Затворы автоматического оружия и ствольные коробки. Расчет затвора оружия
Затворы автоматического оружия и ствольные коробки. Расчет затвора оружия
Затворы автоматического оружия и ствольные коробки
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 площадь дна гильзы.
Если 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.
Затворы автоматического оружия и ствольные коробки
Рассмотрим происходящее в этом случае явление, сделав некоторые допущения для упрощения задачи.
Пусть величина зазора - давление газов внутри гильзы Р. Предполагаем гильзу цилиндрической и толщину ее стенок одинаковой по всей длине и равной Площадь дна гильзы -. Давление между стенками гильзы и патронником—Р (черт. 35).
Выделяя кольцевой элемент гильзы длиной dl, получим действующую на его поверхности величину силы трения: В сечении, отстоящем на длине l от казенного среза, усилия 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
абсолютное удлинение
полное удлинение гильзы
Если же удлинение достигнет некоторой величины, 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 ).
Поперечный разрыв гильзы произойдет при наличии условий: 1) сила трения больше разрывной нагрузки, т.е.
2) давление газов на дно гильзы также более сопротивления гильзы разрыву
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 посередине гильзы; кроме того при гильзе, имеющей скат, напряжения в стенках гильзы увеличиваются на величину, где s1 - 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 это сцепление, как указано на черт. 36.
Если расстояние от переднего среза затвора до опорных поверхностей а, то вся впереди лежащая часть затвора длиной а будет испытывать упругую деформацию при выстреле. Применительно 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, -площадь кольцевого сечения гильзы у дна и s1 - площадь поперечного сечения передней части затвора, то увеличение зазора определится решением уравнений:
где Eл - модуль упругости металла гильзы, Ес - 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 плоскости. Но в целях удобной и простой конструкции затвора часто приходится сцепление делать позади затвора: например пулемет Бриксиа. Правда, в этой системе влияние указанного обстоятельства сильно смягчено большими размерами площади поперечного сечения затвора s1; также 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 основной указанной 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 капсюля, наконец извлекать из патронника стреляную гильзу или патрон - при разряжании с помощью выбрасывающего механизма. ( Ударные механизмы в целом иногда сохранили название "замка".
Во избежание неясностей разграничим термины: 1) затвор - механизм, в целом предназначенный для запирания ствола при выстреле 2) замок - совокупность деталей, назначенных для производства выстрела, 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). )
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/см2 и выше (3500), то получим необходимую величину поверхности, из которой придется исходить, определяя основные размеры затвора.
Эта цифра в среднем принадлежит существующим конструкциям: пулемет Дегтярева - 2500 кг/см2, пулемет ZB26 - 2900 кг/см2, пулемет Шоша - 2500 кг/см2, пулемет SIA - около 3000 кг/см2.
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 упомянутого расчета, пришлось бы делать значительно большим. Желая 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). Нужно отметить, что каких-либо норм в отношении допускаемых напряжений не существует, и в случае надобности подобного подсчета 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. 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: 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. 37), поясняет это обстоятельство: при истирании изнашивается не только подвижной 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, наиболее сопротивляющиеся истиранию, и давать им соответствующую термическую обработку. Запирание затвора может быть симметричным (двусторонним) 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 важным обстоятельством является достаточная поверхность соприкосновения затвора (досылателя) с дном гильзы, чтобы получить надежность досылки. Чем большая часть дна гильзы захватывается затвором, тем удачнее в этом отношении сконструирован затвор (черт. 38).
По конструкции и способу запирания затворы делятся на:
I. Скользящие затворы. 1) Затворы с клиновым запиранием (пулемет Браунинга, пулемет Бергмана - черт. 39); 2) запирание путем перекоса затвора (пулемет Кольта, ZB26 (черт. 40), Шательро, Виккерс-Бертье (черт. 41);
3) сцепление затвора со стволом подвижными защелками: а) защелки, качающиеся в вертикальной плоскости (сцепные шеки в автомате Федорова); б) защелки, качающиеся в горизонтальной плоскости (боевые упоры в системах: Дегтярева, Кьельмана, Маузера); 4) сцепление- затвора со стволом путем подпирания затвора рычагом (системы Манлихера (черт. 42), пулемет Дрейзе);
5) затворы кранового типа (пулемет Гаста (черт. 43), пушка Шнейдера);
В пулемете Гаста, при движении ствола назад, защелки (2), встречая поверхностью выреза (7) упоры (8), поворачиваются в направлении стрелки и позволяют боевым выступам (4) проходить в пазы (3), чем достигается отпирание затвора. В запертом положении боевой выступ поверхностью (6) опирается иа цилиндрическую поверхность защелки.
6) сцепление шарнирно-рычажное (по схеме кривошипного механизма (пулеметы Максима, Фуррер); 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. Инерционные затворы (не сцепленные со стволом).
Пример предварительного расчета затвора при проектировании
Выберем конструкцию затвора для проектируемой системы, например по типу Виккерса-Бертье (черт. 41). Пусть наибольшее давление пороховых газов 3000 кг/см2; площадь дна гильзы 0,9 см2. Затвор рассчитывается на наибольшее возможное усилие; таковое следует принять в предположении, что гильза не участвует в сопротивлении давлению (например 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
где R допускаемое напряжение. Если затвор проектируется для пулемета, то примем R%00 кг/см; имеем s = l,08 см2.
Однако эту площадь можно получить различными вариантами конструкции затвора; задаваясь шириной опорной поверхности затвора, на пример а % мм, получим необходимую высоту ее
при а = 30 мм и h = 3,6 мм.
Эти два варианта отличаются друг от друга тем, что в первом придется производить опускание затвора для его расцепления больше на 0,7 мм, а главное тем, что они приводят к различным 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 a>Ў, если a1 угол, образуемый радиусом вращения точки, расположенной в верхней части опорной поверхности затвора (черт. 44) с горизонтальной плоскостью.
С другой стороны, угол a не должен быть больше угла трения, в противном случае получим самооткрывающийся при выстреле затвор. Таким образом получаем пределы для a.
Если эти пределы несовместимы (a1—больше угла трения), то для уменьшения a1 нужно будет удлинять размеры затвора. Это мероприятие не всегда выгодно, приводя к утяжелению системы.
Кроме того угол трения - переменная величина, так как зависит от смазки, качества обработки поверхностен и пр., почему расчеты должны проводиться с известным обеспечением.
Поэтому удачнее будет конструкция, в которой затвор подпирается еще снизу выступом рамы b (как это например сделано в пулемете ZB26), а не удерживается только трением на опорной поверхности. Останавливаясь на таком варианте. мы уже не связаны огоаничением угла a в большую сторону и можем получить легко открывающийся затвор, на открывание которого не придется расходовать значительную энергию рамы. Из этих соображений выбираем угол a.
Учтем теперь поправки, которые можно внести в размеры затвора в зависимости от угла a.
Представим схему работы затвора, как показано на черт. 45. 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)
Величина опорной поверхности
Высота опускания затвора при расцеплении h связана с высотой наклонной опорной поверхности h1 и
Если b—ширина опорной поверхности, то-
при малых значениях а можно пренебречь величиной f sin a, тогда
что отвечает произведенному выше расчету, но обеспечивает уже несколько больший запас прочности.
При достаточно больших значениях a следует поверить на смятие поверхности выступа рамы по силе F. Для последней можно взять или вышеприведенное выражение или же по известной формуле наклонной плоскости:
где угол трения.
Пусть и нашем случае получено: a, причем f=0,1 или #=5°45': 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 несамооткрывающийся - 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 L1, на которой происходит отпирание затвора; в целях уменьшения длины ствольной коробки, L1, надо сделать возможно малой, но при этом надо помнить, что с ее уменьшением мы будем увеличивать угол наклона скоса отпирания затвора #. 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.
Ствольная коробка
Затвор помещается обычно в ствольной коробке, внутри которой и совершает свое движение; сцепление затвора со стволом осуществляется, таким образом, через ствольную коробку. В некоторых системах ствольная коробка видоизменена и получила иное название (рама - в пулемете Максима, рамки - в автоматических пистолетах), тем не менее функции ствольной коробки—сцеплять ствол с затвором и обеспечивать движение последнего при помощи соответствующих направляющих (пазов)—остаются, независимо от того, какой вид ствольная коробка принимает.
Основными элементами ствольной коробки являются: 1) опорные поверхности для затвора, Называемые иногда "плечами отдачи".
размеры которых рассчитываются аналогично опорным поверхностям затвора (вид опорных поверхностей может видоизменяться в зависимости от устройства сцепления с затвором, в частности это могут быть гнезда для цапф (Федоров), отверстия для оси (Максим, Дрейзе), поверхность специальных пазов и пр.);
2) отверстия (окна) для ввода патрона при подаче и удаления его при разряжании (последнее окно служит и для удаления стреляной гильзы); в случае видоизменения ствольной коробки, как в пулемете Максима - в виде рамы, эти отверстия получаются сами собой, как промежутки между станинами рамы;
3) направляющие для движения затворов.
Ствольная коробка должна быть поверена на прочность при выстреле. Опасными сечениями будут обычно сечения в месте расположения опорных поверхностей или же впереди них в месте, ослабленном окнами. Стенки коробки работают на растяжение при выстреле. Расчетное усилие определяется в зависимости от устройства системы. В случае подвижного ствола коробка, будучи скрепленной со стволом, подвергается действию сил:
а) давления пороховых газов на ствол, направленному вперед и определяемому как произведение наибольшего давления (Рmax) пороховых газов на величину площади проекции патронника на плоскость, перпендикулярную к оси ствола (s1-s), где s1 сечение патронника по казенному срезу и s - площадь поперечного сечения канала;
б) продольной составляющей трения пули при движении ее по нарезам, вычисляемой по формуле, приведенной ранее;
в) инерции ствола и частей коробки, лежащих впереди опасного сечения; обозначая вес ствола и этих частей коробки Q1, имеем для этой силы величину
Последняя сила может быть вычислена для момента развития наибольшего давления пороховых газов: если Q—вес всех движущихся частей, то из уравнения движения
где # R - сопротивление движению, легко определить хt; пренебрегая величиной # R по сравнению с Рmax *s получим
Сила инерции ствола (наибольшая ее величина) выразится тогда
все расчетное усилие:
где R—осевая составляющая трения пули или
На это же усилие должна быть проверена прочность соединения ствола со ствольной коробкой (винтовая резьба, клин и др.). В случае ствола неподвижного расчетное усилие на растяжение коробки и для расчета соединения ствола с коробкой определяется в зависимости от способа крепления оружия на станке, установке (или прикрепления к ложе).
Если ствол закреплен в какой-либо установке впереди рассчитываемого сечения коробки, то действующую силу можно считать:
если же с установкой (станком) связана сама коробка сзади рассчитываемого сечения (как это чаще бывает), то, очевидно, действующее усилие на растяжение коробки и на соединение коробки со стволом будет:
т.е. такое же, как в случае подвижного ствола, за исключением соответствующих сил инерции. Осевая составляющая -силы трения пули для калибров 6—8 мм, по экспериментальным данным, может быть взята от 60 до 150 кг в зависимости от типа пули, зазора между стенками канала и пулей и пр. Для расчета следует брать большую величину R. По приведенным же формулам рассчитывается и соединение ствола со ствольной коробкой.
Издание Артиллерийской Академии РККА им. Дзержинского
Эта цифра в среднем принадлежит существующим конструкциям:
С другой стороны, угол a не должен быть больше угла трения, в противном случае получим самооткрывающийся при выстреле затвор. Таким образом получаем пределы для a.
и 
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.
