2.3. Силы, действующие на ствол оружия при движении снаряда по нарезной части канала ствола
Выстрел представляет собой совокупность механических, физико-химических, тепловых, термо- и газодинамических процессов, происходящих в орудии от момента начала воспламенения порохового заряда до момента окончания истечения пороховых газов из канала ствола после вылета снаряда. Главная цель выстрела – сообщить снаряду начальную скорость поступательного и вращательного движения. Поэтому часто выстрел определяют как сложный процесс, в результате которого химическая энергия порохового заряда превращается в энергию сильно сжатых и нагретых газов, совершающих при своем расширении работу по сообщению снаряду некоторой кинетической энергии.
Рассматривая явление выстрела поэтапно, можно выделить следующие характерные процессы, происходящие одновременно или последовательно:
- срабатывание капсюля-воспламенителя, зажжение и воспламенение порохового заряда;
- горение пороха в постоянном объеме (до начала движения снаряда);
- врезание ВП в нарезы ствола под действием силы давления пороховых газов;
- поступательное и вращательное движения снаряда под действием сил давления пороховых газов, реакции боевых граней и трения;
- горение пороха в увеличивающемся объеме (после начала движения снаряда);
- расширение газообразных продуктов сгорания пороха, в результате которого они совершают работу и приобретают скорость движения вдоль канала ствола;
- вытеснения столба воздуха из канала ствола снарядом;
- откат подвижных частей оружия;
- прорыв газообразных продуктов сгорания пороха между ВП снаряда и полями нарезов ствола;
- истечение продуктов сгорания пороха после вылета снаряда из канала ствола;
- теплообмен между газообразными продуктами сгорания пороха (теплоноситель) и элементами оружия;
- нагрев ствола вследствие действия сил трения, возникающих при движении снаряда.
Процесс выстрела весьма быстротечен и напряжен. Он длится сотые, иногда даже тысячные доли секунды, при этом максимальное давление газов достигает 300…400 МПа, а их температура – свыше 3000 К. При выстреле отдельным элементам оружия и снаряду сообщаются большие ускорения, в результате чего они приобретают значительные скорости поступательного и вращательного движения. При взаимодействии части оружия подвергаются значительным ударным нагрузкам большой интенсивности. В процессе выстрела происходит также значительный нагрев ствола оружия и его казенной части, что еще больше отягчает условия их работы.
Явление выстрела из артиллерийского оружия во времени условно делится на пять последовательных периодов:
1. Пиростатический. Длится с момента воспламенения капсюля патрона до момента воспламенения порохового заряда патрона.
2. Форсирования. Длится с момента воспламенения порохового заряда до врезания ведущего пояска снаряда в нарезы ствола.
3. Пиродинамический. Является наиболее сложным. Он длится от момента форсирования до конца горения заряда пороха. Порох продолжает гореть в переменном объеме. Заснарядное пространство заполнено смесью пороховых газов и горящих пороховых зерен. В начале движения снаряда, когда его скорость еще невелика, количество газов, образующихся вследствие горения пороха, увеличивается быстрее, чем объем заснарядного пространства, давление в стволе повышается и достигает максимума. Вместе с увеличением давления возрастает ускорение и скорость снаряда и, начиная с момента, когда давление достигнет максимального значения, объем заснарядного пространства увеличивается настолько быстро, что, несмотря на продолжающееся горение пороха и приток газов, происходит падение давления. Так продолжается до конца горения пороха. В этот период газы совершают большую часть работы.
4. Адиабатический (термодинамический). Охватывает время от конца горения пороха до вылета снаряда из канала ствола. В этот период пороховые газы расширяются, продолжает увеличиваться скорость снаряда. Длительность этого периода невелика, так как снаряд к его началу приобретает уже достаточно высокую скорость. Поэтому потерями тепла на нагревание стенок ствола и другими энергетическими потерями пренебрегают, считая, что в этот период происходит адиабатическое расширение газа.
5. Последействия. После вылета снаряда пороховые газы истекают из ствола, и некоторое время воздействуют на снаряд, увеличивая его скорость. Повышение скорости снаряда по сравнению с дульной весьма незначительно. Поэтому обычно полагают, что дульная скорость равна максимальной.
Активное воздействие снаряда на ствол осуществляется в периоды форсирования, пиродинамический и адиабатический. В эти периоды движение снаряда по НЧКС связано с преодолением сил препятствующих его движению: силы сопротивления врезанию ВП в нарезы ствола; силы сопротивления поступательному движению снаряда по НЧКС; силы инерции вращательного движения снаряда.
В период форсирования действие силы сопротивления врезанию FВР. ведущего пояска в нарезы ствола обусловлено отличием диаметров ведущего пояска снаряда и соединительного конуса ствола оружия (рисунок 2.5).
С
ила
FВР
возникает с момента начала обжатия ВП
снаряда соединительным конусом ствола
и быстро возрастает, достигая максимального
значения к моменту врезания ВП снаряда
на всю свою ширину.
При врезании ВП снаряда в нарезы происходит сложный процесс пластического и упругого пластического деформирования материала пояска при взаимодействии с соединительным конусом ствола (рисунок 2.6).
П
ри
этом между стенкой ствола и ВП снаряда
возникает контактная поверхность
площадью SК,
на которой развиваются контактные
напряжения:
– нормальное
напряжение, действующее со стороны ВП
снаряда на ствол;
– касательное
напряжение, действующее со стороны ВП
снаряда на ствол.
Для
того чтобы выразить силы, действующие
на ствол через параметры движения
снаряда будем рассматривать силы:
действующие со стороны ствола на ВП
снаряда. При этом согласно 3-му закону
Ньютона.
В
результате действия
со стороны ствола на ВП снаряда будет
действовать по оси снаряда сила
сопротивления врезанию
.
Первое слагаемое характеризует силу, совершающую работу по деформированию материала ВП. Величина первого слагаемого составляет от FВР:
8 ... 15 % при к = 10 ,
4
7. Изд. №9872
Второе слагаемое в формуле для FВР характеризует осевую составляющую силы трения ВП снаряда о поверхность соединительного конуса канала ствола.
Снаряд приходит в движение после того как давление пороховых газов в стволе достигнет величины равной давлению форсирования пороховых газов.
Давление форсирования – это давление пороховых газов в канале ствола в момент врезания ВП снаряда на полную ширину нарезов.
Для оружия калибра 23 мм и 30 мм сила сопротивления врезанию достигает максимального значения (20…40 кН) на расстоянии 7…10 мм от соединительного конуса ствола.
С
илы,
действующие на ствол оружия со стороны
ВП снаряда в пиродинамический и
адиабатический периоды, показаны на
рисунке 2.7.
Вращение снаряда происходит в результате давления боевых граней нарезов, которыми при правой нарезке являются правые грани нарезов. На этих гранях под действием ВП при движении снаряда возникают силы:
ФД, ФП – нормальные силы, действующие со стороны ствола на снаряд, приложены к поверхности дна и полю нареза, соответственно;
N – сила давления ВП снаряды на боевую грань нареза.
ТР ФД, ТР ФП, ТР N – силы трения, вызванные действием сил ФД, ФП, N соответственно (fтр – коэффициент трения скольжения).
Наибольшей по величине силой, действующей на ствол оружия при движении снаряда по НЧКС, т.е. в пиродинамический и адиабатической периоды, является сила N. Она приводит, при определенных условиях, к деформированию нарезов ствола. При определении этой силы будем рассматривать действие силы сопротивления поступательному движению снаряда по НЧКС, силы инерции вращательного движения снаряда, а так же силы трения.