15_Pisarenko.doc Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 92 Писаренко В.Г. КНПО "Форт" МВД Украины ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА ПРОЦЕССЫ НАКОПЛЕНИЯ ТРИБОПОВРЕЖДЕНИЙ В СТВОЛАХ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ Вступление Проблема повышения ресурса стволов стрелкового оружия является сложной комплексной зада- чей и не может быть решена без основательного исследования факторов, влияющих на процессы накоп- ления трибоповреждений в стволе. Стволы стрелкового оружия – трибосистемы, которые подвержены динамическому воздействию высоких давлений, температур и механическому воздействию пули, движущейся с натягом в канале ствола в условиях высокоскоростного трения. Целью данной работы является изучение особенностей напряженно-деформированного состоя- ния (НДС), возникающих вследствие динамического взаимодействия системы "ствол-пуля" и их влияния на протекание процессов накопления трибоповреждений в стволах спортивного и снайперского оружия. Особенности оценки факторов определяющих процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Под факторами, влияющими на протекание процессов накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия, понимают изменяющиеся во времени и по длине канала ствола характеристики про- цессов, воздействующих на приповерхностный слой канала ствола и протекающих в стволе в период вы- стрела, при горении пороха и скольжении пули по нарезам. Основные факторы, определяющие процессы повреждаемости каналов стволов, можно условно разделить на две группы: - факторы температурного воздействия; - трибомеханические факторы системы "ствол-пуля" [1]. Влияние температурного воздействия на процессы накопления повреждений в каналах стволов достаточно хорошо представлено в работах Чернова Д.К., который показал, что снижение ресурса ство- лов происходит по причине трещинообразования на поверхности канала, вследствие резких термических изменений в процессе выстрела [2, 3]. В то же время следует отметить, что исследований процессов изнашивания в результате трибо- механического взаимодействия ведущих элементов пуль с каналом ствола, достаточно мало [1, 4, 5]. Значительная часть исследований изнашивания стволов огнестрельного оружия посвящена ар- тиллерийскому оружию и автоматическому стрелковому оружию, стреляющему очередями [2, 3]. Изуче- нию особенностей процессов накопления трибоповреждений в стволах спортивного и снайперского ору- жия, стреляющего одиночными выстрелами, внимания было уделено явно не достаточно. Учитывая динамический характер воздействий, результаты расчетов напряженно- деформированного состояния, используемые для прочностного анализа и проектирования стволов [3] нельзя использовать для оценки процессов накопления трибоповреждений в системе "ствол-пуля". Уп- рощения в расчетных моделях, которые принимаются при прочностном анализе, сводят задачу к расчету изотропной цилиндрической трубы, подверженной внутреннему статическому давлению. Допущения о том, что сила трения о поверхность ствола вызывает пренебрежимо малые осевые напряжения в стенках ствола, давление ведущего устройства на боевые грани нарезов вызывает пренебрежимо малые напряже- ния кручения, нагрузки, испытываемые стволом при выстреле, носят статический характер, не приемле- мы для анализа влияния НДС на процессы трибоповреждаемости. При анализе процессов изнашивания стволов следует учитывать еще одну важную особенность, а именно то, что система "ствол-пуля" является трибосистемой работающей в условиях высокоскорост- ного трения. Авторы исследований, связанных с изучением процессов изнашивания в условиях высокоскоро- стного трения отмечают ряд особенностей протекания процессов изнашивания в зоне трения при скоро- стях скольжения превышающих 100 м/с. В первую очередь, отмечается явление значительного падения значений коэффициента трения для всех пар трущихся материалов. Среди работ, связанных с экспери- ментальными исследованиями высокоскоростного трения, следует отметить работу [6]. Авторами [6] по- лучены значения коэффициентов трения при нагрузках до 150 МПа и скоростях скольжения достигав- ших 200 м/с. В докладе [7] проведены результаты экспериментальных исследований высокоскоростного трения сталь по стали, которые показывают, что коэффициент трения в данном случае может умень- шаться до значений 0,0001. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 93 Учитывая вышесказанное, для анализа влияния НДС на процессы накопления трибоповрежде- ний в стволах нарезного оружия, характеристики полей напряжений должны определяться с учетом ди- намических эффектов происходящих в условиях высоких скоростей скольжения и учитывать изменение коэффициента трения, как функции скорости скольжения. Анализ напряженно-деформированного состояния стволов нарезного оружия Для оценки напряженно-деформированного состояния, возникающего при движении пули в ка- нале ствола нарезного оружия, использован хорошо апробированный пакет численного динамического анализа ANSYS Autodyn. Для раздельной оценки степени влияния каждого из факторов, расчетная модель (рис. 1) строи- лась без учета давления пороховых газов на стенки ствола. В модели рассматривалось лишь напряженно- деформированное состояние, которое возникает при движении пули по каналу ствола под действием давления пороховых газов на пулю. Кривая «давление пороховых газов – время» взята из несвязанного внутрибаллистического расчета. Рис. 1 – Конечно-элементная расчетная модель Для учета особенностей процессов происходящих в условиях высокоскоростного трения, в рас- четной модели учитывалось изменение коэффициента трения, как функции скорости скольжения. В ка- честве модели трения принято обобщенную модель Кулона-Амонтона с учетом эффекта Штрибека, ко- торая учитывает изменения коэффициента трения от текущей скорости скольжения: V dSd e β−⋅µ−µ+µ=µ )( где dµ – динамический коэффициент трения; Sµ – коэффициент трения покоя; V – относительная скорость скольжения в точке контакта; β – показатель степени; Адекватность расчетной модели оценивалась по результатам контрольных испытаний. Среди результатов расчетного анализа напряженно-деформированного состояния, в первую оче- редь следует обратить внимание на полученную мозаичную картину распределения напряжений на по- верхности ствола при движении пули вдоль канала ствола в процессе выстрела (рис. 2). Результаты рас- четов НДС, позволяют объяснить экспериментальные данные, приведенные в работе [4], где обращается внимание на мозаичную картину напряжений в приповерхностном слое ствола. Однако следует отметить, что первопричиной образования мозаичного характера напряжений поверхностного слоя канала ствола, является динамический характер взаимодействия пули со стволом, а не частичное оплавление и перенос ("омеднение") материала оболочки пули на различные участки по- верхности канала ствола и изменения вследствие этого коэффициента трения, как предполагали авторы [4]. Появление "омедненных" участков поверхности ствола после выстрела, является следствием мозаич- ной картины распределений напряжений и деформаций ствола. Анализ эволюции распределения эквивалентных пластических деформаций канала ствола (рис. 3) показывает, что пластические деформации являются существенным фактором, который необхо- димо учитывать при оценке процессов накопления трибоповреждений в канале ствола. Характер распре- деления эквивалентных пластических деформаций (рис. 3) показывает, что максимальные пластические деформации в канале ствола возникают в период врезания пули вследствие существенных касательных напряжений, возникающих за счет сопротивления повороту пули в процессе врезания и во время выхода пули из канала ствола, вследствие больших скоростей поступательного и вращательного движения. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 94 Рис. 2 – Эволюция распределения эквивалентных напряжений (по Мизесу) при движении пули по каналу ствола в различные моменты времени Рис. 3 – Эволюция распределения эквивалентных пластических деформаций при движении пули по каналу ствола в различные моменты времени PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 95 При выходе пули из канала ствола центробежные силы вызывают существенные тангенциальные напряжения в оболочке. Наиболее существенным пластическим деформациям подвержены грани боевых нарезов ствола, что в значительной мере определяет величины износа ствола и его ресурс. Характер изменения касательных напряжений (рис. 4) при движении пули по каналу ствола оп- ределяет интенсивность процессов возникновения и накопления трибоповреждений на боевых гранях нарезов ствола. Многочисленное изменение направления действия касательных напряжений на боевых гранях нарезов в процессе перемещения пули по стволу, о чем свидетельствует изменение знака (рис. 4), способствует интенсификации процессов образования микроповреждений. Рис. 4 – Распределение касательных напряжений по каналу ствола Анализ эквивалентных напряжений с приложенным давлением пороховых газов на стенки ство- ла в запульном простанстве показал, что в период времени, непосредственно следующий за периодом врезания пули, максимальные эквивалентные напряжения незначительно увеличиваются от 910213,1 ⋅ Па до 910235,1 ⋅ Па, по сравнению с напряжениями, когда в расчетной модели учитывалось лишь давление пороховых газов на пулю (рис. 5). При этом в данный момент времени наблюдается увеличение скорости поступательного движения пули от 147 до 153м/с. Увеличение скорости, в свою очередь, приводит к уменьшению динамического коэффициента трения скольжения и как показали результаты расчета, уменьшению максимальных эквивалентных давлений в последующие моменты времени движения пули по каналу ствола. а б Рис. 5 – Распределение эквивалентных напряжений по каналу ствола в момент времени 1,275 · 10-4 сек: а – без приложенного давления пороховых газов на стенки ствола в запульном пространстве; б –с приложенным давлением пороховых газов на стенки ствола в запульном пространстве PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы накопления трибоповреждений в стволах стрелкового оружия Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 96 Таким образом, для оценки процессов накопления повреждаемости в канале ствола в процессе выстрела, учет в расчетной модели влияния давления пороховых газов в запульном пространстве на стенки ствола не оказывает существенного влияния на протекание процессов накопления трибоповреж- дений. Как показал расчетный анализ, без давления на стенки ствола в запульном пространстве, процесс взаимодействия пули и канала ствола происходит в более жестких условиях. Выводы На основании проведенного анализа намечены пути для оценки процессов накопления трибо- повреждений стволов спортивного и снайперского оружия, показана необходимость учитывать особен- ности динамического характера напряженно-деформированного состояния в условиях высокоскоростно- го трения, возникающего вследствие взаимодействия системы "ствол-пуля". Литература 1. Дроздов Ю. Н. Прикладная трибология (трение, износ, смазка) / Ю.Н. Дроздов, Е.Г. Юдин, А.И. Белов. – М.: Эко-Пресс, 2010. – 604 с. 2. Благонравов А.А. Основы проектирования автоматического оружия / А.А. Благонравов. – М.: Оборонгиз, 1940. – 484 с. 3. Кириллов В.М. Основания устройства и проектирования стрелкового оружия / В.М. Кириллов. – Пенза.: ПВАИУ, 1963. – 342 с. 4. Зеленко В.К. Взаимосвязь износа каналов стволов снайперского вооружения с конструкцией пули / В.К. Зеленко, В.М. Королев, Ю.Н. Дроздов // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2010, №3. – С. 83-87. 5. Дроздов Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. – М.: Машиностроение, 1986. – 223 с. 6. Montgomery R. S. Friction and Wear at High Sliding Speeds // Wear. – 1976. – T. 36. – P. 275-298. 7. Lim J. Cambridge University Internal Report / Michael F. Ashby // CUED, C.–mat. – 1986. – T. 123. Надійшла 04.11.2011 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com