;
(5U = o-
Что касается скорости ствола и затвора в начальный момент, то она является общей и заданной по результатам предыдущего расчета:
Ис. = И3о=Уо,
откуда
(•*• )/=О ~ ^0’
(4=о = до-
получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, решая которую и определяем А, В, С и D.
Это решение применимо ко всем случаям, когда какая-либо деталь автоматики, двигаясь поступательно прямолинейно, связана с двумя пружинами, из которых одна соединена с другой подвижной деталью (например случай амортизации короба пулемета на буфере станка).
Численный пример. 31-мм автоматическая пушка, автоматика которой работает на принципе отдачи ствола — с коротким ходом последнего, снабжена пружинным ускорителем. К моменту расцепления затвора и началу работы ускорителя система отодвигается под влиянием отдачи от переднего положения на 160 мм. Данные системы таковы: вес ствола с казенником и откатывающимися частями (без затвора) 114 кг, вес затвора 13,6 кг, вес ускорителя 9,1 кг, длина хода ствола 200 мм, длина хода затвора: полная 743 мм, длина хода затвора после освобождения ускорителя 578л<л<; пружина ствола (накатник) имеет усилие начального поджатия 198 кг, наибольшее рабочее усилие 400 кг;
418
пружина затвора имеет усилие начального поджатия 29 кг, наибольшее рабочее усилие 70 «г; пружина ускорителя имеет усилие при полном рабочем сжатии 500 кг, усилие при разжатии 180 «г.
По расчету движения откатных частей с учетом всех сопротивлений откату установлено, что наибольшая скорость достигается на пути 23 мм и равна 5,29 м/сек. К моменту начала работы ускорителя скорость системы определяется V = 3,72 м/сек. Из приведенных данных вытекает:
а) ствол после начала работы ускорителя может двигаться назад еще 40 мм, причем после 20 мм пути он опирается на буфер, поглощающий энергию его движения на пути 20 мм-, начальное поджатие буфера отвечает усилию, равному нулю, а полное поджатие — усилию 3750 кг-,
б) затвор имеет возможность после расцепления со стволом двигаться 578 мм, но действие ускорительной пружины на него может продолжаться, пока он не отойдет от ствола на 160 мм-, в) жесткость пружины ствола
400—198 , ,
т)с = —200— ~ 1 кг1ММ’
г) жесткость затворной пружины
т)3 = 2^2 = 0,0552 кг/мм-,
д) жесткость пружины ускорителя 500— 180 п , % = —160~ = 2 кг1мм-
Рассчитаем сначала участок движения ствола до встречи с буфером:
= 20 мм.
На этом пути среднее усилие пружины ствола
ттг пс1бо+ ^с18О 358 378 qz?q
П..р= -----------—----2---~ Кг'
Начальное усилие пружины ускорителя
Пу, = 500 кг.
Силу трения /?с принимаем равной
/Qc = 0,2 • 137 = 28 кг.
Среднее ускорение ствола
896 • 9,81 „ . , ,
ус =-------рц— — — 77,1 м/сек2.
419
Путь ствола = К -J-/ с ;
0,02 = 3,72^ - 77,1 .
Отсюда tY = 0,0057 сек.
Скорость ствола к концу рассматриваемого промежутка времени
И2 = 3,72 - 77,1 • 0,0057 = 3,28 м/сек.
Силы, действующие на затвор, Пу, - П3, - R3 = 500 - 38 — 0,2 • 24,7 = 457 кг.
Ускорение затвора 457-9,81 1nQ , 22- 7 = 198 м!сек-
Скорость затвора к концу рассматриваемого промежутка времени
W2 = 3,72 + 198 • 0,0057 = 4,84 м/сек.
Путь затвора к этому моменту
= 3,72 • 0,0057 4- • 0.00572 = 0,0244 м = 24,4 мм.
Следовательно, пружина ускорителя разжимается на величину ?! — хг = 4,4 мм.
Сделаем вновь тот же подсчет во втором приближении. Теперь в расчете можно брать среднее усилие пружины ускорителя:
П- 500 + 491,2 ,псс ПУср =----2 " 495,6 Кг-
Ускорение ствола 891,6-9,81 ,
/с —------уд-2— — — 76,7 м/сек.
Время движения из уравнения
0,02 = 3,72^-76,7^-; £
tx = 0,0057,
т. е. практически не меняется.
Скорость ствола к концу рассматриваемого промежутка времени
И2 = 3,72 - 76,7 • 0,0057 = 3,28 м/сек.
Силы, действующие на затвор,
ПУер - П3ср - & = 495,6 - 38+ 39-3.- 5 = 452 кг.
Л ЭЛ
Ускорение затвора
у3 = —22J— = 195,3 м/сек2.
Скорость затвора
1Г2 = 3,72 + 195,3 • 0,0057 = 4,83 м/сек.
Путь затвора
= 3,72 • 0,0057+ ® • 0,00572 = 0,0243 м = 24,3 мм.
Очевидно’делать новый пересчет нет смысла.
Итак, к моменту встречи ствола с буфером затвор отделяется от ствола на 24,3 — 20 = 4,3 мм. Берем второй участок движения от хг = 20 мм до л'2 = 40 мм. Начальное значение сил, действующих на ствол:
— 378 — 491 -28 = 897 кг.
В конце отката эти силы увеличиваются: а) на величину полного усилия буфера, равную 3750 кг; б) за счет сжатия ствольной пружины на tj^O = 20 кг и уменьшаются за счет дальнейшего разжатия пружины ускорителя (незначительно).
Поэтому принимаем среднее значение сил 2782 кг.
Среднее ускорение ствола
. _ —2782-9,81 __ oqo л кг ' ce,<i
Jc — ——Ид — 2-5У.4 - .
Время движения ствола определится из уравнения
t2
Х2 — ^2^2 + /с ~2~ ;
t2
0,02 = 3,28^ — 239,4^-;.
4 = 0,0091 сек.
Скорость ствола в конце участка
У3 = 3,28 - 239,4 • 0,0091 = 1,1 м/сек.
Силы, действующие на затвор в начале участка
+ 491 — 39,3 - 5 = 446,7 кг;
в конце участка благодаря разжатию пружины ускорителя сумма сил уменьшится.
Примем ориентировочно среднее значение 440 кг; ускорение затвора
Уз = —22i— = " м/сек2.
Скорость затвора в конце участка
1У3 = 4,83 + 190 - 0,0091 = 6,56 м/сек.
421
Путь затвора
S2 = 4,83 • 0,0091 + 95 • 0,00912;
= 0,0518 м\
= 51,8 мм.
Разжатие пружины ускорителя
«2 — х2 = 31,8 мм.
К концу участка усилие пружины ускорителя будет
491,2 — 31,8-2 =427,6 кг.
Делаем второй пересчет.
Силы, действующие на ствол: а) в начале участка: 897 кг\ б) в конце участка: 400 — 427,6 — 3750 — 28 = 4605,6. Среднее значение суммы сил: 2751 кг.
Среднее ускорение ствола
Л = — 2751|И9’81 = — 236,7 м/сек*.
Время движения ствола
t2
0,02 = 3,28^ — 118,3—;
А
^2 = 0,0091 сек.
Скорость ствола в конце участка
V3 =3,28-236,7-0,0091;
= 1,13 м/сек.
Силы, действующие на затвор:
а) в начале участка: 446,7 кг-,
б) в конце участка: 427,6 — 42,2 — 5 = 380,4 кг.
Среднее значение суммы сил: 414 кг.
Среднее ускорение затвора
/з = —22'7 = 179 м/сек*.
Скорость затвора в конце данного промежутка
1Гз = 4,83 + 179 - 0,0091 = 6,46 м/сек.
Путь затвора
= 4,83 • 0,0091 + 89,5 • 0,00912;
= 0,0514 м;
— 51,4 мм.
На последнем пересчете можно остановиться. 422
Итак, к моменту прихода ствола в заднее положение затвор отодвигается от него на
4,3 + 51,4-20 = 35,7 мм.
На эту же величину разжимается пружина ускорителя. С этого момента ствол начинает свое возвратное движение. Допустим, что начальная скорость возвратного движения ствола с учетом восстановления скорости при ударе равна kV3 = 0,33 • 1,13 = = 0,4 м/сек. Рассчитаем элементы движения системы к моменту конца действия буфера ствола, т. е. когда ствол пройдет вперед путь, равный 20 мм.
Начальное значение сил, действующих на ствол:
а) усилие буфера 3750 кг;
б) усилие ствольной пружины 400 кг;
в) сила трения 28 кг;
г) усилие пружины ускорителя 428,6 кг;
д) сумма сил 3750 + 400 = 428,6 — 28 = 4550 кг.
Силы в конце рассматриваемого участка:
а) усилие буфера равно нулю;
б) усилие ствольной пружины 380 кг;
в) сила трения 28 кг;
г) усилие пружины ускорителя уменьшится;
д) суммарное усилие примем равным 380 + 398 — 28 = 750 кг. Среднее значение сил, действующих на ствол на данном участке,
^±259 = 2650
Среднее ускорение ствола , 2650 • 9,81 ллп , ,
/с = Н---iyj2— = 229 м/сек2;
Время движения определится из уравнения
t2
0,02 = 0,4 t3 +228--у-,
откуда t3 = 0,0116 сек.
Скорость ствола в конце участка
= 0,4+ 228-0,0116;
= 3,045 м/сек.
Силы, действующие на затвор: а) в начале участка
428,6 — 42,2 — 5 = 381,4 кг;
б) в конце участка — примем ориентировочно 350 кг;
423
в) среднее значение 365 кг.
Ускорение затвора (среднее)
у3 = —227 = 158 м/сек2.
Скорость затвора в конце участка
1Г4 = 6,56 + 158 • 0,0116;
— 8,39 м/сек.
Путь, пройденный затвором,
Н3 = 6,56 • 0,0116 + 158 • 0 = 0,0762 + 0,0106 = 0,0868 м =
= 86,8 мм.
Разжатие пружлны ускорителя л3+ ;3= 106,8 мм.
Расстояние между затвором и стволом к концу данного этапа движения будет
35,7 + 106,8 = 142,5 мм.
Усилие пружины ускорителя уменьшится до
П =500 —т) - 142,5 = 215 кг. Уз У
Второй пересчет
Силы, действующие на ствол в конце участка, 380 + 215 — 28 = 567 кг.
Среднее значение сил, действующих на ствол, 4550 + 567 оксо ------------------------2---= 2558 кг.
Среднее ускорение ствола
Время движения
t2
0,02 = 0,4/3 = 220
t3 = 0,0118 сек.
Скорость ствола в конце участка
V4 = 0,4+ 220-0,0118;
= 3,00 м/сек.
424
Силы, действующие на затвор в конце участка, 215 — 38 — 5= 172 кг.
Среднее значение усилия, действующего на затвор,
S1+-172 _ 277 кг.
Среднее ускорение затвора
277-9,81 ,лп , ,
13 = —22 j— = 120 м1сек •
Скорость затвора в конце участка
1Г4 = 6,56 + 120 • 0,0118 = 7,98 м/сек.
Путь, пройденный затвором,
53 = 6,56 • 0,0118 + 120 • —= 0,0858 м = 85,8 мм.
Разжатие пружины ускорителя
х3 = 53 = 105,8 мм.
Расстояние между стволом и затвором
35,7 + 105,8= 141,5 мм.
Усилие пружины ускорителя к концу рассматриваемого этапа будет
П =500 —т) • 141,5 = 217 кг. Уз У
Третий пересчет лишь незначительно может изменить полученные цифры.
Для того чтобы аккумулированная пружиной ускорителя энергия была полностью использована, нужно, чтобы пружина ускорителя еще разжалась на 160 —141,5 = 18,5 мм. С этого момента ускоритель перестает действовать на затвор и увлекается вперед стволом. Так как ствол движется вперед со скоростью 3 м/сек, а затвор—назад со скоростью 8 м/сек, то приблизительно этот момент наступит, когда ствол пройдет вперед 5,5 мм, а затвор назад 13,0 мм.
Проверим эти соображения вычислениями, аналогичными предыдущим.
Допустим, что путь ствола л4 = 6 мм.
Силы, действующие на ствол в начале, 567 кг.
Силы, действующие на ствол в конце, 527 кг.
Ускорение ствола (среднее) 51,5 м/сек.
Время движения на пути 6 мм: t4 = 0,0014 сек.
Скорость ствола к концу участка 1/5 = 3,07 м/сек.
425
Силы, действующие на затвор:
а) в начале 172 «г;
б) в конце 136 кг.
Среднее ускорение затвора 66,6 м/сек.
Скорость затвора в конце участка 8,07 м/сек.
Путь, пройденный затвором, Е4 = 11,3 мм.
Разжатие пружины ускорителя:
6 + 11,3 = 17,3 мм' (вместо 18,5 мм).
Очевидно, следовало взять для ствола путь х4 несколько больший.
Примем соответственно
х4 = 6,4 мм;
£4 = 12,1 мм.
Итак, к концу работы ускорителя ствол находится в периоде возвратного движения, пройдя путь от заднего положения
х = 26 мм и имея скорость
V = 3,07 м/сек.
Затвор в этот момент идет еще в заднее положение, пройдя путь
$ = 160 + 24,3 + 51,4 + 85,8 + 12,1 = 333,6 мм
и обладая скоростью 8,07 м/сек.
Расчет движения по второму способу. Для сравнения подсчитаем движение системы на первом из указанных участков, пользуясь вторым способом.
Предварительные расчеты.
Значение коэфициентов в уравнениях (123) и (124):
а = = 257 1/сек.2;
6 = ^ = 172 1/сек.2;
р = = 888 1/сек.2;
q = = 865 1/сек.2;
_ пзо ПУО + R3 Г ~ ' ~М3
= — 198 м/сек2.
426
Уравнения движения примут вид:
х" + 257л — 172? 4- 76,2 = О,
Г+ 888?-865л—198 = 0.
Значение по уравнению (126):
— 0? = —572,5 4- /572,52 - (888 257 - 865 -172);
= -572,5 4-498;
= 8,62.
Значение —= — 572,5 — 498;
?2 = 32,7
г _рс 4- Ьг __ 888 • 76,2 — 172 -198 _/qqq
* “ pa — qb~ 888 • 257 - 865 • 172" “
а —
—1 = 1,061;
Ь 9 9
С1 —
—ъ— = 4,726; о
1 = 4431;
~ k=0,6324.
Формулы для вычисления л, ?, V, W получаются:
л = A cos 0Х£ 4- В sin [V С cos $2t 4- D sin 02£ — 0,4233;
V = —A0! sin 0X£ 4- #01 cos — C02 sin 4- £>02 cos 02£;
5 = 1,061 A cos 4- l,061BsinM—4,726Ccosp2£-4,726Dsin02£;
— 0,1894.
W = - 1,061 • A01sin01tf + 1,06150! cos 4- 4,726C02 sin 02£ -
— 4,726D02 cos 02f.
При t = 0
0 = A 4- C- 0,4233;
3,72 = 8,62 • В 4- 32,7D-,
0 = 1,061 A - 4,726C - 0,1894;
3,72 = 1,061- 8,62B — 4,726-32,77).
Решение последних уравнений дает
А = 0,3784 [1,5779] ;
В = 0,427 [1,6304] ;
С = 0,0449 [2,6522];
D = 0,001202 [3,0801].
427
Принимая t = 0,0057 сек., получаем
= 0,04913 = 2°48'54";
М = 0,1864 = 10°40'46*.
Вычисляем х, 5, V и W при t =
х = 0,0199 = 19,9 мм;
£ = 0,0244 = 24,4 мм;
V = 3,28 м)сек;
W = 4,83 м]сек.
Таким образом результаты вычислений сходятся довольно близко с результатом подсчета для первого участка по предыдущему способу.
§ 61. Пулемет системы Максима. Общие свойства систем с отдачей ствола
Принадлежа к числу систем с отдачей ствола (короткий ход), пулемет системы Максима имеет весьма сложную автоматику. К особенностям системы относятся: запирание с помощью кривошипного механизма, подача патронов с помощью передней части замка (подвижной личинки) и частичная компоновка ряда механизмов (запирающего, подающего, выбрасывающего, спускового и стреляющего) в одном месте — в замке пулемета. Пулемет имеет неоспоримое достоинство: высокую надежность действия при тщательном изготовлении, но зато сложность системы ставит большие затруднения для осуществления этой тщательности, делает пулемет крайне чувствительным к малейшим изменениям очертаний или размеров отдельных деталей системы. Другим достоинством системы является возможность регулирования работы системы (регулирование натяжения возвратной пружины, взаимного положения ствола и частей запирающего механизма).
Вследствие сложности, разнообразия возможных задержек в работе, необходимости весьма тщательного ухода за механизмами и сравнительной трудности всестороннего изучения системы данную систему следует считать устаревшей, и существование ее на вооружении объясняется тем, что при налаженном производстве, дающем продукцию высокого качества, имеются определенные экономические выгоды оставлять старую систему, пока развитие техники не даст новой системы оружия, резко отличающейся по своим качествам от прежней.
С точки зрения движения составных частей системы определяющую роль играет рукоятка, назначение которой было выяснено выше. Очертания рукоятки определяют закон движения всех элементов системы.
Разберем условия кинематики системы Максима. На черт. 158 изображена схема основных деталей подвижной системы (без 428
включения сюда частей подвижного механизма); здесь: К—ствол, R — рама, D — рукоятка, А — замок, АО — шатун, ОВ—мотыль, В — ось мотыля и рукоятки, С — ролик.
В положении, изображенном на чертеже, вся подвижная система представляет одно целое, и при условии приложения к замку какой-нибудь силы Рствол вместе с рамой к___________n_L_,___a О
получает поступательное -..LZZiFO~п/ -------------—
движение; рукоятка, со-
прикасаясь с роликом С, ----------------------
будет иметь при этом .,
вращательное движение. к
Так как рукоятка и мотыль представляют в движении системы одно целое, то мотыль обладает угловой скоростью, одинаковой с рукояткой. Угловая скорость вращения мотыля и определяет относительное движение замка по отношению к стволу.
F
Черт. 159.
Поэтому сначала выясним элементы кинематики частей системы в зависимости от угловой скорости мотыля. На черт. 159 дана схема запирающего механизма в начальный момент движения. В этот момент углы <р и 6, составляемые соответственно шатуном и мотылем с направлением движения замка (линия АВ), положительные и невелики, так что ломаная линия АОВ близка к прямой АВ.
Имеем
OF — ^Osincp = ОВ sin 6,
или
. 'JU . о
sm ф = -дту sin 9.
(132)
Диференцируем
COS срс»! = -Д0- COS 9 • Ш,
где ш1 — — угловая скорость шатуна;
dfl
— угловая скорость мотыля и рукоятки.
Отсюда
Подставляя
cos <₽ — Z1 — sin2 ср = J/ 1 — У sin2 9
429
и обозначая
ОВ
АО
= т\
cos <f> = /1 — /и2 sin2 9,
получим
COS0
W-. — т _—:7.... _ <0.
У 1 - /и2 sin2 Ь
(133а)
Определим теперь относительное движение замка А по отношению к стволу или, что все равно, по отношению к точке В:
АВ = О A cos ср + ОВ cos 6.
Относительную скорость замка А получим, диференцируя АВ по времени:
V3 г — — О A sin ср*»! — ОВ sin 6о)
/л. sin ср cos 0 пл • г.
= — О А • 1- /по) — ОВ sin Осо
V1 — т2 sin2 0
= - О Am2 ~LnJ±0SL= и — ОВ sin 6<о
V1 — т- sin2 в
= - О Am sin 9 ( ^-L== + Л <0. (134)
V /1 _ ms sin2 6 ) ' ’
(В случаях движения обычного кривошипного механизма величина отношения = т обычно довольно небольшая правильная дробь, что позволяет путем разложения в ряд V1—m2 sin2 9 и отбрасывания членов ряда выше второй степени привести:
у 1 — /и2 sin2 6 = 1-zn2 sin2 0.
Но в случае пулемета Максима соотношение длин мотыля и шатуна не позволяет остановиться на втором члене разложения в ряд, и это упрощение поэтому не может быть принято.
Путь замка определится:
х = О A cos <р0 + ОВ cos 90 — О A cos <р — ОВ cos О, где <р0 и 9р — начальные значения углов и 9, или
х — ОВ (cos 90— cos 9) + АО (cos <э0— yf 1 —zn2sin29). (135)
Выше была установлена связь угловой скорости рукоятки <» со скоростью движения ствола, выраженная в зависимости от очертания рукоятки
К = F\ (9) • <»,
и путь ствола
х = F(9).
430
Из-за малости начального значения угла наклона мотыля 60 = 2° в первый период движения системы относительное перемещение замка вперед неведико (менее 0,1 мм), потеря энергии системы на это перемещение относительно невелика, и поэтому, учитывая общую неточность определения скорости отдачи, можно пренебречь этим относительным движением замка и считать, что до момента спрямления угла АОВ, т. е. до того положения, когда точки А, О и В окажутся на одной прямой, вся энергия отдачи пойдет на сообщение поступательной скорости всей подвижной системы, равной скорости ствола Ve (однако при этом звенья запирающего механизма — шатун и мотыль — уже будут иметь некоторую угловую скорость, определяемую исчисленной скоростью ствола Vc, согласно выведенным зависимостям, почему истинная скорость Vc будет несколько меньше; однако вследствие принятого в системе Максима очертания рукоятки к этому моменту значение ® невелико).
Путь, проходимый стволом, к этому моменту в пулемете Максима около 2 мм.
Указанного положения части системы достигают после вылета пули, но еще до конца периода последействия газов.
С этого момента замок начинает получать положительную относительную скорость V3r (углы 0 и ср делаются отрицательными, формула (134) дает положительное значение для V3r).
Движение придется рассматривать по двум периодам: 1) до конца периода последействия газов, 2) по инерции. В пулемете-Максима первый период осложняется наличием надульника — усилителя отдачи. Отсутствие сколько-нибудь разработанной теории надульника исключает возможность получения в теоретическом виде закона движения системы в первый период. Во втором же периоде движение можно разобрать, исходя из наибольшей поступательной скорости системы, определяемой опытным путем, которая может при наличии надульника достигать величины 4 м)сек.
При движении системы по инерции сначала ствол через рукоятку, как ускоритель, передает свою энергию системе замок — шатун — мотыль, тормозясь одновременно натяжением возвратной пружины, затем начинает свое обратное движение, в то время как остальная система еще продолжает двигаться по инерции: замок идет в заднее положение. Наметим здесь только путь исследования движения частей. Ствол вместе с рамой движется поступательно назад, испытывая трения в сальниках. Его движение связано , с вращением рукоятки, ее оси и мотыля. Эти три детали представляют единое вращающееся тело, массу и момент инерции которого в дальнейшем будем просто называть массой и моментом инерции мотыля. Шатун, соединенный с замочными рычагами и вращающийся вокруг оси замочных рычагов, также является единым телом, находящимся одновременно в поступательном движении вместе с замком и вращательном около оси; в дальнейшем будем эту систему называть просто
431
шатуном. При своем вращении шатун испытывает сопротивление ^боевой пружины, которая через ладыжку дает некоторый момент, сопротивляющийся вращению шатуна. Наконец, замок движется ^поступательно; силы, сопротивляющиеся его движению,—трение в направляющих, трение извлекаемой гильзы и сила сопротивления извлечению патрона из ленты.
Кроме того, возвратная пружина дает момент, сопротивляющийся вращению мотыля. Благодаря наличию барабана, наматывающего цепочку пружины (черт. 160), этот момент переменный не только вследствие изме-(-ен-------------------------г нения сопротивления пру-
______ЛД-Д^а2д л д Л_\_Д 1 жины, но и вследствие из-/V и и и к |/ у уvv менения плеча. Таким
Черт. 160. образом сопротивление воз-
вратной пружины приводится к паре сил П • е, где е — плечо барабана в каждый момент, и к силе П, которую следует считать приложенной к стволу в направлении, обратном его движению.
Если учесть все изложенное, то картина движения представляется крайне сложной, тем более, что для проведения подсчетов на практике приходится вычислять моменты инерции мотыля и шатуна, представляющих весьма сложную конфигурацию.
При необходимости определения картины движения частей в различные моменты работы движения системы практически приемлемым путем будет:
1) разбить все движение на ряд мелких участков;
2) определить угловую скорость мотыля в зависимости от
-скорости ствола для границы каждого намеченного участка;
3) для этих же моментов определить соответствующие угловую скорость шатуна и относительную скорость замка, выразив их через угловую скорость мотыля;
4) определить, пользуясь точным чертежом, натяжение возвратной пружины и момент, который это натяжение дает на оси;
5) вычислить работу всех сопротивлений в пределах каждого участка (трение в сальниках, работа пружины, трение в направ-.ляющих, работа сжатия боевой пружины);
6) составить уравнение живой силы всей системы, выразив все скорости через угловую скорость мотыля, и определить последнюю для конца участка;
7) при этом не будет учтена потеря на трения на ролике.
При достаточно малых участках все же можно получить картину движения, достаточно близкую к действительности.
Не исключается возможность, составив общее уравнение движения, путем приведения всех масс, моментов инерции и -сил к какой-либо поступательно движущейся точке системы, интегрировать это уравнение методом численного интегрирования. Здесь мы не будем останавливаться на данном вопросе ввиду чрезвычайной громоздкости его решения.
432
Необходимо отметить, что кинематическая связь замка со стволом через рукоятку является связью односторонней, а поэтому составленное указанным образом уравнение движения справедливо лишь до тех пор, пока действительно рукоятка соприкасается с роликом; при торможении ствола пружиной замок, двигающийся по инерции, в некоторый момент заставит рукоятку отделиться от ролика. То же самое возможно вследствие удара рукоятки о ролик в том случае, когда угловая скорость ее вращения начинает возрастать не от нуля, что зависит от правильности и точности как очертания кривой рабочей поверхности рукоятки, так и от сборки системы.
Оценивая общие свойства системы с коротким ходом ствола, отметим в первую очередь возможность получения надежно работающей конструкции. Это свойство и послужило причиной широкого распространения систем с отдачей ствола, особенно-в первоначальных конструкциях автоматического оружия. К этому же свойству относится легкость экстракции гильзы и надежная обтюрация. По сравнению с системами с длинным ходом ствола— несомненное преимущество в темпе стрельбы. К отрицательным свойствам относится сложность конструкции, утяжеление системы из-за подвижного ствола, усложнение вопросов охлаждения ствола, необходимость добавочных механизмов (ускорителей).
§ 62. Автоматическое оружие с выкатом подвижной системы
В тех случаях когда энергия подвижной системы излишне велика и не может быть поглощена работой всех вспомогательных механизмов, что требует чрезвычайно сильной возвратной пружины или специальных тормозных устройств, может быть применен принцип „выката системы". Под этим принципом подразумевают такое устройство системы, при котором выстрел происходит ранее, чем ствол придет в переднее положение, и следовательно, имеет к моменту выстрела некоторую скорость, вследствие чего часть энергии отдачи тратится на торможение возвратного движения системы. Таким устройством системы можно избавиться от сильных ударов системы в заднем положении или от чрезмерных усилий на установку. Применение этого принципа представляет интерес для автоматического оружия крупных калибров.
Рассмотрим сначала случай горизонтального движения системы в предположении, что вредные сопротивления движения пренебрежимо малы. Пусть скорость возвратного движения в тот момент, когда происходит выстрел, равна VB. Очевидно наибольшая скорость отдачи в этом случае
Уг = Ут-Ув, где Vm —максимальная скорость отдачи в обычном случае. Энергия выката представляет собой энергию, отданную возвратной пружиной; следовательно, энергия отдачи во всяком случае должна А. А. Благонравов—124—28 433
быть не менее, чем энергия, накапливаемая в пружине, иначе мы получим недоход системы в заднее положение.
Это условие выразится:
__И» 12 >- -°- V2
2g т v в ) 2g V в’ ИЛИ
V2 — 2VOT • Ив > 0;
V < —
Vb 2 •
В наилучшем случае
=-^
и энергия выката
Таким образом скорость отдачи может быть максимально по нижена в два раза:
17 — 1/ Ут — —” ~ Vm - 2 ’
а энергия отдачи в четыре раза.
Конструктивной особенностью системы будет то, что она должна быть приведена перед выстрелом в заднее положение.
Допустим, что возвратная пружина подобрана неудачно, так что нарушается указанное выше условие, т. е.
> — • к в 2 >
тогда скорость отдачи (/,„ — 14) < и система при отдаче не может полностью сжать возвратной пружины; при втором выстреле (при автоматическом огне) скорость выката I42<V4, а следовательно, скорость отдачи
И2 = Ит-142>Ит-14.
Поэтому после второго выстрела длина хода системы назад будет больше, чем после первого, что поведет к большему сжатию пружины, а вместе с тем к новому возрастанию скорости выката.
Отсюда видно, что работа системы будет неравномерной при автоматическом огне. При одиночном же огне нужно обеспечить остановку системы при наличии недохода системы в крайнее заднее положение, впереди заднего крайнего положения, т.е. иметь вспомогательное шептало (или ряд таковых); при этом следует рассчитать минимальную возможную длину хода и так сконструировать систему, чтобы при минимальной длине хода было обеспечено правильное функционирование всех механизмов (связь системы с подачей патрона).
Для исключения резкой неравномерности работы автоматической системы с выкатом ствола, таким образом, необходимо при 434
каждом цикле движения ствол задерживать в заднем положении и спускать его из этого положения; в этом случае при определенном угле возвышения постоянство Ив будет обеспечено.
Однако с изменением угла возвышения будет сказываться влияние веса системы, и условия работы системы будут меняться. Поэтому в такой системе необходимо принять меры к автоматическому изменению условий торможения системы, компенсирующему влияние веса, что может быть осуществлено или с помощью автоматического изменения поджатия пружины, или устройством регулируемых по углу возвышения специальных тормозов, например гидравлических.
Тем не менее идеально равномерной работы от подобной системы получить нельзя, так как влияние на условия движения будут иметь такие обстоятельства, как изменение по мере стрельбы числа патронов в магазине (ленте), а самая скорость отдачи является функцией качества патронов и при отдельных выстрелах может существенно меняться.
Поэтому при проектировании такой системы следует взвесить все обстоятельства, ведущие к наихудшим условиям работы системы. Например, при конструировании шептала, удерживающего ствол в заднем положении, нужно учитывать силу удара системы при ее остановке; очевидно, при больших углах возвышения, если только не приняты меры к полной компенсации влияния веса, откат будет наибольшим и энергия удара будет наибольшей, несмотря на тормозящее влияние веса ствола при накате.
Чтобы получить постоянную скорость выката при разных углах возвышения, нужно или устраивать специально регулируемый тормоз выката, либо регулировать возвратную пружину, усиливая ее поджатие при больших углах возвышения. В последнем случае, так как работа трения, обязанного весу системы, всегда направлена в сторону, обратную движению, а работа продольной составляющей веса имеет разные знаки в период отката и наката, очевидно, что полной компенсации влияния веса можно добиться или только для отката, или только для выката.
Укажем еще на одну конструктивную черту разбираемой системы: затвор здесь удобнее выбирать такой конструкции, чтобы сцепление и расцепление его не зависели от положения ствола, т. е. или поворачивающийся затвор, или шарнирно-рычажное сцепление.
Указанные выше осложнения В работе системы, необходимость иметь добавочные тормозные устройства (в том числе тормоз выката на случай осечки, так как в противном случае произойдет сильное набрасывание системы в переднем положении) говорят не в пользу данного вида автоматики. Это осложнение конструкции может быть оправдано лишь в тех случаях, когда почему-либо конструктор заинтересован в получении возможно малых усилий на установку.
При расчете системы с выкатом важно определить положение системы, при котором должен произойти спуск ударника (курка).
435
Если на графике (черт. 161) отложить по оси ординат скорости свободной отдачи системы, а по оси абсцисс — время движения, то получим кривую ОАВ, на которой точка А отвечает Ио (момент вылета снаряда), точка В отвечает Итах. Если параллельно
оси абсцисс провести на расстоянии от таковой, равном 14, пря-
мую ОгО2, то, принимая ОГО2 за новую ось абсцисс, будем иметь кривую ОАВ, как кривую скоростей отдачи с учетом выката; точка С (скорость отдачи с учетом выката равна нулю) отвечает моменту остановки системы; заштрихованная площадь ОО)С в соответствующем масштабе дает путь, пройденный системой с момента начала выстрела до переднего положения системы, а ОС — время, в течение которого с момента начала выстрела
Черт. 161. система движется вперед. Если
к последнему добавить среднее время, необходимое для воспламенения заряда, и время на движение
ударника с момента спуска и учесть тот путь, который система
проходит под влиянием накатника за весь этот промежуток времени, то получим определение положения системы, при котором должен произойти спуск стреляющего приспособления.
§ 63. Системы с отдачей затвора. Затвор свободный
Чтобы получить систему, работающую на принципе отдачи затвора, нужно иметь либо совершенно не связанный со стволом затвор, либо хотя и сцепленный, но „самооткрывающийся", т. е. такой, который мог бы расцепляться под действием силы, приложенной к передней поверхности затвора, либо сцепленный, но отпираемый крайне быстро при наличии еще давления пороховых газов в канале.
Первый тип мы условились называть свободным затвором. В системах с отдачей затвора пороховые газы через дно гильзы передают давление на затвор; другие действующие на затвор усилия — сопротивление пружины, прижимающей затвор к обрезу пенька ствола, трение затвора в направляющих частях коробки и трение гильзы о стенки патронника (при движении затвора гильза и затвор представляют собой одну систему: затвор без гильзы двигаться не может;. На ствол по направлению его оси действуют усилия: 1) трение пули в нарезах, приложенное к стволу в направлении движения пули; 2) трение гильзы в патроннике, приложенное в обратном направлении. Таким образом ствол является неподвижным только по отношению к системе в целом, но не абсолютно: он может иметь движение вместе со всей системой в зависимости от усилий, действующих на него (впе-436
ред или назад). Чтобы движение затвора было возможно, необходимо условие: давление пороховых газов на гильзу должно быть больше суммы сопротивлений движению. Трение затвора и усилие возвратной пружины — величины, определяемые данной конструкцией оружия; что же касается трения гильзы в патроннике, то оно зависит и от балистических данных оружия.
Предполагая, что движение затвора начинается с момента воспламенения заряда, мы будем иметь движение гильзы при наличии переменного давления пороховых газов, прижимающего стенки гильзы к стенкам патронника. Как мы знаем, трение гильзы является функцией давления пороховых газов. Написав уравнение движения гильзы и затвора в общем виде, получим:
(136)
где Q3 — вес затвора;
Qr—вес гильзы;
d2x
—fi—ускорение поступательного движения затвора;
Р — давление пороховых газов;
S — площадь, на которую передается давление газов;
П — усилие пружины;
R— трение затвора;
/?г—трение гильзы.
Выразим условие возможности движения (предполагая пока, что гильза абсолютно прочна):
PS>n+tf + RT .
(137)
Обозначив через f коэфициент трения между гильзой и патрон
ником, выразим
RT = fPiSe,
где —давление между стенками гильзы и патронником;
5б — боковая поверхность гильзы (для упрощения рассматриваем случай цилиндрической гильзы со стенками одинаковой толщины по всей длине; ниже мы увидим, что цилиндрическая гильза является наиболее типичной для данных систем).
Если под влиянием внутреннего давления Р гильза получает деформации, не превосходящие величины упругих деформаций, то Р1 = kP-, этот случай был бы при наличии небольших давлений и отсутствия зазора между стенками гильзы и патронником, но практически он не встречается.
Понятие о действительной картине, имеющей здесь место, мы получили, разбирая экстракцию гильзы. Если учесть, что толщина стенок гильзы мала по сравнению с толщиной сте-^2
нок ствола, то Рг близко к Р. Величина 5 = it -у-; трение в каждый данный момент
/?г = fP^dxl,
437
где / — длина гильзы;
dx— ее наружный диаметр;
d — внутренний диаметр.
Поэтому если даже пренебречь влиянием И и R, которые невелики по сравнению с /?г и PS,' то для движения затвора во всяком случае необходимо
P~d^> fP^dJ.
На основании сделанного замечания положим = kP, где k< 1, но достаточно близко к единице1. Отсюда обозначив
(138)
имеем z t rfj tfka?-
Видим, что относительная длина гильзы имеет предел, зависящий от коэфициента трения и толщины стенок гильзы (главным образом, от первого, так как произведение ka? близко к единице). Чем меньше коэфициент трения, тем большая длина гильзы возможна. Если же длина гильзы не будет удовлетворять условию (138), то теоретически движение затвора невозможно. В действительности же в этом случае вследствие наличия значительного давления на дно гильзы заклинившаяся гильза получит поперечный разрыв, так как обычно прочность гильзы на разрыв невелика, и оружие не будет функционировать именно по этой причине. Из рассмотренного же видно и значение смазки патрона в системах этого типа, ибо при смазке уменьшается величина /, а следовательно, улучшаются условия экстракции гильзы. Чем больше величина давления пороховых газов, тем больше абсолютная величина трения гильзы, тем большая прочность гильзы требуется во избежание ее разрывов.
Благодаря этим причинам данный тип автоматики преимущественно применяется в оружии с небольшим давлением пороховых газов и не требующем длинных патронов, т. е. в оружии малой мощности (оружие самообороны). Применение данного типа автоматики к малокалиберным пушкам требует также принятия смазки патронов и в то же время относительно короткого патрона (пушки Беккера, Эрликон).
Для данного типа автоматики желательны гильзы цилиндрические (или во всяком случае с очень малой конусностью), иначе по мере извлечения гильзы из патронника образовался бы кольцевой зазор между ней и патронником, что привело бы к продоль-
1 В сущности k будет величиной переменной, зависящей от давления внутри гильзы, но изменяющейся при больших давлениях сравнительно мало. 438
ным разрывам гильзы (так как прочность на продольный разрыв меньше, чем на поперечный) и к прорыву газов. Исходя из тех же оснований, необходимо принять меры, чтобы до момента падения давления в канале ствола после вылета пули гильза успела продвинуться лишь на небольшую величину.
В 1929 г. в ручном пулемете системы Ревелли был введен интересный способ, позволяющий уменьшить влияние трения гильзы на работу системы и применить данный принцип автоматики к оружию с более мощным патроном Ч По поверхности патронника, включая его скат и пульный вход, были проделаны продольные канавки (черт. 162). Вырывающиеся вслед за пулей пороховые газы получают доступ по этим канавкам д по АВ
в патронник снаружи стенок гильзы. Благодаря этому: 1) уменьшается поверхность трения на величину канавок; 2) частично газы оказывают
давление на скат гильзы, ч 1б2
помогая ее экстракции р ’
и противодействуя силе гильзы. Впоследствии этот же принцип применен в пулемете Бреда.
Таким путем можно устранить поперечные разрывы гильзы. Данный способ целесообразно применять только в тех случаях,
когда экстракция совершается при наличии значительного давления газов в канале. С другой стороны, опасность продольных разрывов гильзы при открывании затвора данным способом не устраняется, и остается в силе требование медленного открывания затвора в первые моменты работы системы. Из общего уравнения движения свободного затвора не трудно видеть, что ос-
новным мероприятием для осуществления этого условия должно быть утяжеление затвора.
Приступая к расчету движения системы со свободным затвором, для подбора возвратной пружины можно воспользоваться в первом крайне грубрм приближении общей формулой определения наибольшей скорости отдачи, и йо исчисленной энергии отдачи определить необходимую работу пружины. При этом из-за недоучета трения гильзы, Ушах, конечно, получится большим, чем в действительности, поэтому подбираемую пружину следует рассчитывать на поглощение не всей энергии Е, а ее части — £
—; коэфициент должен быть больше, чем в предыдущих
случаях.
Имея ориентировочно подобранную пружину и рассчитав путь движения системы при выбранной конструкции затвора к моменту
1 Этот способ был ранее запатентован итальянцем Agnelli.
439
достижения наибольшей скорости отдачи хтах, можно составить представление о достаточности взятых весовых данных затвора. Если пути х0 и лтах относительно велики, вследствие чего обнажаются вышедшие из патронника стенки гильзы, то возникает опасность продольного разрыва гильзы. В этом случае нужно учитывать вес затвора и связанных с ним частей. Не учитывая трения гильзы, мы, конечно, получим преувеличенные значения х0 и Лщах, что дает некоторый запас надежности.
Однако применение такого метода расчета для определения элементов движения системы, расчета темпа стрельбы и пр. является слишком неточным (не говоря уже о принципиальной неприменимости закона равенства количества движения пули и затвора, так как мы указывали уже на участие в движении и ствола вместе со всей „неподвижной системой). Таким образом при
расчете необходимо включить в рассмотрение силу трения гильзы. Это чрезвычайно осложняет достаточно точный расчет подобных ; систем, так как прежде всего коэфициент трения гильзы является величиной, не учитываемой точно и зависящей от целого ряда обстоятельств (условия смазки, загрязнение, качество обработки поверхности, нагрев).
Если применить метод, изложенный в § 46, для определения трения гильзы в зависимости от величины давления внутри гильзы, то возможно построить график изменения силы трения. Если имеется кривая давления в канале, пересчитанная ч функции от времени, то и кривая трения гильзы может быть построена в функции от t (черт. ,163, сплошная кривая — давление пороховых газов на дно, пунктир — сила трения гильзы). Если взять разность ординат этих кривых, то результат дает действующую на затвор силу F. Построив графически закон изменения этой силы, можно приближенно (хотя бы разбивая кривую силы F на отдельные участки, для которых легко подобрать уравнение, выражающее зависимость F от t) проинтегрировать уравнение движения. Наконец, возможно применение численного интегрирования (см. § 68). В силу всех сделанных допущений (при построении диаграммы, определяющей трение), недостаточной ориентировки в величине коэфициента трения и изменяемости условий работы автоматики данный путь не может претендовать 440
на достаточную точность и надежность1. Все же, сопоставляя данные, получаемые расчетом без учета трения гильзы и получаемые предлагаемым путем, можно установить пределы, в которых возможно получить темп стрельбы системы, и, базируясь-на сравнении с существующими системами, в необходимых случаях решать вопросы прочности деталей системы (с некоторым запасом прочности). Для пистолетных патронов с цилиндрической гильзой на основе экспериментальных данных можно принимать, что давление на дно равно Рдн — tydPS, где коэфициент 0,9 учитывает потери на трение гильзы.
По прекращении давления пороховых газов в канале затвор будет двигаться по инерции, испытывая сопротивление трения и возвратной пружины. Поэтому по характеру движения этот период, равно как и период возвратного движения, не отличается от случая разобранных выше систем; пользуясь методами расчета движения тела при действии пружины, движение системы можем рассчитать до конца.
§ 64. Системы с «полусвободным» затвором. Общие свойства системы с отдачей затвора
Мы видели в предыдущем параграфе, что для правильности функционирования системы с отдачей затвора необходимо замедлить первоначальное движение затвора, чтобы получить возможно малое перемещение гильзы, пока в канале ствола существует еще давление пороховых газов. В системах со свободным затвором, как выяснено, этого можно достигнуть увеличением массы движущихся частей. Однако такое решение не всегда целесообразно, так как приводит к утяжелению системы.
Системы с полусвободным затвором решают вопрос именно с этой стороны, позволяя, не увеличивая чрезмерно вес движущихся частей, получить в начальные моменты движения медленное отделение запирающей ствол части затвора, сохраняя при этом высокий темп стрельбы. Таким образом основная идея системы с полусвободным затвором сводится к установлению такой кинематической связи между частями затвора, чтобы в первые моменты движения незначительному поступательному перемещению передней части его, прикрывающей ствол, отвечало-значительное перемещение остальных достаточно массивных частей затвора2. Вследствие такого устройства к концу периода последействия газов гильза не успевает выдвинуться из патронника на значительную величину, а в то же время отдельные звенья механизма имеют инерцию, достаточную для дальнейшего отодвигания передней части затвора и совершения необходимой работы по перезаряжанию оружия.
1 Некоторые наши подсчеты показали, что получаемые таким образом расчеты скорости движения могут быть ниже действительных.
2 Здесь под названием .затвор" понимается вся совокупность деталей автоматики, участвующих в движении при открывании или закрывании ствола например, в пулемете Шварцлозе—замок, кривошип, мотыль.
441
Однако условия трения гильзы и здесь играют такую же роль, как и в предыдущей системе, так как движение затвору передается через гильзу, двигающуюся под давлением газов на ее дно. Следовательно, эта система не избавляет конструктора от необходимости принять меры по уменьшению трения гильзы; преимущество системы с полусвободным затвором по сравнению с системой со свободным затвором заключается лишь в относительном уменьшении веса затвора и обеспечении от продольных разрывов гильзы, а не от поперечных.
Все отмеченные выше затруднения точного расчета движения частей сохраняются и, кроме того, уравнение. движения системы усложняется из-за необходимости приведения масс отдельных ее частей, движущихся по различным законам.
Уравнение движения полусвободного затвора сводится к виду уравнения движения свободного затвора, если воспользоваться приемом приведения масс и сил к точке, поступательно движущейся вместе с передней частью затвора. Схема приведения масс и сил может быть показана на следующем примере.
Пусть затвор состоит наследующих частей: 1) из передней части, движущейся со скоростью и обладающей массой Mlt 2) из частей, движущихся поступательно со скоростями и v3, обладающих массами М2 и М3, 3) из вращающейся части с моментом инерции / и угловой скоростью ш. К части затвора приложено усилие возвратной пружины П, к вращающейся части приложен момент р, противодействующий вращению.
Если существует зависимость между скоростями
причем k, k2 и k3 — постоянные числа, то уравнение движения можно выразить
+ М2& + Л43^ + Ik* % + П&3 + = F, (139)
где F—движущая сила—давление пороховых газов на переднюю часть затвора за вычетом трения гильзы.
Обозначая -|- /И2&2 + M3k3 4- Ik2 — М и П£3 -f- ^.k—R', имеем уравнение
совершенно аналогичное уравнению движения свободного затвора. Если же величины k, k2, k3 являются переменными, то значение приведенной массы будет несколько другим.
Аналогично тому, как делалось при определении влияния подачи ленты на движение системы (§ 44), мы получим в этом случае уравнение
M^dv^ 4- M2v2dv2-\-M3v3dv3 4- [®du> 4- p-dy 4- Пг/л3 — Fdxx (140) 442
или
dvr 4- M3k3v1(k3 + Vt dk2) 4- (&з + Vi dk3) 4-
4- Ikvt (kd Vi 4- -Uj dk) 4- n&adXj 4- pk dxt = Fdxx. (141)
Полагая Vi — z и замечая, что k, k3 и k3 являются обязательно функциями хъ мы получим линейное уравнение, интегрирующееся как в § 44.
Чаще придется иметь случай, когда k, k2 и k3 могут быть выражены графиками или таблицами в функции от хх. В этом случае остается путь численного интегрирования уравнения.
Здесь мы не учли влияния трения между частями затвора. Введением в знаменатели членов уравнения соответствующих коэфициентов полезного действия мы получим возможность и этого учета.
Примером затвора с постоянным передаточным членом между его частями может служить затвор пулемета SIA, примером второго случая — затвор системы Шварцлозе, винтовки Педерсена.
Касаясь третьего типа оружия с отдачей затвора (затвор в первые моменты выстрела удерживается на месте), отметим системы, в которых застопоривание затвора основано на свойстве коэфициента трения увеличиваться с повышением удельного давления. Например, если в системе, имеющей сцепление с помощью винтовых выступов и скосов, взять угол а настолько малым, чтобы угол трения при наличии большого давления на дно гильзы оказался равен углу а, то механизм затвора окажется самотормозящимся; при падении удельного давления на опорную поверхность выступа угол трения <р уменьшается, tg(a — <р) делается больше нуля, и, следовательно, появляется возможность движения. Таким образом движение начнется лишь тогда, когда давление в канале упадет до известной величины. Подобная идея заложена, например, в конструкцию пулемета-пистолета Томпсона, где вкладыш выполняет роль клина между затвором и коробкой и может быть выжат из паза при условии отсутствия самоторможения, после чего затвор получит возможность движения назад.
Наконец, системы этого типа могут быть осуществлены при помощи специальных приспособлений, управляющих отпиранием затвора; затвор под давлением газов может начать свое движение не раньше, чем будет выполнена указанная операция. Строго говоря, такие системы будут представлять системы смешанного типа; отпирание затвора можно произвести, например, с помощью отвода газов. Укажем еще на возможность комбинации подвижного надульника и отдачи затвора: по вылете пули подвижной надульник, продвигаясь вперед, поворачивает запирающие рычаги, а остаточное давление, отбрасывая затвор, совершает всю необходимую работу. Однако в этом случае выгоды, получаемые от более легкого затвора, уничтожаются вследствие
443
сложности и громоздкости добавочных приспособлений (подвижной надульник и тяга)1. Системы последнего типа не получили распространения.
Обобщая свойства и характерные особенности систем с отдачей затвора, мы должны отметить следующее. Системы с отдачей затвора позволяют осуществить конструкцию автоматического оружия наиболее просто: неподвижный ствол, поступательное движение затвора упрощают задачу конструктора; особенна проста конструкция в случае свободного затвора. Самым существенным недостатком систем является необходимость борьбы с затруднениями экстракции гильзы. Уже было отмечено, что системы эти наилучшим образом работают в случае коротких патронов; это условие приводит к гильзам небольшой емкости, т. е. к случаю оружия относительно небольшой мощности. Вот почему наибольшее распространение эти системы получили именно в пистолетах. В оружии большей мощности обязательно принятие специальных мер для уменьшения трения гильзы. В большинстве случаев эти меры сводятся к устройству автоматической смазки патрона, вводимого в патронник. Осложнение конструкции, получаемое при этом, не так велико; гораздо существеннее то обстоятельство, что автоматическое оружие, рассчитанное на правильное функционирование при обязательном наличии смазки, отказывает в работе в случае ее отсутствия (уменьшение надежности).
Вторым обстоятельством, обращающим внимание в системах с отдачей затвора, является необходимость обеспечения обтюрации канала во время выстрела и меры против продольных разрывов гильзы. Мы видим, что эти меры сводятся, главным образом, к увеличению массы затвора; в этих целях, например в пистолетах (или в пушке Беккера), затвор соединен с наружным кожухом, достаточно тяжелым, который и принимает участие в движении. Полусвободный затвор позволяет уменьшить вес движущихся частей, но при этом конструкция осложняется. Малая конусность гильзы (цилиндрические патроны) применяется также в качестве меры для улучшения обтюрации. Существенной особенностью является возможность получения легкой конструкции (при полусвободном затворе).
Условия внутренней балистики в системах со свободным и полусвободным затвором имеют некоторое своеобразие. Так как гильза начинает свое движение назад одновременно с движением пули вперед, то объем зарядной каморы изменяется в течение выстрела. Практическое значение этого обстоятельства невелико: наибольшее давление пороховых газов существенно не изменяется, так как к моменту развития наибольшего давления перемещение гильзы пренебрежимо мало; дальнейшее же падение давления по сравнению с теоретической кривой давлений.
1 Система Bardelli.
444
•отражается в результате на величине начальной скорости пули незначительно1.
§ 65. Системы с отводом пороховых газов через боковой канал в стволе
Рассматриваемый тип автоматики принадлежит к числу весьма распространенных в настоящее время. Газы, пройдя через боковой канал в стволе, поступают в полость, называемую газовой каморой. Отметим два типа газовых камор. Первая (черт. 164) представляет цилиндр, внутри которого движется поршень, соединенный тягой с затвором; продолженные стенки цилиндра служат одновременно и направляющими поршня. Другой тип (черт. 165): камора снабжена выступающим патрубком, на который надвигается стаканообразный поршень; в этом случае для поршня нужны особые направляющие.
Черт. 164. Черт. 165.
При каморе второго типа неизбежно наличие некоторого, хотя бы и незначительного, зазора между стенками патрубка и внутренней поверхностью поршня; в противном случае вследствие вибрации тяги с поршнем всегда возможны утыкания краев поршня в торец патрубка при работе системы, что ведет в лучшем случае к истиранию поверхностей и выработке такого зазора естественным путем, и к отказам в правильной работе системы — в худшем. С другой стороны, наличие зазора ухудшает обтюрацию газов: хотя малый зазор (порядка 0,2—0,5 по диаметру— в пулеметах), повидимому, и не влияет существенно на работу системы, но из-за прорыва газов должно происходить постепенное выгорание и увеличение зазора, что в конце концов приводит к ослаблению' работы системы. При каморе первого типа обеспечена достаточно совершенная обтюрация, так как в этом случае’поршень может быть пригнан к стенкам каморы с крайне малым зазором и можно принять меры против прорыва газов, например, протачивая круговые канавки по поверхности поршня, в которых происходит расширение газов. С этой точки зрения первый тип газовой каморы следует признать более совершенным.
1 Полное решение задачи внутренней балистики в данном случае не входит в наши задачи: укажем только, что решение может быть проведено до конца, если ввести в уравнение внутренней балистики вместо длины пути пули / приведенную длину Z' = (1 + т))/, где Y) может быть принято -ф- • — пло-
щадь среднего поперечного сечения гильзы; т — масса пули, М — масса затвора.
445
грязняя поверхность
\а
Черт. 166-
Заметим также, что в газовой каморе второго типа имеет значение расстояние от среза патрубка до поверхности поршня или величина зазора а (черт. 166); чем больше этот зазор, тем меньше скорость поршня, что может быть объяснено изменением условий расширения газов. Практика показывает, что здесь небольшой зазор необходим для правильного функционирования системы, в противном случае наличие нагара при стрельбе, за-поршня, приводит к недоходу поршня в переднее положение (на практике величина этого зазора определяется около 1 мм).
Так как в системах с отводом пороховых газов действие последних на подвижные части более кратковременно, чем в системах, функционирующих по принципу отдачи (промежуток времени короче на величину, потребную для прохождения пулей длины ствола до газоотводного отверстия), то для получения одинако
вых условий работы системы обоих типов в системе с отводом пороховых газов нужен более энергичный толчок. Ускорение, приобретаемое системой в первые моменты движения, будет в последнем случае более значительным. Путь, который успевает сделать система за время действия газов, невелик, поэтому характер действия пороховых газов на поршень приближается к характеру удара газовой струи. Однако при газовой каморе закрытого типа (первого) эффективность действия пороховых газов оказывается несколько большей.
Конструктивно можно различать два вида систем:
1) поршень связан непосредственно с затвором — подвижные части образуют единую систему;
2) поршень связан с промежуточной деталью, производящей отпирание затвора и дающей последнему толчок, под влиянием которого и совершается движение затвора: подвижная система состоит из двух частей. Последний вид чаще встречается в автоматических винтовках, как позволяющий осуществить достаточно компактную и легкую конструкцию.
Обычно в системах с отводом газов стараются осуществить возможность регулирования интенсивности действия газов; регулирование это осуществляется путем соответствующих устройств в газовой каморе. Целью такого регулирования является отнюдь не возможность изменения темпа стрельбы - (темп стрельбы при регулировании газовой каморы хотя и изменяется, но не в особенно значительных пределах), а преимущественно — простая отладка правильного функционирования системы и возможность установить однообразную работу системы в различных условиях стрельбы (влияние температуры, степени износа как газовой каморы, поршня, так и всех деталей движущейся системы). Способов регулирования может быть три:
446
1) возможность изменения площади сечения отверстий, через
которые газы подводятся в газовую камору, например, путем конструкции поворотного патрубка, на котором рассверлены
отверстия разных диаметров — для каморы второго типа;
2) изменение объема внутренней полости газовой каморы — преимущественно для камор первого типа (пулемет Гочкиса);. при расширении этого объема в сторону, обратную направлению
движения системы, газы получают возможность расширения в другую сторону; благодаря такому расширению газов их действие на поршень слабеет;
3) выпуск части газов из каморы наружу, через регулирующий кран.
Так как возможность регулирования должна осуществляться самими войсками и в полевой обстановке, то разработка конструкции газовой каморы с регулированием осложняется.
Основные требования здесь: а) установка регуляторов от руки, с помощью простейшего инструмента (ключа); б) легкость ре
гулирования; в) отсутствие влияния пороховых газов на состояние газовой каморы. Например,
следует избегать разъемных резьбовых соединений, примы
Черт. 167.
кающих непосредственно к полости, занимаемой газами: просачивание газов сквозь резьбу вызовет окисление металла и затруднительность регулирования после этого. Главнейшими факторами, оказывающими влияние на количественную сторону работы системы, являются следующие: положение газоотводного канала по длине ствола; размеры сечения канала и отчасти самое устройство газовой каморы (чем ближе расположена газовая камора к патроннику, тем продолжительнее период действия газов на поршень и тем выше давление газов, при котором это действие начинается); с другой стороны, чем больше площадь сечения канала, через который проходят газы,, тем больше секундный расход газа Осек = Fyw и, следовательно, в этом случае интенсивность их действия возрастает.
Условия истечения газов во многом зависят от самой конструкции газовой каморы, от относительных размеров канала, его формы, характера того пути, по которому газы следуют. Кроме того, эффективность действия газов несомненно зависит от’ вида поверхности поршня, в которую ударяет газовая струя.
Ознакомимся сначала с качественной стороной явления, имеющего место при выстреле в системах с отводом газов. Предста
447
вим ствол оружия, имеющий длину L, причем газовый канал в нем просверлен на расстоянии I от дульного среза (черт. 167). В момент прохождения пулей сечения ствола, отвечающего месту расположения газового канала, давление в канале ствола назовем Рп и скорость пули в этот момент vn.
Если построить кривую изменения давления в канале ствола в функции от времени, считая начальным моментом момент прохождения пулей газоотводного канала, то кривая будет иметь вид, примерно изображенный на черт. 168. Рд— обозначает давление в канале ствола в момент вылета пули, tn — время прохождения пулей пути I, Т — период последействия газов. Величины Рп и Рд условимся относить к сечению ствола у места
расположения газоотводного канала, так как давление газов по длине канала ствола распределяется неравномерно.
Влияние истечения газов
Черт. 169.
в газовую камору в период tn отражается на самой кривой давления несущественно: газы в небольшом количестве успевают за это время пройти через газовый канал. В этом нас убеждает опыт стрельбы из одного ствола при наличии отвода газов и без такового: начальная скорость пули ме-
няется при этом незначительно {около 1%), что можно объяснить большим сопротивлением, представляемым инерцией поршня и связанных с ним частей. Положим, что мы перенесли газовую камору вперед, так что длина I уменьшилась, тогда уменьшится и величина Р„, время tn и часть площади кривой РпРАОа, т. е. изменится величина импульса, под влиянием которого происходит истечение газов в камору в период нахождения пули в канале ствола; часть же импульса в период последействия газов можно считать неизменной. Наоборот, при увеличении I, т. е. при отнесении газовой каморы ближе к патроннику, Рп и площадь РпРвОа увеличиваются. Отсюда влияние места расположения газовой каморы очевидно.
Представим теперь, что, оставляя газовую камору на месте относительно патронника, мы будем изменять длину ствола L (черт. 169). Тогда, представив изменение кривой давлений, построенной аналогично предыдущему (черт. 170), заметим еле дующее: при удлинении ствола на величину ДА удлиняется и на ту же величину. Рп остается постоянным, Рл — уменьшается, увеличивается tn на величину Д£п. Вследствие уменьшения Рд со кращается несколько период последействия газов. Отсюда уве личивается часть импульса, обусловливающего истечение газо
448
в период нахождения пули в стволе, и несколько сокращается часть импульса в период последействия газов, но полный импульс увеличивается. С удлинением ствола должно возрастать количество движения поршня. Опыт подтверждает описанную нами совокупность явлений.
Однако мы построили все наши рассуждения, совершенно не учитывая движения частиц газов в канале ствола. Истечение газов через сечение дульного среза происходит с высокой скоростью, причем возрастание поступательной скорости частиц газов, параллельной оси ствола, очевидно, начинается не у самого дульного среза, а распространяеФся вглубь канала. Поэтому, укорачивая длину £ и не трогая расположения газовой каморы относительно патронника, мы вправе ожидать, что, начиная с некоторой величины I, место газоотводного канала окажется в области высоких скоростей движения газа по каналу. В этом случае, очевидно, условия истечения газов в газовую камору будут резко ухудшены. Опыт с укорачиванием ствола всецело подтверж-дает это заключение (см. ниже таблицу)-----------------------—
тем, что, начиная с некоторой величины I, <^7////7777т>>^ скорость движения поршня резко умень-шается.
В применении к действительно суще- черт. 171.
ствующим системам автоматического оружия картина движения поршня будет несколько изменяться благодаря следующим особенностям системы. Чем больше импульс, сообщаемый поршню газовой струей, тем, больше скорость его движения. В системах оружия первоначальное движение поршня представляет так называемый „свободный ход“
системы, т. е. участок движения при закрытом затворе: движутся только поршень, тяга и рама затвора, самый затвор неподвижен. На некоторой части свободного хода начинается движение запирающих частей затвора; при больших скоростях свободного хода это движение начнется ранее, а следовательно, в момент наличия и больших давлений в канале ствола. А так как запирающие части затвора несут непосредственно нагрузку от давления пороховых газов в канале, то и потери на отпирание затвора с увеличением скорости движения поршня будут больше. Это обстоятельство несколько искажает обрисованную нами картину изменения условий работы системы при изменении факторов,
на них влияющих.
Из изложенного вытекает, что, создавая какими бы то ни было мерами улучшение условий истечения газов через газовую камору на поршень, мы должны получить увеличение скорости движения поршня. Известно, что в подобных целях сопла в турбинах не делаются цилиндрическими, а имеют насадки в продольном сечении, схематично представленные на черт. 171. Создание подобной же насадки в выходном отверстии газовой каморы перед поршнем несомненно увеличивает эффективность
А. А. Благонравов—124—29
449
действия газов на поршень. Для этой же цели служит конструирование газовой каморы, обеспечивающей возможно меньшие потери при движении газовой струи qt газоотводного отверстия в канале ствола до поверхности поршня; с этой целью иногда стремятся избежать резкого изменения направления газовой струи, делая канал в газовой каморе не преломляющимся коленом под прямым углом, а наклонно по отношению к оси канала ствола (пулемет ZB-26, Дарна). Эти меры, однако, не особенно сильно повышают эффективность действия системы, в то же время усложняя обработку газовой каморы.
Форма поверхности газового поршня, как уже упомянуто, также должна играть роль. Вполне очевидно, что выпуклая поверхность будет нецелесообразна; в этом отношении обращает внимание конструкция газовой каморы в пулемете Дарна: поверхность поршня здесь вогнута по шаровой форме. Есть основания полагать, что выгодной формой поверхности поршня будет плоская поверхность с кольцевой полуциндрической канавкой. В приведенной ниже таблице показано значение количества движения поршня при 3-линейном стволе длиной L = 605 мм при различных расположениях газовой каморы и различных диаметрах газоотводного канала (опыты производились для штатного патрона с пулей весом 9,6 г).
Количество движения системы при различных диаметрах газового канала и различных положениях газовой каморы (в кг • сек). Длина ствола
L = 605
Расстояние от дульного среза до оси газоотводного канала мм Диаметр газового канала
3 мм 4 мм 5 мм
155 0,44 0,47 0,55
185 0,51 0 54 0,60
210 0,55 0,58 0,67
Количество движения систем при различной длине ствола при постоянном положении газовой каморы (в кг • сек)
Длина ствола мм Расстояние газовой каморы от дульного среза мм Диаметр газового канала
3 мм 4 мм 5 мм
569 174 0,54 0,64 0,65
539 144 0,54 0,60 0,62
479 84 0,52 0,58 061
407 12 0,26 0,30 0,32
450
Последняя таблица показывает, что вначале изменение количества движения системы при укорочении ствола меняется слабо; при расстоянии до газового канала от дульного среза 12 мм система имеет настолько малую кинетическую энергию, что работать не может. Цифры приведенных таблиц округлены до 0,01 кг-сек по средним из 8—12 испытаний, причем отдельные отклонения иногда достигали порядка 6—8%.
Таблицы относятся к каморе второго типа при цилиндрической форме канала патрубка.
По данным этих таблиц можно произвести расчет движения для 3-лйнейного ствола. Путь, проходимый системой к моменту окончания периода последействия, можно было бы рассчитать, пользуясь значениями наибольшей скорости и временем периода последействия и учитывая резкое возрастание скорости. Однако нужно оговориться, что последнее рассчитать точно затруднительно. Опыты дают нам величину этого периода до 0,008 сек. (расчетная формула § 48 дает величину Т = 0,0073 сек.). В остальных периодах движение не отличается от разобранных систем. Следует учесть только присоединение массы затвора к массе поршня и рамы в момент открывания затвора и возможные потери энергии при получающемся соударении двух тел (исходя хотя бы из классической теории удара). Недостаточная изученность явления не позволяет дать точное решение с учетом всех факторов, почему выбор места газовой каморы и назначение площади поперечного сечения газового канала делаются обычно путем экспериментального подбора, т. е. переносятся в область „отладки* системы. При проектировании оружия иного калибра, чем 3-ли-нейный, или под новый патрон, ориентировочно можно назначить место газовой каморы и величину газового канала, исходя из опытных данных с существующей системой, применяя метод подобия и сравнивая импульс давления в канале по расчетным балистическим кривым давления.
Исследуя работу системы с отводом пороховых газов, мы, применяя теорию истечения газов, пришли к заключению, что для открытого типа газовой каморы можно принять, что количество движения, приобретаемое поршнем, пропорционально величине импульса давления пороховых газов на дно канала ствола за время от момента прохождения пулей газоотводного канала до конца периода последействия газов. Что же касается коэфициента пропорциональности, то он зависит от устройства газовой каморы и изменяется вместе с изменением сечения газоотводного канала.
Это положение можно выразить формулой k tn+ Т
M<vn = 2k Аф f Р- F-dt, (142)
О
где k — показатель адиабаты расширения газов (k — 1,2 — 1,3);
451
A — отношение площади сечения газоотводного канала к (у? \ д ~ ~FJ ’
Ф—эмпирический коэфициент, зависящий от типа газовой каморы, вернее, от условий расширения газов в газовой каморе, и от А.
‘п+Т
Что касается интеграла^ PF dt, то он может быть прирав-о
нен к сумме изменения количества движения пули от момента прохождения ею газоотводного канала до момента вылета и импульса давления на дно канала за период последействия газов, который на основании формул § 48, может быть принят:
I = 1 ( 2 V
k + 1 \k + 1 J g °'
Величина
к
-bi-1 ПРИ £=1,2—1,3.
Изменение количества движения пули можно выразить как
^(v0-vk),
где Ф — коэфициент для фиктивной массы пули (<рж1,2); q — ее вес;
‘Рк т- скорость пули у газоотводного канала.
В итоге получаем формулу:
k
Mvn = 2k(-^T^ ДфИ? + (143)
\ к -f-1 / L <s е> J
где vn — наибольшая скорость поршня; М — его масса вместе с мас- А ф АФ
сой связанных с ним подвижных частей си- 0,408 2,6 1,05
стемы J. Значения Ф для исследован- 0,260 0,182 0,147 4,0 5,2 6,1 1,04 0,95 0,90
ного типа газовой каморы в функ- 0,133 6,6 0,87
ции от А, проверенные на оружии калибров 7,62 и 12,7 мм, даются следующей таблицей. 0,096 8,3 0,80
При близком расположении газоотводного канала к : дульному
срезу в силу указанного выше формула делается неприемлемой.
1 Подробнее см. А. А. Благонравов, Исследование работы пулемета с отводом пороховых газов, Известия Артиллерийской академии РККА, том V. 452
К изложенному здесь необходимо добавить о желательности разбивать газоотводные отверстия в стенках канала ствола на ряд отверстий небольшого диаметра — в тех случаях, когда необходимое сечение газового канала относительно велико.
Соображения, побуждающие к этому, заключаются в том, чтобы по возможности не перерезать поля нарезов газоотводным отверстием; в противном случае возможно получение острого режущего угла в очертаниях поля нарезов, перехваченного газоотводным отверстием, что может привести к царапанию пульной
Рд
Черт. 172.
оболочки вплоть до снятия с нее мелкой стружки. Другие соображения по этому поводу сводятся к тому, что одно крупное отверстие более резко отразится на прочности стенок ствола, в данном сечении, чем ряд более мелких той же площади, но расположенных на более обширном участке канала ствола.
Приведенная выше формула и полученная для нее таблица значений А и Ф, как было указано, отвечают газовой каморе открытого типа.
Попытка применить эту же формулу к газовой каморе закрытого типа привела к замене Ф величиной Ф'=рФ, где р=1,3—1,4.
Для расчета систем с отводом пороховых газов, имеющих газовую камору закрытого типа, проф. Е. Л. Бравин предлагает следующий прием. Импульс действия пороховых газов на поршень он выражает в виде площади кривой давления на поршень показанной на черт. 172; т. е. предполагается, что давление в газовой каморе, начиная с момента прохождения пулей газоотводного отверстия, нарастает от нуля и стремится возрасти до величины давления в канале ствола (все время уменьшающегося). На черт. 172 показана кривая давления в канале P=/1(i) и кривая давления в каморер =Л(0, ассимптотически сближающаяся с последней при увеличении t.
Последнюю кривую Е. Л. Бравин выражает:
Р—Рпе 41—*
(144)
453
При этом считается, что кривую давления в канале ствола, начиная с момента прохождения пулей газоотводного отверстия, можно заменить зависимостью
__t_
Р = Рпе ь. (145)
Последняя формула получается из первой при а =оо; меняя значение а, получим семейство кривых, показанное на черт. 173. Параметр а принимается зависящим от соотношения между площадью поршня и сечением газоотводного отверстия, от массы подвижных частей автоматики, связанных с поршнем, и выражается проф. Бравиным
а = пМ , (146)
г к
где Fk — площадь поршня; п — эмпирический коэфициент.
Поэтому для пользования настоящей формулой необходимо произвести экспериментальные исследования применительно к различным типам устройства газовых камор, для того чтобы разработать основания для выбора параметра а при проектировании. Формула (144) удобна тем, что дает сравнительно простое выражение для определения импульса действия пороховых газов на поршень:
X ____ t / t \
4dt-
о о
где т = tn + Т.
Так как при t=t можно считать е =0 и е =0, то
(147)
454
Отсюда
Mvn^PnFkb^. (148)
Что касается b, то его проф. Бравин определяет, исходя из импульса давления в канале ствола: в период последействия газов
т
h-fPgFe bdt = (?-O,5)^vo, J о
о
считая возможным в силу характера кривой пределы интегрирования брать от 0 до оо.
Порядок расчета системы с отводом пороховых газов при проектировании. При проектировании удобнее начинать работу с подбора возвратной пружины, подчинив условия ее подбора соображениям: 1) габаритов размещения пружины, 2) о наибольшем усилии пружины при ее взведении (при ручном перезаряжании).
Произведенный подбор возвратной пружины сделает возможным расчет всего периода возвратного движения системы способом, изложенным выше.
После этого можно определить наибольшую скорость, которую должна иметь система, чтобы обеспечивалось правильное функционирование автоматики при подобранной возвратной пружине. Допустим, например, что шток и рама обладают массой Mlt затвор, присоединяющийся к этим деталям подвижной системы, обладает массой Л42, путь штока до присоединения затвора обозначим Xi, допустим, что период последействия пороховых газов заканчивается к моменту присоединения затвора; весь путь системы — л.
Работу деформации возвратной пружины на пути (X — хх) обозначим Д3. Тогда
где Яз — скорость системы после присоединения затвора. Отсюда можно задаться необходимой величиной (с учетом также расхода энергии на преодоление различных сопротивлений при движении системы в заднее положение).
Однако до момента присоединения затвора система шток — рама должна была, очевидно, обладать скоростью большей, чем v3, так как с момента присоединения затвора, во-первых, имеем увеличение массы, участвующей в движении, а во-вторых, присоединение затвора происходит с ударом, благодаря чему часть энергии будет потеряна.
Допустим, что система шток—рама к моменту присоединения затвора, поэтому, имела скорость т>х (т^ > v3, как указано).
Предполагая удар в момент присоединения затвора центральным, получим следующие зависимости:
455
1) скорость затвора после удара
(k — коэфициент удара);
2) скорость штока после удара
3) потеря энергии при ударе
= (1 -fe2) .Е,
' ' Afx + М2
где Е — кинетическая энергия до удара.
Так как > -nJ, то возможны два случая:
1) затвор, отскакивая от рамы, вновь ударяется о какую-либо деталь рамы,—происходит вторичный удар; с перераспределением скоростей частей системы; потери энергии при вторичном ударе будут уже меньшими; в этом случае можно принять для всей системы установившейся скорость, получаемую из уравнения:
Е —ДЕ = + <у2.
Z 3
2) затвор отскакивает от рамы, но не может обогнать ее,— излишняя скорость поглощается работой трения о ствольную коробку (запирающих частей затвора); последний случай является обычным; в этом случае установившуюся после присоединения затвора скорость системы следует считать равной скорости рамы после удара:
Т»з = V'.
Итак, для последнего случая по заданной выше скорости <v3 находим скорость штока, которую он должен приобрести под действием пороховых газов:
а затем и количество движения возможность обеспечения которого поверяем формулой (143), устанавливая с помощью приведенной выше таблицы по значению АФ и при заданном расположении газовой каморы примерную площадь сечения газоотводного отверстия, обеспечивающую получение требуемого количества движения. Благодаря достаточно широкой возможности регулировать величину получаемого импульса за счет расположения газовой каморы на стволе и величины газоотводного отверстия задачу можно разрешить для сравнительно широкого диапазона скоростей движения системы.
Среди систем с отводом пороховых газов останавливает внимание пулемет Кольта — по своеобразию устройства газовой 456
каморы. Здесь мы имеем прямолинейный путь газовой струи., ударяющей в поршень, входящий непосредственно в газоотводный канал.
Необходимость укрепления при этом поршня на качающемся рычаге приводит к усложнению системы, утяжелению ее, увеличению механических потерь энергии; незначительное преимущество лучшего использования энергии пороховых газов поэтому не оправдывается и данную систему следует признать устарелой (пулемет Кольта в своем развитии подвергся переделке, получив обычное устройство, типичное для систем с отводом пороховых газов — с прямолинейным поступательным движением ствола).
§ 66. Системы со стволом, движущимся вперед под действием продольной составляющей реакции пули при ее движении
в канале ствола
Системы автоматики этого типа не имеют большого распространения. Особенность их. устройства — возможность движения ствола вперед. Если рассматриваемый принцип устройства взять-в чистом виде, то ствол не должен иметь сцепления с затвором, но с первого же момента выстрела его движение будет тормозиться вследствие трения стенок патронника о стенки гильзы, остающейся на месте. Движущая сила будет различной: наибольшую величину она будет иметь в период врезания пули в нарезы, при дальнейшем движении пули по нарезам, когда деформация пули не будет изменяться, сила трения будет постоянной по всей длине канала ствола.
Таким образом уравнение движения ствола можно было бы составить для двух периодов движения:
для первого
Мсх" = F1-IL-R-R2, (149)
где — продольное усилие при врезании пули в нарезы;
Rz — трение гильзы при движении ствола, для второго
Мсл’ = Д2-П — R, (150)
где Д2— сила трения пули с готовыми уже нарезами (в этот период можно уже не учитывать трение гильзы). Как Ft так и F3 зависят от состояния канала ствола, устройства нарезов и устройства самой пули. Определение их возможно только экспериментальным путем.
Дело усложняется тем, что как только пороховые газы получат доступ в освободившееся перед гильзой пространство (при бутылочной гильзе), они будут оказывать давление на скат патронника, и ствол будет двигаться вперед и под их действием. При большой бутылочности патронника последняя сила может
457
оказаться превалирующей над остальными в течение большого периода времени.
Исходя из изложенного, предварительный сколько-нибудь точный расчет движения системы невозможен без экспериментального изучения упомянутых факторов.
§ 67. Сопоставление различных типов автоматики
На жизненность того или иного типа автоматики указывает его распространение среди систем, принятых на вооружение. Наиболее распространенными являются системы с отводом пороховых газов и коротким ходом ствола. Основное их преимущество — возможность получения надежно работающих конструкций благодаря обеспечению экстракции гильз. Преимущество системы с отводом газов по сравнению с системами с отдачей ствола заключается в большей простоте конструкций, возможности доведения темпа стрельбы до более высоких пределов, а недостаток — интенсивное возрастание скорости в первый период движения („резкость действия"). Нужно отметить также изменяемость величины и направления усилий, действующих на установку при выстреле для систем с отводом газов.
Система с отводом пороховых газов чаще всего встречается в применении к автоматическим винтовкам и ручным пулеметам, так как ее простота связана и с уменьшением веса системы. Большое распространение она получает и в пулеметах авиационных (темп стрельбы). В крупнокалиберной автоматике наибольшим распространением пользуется система с отдачей ствола, а также система с отдачей затвора, но с обязательным применением смазки патронов. Последняя система имеет большое будущее и в отношении применения к автоматическим винтовкам в том случае, если удастся всесторонне разрешить вопрос об экстракции гильзы. Эта система обещает возможность легче уложиться в нормальный вес винтовки, не уменьшая ее балистических качеств.
Все остальные виды автоматики почти не получили распространения. Система с подвижным вперед стволом крайне осложняет вопрос подачи патрона. Система с подвижным надульником не имеет преимуществ по сравнению с системой с отводом газов, в то же время приводит к более сложной конструкции; кроме того, правильность ее функционирования менее надежна. Система Рота с отводом пороховых газов через дно гильзы, требуя специфического устройства патрона, в отношении работы автоматики не дает никаких преимуществ.
§ 68. Упрощение метода расчета движения системы
Расчет движения частей в период движения по инерции, а также в период возвратного движения можно вести довольно быстро следующим путем. Зная скорость движущихся частей 458
в конце периода последействия газов — V\ (принимая эту скорость равной наибольшей) и определив кинетическую энер-jpjz2
гию найдем работу сопротивлений на всем пути движения частей назад, как площадь диаграммы всех сопротивлений в функции от пути.
Например, на приведенной диаграмме (черт. 174) построены усилия (ординаты, отвечающие усилиям, суммированы); здесь ЩП— усилие возвратной пружины, 7? =/(x) — сопротивление трения, П'П' — усилие буферной пружины, смягчающей удар движущихся частей в заднем положении.
Черт. 175.
Подсчитав площадь, ограниченную суммарной ломаной линией СЩаП'п'й, получим полную работу сопротивлений; вычи-
Q 1/2
тая последнюю из величины *2у, найдем живую силу в конце хода назад, откуда и вычислим конечную скорость Ук. В период возвратного движения будем иметь начальную скорость возвратного движения Ув = кУк.
Строим диаграмму работы движущих сил; в этом случае движущими силами являются усилия возвратной пружины и буферной. Сопротивления движению будут: трение затвора 7? — = /г(л), сопротивление пружины взводимого ударника на пути x'L, трение патрона, извлекаемого из магазина (берем случай коробчатого магазина), на пути х”х"'.
Площадь работы сопротивлений на диаграмме (черт. 175) заштрихована; незаштрихованный участок площади дает величину полной работы, по которой находим изменение живой силы движущихся частей и, следовательно, определяем скорости движения на каком-угодно участке пути. Если весом ударника, задерживаемого в точке х' по сравнению с весом остальных движущихся частей пренебречь нельзя, то следует учесть изменение массы
459
движущихся частей и, подсчитав сначала скорость V'x, на участке x'L найти приращение живой силы
где Qy — вес ударника.
Покажем теперь, как определить темп стрельбы, пользуясь упрощенным методом. Найдя ряд значений скорости движения частей в период движения по инерции Vlt И2, ... Vft, мы можем построить кривую скоростей ]/ — F(x) по точкам.
Так как dt — ^, то время движения на каком-либо участке пути
X
Интеграл представляет собой площадь кривой 1\ (л) = -р-; поэтому, построив кривую -у-, можем подсчетом ее площади определить искомый промежуток времени; при этом, если масштаб по оси абсцисс был взят в 1 см а м, а по оси ординат для построения кривой F(x) = V— в 1 см р м/сек, то масштаб времени—в 1 см2 сек.
р
§ 69. Применение метода численного интегрирования для расчета движения систем автоматики
Выше приходилось ссылаться на возможность применять метод численного интегрирования уравнений движения системы. Этот метод обладает довольно существенным недостатком в смысле громоздкости и количества времени, на него затрачиваемого. Однако его неоспоримые достоинства заключаются в том, что он позволяет решить уравнения движения, составленные в диференциальной форме в тех случаях, когда непосредственно они проинтегрированы быть не могут. К таким случаям следует отнести, например, случай движения системы, когда в системе, состоящей из ряда звеньев, уравнение движения составлено способом „приведения масс", но самые приведенные массы являются переменными функциями различных параметров (положения системы). Особенно частым будет случай применения численного интегрирования, когда движение отдельных частей системы связано кулачковым механизмом, причем аналитически связь движения отдельных звеньев выражена без затруднений быть не может, но для ряда положений системы легко может быть получена графически. При методе численного интегрирования совершенно безразлично, в каком виде в нашем распоряжении имеется какая-либо функция, входящая в состав интегрируемого
460
уравнения: задана она аналитически или таблицей ряда частных значений, или, наконец, графиком. В этом и заключается наиболее существенное значение метода численного интегрирования.
Мы предполагаем, что читатель в основном знаком с сущностью метода, и ограничимся составлением схемы интегрирования какого-либо уравнения движения системы, представив его в общем виде:
М^=Р-/?-П-Пк< (151)
где М — приведенная к затвору масса системы;
Р —движущая сила, приложенная к затвору;
R—переменное сопротивление движению, зависящее, например, не только от самих действующих на систему сил, но и от ее положения;
П — сопротивление возвратной пружины, могущее быть выраженным в функции от пути затвора;
Пк—сопротивление боевой пружины, взводимой в начале движения, которое можно определить из условий сжатия пружины, пользуясь чертежом системы для ряда отдельных положений затвора, независимо от сложности передачи движения от затвора к части, взводящей пружину.
Допустим, что мы имеем Р заданной графически в функции от времени, a R— определено для ряда положений системы в виде функции от х и результаты этого определения сведены в таблицу; П определяется обычным путем: П = По 4- ух, наконец, Пк определяется, как указано выше.
Приведенная масса может быть высчитана для ряда положений системы, независимо от ее сложности, например, графическими приемами (построения плана скоростей); иногда можно приведенную массу определить аналитической формулой, но входящие сюда величины будут известны только в ряде частных значений (например, в случае соединения кулачкового и кривошипного механизма в системе запирания, как в пулемете Максима). Опять-таки, составив таблицу частных значений приведенной массы или лучше вычертив по этим частным значениям ее график для удобства интерполяции, получим все необходимое для возможности интегрирования. Необходимо соблюдать, конечно, весьма большую тщательность при составлении графиков всех переменных величин. За независимую переменную в процессе интегрирования можно принять или время I, или путь основной детали движущейся системы, хотя возможны, конечно, и другие случаи, например, угол поворота какой-нибудь части механизма.
Разберем схему интегрирования уравнения (151), как уравнения второго порядка.
Принимая за независимую переменную время t и деля продолжительность выстрела на несколько частей h = Д/, проинтегрируем сначала уравнение (151) до t0. Составляем таблицу.
461
причем принимаем Р вычисленным по начальному давлению форсирования; если Ро окажется в этом случае меньше суммы сопротивлений, то следует попытаться отыскать то значение Р, при котором начинается движение, и для начального момента принять соответственно большее значение Ро. Вычислим ПКо, зная устройство курка и силу боевой пружины. Находим значение приведенной массы для начального момента; тогда из уравнения (151) находится значение л”, которое обозначим а0,
По формуле &х'о = hx'o находим первую разность скорости, а затем и х^ = х' 4- кх'о — Дх'; находим первую разность для х:
/ 1 А ЙДХП
Дх0 = h (х04- у Дх0) = —,
откуда хх = 0 + Дх0.
Для момента времени Д£ = А находим давление пороховых газов по кривой давлений в функции от t, в зависимости от которого вычисляем Рг. Зная путь хх, можем найти Пх (в течение первого периода Пк отличается несущественно от По), трение в направляющих /?х и по перемещению курка — ПК1, а также значение приведенной массы. Тогда из уравнения (151) находится х' и Дх; = х;=х;.
Можно перейти ко второму сближению, для чего вычисляется:
1) Дх; = А (х; + у Дхо') ; 3) Дх0 = А (х; + у Дл'о - дч);
2) Дх' = А (х; + у Дхо) ; 4) Дхх = А (х^ + у Дх'х - Д4),
462
Имея х2 — хг + Дх1; во втором приближении вновь пересчитываем П, R и М (если только эти величины изменяются несущественно, то Xi можно не пересчитывать) и находим их значения для момента времени 2Л, после чего определится и» уравнения (151) величина х\ = а2, а затем Дл^ = а2— «i-
В третьем сближении находим:
1) Дх, = А (х; + у\х[ — ± ;
2) Дх; = h (л; + у '£х\—4 д%);
з) дх>/г(л;+1дх;-^дх);
4) Д*о = /г (< + 4 Лло - Т2 Д2%0 + 24 ДЧ) ;
5) Дхх == h (л; + 4 Щ — 4 — й Д3-*о);
6) Дх2 = А (х2 -f- ~2 Д-*2 “|2 Д2«0 2i Д3-*о)•
Аналогично тому, как и выше, найдем х* = а3, Дх', Д2х' и на основании сделанных пересчетов внесем поправки в таблицу.
Сделав новый пересчет разностей по тем же формулам (в случае, если обнаруживается возможность поправок), в дальнейшем продолжаем таблицу, пользуясь рабочими формулами:
&хп ~ + Т Дл «—1 ТГ Д2хп—2 4* "s' ДЗл:п—з) ;
Для = h (хп + у Дхп 12 ~24 ^3xn—i) •
Таблицу следует продолжать до тех пор, пока не произойдет резкого изменения в условиях движения; например, происходит значительное изменение сопротивлений движению или присоединяется новая масса к подвижной системе.
Приняв за начальные данные результаты подсчета пути, скорости и значения сопротивлений к моменту вылета пули, вновь переходим в этом случае к соединению таблицы сближений.
§ 70. Некоторые замечания о порядке расчета работы систем автоматики
Мы видели (§ 41), что целый ряд операций, выполняемых, механизмами автоматического оружия, может совпадать по времени частично или полностью. Это приводит к тому, что с основными движущимися частями автоматики на различных этапах работы оказываются связанными один или несколько механизмов,
463
причем одни из них включаются, другие выключаются в раз личные моменты.
Каждое присоединение или выключение нового механизма сопровождается изменениями условий движения, а следовательно, видоизменяет и уравнение движения. Поэтому при подробном расчете движения системы первой задачей является тщательное определение взаимодействия механизмов и начальных и конечных моментов их работы. Для уяснения этих моментов рекомендуется составить перед расчетом диаграмму взаимной работы механизмов. Диаграмма эта составляется следующим образом: по горизонтальной оси откладывается путь принимаемой за основную детали автоматики, движение которой происходит в течение всего цикла работы автоматики (например шток в пулемете Дегтярева). Вертикальную ось делят на полосы, отводя определенную полосу каждой операции всех входящих в систему автоматики механизмов; в каждой полосе отмечают начало и конец операции (черт. 176). Приводимая для иллюстрации диаграмма взаимной работы механизмов одной из систем (черт. 176) показывает, что в периоде движения системы назад придется рассматривать восемь отдельных участков движения системы (разграничены пунктирными линиями); во время возвратного движения имеем семь отдельных участков. Каждый участок характеризуется тем, что с движением основной детали связано движение различных деталей, а следовательно, в движении участвуют различные массы, и на каждом участке могут встречаться разного характера сопротивления. Если, например, взять шестой по порядку участок в первом периоде движения, то, очевидно, здесь шток и затвор движутся вместе, но следует учесть в виде некоторого сопротивления движению реакцию механизма, снижающего патрон в приемнике; если взять третий участок возвратного движения, то здесь имеем совместное движение штока и затвора вперед, но к ним при расчете надо присоединить приведенную массу ленты и деталей привода подачи и приведенное сопротивление взводимой боевой пружины и т. д.
Нередки будут случаи, когда придется учитывать при одновременной работе нескольких механизмов несколько приведенных добавочных масс, приведение которых в общем делается так, как это было разобрано в § 44 для подающего механизма. Работа сил трения в звеньях вспомогательных механизмов при этом может быть учтена, если в выражениях приведенных масс ввести в знаменатель коэфициент полезного действия соответствующего механизма.
§71. Изменение темпа стрельбы
В связи с необходимостью повысить скорострельность некоторых видов автоматического оружия (пулеметы авиационные и зенитные) возникает потребность увеличить темп стрельбы существующих систем,. равно как при проектировании новых систем принимать меры к получению высокого темпа стрельбы. 464
В о звратное двыЖение R I 1 1 ж
— i 1 шшшш ш ^Х\ч ж i
Двил/сение В заднее положение ! 1 I. 1 ХШШШШ, 1 Ж ж
— — — —
— — —
Движение ударника вперед -Q а ! < -S в 1 3 < ъ i s i't 5 § «3 Подача лентЫ ДосЬ/лка патрона Снижение патрона клином Извлечение патр- из лентЫ I Отражение гилЬзЬ/ 1 i § J Запирание затвора Закрывание затвора 1 Отодвигание затвора Отпирание затвора ДВиэкение штока
Черт. 176.
А. А. Благонравов—124—30
465
Средства ускорения темпа стрельбы определяются в зависимости от системы автоматики. Общими для всех систем мерами могут быть:
1. Сведение до минимума сопротивлений движению. Эта мера при проектировании новой системы отразится в конструкции затвора, допускающей малые потери на трение, конструкции подачи патронов, устранении перекосов движущихся частей путем соответствующей компоновки деталей и т. п. При переделке существующей системы эта мера существенных результатов не принесет.
2. Прогрессивное возрастание сопротивления возвратной пружины. Если сопротивление растет по закону, выраженному кривой /, то время движения назад короче, чем в случае возрастания сопротивления по закону, выраженному прямой II (черт. 177). Если площади, ограниченные кривой / и прямой II, одинаковы, то поглощенная пружиной энергия в обоих случаях одинакова, а следовательно, одинакова и скорость системы в заднем положении (на пути х — К); для любой же точки пути х < X скорость в первом случае больше. Определяя время движения
о
имеем ti < При возвратном движении в случае I скорость нарастает быстрее, почему время движения опять-таки сокращается.Практически подобное возрастание сопротивления пружины можно получить, связывая затвор с пружиной при помощи добавочной части, увеличивающей поджатие пружины при ходе затвора назад. Легче этот принцип осуществить в случае шарнирно-рычажной системы запирания (подобно, например, пулемету Шварцлозе).
На этом принципе основаны часто применяемые ради увеличения темпа стрельбы буфера-амортизаторы; в случае наличия амортизатора диаграмма сопротивления пружин выразится, как показано на черт. 178. Здесь, начиная с пути х, сопротивление движения возрастает благодаря тому, что движущиеся части 466
входят в соприкосновение с буфером и сжимают последний.. Кроме того, буфер предохраняет движущуюся систему от удара, в заднем положении и возвращает всю энергию для возвратного, движения, тогда как при ударе часть энергии была бы потеряна. По конструктивным условиям буфер приходится заставлять работать лишь на коротком участке пути, вследствие чего пружины буфера делаются весьма сильными (иногда ставятся две' пружины — телескопическим способом); пружины буфера нередко делаются квадратного или прямоугольного сечения. Необходимо высокое качество металла буферных пружин, так как напряжения в пружинах будут высокими, а при посадке пружин все преимущества буфера-амортизатора в смысле увеличения скорострельности будут уничтожены.
3. Облегчение веса движущихся частей. Эта мера встречает предел, определяемый необходимой прочностью частей, почему таким способом < нельзя получить значительного увеличения темпа стрельбы при переделке системы.
4. Возможно малая длина хо-да затвора. К переделываемым системам эту меру применить нельзя, так как длина хода затвора связана с подачей патрона, при проектировании же новой системы устройство подачи патрона и системы запирания, приводящее к минимальной длине хода, является одним из действительных средств для получения высокой скорострельности.
Кроме этих общих мер увеличения темпа стрельбы, могут быть способы, применимые к определенным типам автоматики. В системах с коротким ходом ствола увеличения темпа стрельбы можно добиться соответствующей конструкцией ускорителя.
В качестве примера приведем способ переделки пулемета Виккерса для авиации. Здесь можно было бы итти путем изменения очертаний рукоятки, но этот путь был бы связан со значительными переделками всей системы; другой путь — не изменяя очертаний рукоятки, изменить динамику системы ствол — затвор, ограничивая движение рукоятки. В существующей системе, как указывалось выше, рукоятка играет роль ускорителя, т. е. передает энергию ствола затвору. Увеличения темпа стрельбы представлялось возможным достигнуть, используя избыточную энергию затвора для посылки ствола в переднее положение и, в свою очередь, при возвращении ствола вперед использовать его энергию, пропадающую бесполезно, для ускорения движения замка в переднее положение.
Практически этого можно добиться введением упора для рукоятки. Именно так было получено увеличение темпа стрельбы для пулемета Виккерса; мы изложим здесь этот способ применительно с схеме пулемета Максима, как более знакомого читателю.
Общая картина движения частей в пулемете Максима следующая: сначала ствол и замок идут вместе, пока поворотом рукоятки не начнет ускоряться движение замка. Ствол доходит до заднего положения и начинает возвращаться вперед, еще
467
когда замок движется назад; в момент крайнего заднего положения замка ствол успевает продвинуться вперед приблизительно на половину своего пути. При этом возвратное движение ствола ускоряется за счет торможения затвора, когда рукоятка нижним плечом опирается на ролик. Вплоть до возвращения ствола в переднее положение замок почти остается в заднем положении, так как усилие пружины дает в это время незначительный вращающий момент для рукоятки благодаря малому плечу на барабане (цепочка пружины намотана на барабан), и пружина работает почти исключительно на продвижение ствола вперед.
ствола центр тяжести системы затвора (замок — шатун — мотыль — рукоятка) лежит близко к линии, составляющей продолжение
При возвращении 0
Черт. 179.
Черт. 180.
движения ствола переднее положе-
оси ствола (черт. 179). Энергия возвратного поглощается ударом его при возвращении в ние. Дальнейшее движение замка ускоряется только пружиной, сматывающей цепочку с барабана (плечо вращающего момента растет, но усилие пружины уменьшается).
Как утилизировать пропадающую энергию движения ствола?
Принцип ускорения заключается: 1) в передаче затвором своей энергии стволу, пока затвор движется еще назад, а ствол уже пошел вперед (более интенсивное торможение затвора стволом в конце хода назад), но ход замка должен быть при этом достаточным для осуществления подачи патрона; 2) в том, чтобы энергию системы после возвращения ствола в переднее положение хотя бы частично передать затвору.
Положим, что какое-то тело А соединено с деталью В, вращающейся на оси О. При ударе этого тела вращающаяся часть будет стремиться сохранить свое движение и качнется вперед, если только центр ее тяжести достаточно далеко отстоит от оси вращения (черт. 180). Точка системы, не реагирующая на удар (и стремящаяся сохранить свое движение), как известно, называется центром удара; ее положение может быть найдено на расстоянии от оси вращения, равном приведенной длине физического маятника:
1 = а + 1 Ма'
где а — расстояние центра массы от оси;
/0—момент инерции относительно центра тяжести; М — масса.
468
Аналогично приведенному примеру можно рассматривать систему замок —шатун — мотыль — рукоятка. Если удар ствола происходит в момент заднего положения замка, то центр тяжести системы находится близко к оси ствола, и система затормозится. Наоборот, если рукоятка стоит вертикально (черт. 181), центр тяжести системы опущен вниз, то можно при ударе сохранить скорость замка, если точка В будет отстоять от оси на большую величину.
Черт. 181.
Следовательно, задача сводится к тому, чтобы заставить рукоятку принять вертикальное положение к моменту возвращения ствола вперед. Ограничение движения верхнего плеча рукоятки с этой целью каким-либо упором (черт. 182) невыгодно, так как при этом, если рукоятка уже легла нижним плечом на ролик, то замедлится движение ствола вперед; если же ограничить движение рукоятки еще раньше, то, кроме того, длина хода замка окажется недостаточной. Если же Х--'Ф ограничивать движение рукоятки упором, ветре- ,
чающим нижнее ее плечо (черт. 183) (при этом пред- ^<4^ варительно это плечо должно уже лечь на ролик, иначе при переднем положении ствола личинка не „„
сможет опуститься вниз, т. е. ход замка будет ерт> недостаточен), то этим достигается ускорение возвращения ствола вперед, и в то же время центр тяжести движущейся системы в момент возвращения ствола в переднее положение будет лежать достаточно низко. Этим способом в пулемете Виккерса достигнуто ускорение темпа стрельбы на 350 выстрелов в минуту. На черт. 184 приведены полученные из опыта кривые движения ствола и замка пулемета Виккерса до подобной переделки и после нее.
Увеличить темп стрельбы в этой системе можно, кроме того, используя газы, выходящие из канала; в системе Максима для этой цели служит надульник. Затрудняя условия истечения газов из надульника, можно заставить их более энергично посылать ствол назад (увеличивать отдачу).
В системах с отводом газов для увеличения темпа стрельбы, кроме общих методов (буфер-амортизатор, облегчение подвижных частей), могут служить еще следующие мероприятия:
469
а) увеличение времени действия газов на поршень: во вновь проектируемых системах — расположением газовой каморы при переделке системы—надульник, увеличивающий продолжительность истечения газов (черт. 185);
б) улучшение условий действия газов на поршень (увеличение газового канала, придание ему более выгодной формы). На черт. 186 приведено изменение газового канала в авиационном
Черт. 185. Надульник пулемета Льюиса.
пулемете Льюиса помещением вкладыша, отражающего газовую струю под углом 45°, однако, подобная мера оказывает на темп стрельбы незначительное влияние.
В качестве примера приведем переделку пулемета Льюиса, сделанную ради увеличения темпа стрельбы. Ход поршня в пулемете Льюиса имеет длину 162 льи; достаточная для перезаряжа-
470
ния и для действия спускового механизма длина хода равна 146 мм, т. е. имеется лишний запас хода 16 мм. В нормальном пулемете
Черт. 186. Вкладыш в
газовой каморе пулемета Льюиса.
Льюиса средняя продолжительность цикла движения 0,144 сек.
причем на последние 16 мм хода тратится 0,037 сек. Таким образом имелась возможность поставить буфер (черт. 187),расположенный на конце штока.
Пулемет, снабженный усилителем (надульник и вкладыш в газовой каморе), давал среднюю продолжительность цикла, равную 0,122 сек., причем на последние 16 мм тратилось 0,027 сек. С добавлением буфера продолжительность
d резьбам
А
10,3
Пру Ж. 1=19 мм d нар. - 11,5мм
Черт. 187. Буфер в пулемете Льюиса.
цикла сократилась до 0,07 сек., а „лишнее" время движения уменьшилось до 0,006 сек. (черт. 188).
Большим препятствием для увеличения темпа стрельбы служат удары в различных частях механизмов; с возрастанием темпа стрельбы увели-
Отдача, с ударом
Усилит, отдачи и буфер
Черт. 188.
471
чиваются скорости ударов, что резко отзывается на живучести системы: прочность частей оказывается недостаточной; в то же время возрастание сил инерции, особенно в механизмах подачи патронов (при принудительной подаче), приводит к практическому ограничению темпа стрельбы. Поэтому переделка существующих систем для высокого темпа стрельбы обычно не дает особенно значительных результатов, повышая темп стрельбы в крайнем случае процентов на 50 — 60.
Искать разрешения проблемы высокой скорострельности следует в конструировании новых систем, механизмы которых будут содержать минимальное количество ударяющихся частей, а также в соответствующем подборе металла для таких деталей.
Приведем таблицу предельных скоростей удара, выше которых неизбежно возникают остаточные деформации в металле:
MjceK
железо отожженное..........................3,32
сталь твердая незакаленная . . •...........3,50
латунь.....................................1,08
дуралюмин.................................10,76
сталь мягкая закаленная (в воде)...........6,5
, твердая закаленная и отпущенная при 400° 15,9 „ хромоникелевая термически обработанная 15,9—18,7!
Замедление темпа стрельбы. В разрешении этой задачи встречается надобность в тех случаях, когда благодаря облегчению веса движущиеся части имеют высокие скорости, и темп стрельбы не оправдывается тактическими соображениями, а в то же время ведет к увеличению износа, к излишнему расходу патронов, к уменьшению меткости, к уменьшению надежности (пистолет-пулемет, самострельная винтовка, ручной пулемет).
На практике не всегда удается получить достаточно низкий темп стрельбы без специальных приспособлений — замедлителей. Вообще замедление темпа стрельбы возможно:
1) за счет увеличения трений, что невыгодно вследствие износа трущихся частей и ненадежно;
2) за счет удлинения хода частей, что влечет утяжеление системы;
3) за счет утяжеления подвижных частей, что противоречит обычно основным требованиям к тем системам, в которых требование замедления темпа встречается;
4) за счет введения в цикл движения „мертвого времени11, в течение которого движущиеся части останавливаются, что требует специальных механизмов;
5) за счет плавного торможения движения частей специальными тормозами (гидравлический, пневматический и пр.).
Наиболее целесообразными мерами являются упомянутые в пп. 4 и 5.
1 J а n п i n, Comment tenir compte des chocs dans les calcules pratiques de resistance des mat^riaux, Paris, 1925.
472
В качестве примера разберем устройство замедлителя темпа? во французском пулемете FM-24 (Шательро) (черт. 189).
Это приспособление состоит из стержня, получающего толчок от затвора при достижении последним заднего положения. Стержень опирается на пружину. Получив при ударе затвора неко-
торую скорость, он сжимает пружину; последняя, поглотив энер-
гию движения стержня, возвращает ее, двигая стержень вперед. На это движение стержня затрачивается некоторый промежуток
времени; стержень при возвращении в переднее положение освобождает затвор от шептала. Таким образом вводится лишнее время (время движения стержня), в течение которого затвор остается неподвижным.
Пусть затвор (вместе С ОС- Черт. 189. Схема замедлителя, тальными подвижными частями)
имеет массу Л1, стержень имеет массу т (вместе с приведенной массой пружины); так как в данном случае масса стержня невелика, то пренебрегать массой пружины не следует. Если /га, —
масса стержня, т2 — масса пружины, то приведенная масса равна:
I lif'9
т = т1+-~
Пусть скорость затвора в момент удара о стержень V. Тогда скорость, полученная стержнем
1/1=1/(1 + А!)
м
т + М 1
где k — коэфициент восстановления скорости при ударе.
Пусть пружина стержня имеет некоторое начальное поджатие, определяемое стрелой /0 и усилием По.
Полагая, что движение стержня будет совершаться до скорости, равной нулю, мы можем воспользоваться соответствующими формулами § 49 и в результате вычислений получим:
скорость системы
полный путь движения стержня назад
xi — /о
(]/> +
mV*
По/о
1 ;
время движения до крайнего заднего положения
— arc sin —4-1-).
-<1 +Л J
473
Все время движения стержня до освобождения затвора
T = 2t.
Таким образом возможно определить время замедления цикла движения системы при данном весе стержня и данной пружине.
Обратную задачу — подбор веса стержня и соответствующей пружины, исходя из данного времени замедления, удобно решать графическим построением (§ 25). При этом можно задаться: весом стержня, а затем подобрать нужную для данного времени замедления пружину.
Черт. 190. Замедлительный механизм Гочкиса (вид спрара).
Черт. 191. Замедлительный механизм Гочкиса (вид слева).
Данный тип замедлительного механизма страдает тем недостатком, что его работа будет чувствительна к толчкам, воспринимаемым самым оружием при стрельбе. Указанный расчет справедлив в предположении, что самое оружие, в котором собран замедлитель этого типа, неподвижно. При наличии толчков оружия стержень замедлителя вследствие инерции будет изменять характер своего движения относительно оружия.
С этой точки зрения более совершенной является конструкция замедлительного механизма, изображенная на черт. 190 и 191, основанного на том же принципе, но не с поступательным движением инерционного тела, а с вращательным.
474
Его устройство ясно из чертежей: рычаг 1, получая толчок от подвижной системы, приходит во вращательное движение вместе с барабаном 2, взводя U-образную пружину. Благодаря эксцентричному очертанию поверхности барабана рычаг с вспомогательным шепталом 3 при этом, скользя своим хвостом по поверхности, барабана, поднимается и задерживает возвращение системы.
При разжатии пружины происходит обратное вращение барабана и утапливание вспомогательного шептала. Система зубчатых колес 4 служит для еще большею замедления периода возвращения механизма в исходное положение.
В системах, имеющих ударное приспособление, работающее от отдельной боевой пружины (курковое или ударниковое), замедлитель может быть связан с этим приспособлением, задерживая момент производства выстрела. К числу таких приспособлений относится оригинальная система замедлительного механизма (Токарева), основанная на приведении в движение ударным приспособлением противовеса в начале движения курка. Подбирая различное отношение плеч рычага противовеса, можно добиться различной степени замедления; во избежание осечек противовес необходимо расцепить с ударным приспособлением ранее момента разбития капсюля.
Из других типов замедлительных приспособлений укажем на замедлитель, действие которого основано на принципе трения. Общим недостатком этих конструкций является изменяемость условий их работ в зависимости от состояния смазки, температуры и пр.
Можно указать еще на гидравлические и пневматические замедлители; эти типы мало распространены вследствие неудобства их компоновки в системах ручного оружия, т. е. там, где они обычно требуются. Можно указать на интересный тип пневматического замедлителя темпа стрельбы в финском пистолете-пулемете Суоми (так называемом „автомате"): затыльник снабжен отверстиями, прикрываемыми пружинным клапаном: при движении затвора назад воздух выгоняется затвором свободно, при возвратном движении клапан, отжатый пружиной, затрудняет обратное засасывание воздуха, вследствие чего позади затвора образуется разрежение, что замедляет его возвращение.
Ставящееся иногда требование возможности регулирования темпа стрельбы в заданных пределах обычно осуществляется также введением „мертвого времени" в движение системы, что достигается сборкой специальных приспособлений в спусковом механизме. Так, в пулемете Сен-Этьен это приспособление выполнено в виде гидравлического тормоза, в котором поршенек при заднем положении системы утапливается в цилиндр, наполненный жидкостью; система задерживается спуском до тех пор, пока поршенек не поднимется под действием своей пружины. Но так как поршенек вынужден продавливать жидкость через узкие отверстия, то его возвращение замедлено. Регулируя величину
475
отверстий, будем получать различную продолжительность движения поршенька, тем самым регулируя изменение темпа стрельбы. Видим, что регулирование осуществляется в сторону уменьшения темпа стрельбы от его „нормальной" для данной системы величины.
§ 72. О некоторых случаях расчета прочности деталей механизмов сравнением с существующими системами
Динамический характер напряжений, возникающих в деталях различных механизмов при работе автоматического оружия, требует крайне осторожного подхода к решению вопроса о прочности той или иной детали. Отсутствие четко выработанных допускаемых напряжений в этом случае заставляет обратиться к методу расчета путем сопоставления механизмов с осуществленными уже на практике конструкциями, сходными по типу с данными механизмами.
В этом случае приходится брать за образец существующую систему и, тщательно проанализировав условия и характер работы механизма, оценить величину и характер действующих усилий, после чего аналогично рассчитать проектируемый механизм, пользуясь определенными в существующей системе напряжениями, как допускаемыми.
При этом следует обратить внимание, что при динамическом действии усилий нередко привычные для статических случаев формы конструкции оказываются как раз невыгодными. Например, в случае изгиба какой-нибудь оси ударом расстояние между ее опорами должно быть возможно больше, тогда как в статических условиях это обстоятельство, приводя к увеличению изгибающего момента, является нежелательным. Это можно подтвердить следующим примером: чтобы сломать какой-нибудь брусок ударом, нужно расстояние между его опорами сделать возможно малым. Совершенно безразличным в случае изгиба при ударе при данной площади поперечного сечения бруса является момент инерции этого поперечного сечения, что также расходится со случаями статическими. В то же время в смысле величины реакции опор далеко не безразлично, лежит ли брус на опорах своей узкой гранью или широкой. В последнем случае реакции опор будут меньше при действии удара между опорами.
Следует особенно подчеркнуть необходимость крайне тщательного анализа работы деталей, для того чтобы возможно правильнее произвести определение возникающих при деформации детали напряжений.
Например, рассчитывая прочность двух деталей, сталкивающихся при работе механизма одна с другой (берем случай простого сжатия), следует учитывать всю картину удара. Явление деформации деталей здесь будет различно в зависимости от размеров соударяющихся тел: если одно тело имеет поперечное 476
сечение, значительно превосходящее размеры поперечного сечения другого, то первое тело в значительной области подвергнется местным деформациям. Если разница в поперечных сечениях невелика, то деформацию можно считать распространенной по всему объему обоих тел. Если оба соударяющихся тела имеют возможность двигаться и после удара, то часть кинетической энергии, переходящая при ударе в потенциальную энергию деформации, может быть учтена применением классической теории удара, принимая во внимание и упругие свойства материала обеих деталей. В данном случае тело, имеющее до удара бблыпую скорость, будет ее терять одновременно с деформацией сжатия; эта потеря продолжается и дальше при исчезании упругой деформации; тело, имеющее меньшую скорость, наоборот, будет ее увеличивать. В момент, отвечающий предельному наибольшему значению деформации, скорость обоих тел будет одинаковой. Если определить эту скорость, то найдется кинетическая энергия всей системы в этот момент, а следовательно, и потеря этой энергии, целиком переходящая в потенциальную энергию деформации обоих тел. Распределение этой энергии определяется размерами обоих тел. Не вдаваясь здесь в детали данного случая, укажем только, что для случая призматических тел подсчет выльется в следующую схему.
Общая скорость обоих тел в момент наибольшей деформации:
Z7 = (152)
+ т2 ' '
Кинетическая энергия до удара
mivf ( m2v% ~2 । Т~
должна быть равна кинетической энергии в этот момент, сложенной с потенциальной энергией деформации обоих тел:
(Ш1 4- /и2) U2 , др | гр
-------------------------2------г Л Т 2> откуда
2^+ т2)....* (153)
Распределение потенциальной энергии между обоими телами определится:
Л SA
Т 2 ^2^1 ’
где Sx, lx и S2> 4 — соответственно площади поперечного сечения и длины соударяющихся тел.
Решая совместно два последних уравнения, находим потенциальную энергию деформации каждого тела, и, следовательно, имеем по ней возможность определить и наибольшие напряжения, которые будут в сечении, примыкающем к поверхности
477
удара, по формуле:
(формулу получаем, исходя из допущения, что деформация пределится по длине тела пропорционально удалению от верхности удара), т. е.
нт - - А.
UJx эр ’ з / ’
атах 1
рас-по-
СйТ- С °2*SdX С ema^Sxidx _ °maxSl
J J 2E ~J 2EP 6E 0 0 0
Здесь рассмотрен простейший случай расчета прочности при ударе. На практике соударяющиеся детали имеют сложную форму, характер деформации их весьма сложен и не поддается полному анализу и учету. Иногда, сравнивая с существующими
Черт. 192.
конструкциями и представив приблизительный (условный) характер распределения деформаций в соударяющихся деталях, можно также решить вопрос, правильно ли обеспечена прочность детали выбранными размерами. В качестве конкретного примера разберем случай удара при присоединении призматического затвора к раме, для того чтобы решить задачу прочности выступа затвора А (схема черт. 192). Выступ С рамы ударяет о выступ затвора А; рама движется в момент удара со скоростью vb затвор неподвижен.
Условно- принимаем, что деформации распределяются следующим образом: выступ затвора А подвергается изгибу, выступ С —срезанию; область затвора В (длиной /2), очевидно, в момент удара подвергается растяжению (как следствие инерции), область рамы Е—сжатию, а область рамы D—растяжению; в момент наибольшей деформации между выступами А и Е возникнет реакция, величину которой обозначим через Р.
Учтя, как и выше, общую скорость рамы и затвора в момент
М V2 наибольшей деформации U, кинетическую энергию Ех = р„ 1
478
и обозначив потенциальную энергию деформации областей, на которые мы разбили детали, соответственно Та, Тв, Тс, Те, Те, получим:
ТА + Тв + Тс + 7Ы- ТЕ = Ег - Мр (154)
h h
т _ CM*dx _ \p2y2dy __ p2h3
'A~J 2EI J 2EI ~ 6EI ’ о о
где h — высота выступа; I—момент инерции сечения выступа;
7в = —6g------согласно указанному выше, если о) — пло-
щадь поперечного сечения части затвора В\ но
~ Si;
в QES! ’
7’с = ---(потенциальная энергия сдвига);
S2— площадь сечения выступа С;
7р = ---по тем же соображениям, что и для Тв;
^ = -бЁ§—так же’ как для Го;
(S4 — площадь поперечного сечения рамы в части Е).
Подставив найденные значения Та, Тв, Тс, Td и Те в урав-нение (154), решим его относительно р, после чего найдем искомые (условные) напряжения изгиба выступа А:
a—PlL
W'
Произведя подобный расчет для существующей системы и для вновь проектируемой и сравнив полученные значения напряжений в обоих случаях, можем убедиться, является ли вновь, проектируемый затвор более или менее прочным, чем затвор в существующей системе.
Приведенным примером мы ограничиваемся, так как исчерпать все случаи, которые могут представиться, нет возможности.
§ 73. Порядок работы при проектировании системы автоматики
В заключение остановимся на самом порядке работы, который мы считаем целесообразным при составлении проекта автоматического оружия. Работа должна быть начата по получении задания с выяснения балистических свойств оружия. Имея данные о патроне как исчерпывающие балистические, так и конструктивные, имеем все необходимое для составления эскиза ствола.
479-
Вопрос о наружных очертаниях ствола, главным образом, в •месте его соединения со ствольной коробкой, придется решать тиа последующих этапах работы. Дальнейшая работа должна быть посвящена детальному разбору подходящих по типу существующих конструкций, выявлению всех положительных их сторон, которые могут быть использованы в проектируемой системе, учету отрицательных качеств — с целью не повторить неудач предшествующего опыта.
Этой работе мы придаем огромное значение, исходя из того, что каждая новая конструкция является компоновкой и повторением предшествующих конструкций, хотя часто и на совершенно новой основе. Учет опыта всей суммы предшествующей работы является залогом успеха новой работы. Тип автоматики выбирается прежде всего исходя из боевых требований к системе, ее свойств, условий боевого применения и условий служебных; не должны быть забыты при этом и экономические стороны: простота, дешевизна изготовления, преемственность по отношению к налаженному уже производству.
Остановившись на типе автоматики, следует приступить к составлению эскизных набросков основных узлов системы (например соединение затвора со ствольной коробкой, устройство спускового механизма и пр.). Эти эскизные наброски являются лишь оформлением мысли конструктора по поводу главнейших деталей системы и не имеют еще никаких размеров. Однако при их • составлении учитываются все технические требования к данному виду оружия.
Оформив идею отдельных узлов, конструктор должен приступить к составлению рабочих схем основных механизмов и параллельно с ними общего (компоновочного) чертежа системы, так как отрыв разработки отдельного механизма от системы в целом иногда приводит к невозможности взаимной увязки в единое целое разрозненных в процессе работы механизмов.
На этом этапе придется ввести и отдельные элементы расчета, как, например, определение основных размеров затвора, выявление вопросов, связанных с плавностью подачи.
Рабочие схемы механизмов вычерчиваются в крупном масштабе и служат для выяснения вопросов о размерах деталей каждого механизма, обеспечивающих возможность их работы, взаимного перемещения частей, установления таких данных, как обеспечение намеченной длины свободного хода. Составление общего чертежа помогает одновременно и решению вопроса о процессе сборки и разборки системы, — вопроса, имеющего чрезвычайное значение. На этом же этапе работы выявляются соображения о производстве деталей; без всестороннего знания конструктором технологической стороны процесса производства оружия его конструкция рискует оказаться совершенно нежизненной.
На первоначальном общем чертеже могут быть недоработанными второстепенные детали (неподвижные).
-480
Выявив общий характер связей механизмов, определив ориентировочные весовые данные подвижных частей системы, следует подсчитать элементы движения. На основании этого подсчета выявляются необходимые изменения в размерах деталей, уточняется задача подбора пружин, длины рабочих ходов механизмов, подбираются наивыгоднейшие условия их работы и взаимной связи и выявляются отправные данные для решения вопросов прочности деталей на основе изложенных в курсе сведений. Мы считаем, что тщательный анализ работы механизмов должен принести экономию во времени, сокращая неизбежный впоследствии процесс отладки опытного образца. Прокорректированный на основании этого этапа работы общий чертеж будет служить исходным для составления построительных чертежей деталей, изготовляемых к опытному образцу. Дальнейший процесс работы сводится к построению опытного образца, к его испытанию и в случае установки валового производства, к разработке построительных чертежей деталей с установлением допусков, с оптированием размеров, с взаимным спариванием составных частей системы. Этот сложный процесс сопровождается анализом сочленений с точки зрения правильности работы деталей и механизмов при крайних сочетаниях в отклонениях от номинальных размеров.
Итак, для максимального обеспечения успеха работы по проектированию автоматического оружия мы считаем абсолютно необходимым:
1) детальное знание образцов материальной части существую-1 тих систем как современных, так хотя уже и устаревших, но .лающих ценный материал в смысле оформления конструкций отдельных механизмов, и умение извлечь из этого материала необходимые данные;
2) изучение условий оружейного производства, знание технологического процесса во всех его особенностях;
3) глубокое понимание механических связей и зависимостей в работе всех механизмов, уменье применить правильный анализ условий этой работы для оформления конструкции;
4) полную увязку боевых и технических требований с вопросами производственного характера, которую можно сделать лишь при условии обстоятельного знакомства с обеими сторонами дела;
5) широкий учет данных предшествующего опыта по разработке систем автоматического оружия;
6) ясное представление об условиях балистики оружия.
Наконец, не лишне указать, что конструктор должен быть обстоятельно знаком со свойствами материалов, применяемых на данном этапе в оружейной технике, и с такими вопросами, как термическая обработка металлов, случаи и результаты ее применения. Последнее тесно связано с „живучестью" оружия— одним из основных требований в современных условиях.
Мы считаем, что при широко организованном обмене опытом отдельных конструкторов и целых бюро, развитии научно-иссле-
А. А. Благонравов—124—31 481
довательской работы непосредственно на предприятиях, максимальной коллективизации в работе — дело проектирования автоматического оружия может быть усовершенствовано в смысле значительного увеличения темпов при создании новых конструкций, в смысле гарантии качества продукции и в смысле внесения четкой плановости в работу.
В заключение считаем полезным дать совет конструкторам внимательно изучать механизмы автоматических машин-орудий, станков в разнообразных отраслях техники. Многообразные сочетания механизмов, весьма остроумные по устройству, можно встретить в различных отраслях „мирной“ техники, которые с успехом могли бы быть использованы в известных вариантах и для специфических условий работы автоматического оружия. Нередко в этой же области можно найти, если не решение, то наметку решения технических проблем, над которыми работает мысль специалиста-оружейника.
Приложение 1
ТАБЛИЦЫ ГЕЙДЕНРЕЙХА ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ БАЛИСТИКИ ОРУЖИЯ
Обозначения: q — вес пули, <о — вес заряда, 5 — площадь поперечного сечения канала ствола, L — полная длина пути пули в канале, v0 — начальная скорость пули, 1т — путь пули в канале к моменту достижения наибольшего давления, Рт —- наибольшее давление пороховых газов.
Расчетные формулы: среднее давление пороховых газов:
отношение среднего давления к наибольшему:
4 = ^; (2)
'max
длина пути пули, на которой развивается наибольшее давление:
/m = £S0i); (з)
время от начала выстрела до момента развития наибольшего давления газов: 27
0О1); (4)
vo
время продолжительности выстрела: 27 'о=-^ТО|); (5)
vo
давление в канале в момент вылета пули:
Рд = Рср-ж(Ч); (6)
функции SW; 0Cn), T(v)), к(уз)
даются приведенной ниже таблицей.
Таким образом, чтобы подсчитать упомянутые элементы балистики, нужно:
1) определить Рср по формуле (1);
2) найти т] по формуле (2);
3) по найденному т) определить по таблице значения функций S, О, Т, я и вычислить искомые величины по формулам (3), (4), (5), (6).
Я 2(1) в 01) Т0а) «01)
0,30 0,0471 0,246 0,836 0,343
0,35 0,0597 -0,300 0,892 0,369
0,40 0,0740 0,358 0,944 0,400
0,45 0,0903 0,420 1,000 0,432
0,50 0,1090 0,487 1,056 0,465
0,55 0,132 0,560 1,116 0,501
0,60 0,160 0,642 1,180 0,541
0,65 0,192 0,734 1,249 0,585
0,70 0,231 0,835 1,322 0,635
483
Приложение Я
НОМОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА ВИНТОВЫХ ПРУЖИН
Приводимая номограмма составлена для пружин наиболее типичных размеров, применяемых в качестве возвратных пружин, боевых, спусковых и отчасти буферных для автоматического оружия калибров от 6,5 до 13 мм.
Пределы применения номограммы: диаметр проволоки от 0,5 до 3 мм. При составлении номограммы модуль упругости принят G = 8500 кг!мм2, а допускаемые напряжения 85 и 90 кг!мм2, причем регулировка шкал — и d справа относится к первому случаю, а слева — ко второму. В номограмме объединены обе расчетные формулы:
_ nd3 . Gd*
— И n-f 8£)3П •
f
Номограмма имеет четыре шкалы: , D, d и П. Расчет пружины производится единственной установкой линейки на шкалах по двум входным данным.
Пример 1. Пружина размеров d = 1,5 мм и D = 14 мм. Требуется найти предельно допускаемое усилие при = 90 кг!мм2 и определить число витков по заданной длине ее сжатия.
Устанавливая линейку по шкале D на отметку 14 и по шкале d на отметку 1,5 слева, читаем П = 8,3 кг и -^- = 4,4 (по отметке слева).
Следовательно, задаваясь, например, стрелой полного поджатия пружины /= 180 мм, имеем число витков
п = = 41-
4,4
Пример 2. По заданному диаметру пружины D = 20 мм и наибольшему требуемому усилию П = 15 кг найти диаметр проволоки и число витков, если предельное поджатие пружины требуется 200 мм\ = 90 кг/мм2.
Ставим линейку по шкале D на отметку 20 и по шкале П на отметку 15 4и читаем по отметкам слева:
d 2,0 мм,
-^-^6,5,
п ’ 1
т. е.
200 п = = 3! виток.
6,5
Примерз. Пружина имеет 50 витков, d = 2,4 мм. D = 18 мм. При какой стреле поджатия будут достигнуты напряжения т = 85 кг]мм2 и какое при этом разовьет усилие пружина?
Устанавливаем линейку на d = 2,4 по правой шкале и на D — 18 и читаем
П = 24 кг,
— = 4,4, п
откуда / = 50 • 4,4 = 220 мм.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр-
Предисловие . . ..................................................................................................... 3
Введение .............................................................................................................. 5
Часть I
Общие сведения по основаниям устройства материальной части автоматического оружия
§ 1. Основные положения........................................................................... 15
§ 2. Полезная энергия пули. Действие пуль по целям. 18
§ 3. Скорострельность оружия. Значение автоматизации оружия ... 24
§ 4. Меткость стрельбы. Факторы, влияющие на меткость............. 26
§ 5. О весовых данных оружия. ..• . . . • ... . 37
§ 6. Выбор калибра стрелкового оружия................•............................................................... 39
§ 7. О влиянии данных и устройства патрона на конструкцию оружия 59
§ 8. Конкретизация тактико-технических требований к различным видам оружия..................................• . ..................... 67
§ 9. Ручной пулемет, его свойства и требования к нему ....... 78
§ 10. Станковый пулемет, его свойства и требования к нему............................................................. 87
§11. Крупнокалиберный пулемет, его свойства и требования к нему. 93
§ 12. Специальные виды вооружения..................................................................................... 96
§ 13. Особенности устройства автоматических пушек.................................................................... 103
§ 14. Оружие самообороны '........................................................................................... 105
§ 15. Пистолеты-пулеметы................•............................................................................ 111
Часть II
Принципы устройства автоматического оружия и его детали
Отдел I
Принципы устройства автоматического оружия
§ 16. Автоматическое оружие. Краткая история его развития. Особенности конструирования автоматического оружия....................... ИЗ
§ 17. Классификация автоматического оружия........................................................................... 115
§ 18. Механизированное оружие............................• . . . 125
485
Отдел II
Устройство оружейных стволов и их проектирование
§ 19. Назначение ствола и особенности условий его службы в стрелковом оружии........................................................ 129
§ 20. Внутреннее устройство ствола ..................•............ 129
§ 21. Условия работы ствола при выстреле.......................... 138
§ 22. Деформации цилиндрической трубы при действии давления на ее внутреннюю и наружную поверхность.............................. 139
§ 23. Расчет прочности цилиндрической трубы под действием внутреннего давления............................................• . „ . 152
§ 24. Применение теории расчета цилиндрической трубы к расчету орудийных стволов.................................................... 157
§ 25. Графический расчет трубы.................................... 159
§ 26. Скрепленные стволы артиллерийских орудий. Понятие о скреплении. Распределение давлений в стенках скрепленной трубы ... 164
§ 27. Упругое сопротивление скрепленной трубы. Расчет прочности скрепленной трубы................................................. 168
§ 28. Определение величины натяжения при скреплении труб........ 175
§ 29. О наивыгоднейшем соотношении размеров внутреннего и наружного слоя в двухслойной скрепленной трубе....................• . 177
§ 30. Расчет скрепленной двуслойной трубы по третьей теории прочности 178
§ 31. Применение теории скрепленной трубы для расчета скрепленного ствола...................................................... 179
§ 32. Поверка прочности какого-либо сечения сконструированного
скрепленного ствола.................................... 184
§ 33. Графический расчет скрепленной трубы по второй теории прочности 185
§ 34. Понятие об автоскреплении стволов..................... 192
§ 35. Живучесть оружейных стволов. Понятие об их разгаре и износе 195
§ 36. Лейнер. Расчет лейнера по второй теории прочности..... 197
§37. Графический расчет лейнера . . . .'......................... 201
§ 38. Нагрев ствола при стрельбе и его охлаждение........... 203
§ 39. О влиянии вибрации ствола на кучность боя оружия...... 214
§ 40. Крепление ствола в* оружии............................ 217
Отлел III
Устройство механизмов и деталей автоматического оружия
§ 41. Общие замечания об особенностях механизмов в автоматическом оружии ...»................................................ 219
§ 42. Пружины..................................................... 221
§ 43. Затворы автоматического оружия; их связь со ствольными коробками 248
§ 44. Подача патронов....................................• . • . 262
§ 45. Ударные и спусковые механизмы . . •....................‘ . 303
§ 46. Экстракция гильзы........................................... 310
§ 47. Вспомогательные механизмы и приспособления.................. 320
486
Часть III
Движение автоматики различных систем
§ 48. Отдача оружия.............................................. 326
§ 49. Системы с отдачей ствола. Длинный ход ствола .............. 338
§ 50. Движение тела, подверженного действию пружины.............. 346
§ 51. Графический расчет случая прямолинейного движения тела под действием пружины.............................. • . . . ........... 362
§ 52. Более точный способ расчета движения тела под действием пружины с учетом влияния массы самой пружины........................ 365
§ 53. Подбор возвратных пружин................................... 374
§ 54. Движение системы с длинным ходом ствола по инерции и возвратное движение—на примере пулемета системы Шоша................. . 376
§ 55. Влияние веса системы при различных углах возвышения....... 382
§ 56. Пример расчета темпа стрельбы для системы с длинным ходом ствола.......................................•................... 383
§ 57. Общие свойства систем с длинным ходом ствола............... 390
§ 58. Системы с коротким ходом ствола. Особенности системы .... 390
§ 59. Ускорительные механизмы в системах с коротким ходом ствола 397
§ 60. Пружинный ускоритель....................................... 413
§ 61. Пулемет системы Максима. Общие свойства систем с отдачей ствола...............t........................................... 428
§ 62. Автоматическое оружие с выкатом подвижной системы......... 433
§ 63. Системы с отдачей затвора. Затвор свободный................ 436
§ 64. Системы с „полусвободным" затвором. Общие свойства системы с отдачей затвора ............................................... 441
§ 65. Системы с отводом пороховых газов через боковой канал в стволе 445
§ 66. Системы со стволом, движущимся вперед под действием продольной составляющей реакции пули при ее движении в канале ствола 457
§ 67. Сопоставление различных типов автоматики............. . • 458
§ 68. Упрощение метода расчета движения системы.................. 458
§ 69. Применение метода численного интегрирования для расчета движения систем автоматики.....................'...................... 460
§ 70. Некоторые замечания о порядке расчета работы систем автоматики 463
§ 71. Изменение темпа стрельбы................................... 464
§ 72. О некоторых случаях расчета прочности деталей механизмов сравнением с существующими системами....................... 476
§ 73. Порядок работы при проектировании системы автоматики .... 479
Приложение 1..................................................... 483
Приложение 2.................................................... 484
Редактор F. М. Клюев
Техн, редактор И. М. Зудакин
Сдано в набор 26/VI 1940 г. Подписано к печ. 12|1Х 1940 г. Автор, дог. №841. Инд. 5-2. Тираж 4500. Кол. печ. л. ЗОЧа+1 вкл. Уч.-авт. л. 33,16.
Формат бум. 60x927le. А31519. Зак. № 124. Цена 13 р. Пер. 2 р.
Типография Оборонгиза. Киев, Крещатик» 42.
ОПЕЧАТКИ
Стр. | Строка Напечатано Должно быть По чьей вине
141 18 св. d угла -у угла у тип.
251 19 св. поперечный компактный поперечный авт.
398 1 св. коробке коробе авт.
425 12 св. 105,8 х3 + 53 = Юб,8 ред.
А. А. Благонравов, „Основания проектирования автоматического оружия*. Зак. № 124.
f
/ 9,5 -! 1 г9,0
9,0- -8,5
8,5- -8,0
8,0- -7,5
7,5 - -7,0
7,0 н -6,5
6,5- -6,0
6,0- -5,5
5, 5 - -5,0
5,0 - 9,5 - -9,5
-9,0
9,0- -3,5
3,5 - -з,о
3,0- -2,8
2,8- -2,6
2,9- -2,2
2,2- -2,0
2,0- 1,9- 1,8- ~1>9а -1,8 -1,7
1,7 - -1,6
1>6 - -1,5
1,5 - -1,9
Ь9- -1,3
1,3 - -1,2
1,2 - -1,1
!,1 - -1,0
1,о- -09
0,9- -0,8
0,8- -0,7
0,7- -0^
Ъг30 Vs1
Номограмма расчета пружин xd — 85 кг]мм2 и 90 кг]мм2\ G = 8500 кг! мм2', и nd2- £ Qd±
Ы) Zd' П МУР ‘
гонравов—124
25 :
20 -
15 -
/4 -
13 -
12 -
11 -
10 -
9 -
3 -
7 -
6 -
5 -
3>5~-3,S
3)0 ~ ~з,о
100^
90 -
80 -
70 -
60 -
50.-
90 -
2>3 ~2,5
2>о~-2,О
7,7 “
/,5-7,4 -7,5-7,2-
1,1-1,0-
0,9-
0,8-
~1,7
-1,5
-1,9
-1,3 ~ 1,2
'У -1,0
-0,9
0,8
°>7~- 0,7
0,6--0,6
0,5 0,5
Zd*90
Z(T85
30 -
25 -
20 -
15 -
12 -
10 -
98 ~
7 -
6 -
4 -
3-
2-