§ 13.1. Накатники

Накатник служит для возвращения откатных частей артилле­рийского орудия после выстрела в исходное положение и удержа­ния их в этом положении при всех углах возвышения ствола. Как

Рис. 13.2. Схемы пружинных накатников: а — расположение пружин в одну колонку; б — телескопическое расположе­ние пружин; 1 — цилиндр тормоза; 2 — подвижный цилиндр; 3 — люлька

отмечалось, накатник участвует в торможении отката, аккумули­руя часть энергии, которая используется в дальнейшем для осу­ществления наката. Кроме того, аккумулированная накатником энергия может быть использована для автоматического открыва­ния затвора или приведения в действие других автоматических устройств.

Аккумулирование необходимой для наката энергии осущест­вляется у накатников с помощью упругого элемента (рабочего тела), который при откате сжимается. После отката он разжи­мается, накатывая ствол в исходное положение. В зависимости от природы рабочего тела различают следующие типы накатников: пружинные, гидропневматические и пневматиче­ские.

У пружинных накатников пружины могут быть рас­положены либо в одну колонку (один ряд), либо телескопически. В первом случае пружины надеваются на цилиндр тормоза отката.

(рис. 13.2, а) или на ствол. При телескопическом расположении (рис. 13.2,6) внутренняя пружина надевается на цилиндр тормоза l, наружная — на подвижный цилиндр 2, перемещающийся в люльке 3. Сжатие обеих пружин происходит одновременно. Дей­ствие на ствол телескопического накатника практически не отли­чается от однорядного. Основное его достоинство — малая длина, недостаток — большие поперечные размеры.

Рис. 13.4. Схемы гидропневматических на­катников с разделенными цилиндрами: а — без плавающего поршня; б —с плавающим поршнем; /—рабочий цилиндр; 2 —резервуар; 3 — плавающий поршень

Во всех случаях при большой длине пружины ее делают со­ставной (из коротких пружин). Короткие пружины легче изготов­лять, удобнее перевозить в ЗИП; в случае поломки заменяется не вся пружина, а часть ее. Для компенсации скручивающего мо­мента, появляющегося при сжатии и передающегося на опорные детали, пружину составляют из частей правой и левой навивки, чередуя их по длине. Для устранения влияния скручивающего мо­мента при применении одной пружины опорные детали могут снабжаться подшипниками качения или скольжения.

Основными достоинствами пружинных накатников являются:

• простота и компактность конструкции;

• нечувствительность силы накатника к изменению темпера­туры окружающей среды;

• простота эксплуатации (не требует проверок перед стрельбой).

Главный недостаток этих накатников — значительное (непро­порциональное) увеличение габаритов и веса пружин при увели­чении силы накатника. Отсюда пружинные накатники применяют

в орудиях с относительно небольшим весом откатных частей (на­пример, в орудиях малого калибра, горных и др.).

Гидропневматические накатники являются основ­ным типом накатников для полевой артиллерии. У них сжатый газ (воздух или азот) является рабочим телом; жидкость (стеол М, веретенное масло) изолирует газ от уплотнений, т. е. является гидравлическим запором для газа, обеспечивая герметичность на­катника. Накатник будет герметичен, если при любых углах возвышения (сниже­ния) жидкость будет полно­стью покрывать все уплот- нительные устройства. Для этого объем жидкости дол­жен составлять 0,5—0,65 объема накатника.

Конструктивно гидро­пневматические накатники выполняются либо с совме­щенными (рис. 13.3), либо с разделенными (рис. 13.4) цилиндрами.

Накатники (рис. 13.3,а), у которых вместе со стволом откатывается шток с порш­нем 1, имеют два цилинд­ра—рабочий 2 и наруж­ный 3. Для уменьшения ко­личества жидкости, а следовательно, и габаритов накатника внут­ренний цилиндр располагают эксцентрично наружному, смещая его вниз.

Накатники (рис. 13.3,6), у которых для увеличения массы от­катных частей откатываются цилиндры (шток с поршнем 1 закреп­лен в люльке 5), имеют дополнительно третий промежуточный ци­линдр 4. Промежуточный цилиндр исключает проникновение сжа­того воздуха через окно О к уплотнениям штока при больших углах возвышения (передняя часть люльки при этом поднимается вверх).

Накатник с разделенными цилиндрами (рис. 13.4, а) состоит из рабочего цилиндра 1 и резервуара 2, которые сообщаются между собой. При этом резервуар в принципе может иметь любую форму, Удобную для размещения в люльке. В цилиндрическом резервуаре жидкость иногда отделяют от газа с помощью плавающего порш­ня 3 (рис. 13.4,6). Если накатник заполнен воздухом, то наличие разделяющего поршня предотвращает растворение кислорода воз- на^ХдетаГ^ИДК°^СТИ' ^ЧТ° ^{снижает ве}Р^оятность образования коррозии

Щее^Нв^{КаТНИКИ С} Роенными цилиндрами применяются в настоя- ремя в орудиях сравнительно большой мощности (с тяже

лыми откатными частями). Для таких орудий они могут оказаться более компактными и удобными для размещения на лафете по сравнению с другими конструкциями.

Необходимо отметить, что применение разделенных цилиндров изменяет характер нагрузок, действующих на рабочий цилиндр. На стенки отдельного рабочего цилиндра действует только вну­треннее давление жидкости. У накат­ников с совмещенными цилиндрами на стенки рабочего цилиндра помимо вну­треннего давления жидкости действует равное по величине наружное давле­ние, которое в запоршневом простран­стве ничем не компенсируется. Как известно, наружное давление является для тонкостенных цилиндров более опасным, так как может привести к потере устойчивости стенок при сохра­нении прочности от действия такого же внутреннего давления.

Основными достоинствами гидро­пневматических накатников являются компактность конструкции и малый вес (при относительно большом весе откатных частей), легкость регулировки давления, а следовательно, и силы накат­ника.

Рис. 13.6. Схема пневматического накатника

К недостаткам этого типа накатников относятся относительная сложность конструкции, худшие эксплуатационные качества (необ­ходимость проведения проверок перед стрельбой) по сравнению с пружинными.

Некоторые накатники для облегчения условий работы тормоза отката имеют клапан дополнительного торможения наката (рис. 13.5). При откате давлением жидкости клапан а открывается и не препятствует проходу жидкости из рабочего цилиндра в на­ружный. При накате жидкость и пружина закрывают клапан. В этом случае за счет пробрызгивания жидкости через отверстия в клапане поглощается часть энергии наката.

Рис. 13.5. Схема накатника с клапаном дополнительного торможения наката: а — клапан

Пневматические накатники (рись 13.6) полностью заполнены газом, поэтому наиболее компактны. Они имеют более технологичное концентрическое расположение цилиндров, так как

для обеспечения герметичности небольшим количеством жидкости заполняются только уплотнения. Конструкция уплотнений такова, что давление жидкости в них больше давления газа в накатнике. Это достигается тем, что площади поршней (сжимающих жид­кость), обращенные к газу, больше площадей, обращенных к жид­кости (принцип, аналогичный принципу действия пластического обтюратора). Высокое давление жидкости передается затем ворот­никам уплотнений. Несмотря на очевидные достоинства, пневма­тические накатники нашли пока ограниченное применение из-за сложности конструкции уплотнений.

Для расчета противооткатных устройств необходимо знать зна­чение силы накатника в процессе отката и наката ствола. Задача состоит в определении силы накатника в функции от пути отката

Процесс сжатия и расширения газа в накатнике происходит по политропическому закону, т. е.

где—текущие значения давления и объема газа в накат­

нике;

— начальные их значения (до отката);

— показатель политропы, который принимают рав­ным 1, 2.

Решив уравнение (13.3) относительно р, будем иметь

Текущее значение объема газа из физических соображений

где— рабочая площадь поршня накатника;

— диаметр поршня;

— диаметр штока.

Формула (13.5) отражает тот факт, что текущий объем газа равен разности начального его объема и объема вытесненной из рабочего цилиндра жидкости к рассматриваемому моменту отката.

Найдем отношение -с учетом выражения (13.5):

— приведенная длина начального объема газа в на­катнике.

Тогда уравнение (13.4) с учетом зависимости (13.6) примет вид

Так как сила накатникаи начальная сила

то из уравнения (13.7) можно найти закон изменения силы накат­ника в функции пути отката:

Идентичное выражение имеет к закон изменения силы пневматического накатника. Характер изменения силы накатникапоказан на гра­

фике (рис. 13.7). Он может быть по­строен, если известны следующие ве­личины:— начальная сила накат­ника;— приведенная длина началь­ного объема газа. Начальную силу на­катника получают из условия надеж­ного удержания откатных частей при всех углах возвышения ствола. Для этого начальная сила должна преодолевать сопротивление двух сил — составляющей силы веса и силы трения, в случае если под действием каких-либо возмущающих факторов ствол отойдет от исходного положения после наката (например, колебаний после выстрела), т. е.

С учетом формулы (12.62) дляполучимили j

Полученное выражение представляет собой— функ­

цию, которая монотонно возрастает при изменении <р от 0 до неко­торого значения <р_т, соответствующего максимуму По. Это значе­ние найдем по общим правилам, т. е. из равенства

Рис. 13.7. График силы гидро­пневматического накатника

откудаПри

Для орудий полевой артиллерии максимальный угол возвыше­ния стволаПоэтому требуемая сила По рассчитывается_прис 10-процентным гарантийным запасом, т. е.

Начальная сила накатника, рассчитанная из таких соображе­ний, естественно, будет надежно удерживать откатные части и при меньших углах возвышения. На практике для полевых орудий

Приведенную длину начального объема газаопределяют, используя понятие о степени сжатия газа т. Степень сжатия — это отношение конечной силы накатника к начальной:

Из закона (13.8)Тогдаоткуда

У полевых орудий для гидропневматйческих накатников при­нимают

При выборе степени сжатия нужно руководствоваться следую­щими соображениями:

1. Принятая величина т должна быть меньше ее предельного значения, т. е.Предельное значение степени сжатия вы­текает из условия устойчивости орудия после отката. Так как по­сле откатаи

то

На практике

2. С увеличением т увеличивается избыточная энергия накат­ка, которая должна быть поглощена тормозом наката, чем

усложняются работа и конструкция тормоза.

3. Начальный объем газа в накатникеС увеличением т уменьшаютсяи начальный объем газа, а следовательно, уменьшаются и габариты накатника.

4. Увеличение т приводит к увеличению давления в накатнике в конце отката, что увеличивает интенсивность нагрева газа и

усложняет его обтюрацию.

Методику расчета конструктив­ных размеров гидропневматического накатника покажем на примере двухцилиндрового накатника с сов­мещенными цилиндрами.

Рис. 13.8. К расчету диаметра штока

1. Диаметр штока d опре­деляется из условия прочности штока в сечении с наименьшей пло­щадью (в месте канавки для выхода резца, рис. 13.8). Расчет ве­дется на растяжение:

ГДЕ

диаметр штока по дну канавки;

допустимое напряжение;

коэффициент запаса прочности

Знаяпо ГОСТ, определяют наружный диаметррезьбы хвостовика. Чтобы обеспечить свободный проход резьбы хвосто­вика через уплотнения при сборке, принимают диаметр штока d равным

2. Размеры рабочего цилиндра. Внутренний диа­метр D цилиндра находится из выражения для рабочей площади поршня накатника

откуда

Так как

ТО

Начальным давлениемв накатнике задаются. Для полевых орудий, у которых накатник заполняется воздухом вручную с по­мощью воздушно-гидравлического насоса, значение начального

давления принимают в пределах

Далее из расчета на прочность при наиболее неблагоприятном случае нагружения определяется наружный диаметррабочего цилиндра. Этот случай соответствует положению поршня накат­ника после совершения отката, когда на цилиндр действует на­ружное давлениеНаибольшие сжимающие напряжения в рабочем цилиндре под действием наружного давления опреде­ляются по формуле

где—испытательное давление накатника;

— внутренний радиус рабочего цилиндра;-

— наружный радиус рабочего цилиндра;

— допустимое напряжение;

— коэффициент запаса прочности.

Из формулы (13.15) наружный радиус рабочего цилиндра

Далее производится проверочный расчет на устойчивость формы. Под действием наружного давления жидкости цилиндр может быть раздавлен (сплющен).

Критическое давление, при котором это может произойти:

где— модуль упругости;

— коэффициент Пуассона;

— толщина стенок цилиндра.

Запас устойчивости определяется отношением

В существующих конструкцияхмм. Длина рабочего

цилиндра должна обеспечивать свободный ход поршня на вели­чину

3. Размеры наружного цилиндра. При известной Длине цилиндра внутренний диаметр наружного цилиндраза­перт от диаметра рабочего цилиндра, от начального объема газа

и жидкости. Установим связь между величинами(рис. 13.9). Площадь сегмента, занятого газом

Высота столба жидкости

Рис. 13.9. Поперечное сечение накатника

откуда

Подставив значение /?_ц в формулу (13.18), получим

Функцию

можно рассчитать, задаваясьи можно также построить график или составить таблицу (табл. 13.1).

С другой стороны, функцияравна

где(— расстояние между днищами наружного цилин­дра);

Из опыта проектирования

Из изложенного вытекает порядок определения внутреннего радиуса наружного цилиндра:

• по формуле (13.20) вычисляется;

• по известнойиз таблицы (графика) определяется;

• знаяпо формуле (13.19) определяют

Толщиной стенок наружного цилиндра обычно задаются=(4—7) мм. Тогда наружный радиус цилиндра

Имея размеры, производят проверочный расчет цилиндра на прочность (как толстостенного, нагруженного внутренним давле­нием) по зависимостям второй теории прочности:

где— испытательное давление. Коэффициент запаса прочности

Особенности расчета пружинного накатника состоят в сле­дующем.

Степень сжатия пружинного накатника обычно принимается m = 2. Тогда, знаяи рассчитав начальную силупо формуле (13.9), можно построить график силы пружины накатника, кото­рый, как известно, имеет прямолинейную зависимость (рис. 13.10). При этом.Закон изменения силы накатника

(уравнение прямой) найдем, используя подобие треугольников (рис. 13.10):

•

где— стрела предварительного сжатия пружины. Тогда

Стрела предварительного сжатия опрелеляется из выражения

(13-22) при условии, что, когдаВ этом случае

»

откуда

Из выражения (13.23) следует, что при т = 2 стрелапредва­рительного сжатияЖесткость пружины С, равная, опре­делится выражением

Рис. 13.10. График силы пружинного накатника

Далее, имея величины С,и исходя из конструктивных сообра­жений, рассчитывают пружину.