8.2.3. Исследование условия продольной устойчивости и меры ее обеспечения

Остановимся подробнее на условии (8.1).

Величины и являются переменными для данной системы. Закон изменения силы уже известен и определяется баллистикой оружия. Сила действует лишь в первом периоде отката. Закон изменения силы R также уже известен. Он определяется пружиной амортизатора, углом возвышения и трением на направляющих отката. При отсутствии динамических пар трение по всей длине отката постоянно, сила R линейно возрастает и достигает максимума в конце отката при наименьшем угле возвышения, свойственном данной системе.

Рисунок 8.2.

Плечо h в данной системе зависит от угла возвышения . На рис. 1 видно, что с увеличением плечо h быстро убывает, переходит через нуль и затем меняет свой знак в выражении (8.1).

В последнем, случае момент Rh из опрокидывающего превращается в стабилизирующий.

Найдем зависимость плеча h от угла возвышения . Для простоты будем считать (как это и должно быть в нормальных случаях), что ось качания, ось канала и центр тяжести откатных частей при = 0° лежат на одном уровне Н над точкой С. Тогда, обозначая горизонтальное удаление оси качания К от точки С через L_K, из рис. 8.2 получим:

;

;

;

следовательно,

(8.2)

При различных уровнях оси качания, оси канала и центра тяжести откатных частей при также легко из геометрического построения, подобного рис. 8.2, найти выражение для h. На практике различие уровней обычно настолько мало по сравнению с Н и ,что влиянием этого различия на плечо h можно пренебречь, тем более при малых , характерных для устойчивости.

Рисунок 8.3.

Из выражения (8.2) видно, что при плечо , а при углах склонения, т. е. когда , плечо . Поэтому опрокидывающий момент достигает максимума в конце отката при наибольшем угле склонения. Но если центр тяжести откатных частей лежит ниже оси канала, то опрокидывающий момент имеет два максимума: первый в момент наибольшего давления и второй в конце отката. Из-за больших значений по сравнению с R часто, даже при малом значении е первый максимум будет больше второго. Но в действительности опрокидывающее действие момента довольно значительно уменьшается тем, что этот момент одновременно вызывает упругие деформации станка. Поэтому в виде первого грубого приближения к действительности можно рекомендовать определение первого максимума при начальном значении силы торможения (отдачи) и при среднем значении силы за время движения пули по каналу или даже за все время действия пороховых газов (для легких, упругих станков с амортизатором).

Вслучае необходимости возможно и более точное решение вопроса о максимальном значении опрокидывающего момента при наличии динамической пары. Так, например, известно, что для простой стойки, заделанной нижним концом (рисунок 8.3), коэффициент пропорциональности

,

где: - модуль упругости первого рода;

- экваториальный момент инерции сечения;

- длина стойки.

Плечо при откате уменьшается, так как часть массы системы (откатные части) перемещается назад. Найдем выражение для D через начальное значение плеча , вес откатных частей , перемещение при откате X и угол возвышения . Перед, выстрелом, по теореме о центре тяжести:

где: - вес станка (без веса откатных частей);

- горизонтальное удаление центра тяжести станка от сошника (от точки С);

- то же для центра тяжести откатных частей.

При перемещении откатных частей вдоль оси канала на величину их центр тяжести будет горизонтально удален от сошника на величину . Горизонтальное же удаление общего центра тяжести системы от сошника будет D. Поэтому по той же теореме о центре тяжести:

или

или

(8.3)

Отсюда видно, что стабилизирующий момент веса системы в процессе отката убывает. Но для пулеметных станков практически этим убыванием можно пренебречь. Действительно, на практике не превышает и длина отката не превышает . Тогда в худшем случае при :

т. е. начальное значение момента веса Q_CD₀ к концу отката может максимально убывать всего лишь на . Во многих же случаях это убывание значительно меньше. Поэтому в дальнейшем мы везде в вопросах устойчивости для простоты будем считать плечо постоянным и равным начальному значению . Это будет частично компенсировать неучет при откате упругих деформаций станка и грунта; это тем более допустимо, что при обеспечении устойчивости обычно вводят еще 10% запаса устойчивости на случаи усиленного действия выстрела на систему. В тех же отдельных случаях проектирования пулеметных станков, когда убывание момента веса более значительно, нетрудно по формуле (8.3) учесть это убывание.

Величина представляет вес системы в боевом положении, включая сюда вес магазина с боеприпасами (если он закреплен на системе), вес наводчика (если он сидит на сиденье), частичный вес наводчика (если он упирается в подлокотники станка или лежит на элементах станка), вес щита (если система имеет щит и этот щит не снят) и т. д.

Очевидно, что если даже не учитывать различную наполненность магазина (ленты) боеприпасами или взять среднюю наполненность, то для многих полевых систем вес может довольно сильно меняться у данной системы при ее различном боевом использовании. Например, многие полевые системы используются со стрельбой лежа и сидя. При этом могут быть случаи, когда наводчик не упирается в имеющиеся подлокотники или сидит на грунте, а не на сиденьи. Кстати заметим, что во многих системах при той или иной регулировке ее положения на огневой позиции (регулировка высоты линии огня, выравнивание) может меняться не только вес , но и плечо . Если в системе имеется съемный щит, обычно обладающий порядочным весом по отношению к весу всей системы, то он в ряде случаев оставляется в тылу (например, в условиях встречного маневренного боя).

В процессе проектирования нужно учитывать указанные обстоятельства и ориентировать устойчивость на худшие случаи обычных разновидностей боевого использования системы. При этом на практике может возникать немало трудностей обеспечения устойчивости, которые конструктору необходимо очень внимательно и кропотливо разрешать, используя все возможные меры.

После сделанных предварительных пояснений приведем ряд выводов и мер обеспечения устойчивости, непосредственно вытекающих из выражения (8.1):

,

и применяющихся в практике проектирования стрелкового и артиллерийского вооружения.

1) Величины , , , , , и , от которых зависит продольная устойчивость системы, определяются пулеметом, под который проектируется станок, и тактико-техническими требованиями. Выбор этих величин в известной мере зависит также и от самого конструктора.

Поэтому конструктор должен учитывать влияние каждого параметра на устойчивость, конечно, одновременно учитывая и другие свойства системы.

2. Момент в периоде действия пороховых газов может сильно ухудшать устойчивость системы, делая ее в ряде случаев неустойчивой при определенных углах возвышения. Так, например, если для крупнокалиберного пулемета и его станка: ; ; ; ; и , то стабилизирующий момент , а опрокидывающий момент в периоде действия пороховых газов превышает при , т.е. будет вызывать некоторый прыжок системы; при этом один момент парализует большую часть момента . Поэтому очень важно стремиться к тому, чтобы или, во всяком случае, не превышало единиц миллиметров.

На первый взгляд кажется выгодным для устойчивости делать е отрицательным, т. е. располагать общий центр тяжести откатных частей выше оси канала за счет ряда деталей откатных частей. Однако это невыгодно по ряду других соображений; например, потребуется несколько искусственное расположение ряда деталей откатных частей, возможно ухудшение доступности при обслуживании пулемета, возможна знакопеременность реакций на направляющих и ухудшение кучности стрельбы.

3. Чем меньше значения силы и, в частности, значение ,тем легче и лучше достигается устойчивость системы. Значения же можно уменьшать: путем введения более длинного отката, с помощью дульного тормоза, уменьшающего энергию отдачи, путем увеличения веса откатных частей и применения так называемого «выката» оружия перед каждым выстрелом.

Увеличение веса откатных частей уменьшает энергию отдачи, так как последняя обратно пропорциональна весу откатных частей. Эта мера ограничена общим весом системы, но частично применима, например, за счет перераспределения масс в системе, путем крепления некоторых деталей и элементов не к неподвижным частям системы, а именно к откатным частям, если это равновозможно.

Принцип «выката» в пулеметных станках легко осуществляется применением так называемого «мягкого» амортизатора, он заключается в том, что амортизатор рассчитывается и регулируется так, чтобы вслед за первым выстрелом в очереди все последующие выстрелы происходили раньше, чем успеет завершиться каждый накат. В таком случае в моменты выстрелов с недокатом скорость откатных частей непосредственно перед выстрелами направлена вперед, и потому компенсируется часть энергии отдачи. Остающаяся же часть энергии отдачи будет поглощаться на сокращенной длине отката, т.е. при меньшем значении .

В пулеметных станках возможно и иное осуществление «выката», а именно: для открытия огня заряженный пулемет взводится по направляющим в заднее положение; затем пулемет спускается вперед и при некотором недокате своим спуском натыкается на специальный упор, после чего происходит выстрел, частичная компенсация энергии отдачи и откат назад; при следующем накате пулемет опять своим спуском натыкается на упор, происходит выстрел и т. д. При этом, конечно, время отката-наката должно быть таким, чтобы автоматика успевала сработать; стрельба идет по существу одиночными выстрелами с частотой несколько ниже темпа автоматической стрельбы и равной частоте натыкания спуска пулемета на специальный упор.

Эта вторая разновидность «выката» подобна известному артиллерийскому «выкату» и менее выгодна, чем «выкат» при помощи «мягкого» амортизатора. Последнее обусловлено некоторой потерей в темпе стрельбы, большей сложностью конструкции и меньшим удобством в обращении.

4. С увеличением угла возвышения устойчивость системы быстро возрастает, так как быстро убывает плечо h. Поэтому если система при каких-то углах возвышения (отрицательных или положительных) неустойчива, то, постепенно увеличивая угол возвышения, всегда можно найти такой характерный угол возвышения , при котором система начинает быть устойчивой. Очевидно, при система и подавно будет устойчивой. Чем меньше , тем больше устойчивость.

Этот характерный наименьший угол возвышения , при котором система остается еще устойчивой, называется предельным углом устойчивости системы. Он является весьма удобной характеристикой устойчивости системы.

Нормально должен быть меньше или равен наименьшему углу возвышения , свойственному данной системе. При этом делать намного меньше не следует, так как это приведет к излишнему увеличению веса системы или ее опорной фигуры (фигуры из точек опоры). Так, например, если от системы для стрельбы по наземным целям требуются углы возвышения от —20° и больше, то можно назначить ; в крайнем случае, если такое значение трудно обеспечить, то, имея в виду сравнительную редкость стрельбы при , можно назначить . Если же речь идет, например, о зенитной системе, из которой, как правило, стрельба ведется при углах возвышения , то можно назначить .

При наибольшее значение опрокидывающего момента (при е = 0, в конце отката) становится равным стабилизирующему моменту, т. е.

,

где — сила торможения (отдачи) в конце отката при .

;

отсюда при :

(8.4)

Eсли же для отдельных случаев учесть влияние отката на стабилизирующий момент по выражению (3), то

. (8.4а)

При проектировании на случай усиленного действия выстрела вводят 10%. запаса, устойчивости. Затем после выяснения значений определяют так называемое предельное или допустимое устойчивостью значение силы торможения

. (8.5)

После этого рассчитывают и осуществляют амортизатор отката так, чтобы любые действительные значения силы торможения R не превышали , т. е. чтобы удовлетворялось условие:

.

При этом, если , то можно определять при за период движения пули подканалу или за весь период действия пороховых газов по приближенной формуле, вытекающей из зависимости (1):

. (8.5а)

При расчетах амортизатора отката для руководства и наглядности на диаграмму наносят значение в виде прямой линии, параллельной оси абсцисс (рис. 8.4). Эта линия носит название предельной прямой устойчивости.

Рисунок 8.4.

Для существующих систем, если заранее неизвестно осуществленное при проектировании системы, можно определить численным или опытным путем.

При из формулы (8.4)

Преобразуем левую часть этого равенства по известному тригонометрическому тождеству:

.

Тогда

,

откуда

,

,

и, следовательно,

.

Но так как заранее еще неизвестна величина силы торможения (отдачи) в конце отката при определяемом значении то для первого приближения заменим близкой к ней величиной при .

Тогда окончательно получим приближенную зависимость для численного определения предельного угла устойчивости:

(8.6)

Здесь все величины правой части сравнительно легко определяются непосредственным измерением; определяется по правилу определения центра тяжести, а. можно определять обычным пружинным динамометром.

Если при первом приближенно найденном значении величина сильно отличается от при , например, более чем на 10%, то по величине легко сделать второе приближение, которого обычно будет уже достаточно.

В случаях, когда , приближенное значение можно определять по формуле (6), но при замене на и — на начальное значение при .

Опытным путем легко определяется одиночными выстрелами или короткими очередями при постепенном изменении углов возвышения. Значением будет тот угол возвышения, при котором появляется или прекращается неустойчивость системы. Последнее же обнаруживается по поведению передних опорных точек на ощупь, на глаз или специальной записью при помощи карандашей или перьев, прикрепляемых к передним опорным точкам.

В случаях, когда , опытное определение дает более точные результаты, чем указанное численное определение по , при котором могут быть сравнительно большие ошибки в соответствии с разнообразием жесткостей полевых станков.

5. Формулы (8.1) и (8.6) показывают, что чем меньше и, следовательно, чем меньше высота линии огня, тем система: устойчивее. Поэтому в полевых системах стремятся к высоте , возможно наименьшей в условиях боевого применения.

В этом отношении у станков со стрельбой лежа легче обеспечить устойчивость, чем у станков со стрельбой сидя и, особенно со стрельбой стоя. У последних, как правило, получается недостаточная устойчивость при стрельбе под малыми углами возвышения.

В связи со значением для устойчивости высоты напомним о полезном принципе конструкции прицельных приспособлений с вынесением линии визирования вверх. Этот принцип встречается в некоторых зенитных станках, где он позволяет снижать высоту линии огня, сохраняя достаточные удобства наводки.

6. Увеличение веса системы для увеличения устойчивости в полевых станках ограничено требованием маневренности. На практике широко применяется увеличение веса системы лишь в боевом положении, что не ухудшает маневренности системы. Это достигается, например, посадкой наводчика на сиденье, упором в подлокотники, применением плечевого упора, наплечников, нагрузкой системы патронными коробками или магазинами и т. п.

Применение в конструкции принципа быстрой разборности системы на несколько агрегатов в ряде случаев позволяет иметь достаточный вес для устойчивости при удовлетворительной маневренности. Так, например, с этой целью в полевых системах широко применяется принцип быстрого снятия и постановки пулемета на станок; это позволяет в боевых условиях (для увеличения маневренности) транспортировать пулемет и станок: раздельно. Быстрота снятия и постановки пулемета достигается уменьшением числа и продолжительности операций, автоматизацией части операций при помощи специальных защелок, стопоров и т.п.

7. Устойчивость системы тем больше, чем больше горизонтальное удаление центра тяжести системы от сошника. Но тактико-технические требования ограничивают продольные габариты системы, что в свою очередь ограничивает и величину . Помимо возможного увеличения в пределах тактико-технических требований на практике широко применяется принцип увеличения в боевом положении. Это достигается, как известно, применением телескопических ног и ног с откидными (шарнирно-поворотными) частями. Кроме того, увеличение без увеличения продольных габаритов станка достигается и такой схемой станка, когда центр тяжести вращающейся части системы лежит не около оси вращения, а смещается от нее вперед к дульной части оружия. Такой принцип широко применяется, например, в современных полевых зенитных артиллерийских системах, в ряде французских зенитных систем под крупнокалиберные пулеметы. Такой принцип одновременно позволяет уменьшать и. высоту , что, как уже выяснено, также увеличивает устойчивость системы. Некоторым недостатком этого принципа является необходимость применения уравновешивающего механизма, что несколько усложняет систему, хотя обычно оправдывается положительными результатами.

Рис. 8.5 схематично поясняет сущность такого принципа. На рисунке показано смещение вперед лишь качающейся части. Конечно, на практике одновременно стремятся сместить вперед и ряд других элементов вращающейся части.

8. Из выражений (8.2) видно, что чем больше горизонтальное удаление оси качания от сошника, тем выгоднее для устойчивости при углах возвышения . Практическое значение эта мера имеет в особенности в зенитных станках. В них неучет этого обстоятельства и необходимость обеспечения больших углов возвышения часто на практике приводит к недопустимому уменьшению , к увеличению или к затруднению в достижении устойчивости.

Рисунок 8.5.

Предыдущий принцип вынесения качающейся части вперед (рис. 8.5) одновременно облегчает обеспечение больших углов возвышения в зенитном станке без чрезмерного уменьшения или увеличения продольных габаритов. Кроме того, полезным для увеличения является принцип применения двойной качающейся части при помощи «качалки», как это схематически показано на рис. 8.6. Этот принцип применяется в ряде зенитных и универсальных полевых станков. Он одновременно увеличивает , и уменьшает при малых углах возвышения, когда особенно трудно достигается устойчивость системы. Конечно, указанный прием также несколько усложняет систему.

Таким образом, для обеспечения устойчивости имеется ряд способов и средств. При проектировании нужно их сочетать таким образом, чтобы прийти к наиболее простым и удобным решениям вопроса устойчивости.

Рисунок 8.6. 1—ось качания пулемета, 2—качалка качания качалки, 3 – ось качания качалки.