Глава 10 орудийные стволы

§ 10.1. Типы и конструкция стволов

Стволы артиллерийских орудий предназначаются для направ­ления движения снаряда, сообщения ему требуемой начальной скорости поступательного движения в зависимости от величины

боевого заряда. Нарезные стволы, кроме того, придают снаряду вращательное движение для стабилизации его полета на траек­тории. Ствол (рис. 10.1), как правило, состоит из трубы 1, казен­ника 2, дульного тормоза 6 и соединительных деталей 3, 4, 5.

Труба 1 является основной частью ствола, ее передняя часть называется дульной, а задняя — казенной.

По наружной поверхности трубу разделяют на цилиндриче­ский и конический участки. Цилиндрический участок трубы воспринимает наибольшее давление пороховых газов, поэтому стенки его делают большей толщины, чем на коническом участке.

/.Переход от цилиндрического участка к коническому выполняют плавным, чтобы исключить появление концентрации напряжений при выстреле, которые возникают при резких переходах от одного сечения к другому. Так как давление пороховых газов падает к дульному срезу, то толщина стенок конического участка посте-

пенно уменьшается^ При этом для обеспечения требуемой жест­кости ствола толщина стенок трубы у дульной части должна быть не менее 0,1 калибра.

На дульном срезе трубы, а в некоторых и на казенном нано­сят две пары взаимно перпендикулярных рисок для фиксации по­ложения перекрестия из нитей при проверке прицельных приспо­соблений.

Отверстие трубы называется каналом. Канал делится на камо­ру и ведущую часть.

Камора предназначается для размещения боевого заряда, за- поясковой части снаряда и является основным местом сгорания порохового заряда.

Устройство каморы зависит от способа заряжания. Для вы­стрела патронного заряжания камора (рис. 10.2, а) имеет форму, соответствующую форме гильзы, и состоит, как правило, из основ­ного 1 и переходного 2 конусов, цилиндрической части 3 и соеди­нительного конуса 4. Конусность основного конуса выполняется в пределах 1/60—1/120, а переходного и соединительного — в пре­делах 1/10—1/20. Коническая форма каморы необходима для об­легчения заряжания орудия и выбрасывания гильзы. Цилиндри­ческая часть

каморы делается длиннее дульца гильзы на ширину ведущего пояска снаряда, чтобы он поместился между началом нарезов и передним срезом дульца. Длина каморы для выстрелов патронного заряжаниякогда гильза упирается фланцем в трубу, определяется по формуле

В орудиях, у которых применяются выстрелы как патронного, так и раздельно-гильзового заряжания, например горная 76-мм пушка М-99, ствол имеет камору для патронного заряжания.

Камора для выстрелов раздельно-гильзового заряжания (рис. 10.2,6) может состоять из основногои переходного 2 ко­нусов. Соответственно конусность их выполняется в пределах 1/75—1/120 и 1/10—1/20. В основном конусе помещается гильза. Чтобы гильза упиралась фланцем в казенный срез трубы, длина ее делается меньше длины основного конуса. Соединительный ко­нус предназначается для соединения каморы с ведущей частью канала и служит для заклинивания снаряда при заряжании и для облегчения врезания ведущего пояска при выстреле.

Полный объем каморыопределяется как сумма объемов, т. е.

где—объем каморы, полученный в результате баллистиче­ского расчета;

— объем материала гильзы (картуза), который примерно равен (0,03—0,05)

— объем запояековой части снаряда

Камора для выстрелов раздельного картузного заряжания (рис. 10.2, в) современных орудий состоит из обтюрирующего ко­нуса 1, цилиндрической части 2, переходного 3 и соединитель­ного 4 конусов.

Обтюрирующий конус предназначен для поджатая к нему пла­стического обтюратора затвора и выполняется с конусностью 1/2-1/1,7.

Цилиндрическая часть предназначена для помещения картуза с боевым зарядом. Переходный конус облегчает заряжание ору­дия, исключая утыкание снаряда, и выполняется с конусностью 1/10-1/20.

Каморы для выстрелов раздельного картузного заряжания старых образцов (рис. 10.2, г) кроме основных элементов имеют горловину 2 для уменьшения усилий, действующих на затвор при выстреле. Отрицательной стороной наличия горловины является то, что диаметр картуза с боевым зарядом приходится делать меньше диаметра каморы, а это не дает возможности осуществить достаточно большие плотности заряжания.

Ведущая часть канала предназначается для направления по­лета снаряда и для сообщения ему требуемой скорости поступа­тельного движения в зависимости от боевого заряда.

Ведущие части бывают гладкостенными и нарезными. Гладко- стенная ведущая часть канала представляет собой цилиндрическое отверстие равного диаметра и предназначается для направления движения снаряда, стабилизация которого на полете осущест­вляется аэродинамическим способом.

Нарезные ведущие части кроме сообщения снаряду поступа­тельного движения придают ему и вращательное движение, так как по ее стенкам сделаны винтовые углубления — нарезы. Нарез­ная ведущая часть обеспечивает лучшее центрирование снаряда и более надежную обтюрацию пороховых газов между снарядом и стенками ствола. Но вместе с тем такие ведущие части умень­шают живучесть ствола с возрастанием мощности орудия и огра­ничивают могущество действия снаряда по цели, так как из-за трудности обеспечения устойчивого полета длину его делают не более 5,5 калибра.

В отечественной артиллерии принята правая нарезка, т. е. та­кая, у которой, если смотреть со стороны казенной части, нарезы идут слева вверх направо, поэтому при движении по нарезной части снаряд получает вращение по ходу часовой стрелки.

Нарезы характеризуются крутизной, профилем и глубиной на­резки. Крутизна нарезки определяется углом наклона нареза а. Углом наклона нареза а называется угол, заключенный между касательной к нарезу и образующей ведущей части канала ствола. • Нарезы делаются с углом

В современных стволах применяются нарезы постоянной и про­грессивнойкрутизны. Нарезы постоянной крутизны (рис. 10.3, а) имеютпо всей длине ствола, а нарезы прогрессивной кру­

тизны (рис. 10.3,6) имеют угол наклона а, увеличивающийся к . дульной части. Иногда в стволах могут применяться нарезы сме-

шанной крутизны (рис. 10.3, в), в которых есть участок прогрес­сивной и постоянной крутизны.

Крутизну нареза кроме угла наклона а характеризуют еще длиной хода нареза. Длиной хода нареза называют расстояние по оси канала ствола, на котором нарез с постоянным углом накло­на а делает или может сделать один оборот. Длина хода нарезаизмеряется в калибрах, т. е.

■

где—длина хода нареза, мм;— калибр ствола, мм.

Из рис. 10.3, а видно, что

*

Подставляя значениеиз формулы (10.2) в зависимость (10.1) и произведя сокращение наd, получим

Для нарезов постоянной крутизны длина хода нареза — вели­чина постоянная по всей длине ведущей части, а для нарезов про­грессивной крутизны длина хода нарезов в каждой точке будет своя, так как уголпо длине ствола непрерывно меняется. По­этому для характеристики нарезки прогрессивной крутизны часто пользуются начальнойи дульнойдлинами хода нарезки. Начальная длина хода нарезов

где—угол наклона нареза в начале нареза. Дульная длина хода нареза

»

где—угол наклона нареза в дульной части.

При выборе крутизны нарезов исходят из выполнения двух противоречивых требований: обеспечения прочности ведущего пояска и устойчивости снаряда на полете.

Для исключения срыва ведущего пояска с нарезов крутизну их следует делать как можно меньше, а для улучшения устойчи­вости полета снаряда крутизну нарезов необходимо увеличивать.

Вначале определяют крутизну нарезов, исходя из условия обес­печения устойчивости снаряда на полете. При этом величина хода нарезов в калибрах в дульной частиопределяется по формуле

Забудского —Вентцеля, которая имеет следующий вид:

»

где— коэффициент устойчивости;

— коэффициент, характеризующий распределе­ние массы снаряда относительно его оси;

— полярный момент инерции снаряда;

— экваториальный момент инерции снаряда;

— условное плечо аэродинамического момента

снаряда;

— коэффициент веса снаряда.

где—высота головной части снаряда;

—расстояние от центра тяжести снаряда до основания го­ловной части снаряда.

Значение коэффициентаопределяется по формуле

гдеL—длина снаряда;

— коэффициент для снаряда, имеющего длину 4,5 калибра; определяется по табл. 10.1.

После определения в дульной части крутизны нарезки выби­рают ее вид. При этом руководствуются следующими соображе­ниями. Считается, что прочность ведущего пояска обеспечивается, если угол наклона нареза7°. Следовательно, в этом случае можно делать нарезы постоянной крутизны. _

Для обеспечения прочности ведущего пояска снаряда при >7° делают прогрессивную нарезку. Обычно этот вид нарезки применяют в стволах среднего и крупного калибров с небольшими начальными скоростями снарядов.

Величину начального угла прогрессивной нарезки а₀ рекомен­дуется выбирать такой, чтобы максимальные значения углового ускорения и ускорения поступательного движения снаряда не воз­никали одновременно. Кроме того, величина а₀ должна быть тем меньше, чем более быстрогорящим является порох.

При определениипользуются формулой Н. Ф. Дроздова

»

где—мера бризантности пороха.

Уравнение кривой прогрессивной нарезки выражается функ­цией. Варьируя некоторыми параметрами этой функции, изменяют место

приложения максимума силы нормального дав­ления ведущего пояска снаряда на боевую грань нареза по каналу ствола.

Кривая нареза прогрессивной крутизны на развертке ствола чаще всего задается уравнением квадратичной параболы (рис. 10.4), начало координат которой и угол наклонанахо­дятся на продолжении нарезной части и удалены от нее на рас-

стояниеУравнение квадратичной параболы записывается в следующем виде:

Для нахождения параметра р возьмем производную по х, по­лучим

Следовательно, приа при

Откуда

Из уравнения (10.4) находим р\ подставив найденное значение в выражение (10.3), получим уравнение квадратичной параболы в следующем виде:

Форма нарезов в поперечном сечении может быть различной (рис. 10.5), но независимо от этого нарезы имеют следующие эле­менты: '

• дно нареза — это поверхность винтового углубления;

• грани нареза — это стенки нареза; грань нареза, непосред­ственно толкающая снаряд в направлении вращения, называется боевой, а противоположная ей грань называется холостой;

• поля — выступы, образуемые гранями нарезов; расстояние между противоположными полями, измеренное по диаметру, назы­вается калибром;

• глубина нарезов t определяется полуразностью диаметров по дну и по полю нарезов, т. е.

• ширина нареза—это расстояние по прямой (в плоскости сечения, перпендикулярной оси канала ствола) между гранями, ограничивающими один нарез;

• ширина поля—это расстояние по прямой между сосед­ними гранями нарезов.

В современных орудиях наиболее распространены нарезы пря­моугольной формы (рис .10.5,6), т. е. такие нарезы, грани которых параллельны радиусу, проведенному через середину дна нареза. Нарезы прямоугольной формы более просты в изготовлении, хотя они не совсем рациональны, так как при движении снаряда между гранями нареза и выступами ведущего пояска образуются зазоры, в которые прорываются пороховые газы, что приводит к эррозион- ному разрушению стенок. Для устранения этого недостатка на­резы иногда делают уменьшающимися к дульной части по ширине и глубине. Такие нарезы называются нарезами с возрастающим форсированием.

При определении размеров и числа нарезов стремятся обеспе­чить легкое врезание ведущего пояска и надежное ведение сна­ряда по каналу ствола. Для облегчения врезания ведущего пояска необходимо уменьшать число нарезов, а надежное ведение сна-

ряда по каналу требует увеличения числа и глубины нарезов. Тре­бования эти противоречивы, поэтому число и размеры нарезов выбирают в зависимости от начальной скорости и массы снаряда, а также от качества материала и формы ведущего пояска.

Ширина нареза определяется из условия равнопрочности вы­ступов ведущего пояска и полей канала ствола. Напри­мер, если ведущий поясок изготовлен из меди, прочность которой в 1,5—2,5 раза меньше прочности материала ствола, то ширина нарезов делается в 1,5—2,5 раза больше ширины поля, т. е.

Число нарезов в канале ствола п вычисляется по формуле

где

Полученная величина п округляется до числа, кратного че­тырем.

Глубина нарезов t выбирается в зависимости от начальной скорости артиллерийского орудия следующим образом:

• для орудий с

• для орудий с

Нарезы сназывают нормальными (однопроцентными),

с-углубленными, а с—глубокими

(двухпроцентными).

Увеличение глубины нарезов повышает живучесть стволов, но при этом несколько уменьшает дальностьстрельбы. Так, напри­мер, глубина нарезкивместоувеличивает живу­честь ствола примерно в два раза, а дальность полета снаряда уменьшается примерно на 2—3%.

Для увеличения прочности нарезки и для облегчения чистки каналов стволов углы нарезов и полей закругляют радиусом

Нарезная ведущая часть соединена с каморой соединительным конусом. Примерно на 2/3 его длины сделаны нарезы, глубина ко­торых постепенно увеличивается и достигает полной величины по окончании конусности. Нарезы должны начинаться в одном сече­нии, перпендикулярном оси канала ствола. Это обеспечивает полное перекрытие канала ведущим пояском, что исключает про­рыв газов и односторонний размыв внутренней поверхности ствола.

Казенником называется часть ствола, снабженная гнездом для размещения затвора и совместно с ним предназначенная для на­дежного и прочного запирания канала ствола. Кроме того, казен­ник может служить для соединения ствола с противооткатными

устройствами и участвовать в направлении его движения при от­кате и накате по полозкам люльки.

По способу соединения с трубой казенники классифицируются на навинтные, ввинтные и выполненные заодно целое с трубой.

Навинтные казенники в свою очередь делятся на две группы: надеваемые на трубу без вращения и соединяющиеся с ней с по­мощью муфты (рис. 10.6) и навинчивающиеся непосредственно на резьбу трубы. Преимущество казенников, надеваемых на трубу

без вращения, состоит в том, что при сборке легче обеспечить па­раллельность контрольной площадки и оси канала ствола, кроме того, в случае разборки нет необходимости вращать тяжелый ка­зенник у орудий среднего и крупного калибров и при изготовлении требовать фиксированного захода резьбы.

Ввинтные казенники применяются у орудий крупного калибра (203-мм гаубицы Б-4М) и соединяются с трубой ствола с помощью резьбы.

Казенники, выполненные заодно целое с трубой, применяют у орудий малого калибра. В этом случае соединение трубы и казен­ника получается наиболее прочным, но технология изготовления таких стволов усложняется. Материалом для изготовления казен­ников является орудийная сталь с категорией прочности обычно не выше категории прочности материала трубы.

Соединительные детали предназначены для сборки ствола в одно целое и для соединения его с люлькой, а в некоторых слу­чаях и для соединения с противооткатными устройствами. К со­единительным деталям относятся передние и задние обоймы, со­единительные муфты и другие детали.

Дульные тормоза предназначены для поглощения части энер­гии откатных частей при выстреле. Дульные тормоза соединяются с трубой или с помощью резьбы, или с помощью соединительных разъемных муфт или выполняются заодно с трубой.

•А*

Стволы артиллерийских орудий классифицируются по следую­щим основным признакам:

• по устройству стенок ствола;

• по наличию напряжения в стенках ствола;

• по форме и устройству канала ствола.

В зависимости от устройства стенок ствола различают следую­щие типы стволов:

• стволы-моноблоки;

• многослойные стволы.

Стволы-моноблоки (рис. 10.7, а)—это стволы, труба 1 кото­рых имеет однослойную стенку и изготовлена из одной заготовки. Такие стволы относительно просты по устройству и наиболее эко­номичны в производстве. Это является их важнейшим преимуще­ством перед другими типами стволов, особенно в военное время, когда необходимо обеспечивать ускоренный выпуск орудий.

Недостатком стволов-моноблоков является необходимость за­мены трубы в случае ее износа. Однако высокое качество орудий­ных сталей, получаемых нашей промышленностью, и строгое со­блюдение эксплуатационных мер по повышению живучести обес- , печивают достаточно длительный срок службы стволов-монобло­ков, что делает несущественным присущий им недостаток.

Многослойные стволы (рис. 10.7,6)—это стволы, стенки тру­бы 1 которых состоят из нескольких концентрических цилиндров равной или различной длины, надеваемых один на другой.

В зависимости от числа слоев стволыназывают двухслойными, трехслойными rt т. д. Внутренний слойназывают трубой, или первым слоем, а наружный 2— кожухом, или оболочкой. Проме­жуточные слои нумеруют в возрастающем порядке.

Многослойные стволы, слои которых надевают друг на друга с зазором, выбирающимся при выстреле, подразделяются на стволы со свободным лейнером и со свободной трубой.

Ствол со свободным лейнером (рис. 10.8, а) —это двухслойный ствол, внутренний слой которого, называемый лейнеромполно­стью покрыт оболочкой 2 с зазором.

Ствол со свободной трубой (рис. 10.8,6) также двухслойный, но внутренний его слой, называемый свободной трубойпо­крыт кожухом 2 лишь на части ее длины. В связи с этим свобод­ная труба имеет более толстые стенки и массу в 1,5—2 раза боль­ше массы лейнера.

Величина зазора между внутренним и наружным слоями за­дается из условия обеспечения прочности ствола при выстреле и возможности замены внутреннего слоя без применения сложного специального оборудования.

У существующих стволов зазор колеблется в пределах 0,05— 0,20 мм для орудий среднего калибра и 0,15—0,30 мм для орудий крупного калибра. Для легкости разборки ствола наружная по­верхность лейнера делается с конусностью 0,002—0,004.

При выстреле лейнер или свободная труба под действием силы давления пороховых газов расширяется, выбирая зазор между

слоями, и при дальнейшем возрастании давления работает вместе с кожухом. После выстрела зазор между лейнером (свободной трубой) и кожухом восстанавливается.

Стволы со свободной трубой'или со свободным лейнером имеют следующие достоинства:

• возможность восстановления ствола при износе стенок ка­нала заменой внутреннего слоя трубой или лейнером;

наиболее рационально используется дорогостоящая сталь с высокими механическими свойствами (для изготовления наибо­лее

• нагруженного слоя — трубы применяют сталь с высокими ме­ханическими свойствами, а для изготовления оболочки — менее прочную сталь).

Основными недостатками стволов со свободной трубой (лейне­ром) являются сложность и объемность процессов их изготов­ления.

В некоторых орудиях применяются стволы с трубой-монобло­ком, вставленной в кожух с зазором, который при выстреле не вы­бирается (ствол М-30), поэтому всю нагрузку от давления поро­ховых газов воспринимает труба-моноблок. Кожух служит только для увеличения массы откатных частей в целях уменьшения длины отката.

По наличию напряжения в стенках трубы стволы делятся на нескрепленные и скрепленные.

Нескрепленные стволы — это такие, в стенках трубы которых до выстрела отсутствуют какие-либо напряжения. К ним отно­сятся все многослойные стволы с зазором между слоями, а также стволы-моноблоки, если в их трубах до выстрела нет напря­жений.

Скрепленные стволы — это такие стволы, которые еще до вы­стрела имеют искусственно созданные напряжения в стенках трубы. Один из способов искусственного создания напряжений в стенках многослойного ствола основан на свойстве металлов из­менять свои размеры при нагревании. Сущность этого способа состоит в том, что на внутренний слой надевают предварительно нагретый до температуры 670° К следующий слой (назовем его кожухом), диаметр отверстия которого в холодном состоянии меньше наружного диаметра внутреннего слоя. При охлаждении ■ размеры кожуха уменьшаются, в результате этого он обжимает внутренний слой, образуя в его стенках напряжения от сжатия; в свою очередь внутренний слой, действуя на кожух, вызывает в его стенках напряжения от деформации растяжения. Таким спосо­бом создают скрепленные стволы с различным количеством слоев. Предварительно напряженное состояние стенок ствола более рав­номерно нагружает все слои во время выстрела, т. е. повышает прочность ствола.

Такое скрепление позволяет увеличить прочность ствола, не ме­няя качество стали, или уменьшить вес, не изменяя прочность ствола. Основной недостаток такого способа скрепления — это сложность и дороговизна производства стволов. Поэтому рассмо-

тренный способ скрепления применяется преимущественно в ору­диях крупного калибра и для изготовления стволов со скреплен­ным лейнером.

Скрепленный лейнер вставляется в кожух с малым натяжением (при температуре нагрева кожуха до 410—425° К), при котором образуется сила трения, обеспечивающая закрепление лейнера от смещения вперед' при выстреле. Смена скрепленных лейнеров мо­жет быть произведена только на заводе.

Искусственно напряжения в стенках ствола-моноблока соз­даются способом автофретирования. Сущность автофретирования состоит в том, что в канале заготовки трубы ствола создают дав­ление, превышающее предел упругости металла, при этом вну­тренние слои получают пластические деформации, а внешние — упругие.

После снятия давления наружные слои, получившие упругие деформации, стремятся принять прежние размеры, но этому пре­пятствуют внутренние слои, получившие пластические деформации и размеры которых увеличились по сравнению с начальными на величину остаточной деформации. В результате в стенках трубы создаются напряжения, аналогичные тем, которые возникают при скреплении ствола большим числом слоев.

При автофретировании наряду с созданием внутренних напря­жений получается упрочение металла внутренних слоев трубы за счет явления наклепа. Недостаток скрепления ствола автофрети- рованием заключается в том, что технология скрепления довольно сложна и требует особой аппаратуры. Кроме того, при повышен­ных режимах огня, когда происходит нагрев ствола выше 750° К, напряжения самокрепления исчезают и ствол превращается в обычный нескрепленный ствол-моноблок.

В зависимости от форм и устройства канала существуют сле­дующие конструкции стволов:

• нарезные цилиндрические;

• гладкостенные цилиндрические;

/ — цилиндро-конические комбинированные с цилиндрической нарезной частью и конической гладкой частью у дула;

• нарезные конические.

Наибольшее распространение получили нарезные цилиндриче­ские стволы, так как их значительно проще и дешевле изготовлять по сравнению с другими конструкциями нарезных стволов, в то же время они обеспечивают хорошую устойчивость снаряда, а следо­вательно, и хорошую кучность боя.

К стволам как главному узлу артиллерийского орудия предъ­являются следующие основные требования:

1. Ствол должен быть достаточно прочным, так как он под­вергается действию высокого давления газов. Прочность ствола считается достаточной, если после выстрела в стенках его неза­висимо от условий эксплуатации"(нагрев ствола, изменение усло­вий заряжания в допустимых руководящими документами преде­лах) не возникают остаточные деформации. Прочность ствола

обеспечивается качеством материала и соответствующими разме­рами стенок трубы, определенными расчетом.

2. Ствол должен быть оптимально жестким. Жесткость ствола оценивается стрелой прогиба под действием собственного веса и величиной вибрации стенок трубы при выстреле и от выстрела к выстрелу. Оптимальная жесткость обеспечивается рациональными размерами ствола. Как правило, стволы делают длиной не более 70—100 калибров при радиусе кривизны не менее 600 м и разно- стенности в каждом поперечном сечении не более 3 мм.

3. Ствол должен обладать большой живучестью, которая обес­печивается как конструктивными, так и эксплуатационными меро­приятиями.

Живучесть ствола оценивается количеством выстрелов, кото­рое можно сделать из него до полной потери им своих баллисти­ческих характеристик (давления, скорости, кучности).

2. Конструкция ствола в зависимости от величины боевого за­ряда должна обеспечивать заданную начальную скорость и устой­чивость снаряда в полете. Это требование выполняется конструк­тивными мерами.

3. Устройство ствола должно обеспечивать простоту и эконо­мичность его производства и эксплуатации.

Кроме перечисленных основных требований к стволам могут предъявляться специальные требования, связанные с назначением и особенностями эксплуатации орудия.