АКАДЕМИЯ ВОЕННЫХ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Гуськов Анатолий Васильевич, Милевский Константин Евгеньевич, Слесарева Екатерина Юрьевна, Семыкина Анастасия Николаевна

В статье представлена методика определения надежности функционирования ведущего пояска снаряда (ВП), состоящая из теоретической части и экспериментальной: осадка, локальное нагружение зоны ведущего пояска, металлографических исследований и фрикционных исследований, испытание на продавливание и скручивание ведущего пояска.

Ведущая часть снаряда в совокупности с нарезами в канале ствола орудия служит для придания вращательного движения снаряду и для правильного ведения его по каналу ствола (КС). Обеспечение нормального функционирования ведущего пояска и правильного ведения снаряда по каналу орудия является центральным вопросом проектирования ведущей части, рациональное решение которого предопределяет при всех прочих равных условиях возможность получения требуемой дальности и кучности боя снарядов на протяжении всей боевой службы орудия. При исследовании функционирования ведущего пояска можно выделить следующие факторы, влияющие на взаимодействие ВП с КС [1, 2, 3, 4]:

- усилия, возникающие при образовании выступов в соединительном конусе и конусе врезания и вызывающие механические напряжения, трение и термический эффект;

- давление выступов пояска на боевые грани нарезов, сопровождаемые трением, тепловыми эффектами и возникновением напряжений во внутренних слоях металла ствола прилегающих к нарезам, так и материала корпуса снаряда в зоне крепления ведущего пояска;

- трение между ведущей частью снаряда и поверхностью канала ствола;

- физико-механические свойства материалов ствола, снаряда и его ведущей части;

- удары (колебания) снаряда о стенки канала ствола, возникающие вследствие колебательных движений;

- непрорыв пороховых газов между ВП и поверхностью канала ствола.

Для изучения влияния перечисленных факторов при функционировании ВП предлагается методика подбора и отработки характеристик конструкции ведущего пояска (материал ВП, способ закрепления на корпусе артиллерийского снаряда (АС), геометрические параметры, величина форсирования и т.д.).

Методика основывается на разделении движения снаряда по каналу ствола на этапы [7].

Цель предлагаемой методики – отработка конструкции ВП в лабораторных условиях, до проведения полигонных испытаний.

Одной из главных задач функционирования ВП является исследование процесса пластического деформирования материала ВП, при котором происходит формирование зеркальной поверхности боевой грани канала ствола с помощью лабораторных испытательных установок. Для теоретического обоснования данного процесса пластического течения материала ведущего пояска рассматривается осесимметричное напряженное состояние для тела вращения - корпуса снаряда (рис.1а), к части поверхности (в зоне ведущего пояска), которого приложены распределенные нагрузки (рис.1б, в), расположенные симметрично относительно его оси и одинаковые во всех меридиальных сечениях, в этом случае пользоваться удобно цилиндрическими координатами, где ось снаряда совпадает с осью z [5].

Схема распределения напряжений в цилиндрических координатах и форма элемента показаны на рисунке 2:

Процесс образования боевого выступа сводится к задаче плоского деформированного состояния (рис.3), в которой присутствуют деформации ε_z по оси z – растяжение, и по оси ρ – радиальные сжатия. Поскольку длина заготовки предполагается неограниченной, ведущий поясок – кольцо, постольку деформацию можно считать равной нулю в тангенциальном ε_φ=0 направлении.

Деформации рассматриваем в каждый данный момент, следовательно, получим результаты отвечающие, всему периоду процесса.

Микроанализ структуры медного пояска

Исходные образцы были получены из ведущего пояска, зачеканенного в паз корпуса снаряда. Паз имеет форму «ласточкин хвост». Процесс чеканки повлек собой незначительную деформацию по всему объему материала пояска (рис. 4,5).

Осадка представляет собой процесс локального уменьшения толщины образца за счет действия сжимающего напряжения (условия испытания приближаются к реальным). Структура образца пояска в сечение перпендикулярном оси снаряда представлена на рис.6, а в сечение параллельном оси снаряда на рис.7:

На рис.6,7 наблюдается структура пластически деформированного металла в процессе локальной осадки. Деформация зерен идет по линиям скольжения и область деформирования материала находится под полем нареза, то есть по координате ρ в тангенциальном (окружном) направлении деформация не наблюдается.

На образце после продавливания присутствует сильнодеформированный поверхностный слой (рис.8, 9, 10) величина которого варьируется от 90 до 140 мкм. Его образование объясняется воздействием распределенной нагрузки в зоне контакта пояска с каналом ствола.

Зерна в поверхностном слое практически неразличимы, этот фактор объясняется большой величиной деформации. С изменением схемы нагружения изменяется общая картина процесса деформации зерен по всему сечению пояска. В микроструктуре наблюдаются две характерные зоны с ярко выраженной деформацией, которая, как и в осадке протекает по линиям скольжения. Зона деформации ограничена, то есть она не распространилась на все сечение пояска. В центре сечения пояска наблюдается равноосная структура.

Следующим образцом для исследования были взяты шлифы пояска после выстрела, в двух сечениях: поперек оси снаряда (рис. 11) и вдоль (рис. 12). На образце поперек оси снаряда, как и в образце, после продавливания был обнаружен сильнодеформированный поверхностный слой, но имеющий большую толщину (130-390 мкм). По величине поверхностного слоя можно выявить боевую грань, которая в процессе выстрела принимает на себя большую распределенную нагрузку, необходимую для придания вращения снаряда (максимальная толщина составила 390 мкм).

Вывод: Медь – материал, не претерпевающий фазовых превращений. Обладает большой теплопроводностью, этим объясняется наличие рекристаллизованных зерен в центре сечения пояска, которые образовались изначально в поверхностном слое при плотном контакте пояска с каналом ствола[6].

Подтверждение плоского деформированного состояния материала М1 ВП при врезании наблюдается с помощью микроанализа структуры материала натурных образцов: исходного, после осадки, после продавливания по каналу ствола, после выстрела.

Экспериментальная методика функционирования ВП

Для создания условий испытаний отработки конструкции предлагается методика, основанная на сравнении функционирования штатной конструкции ВП и предлагаемой. Методика представлена на рисунке 13.

Осадка материала ведущего пояска

Модель формирования отпечатка поля нареза на ВП путем осадки материала основана на соотношении радиальной и осевой составляющих контактного усилия при работе ВП в заходном конусе ствола. При конусности в зоне ската нарезов 1:40 радиальная составляющая R в 80 раз превосходит осевую Q_о. Таким образом, процесс формирования впа­дины между боевыми выступами ВП можно рассматривать, как процесс вдавливания поля нареза в материал пояска, близкий по деформационной картине к осадке (рис. 14).

Картины деформирования материала гребня, имеющие место после выстрела, статическим продавливанием через ствол и при осадке идентичны.

Переход от объемного напряженного состояния к плоскому и пренебрежение направленной силой трения R_τ, создающей дополнительно тангенциальные и изгибные напряжения в материале пояска, приводит к завышению давлений q по отношению к реальному процессу.

Полученные при этом величины контактных давлений, позволяющие сравнивать различные конструкции поясков между собой с точки зрения реакции ствола, являются условными. Поэтому статическую осадку следует рассматривать как сравнительный метод при оценке влияния геометрических параметров ГВП и механических свойств материала на величину контактного давления на поле нарезов. Кроме того этот метод позволяет получить визиопластическую картину деформации материала гребня.

Следует отметить, что модель осадки позволяет непосредственно оценить контактное давление под полем нареза в зависимости от конструктивных размеров ВП и коэффициента деформации материала.

Продавливание корпусов через ствол

Продавливание корпусов снарядов с различными конструктивными вариантами ведущих поясков позволяет получить информацию о формировании боевых выступов и прочности в условиях взаимодействия реальных объектов с их жесткостными, прочностными и фрикционными свойствами[7].

Методика исследования на натурных образцах корпусов путем продавливания через ствол предполагает снятие кривой Q = f (l) (рис.15) при формировании боевых выступов и их разрушении при нагружении крутящим моментом. На кривой Q = f (l) можно выделить три характерные зоны:

- 1 – формирование боевых выступов;

- 2 – свободное движение корпуса по нарезам;

- 3 – перемещение корпуса при блокированном повороте его в канале ствола, т.е. нагружении боевых выступов крутящим моментом.

При этом площадь под кривой в зоне (I) будет характеризовать энергозатраты А₁ на формирование боевых выступов, а под кривой зоны (III) – энергозатраты А₂ на их разрушение

Очевидно, эксплуатационные свойства ВП будут характеризоваться соотношением А₁ и А₂. Сравнивая величины А₁ и А₂ для поясков различных конструкций, можно сделать вывод о их качестве: чем ниже А₁ и выше А₂, тем лучшими эксплуатационными качествами обладает поясок.

На первом этапе эксперимента информация о работе пояска получается в виде функции Q_li = f (l_i), где Q_li осевое усилие, соответствующие перемещению l_i пояска в заходном конусе, начальном участке канала ствола.

Максимальное усилие Q_lmax полученное на этом этапе, характеризует сопротивление материала ведущего пояска при заполнении им нарезов канала ствола.

Величина осевого усилия Q_l связана с радиальным усилием Q_рад, и обжатием пояска в заходном конусе, и реакцией ствола, следующими зависимостями:

Q_lmax = Q_рад tgα(1+f),

где f - коэффициент трения пары ствол-поясок;

b – ширина пояска;

l₁ – ширина поля нареза;

n – число нарезов;

α – угол ската нарезов.

Таким образом, сравнивая различные варианты конструкций по Q_max, можно косвенно оценить и реакцию ствола. Количественная же оценка реакции при этом весьма затруднительна из-за неопределенности коэффициента трения и дополнительных сопротивлений на верхнем центрирующем утолщении вследствие возможного перекоса снаряда в канале ствола.

Площадь под кривой Q₁ = f (l) характеризует работу А₁ всех сил сопротивления при вхождении пояска в нарезы канала ствола и является интегральной оценкой энергозатрат при формировании боевых выступов ведущего пояска. Очевидно, чем выше А₁, тем жестче условия работы системы «ствол – поясок – корпус» в период врезания.

На втором этапе эксперимента при блокировании вращательного движения снаряда в канале ствола боевые выступы ведущего пояска, сформированные на первом этапе, нагружаются окружным усилием, имитирующим давление боевой грани нареза. Информация о работе пояска на этом этапе получается в виде функции Q_2i = f (l_i). Усилие Q_2i возрастает до некоторого Q_2пред и стабилизируется, что свидетельствует о процессе пластической деформации боевых выступов или провороту пояска на корпусе. После разрушения боевых выступов Q₂ падает. Усилие Q_2пред однозначно характеризует прочность боевых выступов на смятие и срез, а площадь под кривой Q_2i = f (l_i) – энергию разрушения пояска А₂.

Кроме сравнительной оценки конструкторских вариантов, статическое продавливание через ствол позволяет решать следующие задачи:

- исследовать влияние механических свойств материала пояска на его эксплуатационные характеристики;

- оценить реакцию ствола в зависимости от относительного врезания и степени деформации материала гребня.

Оценка фрикционных свойств пары «ВП – ствол»

Вопрос о трении в системе «ВП – ствол» является достаточно сложным и требует проведения самостоятельных исследований. С точки зрения фрикционного взаимодействия пояска со стволом следует выделить два этапа:

- движение снаряда до окончания процесса формирования боевых выступов;

- движение снаряда по каналу ствола со сформированными боевыми выступами.

Второй период является менее опасным, т.к. с ростом скорости коэффициент трения падает. На это указывает и характер износа ствола – наименьший и равномерный от зоны максимального давления до дульного среза. При этом следует отметить, что при традиционных материалах в системе «ведущая часть снаряда – ствол» присутствует пара «сталь – сталь», образуемая верхним центрующим утолщением и полями нарезов. Эта пара воспринимает т.н. вторичную реакцию ствола – нагрузку, связанную с неуравновешенностью снаряда и его перекосом в канале ствола. Эта нагрузка весьма значительна и к дульному срезу достигает десятков тонн.

О высокой износостойкости пары «сталь – сталь» при высоких скоростях свидетельствует использование стальных элементов в тормозных устройствах ракетных треков. Опасным является первый период движения снаряда. Он характерен тем, что относительное движение в паре «ВП – ствол» происходит в условиях пластической деформации (разрушения) материала пояска при значительных скоростях.

Таким образом, сравнение фрикционных свойств материалов ВП необходимо проводить в условиях, близких к их разрушению.

В данной работе предложена методика сравнительной оценки трибомеханических свойств материалов ВП по моменту страгивания контактирующих поверхностей при контактных давлениях, равных их пределам текучести.

Методика реализована на машине трения, схема и общий вид которой приведены на рис. 16.

Принцип действия машины следующий. Диск 1, выполненный из материала ствола, установлен на шпинделе 2 и имеет кольцевую контактную площадку. Исследуемые образцы 3 (3 шт.) закреплены в каретке 4, которая через торсион 5 и рычаг 6 грузом 7 прижимается к диску 1.

Необходимое давление в контакте подбирается изменением веса грузов и диаметром опорной поверхности образцов (бобышки).

После нагружения образцов медленным увеличением напряжения на двигателе осуществляется поворот шпинделя до «срыва» его в непрерывное вращение. При этом по лимбу на каретке фиксируется угол закручивания торсиона, соответствующий моменту страгивания контактных поверхностей.

Сопротивление страгиванию характеризует начальный момент формирования боевых выступов на ведущих поясках из различных материалов. Чем выше этот показатель, тем в более тяжелых условиях работает контакт «ВП – ствол».

Динамические испытания ОФС

Основные испытания:

1. Испытания снарядов на прочность при выстреле.

При выстреле на снаряд действует система сил, вызывающих в металле корпуса напряжения и деформации. В ряде случаев напряжения превосходят предел текучести металла, и в корпусе появляются не только упругие, но и пластические (остаточные) деформации. При определенных значениях пластической деформации может произойти нарушение сплошности металла – образование трещин, а следовательно, возможно воспламенение взрывчатого вещества, что чаще всего ведет к неполному преждевременному разрыву снаряда. Большая деформация корпуса в сечениях под ведущим пояском и верхнего центрующего утолщения может нарушить нормальное функционирование ведущего устройства при движении снаряда по каналу ствола.

Критерием прочности корпуса снаряда при выстреле является остаточная деформация, которая в любом сочетании корпуса должна быть не больше определенной величины.

При установлении допустимой величины остаточной деформации корпуса исходят из следующих соображений:

- наибольшая остаточная деформация должна быть меньше величины деформации, при которой наступает нарушение сплошности металла и образование трещин;

- наибольшая деформация (сжатия) не должна вызывать в разрывном заряде напряжений и деформаций, опасных в смысле воспламенения и преждевременного взрыва разрывного заряда;

- наибольшая деформация не должна вызывать неправильного функционирования ведущего устройства снаряда (ведущего пояска и центрующего утолщения) при его движении по каналу ствола.

- наибольшая деформация корпуса обычно имеет место в сечении под ведущим пояском, нагруженном силой реакции пояска. На внутренней поверхности корпуса в этом сечении металл претерпевает наибольшее удлинение и в случае, когда это удлинение достигает величины удлинения, соответствующей пределу прочности металла на разрыв, произойдет нарушение сплошности металла с образованием трещин.

Следовательно, при установлении допустимой величины остаточной деформации корпуса снаряда лимитирующим является условие нормального функционирования ведущего пояска для стальных корпусов.

Испытание производится из орудия, для которого предназначен данный снаряд. Ствол артиллерийского орудия должен быть первой категории с потерей начальной скорости не более 2%. Стрельба производится на полном заряде, нагретом до +40° С и выдержанном в течение двух-четырех суток в нагревательной каморе.

2. Испытания на правильность функционирования ведущего устройства.

При правильном функционировании на ведущем пояске образуются полные отпечатки нарезов, а на центрующих утолщениях отсутствуют глубокие следы от полей нарезов. От правильности функционирования ведущего устройства зависит рассеивание начальных условий вылета снарядов из канала ствола, устойчивость полета, кучность боя и износ нарезки ствола.

Неправильное функционирование ведущего пояска выражается в следующем: в образовании на нем уширенных отпечатков от полей нарезов, отпечатков с одинарными и двойными наплывами металла и ступенчатых отпечатков; в частичном или полном срезании выступов; в посадке, сдвиге, срыве ведущего пояска и в недопустимом расхождении стыка пояска (последнее относится к ведущим пояскам из прутковых заготовок).

При внешнебаллистических испытаниях снарядов определяют характеристики устойчивости и правильность полета снаряда на траектории; дальность полета и характеристики рассеивания; баллистический коэффициент и угол вылета.

В заключение данной статьи можно сделать следующие выводы:

1. Предложено теоретическое обоснование процесса врезания ведущего пояска в канал ствола на основе осесимметричного напряженного состояния тела с переходом на плоское деформированное состояние, в котором окружные деформации принимаются равными нулю, что подтверждается металлографическими исследованиями;

2. Разработана экспериментально-теоретическая методика исследования функционирования ведущего пояска в процессе выстрела, которая основывается на разделение процесса на три этапа:

- первый этап – это формирование шлицов (боевых выступов), когда канал ствола выполняет функцию матрицы при упруго - пластическом деформировании материала ведущего пояска;

- второй этап – процесс скольжения сформированного ведущего пояска по внутренней поверхности канала ствола;

- третий этап – движение снаряда на траектории и действие по цели.

Для исследования первых двух этапов предложена методика, основывающаяся на комплексе лабораторных испытаний: осадка и квазистатическое продавливание, локальное кольцевое нагружение корпуса снаряда, трение и металлографические исследования.

Методика опирается на критерии функционирования ведущего пояска:

- гироскопическую устойчивость, то есть прочность боевого выступа;

- остаточный прогиб корпуса снаряда, то есть усилие формирования боевого выступа и работа затрачиваемая на продавливание корпуса снаряда, через отрез канала ствола;

- изменение дульной скорости и максимального давления пороховых газов – результаты полигонных испытаний.

Кроме этого в данной методике учитывается влияние температуры на изменение физико-механических свойств материала ведущего пояска.

3. Для проведения лабораторных исследований разработаны:

- методики проведения экспериментов;

- установки для осадки, статического продавливания и скручивания, локального кольцевого нагружения, установка трения;

- образцы как лабораторные, так и натурные;

- методика обработки результатов экспериментов.

Примечания:

1. Ефремов М.Г. Теория проектирования артиллерийских снарядов. – Ч.Ш: Арт. Акад. РККА, 1933.

2. Чурбанов Е.В. Внутренняя баллистика периода форсирования. – Л.: ЛМИ, 1983.

3. Орлов Б.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. – М. «Машиностроение», 1976.

4. Под ред. Зорева Н.Н., Щура Д.М. Разрушение, пер. с англ. в 7-ми т. Т. 5 Расчет конструкций на хрупкую прочность М. «Машиностроение», 1977.

5. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - М.: «Машиностроение», 1977.

6. Гуськов А. В., Милевский К.Е., Слесарева Е.Ю. Анализ конструкций медного и стального ведущих поясков по деформированному состоянию в процессе врезания. – Труды Томского государственного университета. Серия физико-математическая. Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики, г.Томск, 2012, том 282, с 214-216.

7. Гуськов А.В., Ивания С.П., Милевский К.Е., Слесарева Е.Ю. Анализ существующих конструкций ведущего пояска снарядов. – Вестник академии военных наук, 2012, г. Москва, 2012 г, №2, с 152-159.

Гуськов Анатолий Васильевич, кандидат технических наук , доцент, член-корреспондент АВН, доцент Новосибирского государственного технического университета, г. Новосибирск.

Милевский Константин Евгеньевич, кандидат технических наук , доцент, член-корреспондент АВН, доцент Новосибирского государственного технического университета, г. Новосибирск.

Слесарева Екатерина Юрьевна, аспирант Новосибирского государственного технического университета, г. Новосибирск.

Семыкина Анастасия Николаевна, студентка Новосибирского гасударственного технического университета