§ 10.4. Расчет ствола-моноблока на прочность

Прочностной расчет стволов производят после решения задачи их баллистического проектирования, в результате которой полу­чают все необходимые конструктивные данные для построения ка­нала стволаи условия заряжания при вы­бранной

природе и геометрической-форме порохаи т.д.). Прочностной расчет ствола-моноблока рекомендуется производить в такой последовательности:

1. На основании конструктивных данных в масштабе вычерчи­вают продольный разрез ствола и определяют начальное положе­ние снаряда в канале (рис. 10.19).

2. Строят графики зависимости баллистических давлений поро­ховых газов от пути снаряда по каналу ствола при температурах порохового заряда 223°К (—50°С), 288°К ( + 15°С), 323°К ( + 50°С) по таблицам ГАУ, ч. I, II, III. ч

3. Проводят огибающую кривую баллистических давлений от максимального давления до дульной части всей совокупности этих кривых. Тогда оти примерно до середины канала ствола будет использована часть кривойпри температуре заряда 323° К,

в средней части — криваяпри температуре 288° К и в

дульной части — криваяпри температуре 223° К.

4. Строят кривую давлений пороховых газов на стенки ствола. При этом обычно принимают, что от места положения наиболь­шего давления до дульного среза давление на стенки ствола равно давлению на дно снаряда в данном его положении. Давление на

дно снаряда— коэффициент

учета сил сопротивления нарезов поступательному движению сна­ряда;для пушекдля гаубиц

Учитывая, что в результате отклонения параметров заряжания в пределах допуска и в зависимости от условий стрельбы точ­каможет несколько отклоняться от расчетного места, положе­ние ее на графике смещают на (1,5—2) d к дульной части. Сме­щенное положениесоединяют плавной линией с точкой кривой, отвечающей концу горения порохового заряда при 7 = 313° К.

Давление пороховых газов на стенки ствола от дна каморы до сечения смещенного положенияр_т принимают изменяющимся по линейному закону отдоПри этом

В действительности линия, соединяющая точкиине

прямая, а слегка выпуклая вверх. Полученную кривую называют кривой наибольших давлений на стенки ствола. Эту кривую берут за основу при расчете ствола на прочность.

4. Вычисляют и проводят кривую желаемого прочного сопро­тивления ствола, для чего ординаты кривой наибольших давлений на стенки ствола умножают на коэффициент запаса прочности п.

Величину коэффициента запаса прочности в зависимости от по­ложения сечения берут следующую:

• по каморе ri— 1;

• от начала нарезов до сечения смещенного положениядля однопроцентной нарезки «=1,1 и для двухпроцентной нарез­ки п =1,2;

• по длине, равной 2 d от дульной части,

• от сечения смещенного положениядо сечения, удален­ного на расстояние 2d от дульного среза, коэффициентзапаса

прочности изменяется по линейному закону, т. е.

для однопроцентной нарезки,для двухпроцентной

нарезки, где—расстояние от сечения смещенного положениядо рассматриваемого сечения;—расстояние от сечения сме­щенногоположениядо сечения, удаленного на расстояние 2 d от дульного среза.

По давлениям, соответствующим кривой желаемого прочного сопротивления, ствол рассчитывается на прочность. Кривая желае­мого прочного сопротивления ствола выражает собой то наиболь­шее допустимое давление пороховых газов, в величине которой учтены погрешности расчетов и отклонения условий эксплуатации ствола от нормальных.

6. Выбирают материалы стволаи наружный радиусдвумя способами.

а) На основе анализа существующих конструкций выбирают категорию прочности материалаи для каждого опорного сече­ния определяют наружный радиуспо формуле

где—давление, численно равное ординате кривой желаемого прочного сопротивления ствола для рассматриваемого сечения.

При выборе категории прочности стали следует руководство­ваться указаниями ГОСТ о возможностях получения необходимой прочности в зависимости от марки и толщины стенки заготовки ствола

б) Определяют наружный радиус ствола для сечения, соответ­ствующегопо формуле

где j

округляют полученное значение Гг до 5 мм в большую сторону, после чего находят категорию прочности материала ствола по фор­муле

где— наибольший радиус каморы.

Полученное значение а_е округляют в большую сторону до бли­жайшего по ГОСТ.

6. По известной категории прочности материала находят на­ружный радиус трубы на длине 2d от дульного среза по зависи­мости (10.59). Расчетный размер радиусаувеличивают на 2— 3 мм при отсутствии дульного тормоза и на 5—6 мм при наличии дульного тормоза.

7. Определяют наружное очертание трубы, учитывая при этом следующее:

а) если ствол направляется при откате по люльке захватами, то расстояние между ними берется в пределах 8—10 d, для того чтобы центр тяжести ствола лежал между захватами;

б) если ствол направляется при откате по обойной люльке, то длина цилиндрической части наружной поверхности ствола де­лается несколько больше длины отката;

в) наружное очертание ствольной трубы не должно иметь рез­ких выступов и переходов для исключения концентрации напря­жения.

Рис. 10.20. Поперечное сече­ние ведущего пояска снаряда

Действительное прочное сопротивление ствола не должно быть меньше желаемого прочного сопротивления. Коэффициент запаса прочности в каждом сечении будет частным от деления ординаты кривой действительного прочного сопротивления на ординату кри­вой наибольших давлений, соответствующих этому сечению.

Расчет боевых граней нарезов начинают с определения их на- груженности, которая характеризуется удельным давлениемвычисляемым по формуле

где t — толщина ведущего пояска, соответствующая глубине на* реза;

h — средняя ширина ведущего пояска (рис. 10.20).

Величинане должна превышать величину смятия ведущего пояска. Для ведущего пояска изкрасной меди величина допусти­мого удельного давленияа для медно-никелевого пояска

При величинебольше указанного значения отношение

уменьшают до 1,2, но одновременно при этом увеличивают глу­бину нарезов до

Размеры элементов нарезов выбирают по опытным данным со­гласно табл. 10.2.

где—напряжение от изгиба;

— изгибающий момент;

— момент сопротивления сечения;

— напряжение среза.

Приведенные суммарные напряжения определяются по фор­мулепри этом. В противном случае

произойдет изгиб или срезание грани нарезов под действием силы нормального давления ведущего пояска на боевую грань нареза. Приведенный способ расчета является приближенным, так как в нем не учитывается действие радиального давления ведущего пояска.

Рис. 10.21. График зависимости на­грева поперечного сечения стенки ствола при первом выстреле

В условиях современного боевого использования артиллерий­ских орудий, когда от них требуются высокие огневые напряже­ния, вопрос о нагреве стволов приобретает первостепенное зна­чение. Источником нагрева ствола при выстреле является тепло, выделяемое при сгорании порохового заряда. Точное определение количества тепла, поглощаемого стволом при выстреле, — задача сложная и трудоемкая, поэтому на практике для приближенной оценки нагрева ствола пользуются следующими данными. При­мерно на нагрев стенок ствола идет 10% всей энергии порохового заряда и 25—30% расходуется на сообщение снаряду поступа­тельного движения, т. е. на нагрев ствола используется энергия порохового заряда, равная одной трети кинетической энергии сна-

ряда. Тогда количество тепла, поглощаемое стенками ствола за один выстрел:

где—дульная энергия снаряда, Дж

Высокая температура и давле­ние пороховых газов, кратковре­менность процесса выстрела при­водят к неравномерному нагреву стенок как по толщине, так и по длине ствола. Кроме того, при вы­стреле высокая температура по­роховых газов непосредственно воздействует на внутреннюю по­верхность стенки, вызывая в ней кратковременный температурный пик (рис. 10.21), быстро исчезаю­щий после прекращения тепло­вого действия выстрела. Величи­на температурного пика в основ­ном зависит от интенсивности и продолжительности теплового воздействия, калибра и длины ствола и достигает 1270—1800° К.

Участки канала ствола, при­легающие к началу нарезов, по­лучают наибольшее количество тепла. По мере удаления от на­чала нарезов количество тепла,

получаемое стволом, падает. Однако после продолжительной стрель­бы наибольшая температура на наружной поверхности ствола чаще всего наблюдается у дульной части. Объясняется это сравнительно небольшой толщиной стенок ствола у дульной части.

Среднюю температуру нагрева ствола за один выстрел прибли­женно определяют по формуле

где—удельная теплоемкость стали;

—масса ствола.

Зная, насколько повысится температура ствола за один вы­стрел, приближенно определяют количество выстрелов п, после которых ствол нагревается до допустимой температуры нагрева

Допустимая температура нагрева ствола у дула=540— —670° К. Исходя из этого условия, устанавливают режим огня, учи­тывая, что нагрев ствола является одним из основных факторов, ограничивающих возможность применения высоких режимов огня. На практике нагрев оценивают по температуре наружной поверх­ности ствола, так как при этом упрощается ее замер.

Для определения температуры внутренней стенки у начала на­резов используют зависимость

где—температура наружной поверхности ствола у казенной части, а у дульной части

Нагрев влияет на прочность стволов и точность стрельбы. Влияние нагрева на прочность стволов сказывается как через из­менение механических характеристик стали, так и через изменение величины и характера распределения напряжения в стенках ствола при выстреле.

Анализ опытных данных, помещенных в табл. 10.3, показывает, что при нагреве предел упругостии модуль упругости Е ме­талла уменьшаются, что ухудшает механические характеристики стали.

Из-за наличия температурного градиента слои стенок нагретого ствола расширяются неравномерно, поэтому внутренние слои испытывают деформацию сжатия, а наружные — растяжения. В результате в стенках нагретого ствола возникают соответствую­щие приведенные температурные напряжения(рис. 10.22). При выстреле напряжения от силы давления пороховых газов и температурные напряжения алгебраически складываются, что при­водит к уменьшению тангенциальных напряжений на внутренней поверхности и к увеличению их на наружной поверхности ствола, т. е. происходит упрочнение ствола. Упрочнение ствола от нагрева называется термофретажем. Однако снижение величины механи­ческих характеристик металла при нагреве оказывает больше влия­ния на прочность ствола, чем благоприятное распределение напря­жений в стенках, т. е. термофретирование его, поэтому проч­ность ствола при нагреве уменьшается.

Влияние нагрева на кучность и меткость стрельбы сказывается через увеличение калибра и изгиб ствола. Увеличение калибра ствола, особенно у дульной части, приводит к росту зазора между снарядом и полями нарезов (до 0,5 мм), а это вызывает биение снаряда при его движений по'каналу ствола, следствием чего яв­ляется увеличение угла нутации (колебательного движения вра­щающегося тела) снаряда.

Возрастание нутационных колебаний вы­зывает увеличение угла вылета и уменьше­ние начальной скорости снаряда. Изменение , этих характеристик существенно ухудшает' кучность и меткость стрельбы.

Изгиб ствола при нагреве происходит из-за возникновения неравномерного тем­пературного напряжения как по длине ство­ла, так и по поперечному сечению. Изгиб ствола приводит к изменению угла вылета снаряда. Причем от выстрела к вы­стрелу кривизна ствола изменяется, а сле­довательно, изменяется и угол вылета. На­пример, у одного опытного ствола при на­греве наружной поверхности от 473 до 673° К радиус кривизны изменяется от 220 до 188 м.

Особенно быстро увеличивается изгиб при значительной разно- стенности стенок ствола. В этом случае изгиб ствола происходит выпуклостью в сторону более толстой стенки.

Допускаемая при изготовлении стволов разностенность до 3 мм при нагреве ствола может приводить к увеличению отклоне­ний разрыва снарядов до 20 м при стрельбе на дальность 1500 м.

Сильное влияние на кучность и меткость стрельбы из разогре­того ствола оказывает одностороннее охлаждение под действием ветра или дождя, которое искривляет ствол в сторону, откуда происходит охлаждение.

Для уменьшения нагрева ствола следует:

• охлаждать ствол в перерывах между выстрелами, если по­зволяют условия боевой обстановки (за 1 ч температура ствола в среднем понижается с 573 до 373° К);

• не превышать установленный для орудия режим огня, так как увеличение его сильно влияет на нагрев ствола;

• стрельбу вести на уменьшенных зарядах, если это позволяет выполнить боевую задачу;

• боевые заряды изготовлять из «холодных порохов»;

• применять искусственное охлаждение стволов.

Следует учесть, что при нагреве стволов до 570—620° К проч­ность ствола нарушается незначительно, а сильно изменяются кучность и меткость стрельбы.

Рис. 10.22. Эпюры тем­пературных приведенных напряжений в попереч­ном сечении стенки ствола

Процесс износа канала ствола относится к весьма сложному явлению и протекает в результате действия на металл следующих факторов:

• теплового воздействия пороховых газов, вызывающего тем­пературные напряжения в стенках ствола и, как следствие, появ­ление мелких закалочных трещин;

• химического действия пороховых газов, которое изменяет структуру поверхностного слоя канала ствола из-за его цементи­рования и азотирования;

• эррозионного действия пороховых газов, вызывающего меха­ническое удаление мельчайших частичек металла с поверхности канала и образование трещин;

• механического действия ведущих частей снаряда на поверх­ность ведущей части канала, которое образует наклеп, снижает вязкость и стирает стенки.

Уже после первых выстрелов, произведенных из вновь изготов-

ленного ствола, в начале нарезов можно наблюдать появление мелких трещин (рис. 10.23, а).

По мере дальнейшей стрельбы (после 200—300 выстрелов) тре­щины увеличиваются и образуют сетку с замкнутыми петлями, постепенно

распространяющуюся по каналу в направлении к дулу (рис. 10.23,6); при этом наблюдаются сплющивание и стирание полей в начале нарезов.

После 1000—2000 выстрелов большинство трещин будут сориен­тированы вдоль оси канала ствола из-за эррозионного действия пороховых газов (рис. 10.23,б,г), кроме того, наблюдается выкол полей у начала нарезов. Боевые грани стираются, поля округ­ляются. Износ ведущей части ствола происходит неравномерно как в поперечном сечении, так и по длине ствола. Установлено, что в поперечном сечении износ характеризуется увеличением диа­метра канала по полям, в два-три раза превосходящим увеличение диаметра по нарезам, в результате чего глубина нарезов умень­шается и грани их сглаживаются. Для орудий средней мощности износ полей нарезов по длине, характеризуемый увеличением диа­метра, можно разделить на четыре участка (рис. 10.24).

Участок I характеризуется наибольшим увеличением диаметра канала ствола. Образуется в области соединительного конуса на длине 2—3 калибра от начала нарезов. В этом месте особенно ин­тенсивно изнашиваются поля, в результате чего зарядная камора удлиняется. Наибольший износ в начале нарезов является след­ствием увеличенного трения при вдавливании ведущего пояска, вызывающего высокий нагрев участка ствола в начале нарезов, и в результате повышенного эррозионного разрушения пороховыми газами, истекающими через зазоры, образующиеся между пояском и нарезами еще при неподвижном снаряде.

Участок II характеризуется постепенным уменьшением,, износа в направлении к дульной части ствола и образуется на длине 4—- 8 калибров от начала нарезов.

Участок III подвергается наименьшему износу и занимает наи­большую длину канала ствола.

Участок IV характеризуется увеличением износа по сравнению с третьим участком и образуется на длине до двух калибров от дульного среза. Увеличение износа у дульной части происходит из-за того, что при вылете снаряда из дульной части ствола кони­ческая запоясковая часть снаряда

открывает кольцевое отверстие, через которое прорываются газы. Прорыв пороховых газов вызы­вает оплавление и вынос поверхностного слоя металла канала ствола.

Износ канала ствола приводит к изменению таких баллистиче­ских параметров орудия, как наибольшее давление пороховых га­зов, начальная скорость и рассеивание снарядов. Падение макси­мального давления обусловлено в первую очередь уменьшением плотности заряжания из-за увеличения длины каморы заряжания, сопротивления врезанию ведущего пояска в нарезы, а также уве­личения износа ведущей части канала. Уменьшение начальной скорости происходит вследствие падения максимального давления и прорыва части пороховых газов между поверхностью канала ствола и ведущим пояском снаряда. Повышение рассеивания сна­рядов из-за износа ствола вызывается биением снаряда при его движении по каналу ствола, увеличением угла нутации, что при­водит к рассеиванию угла вылета снаряда и ухудшению кучности стрельбы. Кроме того, падение максимального давления порохо­вых газов приводит к резкому снижению взведения взрыва­телей.

Под живучестью артиллерийских стволов пони­мается их способность противостоять износу и возможно дольше сохранять свои баллистические качества. Живучесть, или балли­стическая жизнь, стволов определяется временем, в течение кото­рого ствол обеспечивает получение заданного максимального дав­ления пороховых газов, требуемой начальной скорости снаряда и кучности стрельбы. Обычно живучесть стволов оценивается коли­чеством выстрелов на полном заряде, которое может быть сделано до выхода ствола из строя вследствие износа.

Установлено, что ствол достигает предела живучести, если при стрельбе появляется-один из следующих критериев:

• произошло падение начальной скорости снаряда до 10%;

• максимальное давление пороховых газов уменьшилось до величины, при которой не происходит взведение свыше 30% основ­ных взрывателей при стрельбе на наименьшем заряде;

• произведение величин вероятного отклонения по дальности В_я на вероятное боковое отклонение Бб увеличилось в восемь раз по сравнению с табличным.

Живучесть стволов меняется в очень широких пределах, быстро уменьшаясь с увеличением мощности и калибра орудия при сохра-

нении других параметров относительно одинаковыми. Средняя живучесть стволов, гаубиц и пушек малой и средней мощности характеризуется тысячами выстрелов, мощных пушек — сотнями выстрелов, а особо мощных орудий крупных калибров — десят­ками выстрелов.

Живучесть орудийных стволов зависит не только от количества выстрелов, но в большей степени и от подготовки орудия к стрель­бе, условий ведения стрельбы, соблюдения режимов огня, ухода за стволом, его сбережения и состояния боеприпасов.

Для повышения живучести ствола перед стрельбой удаляют смазку из канала ствола и внимательно его осматривают. Это уменьшает образование нагара, устраняет посторонние твердые частицы из канала.

Важное значение для увеличения живучести ствола имеет пра­вильная подготовка боеприпасов. С корпусов снарядов следует удалять смазку, а ведущие части необходимо слегка смазать. Осо­бенно внимательно надо следить за тем, чтобы со снарядом не вносились в канал ствола песчинки и другие твердые частицы.

У выстрелов раздельного заряжания необходимо полностью до «закусывания» досылать снаряд. Это обеспечивает правильное функционирование ведущего пояска, исключает его удар в соеди­нительный конус при выстреле, создает лучшую обтюрацию поро­ховых газов. Досылка снарядов без «закусывания» может при­вести к отпусканию его при придании стволу угла возвышения, что может вызвать при выстреле срыв ведущего пояска снаряда и раздутие ствола вследствие повышения давления пороховых газов из-за увеличения плотности заряжания.

Существенное влияние на живучесть ствола оказывают соблю­дение режимов огня и применение уменьшенных зарядов во всех случаях, когда выполнение боевой задачи не требует стрельбы на полном заряде.

Увеличивает живучесть стволов и строгое соблюдение правил чистки и смазывание канала ствола.

Для определения качественного состояния стволов проводят их к а т е г о р и р о в а н и е. В зависимости от степени износа и ухудшения баллистических свойств все стволы делятся на первую, вторую и пятую категории.

К первой категории относятся новые, не бывшие в непосред­ственной эксплуатации стволы.

Ко второй категории относятся стволы, находящиеся или быв­шие в непосредственной эксплуатации, удлинение зарядной ка­моры или износ канала которых не вышел за пределы специально установленных норм, годные к боевому использованию.

К пятой категории относятся стволы, у которых удлинение за­рядной каморы или износ канала ствола вышел за пределы спе­циально установленных норм, т. е. стволы, у которых наступила баллистическая смерть.

Нарезные стволы переводят в пятую категорию по величине удлинения зарядной каморыкоторая определяется по формуле

где—условная длина зарядной каморы категорируемого ство­ла, мм;

— первоначальная условная длина зарядной каморы, мм; указывается в формуляре, в таблицах стрельбы и в ин­струкции по категорированию. Условная длина зарядной каморыопределяется прибором замера каморы (ПЗК).

Гладкостенные стволы переводят в пятую категорию по вели­чине диаметрального износа ведущей части каналаизмерен­ного в трех разноудаленных сечениях прибором контроля износа (ПКИ).