3.3.1. Накатники

Основным назначением накатника является удержание откатных частей в исходном положении и надежное возвращение их в это положение при всех углах возвышения, как при неподвиж­ном орудии, так и при его движении.

Во время отката накатник поглощает часть кинетической энер­гии откатных частей, накапливая для производства наката потенци­альную энергию.

Основными характеристиками накатника являются начальное усилие накатника П₀ и степень сжатия упругого тела в накатнике m. Для надежного действия накатника его начальное усилие выбирается так, чтобы накатник обеспечивал доведение ствола в исходное поло­жение при всех возможных углах возвышения орудия. На рис. 3.13 показана схема действия сил на откатные части при накате при максимальном угле возвышения . Там же введены следующие обозначения: М₀ - масса откатных частей; f—коэффициент трения на направляющих люльки; R_д - дополнительные силы сопротивле­ния, зависящие от трения в уплотнениях противооткатных устройств, а также от наличия дополнительных механизмов, например, меха­низмов заряжания.

При выборе начального усилия накатника не принимается во внимание инерционное движение накатывающихся частей. Полагают, что могут быть случаи, когда в конце наката может возникнуть препятствие движению; после устранения препятствия накатник должен дожать накатывающиеся части в исходное положение.

Исходя из схемы действия сил, начальное усилие накатника оп­ределяется по формуле:

(3.13)

Коэффициент трения f ре­комендуется принимать рав­ным 0,16 - для плоских направ­ляющих и 0,20 - для цилинд­рических направляющих. Ве­личину Яд можно определить по формуле:

R_д= (3.14)

Где d- калибр ствола в см.

3.13. Схема действия сил на откатные части

Рис. 3.14. Диаграмма требуемых усилий

Для оценочных расчетов иногда принимают:

П₀= . (3.15)

Величина зависит от максимального угла возвышения орудия :

о = 0,9... 1,1, если = 20...30°;

о = 1,1... 1,4, если = 30...45°;

о = 1,1... 1,4, если = 30...45°;

о = 1,5... 2,0, если = 45...85°.

Если определение величи­ны П0 вести при угле = 0, то получим П′₀ <П₀. Потребная от на­катника энергия для возвращения откатных частей в переднее по­ложение в этом случае равна площади фигуры ОП'₀П . Именно для ее поглощения необхо­дим тормоз наката. Уменьшить избыточную энергию можно за счет применения пневматического накатника, что будет показано ниже, или за счет уменьшения степени сжатия накатника:

(3.16)

Выбор степени сжатия накатника зависит от его конструктив­ных особенностей. В существующих орудиях степень сжатия встре­чается в пределах от 1,4 до 4,4.

В зависимости от используемого упругого тела накатники могут быть следующих типов.

Пружинные накатники. Как правило, в накатниках при­меняют винтовые цилиндрические пружины. Рассмотрим несколько вариантов их использования.

На рис. 3.15 изображена схема пружинного накатника с распо­ложением пружины на стволе.

Рис. 3.15. Пружинный накатник

Во время отката пружина / сжимается между дном неподвиж­ной люльки 3 и кольцом 4, закрепленным на стволе 2. При накате пружина разжимается и возвращает ствол в исходное положение. Пружина / может состоять из двух пружин меньшей длины. В этом случае между пружинами ставится разделительная втулка 5, а пружи­ны целесообразно делать с левой и правой навивкой, что уменьшает крутящий момент на опорных концах пружин, возникающий при их сжатии. Разделительная втулка является одновременно направ­ляющей для пружин.

Преимуществом схемы с расположением пружин на стволе яв­ляется ее простота и компактность. Недостаток - относительно боль­шие габариты пружины, зависящие от наружного диаметра ствола, что увеличивает массу орудия.

На рис. 3.16, а приведены схемы пружинных накатников, рас­положенных эксцентрично относительно оси канала ствола. Пру­жина 1, размещенная на цилиндре 2 тормоза отката, во время отката сжимается между буртиком 4 цилиндра 2, соединенного с бородой 5 казенника, и дном неподвижной люльки 3. При накате пружина разжимается, давит на буртик цилиндра, который увлекает казенник и всю накатывающуюся часть вперед.

Схема на рис. 3.16, б отличается телескопическим расположе­нием пружин друг относительно друга и введением подвижного цилиндра 6. При откате шток 7 давит своей головкой на внутреннюю пружину накатника. Из-за

действия сжимающейся ней пружины подвижный ци­линдр отходит назад и сжимает наружную пружину накатника между дном неподвижной люль­ки и фланцем подвижного ци­линдра. Обе пружины работают одновременно, что уменьшает общую жесткость накатника. По­следовательное их соединение

по­зволяет получить относительно большую длину отката при сокра­щенной

Рис. 3.16. Пружинные накатники, экс­центричные относительно ствола

длине накатника; поперечные размеры при этом будут больше, чем при расположении пружин в одну колонку.

На рис. 3.16, в показано иное расположение пружин.

4 6 7 5

Рис. 3.17. Пружинный накатник двустороннего действия

В этом случае они работают параллельно, общая жесткость накатника будет равна сумме жесткостей обеих пружин. Достоинством такого типа на­катника будет возможность разместить достаточно большое количе­ство упругого тела накатника (стали) в малом объеме, не прибегая к введению одной пружины с большим сечением проволоки.

Как следует из диаграммы усилий пружины накатника (см. рис. 3.14), избыточная энергия в пружинном накатнике будет большей, чем в других вариантах накатника. В некоторых малока­либерных автоматических пушках для обеспечения надежности при­хода ствола в переднее положение допускается удар его о люльку. Для смягчения такого удара можно использовать пружинный накат­ник, схема которого показана на рис. 3.17.

При откате пружина 1 сжимается головкой штока 2 через шай­бу 3, при этом шайба 4 упирается в корпус 5, а соединенное штиф­том кольцо 6 перемещает сальник 7. После отката пружина 7 воз­действует на шайбу 3 и шток 2, происходит накат. В конце наката набравшие скорость накатывающиеся части через шток 2 и шайбу 4 сжимают пружину накатника, которая после сжатия снова толкает ствол со штоком назад. Для гашения такого колебательного движе­ния откатных частей сальник 7 выполнен из материала, имеющего высокий коэффициент трения. При эксплуатации подобного накат­ника необходимо предусматривать меры, не допускающие попада­ния смазки на сальник.

Формы сечения проволоки, из которой изготавливаются пружины, показаны на рис. 3.18.

Соотношение сторон в пру­жинах с прямоугольным сече­нием витков обычно прини­мается следующим: а < b < 4а. Для уменьшения чрезмерных пластических деформаций при изготовлении пружин рекомендуется принимать средний радиус витка больше b, а для получения прямоугольного сечения применяется проволока трапецеидального сечения.

Рис.3.18. Формы сечения пружины накатника

которое в результате остаточных деформаций при навивке становится

прямоугольным.

Пружины подвергаются при изготовлении термической обра­ботке, испытаниям на специальных стендах и заневоливанию (про­должительной выдержке в предельно сжатом состоянии).

В зависимости от диаметра используемой для навивки пружин проволоки допускаемое напряжение кручения в накатниках при­нимается для пружин прямоугольного сечения до 1400 мН/м², а для круглого сечения - 800 мН/м². Как видно, выигрыш в массе будет выше для пружин прямоугольного сечения, зато использование круглого сечения проволоки проще в производстве. Следует заме­тить, что для пружинных накатников вполне допустимо применять завышенные допускаемые напряжения по сравнению с общим машиностроением (например, автомобильным). Такой подход по­зволяет получить выигрыш в массе, но не обеспечивает высокой долговечности пружин. Однако для артиллерийских орудий и не­обязательно добиваться долговечности пружин, измеряемой мил­лионами циклов сжатия, ибо срок работы даже малокалиберной артиллерии гораздо ниже.

Преимуществами пружинных накатников являются простота их устройства и обслуживания, практическая независимость от внеш­них условий эксплуатации. К недостаткам относятся большие мас­сы и размеры накатников, а также их значительная избыточная энергия. В связи с этим в настоящее время пружинные накатники применяются, в основном, в стрелковом оружии и в малокалибер­ной автоматической артиллерии.

Пневматические и гидропневматические на­катники. В качестве упругого тела в пневматических накатниках используется сжатый воздух или сжатый азот. Различают пневма­тические и гидропневматические накатники.

Пневматическими накатниками называются такие, которые или совсем не снабжаются жидкостью, или содержат небольшое ее ко­личество только для смачивания уплотнений, примеры таких на­катников приведены на рис. 3.19.

В схеме 3.19, а используется так называемый нормально вы­двинутый шток 1, являющийся частью откатных частей орудия. При откате он входит в цилиндр 2, скрепленный с неподвижной люлькой, и сжимает находящийся там газ. Поршень 3 мультипли­катора давит на жидкость, поддерживая в ней давление большее, чем в цилиндре 2, что позволяет удерживать газ в цилиндре. Аналогично работает мультипликатор в схеме 3.19, 6.

Рис. 3.19. Пневматические накатники

В схеме 3.19, в давление газа удерживается кольцевыми уплотнениями. Накатник в этом случае будет компактнее, но сила трения будет больше. Давление газа в накатнике возрастает по политропическому закону от величины, обеспечивающей начальное усилие накатника 770, до максимальной в конце отката. Газ в процессе сжатия разогревается, так как его возросшая внутренняя энергия не успевает рассеяться из-за скоротечности отката. После окончания отката сжатый газ да­вит на шток (иногда его называют плунжером), а через него - на откатные части, и возвращает их в исходное до выстрела положе­ние. Давление газа при этом уменьшается также по политропиче­скому закону, газ охлаждается. Однако часть энергии все же теря­ется на нагревание деталей накатника, поэтому прямая и обратная политропические зависимости в принципе не совпадают.

Состояние газа в накатнике подчиняется общему уравнению га­зового состояния:

pW = RT, (3.17)

где W'- объем, занятый газом;

Т - температура газа, °К;

R - газовая постоянная для количества газа в накатнике.

Учитывая, что объем, занимаемый газом, уменьшается по закону:

W = W₀ –A_нx, (3.18)

где wq - начальный объем газа в накатнике;

Ан - рабочая площадь элемента накатника (плунжера, поршня), которой этот элемент воздействует на газ;

х - путь отката (точнее, путь движения указанного выше элемента), а объем и давление газа связаны также уравнением политропы:

pW^K = p₀W₀^K = const, (3.19)

пневматического накатника Графически изменение давле­ния представлено на рис. 3.20.

Вогнутость кривой П₀П на рис. 3.20 свидетельствует о том, что при прочих равных с пружинными накатниками данных избыточ­ная энергия пневматического (и гидропневматического также) на­катника будет меньше.

Показатель политропы к зависит от условий теплообмена меж­ду газом в накатнике, жидкостью и стенками цилиндров. При пол­ном отсутствии теплообмена в условиях реально существующих накатников он равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме, то есть к = 1,41. Если бы суще­ствовал идеальный обмен теплом между всеми элементами накат­ника (изотермический процесс), то к = 1. Исходя из этих предпосы­лок, для расчета пневматических накатников можно рекомендовать следующие значения показателей политропы:

к- 1,1... 1,2 - для гидропневматических накатников с непосредст­венным соприкосновением жидкости и газа;

к = 1,25... 1,30 - для чисто пневматических и для гидропневма­тических накатников при наличии плавающего поршня.

Меньшие значения к относятся к орудиям более крупных ка­либров, с длинным продолжительным откатом; большие - к оруди­ям меньших калибров с корот­ким и быстрым откатом. Следует также отметить, что показатель политропы к при накате несколь­ко больше, чем при откате, хотя в большинстве случаев при расче­тах его принимают постоянным.

Возможные схемы гидропнев­матических накатников показаны на рис.3.21. и рис. 3.22.

Рис. 3.21. Гидропневматический накатник: I - шток с поршнем; 2 - рабочий цилиндр; 3 – воздушный цилиндр

Накатники, выполненные по схемам рис. 3.22, компактнее. Эксцентричность цилиндров (рис. 3.22, а) позволяет уменьшить внутренний диаметр воздушного цилиндра при сохранении площади поперечного сечения газа и его объема. По­скольку накатники обычно располагают над стволом, то эксцен­тричное расположение цилиндров уменьшает момент силы накат­ника, действующий на откатные части.

Особенностью схемы, показанной на рис. 3.22, а, является то, что компоновка ее на орудии возможна только в случае отката штока. Если же допустить откат цилиндров при неподвижном штоке, то при больших углах возвышения канал для перехода жидкости из рабочего цилиндра в

Рис. 3.22. Гидропневматические накатники с охватывающими цилиндрами:

1 - воздушный цилиндр; 2 - рабочий цилиндр; 3 - шток; 4 - поршень; 5 – промежуточный цилиндр; а, б - каналы для перетекания жидкости

воздушный при откате окажется вверху, что приведет к попаданию воздуха в рабочий цилиндр. Это приведет к возможной утечке воздуха, а также к прерывистому откату. С це­лью устранения подобных явлений при компоновке противоот­катных устройств с откатом цилиндров накатника обычно вво­дится дополнительный промежуточный цилиндр, как показано на рис. 3.22, б.

При откате перетекание жидкости из рабочего цилиндра накат­ника в воздушный происходит со значительной скоростью, в ре­зультате чего в воздушном цилиндре возникает густая пена -эмульсия. Попадание ее в рабочий цилиндр при накате крайне не­желательно, поэтому вместо схем, показанных на рис. 3.21 и 3.22, часто применяют схемы, показанные на рис. 3.23, содержащие пла­вающий поршень, отделяющий газ от жидкости.

Рис. 3.23. Гидропневматические накатники с плавающим поршнем: 1-воздушный цилиндр; 2 - шток с поршнем; 4- рабочий цилиндр; 3- плава-ющий поршень; 4 - воздушный

В этих схемах газ не переме­шивается с жидкостью, эмульсия не образуется, но конструкция получается более сложной. При расчетах необходимо учесть до­полнительные энергетические за­траты на перемещение плаваю­щего поршня.

В канале А можно установить клапан для торможения отката. Если сделать два канала, то во втором можно разместить клапан для торможения наката. Подоб­ные конструкции реализованы в 100-мм зенитной пушке КС-19.

Канал А можно использовать для регулировки скорости наката в зависимости от угла возвыше­ния. Схема такого накатника в варианте с отсутствием плавающего поршня показана на рис. 3.24 (85-мм зенитная пушка КС-1).

В таком накатнике при откате жидкость давит на клапан 4, ото­двигает его и проходит в воздушный цилиндр 3 по каналу (окну) а, сжимая газ. При накате под дей­ствием пружины 5 клапан закрыва­ется (могут быть варианты с не­большими отверстиями в клапа­не), жидкость поступает в рабо­чий цилиндр 2 по каналу б. Пло­щадь проходного отверстия в ка­нале б регулируется краном 6, по­ворачивающимся в зависимости от изменения угла возвышения рычагом 7. Увеличение площади при больших углах возвышения

Рис. 3.24. Схема регулировки скорости наката: 1 - шток накатника: 2 - рабочий цилиндр; 3 - воздушный цилиндр: 4 - клапан; 5 - пружина клапана; 6 - кран; 7 - рычаг; а - канал для перетекания жидкости при откате; б- канал

Но поскольку для перетекания жидкости при накате углах возвышения увеличивается и составляющая силы тяжести откатных частей, то скорость остается постоянной при всех углах возвышения.

Применение пневматических и гидропневматических накатни­ков дает ряд преимуществ по сравнению с пружинными, значи­тельно снижаются габариты и масса конструкции. Необходимое начальное усилие накатника можно обеспечивать, задавая требуе­мое начальное давление. Обычно р_о = 2,5...7,5 МПа. Величину дав­ления принимают с учетом эксплуатационных возможностей ору­дия. В танковых, самоходных и других орудиях, располагающих в комплекте компрессором, начальное давление можно назначать большим. В Приложении (табл. П. 3) приведены некоторые харак­теристики накатников ряда артиллерийских орудий.

В то же время пневматические и гидропневматические накат­ники имеют ряд недостатков:

зависимость работы накатников от наружной температуры; изменяется давление внутри накатника;

усложнение конструкции из-за наличия уплотнительных уст­ройств;

необходимость защиты цилиндров от повреждения пулями и осколками.

Газовые накатники. В малокалиберных пушках, чаще всего в автоматических, применяются накатники, использующие в качестве рабочего тела пороховые газы при выстреле. На рис. 3.25 показан накатник автоматической пушки НР-30.

При выстреле пороховые газы из ствола через несколько кана­лов, расположенных симметрично и в шахматном порядке, посту­пают в полость накатника, образуемую его корпусом 2, поршнем 1, поршневой втулкой 3 и стволом 4. В процессе отката ствола относительного корпуса накатника и

Рис. 3.25. Газовый тормоз-накатник

соединенного с ним поршня (при­мерно в конце периода после действия) каналы а перекрываются поршнем.

Образовавшийся замкнутый объем с давлением пороховых газов порядка 1...2 МПа как раз и представляет собой накатник. При дальнейшем движении ствола его упорное кольцо давит на поршне­вую втулку, давление газа в накатнике возрастает. Площадь и число каналов, площадь поршня и начальный объем рабочей полости вы­бираются таким образом, чтобы обеспечить торможение ствола при заданной длине его отката. После отката сжатые пороховые газы возвращают ствол в исходное положение, в конце наката через открывшиеся каналы пороховые газы вытекают в канал ствола.

Газовые накатники компактны, удобно вписываются в общую конструкцию автоматического оружия. К их недостаткам следует отнести необходимость устройств, фиксирующих ствол в крайнем переднем положении, и обязательность периодической чистки пружинных колец и поверхности ствола.

Гидравлические накатники. В качестве рабочего тела в накатниках можно использовать жидкость. Однако для использо­вания ее упругих свойств необходимо создавать весьма значитель­ные давления (в несколько десятков МПа). С этой целью можно рекомендовать конструктивную схему, показанную на рис. 3.26.