BADANIA WPŁYWU SZTYWNOŚCI SPRĘŻYNY POWROTNEJ SUWADŁA W ASPEKCIE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU AUTOMATYKI KARABINKA STANDARDOWEGO

Transkrypt

1 Dr inż. Ryszard WOŹNIAK Mgr inż. Paweł PŁATEK Instytut Tehniki Uzbrojenia Wydział Mehatroniki, Wojskowa Akademia Tehnizna Dr inż. Jerzy MAŁACHOWSKI Mgr inż. Krzysztof DAMAZIAK Katedra Mehaniki i Informatyki Stosowanej Wydział Mehanizny, Wojskowa Akademia Tehnizna BADANIA WPŁYWU SZTYWNOŚCI SPRĘŻYNY POWROTNEJ SUWADŁA W ASPEKCIE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU AUTOMATYKI KARABINKA STANDARDOWEGO Streszzenie: Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie możliwośi wykorzystania analizy numeryznej metodą układów wielozłonowyh w proesie badania odpowiedzi zespołu automatyki karabinka podstawowego kalibru 5,56 mm w zależnośi od parametru sztywnośi sprężyny mehanizmu powrotnego. W artykule sharakteryzowano opraowany do oblizeń model numeryzny oraz przyjęte w analizie warunki pozątkowo-brzegowe. W punkie dotyząym prezentaji wyników dokonano porównania otrzymanyh harakterystyk kinematyznyh wyznazonyh dla podzespołu suwadła. STIFFNESS PARAMETER SENSITIVITY STUDY OF RECOIL SPRING OF STANDARD ASSAULT RIFLE DYNAMIC ANALYSIS Abstrat: The main goal of the paper is to present the possibility of multibody analysis of modular small arms system al. 5,56 mm. The authors deided to test numerially the influene of stiffness parameters reoil spring on kinemati harateristis of a gun. In the paper the developed multibody model and applied boundary onditions as well as their theoretial fundamentals of performed omputations are presented and desribed in detail. In the final part the ahieved results are disussed and onlusions are drawn. 1. WPROWADZENIE Zakład Konstrukji Spejalnyh Instytutu Tehniki Uzbrojenia Wydziału Mehatroniki Wojskowej Akademii Tehniznej realizuje we współpray z fabryką broni,,łuznik - -Radom projekt badawzy rozwojowy, którego elem jest opraowanie nowyh karabinków standardowyh, stanowiąyh bazę Modułowego Systemu Broni Strzelekiej kalibru 5,56 mm (MSBS-5,56). Wynikiem projektu będą dwa demonstratory tehnologii karabinków: jeden zbudowany w klasyznym (kolbowym) układzie konstrukyjnym, a drugi w bezkolbowym układzie konstrukyjnym. Obydwa karabinki wykorzystują tę samą,,automatykę i działają na tej samej zasadzie, tj. odprowadzanie zęśi gazów prohowyh przez bozny otwór w lufie z wykorzystaniem krótkiego ruhu tłoka gazowego [1, 2] (rys. 1). 943

2 Rys. 1. Widok ogólny analizowanego układu: 1 tłok gazowy, 2 wkładka komory gazowej, 3 suwadło, 4 obsada lufy, 5 zamek, 6 wodzik zamka, 7 sprężyna mehanizmu powrotnego, 8 zderzak elastomerowy Opraowywana broń zawiera kilka oryginalnyh rozwiązań (hronionyh zgłoszeniami patentowymi), a także została przystosowana dla strzelów prawo- i lewo ręznyh poprzez rozmieszzenie manipulatorów (przełąznika bezpieznika, przyisku zwalniania magazynka, dźwigni zazepu zamka) po obydwu stronah komory zamkowej. Nowatorski harakter zastosowanyh rozwiązań konstrukyjnyh wymagał wykonania obszernyh badań numeryznyh i eksperymentalnyh, któryh elem było sprawdzenie poprawnośi przyjętyh założeń. Badania realizowano z wykorzystaniem dwóh metod numeryznyh: metodą układów wielozłonowyh oraz metodą elementów skońzonyh. Tematyka niniejszego artykułu dotyzy zagadnienia związanego z określeniem harakterystyk kinematyznyh podzespołu suwadła w zależnośi od parametru sztywnośi sprężyny mehanizmu powrotnego oraz jej wstępnego napięia. W niniejszej pray przedstawiono badania zrealizowane metodą układów wielozłonowyh. 2. OKREŚLENIE METODYKI POSTĘPOWANIA ORAZ BUDOWA MODELU NUMERYCZNEGO 2.1. Założenia do budowy modelu analityznego Przyjęie założenia mówiąego o tym, iż układ rzezywisty karabinka jest układem wielozłonowym (ang. multibody systems), reprezentowanym przez model złożony z wielu złonów podlegająyh działaniu różnego typu sił i powiązanyh ze sobą połązeniami różnyh klas (parami kinematyznymi) pozwala na przeanalizowanie wzajemnej współpray elementów zespołu automatyki karabinka z wykorzystaniem metody układów wielozłonowyh [3, 4]. Do realizaji powyższego zadania wykorzystano program CAE MSC.visual Nastran, który umożliwia rozwiązywania dynamiznyh równań ruhu brył sztywnyh zgodnie z teorią Newtona-Eulera (II prawo Newtona i twierdzenie dotyząe zmiany krętu bryły sztywnej). Równania takie są formułowane przy założeniu, że układ własny ξηζ, (układ związany z analizowaną bryłą sztywną) jest układem entralnym, umiejsowionym w środku masy C. Podstawowe równania dynamizne przyjmują wówzas w postai wektorowej następująą postać [3, 4]: v. F. m, K N. gdzie: v składowe wektora prędkośi (środka masy C), F siła wypadkowa, K kręt ruhu obrotowego względem środka masy C, N moment od sił zewnętrznyh względem środka masy C. 944

3 Składowe prędkośi środka masy C analizowanej bryły zdefiniowane są w takim przypadku T T w osiah układu ineryjnego xyz i przyjmują postać v [ v v v ] [ x y z ]. Składowe wektora krętu K badanego iała względem środka masy są przedstawione w układzie osi ξηζ i zdefiniowane są w sposób następująy: K J ω, (1) T gdzie: ω [ ] prędkośi kątowe względem poszzególnyh osi, J biegunowy moment bezwładnośi bryły względem środka masy C. Równania ruhu analizowanego iała sztywnego w takim przypadku możemy zapisać w postai maierzowej [1, 2]: mi 0 0 v 0 F J ω ω ~ Jω N gdzie: I 3 3 wymiarowa maierz jednostkowa, N moment od sił zewnętrznyh (F) względem środka masy C danej bryły, ω przyspieszenie kątowe, a indeks górny (~) oznaza maierz skośnie symetryzną operator mnożenia wektorowego. Powyższe równanie można przedstawić w zapisie symboliznym [1, 2]: x y z (2) Mv h(v) f(p,v, t) (3) gdzie: M jest n n wymiarową, symetryzną maierzą bezwładnośi, h(v) jest wektorem sił dynamiznyh (maierz kolumnowa). Prawa strona równania, tj. f jest zależna od położenia i prędkośi układu, a także od zasu t. Zależnośi kinematyzne w analizowanym przypadku przyjmują postać: r I 0 v p A(p)v α 0 A ω (4) gdzie: r = [x y z ] T wektor wodząy do środka masy C względem układu globalnego xyz, I jednostkowa maierz 3 3, α opisuje trzy kąty określająe zmianę położenia układu ζηξ względem układu xyz, A(p)v maierz transformaji pomiędzy składowymi prędkośi v Definiowanie modelu numeryznego układu automatyki karabinka podstawowego Zadanie związane z przygotowaniem modelu numeryznego odwzorowująego działanie układu automatyki karabinka wykonano w programie MSC.visual Nastran [5]. Do jego realizaji wykorzystano dokumentaję konstrukyjną w postai modeli 3D poszzególnyh podzespołów opraowanyh w programie CAD SolidWorks. Proes definiowania warunków pozątkowo-brzegowyh dla modelu numeryznego obejmował następująe zagadnienia: definiję warunków brzegowyh określenie możliwośi ruhu poszzególnyh zęśi układu (rys. 2a), definiję par kontaktowyh, definiję wymuszenia oddziaływująego na tłok gazowy w postai harakterystyki iśnienia (rys. 2b), definiję harakterystyk masowo-bezwładnośiowyh dla poszzególnyh zęśi, definiję dyskretnego elementu o właśiwośiah sprężysto-tłumiąyh (sprężyna mehanizmu powrotnego) określenie sztywnośi elementu (rys. 2). 945

4 Rys. 2. Model numeryzny zespołu automatyki karabinka: a elementy składowe modelu numeryznego, b harakterystyka iśnienia wymuszająego ruh tłoka, element dyskretny o właśiwośiah sprężysto-tłumiąyh Definiowanie stopni swobody zespołu automatyki karabinka polegało na określeniu typu połązeń pomiędzy poszzególnymi parami kinematyznymi. Jako przykład przedstawiono sposób definiowania możliwośi ruhu elementów takih jak tłok gazowy oraz podzespół suwadła. Pierwszy z nih ma możliwość przemieszzania się oraz obrotu wzdłuż osi 0Z (oś symetrii) w zakresie ogranizonym wymiarami wkładki komory gazowej. Drugi z harakteryzowanyh elementów ma jeden stopień swobody pozwalająy na ruh posuwistozwrotny wzdłuż osi 0Z (oś przewodu lufy). Ogranizenia ruhu podzespołu suwadła zostały wprowadzone do układu poprzez zdefiniowanie par kontaktowyh bryły suwadła z takimi elementami jak: prowadnie suwadła, obsada lufy, tyle mehanizmu powrotnego, podzespół zamka oraz wodzik zamka. Wymuszeniem uruhamiająym działanie układu automatyki karabinka było iśnienie działająe na powierzhnię zołową tłoka gazowego (rys. 2b). Przebieg funkji iśnienia został określony doświadzalnie na stanowisku laboratoryjnym w trakie strzelania z jednozesną rejestrają wartośi iśnienia w komorze gazowej. Wszystkie elementy w analizowanym układzie wiernie opisywały harakterystyki masowe i geometryzne. Proesu analiz numeryznyh realizowano z wykorzystaniem shematu ałkowania wg metody Kutty Mersona [3]. 3. ZAKRES REALIZOWANYCH BADAŃ NUMERYCZNYCH Zakres prowadzonyh analiz obejmował przebadanie wpływu zmiany parametru sztywnośi elementu sprężystego (sprężyna powrotna) oraz jego wstępnego napięia (rys. 2) na przebieg harakterystyk kinematyznyh podzespołu suwadła. Na podstawie przeprowadzonyh konsultaji z zespołem konstruktorów odpowiedzialnyh za opraowanie dokumentaji konstrukyjnej oraz tehnologiznej karabinka ustalono, że parametr sztywnośi sprężyny mehanizmu powrotnego może mieśić się w toleranji ± 15%. W związku z powyższym faktem podjęto prae mająe na elu weryfikaję, zy zaproponowana toleranja wykonania 946

5 sztywnośi sprężyny zagwarantuje poprawne funkjonowanie zespołu automatyki karabinka. Badania numeryzne przeprowadzono dla przypadków przedstawionyh w tabeli 1. Sztywność sprężyny powrotnej zmieniano o 5% w zakresie ± 15%. Tabela 1. Zakres zmian parametru sztywnośi sprężyny mehanizmu powrotnego Wariant Zmiana parametru Wartość parametru sztywnośi [N/m] Wartość siły wstępnego napięia [N] ,6 2 +5% 277,2 35, % 290,4 36, % 303,6 38,6 5-5% 250,8 31,9 6-10% 237,6 30,2 7-15% 224,4 28,5 W elu określenia wpływu parametru sztywnośi sprężyny na przebieg otrzymanyh harakterystyk kinematyznyh suwadła (przemieszzenie oraz prędkość wzdłuż osi przewodu lufy) dokonano porównania wartośi prędkośi podzespołu suwadła w punktah harakterystyznyh, tj. w punktah odwzorowująyh położenie suwadła dla różnyh hwil zasu od t 0 do t 5. Punkty te odpowiadają następująym etapom ruhu: t 0 suwadło znajduje się w położeniu pozątkowym i nie działa na nie żadna siła wymuszająa ruh, V 0 = 0, t 1 harakteryzuje położenie, w którym suwadło przemieszza się w tylne położenie bez zamka i uzyskuje maksymalną wartość prędkośi V 1, t 2 oznaza hwilę zasu, w której następuje uderzenia iężarka-bezładnika we wkrętkę suwadła, t 3 oznaza hwilę zasu, w której zapozątkowane jest przemieszzenia się suwadła w skrajne, tylne położenie i uderzenie w zderzak elastomerowy, t 4 oznaza hwilę zasu, w którym następuje powrót suwadła w przednie położenie po uderzeniu w zderzak elastomerowy, t 5 oznaza hwilę zasu, w której zainijowany jest powrót suwadła w przednie położenie i uderzenie w obsadę lufy. Na rys. 3 przedstawiono w postai grafiznej położenie suwadła względem pozostałyh elementów, z którymi ono współprauje dla poszzególnyh hwili zasu od t 0 do t 5 oraz odpowiadająe im zmiany prędkośi od V 1 do V 5. a) b) Rys. 3. Widok ogólny: a) przemieszzenia suwadła dla analizowanyh hwili zasu, b) harakterystyki prędkośi z zaznazonymi wielkośiami porównywanymi 947

6 4. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ PORÓWNANIE OTRZYMANYCH ROZWIĄZAŃ W ZALEŻNOŚCI OD PARAMETRU SZTYWNOŚCI Wykonanie analiz numeryznyh dla różnyh konfiguraji parametru sztywnośi sprężyny powrotnej pozwoliło na określenie przebiegu harakterystyk kinematyznyh dla podzespołu suwadła. Na rys. 4 i 5 dokonano ih porównania z rozwiązaniem nominalnym (bazowym) ogranizają ilość rozwiązań dla skrajnyh wartośi parametru sztywnośi (± 15%). Zwiększenie parametru sztywnośi jest jednoznazne ze zmniejszeniem prędkośi suwadła w trakie trwania jego ruhu w tylne położenie oraz jej wzrostem w drugim okresie ruhu po odbiiu od zderzaka elastomerowego (rys. 5). Spadek prędkośi w pierwszym okresie ruhu jest spowodowany konieznośią zamiany większej zęśi energii kinetyznej podzespołu suwadła na praę wynikająą z napięia sprężyny. Większa energia skumulowana w sprężynie powrotnej odpowiada za wzrost prędkośi suwadła w trakie trwania drugiego okresu ruhu do przedniego położenia. Zmniejszenie wartośi parametru sztywnośi sprężyny powrotnej pozwala osiągnąć efekt odwrotny. Czas trwania yklu działania układu automatyki karabinka jest w takim przypadku dłuższy. Oenę wpływu parametru sztywnośi na otrzymane rozwiązanie dokonano poprzez zestawienie wyników w postai tabelaryznej dla analizowanyh wartośi prędkośi od V 1 do V 5 (tabela 2). Analizują harakter przebiegu krzywyh przemieszzenia przedstawionyh na rysunku nr 6 można zauważyć, że zmiana parametru sztywnośi będzie mieć tylko wpływ na zas trwania okresu odrzutu suwadła w tylne położenie oraz jego powrotu do położenia bazowego (wyjśiowego). Rys. 4. Porównanie harakterystyk prędkośi suwadła dla skrajnyh wartośi parametru sztywnośi Rys. 5. Porównanie harakterystyk przemieszzenia suwadła dla skrajnyh wartośi parametru sztywnośi 948

7 Przed przystąpieniem do realizaji yklu oblizeń wysunięto przypuszzenie, że zwiększenie sztywnośi sprężyny powrotnej o + 15% pozwoli zmniejszyć efekt odbiia suwadła od obsady lufy w momenie, kiedy wraa ono do położenia bazowego. Efekt ten jest niekorzystny ponieważ przemieszzająe się po odbiiu w tylne położenie suwadło przysłania powierzhnię zołową igliy, w którą uderza kurek. Skutkuje to powstawaniem zaięć podzas strzelania ogniem seryjnym lub iągłym. Na podstawie rozwiązania otrzymanego metodą układów wielozłonowyh można wysunąć wniosek, że zmiana parametru sztywnośi w zadanym przedziale (± 15 %) nie wpływa na wielkość przemieszzenia suwadła w tylne położenie po uderzeniu w obsadę lufy (rys. 6). Wyniki względnej zmiany prędkośi w stosunku do wyników z rozwiązania bazowego zostały przedstawione w tabeli 3. Wynika z nih, że wzrost sztywnośi powoduje zmniejszenie wartośi prędkośi w pozątkowym okresie ruhu (faza przemieszzania się suwadła w tylne położenie) i następnie jej wzrost podzas ruhu powrotnego (do położenia wyjśiowego przed strzałem). Dla przypadku z mniejszą sztywnośią osiąga się efekt odwrotny. Rys. 6. Porównanie harakterystyk przemieszzenia suwadła po odbiiu od obsady lufy dla skrajnyh wartośi sztywnośi sprężyny powrotnej Tabela 2. Wartośi prędkośi dla analizowanyh hwil zasu Wariant analizy t 1 V 1 t 2 V 2 t 3 V 3 t 4 V 4 t 5 V 5 k + 15% 0,004 6,13 0,016 4,29 0,029 2,72 0,030-0,94 0,075-4,36 k + 10% 0,004 6,13 0,017 4,33 0,029 2,73 0,029-1,02 0,074-4,26 k + 5% 0,004 6,14 0,017 4,36 0,028 2,93 0,029-1,05 0,074-4,16 k nom 0,003 6,15 0,017 4,41 0,028 3,10 0,028-1,09 0,074-4,07 k - 5% 0,003 6,17 0,017 4,45 0,027 3,32 0,027-1,17 0,074-4,16 k - 10% 0,003 6,19 0,017 4,49 0,027 3,46 0,027-1,23 0,074-4,03 k - 15% 0,003 6,21 0,017 4,54 0,026 3,61 0,027-1,28 0,074-3,74 Tabela 3. Względna zmiana prędkośi w porównaniu z układem bazowym V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 k + 15% -0,33% -2,72% -12,26% -13,76% 7,13% k - 15% 0,97% 2,86% 14,13% 14,84% -8,82% 949

8 5. WNIOSKI Analizują otrzymane rozwiązania dla wariantów ze zwiększoną sztywnośią sprężyny powrotnej można wyiągnąć następująe wnioski: zwiększenie parametru sztywnośi sprężyny powrotnej powoduje zmniejszenie prędkośi maksymalnej V 1 w pozątkowym okresie ruhu suwadła, zmniejszeniu ulegnie wartość prędkośi V 3 w hwili zasu t 3, odpowiadająej momentowi uderzenia suwadła w zderzak elastomerowy (większa zęść energii kinetyznej suwadła jest zamieniana na praę potrzebną na napięie sprężyny powrotnej), mniejsza prędkość suwadła będzie wpływać na wydłużenie zasu trwania ruhu suwadła w przednie i tylne położenie, mniejsza wartość prędkośi V 3 w momenie uderzenia będzie wpływać na wartość prędkośi po odbiiu V 4, która jest uwarunkowana harakterem współpray (definiowanym w przyjętej metodzie numeryznej za pomoą współzynnika restytuji) suwadła ze zderzakiem elastomerowym, wartość prędkośi suwadła V 5 dla zasu t 5 oznazająego moment uderzenia suwadła w obsadę lufy będzie wyższa (większa ilość energii skumulowana w sprężynie mehanizmu powrotnego). Zmniejszenie parametru sztywnośi sprężyny powrotnej spowoduje: zwiększenie prędkośi maksymalnej V 1 w pozątkowym okresie ruhu suwadła, zwiększenie prędkośi V 3 w momenie uderzenia suwadło w zderzak elastomery (t 3 ), skróenie zasu trwania ruhu zespołu suwadła (okres odrzutu i powrotu w przednie położenie), zwiększenie prędkośi suwadła po odbiiu od zderzaka elastomerowego V 4, zmniejszenie wartośi prędkośi V 5 z jaką suwadło uderza w obsadę lufy dla hwili zasu t 5. Przyjęty przedział wartośi parametru sztywnośi (± 15%) nie skutkuje znaząymi zmianami wartośi prędkośi. *** Praa naukowa finansowana ze środków na naukę w latah jako projekt rozwojowy. LITERATURA [1] Damiaziak K., Małahowski J., Płatek P., Woźniak R.: Analiza możliwośi wykorzystania różnyh metod numeryznyh w proesie projektowania układu automatyki broni strzelekiej kalibru 5,56 mm, Mehanik, nr 2/2011, s [2] Małahowski J., Płatek P., Woźniak R., Zahor M.: Analiza numeryzna działania układu tłoka gazowego z suwadłem w karabinkah podstawowyh Modułowego Systemu Broni Strzelekiej kalibru 5,56 mm, Problemy Mehatroniki, nr 2 (4), [3] Frązek J., Wojtyra M.: Kinematyka układów wielozłonowyh. Metody oblizeniowe, WNT, Warszawa [4] Blajer W.: Metody dynamiki układów wielozłonowyh, Politehnika Radomska, [5] MSC.visual Nastran 4D, Quik Referene Guide,