§ 14.2. Механизмы наведения

подъемные механизмы;

поворотные механизмы;

механизмы приведения к углу заряжания.

2. По типу привода ведущего звена:

• механизмы наведения с ручным приводом;

• механизмы наведения с электрическим приводом;

•— механизмы наведения с гидравлическим приводом.

2. По типу исполнительного звена:

• механизмы наведения с механическим исполнительным звеном;

• механизмы наведения с электрическим исполнительным звеном;

• механизмы наведения с гидравлическим исполнительным звеном.

В свою очередь механические исполнительные звенья в зависи­мости от вида основной кинематической пары делятся на зубчатые (секторные), червячные и винтовые.

Механизмы наведения артиллерийских орудий, как правило, имеют ручной или электрический привод с механическими пере­дающими и исполнительными звеньями.

К механизмам наведения предъявляются следующие требо­вания:

• легкость наведения;

• достаточная скорость наведения;

• несбиваемость наводки;

• плавность наводки;

• возможно больший сектор обстрела без изменения положе­ния всего орудия;

• удобство эксплуатации, осмотра, технического обслуживания и ремонта;

• прочность и живучесть;

• малая уязвимость от огня противника.

Легкость наведения определяется величиной усилия на ведущем звене (маховике) механизмакоторое необходимо для выполнения наводки с'заданной скоростью.

Величина усилиядля механизма наведения определяется по формуле

)

где—усилие, необходимое для преодоления момента сил тре­нияв цапфах люльки или штыревого устройства;

— усилие, необходимое для преодоления момента неурав­новешенности качающейся части;

— усилие, необходимое для преодоления сил инерции (разгон качающейся или вращающейся части).

Следовательно, момент на ведущем звене (маховике)

где—радиус ведущего звена (маховика) или

где

Усилиеопределяется на основании равенства

где—передаточное число механизма;

— к.п.д. механизма.

Решая зависимость относительнои подставляя его в вы­ражение (14.20), находят

По аналогии усилие

Для определения усилияприравнивают кинетическую энер­гию качающейся или вращающейся части в конце разгона к ра­боте на маховике за время разгона, т. е.

где—угловая скорость качающейся (вращающейся) части;

— момент инерции качающейся (вращающейся) части;

— угол поворота качающейся (вращающейся) части. Так как

а

где—средняя угловая скорость качающейся (вращающейся) части в период разгона;— время разгона, то, подставляя в зависимость (14.32) их значения и решая его от­носительнополучают

Принимают, но так как

то

Подставляя найденное значениев выражение (14.33), по­лучают

Подставляя значениясоответственно из зависимостей (14.30), (14.31) и (14.34) в формулу (14.25) и произведя несложные преобразования, находят

Зависимость (14.35) определяет величину усилия на ведущем звене механизма наведения. Из выражения (14.35)видно, что уси­лие на ведущем звене зависит от моментатехниче­ского состояния механизма и его регулировки.

При ручном приводе ведущего звена величина этого усилия должна быть в определенных пределах. Верхний предел устанавли­вается из условия обеспечения продолжительной работы навод­чика, а нижний — из условия исключения сбивания наводки от слу­чайных причин.

При определении верхнего предела величины усилия исходят из того, что нормально физически развитый человек может про-

изводить рукой 100—120 однообразных движений в минуту и развивать при этом мощность до 75 Вт.

Из курса физики известно, что мощность определяется следую­щей формулой:

где N — мощность, Вт;

n—число оборотов маховика в минуту;

— радиус маховика, м;

— усилие на рукоятке маховика, Н.

Из этой формулы определяют усилие на рукоятке маховика

Подставляя в эту зависимость n = 120 об/мин, N=75 Вт и= = 0,15 м (величинаR_M устанавливается из условия, чтобы при ра­боте на механизмах наведения наводчик мог непрерывно следить за целью), определяют

Следовательно, для ручных приводов усилие на маховике меха­низмов наведения не должно превосходить 30—40 Н при продол­жительной работе и установившемся движении и 70—80 Н при непродолжительной работе, а также при страгивании с места и сообщении ускорения движущимся частям в «период разгона», в течение которого приходится преодолевать не только силы тре­ния и момент неуравновешенности, но и инерцию масс, приводи­мых в движение.

Практически установлено, что в период разгона усилие на ма­ховике

Для исключения сбивания наводки орудия от действия незна­чительных случайных причин нижний предел усилия на маховике механизмов наведения должен быть не меньше 20 Н.

В служебных условиях легкость наводки зависит в значитель­ной степени от общего состояния механизмов, т. е. качества сбор­ки, регулировки, смазки, степени загрязнения деталей и т. п.

Скорость наводки измеряется величиной угла перемеще­ния ствола в горизонтальной или вертикальной плоскости за се­кунду (град/с) или за один оборот маховика (град/об) при работе на механизмах наведения.

Требуемая скорость наводки определяется тактико-техниче­скими требованиями к орудию. Величина ее зависит от назначения °РУДия и мощности источника энергии, обслуживающего механизм, т- е. зависит от характера привода (ручной, электрический, гид­равлический). Покажем, как определяют необходимую скорость горизонтальной наводки.

сторость горизонтальной наводки.

Если цель А ( рис. 14.10) перемещается со скоростью V, а расстояние до нее от орудиято для непрерывного слежения за

целью необходимо иметь скорость наводки ш, определяемую по следующей формуле:

где—курсовой угол, т. е. угол между направлением на цель и направлением движения цели.

Из формулы (14.36) видно, что наибольшая скорость наводки потребуется при(движе­

ние цели круговое), т. е.

Положим, что(нор­

мальной скорости движения цели в боевых условиях), и выразим угловую скорость в град/с; тогда требуемая от механизма наиболь­шая скорость наводки опреде­лится по формуле

где— радиус (глубина) «мертвой зоны вокруг орудия», внутри которой наводка по цели, движущейся со скоростьюи совершающей круговое движение, невозможна. Например, для обеспечения стрельбы прямой наводкой по це­лям, движущимся со скоростьюна расстоянии 200 м от

орудия, потребуется скорость горизонтальной наводки

*

а на расстоянии 100 м=4,76 град/с.

Обычно скорости наводки колеблются от 0,5 (для тяжелых на­земных орудий) до 15 град/с и более (для зенитных орудий). На основе аналогичных рассуждений устанавливается и наибольшая скорость вертикальной наводкиТак как скорость наводки

тесно связана с усилием на маховике, то после установления ее величины вычисляют мощность, необходимую для работы ме­ханизма наведения при установившемся движении, по формуле

Рис. 14.10. Схема перемещения цели относительно орудия

—к.п.д. механизма.

Мощность в период разгонаприближенно определяется по формуле

где—коэффициент, характеризующий разность ре­жимов работы в период разгона и установив­шегося движения.

Если величина, полученная по фор­муле (14.38), не превосходит 75Вт, то для данного механизма можно применять ручной привод; в противном случае по­требуется" либо введение другого типа привода, либо изменение величины при­нятой скорости наводки.

Несбиваем ость наводки — способность механизма прочно и надеж­но фиксировать наводку после ее выпол­нения и при выстреле из орудия.

Обычно несбиваемость наводки обес­печивается применением в кинематиче­ских звеньях механизма самотормозящих пар (винтовая, червячная), тормозных, устройств и приспособлений для выбора мертвых ходов. Кроме того, несбивае­мость наводки обеспечивается достаточ­ной жесткостью элементов, участвующих в передаче усилий, воз­никающих при выстреле.

Сущность самоторможения заключается в том, что сила Р матки или червячного колеса (рис. 14.11), действующая вдоль винта или червяка, из-за наклона витков разлагается на две со­ставляющие— перпендикулярно опорнойповерхности витков и параллельноэтой поверхностиСоставляющаястремится повернуть винт или червяк, а

силасоздает силу трениятормозящую вращение

винта или червяка. При определенных сочетаниях угла наклона винтовой линии а и коэффициента трения f сила трения будет больше вращающей силы, т. е. получится самотормозящая пере­дача, которая не может передавать вращение со стороны матки к винту или со стороны червячного колеса к червяку.

Итак, условие самоторможения определяется зависимостью

Очевидно, что чем меньше коэффициент трения тем меньше Должен быть угол подъема винтовой линии(червяка или винта) Для получения самоторможения передачи.

Рис. 14.11. Схема рас­пределения усилий в самотормозящей пере­даче

необходимо для надежности самоторможения угол подъема вин­товой линии уменьшать. Для поворотных механизмов следует брать апр не более 4°, а для подъемных — не более 3°. В против­ном случае при выстреле можно ожидать самопроизвольную «сда­чу» механизма и, следовательно, сбивание наводки.

Таблица 14.1

Плавность наводки обеспечивается равномерной ско­ростью наводки. Отсутствие плавности может затруднить непре­рывность наблюдения за целью и даже сделать наводку невозмож­ной. Плавность наводки главным образом зависит от общего со­стояния механизма и качества ухода за ним (своевременность смазки, удаления грязи и т. п.). Плавность наводки осущест­вляется за счет применения передач, обеспечивающих либо по­стоянство передаточного числа механизма (зубчатые, червячные и другие передачи), либо плавное его изменение (винтовые пере­дачи, шарниры Гука).

Сектор обстрела зависит от назначения орудия и яв­ляется одной из важнейших тактико-технических характеристик, от которой зависит огневая маневренность. Сектор обстрела опре­деляется диапазоном углов поворота ствола в вертикальной и го­ризонтальной плоскостях.

Под живучестью механизмов наведения пони­мается их способность в течение длительного срока выполнять по­ложенные функции без заметных признаков расстройства, износа и повреждений.

Живучесть механизмов зависит от следующих основных фак­торов:

• качества применяемых материалов;

• характера приложения нагрузки;

• качества обработки деталей;

• качества сборки и регулировки;

• качества смазки, ее состояния и условий смазки;

• степени квалификации обслуживающего персонала;

• качества ухода и сбережения.

Эксплуатация механизмов наведения артиллерийских орудий по сравнению с эксплуатацией аналогичных механизмов других машин имеет следующие особенности:

работа в полевых условиях, в любое время года и при лю­бых метеорологических условиях;

• механизмы наведения являются составными агрегатами орудия и перевозятся вместе с" ними, т. е. они являются транспор­тируемыми; -

• неблагоприятный (динамический) характер приложения на­грузки к деталям механизма.

Для обеспечения живучести механизмов эти особенности тре­буют обязательного применения следующих специальных устройств:

• защитных средств — кожухов, войлочных уплотнений, про­кладок, ограждающих ответственные детали механизмов от пыли, грязи, влаги и удерживающих смазку;

• стопоров крепления по-походному качающейся и вращаю­щейся частей орудия, которые отключают передаточные звенья механизмов наведения на время марша и принимают на себя инер­ционные усилия, возникающие при транспортировке орудия;

• амортизаторов и других приспособлений, обеспечивающих некоторую подвижность соединений и этим смягчающих нагрузку и приближающих ее по характеру действия к статической.

Помимо указанного конструкция механизмов наведения дол­жна предусматривать возможность регулировки зацепления, устра­нения мертвых ходов и других причин, вызывающих повышенный износ деталей, затрудняющих работу наводчика или нарушающих нормальную работу механизмов.

Удобство эксплуатации механизмов наведения обеспечивается, если наводчик как при работе на них, так и на прицельных приспособлениях занимает удобное и свободное поло­жение.

Малая уязвимость от огня противника — одно из важнейших требований, предъявляемых к механизмам наведе­ния. Учитывая особую ответственность, сложность конструкции и трудность исправления повреждений механизмов наведения, их не­обходимо располагать на орудии укрыто и по возможности ком­пактно.

Винтовые поворотные механизмы орудий (рис. 14.12) наземной артиллерии просты по устройству, компактны, позволяют производить поворот вращающейся части орудия в достаточно ши­роком секторе горизонтального обстрела.

Основными деталями этих механизмов являются: винт 2 (рис. 14.12), закрепленный шарнирно посредством пальца 1 на нижнем станке в точке В; матка 3, навинченная на винт 2 и дру- ™^м, концом через подшипник шарнирно закрепленная в крон- теине верхнего станка (точка Л); маховик 4, жестко соединенный маткой 3. При вращении маховика матка, перемещаясь по винту, меняет расстояние между точками А и В, в результате верхний аиок поворачивается на оси боевого штыря относительно нижнего станка.

Для удобства работы на механизме точка А приподнята над точкой В это вызывает наклон оси винта и матки. Передаточное отношение этого механизма

где—угловая скорость горизонтальной наводки;— угловая скорость маховика;

n — число оборотов маховика в минуту. Угловая скорость

>

значит

Для определения производнойрассмотрим кинематическую

схему механизма (рис. 14.13), где:

—расстояние от точки В до оси боевого штыря;

— ось боевого штыря;

— расстояние от точки А до оси боевого штыря;

— расстояние между точками А и В в вер­тикальной плоскости;

АВ = l — расстояние между точками Л и В;

— расстояние между точками Л и В в гори­зонтальной плоскости;

— соответственно угол между отрезками а и р в горизонтальной плоскости при дан­ном угле поворотаи при=0;

к —реакция винта на вращающуюся часть орудия при указанном стрелкой направ­лении вращения;

h — длина перпендикуляра, опущенного из точки О на горизонтальную проекцию оси ходового винта АВ

1 — начальное положение оси канала ствола;

2— промежуточное положение оси канала ствола;

—угол наклона оси ходового винта к горизонтальной плос­кости.

Начальное положение механизма показано штриховыми ли­ниями, промежуточное — сплошными.

Из треугольникаимеем

Из треугольникаопределяем

Подставляем значениеиз выражения (14.42) в зависимость (14.41), продифференцируемее по времени t, принимаятак как в процессе наводкиизменяется незначительно, получим

В этом уравнении членесть скорость изменения длины ли­нии АВ, которая равна

где s —шаг резьбы винта (матки);

n —число оборотов маховика в минуту.

Подставляя значениеиз выражения (14.44) в зависимость (14.43) и решая его относительно, получим

Подставляя значениев выражение (14.40), имеем

Анализ выражения (14.46) показывает, что при работе на вин­товом поворотном механизме передаточное число изменяется, а это приводит к ухудшению плавности наводки.

На верхний станок во время наведения действуют следующие внешние силы и реакции (рис. 14.14):

— сила, осуществляющая поворот всей вращающейся части;

— сила тяжести вращающейся части;

— реакции нижнего станка на верхний в подпятнике и на катках;

— момент инерции вращающейся части при

— реакции подшипников нижнего станка;

— коэффициент трения в подшипниках боевого штыря;

— угловое ускорение вращающейся части. Остальные обозначения ясны из рисунка.

Для определения зависимости усилияот сил, действующих на верхний станок, необходимо составить уравнения равновесия. При этом для простоты выкладок будем полагать, что силатогда получим следующие уравнения равновесия: .

Решая систему уравнений (14.47) относительно, определим

Где —постоянные для данной

схемы верхнего" станка.

Максимальное значение усилиябудет при

Максимальное значение углового ускорения определяется по формуле

где n — число оборотов маховика;

—время разгона (с).

Усилие, прикладываемое к рукоятке маховика в период раз­гона, можно определить по формуле

где—средний радиус нарезки винта;

— радиус маховика;

— угол подъема винтовой линии (по среднему диаметру нарезки винта);

— приведенный угол трения в нарезке винта.

Для трапецеидальной нарезки, применяемой в винтовом пово­ротном механизме, будем иметь

*

где—коэффициент трения между винтом и маткой;

—половина угла профиля трапецеидальной нарезки (рис. 14.12,6).

Для обеспечения самоторможения винтовой пары необходимо иметь

Величина усилия_ определенная по формуле (14.50), не дол­жна превышать установленных норм.

Расчет деталей механизма на прочность производится на уси­лия, которые возникают при внезапном прекращении наводки, так как они значительно превосходят усилия, действующие во время наводки.

В случае резкой остановки вращающейся части принимается, что вся кинетическая энергия вращающихся масс переходит в по­тенциальную энергию упругой деформации деталей механизма. Для упрощения расчета предполагается, что деформации подвер­гаются винт на длинеи матка на длине(рис. 14.15), а осталь­ные детали остаются недеформированными (абсолютно жест­кими) .

Сила, которая вызывает деформацию винта и матки, определяется по формуле

где— площади поперечного сечения винта и матки;

—модули упругости первого рода для винта и матки. Зная величину силы Р, можно рассчитать вызываемое ею на­пряжение в винте и матке.

Рис. 14.15. Ходовой винт с маткой

Механизм вертикальной наводки, имеющий основную кинема­тическую пару, состоящую из шестерни и зубчатого сектора, на­зывается секторным подъемным механизмом.

Секторный подъемный меха­низм (рис. 14.16) состоит из зуб­чатого сектора 2, прикрепленного к цапфенной обойме люльки 1, коренного вала 6 с шестерней 3, находящейся в зацеплении с сек­тором. Вал установлен в подшип­никах верхнего станка, и на од­ном конце его закреплено червяч­ное колесо 7, приводимое в дви­жение червяком 8. Валик послед­него посредством конической па­ры 4 соединен с валиком махо­вика 5 подъемного механизма.

При вращении маховика при­ходит во вращение червяк, кото­рый заставляет вращаться червячное колесо и связанный с ним коренной вал с шестерней. Последняя, находясь в зацеплении с зубчатым сектором, вынуждает качающуюся часть поворачиваться ^в плоскости, перпендикулярной оси цапф, благодаря чему и осу­ществляется вертикальная наводка ствола.

Звеном, обеспечивающим самоторможение механизма служит червячная пара (червяк с червячным колесом), которая восприни­мает усилие, возникающее при выстреле в подъемном механизме;

другие детали, расположенные за червяком, находятся только под действием сил, возникающих при наведении.

того, чтобы усилия, воспринимаемые червячной парой при вы­стреле и при резком прекращении наводки, по характеру своего действия приближались к статическим и поэтому не могли бы вы­звать высоких напряжений в зубьях червячного колеса.

Передаточное число секторного подъемного механизма должно удовлетворять условию

где п — число оборотов маховика (при ручном приводе п =

>

—требуемая скорость наводки, устанавливается тактико- техническими требованиями, град/с. Исходя из кинематической схемы механизма (рис. 14.16)

где— передаточные числа конической, червячной и ци­линдрической передач.

Так как

то

где— число зубьев ведомых шестерен;

■—число зубьев ведущих шестерен;

■—число зубьев червячного колеса;

—число заходов червяка. Как правило, передаточное число конических пар.

Прежде чем установить величинуопределяют число зубьевиИз курса деталей машин известно, что для тихоходных пе­редач минимальное количество зубьев должно быть не менее 12. Исходя из этого принимают число зубьев для коренной шестернипосле чего определяют модуль зацепления по формуле

где— относительная ширина коренной шестерни;

—коэффициент формы зуба;

-—допустимое напряжение на изгиб;— коэффициент динамической нагрузки;— коэффициент концентрации нагрузки;

—момент, действующий на зуб шестерни. Округлив полученное значение модуля до ближайшего по ГОСТ

находят шаг зацепления

Число зубьев полной окружности сектора

где—радиус начальной окружности сектора, где d — ка­либр; радиусокругляют до получения целого числаI число зубьев сектораопределяют по формуле

где—сектор вертикального наведения отдоДва зуба принимаются как запасные.

Таким образом, передаточное числоопределено.

Из условия самоторможения червячной пары число заходов червякаберется равным единице, т. е.. Тогдаоткуда число зубьев червячного колеса

Число зубьев червячного колеса должно быть не менее 28 для некоррегированных передач.

На червяк при выстреле действует окружное усилие

где—реакция коренной шестерни на сектор люльки;

— угол зацепления в эвольвентном профиле; согласно ГОСТ;

— радиус червячной шестерни;

— радиус коренной шестерни.

Реакция коренной шестерни на сектор люльки определяется на основании [6] по формуле

где—сила сопротивления откату;

— расстояние по перпендикуляру от линии перемещения центра тяжести откатных частей до оси цапф;

— момент неуравновешенности;

— текущие значения длины отката;

— масса откатных частей;

— угол зацепления;

коэффициент учета упругих свойств качающейся части:

По величине окружного усилияопределяют параметры ( шагt, модуль т, число зубьев Z) червяка и червячного колеса.

Механизм горизонтального наведения, имеющий основную ки­нематическую пару, состоящую из шестерни и зубчатого сектора, называется секторным поворотным механизмом.

Схема устройства такого механизма показана на рис. 14.17. Основное отличие секторного поворотного механизма от подобного подъемного механизма состоит в том, что сектор 2 является непо­движным, а маховик 8 вместе с червячной парой, заключенной в коробке 5, шестерней 3 и верхним станком 7 вращается относи­тельно оси (штыря) с угловой скоростью СО.

Действие такого механизма заключается в следующем. При вращении маховика движение передается червяку, который за­ставляет вращаться червячное колесо и связанный с ним вал ше­стерни. Последняя, находясь в зацеплении с зубчатым сектором лобовой коробки, заставляет вращающуюся часть орудия повора­чиваться вокруг оси нижнего станка.

Звеном, обеспечивающим самоторможение механизма, является червячная пара (червяк и червячное колесо). Поэтому усилия, возникающие при выстреле и резком прекращении наводки со сто­роны вращающейся части, передаются в поворотном механизме на детали до червячного зацепления.

В большинстве конструкций для исключения поломки зубьев червячного колеса она закрепляется на вале зубчатой шестерни так, что может несколько поворачиваться относительно оси вращения. Такая подвижность соединения осуществляется посредством фрик­ционного устройства (рис. 14.18), основой которого являются три пары дисков. Каждая пара состоит из стального и бронзового дис­ков. Стальные диски 2 с помощью шлицев жестко связаны с ва­лом 5 зубчатой шестерни, а бронзовые 6 жестко связаны с червяч­ным колесом 1 с помощью выступов. Поверх всех дисков устанав­ливаются стальной верхний диск и тарельчатые пружины, которые поджимаются гайкой 3, навинчиваемой на хвостовик вала. Таким образом, червячное колесо соединяется с валом посредством тре­ния между стальными и бронзовыми дисками.

При работе механизма вращение червячного колеса благодаря трению между дисками передается на вал зубчатой шестерни, ко­торая, обкатываясь по сектору, поворачивает вращающуюся часть. При резком прекращении вращения маховика поворотного меха­низма вращающаяся часть, двигаясь по инерции, передает враще­ние на зубчатую шестерню с валом и червячное колесо. Червячное колесо с червяком тормозят движение вращающейся части. Если сила инерции вращающейся части большая, то зубчатая шестерня с валом будет проворачиваться относительно червячного колеса в тем самым исключит поломку зубьев червячного колеса.

Передаточное число секторного поворотного механизма

где—передаточное число основной пары;

n —число пар зубчатых передач механизма, за исключением основной пары.

Таким образом, при неподвижном секторе передаточное число механизма будет выше из-за того, что передаточное число основ­ной пары увеличивается на единицу.

Расчет зубьев червячного колеса на прочность производят по наибольшему усилию, которое будет действовать в червячной передаче при внезапном прекращении наводки.

Величинуопределяют по формуле

где—момент трения во фрикционе;

—радиус начальной окружности червячного колеса.

Величина момента трения во фрикционеопределяется по формуле

где—коэффициент трения между дисками фрикциона;

— сила, сжимающая диски (сила тарельчатых пружин);

— наружный и внутренний радиусы рабочих поверхно­стей дисков фрикциона;

Z — число рабочих поверхностей во фрикционе:

>

n — число дисков. Для вращения поворотной части ведущим звеном (маховиком) необходимо выполнять условие

J

где—момент зубчатой шестерни в период разгона, равный моменту на червячном колесе. Из зависимости (14.35), подставляя вместо момента инерции качающейся части момент инерции вращающейся части, опреде­ляется величина момента

Угол поворота Еращающейся частицосле быстрого прекра­щения работы поворотного механизма находят по формуле

^где—скорость горизонтального наведения при прекращении работы на поворотном механизме;— передаточное число основной кинематической пары (сектора и шестерни). Величина угладолжна быть в пределах 2'—5'. Большая ве­личина углаговорит о недостаточности момента трения в фрик­ционе