BADANIA WPŁYWU ZMIANY PARAMETRÓW MASOWO-BEZWŁADNOŚCIOWYCH PODZESPOŁU SUWADŁA NA CHARAKTERYSTYKI KINEMATYCZNE KARABINKA STANDARDOWEGO

Transkrypt

1 Dr inż. Ryszard WOŹNIAK Mgr inż. Paweł PŁATEK Instytut Techniki Uzbrojenia Wydział Mechatroniki, Wojskowa Akademia Techniczna Dr inż. Jerzy MAŁACHOWSKI Mgr inż. Krzysztof DAMAZIAK Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydział Mechaniczny, Wojskowa Akademia Techniczna BADANIA WPŁYWU ZMIANY PARAMETRÓW MASOWO-BEZWŁADNOŚCIOWYCH PODZESPOŁU SUWADŁA NA CHARAKTERYSTYKI KINEMATYCZNE KARABINKA STANDARDOWEGO Streszczenie: Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie możliwości wykorzystania analizy numerycznej metodą układów wieloczłonowych w procesie badania wpływu parametrów masowo-bezwładnościowych podzespołu suwadła na charakterystyki kinematyczne zespołu automatyki karabinka podstawowego kalibru 5,56 mm. Zaprezentowane wyniki analiz dotyczą różnych wariantów konfiguracyjnych podzespołu suwadła. MASS-INTERIA PROPERTIES SENSITIVITY STUDY OF SLIDE IN TERMS OF STANDARD ASSAULT RIFLE DYNAMIC ANALYSIS Abstract: The main goal of the paper is to present the possibility of multibody analysis of modular small arms system cal.5,56 mm. The authors decided to test numerically the influence of slide inertial properties on kinematic characteristics of a gun. Various configuration geometry model of slide and their analysis were performed and discussed. In the final part the achieved results are concluded. 1. WPROWADZENIE Niniejszy artykuł jest kontynuacją serii publikacji dotyczącej badań numerycznych nad karabinkiem stanowiącym podstawę Modułowego Systemu Broni Strzeleckiej MSBS-5,56 realizowanym przez Zakład Konstrukcji Specjalnych Instytutu Techniki Uzbrojenia Wydziału Mechatroniki Wojskowej Akademii Technicznej w kooperacji z fabryką broni Łucznik - -Radom. Tematem artykułu są badania nad wpływem zmiany parametrów masowo- -bezwładnościowych podzespołu suwadła na charakterystyki kinematyczne zespołu części odpowiedzialnych za funkcjonowanie automatyki karabinka. Prezentowane wyniki analiz numerycznych otrzymano poprzez wykorzystanie metody układów wieloczłonowych do rozwiązywania dynamicznych równań ruchu. Charakterystyka przyjętej metody prowadzenia badań numerycznych oraz wykorzystanego do obliczeń modelu numerycznego została przedstawiona we wcześniejszych pracach [1, 2]. W pracach tych autorzy dokonali także weryfikacji opracowanego modelu z wynikami z badań eksperymentalnych, które zrealizowano na podstawowej wersji badawczej karabinka. 935

2 2. CHARAKTERYSTYKA PODZESPOŁU SUWADŁA Jednym z podstawowych podzespołów funkcjonalnych projektowanych karabinków jest podzespół suwadła z zamkiem (rys..1). Przyjęte założenie konstrukcyjne mówiące o modułowym charakterze budowy karabinka oraz dostosowaniu broni do potrzeb strzelców prawo- i leworęcznych w znaczący sposób wpływa na stopień skomplikowania geometrii części wchodzących w jego skład. Przykład może stanowić rozwiązanie umożliwiające zmianę kierunku usuwania łuski z komory nabojowej po strzale. Zrealizowano je poprzez możliwość zmiany kierunku obrotu zamka wzdłuż osi podłużnej. Ruchem obrotowym zamka steruje wodzik współpracujący z krzywoliniowym wycięciem wykonanym po obydwu stronach ściany bocznej suwadła. Zaproponowane rozwiązanie posiada pewną niedoskonałość, która w skrajnych sytuacjach może objawiać się powstawaniem zacięć podczas strzelania ogniem seryjnym lub ciągłym. Powracające do położenia wyjściowego w końcowej fazie działania zespołu automatyki, suwadło uderza w obsadę lufy, a następnie na skutek odbicia wykonuje ponowny ruch wsteczny. Niewielka masa wodzika zamka w stosunku do masy suwadła nie jest w stanie zatrzymać przemieszczającego się w tylne położenie podzespołu. W związku z tym istnieje obawa, że suwadło po odbiciu od obsady lufy może przemieścić się na odległość uniemożliwiającą uderzenie kurka w iglicę (oddanie kolejnego strzału). W celu eliminacji tego niekorzystnego zjawiska wewnątrz suwadła wykonano otwór, w którym umieszczone zostały ciężarki pełniące funkcje masy przeciwodskokowej. Ich zadaniem jest uderzenie w przednią ścianę otworu suwadła w końcowym etapie jego ruchu. Pozwala to zmniejszyć jednocześnie drogę, na jaką przemieści się odbite suwadło. Powyższe rozwiązanie nie było wcześniej stosowane przez konstruktorów z fabryki broni Łucznik -Radom. W związku z tym faktem zaproponowano cykl badań numerycznych mających na celu określenie wpływu zmiany parametrów masowo- -bezwładnościowych suwadła na jego charakterystyki kinematyczne i dynamiczne. Zmianę parametrów realizowano poprzez konfigurowanie różnych rozwiązań konstrukcyjnych w prowadzonych analizach numerycznych ruchu suwadła. Rys. 1. Widok ogólny podzespołu suwadła z zamkiem 3. ZAKRES REALIZOWANYCH BADAŃ NUMERYCZNYCH Jako przedmiot prowadzonych analiz numerycznych zaproponowano następujące warianty konstrukcyjne geometrii suwadła o różnych parametrach masowo-bezwładnościowych: rozwiązanie bez otworu i ciężarków, rozwiązanie z otworem i ciężarkami w liczbie dziewięciu sztuk (model bazowy), rozwiązanie z otworem i jednym ciężarkiem odpowiadającym wymiarami i masie rozwiązaniu bazowemu, 936

3 rozwiązanie z otworem i pojedynczym ciężarkiem wydłużonym o 10% względem modelu bazowego, rozwiązanie z otworem i pojedynczym ciężarkiem skróconym o 10% względem modelu bazowego. Prowadzone badania realizowano z wykorzystaniem modelu numerycznego bazującego na metodzie układów wieloczłonowych [3-5]. Modyfikacji podlegała jedynie bryła suwadła dla każdego z analizowanych przypadków. Sam model został szczegółowo scharakteryzowany we wcześniejszych publikacjach [1, 2]. Warunki początkowo-brzegowe przyjęto identyczne jak dla wspomnianego modelu bazowego. 4. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ PORÓWNANIE OTRZYMANYCH ROZWIĄZAŃ Pierwsza z wykonanych analiz numerycznych dotyczyła wariantu konstrukcyjnego, w którym wyeliminowano z geometrii suwadła otwór oraz przemieszczające się wewnątrz niego ciężarki-bezwładniki. Otrzymane rozwiązanie pozwoliło na weryfikację przypuszczenia mówiącego o konieczności stosowania masy przeciw odskokowej wewnątrz suwadła. Na rys. 2 dokonano porównania charakterystyk kinematycznych analizowanego modelu z rozwiązaniem bazowym. Rys. 2. Porównanie charakterystyk kinematycznych podzespołu suwadła: L s, V s rozwiązanie dla modelu bez otworu i ciężarków, L s_nom, V s_nom rozwiązanie dla modelu bazowego Biorąc pod uwagę przebieg krzywych przemieszczenia oraz prędkości, można zauważyć, że dla układu bazowego podczas odryglowywania zamka, wartość prędkości jest niższa. Efekt ten (zaznaczony odnośnikiem nr 1 na krzywej prędkości) jest uzasadniony tym, że część energii kinetycznej przemieszczającego się w tylne położenie suwadła jest wykorzystywana do wprawienia w ruch postępowy ciężarków wewnątrz otworu. Zaznaczony na rysunku odnośnik nr 2 dotyczy momentu, kiedy suwadło uderza w obsadę lufy. Brak masy przeciwodskokowej skutkuje możliwością swobodnego przemieszczenia się suwadła do tyłu na 937

4 odległość znacznie przewyższającą wartość otrzymaną dla układu bazowego. Różnica w wartościach przemieszczenia po odbiciu wynosi L = 15 mm. Kolejny z zaproponowanych wariantów obliczeń dotyczył rozwiązania konstrukcyjnego, różniącego się w stosunku do modelu bazowego ilością ruchomych ciężarków. W analizowanym przypadku wewnątrz suwadła zmniejszono ich liczbę z dziewięciu do ośmiu przy zachowaniu niezmienionej masy podzespołu suwadła. Zasadniczym celem wykonanej analizy było określenie wpływu długości drogi, po której przemieszczają się ciężarki na charakterystyki kinematyczne podzespołu suwadła. Na rys..3 dokonano porównania wyników dla rozpatrywanego przypadku z rozwiązaniem bazowym. Zestawiając przebiegi krzywych prędkości i przemieszczenia, można zauważyć, że dla wariantu z ośmioma ciężarkami suwadło przemieszcza się na większą odległość po odbiciu od obsady lufy. Dłuższy odcinek drogi, po której mogą przemieszczać się ciężarki, będzie powodować opóźnienie efektu ich działania. Rys. 3. Porównanie charakterystyk kinematycznych podzespołu suwadła: L s8, V s8 rozwiązanie dla modelu z ośmioma ciężarkami, L s_nom, V s_nom rozwiązanie dla modelu bazowego Jako przedmiot następnej analizy numerycznej (rys. 4) zaproponowano sprawdzenie, czy możliwe jest zastąpienie dziewięciu ciężarków jednym o równoważnej masie i wymiarach. Dodatkowo przeanalizowano wpływ zmiany długości ciężarka oraz jego masy na przebieg charakterystyk kinematycznych podzespołu suwadła. Rys. 4. Schemat graficzny przedstawiający zakres zmian geometrii ciężarka przemieszczającego się wewnątrz suwadła: L skr ciężarek skrócony o 10%, L 1 ciężarek o długości równoważnej z modelu bazowego, L wydl ciężarek wydłużony o 10% 938

5 Wykonanie zadania związanego z modyfikacją modelu numerycznego geometrii ciężarków oraz przeprowadzenie stosownych analiz numerycznych pozwoliło na dokonanie oceny zaproponowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Na rys. 5-7 przedstawiono charakterystyki kinematyczne podzespołu suwadła dla każdego z analizowanych przypadków. Rys. 8 stanowi zbiorcze porównanie otrzymanych wyników przeprowadzonych badań numerycznych. Rys. 5. Przebieg charakterystyk kinematycznych dla podzespołu suwadła układ z jednym ciężarkiem o równoważnej masie i długości dla układu bazowego Rys. 6. Przebieg charakterystyk kinematycznych dla podzespołu suwadła układ z jednym ciężarkiem o długości mniejszej o 10% od wymiaru bazowego 939

6 Rys. 7. Przebieg charakterystyk kinematycznych dla podzespołu suwadła układ z jednym ciężarkiem o długości większej o 10% od wymiaru bazowego Rys. 8. Porównanie charakterystyk kinematycznych wyznaczonych dla podzespołu suwadła 5. WNIOSKI Zrealizowany cykl analiz numerycznych z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych poświęcony był badaniom nad określeniem wpływu parametrów masowo- -bezwładnościowych geometrii suwadła na jego charakterystyki kinematyczne. Otrzymane wyniki symulacji w postaci krzywych przemieszczenia i prędkości dla każdego z analizowanych przypadków pozwalają stwierdzić, że zastosowanie dodatkowej masy 940

7 przeciwodskokowej o odpowiedniej geometrii wewnątrz otworu suwadła będzie korzystnie wpływać na działanie układu automatyki karabinka. Porównując wyniki rozwiązania bazowego z wariantem konfiguracyjnym o jednym ciężarku, można zauważyć podobieństwo otrzymanych charakterystyk. W związku z tym układ bazowy nadaje się do prowadzenia prac studyjnych, natomiast docelowo sugeruje się wykorzystanie rozwiązania z jednym ciężarkiem, które jest łatwiejsze do wykonania. Zastosowanie rozwiązania konstrukcyjnego podzespołu suwadła z ciężarkiem o długości i masie mniejszej o 10% w stosunku do układu bazowego będzie skutkować większą wartością przemieszczenia suwadła w tylne położenie po odbiciu od obsady lufy w końcowej fazie trwania cyklu automatyki. Gdy wykorzystuje się takie rozwiązanie w praktyce, istnieje wysokie prawdopodobieństwo powstawania zacięć podczas strzelania. Będą one następstwem przysłonięcia powierzchni czołowej iglicy, w którą uderza kurek. Kolejny z rozpatrywanych wariantów z ciężarkiem o masie i długości większej o 10 % w porównaniu do rozwiązania bazowego charakteryzuje się krótszym odcinkiem drogi, po której przemieszcza się ciężarek. Rozwiązanie to skutkuje mniejszym przemieszczeniem suwadła po jego odbiciu od obsady lufy. Dla analizowanego przypadku nie następuje przysłonięcie powierzchni czołowej iglicy współpracującej z kurkiem. Możliwe wówczas jest oddanie kolejnego strzału. Na wykresie przedstawionym na rys. 8 dokonano porównania wyżej rozpatrywanych charakterystyk kinematycznych. Analizując poszczególne krzywe, można zauważyć, iż długość ciężarka ma również wpływ na zmianę prędkości w początkowym okresie ruchu suwadła po odryglowaniu przewodu lufy. W zależności od przyjętego wariantu widać, że zwiększenie prędkości wynikające z uderzenia ciężarka we wkrętkę suwadła następuje dla różnych chwil czasu. Krótsza droga, po której przemieszcza się ciężarek, umożliwia jego wcześniejsze uderzenie we wkrętkę suwadła. W związku z tym dla wariantu +10% efekt zwiększenia prędkości pojawi się wcześniej w stosunku do pozostałych rozwiązań konstrukcyjnych. Dodatkowo sprawdzono, co się stanie, jeśli długość ciężarka zostanie zwiększona w stosunku do wymiaru bazowego o +15%. Na podstawie przeprowadzonej symulacji otrzymano bardzo interesujące rozwiązanie. Okazało się bowiem, iż zbyt krótki odcinek drogi, po której przemieszcza się ciężarek, spowoduje jego wcześniejsze uderzenie w powierzchnię czołową otworu i nastąpi to zanim suwadło zdąży odbić się od obsady lufy. Dla takiego układu konfiguracyjnego ciężarek przestaje pełnić funkcję masy przeciw odskokowej, co w konsekwencji ma negatywny wpływ na działanie badanego układu automatyki broni. *** Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt rozwojowy. LITERATURA [1] Damiaziak K., Małachowski J., Płatek P., Woźniak R.: Analiza możliwości wykorzystania różnych metod numerycznych w procesie projektowania układu automatyki broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm, Mechanik, nr 2/2011, s [2] Małachowski J., Płatek P., Woźniak R., Zahor M.: Analiza numeryczna działania układu tłoka gazowego z suwadłem w karabinkach podstawowych Modułowego Systemu Broni Strzeleckiej kalibru 5,56 mm, Problemy Mechatroniki, nr 2 (4), [3] Frączek J., Wojtyra M.: Kinematyka układów wieloczłonowych. Metody obliczeniowe, WNT, Warszawa

8 [4] Blajer W.: Metody dynamiki układów wieloczłonowych, Politechnika Radomska, [5] MSC.visual Nastran 4D, Quick Reference Guide,