Как это работает?

Сегодня мы продолжаем тему запирающих узлов для «вертикалок», начатую в прошлых номерах нашего журнала (статьи «Как это работает», №№ 6, 8/2016).

Исследования в области конструирования узлов запирания для «вертикалок» проводятся, и проводятся достаточно активно всеми ведущими производителями такого оружия на Западе. Если внимательно присмотреться к изменениям в очертаниях ствольных коробок некоторых моделей, то нетрудно увидеть результаты крайне кропотливой работы, которую провели конструкторские отделы ведущих мировых брендов, в частности «Браунинга» и «Беретты». Далее я назову эти, казалось бы, мелочи (а для конечного пользователя, неискушённого в конструкторских изысках, это ведь мелочи, ве но?). Сейчас же я просто хочу сказать о том, что этот буквально видимый прогресс в конструировании охотничьего оружия своим появлением всецело обязан компьютерным системам автоматизированного проектирования (САПР). Появилась возможность с новых позиций, многократно сократив производственные издержки, взглянуть на традиционные конструкции, подвергнуть их математическому прочностному анализу и тем самым оптимизировать по форме, а в конечном итоге и по металлоёмкости. Если же говорить о проектировании новых моделей ружей и инновационных узлов для них, то применение компьютерного моделирования безальтернативно. Именно САПР, при отсутствии высокотехнологичной испытательной базы, позволяет понять, как уже существующие узлы запирания можно оптимизировать или взять за точку отсчёта при создании принципиально новых конструкций. Первое, что определяет начало такой работы, это понимание природы сил, возникающих в стреляющем ружье. Именно это понимание ложится в основу любого подхода к проектированию. И это легко продемонстрировать на частном примере подготовки данных для ввода в любой пакет САПР для последующих расчётов. Как это выглядит? А вот так…

Чем мощнее запирающие узлы, тем меньше нагружено шарнирное соединение. Но это на практических испытаниях, а вот в соответствующих теоретических расчётах наличие в системе шарнирного соединения усложняет объективную оценку разгрузочных узлов. Поэтому (именно в компьютерном моделировании) часто идут парадоксальным для практиков путём — путём упрощающих допущений (будем считать, что мы уже приступили к компьютерному моделированию и следуем той самой логике упрощения). Тогда, во-первых, исключим из компьютерной модели шарнирное соединение, а, следовательно, и передаваемую им реакцию на затворную коробку. Точнее, исключим эту реакцию по оси (Х), но оставим ограничение по перемещению коробки по оси (Y), то есть в области шарнирного соединения коробка получит возможность продольного скольжения, будучи неподвижной в вертикальной плоскости.

Во-вторых, допустим, что упругая деформация коробки при выстреле уже состоялась и «ходового» зазора между сопрягаемыми поверхностями нет. При таких допущениях мы с достаточной точностью вычислим запирающую способность только разгрузочных плоскостей, и, соответственно, прочностные характеристики самой коробки. И тут важно учесть ещё один момент. Компьютерное моделирование позволяет задать условия, при которых коробка, имея возможность скольжения только по оси (Х), будет иметь ещё и дополнительную возможность поворота передней части коробки относительно этого виртуального шарнирного соединения на некий положительный угол. Введение такой возможности — совершенно необходимое условие для предстоящего исследования, и теоретические предпосылки для этого следующие: шарниры в нашей компьютерной модели не оказывают запирающей реакции (что нам, кстати, и желательно в реальном ружье), а коробка при выстрелах работает ещё и на изгиб. Изгиб же в коробке возникает из-за ограничения перемещения её передней части по оси (Y) в момент упругой деформации (это ограничение обусловлено в реальном ружье взаимодействием передней части коробки, в которой и расположено шарнирное соединение, с одним передним нижним или двумя передними боковыми крюками казённой муфты ствольного блока), а также из-за рычага сил, возникающего вследствие низкого расположения поперечной оси шарнирного соединения относительно области приложения продольной осевой нагрузки от выстрела.

Проще говоря — чем выше относительно поперечной оси шарниров стреляющий ствол, тем больше изгибающий момент. В результате в коробке, точнее в верхних областях боковых щёк, возникают растягивающие напряжения, а в нижней наоборот — сжимающие. Соответственно, передняя часть коробки получает тенденцию к вращению относительно шарнирного соединения. В абсолютном значении эти изгибающие коробку силы достаточно значительны, поэтому цифровое прочностное моделирование также учитывает эти напряжения в материале затворной коробки. Сама возможность одновременного учёта этих и иных напряжений в корне отличает программы САПР от дискретных методик, то есть не связанных между собой прочностных расчётов по отдельным участкам затворной коробки, что практиковалось ранее. Ну и, как видите, подготовка предварительной логистики для ввода данных в расчётные программы — дело непростое…

Кстати говоря, воплощение результатов подобных комплексных расчётов в металле часто или узаконено фиксирует или меняет облик уже знакомых образцов. Многие и многие часы, проведённые автором этих строк за компьютерным моделированием нагрузок, действующих на затворную коробку, позволили по-новому взглянуть на облик, казалось бы, давно знакомых ружей-«вертикалок». И что самое важное — совершенно независимо, без оглядки на конкретные модели ружей, прийти в результате этого моделирования к аналогичным результатам формообразования. Если вспомнить ранние образцы затворной коробки Browning B25, а затем сравнить их с современной 525-й моделью, то мы не увидим никаких изменений в конструктивно оформленном соединении верхних частей боковых щёк с зеркалом коробки. Как уже упоминалось, в коробке в этой области в момент выстрела из верхнего ствола возникают мощные растягивающие напряжения и для их компенсации здесь оформлен развитый ступенчатый переход от щёк к зеркалу. Именно компьютерное моделирование нагрузок позволило конструкторам и дизайнерам подтвердить оптимальность формы коробки в этом опасном сечении даже при более мощных современных патронах. Гений М. Браунинга был ещё раз подтверждён, на этот раз уже строго расчётно.

А вот коробка другого именитого производителя — «Беретты». Здесь без изменения формы не обошлось. В щеках коробок ранних образцов были выполнены фигурные пазы для боковых «клыков» казённой муфты ствольного блока, нижняя плоскость которых была параллельна продольной оси ружья. Моделирование растягивающих нагрузок позволило учесть их наличие в новом формообразовании этих пазов. В результате та самая нижняя плоскость пазов, в соответствии с результатами моделирования, получила наклонную форму, с подъёмом к зеркалу ствольной коробки, в соответствии с направлением растягивающих нагрузок. Разумеется, и «клыки» казённой муфты изменили свою форму, что даже с точки зрения зрительного восприятия добавило гармоничности в облик ружья. Ярким представителем такой формы вырезов в стенках ствольной коробки служит Beretta 692. Но вернёмся к теме перспективного проектирования.

В момент выстрела в реальном ружье происходит увеличение нагрузки на шарнирный узел, как на основной запирающий элемент. Задние разгрузочные плоскости не задействованы, так как в результате упругой деформации коробки первоначально ликвидируется «ходовой» зазор именно в шарнирном соединении. Происходит это потому, что зазоры в шарнирном соединении по сравнению с зазорами между разгрузочными плоскостями являются меньшими по величине. Это является следствием имеющегося приоритета при подгонке сопрягаемых поверхностей, который существует на подавляющем количестве оружейных производств, и вот почему: подгонка эта осуществляется до получения полного или частичного упора казённой части блока стволов в зеркало ствольной коробки, что и предопределяет в шарнирном соединении меньшие зазоры.

В качестве примера — латунная прокладка за съёмной пластиной зеркала в ружье ТОЗ-34 призвана решить проблему беззазорной подгонки заднего крюка ствольной муфты к нижнему мостику затворной коробки, ну и дополнительно — боковых кольцевых шарниров к кольцевым вырезам щёк в ствольной коробки в момент полного закрытия ружья. В момент выстрела в большинстве конструкций в рамках упругой деформации происходит продольный изгиб коробки, который, в свою очередь, приводит к смещению (скольжению) задних разгрузочных плоскостей, особенно находящихся в задней верхней части ствольной коробки, относительно друг друга (если вообще эти разгрузочные поверхности в конструкции ружья присутствуют). Это смещение, да ещё в большинстве случаев с имеющимся зазором между сдвигаемыми поверхностями, приводит к уменьшению возможных опорных разгружающих «пятен контакта», и таким образом в некоторой степени обесценивает само наличие задних разгрузочных поверхностей, так как именно уменьшение площади контакта приводит к явлению наклёпа, а в итоге к увеличению первоначального «ходового» зазора. Именно на этот замкнутый круг я указывал в первой статье данного цикла.

Сейчас же я просто напоминаю об этом, чтобы пояснить, что все эти негативные явления свойственны всем без исключения ружьям, построенным по, как я её называю, «одноопорной» схеме. Она подразумевает включение шарнирной подвески блока стволов в силовую схему ружья в качестве основной, которая призвана противодействовать силам давления пороховых газов через дно гильзы на зеркало затворной коробки. Таким образом, можно констатировать следующее. Оружейникам приходится бороться и с наличием «ходовых» зазоров, и с продольным изгибом коробки при желательном сохранении массо-габаритных характеристик этой самой затворной коробки.

Современные конструкторы предложили три пути для выхода из «одноопорной» ловушки. Первый — сохранение «одноопорной» схемы с сохранением «ходовых» зазоров на задних «клыках», призванных решать вспомогательную функцию продольной разгрузки, но с одновременным наращиванием «мяса» в переднем шарнире и таким образом получение избыточно прочной шарнирной подвески. Это подразумевало увеличение вертикальных габаритов ружья и значительное, чрезмерное увеличение массы, что совершенно лобовым путём решало ещё и вопрос продольной жёсткости конструкции коробки. Всем известен «мёртвый» шарнир ЦКИБа, но никто даже близко не удосужился проанализировать причины его появления. Тем более что подобная конструкция была неубиваемой и нашла применение в стендовом оружии, где увеличенная масса оружия — не недостаток. Но вот компоновка и оптимальность распределения металла по коробке… Пример — МЦ-6 ранних образцов. Кстати, это наверное единственное ружьё, где конструкторы, понимая бестолковость выбранного пути, пытались уменьшить неоправданно большую массу путём выфрезеровки значительных по объему пазов в щёках ствольной коробки ружья. Естественно, что подобный путь увеличения долговечности (хотя и был беспроигрышным) не нашёл массовых последователей.

Второй путь — усиление «одноопорной» схемы. Задние разгрузочные поверхности ликвидированы, а сама коробка превращена в один гипертрофированный шарнир, имеющий настолько развитые радиальные поверхности, что увеличенная поверхность «пятен» контакта привела к их самодостаточности к качестве системы запирания по продольной оси ружья.

Но в технике не бывает строго беспроигрышных схем. Получив нетрадиционную схему подвески блока стволов, в дополнение к ней получили и необходимость в переконструировании давно отработанных механизмов экстракции и, что гораздо сложнее, эжекции гильз. Низкая технологичность, а если быть более откровенным — экзотика этих конструктивных решений и нетрадиционный вид подобных систем вряд ли гарантирует их безоблачное будущее в нише недорогих массовых «вертикалок». Для иллюстрации достаточно привести пример одной из последних моделей «Браунинга» — Cynergy и оружие, производимое в Швеции, семейной компанией «Флодман ганз» по схеме Капринуса.

И, наконец, третий путь — сохранение «одноопорной» схемы, но при этом кардинальное увеличение жёсткости коробки за счёт применения наиболее геометрически выгодного расположения узлов запирания. Ну и, вдобавок, получение полезного побочного эффекта — ликвидации теоретически возможного явления кругового скольжения боковых «клыков» относительно разгрузочных поверхностей. Самый яркий пример — «Беретта» с её двумя запирающими штифтами. В данной схеме запирающие штифты расположены геометрически выгодно с точки зрения предотвращения раскрытия ружья, а боковые «клыки» задней ствольной муфты блока стволов при этом прочно зафиксированы в вырезах щек ствольной коробки. Это — одно из лучших технических решений на сегодня, тем более что оно оставляет в неприкосновенности ранее отработанные механизмы. И самое главное, схема «Беретты» решает проблему недостаточной жёсткости затворной коробки при её продольном изгибе, что в свою очередь позволяет или уменьшить поперечное сечение стальной затворной коробки или вообще перейти к лёгким сплавам при сохранении ресурса.

Выгодность данной схемы поняли на «Беретте» ещё в 30-е годы прошлого века и уже тогда отказались от простых «клыков» на ствольном блоке в пользу фиксируемых. Наличие же компенсационных накладок на «клыках» на том же ружье Beretta 692 говорит о том, что и эта система не совершенна с точки зрения «ходовых» зазоров.

Возможен и ещё один путь — ликвидация «одноопорной» схемы при применении стоечного запирания, рассмотренного в предыдущей части статьи (см. «КАЛАШНИКОВ» № 8/2016). Блок стволов «затирается» стойками и по оси Х и по оси Y, что в значительной степени выводит шарнирное соединение из силовой схемы ружья и за счёт приложения основных сил уже к задней части ствольной коробки существенно сокращает продольный изгиб коробки при выстреле из верхнего ствола. Но данная схема не имеет практического воплощения в «железе», поэтому её рассмотрение имеет значение в большей степени теоретическое, чем прикладное.

В рамках приведённых рассуждений, которые легко при имеющемся желании подтверждаются результатами прочностного компьютерного моделирования (кстати, проведённого автором этих строк), совершенно непонятна позиция нашего могучего оружейного концерна, рекламирующего новое ружье МР-234, фактически повторяющего конструкцию «Беретты» полувековой давности. При всём уважении к конструкторам завода просто хочется спросить — а что, неужели никто не удосужился исследовать в ANSIS-e или хотя бы в Solidworks-е (в течение пары-тройки часов) применение в новом ружье незафиксированных верхних «клыков»? Полагаю, что это всё же было сделано, но все нагруженные поверхности при этом моделировании в расчётной программе были заданы сопряжёнными беззазорно, а это вряд ли корректно, если помнить о том же вполне реальном «ходовом» зазоре, без наличия которого ни одно ружьё такой схемы не закроется. Ну и смысл тогда отказываться от Иж-27, если «новая» конструкция МР-234 не позволяет составить конкуренцию ведущим брендам на стенде?

Неужели не ясно, что развитая разгрузочная поверхность нижнего крюка в МР-234 не предотвращает увеличенную по сравнению с той же «береттой» деформацию коробки в её верхней части при выстреле из верхнего ствола? Вводить же накладки на «клыки», как на «беретте», было бы вообще непростительной ошибкой, так как ручная подгонка этих узлов не решала бы кардинально проблемы взаимного скольжения, а с экономической точки зрения была бы просто катастрофична для ценообразования ружья среднего уровня.