§ 14.1. Уравновешивающие механизмы

Одним из путей повышения устойчивости орудий при стрельбе является уменьшение высоты их линии огня. В этих орудиях для обеспечения удобства заряжания ствола при больших углах воз­вышения и для исключения удара его казенной части об основание

Рис. 14.1. Схема расположения центра тяжести качающейся части орудия относительно оси цапф

(грунт) при откате качающаяся часть вынесена вперед относи­тельно оси цапф. При такой конструкции качающейся части ее сила тяжестиприложенная в центре тяжести G (рис. 14.1). создает относительно оси цапф — точки О — момент, который за­трудняет или делает невозможной работу подъемного механизма при наведении ствола.

Момент силы тяжести качающейся части .относительно оси цапф равен произведению силы тяжестина плечогде—расстояние между осью цапф (точка О) и центромтя­жести качающейся части (точка G),—угол между отрезком^й горизонтом. Тогда

Следовательно, величина моментаизменяется в зависимости от углапозакону косинусоиды, т. е. наибольшее значениебудет при, а наименьшее —при

В орудиях, у которых центр тяжести качающейся части не на­ходится на оси канала ствола, уголотличается по величине от угла возвышения стволаМежду этими углами существует сле­дующая зависимость:

где— угол в вертикальной плоскости между линией, соединяю­щей центр тяжести качающейся части с осью цапф, и ли­нией, проходящей через ось цапф (точка О) параллельно оси канала ствола; знак «плюс» относится к случаю, ко­гда центр тяжести располагается выше оси цапф, а знак «минус» — когда ниже оси цапф.

Уголнаходится по формуле

где—координаты центра тяжести качающейся части

(точка G) относительно оси цапф при(рис. 14.2).

В орудиях для облегчения работы подъемного механизма дей­ствие моментакомпенсируют или утяжелением казенной части ствола (противовесом), приводящим центр тяжести качающейся части на линию оси цапф, или применением специального устрой­ства, называемого уравновешивающим механизмом, который соз­дает относительно оси цапф момент. направления, противопо­ложного(рис. 14.3), т. е. уравновешивает качающуюся часть относительно оси цапф. Следовательно, уравновешивающий меха­низм предназначен для уравновешивания качающейся части от­носительно оси цапф, чем облегчается работа подъемного меха­низма. В зависимости от величины моментаи характера его изменения при придании качающейся части углов возвышения различают схемы полного, частичного и неполного уравновешива­ния качающейся части.

Схема полного уравновешивания — это когда при всех углах возвышения ствола, допускаемыхконструкцией орудия, момент силы тяжести качающейся, частиравен по абсолютной вели­чине моменту уравновешивающего механизма (рис. 14.4,а), т.е.

Схема частичного уравновешивания — это когда при всех углах возвышения ствола, допускаемых конструкцией орудия, момент силы тяжестибольше или меньше по абсолютной величине момента уравновешивающего механизма:

Для рассмотренной схемы уравновешивания алгебраическая сумма

где— момент неуравновешенности качающейся части.

Величина момента AM в основном определяет размер усилия на ведущем звене (маховике) подъемного механизма.

Схема частичного уравновешивания применяется у орудий с электрическим и гидравлическим приводами для частичного облег­чения работы подъемного механизма.

Схема с неполным уравновешиванием качающейся части — это когда при одном или нескольких значениях угла возвышения ствола момент силы тяжести качающейся частиравен по абсо­лютной величине моменту уравновешивающего механизмапри других значениях угла возвышения ствола эти моменты по абсолютной величине не равны (рис. 14.4,6), т.е.

где— угол (углы) возвышения ствола, при котором достигается равенство абсолютных величин моментови

При такой схеме уравновешивания качающейся части усилие на ведущем звене подъемного механизма определяется наибольшей величиной момента неуравновешенности

Как правило, схема неполного уравновешивания применяется орудиях с ручным приводом подъемного механизма. При этом, когда усилие на маховике подъемного механизма выходит за пре-

делы установленных величин, его значение изменяют за счет уменьшения момента

Уравновешивающие механизмы классифицируются по следую­щим основным признакам:

• по месту приложения силы уравновешивающего механизма к качающейся части;

• по виду рабочего тела.

По месту приложения -силы к качающейся части уравновеши­вающие механизмы делятся на толкающие, тянущие и моментные.

Под уравновешивающими механизмами толка ю щ е г о типа понимаются такие, сила которых приложена к качающейся части впереди оси цапф (рис. 14.3). Эти механизмы получили наиболь­шее распространение. Их главным достоинством является умень­шение давления цапф люльки на цапфенные гнезда верхнего станка, а следовательно, и уменьшение сил трения при наводке. Такое воздействие уравновешивающего механизма на качающуюся часть орудия требует делать наметки и их крепления достаточно прочными.

Под уравновешивающими механизмами тянущего типа понимают такие, сила которых приложена к качающейся части сзади оси цапф (рис. 14.5, а). Применение таких механизмов по­зволяет удобнее размещать их на лафете. Недостатком данного типа уравновешивающего механизма является то, что своим дей­ствием он увеличивает трение в цапфах люльки.

Под уравновешивающими механизмами моментного типа понимаются такие, момент которых приложен непосредственно к оси цапф качающейся части (рис. 14.5,6). Моментные уравнове­шивающие механизмы разгружают наметки и их крепления, но увеличивают силу трения в гнездах цапф. Как правило, такие ме­ханизмы применяются в орудиях малого калибра.

В зависимости от вида применяемых рабочих тел уравнове­шивающие механизмы делятся на пружинные, торсионные и пнев­матические.

Достоинством пружинных уравновешивающих ме­ханизмов являются:

•— возможность лучшего уравновешивания;

—■■ малое колебание величины момента неуравновешенности при изменении углов возвышения;

• практически нечувствительность силы уравновешивающего механизма к изменению температуры окружающей среды;

• простота конструкции и обслуживания.

К недостаткам пружинных механизмов следует отнести:

• трудность изготовления пружин с заданной жесткостью (с вполне определенными характеристиками);

• осадка пружин с течением времени, что ведет к расстрой­ству работы механизма;

• большие габариты уравновешивающих механизмов для ору­дий среднего и крупного калибров.

К достоинствам торсионных уравновешивающих механизмов относятся:

• простота обслуживания;

• нечувствительность работы механизма к изменению темпе­ратуры окружающей среды;

• • Рис. 14.5. Уравновешивающие механизмы: а — нагружающие оси цапф; б — моментные

  высокая прочность на усталость по сравнению с пружин­ными механизмами.

К недостаткам их следует отнести сложность конструкции и трудность обеспечения уравновешивания качающейся части при изменении угла возвышения в широком интервале.

К достоинствам пневматических уравновешиваю­щих механизмов относятся компактность, малая масса и простота регулировки.

Недостатками их являются: • большое колебание момента неуравновешенности при изме­нении угла возвышения ствола;

• зависимость работы от температуры окружающей среды;

• неоднообразность уравновешивания в зависимости от на­правления и скорости придания угла возвышения, от изменения величины сил трения в уплотнительных устройствах, т. е. зависи­мость силы, а следовательно, и момента механизма от направле­ния и скорости движения ствола орудия при наводке.

Несмотря на существенные недостатки пневматических уравно­вешивающих механизмов, они получили наибольшее распростране­ние в современных орудиях вследствие своей компактности и ма­лой массы.

К уравновешивающим механизмам предъявляются следующие основные требования:

• хорошее уравновешивание качающейся части орудия во всем диапазоне углов вертикальной наводки, т. е. усилие на ма­ховике подъемного механизма должно быть постоянным во всем диапазоне вертикальной наводки;

• однообразность уравновешивания качающейся части ору­дия при изменении углов вертикальной наводки как по направле­нию, так и по скорости;

• нечувствительность силы уравновешивающего механизма к колебаниям температуры окружающей среды;

• компактность (небольшие габариты) и малая масса;

• длительность срока службы;

• простота конструкции, обслуживания и ремонта;

• усилие на маховике при работе подъемного механизма дол­жно быть по возможности одинаковым как при незаряженном, так и при заряженном орудии.

Пружинные уравновешивающие механизмы

Пружинный уравновешивающий механизм (рис. 14.3) состоит из пружины 1 (одной или нескольких), расположенной в поджа­том состоянии во внутренней полости наружного 2 и внутреннего 3 цилиндров. Наружный цилиндр через подвижный шарнир В свя­зан с качающейся частью, а внутренний через неподвижный шар­нир А — с верхним станком. Сила пружинысоздает момент от­носительно оси цапфобратный по величине моменту силы тя­жести качающейся части. При этом происходит полное или частич- ноо ее уравновешивание, в результате чего облегчается работа подъемного механизма.

Момент пружинного уравновешивающего механизма

где—сила пружины;

h — плечо действия силыотносительно оси цапф. Известно, что сила пружины пропорциональна стреле сжатия (рис. 14.6), поэтому можно написать

где с—коэффициент жесткости пружины,характеризующий ско­рость нарастания силы пружиныпри увеличении стре­лы сжатия;

s — стрела сжатия пружины.

Подставляя значение силыиз формулы (14.8) в выражение (14.7), получим

Для обеспечения полного уравновешивания качающейся части необходимо, чтобы правая часть выражения (14.9) изменялась по закону косинуса. Однако следует отметить, что возможное теоре­тически полное уравновешивание во всем секторе вертикальной наводки сложно осуществить в действительности из-за производ­ственных трудностей изготовления пружин с заданными характе­ристиками, неизбежной с течением времени осадки пружин, нали­чия трения в шарнирах уравновешивающего механизма, в цапфах люльки и влияния собственной силы тяжести уравновешивающего механизма. Поэтому на практике полное уравновешивание про­изводят только для двух или трех значений угла возвышения, а Для остальных значений в пределах сектора вертикальной наводки осуществляют частичное уравновешивание качающейся части, т. е. рименяют схему неполного уравновешивания качающейся части.

Насчет пружинного уравновешивающего механизма толкаю­щего типа с полным уравновешиванием в двух точках =0 и

) сводят к установлению равенства момента уравновеши­вающего механизма моменту силы тяжести качающейся части для этих точек. Эти равенства имеют следующий вид: при

при

где—силы уравновешивающего механизма при углах

возвышения соответственно

— плечи действия уравновешивающих сил соот­ветственно при

•—число колонок;

— угол возвышения центра тяжести качающейся части при

— угол возвышения центра тяжести качающейся части при

Величиныопределяются конструкцией орудия. Из

условий (14.10) и (14.11) получаем

Для дальнейшего расчета необходимо установить зависимость плеч h₀ и h_m от конструктивных размеров. Положим, что уравно­вешивающий механизм расположен на орудии так, как показано на рис. 14.2. Так как площадь треугольника

то

по аналогии

Расстояние между шарнирами~ при

определяют по теореме косинусов из треугольников

Тогда после подстановки значенийив зависимости (14.15) и (14.16) получим

Затем по выражениям (14.12) и (14.13) вычисляютии строят диаграмму работы пружины, из которой опреде­ляют жесткость пружины по зависимости

и начальную стрелу сжатия пружины

После этого вычисляютдля различных углови строят

графики. По графику определяют момент

неуравновешенностиВеличинане должна увеличи­

вать усилие на маховике подъемного механизма выше допустимого предела. Если это условие не выполняется, то необходимо изме­нить конструктивные размеры механизма и по измененным значе­ниямповторить расчет механизма.

Пневматические уравновешивающие механизмы

Пневматические уравновешивающие механизмы (рис. 14.7, а) состоят из одной или двух колонок. Колонка состоит из наруж­ного 1 и внутреннего 2 цилиндров, которые при работе механизма перемещаются относительно друг друга под действием силы дав­ления газа, находящегося во внутренних полостях цилиндра. Вну­тренний объем цилиндров герметизирован воротниковым уплотне­нием 3. Над воротниковым уплотнением находится жидкость 6, ко­торая создает гидравлический запор. К наружному цилиндру на сварке крепится вентильное устройство 7, которое предназначено Для наполнения и выпуска из колонки газа и жидкости.

Давление газа р во внутренних полостях цилиндров создает силу пневматического уравновешивающего механизма:

где s ------ площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра.

При вертикальной наводке ствола в результате относительного ремещения цилиндров изменяется объем внутренней полости колонки w, а следовательно, изменяются и параметры газа (объем,

давление, температура), находящегося в ней. Изменение парамет­ров газа происходит по политропическому закону, т. е.

где— соответственно давления во внутренней полости ко­

лонки при углах возвышения ствола

—соответственно объемы газа в колонке при углах возвышения ствола

—показатель политропы.

Из уравнения (14.20) определяют значение р и, подставляя его в выражение (14.19), получают

Приводят отношениек виду, затем делят числи­тель и знаменатель этого отношения наs и получают

где—приведенная длина начального объема газа в ко­

лонке при;

—ход цилиндра колонки, отвечающий углу возвыше­ния ствола

После подстановки зависимости (14.22) в выражение (14.21) получают

В соответствии с видом выражения (14.23) кривая усилия ме­ханизма в зависимости от относительного перемещения цилиндров представляет собой политропу (рис. 14.7,6). Следовательно, мо­мент уравновешивающего механизмапритак­же будет изменяться по политропическому закону.

На практике пневматическим уравновешивающим механизмом трудно обеспечить хорошее уравновешивание в широком диапазоне изменения углов возвышения из-за различных законов изменения моментов

Конструкции большинства пневматических уравновешивающих механизмов имеют специальные устройства, которые позволяют поддерживать величину момента неуравновешенностив необ­ходимых пределах при изменении угла возвышения ствола и регу­лировать работу механизма При изменении температуры окружаю­щей среды. Очень часто в пневматическом уравновешивающем механизме роль устройства для поддержанияв необходимых пределах выполняет пружина 1 (рис. 14.8), установленная на стержне 2, который в свою очередь закреплен неподвижно в на­ружном цилиндре 3. Пружина 1 помещена во внутреннем цилин­дре 4. Работа данного механизма происходит следующим образом.

При перемещении вверх наружного цилиндра на величину х пружина 1 свободно поднимается и никакого влияния на силу Уравновешивающего механизма и, следовательно, на моменте оказывает. При дальнейшем перемещении наружного цилиндра стш!^КИНа ^ У^шШ^ается в торец внутреннего цилиндра и под дей- пруж^{М давления газа} начинает сжиматься. При этом вектор силы приложен к стержню 2, а следовательно, и к наруж-

ному цилиндру и направлен в обратную сторону от силы давления газаТаким образом, на наружный цилиндр действуют две

силы, равнодействующая которых есть сила уравновешивающего

механизма

Чем больше будет величина перемещения цилиндра х, тем больше будет увеличиваться сила пружиныпри одновременном уменьшении силы

Поэтому величина момента неуравновешенности будет подпер; живаться в необходимых пределах во всем секторе вертикальной наводки (рис. 14.9). Без. этого устройства величинабыла бы больше допустимого значения, что наглядно показывает диаграм- _ ма изменения величины(рис. 14.9)—пунктирная линия.

Пневматический уравновешивающий механизм аналогичного действия имеют гаубица Д-30 и другие орудия.

При колебании температуры окружающей среды в пневмати­ческих уравновешивающих механизмах изменяется давление газа

в колонке, а следовательно, и изменяются усилиеи моментЭто приводит 'к увеличению момента неуравновешенностив результате чего затрудняется работа на подъемном меха­низме.

Рис. 14.9. Диаграмма уравновешивания пневматиче­ского уравновешивающего механизма с пружиной

Для поддержания момента уравновешивающего механизма не­обходимой величины в интервале суточного колебания темпера­туры воздуха (примерно в пределах) в конструкции меха­низма предусматривается специальное регулировочное устрой­ство.

Регулировка величины момента уравновешивающего механизма при колебании температуры окружающей среды производится либо за счет изменения плеча действия силы h, либо за счет под- Держания постоянного значения силыиликомбинированным способом. При этом постоянное значение силыподдерживается компенсационным или объемным способом.

Компенсационный способ заключается в том, что за счет до­полнительного подвода (отвода) газа из отдельных емкостей (компенсаторных баллонов) в колонке устанавливают требуемое Давление. Объем газа в цилиндрах при этом способе регулировки е изменяется, а количество его меняется.

Объемный способ установления заданного давления газа за­дается в том, что путем изменения объема, занимаемого определенным количеством газа, поддерживают давление газа требуе­мой величины.

Задача расчета пневматического уравновешивающего механиз­ма сводится к определению:

• величины силы уравновешивающего механизма, при кото­рой достигается равенство моментов М_к и М_у для заранее приня­тых углов возвышения качающейся части;

• наибольшего объема воздуха;

• конструктивных размеров механизма;

• прочности деталей механизма.

Расчет сил пневматического уравновешивающего механизма ведется аналогично пружинному.

• Определяют рабочую площадь поршня 5, предварительно задавшись начальным давлением в колонке уравновешивающего механизма /?о=(4-нЮ) 10⁶ Н/м².

• Устанавливают приведенную длину начального объема газа по зависимости

— полный ход подвижного шарнира;

— степень сжатия газа в колонке механизма;

п — показатель политропы. 3. Определяют начальный объем газа

4. Вычисляют силу трения Т в уплотнительных устройствах механизма по формуле

Действительная сила уравновешивающего механизма Р_эу, при­ложенная к качающейся части, определяется по зависимости

где знак «—» берется при подъеме качающейся части, а « + » при опускании.

Затем вычисляют моментыи А1_у дляуглов <рг с интервалом 10—15° и строят графики и как для случая

опускания, так и для подъема качающейся части, после чего опре­деляют ДМтах для указанных выше случаев и величины усилия на маховике подъемного механизма при

Цилиндры механизма рассчитывают на прочность, как толсто­стенные трубы, по зависимости

Конструктивные размеры цилиндров выбираются такими, чтобы в них помещался расчетный объем газа при давлении р₀.