§ 11.2. Запирающие механизмы

Запирающие механизмы предназначаются для надежного за­пирания канала ствола при выстреле. Существуют следующие основные виды этих механизмов:

• клиновые запирающие механизмы гильзовой обтюрации;

• клиновые запирающие механизмы безгильзовой обтюрации;

• поршневые запирающие механизмы гильзовой обтюрации;

• поршневые запирающие механизмы безгильзовой обтю­рации.

Клиновые запирающие механизмы гильзовой обтюрации (рис. 11.1) состоят из клина 1, кривошипа 2 (од­ного или двух) с осью 3.

Клин 1 представляет собой призматическую Деталь, передняя поверхность которой называется зеркалом и выполнена перпенди­кулярно оси канала ствола,а задняя опорная грань наклонена к передней под угломНаклон клина облегчает от­

крывание и закрывание затвора и обеспечивает досылание гильзы в камору.

Кривошип 2 предназначен для перемещения клина при откры­вании и закрывании затвора и служит замыкающим звеном ме­ханизма.

Запирание канала ствола этим механизмом происходит следую­щим образом. Кривошип, поворачиваясь вместе с осью, давит на фигурный вырез клина и перемещает его вертикально или гори­зонтально в гнезде казенника. Так как задняя грань наклонена к зеркалу, то движение клина происходит не только вертикально или горизонтально, но и несколько вперед. При этом клин перед­ней гранью досылает гильзу в камору и, занимая определенное положение, запирает канал ствола. Кривошип не дает возможно­сти перемещаться клину в обратном направлении.

Для надежного запирания канала ствола необходимо исклю­чить перемещение клина под действием на него сил при выстреле, т. е. для этого следует обеспечить условие самоторможения клина и иметь замыкающее звено в механизме.

Условие самоторможения клина достигается выбором соответ­ствующего угла наклона задней грани клина у- Требуемая вели­чина угла у определяется из уравнений равновесия клина при вы­стреле. Уравнения равновесия клина на основе схемы сил, дей­ствующих на него при выстреле (рис. 11.2), запишутся в следую­щем виде:

^рде—сила давления пороховых газов на зеркало клина;

—нормальная реакция на клин со стороны опорных по­верхностей казенника;

— сила трения, действующая со стороны опорных поверх­ностей казенника;

— сила трения, действующая на клин со стороны дна гильзы;

— сила инерции клина;

— сила тяжести клина;

—коэффициенты трения.

„ Подставляя значениеиз выражения (11.3) в уравнение (11.1)

и решая его относительно, получим

Так кактос погрешностью, не превышаю­

щей 1 %, можно принять; поскольку

то выражение (11.5) можно записать так:

Подставив выражения (11.4) и (11.6) в уравнение (11.2), по­лучим

Анализ уравнения (11.7) показывает, что составляющие создают равнодействующую силу, стремящуюся вытолкнуть клин из гнезда, а составляющие

создают равнодействующую силу, которая удерживает клин в ка­зеннике. Следовательно, условия равновесия клина будут следую­щими:

или

Разделив обе части неравенства (11.8) наи приняв

получим

Пренебрегая членомполучим уравнение (11.9) в следующем виде:

Принимаятак как уголмал, получим

Уравнение (11.11) является условием самоторможения клина, т.е. клин будет самотормозящим, если угол наклона его задней гранибудет меньше удвоенного значения коэффициента трения.

Величина коэффициента трения зависит от состояния сопри­касающихся поверхностей, свойств и качества применяемой смазки и условий эксплуатации. Кроме того, коэффициент трения зависит в определенных пределах от количества смазки на опорных по­верхностях. При слегка смазанном клинеа при обильно смазанном клине

Угол наклона задней грани клинаделается в интервале от 1°20' до 1°40' и соответственно в радианах

Нижний предел углаограничивается возрастанием усилия, необходимого для открывания и закрывания клина, а верхний —■ трудностью обеспечения условия самоторможения.

Сопоставление значений углаи коэффициента тренияпока­зывает, что условие самоторможения дляне выполняется. Поэтому орудия с обильно смазанным клином не сле­дует допускать к стрельбе.

Условие самоторможения недостаточно для надежного запира­ния канала ствола клином по следующим причинам:

— в современных орудиях закрывание клина происходит с большими скоростями, при которых из-за отскока клина возможно самопроизвольное отпирание затвора;

в процессе эксплуатации возможны случаи нарушения усло­вия самоторможения клина из-за обильной смазки опорных по­верхностей.

Поэтому в запирающем механизме для обеспечения надежного запирания кроме выполнения условия самоторможения клина предусмотрено замыкающее звено, которое исключает самопроиз-

вольное отпирание канала ствола в случае нарушения условия самоторможения клина. Как правило, роль замыкающего звена выполняет кривошип.

При нарушении условия самоторможения (11.11) на кривошип со стороны клина действует сила(рис. 11.1), стремящаяся по­вернуть кривошип. Вектор силыприложен к кривошипу и на­правлен нормально к касательной, проведенной к пазу клина в точке касания ролика кривошипа. Кроме того, в этом случае между кривошипом и клином возникает сила трения

где— коэффициент трения между кривошипом и клином.

Для надежного запирания канала ствола в случае нарушения условия самоторможения необходимо, чтобы кривошип, обеспечи­вая силу реакции на клин, не поворачивался относительно точки О.

Реакцию(рис. 11.1) определяют из уравнения равновесия клина при выстреле относительно оси У, которое имеет следующий вид:

где—угол наклона касательной к запирающему пазу клина в точке касания ролика кривошипа.

С учетом зависимостей (11.3) и (11.4), решая уравнение (11.13) относительнои считаянаходят

или, преобразуя зависимость (11.14) подобно тому, как было сде­лано при выводе условия самоторможения (11.11), получают

Анализ зависимости (11.15) показывает, что значение силыв основном определяется величиной членат. е. степенью

нарушения условия самоторможения клина.

Прочностной расчет кривошипов производят по величине силы

Для исключения поворота кривошипа с осью под воздействием силинеобходимо, чтобы момент сил относительно этой оси был равен нулю или был направлен в сторону закрывания клина.

В клиновых затворах в зависимости от положения вектора силы R_n различают три схемы положения центра кривизны паза.

В первой схеме (рис. 11.3, а) центр кривизны паза лежит левее оси кривошипа, и направление действия силы R_N проходит ле­вее оси вращения кривошипа, а момент от силы, действующей на кривошип, будет препятствовать опусканию клина. В этом случае кривошип стремится повернуться против хода часовой стрелки, а

сила трения, приложенная к нему, будет направлена в противопо­ложную сторону. Поэтому условие, исключающее перемещение клина вниз, выражается следующим неравенством:

где—радиус кривошипа;

— угол между нормалью к поверхности дугового паза в точке касания кривошипа и вертикальной плоскостью;

— угол между радиусом кривошипа и вертикальной плос­костью.

С учетом зависимости (11.12) условие (11.16) запишется так: откуда } \

Так какгде—угол трения, то

т. е. для надежного запирания начальный угол установки криво­шипа должен быть меньше разности угла наклона нормали дуго­вого паза в точке касания ролика кривошипаи угла трения рз. Следовательно, запирание клина будет тем надежнее, чем меньше коэффициент трения между роликом и клином.

При такой схеме затрудняется открывание затвора, так как, прежде чем начать движение вниз, клин должен приподняться вверх на величинуЭта схема обеспечивает хорошую надеж­ность запирания ствола в случае нарушения условия самотормо­жения и не требует постановки специальных стопоров для исклю­чения поворота кривошипа.

Вторая схема — центр кривизны паза лежит правее оси враще­ния кривошипа (рис. 11.3,6). При такой схеме сила вызывает по­ворот кривошипа в сторону открывания клина. Сила трения при

этом препятствует открыванию клина. В этом случае условие, ис­ключающее поворот кривошипа, т. е. опускание клина, будет сле­дующее:

или откудатак как то

I

т. е. для надежного запирания начальный угол установки криво­шипадолжен быть меньше суммы угла наклона нормали дуго­вого паза в точке касания ролика кривошипа а и угла трения

Из анализа условия (11.23) следует, что запирание клина бу­дет тем надежнее, чем больше коэффициент трения. Поэтому целесообразно при такой схеме расположения центра кривизны паза ролик кривошипа заменить шипом, т. е. трение качения заме­нить скольжением.

Клин, имеющий такую схему положения центра кривизны, легко открывается, но не обеспечивает надежности запирания, поэтому в конструкции таких запирающих механизмов необходимо иметь стопорное устройство, которое препятствует повороту кри­вошипа. В частности, таким стопорным устройством в затворе с полуавтоматикой является пружина закрывающего механизма.

В третьей схеме конструкции кривошипа (рис. 11.3, в) вектор силыпроходит через ось вращения кривошипа, а направление силызависит от направления движения кривошипа. При такой схеме паза затвор легко открывается и надежно запирается, так как силане создает момента ни на открывание, ни на закры­вание. В условиях производства получить данную схему в чистом виде трудно из-за допусков на изготовление.

Прочность клинового запирающего механизма обеспечивается выбором определенных размеров и формы деталей на основании их расчета

Клин в первом приближении рассчитывается как балка, лежа­щая на двух опорах (рис. 11.4) и имеющая длину пролеташиринугде—диаметр камеры у казенного среза.

Для этого случая расчетная формула определения высоты клина будет иметь вид

где— максимальное давление газов на дно канала ствола;

' — допустимое напряжение на изгиб для материала клина.

Уточненный расчет клина на прочность производят после уста­новления формы и размеров вырезов в клине для деталей меха­низмов затвора. Имеются и другие методы расчета клина.

Основной деталью поршневого запирающего меха­низма является поршень с секторными выступами (рис. 11.5).. Поршень представляет собой деталь, на наружной поверхности которой для быстроты открывания и закрывания затвора сделаны

не сплошные, а секторные витки нарезов. У поршня делают два нарезных и два гладких сектора, а иногда и больше, если хотя! облегчить процесс запирания и отпирания затвора за счет умень­шения угла поворота поршня. Поршневые затворы делают двух­тактными (152-мм гаубица Д-1, 203-мм гаубица Б-4М и др.) или трехтактными (203-мм гаубица Б-4М, 305-мм гаубица).

У двухтактных затворов при закрывании поршень совершает поворот совместно с рамой вокруг оси рукоятки, а затем поворот вокруг собственной оси. При открывании затвора процесс повто­ряется в обратном порядке.

При повороте вокруг оси рукоятки поршень вводится в гнездо казенника, при этом его нарезные секторы становятся напротив гладких секторов гнезда. При повороте вокруг собственной оси на­резы поршня войдут в зацепление с нарезами гнезда казенника. При этом поршень надежно запирает канал ствола и, кроме того, перемещаясь при повороте вперед, досылает гильзу в камору. При открывании затвора поршень поворачивают вокруг оси на столько, чтобы его нарезные секторы стали напротив гладких секторов ка­зенника, после чего поршень выводится из гнезда путем поворота его вокруг оси рукоятки.

У трехтактных затворов имеются следующие перемещения поршня:

• поворот поршня с рамой вокруг оси рукоятки;

• перемещения поршня вдоль собственной оси;

• поворот вокруг собственной оси.

Самоторможение поршня (исключение вращения под действием силыво время выстрела) обеспечивается выбором соответ­ствующего угла наклона у витков поршня. Величина угла наклона нареза определяется аналогично величине угла наклона клина и принимается равной 1°. Для обеспечения надежного запирания в поршневом запирающем механизме, как и в клиновом, преду­сматривается замыкающее устройство, роль которого обычно вы­полняет зуб рукоятки, сцепленной с рамой или казенником и тем самым предотвращающей поворот поршня при выстреле.

Резьба поршня рассчитывается на изгиб, срез и смятие. При этом полагают, что первый виток воспринимает максимальную нагрузку, равную 0,34

В этом случае изгибающий момент на витке

где t — высота витка.

Момент сопротивления сечения витка

где— коэффициент, показывающий, какая часть окружности поршня занята нарезными секторами; для поршней с двумя нарезными секторамис четырьмя

— диаметр поршня до основания нарезов;

— ширина витка у основания.

Напряжение изгиба

Напряжение среза

Напряжение смятия

Кроме расчета на прочность резьбы поршень рассчитывается на прочность дна и проверяется на жесткость узла запирания, который определяется вели­чиной зазорамежду зер­калом поршня и дном гиль­зы при выстреле.

В запирающем ме­ханизме безгильзо­вой обтюрации роль обтюратора выполняет не металлическая гильза, а пла­стический обтюратор или об­тюратор другого типа. Ме­таллическая гильза обеспечи­вает надежную обтюрацию, удобное заряжание, сохран­ность боевого заряда и од­нообразность его воспламе­нения, но имеет большую пассивную массу, составля­ющую 20—30% массы всего выстрела, и сравнительно высокую стоимость.

Основное преимущество безгильзовой обтюрации —

отсутствие металлической гильзы. Однако этот способ обтюрации ведет к усложнению конструкции запирающего механизма.

В настоящее время в запирающих механизмах безгильзовой обтюрации наибольшее распространение получили пластические обтюраторы (рис. 11.6).

Основными деталями пластического обтюратора являются об­тюраторная подушкагрибовидный стержень 2, поршень 3 и раз­резные кольца 4. Обтюраторную подушку изготовляют из мате­риала, который обладает свойством передавать давление во все стороны, как жидкая среда; она служит для обтюрации пороховых газов в казенной части ствола.

Рис. 11.6. Схема поршневого запирающего механизма с пластическим обтюратором: / — обтюраторная подушка; 2 — грибовидный стержень; 3 — поршень; 4 — разрезные кольца

Грибовидный поршень предназначается для создания при вы­стреле в обтюраторной подушке давления выше давления порохо вых газов в канале ствола, чем достигается плотное прижатие по­душки к обтюраторному скату ствола, т. е. надежная обтюрация. Разрезные кольца предохраняют обтюраторную подушку от вдав­ливания ее в зазоры между грибовидным стержнем, стенками ка­моры и поршнем.

При выстреле давление пороховых газов передается на обтю­раторную подушку через грибовидный стержень. Под действием давления обтюраторная подушка, уменьшаясь по толщине, плотно прижимается к обтюраторному скату. Газы не могут отжать по­душку от поверхности ската, так как давление внутри подушки выше, чем в канале ствола.

Давление в обтюраторной подушке определяют из условия рав­новесия грибовидного стержня, которое будет следующим:

где—давление пороховых газов на грибовидный стержень;

— наибольшая площадь поперечного сечения грибовид­ного стержня;

— давление обтюраторной подушки на грибовидный стер­жень;

— площадь поперечного сечения обтюраторной подушки, действующей на грибовидный стержень;

— давление окружающей среды;

— площадь поперечного сечения стержня.

Так както для упрощения выкладок членом

в дальнейшем пренебрегаем. Из условия (11.30) получаем

С учетом коэффициента Пуассона материала обтюратора урав­нение (11.31) будет таким:

где—коэффициент Пауссона I

Для надежной обтюрации необходимо, чтобы р₀б было больше р_т примерно на 10—15%, т. е. чтобы

Это обеспечивается подбором отношения диаметровиОбычно

Высоту головки грибовидного стержня проверяют на срез по формуле

где h — высота головки.

Величинадолжна быть не более