Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Н.И. Романов, Х.А. Пономарев, М.Н. Романов, Ю.П. Шелякин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАФЕТОВ И ПРОТИВООТКАТНЫХ УСТРОЙСТВ
АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ОРУДИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебнцготюеобия
Издательство Пермского государственного технического университета
2007
УДК 623.42.001 П79
Рецензенты:
член-корр. РАРАН, профессор В.А. Девяткин; д-р техн. наук, профессор С.Г. Ярушин
(Пермский государственный технический университет); канд. техн. наук, профессор В.Г. Кучеров
(Волгоградский государственный технический университет)
Проектирование лафетов и противооткатных устП79 ройств артиллерийских орудий: учеб, пособие / Н.Й. Ро манов, Х.А. Пономарев, М.Н. Романов, Ю.П. Шелякин. -
Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 123 с. ISBN 978-5-88151-727-7
Разработано в соответствии с учебным планом и рабочей учебной програм мой дисциплины СД.03. «Проектирование спецмашин» для студентов специально сти 170102 «Стрелково-пушечное, артиллерийское и ракетное оружие».
Рассматриваются вопросы, связанные с устройством, принципом дейст вия и проектированием различных механизмов лафета полевого артиллерийско го орудия.
Из агрегатов лафета более подробно рассматриваются люлька, верхний и нижний станок, из механизмов - подъемный механизм и механизм подрессоривания, а из противооткатных устройств - гидропневматический накатник и гид равлический тормоз отката и наката веретено-модераторного типа. Из основных динамических процессов рассматриваются воздействие выстрела на орудие, свободный и торможенный откат и накат ствола, статическая и динамическая устойчивость орудия при выстреле и буксировке.
Предназначено для студентов 4-5 курсов специальности. Может быть ис пользовано аспирантами и научными сотрудниками кафедры, а также специали стами промышленных и научно-исследовательских организаций, занимающихся исследованием, разработкой и эксплуатацией артиллерийских орудий.
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития-вегипна на базе'многопрофильного техническо го университета»
УДК 623.42.001
ISBN 978-5-88151 -727-7 |
© ГОУ ВПО «Пермский государственный |
|
технический университет», 2007 |
Введение........................................................................................... |
7 |
Условные обозначения и сокращения......................................... |
10 |
Глава 1. Откат и накат ствола АО при выстреле...................... |
11 |
1.1. Воздействие выстрела на артиллерийское орудие........ |
11 |
1.1.1. Давление пороховых газов в канале ствола |
|
при выстреле......................................................................... |
11 |
1.1.2. Импульс силы давления пороховых газов на дно |
|
канала ствола......................................................................... |
13 |
1.2. Свободный откат ствола................................................... |
13 |
1.2.1. Откат-накат ствола при выстреле.............................. |
13 |
1.2.2. Параметры свободного отката ствола....................... |
14 |
1.2.3. Энергия свободного отката ствола.......................... |
15 |
1.3. Проектирование накатников............................................. |
16 |
1.3.1. Противооткатные устройства.................................... |
16 |
1.3.2. Накатники. Типовые схемы...................................... |
16 |
1.3.3. Конструктивные характеристики гидропневма |
|
тического накатника............................................................. |
18 |
1.3.4. Проектировочные зависимости.................................. |
20 |
1.4. Торможенный откат ствола АО....................................... |
22 |
1.4.1. Суммарная сила сопротивления откату.................. |
22 |
1.4.2. Желательный закон изменения СССО...................... |
23 |
1.4.3. Параметры желательного закона изменения |
|
СССО..................................................................................... |
24 |
1.4.4. Скорость торможенного отката ствола..................... |
25 |
1.5. Накат ствола АО при выстреле........................................ |
26 |
1.5.1. Равнодействующая сила наката................................ |
26 |
1.5.2. Законы изменения равнодействующей силы |
|
наката..................................................................................... |
27 |
1.5.3. Проектировочные зависимости................................. |
28 |
1.5.4. Параметры наката ствола........................................... |
30 |
Вопросы для самоподготовки.................................................. |
30 |
Глава 2. Функциональные и коструктивные характеристики |
|
основных агрегатов лафета........................................................... |
32 |
2.1. Основные агрегаты лафета.............................................. |
32 |
2.1.1. Краткие сведения об агрегатах лафета................... |
|
32 |
2.1.2. Люлька........................................................................ |
|
32 |
2.1.3. Верхний станок.......................................................... |
|
33 |
2.1.4. Нижний станок.............................................. |
„.......... |
33 |
2.1.5. Станины и сошники.................................................. |
|
34 |
2.2. Лафет как боевой станок артиллерийского орудия |
|
|
при выстреле............................................................................ |
|
35 |
2.2.1. Схема действия сил и моментов на лафет при |
|
|
выстреле............................................................................... |
|
35 |
2.2.2. Конструктивные характеристики лафета............... |
|
37 |
2.2.3. Статическая и динамическая устойчивость |
|
|
артиллерийского орудия при выстреле............................. |
|
38 |
2.3. Лафет АО как повозка при буксировке.......................... |
|
39 |
2.3.1. Требования к лафету как повозке АО .................... |
|
39 |
2.3.2. Характеристики функциональных качеств лафета |
|
|
как повозки АО.................................................................... |
|
40 |
Вопросы для самоподготовки............................................ |
|
44 |
Глава 3. Проектирование агрегатов лафета.............................. |
|
45 |
3.1. Проектирование станин АО............................................. |
|
45 |
3.1.1. Схемы и конструктивные характеристики |
|
|
станин................................................................................... |
|
45 |
3.1.2. Действующие силы. Условия равновесия сил |
|
|
и моментов........................................................................... |
|
46 |
3.1.3. Условия прочности станины.................................... |
|
47 |
3.1.4. Конструктивные характеристики станины. |
|
|
Проектировочные зависимости......................................... |
|
49 |
3.2. Проектирование люльки АО ........................................... |
|
50 |
3.2.1 Проектирование короба люльки............................... |
|
51 |
3.2.2. Проектирование цапф............................................... |
|
56 |
3.2.3.Проектирование сектора подъемного механизма.. 58
3.2.4.Проектирование люльки обойменно-штыревого
типа....................................................................................... |
60 |
Вопросы для самоподготовки................................................ |
62 |
Глава 4. Проектирование механизмов лафета........................... |
63 |
4.1. Проектирование механизмов подрессоривания......... |
63 |
4.1.1. Механизмы подрессоривания............................... |
63 |
4.1.2. Конструктивные характеристики механизма |
|
подрессоривания торсионного типа.................................. |
64 |
4.1.3. Основные расчетные зависимости.......................... |
65 |
4.2. Проектирование уравновешивающих механизмов..... |
68 |
4.2.1. Уравновешивающие механизмы. Типовые схемы |
|
уравновешивания и уравновешивающих механизмов.... |
68 |
4.2.2. Конструктивные характеристики уравновеши |
|
вающих механизмов и схем уравновешивания................ |
70 |
4.2.3. Проектировочные зависимости............................... |
73 |
Вопросы для самоподготовки................................................... |
75 |
Глава 5. Гидродинамика при проектировании гидравли |
|
ческих тормозных устройств в АО............................................ |
77 |
5.1. Гидравлические тормозные устройства. Тормозные |
|
жидкости................................................................................... |
77 |
5Л.1. Гидравлические тормозные устройства.................. |
77 |
5.1.2. Типовые схемы гидравлических тормозных |
|
устройств.............................................................................. |
78 |
5.1.3. Тормозные жидкости................................................. |
81 |
5.2. Гидродинамические основы проектирования |
|
гидравлических тормозных устройств.................................. |
82 |
5.2.1. Гидродинамика идеальной жидкости..................... |
82 |
5.2.2. Основные законы состояния идеальной |
|
жидкости............................................................................... |
83 |
5.2.3. Некоторые приложения законов состояния |
|
идеальной жидкости........................................................... |
85 |
5.3. Гидравлическое сопротивление и гидравлические |
|
потери........................................................................................ |
87 |
5.3.1. Реальная жидкость.................................................... |
87 |
5.3.2. Гидравлическое сопротивление............................... |
87 |
5.3.3. Гидравлические потери............................................ |
88 |
5.3.4. Некоторые характеристики гидравлических |
|
потерь.................................................................................... |
90 |
Вопросы для самоподготовки................................................ |
92 |
Глава 6. Проектирование гидравлических тормозов отката |
|
и наката веретено-модераторного типа..................................... |
94 |
6.1. Проектирование ГТОН веретено-модераторного |
|
типа в режиме отката ствола.................................................. |
94 |
6.1.1. Схема ГТОН веретено-модераторного типа.......... |
94 |
6.1.2. Принцип работы ГТОН в режиме отката............... |
95 |
6.1.3. Сила гидравлического сопротивления ГТОН |
|
в режиме отката................................................................... |
96 |
6.1.4. Построение необходимого закона изменения |
|
площади регулируемого сечения тормоза отката.......... |
99 |
6.2. Проектирование ГТОН веретено-модераторного |
|
типа в режиме наката ствола................................................... |
101 |
6.2.1. Схема работы ГТОН веретено-модераторного |
|
типа в режиме наката........................................................... |
101 |
6.2.2. Сила гидравлического сопротивления ГТОН |
|
в режиме наката..................................................................... |
102 |
6.2.3. Построение необходимого закона изменения |
|
площади регулируемого сечения тормоза наката............ |
104 |
6.2.4. Проектирование веретена и канавки тормоза |
|
наката...................................................................................... |
106 |
Вопросы для самоподготовки.................................................. |
110 |
Глава 7. Поверочные расчеты при проектировании |
|
ПОУ АО.......................................................................................... |
111 |
7.1. Обратная задача отката ствола.......................................... |
111 |
7.1.1. Постановка обратной задачи отката........................ |
111 |
7.1.2. Математическая модель процесса отката ствола... |
112 |
7.1.3. Решение обратной задачи отката ствола.................. |
114 |
7.2. Обратная задача наката ствола.......................................... |
115 |
Вопросы для самоподготовки................................................. |
117 |
Список рекомендуемой литературы |
118 |
Приложения.................................................................................... |
119 |
Учебное пособие «Проектирование лафетов и противоот катных устройств артиллерийских орудий» разработано на ос нове существующей учебной литературы по специальности
«Стрелково-пушечное, артиллерийское |
и ракетное оружие». |
В частности, методическая разработка |
«Проектирование лафе |
тов и противооткатных устройств» составлена по материалам лекций профессора Н.И. Романова для студентов 4-5 курсов специальности 170102. Большинство разделов этого источника существенно доработаны и дополнены новыми материалами. Особенно это касается раздела 1.4, связанного с разработкой и использованием так называемого желательного закона изме нения суммарной силы сопротивления откату (СССО). С ис пользованием этого закона удается существенно изменить под ход и порядок проектирования лафетов полевых артиллерий ских орудий (ПАО) на самой ранней стадии разработки орудия. Применение желательного закона изменения СССО в проектных расчетах позволяет более эффективно использовать возможно сти лафета по торможению отката ствола, существенно облегча ет задачу выполнения студентами курсового и дипломного про ектирования, связанных с разработкой лафетов ПАО. Законы, подобные закону изменения СССО, еще не нашли отражения в учебных изданиях ни в нашей стране, ни за рубежом.
Дополнен раздел «Статическая и динамическая устойчи вость АО при выстреле». В частности, раздел снабжен двумя схемами, иллюстрирующими процесс вывода математических зависимостей по статической и динамической устойчивости АО при буксировке.
Раздел «Лафет как боевой станок...» дополнен схемой од ностанинного варианта лафета, в которой, в отличие от извест ных схем, домкрат расположен на линии опоры колес, что ис ключает необходимость их вывешивания в боевом положении.
Введен новый раздел «Проектирование люлек АО», в кото ром рассмотрены вопросы: а) проектирование короба, цапфен ного узла и сектора подъемного механизма для люльки корытного типа, б) проектирование механизма штыревого соединения ствола с люлькой и определение необходимого гарантированно-
го зазора в подвижном соединении ствола с люлькой для люлек обойменного типа. При определении необходимой толщины стенкй короба люльки дается теоретическое обоснование мак симального значения изгибающего усилия в критическом сече нии короба как функции от максимальной перегрузки. Приведе на формула для определения максимального значения перегруз ки по линии переднего пояса опор ствола.
Дальнейшее развитие и существенное дополнение получил раздел «Проектирование механизмов подрессоривания». Добав лен вывод расчетных зависимостей для определения основных характеристик механизма подрессоривания - диаметра рабочей части торсиона и длины балансира.
Существенно расширен раздел «Типовые схемы уравнове шивания качающейся части АО». Здесь дополнительно введен в рассмотрение вариант рычажно-тянущего уравновешивания верхнего расположения. Приведены фотографии конкретных АО: с рычажно-толкающей (130-мм ПП М-46) и рычажно тянущей верхнего расположения (155-мм АО США) схемами уравновешивания.
Расширен и дополнен также раздел «Поверочные расчеты при проектировании ПОУ».
Учебное пособие дополнено Приложением, в котором, в частности, приведен систематический расчет по проектирова нию лафета и противооткатных устройств артиллерийских орудий.
Материал дисциплины излагается в том порядке, в котором наиболее рационально выполнять, предусмотренное рабочей учебной программой, курсовое проектирование. В этой связи, раздел «Проектирование. накатников» помещен после раздела «Свободный откат ствола», перед разделом «Торможенный от кат ствола». В этом варианте отсутствуют проблемы с разработ кой желательного закона изменения СССО.
Материал учебного пособия составлен на основании рабо чего учебного плана специальности 170102 (171300) «Стрелко во-пушечное, артиллерийское и ракетное оружие» очной формы обучения и в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по на правлению 652800 «Оружие и системы вооружения».
Учебное пособие - это результат коллективного труда. Подразделы 1.4, 4.1, 4.2, 6.1, 6.2 (Н.И. Романов); подразделы 2.1, 2.2, 2.3, 3.1, 3.2 и компьютерная графика (Х.А. Пономарев); подразделы 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 7.1 (М.Н. Романов); подразделы 5.1, 5.2, 5.3, 7.2 (Ю.П. Шелякин).
Материал учебного пособия может быть использован аспи рантами кафедры и специалистами предприятий, занимающи мися вопросами разработки и проектирования артиллерийского вооружения.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
q,(o ,М 0, М б - масса снаряда, масса заряда, масса откат ных частей и масса орудия в боевом положении;
- балансировочная длина станин;
DK - опорная база станин (расстояние от линии центра масс орудия до линии опоры колес);
V,W, со - скорость снаряда, скорость отката и наката ствола;
1,Ь —путь снаряда и путь отката ствола;
d,la,X - калибр, длина калиберной части и длина отката ствола;
P,PKlfiPCH - среднее баллистическое давление пороховых
газов по заснарядному пространству, давление ПГ у дна канала ствола и у дна снаряда;
П0,Н 0,т - начальное (минимальное) усилие накатника,
приведенная высота столба и степень сжатия воздуха в на катнике;
Dn,Db - диаметр поршня, диаметр внешнего цилиндра; lT,dr,l6 - длина и диаметр рабочей части торсиона и длина
балансира;
U, UQ- текущее и начальное (минимальное) усилие уравно вешивающего механизма;
ах,а: - суммарная площадь регулируемого сечения тормо за отката и тормоза наката.
АО - артиллерийское орудие; ПАО - полевое артиллерийское орудие;
ПОУ - противооткатные устройства; ГТО - гидравлический тормоз отката; ГТН - гидравлический тормоз наката;
ГТОН - гидравлический тормоз отката-наката; РСН - равнодействующая сила наката; ЛОС - линия опоры сошников; ЛОК - линия опоры колес; ПГ - пороховые газы;
СДПГ - сила давления пороховых газов.
ГЛАВА 1 ОТКАТ И НАКАТ СТВОЛА АО ПРИ ВЫСТРЕЛЕ
1.1. Воздействие выстрела на артиллерийское орудие
1.1.1. Давление пороховых газов в канале ствола при выстреле
Выстрел сопровождается высоким давлением пороховых газов в канале ствола. Различают три характерных вида давле ния: Р - среднее баллистическое по заснарядному объему; Ркн - давление у дна канала ствола; Рсн- давление у дна снаряда, при этом давление у дна снаряда ниже, чем давление у дна канала ствола. Для артиллерийских орудий эти давления связаны соот ношениями
^сн = - •Р\ |
— Рк» =Ф Л н» |
ф |
ф |
где ф - коэффициент фиктивности массы снаряда (коэффициент Слухоцкого), определяемый выражением
г, 1 со
ф- ^ о + т — > 3 q
ф, - коэффициент, учитывающий половину массы заряда (коэф фициент Канэ)
Ко - коэффициент типа орудия.
В проектных расчетах рекомендуется принимать 1,08 для минометов, •1,05 для гаубиц, 1,03 для пушек.
Схема распределения давления Р по заснарядному про странству в некоторый момент времени представлена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема распределения давлений по заснарядному пространству
Рис. 1.2. |
Законы изменения давления пороховых газов по пути {а) |
и времени |
(б) движения снаряда; Р0> Рл - давление форсирования |
и дульное давление; £д,тп, /п - время вылета снаряда из канала ствола, время периода последействия и время конца периода последействия;
/д - длина калиберной части ствола
В процессе выстрела среднее баллистическое давление в канале ствола существенно изменяется. Различают три перио да изменения давления: предварительный, первый и второй. Предварительный период - от начала горения заряда до момента начала движения снаряда; первый период —от начала движения до момента вылета снаряда из канала ствола; второй —свобод ное истечение пороховых газов через дульный срез. Графики изменения среднего баллистического давления пороховых газов по времени и по пути движения снаряда для первого и второго периодов представлены на рис. 1.2, а, б.
1.1.2. Импульс силы давления пороховых газов на дно канала ствола
Влияние силы давления пороховых газов на дно канала ствола характеризуется величиной импульса этой силы. Разли чают суммарный импульс этой силы и его составляющие: им пульс на первом (jj) и втором (J2) периодах, которые опреде ляются из выражений
^д |
fn |
f |
J \ = S \ Pdt = #Г0(р, , j 2=s)pdt = ®V0 оф-- ,
о |
<d |
где Vo - дульная скорость снаряда; q, со - масса снаряда и заря да; S - площадь сечения калиберной части ствола; a - конструк тивная характеристика дульного тормоза; (3 - коэффициент по следействия газов, определяемый из приближенного выражения
К ' Импульс силы давления ПГ на дно канала ствола является
единственным источником энергии отката.
1.2.Свободный откат ствола
1.2.1.Откат-накат ствола при выстреле
Откат ствола используется для снижения усилий, дейст вующих на лафет во время выстрела. Это достигается за счет увеличения времени их действия. Различают три периода отката ствола: ускоренный, равномерный и замедленный. Аналогичные периоды имеют место и при накате ствола. График изменения параметров отката и наката ствола по времени и пути отката представлены на рис. 1.3, а, б.
Рис. 1.3. Законы изменения параметров отката и наката ствола по вре мени (а) и пути (б) движения ствола: W ,X ,t- скорость, путь и время отката и наката; X- длина отката
Различают два вида отката: свободный и торможенный. При свободном откате силы сопротивления отсутствуют. Сво бодный откат в основном представляет теоретический интерес.
1.2.2. Параметры свободного отката ствола
Скорость и путь свободного отката к моменту вылета сна ряда из канала ствола
М 0 М0 |
д дV ' |
приближенное время движения снаряда по каналу ствола
2/„
где q, V0- масса и дульная скорость снаряда; М0, 1й - масса от катных частей и длина капиберной части ствола; Wa, Ьл - ско рость и путь свободного отката к моменту вылета снаряда из ка нала ствола.
Скорость, путь и время свободного отката ствола к концу периода последействия пороховых газов определяются по при ближенным выражениям
W = |
= Vn |
^1+ а р - Л |
Мп |
Мп |
Ч |
K = L &+ M a,
где Wn9 |
Ln - скорость и путь свободного отката к концу перио |
||||||
да последействия газов; tn9xп - |
время конца периода последейст |
||||||
вия и время периода последействия газов. |
|
||||||
|
Приближенное |
время |
. р |
|
|||
тп |
периода |
последейст |
|
|
|||
вия определяется из условия |
|
|
|||||
линейного изменения |
дав |
|
|
||||
ления |
пороховых |
газов |
|
|
|||
в канале ствола на этом пе |
|
|
|||||
риоде. Этот |
вариант |
изме |
'Vw |
t |
|||
нения давления представлен |
|||||||
-J -PS.__ w |
|||||||
на |
рис. |
1.4. С учетом |
<-------------Ъ------------ . |
|
|||
рис. 1.4 |
получаем |
выра |
|
||||
жение2 |
|
|
|
Рис. 1.4. График изменения давления |
|||
|
|
|
2J 2 |
|
|||
|
|
\ = |
|
пороховых газов в канале ствола пос |
|||
|
|
- |
|
ле вылета снаряда |
|
||
где Рд - среднее баллистическое давление в канале ствола в мо мент вылета снаряда; S - площадь сечения канала ствола.
1.2.3. Энергия свободного отката ствола
Энергия свободного отката ствола является количественной характеристикой необходимой работы сил торможения отката. Энергия свободного отката определяется из выражения
E o = ^ M 0Wn2.
Это выражение может быть преобразовано к более удобно му для использования виду
где v - коэффициент приведения
v = - |
л2 |
1 + а р - |
|
Мп |
Я) |
Коэффициент приведения v является исключительно важной характеристикой при изучении процесса отката ствола.
1.3.Проектирование накатников
1.3.1.Противооткатные устройства
Противооткатные устройства (ПОУ) артиллерийского ору дия обеспечивают требуемые законы изменения параметров от ката и наката ствола при выстреле. В общем случае они вклю чают в себя следующие самостоятельные агрегаты: накатник, тормоз отката и тормоз наката. В настоящее время в основном используются пружинные и газовые накатники и гидравличе ские тормоза отката и наката. Тормоза отката и наката, как пра вило, выполняются как единый агрегат. Наиболее целесообраз ные варианты исполнения противооткатных устройств включе ны в ОСТы: накатники - в ОСТ ВЗ-2170-74, гидравлические тормоза - в ОСТ ВЗ-2171-74.
1.3.2. Накатники. Типовые схемы
Накатники служат: для частичного или полного торможе ния откатных частей; возвращения откатных частей в исходное положение; удерживания откатных частей в исходном положе нии при всех условиях эксплуатации.
ника следует отнести: зависимость его усилия от внешних усло вий; необходимость в сложных уплотнениях узлов сопряжения и регулярной его «подпитке»; большое трение в подвижных со единениях.
1.3.3. Конструктивные характеристики гидропневматического накатника
Конструктивные характеристики гидропневматического накатника (ГПН) определяются его схемой и законом изменения усилия. Расчетная схема ГПН представлена на рис 1.6.
Рис. 1.6. Схема гидропневматического накатника: d\, Z)n, DB, X, LH- диаметр штока, поршня и внешнего цилиндра; длина отката и длина накатника; Ah - зазор
Текущее рабочее усилие гидропневматического накатника в режиме отката и наката изменяется по показательному закону
|
|
н 0 |
|
к |
|
П(х) = П' |
Л |
||
|
\ H o ~ X j |
Ротк |
||
П = |
|
|
||
/ |
нп |
|
Y |
|
|
|
|||
|
n(z)=n; |
|
||
|
H . - X + Z |
Рнак |
||
|
|
|
||
где Ид, Н0 - необходимое минимальное усилие накатника
и приведенная высота столба воздуха в накатнике; Z = X - X; (О < X <Х); X, Z - путь отката и наката ствола. Коэффициенты Цотк и ц„ак, характеризующие силу трения, зависящую от давле ния воздуха в накатнике, определяются из выражений