Как это работает

Хочется надеяться, что читателям не очень надоела тема развития запирающих узлов ружей — «вертикалок», так как мы продолжаем разговор о применении САПР (систем автоматизированного проектирования) для прочностного анализа существующих и перспективных узлов запирания в гладкоствольных ружьях с вертикальным расположением блока стволов.

Прежде всего хочу отметить то обстоятельство, что нижеизложенный текст является сугубо субъективным и отражает только частный подход автора к исследуемой проблеме. Поэтому я опять напоминаю о наличии «ходовых» зазоров в шарнирном соединении и между сопрягаемыми поверхностями в запирающих узлах в традиционных конструкциях. Наличие зазоров в шарнирах безальтернативно. Никто не отменял золотое правило механики — «Без зазоров нет движения». Для запирающих узлов картина иная, и именно это — тема исследований в большинстве оружейных КБ мира. Для приложения нагрузки на зеркало ствольной коробки рациональнее всего моделировать нагрузку от выстрела из верхнего ствола, как наиболее нагружающего ствольную коробку (во-первых, в силу геометрической удалённости от опорных поверхностей традиционных узлов запирания, а во-вторых — из-за близости к опасному угловому переходу щёк коробки в её лобовую часть, называемую «зеркалом»).

Для проведения исследований будет использована широко распространённая САПР Solidworks 2014 и структурно включенный в неё пакет прочностного исследования Simulation, использующий в своей работе метод конечных элементов (МКЭ), де-факто ставший стандартом для подобных программ. Нагрузка будет рассчитываться как статическая, хотя разных расчётных методик достаточно много. Например, в соответствии с другими методами расчётов возможно применение нагрузок, которые могут быть рассмотрены с точки зрения теории удара. В соответствии с теорией удара любая нагрузка является динамической и в расчёты по статике вводится так называемый динамический коэффициент, в нашем случае удваивающий напряжения в металле. Но это в теории. На самом деле, как это ни покажется странным, точного расчётного математического аппарата, описывающего внутренние процессы в металле при ударе, до сих пор нет. Есть математические теории.

Практика же говорит о том, что при определённых условиях, под которые в значительной мере подпадает силовое воздействие на коробку при выстреле, такая характеристика металла, как предел текучести, скачкообразно возрастает, иногда до трёхкратных значений, и самое главное — в рамках упругой деформации, как раз в пику динамическому коэффициенту, что совсем недавно было подтверждено экспериментально. Но каждый раз для разных по конфигурации металлических деталей вывести эту цифру так называемого динамического предела текучести теоретически точно нереально — в итоге во главу угла по-прежнему ставится практика статических расчётов и обязательно результаты контрольных натурных испытаний. Именно поэтому полученные в расчётах цифры относительны и носят для конструкторов ориентировочно-сравнительный характер, позволяющий всего лишь понять правильность выбранного в конструировании направления.

Для неискушённого в вопросах 3D-моделирования читателя, на мой взгляд, будет полезно узнать, как проводятся подобные расчёты. Происходит всё просто. Заранее созданная цифровая 3D-модель коробки помещается в некое виртуальное пространство, созданное специальной расчётной программой, где средствами этой самой программы фиксируется для приложения к ней нужной нагрузки. А вот фиксируется она за те плоскости или поверхности, которые служат для удержания при выстреле расположенного в ней виртуального ствольного блока. Иначе говоря, мы фиксируем коробку, «цепляясь» за поверхности её разгрузочных и запирающих узлов, строго задав возможность или «скользящего» или «фиксированного» (без проскальзывания) контакта с виртуальным блоком стволов. Приложив к зеркалу коробки нужную нам нагрузку (в области контакта с донцем гильзы), мы получим её прочностную реакцию относительно вышеупомянутых опорных поверхностей. Эта реакция — вполне ясные цифры, отражающие некий запас прочности коробки, что нам и нужно.

Так как при выстреле возникающие нагрузки упруго деформируют коробку, то имеющиеся зазоры в значительной мере ликвидируются и нагрузка распределяется между шарнирным соединением и разгрузочными плоскостями запирающих узлов. Разумеется, не в равных долях. Задача — выяснить соотношение этих долей и соответственно определить эффективность запирающих узлов, а заодно и узнать, какое максимальное давление на зеркало может воспринять та или иная коробка. Тут необходимо напомнить — в любом подобном исследовании всегда проводится сознательное упрощение конструкции для более полного и отчётливого выявления основных возникающих напряжений. Попробуем это прокомментировать более подробно и перейдём непосредственно к компьютерным 3D-моделям и моделируемым нагрузкам.

Используем для моделирования 20-й калибр, как наиболее подходящий для дальнейшего перспективного переконструирования в штуцерный вариант по габаритным характеристикам. Для решения поставленной задачи проведём расчёты для двух вариантов:

1. Нагрузка от выстрела из верхнего ствола нагружает одновременно как шарнирное соединение, так и запирающие узлы.
2. Нагружены только лишь запирающие узлы ружья, а в области шарнирного соединения коробка имеет возможность прямолинейного скольжения исключительно по оси «Х», то есть вдоль продольной оси ружья. Так как шарнирное соединение выведено в расчётах из силовой схемы ружья, то полученные цифры нагрузок на зеркало коробки покажут эффективность узлов запирания каждой конструктивной схемы.

Для всех случаев используем уже упомянутое общее следующее упрощение — уберём из цифровых макетов модель задней муфты блока стволов для более корректного расчёта прочностных характеристик только самой коробки ружья. Площадь приложения нагрузки на зеркало коробки для 20-го калибра составляет величину в 1,96 кв. см. Примем максимальное давление испытательного патрона равным 110 МПа. Примем при расчётах данную цифру за 100%. Это несколько больше среднего максимального, принятого в РФ (обычно для 20-го калибра на испытаниях за среднее максимальное принимается давление равное примерно 98 МПа). В качестве материала для ствольной коробки зададим конструкционную сталь 50А. Нелишне напомнить, что её предел текучести составляет 550–560 (МПа), что не является высоким показателем для современного оружия, но выбор определён широкой практикой применения данной стали на отечественных предприятиях. С учётом же проведённых практических испытаний и для упрощения расчетов мы можем заложить в именно статические расчёты характеристики иной стали, значительно превосходящие таковые у стали 50А, которые будут совпадать с характеристиками 50А с учётом её динамического предела текучести. Итоговые результаты этих расчетов по максимальным нагрузкам на каждую из коробок для простоты восприятия приведём в процентах относительно уже указанного максимума в 110 МПа. Сделаем это для варианта № 1 и варианта № 2 и, соответственно, сравним эффективность различных схем запирания.

В качестве образцов возьмём коробки ружей наиболее распространённых конструктивных схем в средней ценовой категории и начнем, конечно же, с «браунинга» (Илл. 1).

Система № 1 — цапфенный клон «Браунинга» — запирание от раскрытия нижним горизонтальным ригелем-клином, разгрузка шарнирного соединения нижними крюками казённой муфты блока стволов, входящими в нижний паз, выполненный в дне ствольной коробки. В случае цапфенной подвески разгружающие поверхности нижних крюков задней ствольной муфты находятся на уровне, находящемся ниже шарнирного соединения. Соответственно здесь теоретически и практически возможно беззазорное сопряжение крюка с соответствующей плоскостью выреза или гнезда в донышке ствольной коробки, особенно с помощью точно притёртого вкладыша. Яркий пример такого сверхразвитого нижнего разгружающего узла — ружье Ellipse Evo Sporting фирмы Caesar Guerini (Илл. 2). Но тут есть одна проблема — упор казённого среза блока стволов в зеркало коробки. По геометрическим условиям возможно только одно из двух — или беззазорное сопряжение нижнего крюка казённой муфты блока стволов с соответствующими плоскостями коробки и тогда неизбежен зазор между казённым срезом блока стволов и зеркалом, пусть и минимальный, не более 0,1 мм, или строго противоположная картина. Как видите, конструкция далеко не идеальна, хотя и полностью жизнеспособна, что подтверждается многотысячными тиражами «Браунинга» и его клонов.

Вес исследуемой стальной коробки системы № 1 — 411 г.

Система № 2 — «Беретта» (Илл. 3) — запирание от раскрытия двумя цилиндрическими штифтами, входящими в казённый срез задней муфты блока стволов на уровне межствольных планок или чуть выше, разгрузка при помощи боковых «клыков», радиально входящих в верхние открытые фигурные вырезы боковых стенок ствольной коробки. Расположение запирающих узлов значительно более выгодно с точки зрения распределения нагрузок от «верхнего» выстрела по сравнению с системой № 1. Тем не менее, в данном случае по геометрическим условиям при движении «клыков» относительно вырезов мы получаем классический случай сопряжения «вал-отверстие» с неизбежным «ходовым» зазором. В случае нагрузки ситуацию усугубляет малая площадь пятна контакта, в идеальном худшем случае равная точке. Но, следуя установкам, и здесь в расчётах примем беззазорность сопряжений. Более того, так как «клыки» «Беретты» в закрытом состоянии ружья зафиксированы в вырезах щёк коробки, то мы можем смело программно задать в исследуемой модели то, что сопрягаемые с виртуальными «клыками» передние радиальные поверхности вырезов будут заданы как «нескользящие».

Масса исследуемой стальной коробки системы № 2 — 430 г.

Полученная при расчётах максимальная нагрузка от выстрела из верхнего ствола в системе № 1 («Браунинг») составляет: вариант № 1 — 105%; вариант № 2 — 85%.

Испытываем Систему № 2 («Беретту»): вариант № 1 — 107 %; вариант № 2 — 101%. Для наглядности результаты исследования приведены на илл. 4 и 5.

В случае с «Береттой» нужно снова напомнить о том, что полученный результат не совсем корректен, так как программно мы убрали зазоры даже между цилиндрическими взаимно сопрягаемыми поверхностями, чего в реальной жизни не бывает (нормативные документы наших оружейных заводов настаивают на взаимной подгонке таких поверхностей максимально на 75%, не более, но даже это маловероятно, поскольку подразумевает значительное нарушение соосности сопрягаемых цилиндрических поверхностей). Нам известно, какую нагрузку при выстреле испытывает коробка 20-го калибра, поэтому мы можем оценить ту часть нагрузки, которую примет на себя шарнирный узел.

Как видите, даже при грамотном расположении разгружающих поверхностей и оптимизированной форме ствольной коробки эта часть всё же существует, пусть и незначительно. И существует она только в области упругой деформации и растёт соответственно только до момента включения в работу разгружающих поверхностей. Но ведь существует же! Из вышеприведённого очевидно, что ни одна из рассмотренных схем запирания, даже с очень развитыми разгружающими плоскостями, не разгружает шарниры подвески полностью. Тем ни менее, переход упругой деформации шарнирного соединения в фазу остаточной долго не происходит. И вот почему: компьютерное моделирование доказывает — чем больше «пятна» контакта в разгружающих узлах и чем более геометрически грамотно они расположены, тем меньше проявляется явление нагартовки (ну или по-другому — наклёпа) сопрягаемых поверхностей в этих узлах. Но рано или поздно это всё же происходит — ведь изначальный «ходовой» зазор никуда не исчез и он неизбежно увеличивается до момента возникновения уже ударных нагрузок. И именно эти ударные нагрузки служат первопричиной возникновения уже остаточной деформации шарнирного соединения. Отсюда неизбежно следует, что в долговременном выигрыше оказываются только те системы, где ликвидированы «ходовые» зазоры и обеспечена жёсткость узлов запирания. Справедливость подобного подхода можно подтвердить компьютерным исследованием уже следующей системы.

Система № 3 — представляет из себя симбиоз цапфенных «Браунинга» и «Беретты», с массой коробки в 430 г и беззазорной разгрузкой как нижним крюком казённой муфты ствольного блока, так и с помощью верхних боковых «клыков» от «Беретты», для которых (в отличие от системы № 2) для боковых вырезов в щеках коробки применено программно «скользящее» сопряжение. Ярким представителем такой конструктивной схемы может служить новейшее российское ружьё МP-234. (Илл. 6)

Результат испытаний системы № 3 (оружие подобное МР-234): вариант № 1 — 102%, вариант № 2 — 76%. Для наглядности результаты исследования приведены на илл. 7.

Удивительно немного для такой конструкции, и практически повторяется результат исследований для системы № 1.

Казалось бы — у нас в наличии дополнительные опорные поверхности боковых «клыков» и всё должно быть иначе, но на самом деле полученные данные вполне закономерны. Приходится последовательно опять всё анализировать. Во-первых, в этой системе полностью нагружено только нижнее разгружающее сопряжение. При «верхнем» выстреле, в силу наличия изгибающих коробку деформаций (о них уже говорилось в предыдущих статьях цикла) и отсутствия фиксации, оба верхних сопряжения скользящие, а следовательно, не очень-то эффективные с точки зрения сохранения жёсткости коробки. Во-вторых, как и в случае со стоечной коробкой, появились дополнительные узлы напряжения в материале коробки, и как раз в верхней части щёк. В итоге опять наиболее полезно работает только нижнее сопряжение, что делает эту конструкцию похожей на классическую систему № 1. Я уже говорил в предыдущей статье о том, что по подобной схеме ружья строились ещё до второй мировой войны в Италии, той же фирмой «Беретта», и итальянцы быстро поняли её бесперспективность.

Попробуем, в качестве противопоставления ведущим брендам, исследовать схему запирания, в которой в момент окончания запирания между разгрузочными и одновременно запирающими от раскрытия плоскостями узлов запирания происходит их взаимное «притирание», с ликвидацией «ходовых» зазоров ещё до выстрела. При этом в данной системе одновременно возможна полная ликвидация зазора между казённым срезом блока стволов и зеркалом коробки.

Система № 4. Её принципы и конструктивное исполнение подробно рассматривались в журнале «КАЛАШНИКОВ» № 10/2016 — можно подобную конструктивную схему назвать «запиранием боковыми стойками» или же «двустоечным запиранием» (Илл. 8). Масса такой коробки составляет 476 г.

Результаты нагрузки на илл. 9: вариант № 1 — 106%; вариант № 2 — 94%.

Это где-то посередине результатов традиционных схем. Но вес больше почти на 15%. Скептики могут тут сказать примерно следующее: ну возьмите вы традиционную конструкцию того же «Браунинга» и, не заморачиваясь, увеличьте её вес на те же 15% — получите резкое увеличение прочности коробки и способность выносить повышенное давление. Да, такой прямолинейный путь возможен. Но! Проблема упора казённика в зеркало не решена и полноценная разгрузка шарнирного соединения при «верхнем» выстреле тоже. Далее же всё печально — всё тот же прогрессирующий наклёп и последующее расшатывание, хотя и не так быстро, нежели у более лёгких предыдущих конструкций.

Существует ли выход? Выход есть, и он даже не один. В соответствии с первым мы можем в системе № 2 («Беретта») улучшать подгонку сопрягаемых разгрузочных поверхностей, применяя компенсационные накладки на «клыки» или зазеркальные прокладки, как у ТОЗ-34, используя при этом высоколегированную сталь и резко делая дороже конструкцию. Или же пойти иным, вторым путём, и всё же продолжать работать над совершенствованием стоечной конструкции, где принципиально ликвидируются все «ходовые» зазоры на заключительной фазе запирания. Умеренная максимально выносимая нагрузка здесь объясняется несколько более сложной конфигурацией коробки и, как это часто и бывает, возникновением дополнительных узлов напряжения в материале коробки.

Выигрыш же определяется следующими соображениями. Мы испытываем коробку на максимальные нагрузки, а в реальной жизни, при точных и стабильных характеристиках современных патронов, дело до максимальных испытательных значений доходит крайне редко. На передний план выходят соображения плотности запирания при средних значениях давления и сопутствующее увеличение ресурса. Иначе говоря, системы №№ 1, 2 и 3 на первом этапе могут выдержать значительно более сильное давление, нежели система № 4, но далее их расшатывание пойдёт по нарастающей. Система же № 4 при её плотном сцеплении ствольного блока с коробкой окажется более долговечной при более низкой стоимости исходных материалов. Но, допустим, нам нужно очень мощное ружьё, или же просто нужна единая база для ружей класса «магнум» и штуцеров-«вертикалок». Мы знаем теперь, что системы № 1 и № 2 хорошо работают по отдельности, но это малоэффективно для ружья в целом, поскольку тогда выходит, что с точки зрения нагрузок от разных стволов прочностные характеристики коробок, а значит и массо-габаритные, не сбалансированы. Поэтому необходимо применить в перспективном оружии узлы запирания, одинаково хорошо ликвидирующие «ходовые» зазоры как для нижнего узла разгрузки, так и для узла на уровне верхнего ствола. И тогда логично ввести в «двустоечную» систему № 4 один или пару нижних «клыков», как в системе № 1, но без запирающего горизонтального ригеля, так как «стоечная» система самодостаточна в плане запирания ружья ещё и от открытия. Что мы получаем? Система № 5 — илл. 10.

Попробуем испытать этот гибрид. Вес такой коробки, как и в системе № 4, — 476 г. Результаты на илл. 11: вариант № 1 — 146%; вариант № 2 — 145%.

Как видите, беззазорные сопряжения в верхних узлах запирания и в идеале такие же в нижних, а также плоские контактные «пятна» в наших расчётах сделали своё дело, и увеличенный по сравнению с прежними конструкциями вес коробки здесь не критичен.

Эти беспристрастные цифры говорят о следующем — двустоечное запирание достаточно эффективно не только в самостоятельном исполнении, но и как дополнение в традиционные конструкции. Превышение веса теоретической системы № 5 над весом практической системы № 2, как наиболее прочной, составляет всего 10%, а вот превышение с точки зрения прочности уже значительные 36%. Разница с системой № 1 ещё больше. Для практического конструирования это означает возможность свободного применения в новой схеме относительно менее прочного материала, например В-95Т1, который, имея прочностные характеристики, сопоставимые с обычной (не оружейной) конструкционной сталью, имеет втрое меньший вес. Подобный переход на «легкосплавы» у традиционных конструкций может вызывать вопросы с точки зрения сохранения ресурсных характеристик. Мне вообще было бы интересно поговорить с человеком, который представил бы мне строго задокументированный материал о результатах хотя бы 50 000-го настрела из той же «Беретты» с легкосплавной коробкой. Но это чисто лирическое отступление.

Итак, мы видим, что САПР позволяют на начальном этапе проводить значительные исследовательские работы и в случае с двустоечным запиранием даже предсказать путь развития такой конструкции. Однако опять-таки большое «но» и здесь, даже в системе № 5. Опять вспоминаем о подгонке сопрягаемых поверхностей нижнего крюка при минимизации зазора между казёнником ствольного блока и зеркалом ствольной коробки. И вот именно применение САПР в совокупности с сохранением принципа стоечного запирания позволяет комплексно рассмотреть и этот вопрос. Вполне можно пойти путём механического развития двустоечной системы № 4. Никто же не мешает объединить боковые стойки в нижней части перемычкой и получить конструктивно и идеологически совершенно иной вид запирания, позволяющий ликвидировать «ходовой» зазор в том числе для нижних «клыков» казённой муфты блока стволов, что открывает новые ресурсные возможности для «вертикалки». Эволюционным путём мы подошли к финалу наших исследований. Давайте рассмотрим эту систему подробнее и для простоты назовем её «рамочной», так как активным элементом такой системы запирания здесь выступает U-образная рамка (Илл. 12 и 13).

Система № 6 («рамочное запирание»). Компьютерное моделирование демонстрирует следующие результаты (Илл. 14): вариант № 1 — 140%, вариант № 2 — 138%.

В этом последнем случае разница в единицы процентов с системой № 5 обусловлена иной формой коробки и практического значения не имеет. Системы № 5 и 6 конструктивно отработаны автором и система № 6, а точнее, всего лишь одна из её многочисленных компоновочных и конструктивных реализаций, представлена на илл. 15. Естественно, здесь есть обширное поле деятельности для дизайнерских проработок и соответствующего конструктивного оформления.

Все эти примеры расчётов, исследований и их практические итоги в виде перспективных конструкций (пока только в 3D) демонстрируют возможности современных САПР в деле конструирования современного охотничьего оружия. И как обычно, завершая данный цикл о запирающих узлах «вертикалок», хочу подтвердить свою готовность обсудить с читателями всё вышеизложенное и, соответственно, выслушать конструктивные критические замечания.