10. Расчет и проектирование стволов спв

Известно, что ствольный узел является основным узлом СПВ, обеспечивающим высокоскоростное стабилизированное движение пуль или снарядов (сн) к цели. Он является резервуаром, в котором сгорает пороховой заряд. Давление образующихся при горении пороховых газов используется для сообщения пуле (сн) поступательного движения с определенной скоростью в определенном направлении. Ствол выполняет также функцию сообщения пуле (сн) вращательного движения вокруг ее продольной оси, необходимого для обеспечения устойчивого полета за пределами ствола.

Высокое давление пороховых газов используется кроме того для автоматизации процесса перезаряжания оружия и ствол, таким образом, является в автоматическом оружии основным элементом двигателя автоматики.

Как часть оружия ствол работает в особых условиях. Его внутренняя поверхность подвергается непосредственному воздействию порохового газа, обладающего высоким давлением и высокой температурой, а также трения ведущих элементов пуль (сн) при их движении в канале. Эти обстоятельства с неизбежностью приводят к интенсивному нагреву ствола при автоматической стрельбе.

Интенсивный нагрев конструктивных элементов ствольного узла существенно снижает функциональную надежность как самого узла, так и всего оружия, вызывая падение дальности, кучности и меткости стрельбы, ухудшая условия работы автоматики, эксплуатации оружия.

Именно поэтому разработчикам современного СПВ приходится решать наряду с другими вопросами важнейшие проблемы обеспечения термостойкости, прочности и живучести ствольного узла.

10.1. Прочность стволов спв

Стволы СПВ при стрельбе находятся под действием системы сил, вызывающих сложное напряженно-деформированное состояние материалов их конструктивных элементов.

При выстреле давление пороховых газов выталкивает снаряд из ствола. При этом давление в стволе сначала быстро возрастает, достигая величины р_m~(3500 … 4000)10⁵ Па. По мере дальнейшего продвижения снаряда давление пороховых газов из-за увеличения объема заснарядного пространства падает до дульного значения р_д~500^.10⁵ Па.

Вследствие такого характера изменения давления внутри ствола наружные его очертания в большинстве случаев представляют собой либо коническую, либо ступенчатую цилиндрическую поверхность с уменьшением диаметральных размеров к дульному срезу.

Очевидно, что стенки ствола должны быть рассчитаны таким образом, чтобы они обеспечивали прочность ствола в первую очередь от действия давления пороховых газов. Однако при этом необходимо учитывать, что давление пороховых газов приводит в движение снаряд и ствол, в результате чего возникает еще ряд сил, действующих на стенки ствола: силы взаимодействия снаряда со стволом, силы сопротивления откату ствола, инерционные силы и проч.

При обжатии и врезании ведущих элементов снаряда в нарезы ствола происходит пластическое деформирование материала ведущих элементов и величина усилия взаимодействия со стволом очень быстро возрастает, достигая максимальных значений, зачастую превышающих давление пороховых газов. После врезания, сопровождающегося значительным тепловыделением, температура поверхности ведущих элементов снаряда возрастает практически до температуры плавления их материала (меди) и при дальнейшем движении снаряда по стволу происходит интенсивный износ ведущих элементов.

Этот процесс приводит к быстрому уменьшению радиальных и осевых воздействий на ствол со стороны снаряда по мере продвижения его к дульному срезу.

При движении по каналу ствола снаряд приобретает определенный запас кинетической энергии, вращения, необходимых для его устойчивого полета на траектории. При этом в результате взаимодействия снаряда с боевыми гранями нарезов возникают силы, стремящиеся вызвать поворот ствола и его движение вперед. Величина этих сил меняется при движении снаряда по стволу в зависимости от напряженно-деформированного состояния ведущих элементов снаряда.

Следует отметить также силовые воздействия снаряда на ствол, возникающие в результате колебательного движения снаряда в стволе и неизбежной кривизны оси ствола.

Отдача оружия при выстреле, характер его движения при стрельбе приводят к возникновению инерционных нагрузок, оказывающих в ряде случаев (длинные стволы, вращающийся блок стволов и проч.) существенное влияние на напряженно-деформированное состояние и прочность элементов ствольного узла.

Суммируя изложенное, можно установить, что стволы СПВ при стрельбе находятся под действием системы сил, вызывающих сложное напряженное состояние материала их стенок. Очевидными поэтому становятся трудности решения задачи о расчете ствола на прочность при точном учете всех перечисленных силовых факторов, а также особенностей нагружения ствола при автоматической стрельбе.

Большое разнообразие конструктивного исполнения стволов и условий их эксплуатации предопределяет сравнительно широкий круг задач расчетов на прочность. Тем не менее, среди них можно выделить типичные или основные задачи, т.е. те, которые определяют эффективность и надежность работы образца СПВ.

Поскольку основным силовым фактором, действующим на ствол, является давление пороховых газов, первой типичной задачей прочностного расчета можно считать задачу оценки напряженно-деформированного состояния для случаев:

– конструктивного исполнения стволов с различной геометрией внешней поверхности;

– конструктивного исполнения стволов с различной геометрией канала ствола;

– наличия концентраторов напряжений;

– действия, помимо механических нагрузок, теплового фактора и т.п.

Другой типичной задачей прочностного расчета является оценка НДС нарезной части ствола при взаимодействии с ведущими элементами пуль (сн).

Учитывая сложность анализа процессов нагружения материалов ствольного узла, в данном разделе рассматриваются лишь некоторые из них.