Проектирование и расчет газовых двигателей автоматического оружия

Московский государственный технический университет
имени  Н.Э. Баумана

А.Н. Лебединец

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ГАЗОВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ

 Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Расчет и проектирование автоматических машин»

М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 6

УДК 623.442.4/621.433
ББК  31.365
          Л33

Рецензенты:  А.С. Неугодов, В.Г. Черный

Лебединец А.Н.
Проектирование и расчет газовых двигателей автоматического оружия: Учеб. пособие. – М.:  Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана. 2006. –  52 c.: ил.

ISBN 5-7038-2841-4

Пособие посвящено вопросам теории и математическому описанию
газовых двигателей автоматического оружия. Описаны методы расчетов
при проектировании, логика проектирования. Приведены примеры расчетов и конструктивного оформления.
Для самостоятельного изучения студентами курса «Расчет и проектирование автоматических машин», читаемого на кафедре СМ-6 «Ракетные и
импульсные системы» факультета «Специальное машиностроение».
Ил. 7. Табл. 11. Библиогр. 7 назв.

                                                                                                     УДК 623.442.4/621.433
                                                                                          ББК 31.365

Учебное издание

Алексей Николаевич Лебединец

Проектирование и расчет газовых двигателей
автоматического оружия

Редактор А.В. Сахарова
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка О.В. Беляевой

Подписано в печать  10.05.2006.  Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 3,25. Усл. печ. л. 3,02. Уч.-изд. л. 2,85. Тираж 100 экз.
Изд. №  100.  Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

ISBN 5-7038-2841-4                                                   © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Л33

Введение

Автоматическое оружие, основанное на принципе использования энергии пороховых газов, отводимых из канала ствола, составляет бóльшую часть (70…80 %) всех автоматических систем,
производившихся когда-либо в мире.
Методам расчета автоматического оружия посвящено довольно
много работ отечественных ученых-оружейников [1–7]. Среди них
следует отметить учебник В.В. Алферова [1], единственный среди
всех вышеперечисленных ориентированный на расчет с применением ЭВМ. Книга М.А. Мамонтова [2] явилась первым в своем
роде исследованием, полностью посвященным инженерным конструкторским методам расчета: на ней основан отраслевой стандарт по расчету газовых двигателей. Учебники Э.А. Горова и
И.И. Жукова основаны на тех же принципах [3, 4]. В работе
В.И. Кулагина и В.И. Черезова [5] большее внимание уделено термодинамическим принципам и математическому описанию двигателей.
На наш взгляд, в названных работах недостаточно подробно
описаны этапы конструирования, предварительных оценочных
расчетов, не изложены конструкторско-технологические принципы назначения основных расчетных параметров и исполнительных
размеров. Не обобщен и накопленный предприятиями отрасли
опыт конструирования автоматического оружия с отводом газов.
Материалы предлагаемого учебного пособия в некотором роде
восполняют эти пробелы.

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗОВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМАТИКИ

Задача проектирования газовых двигателей автоматики не менее сложна, чем задача баллистического проектирования. При
точной постановке задачи в математическую модель газового двигателя входит в полном объеме и система уравнений внутренней
баллистики. Но от решения баллистической задачи можно отказаться, заменив его простой аппроксимацией.
Следует отметить три принципиальных момента, касающихся
построения математической модели функционирования газового
двигателя.
1. Проектирование и расчет газовых двигателей невозможно
вести в отрыве от расчета механизма перезаряжения, так как от
параметров автоматики зависит скорость поршня во время работы
двигателя, а следовательно, и скорость расширения пороховых газов, и термический КПД двигателя. Наивысший КПД двигателя
при одинаковых параметрах отбора энергии из ствола достигается
при минимальной скорости поршня за время работы двигателя.
Минимальный КПД двигателя наблюдается у оружия с непрерывным движением основного звена и непрерывным движением
поршня. В этих системах наблюдается эффект саморегулирования,
когда при больших скоростях или ускорениях поршня КПД падает
настолько, что система начинает терять скорость и теряет ее до тех
пор, пока падение скорости поршня не приведет к достаточному
повышению КПД.
2. Наличие отвода пороховых газов из заснарядного пространства не влияет сколько-нибудь значительно на параметры внутренней
баллистики. Даже в системах с диаметром газоотводного отверстия,
соизмеримым с калибром оружия (например, в АК-74 диаметр газоотводного отверстия – 1,9 мм), в газовый двигатель отводится не
более 2…3 % массы заряда. Причем эти газы к моменту отвода в
большой степени вырабатывают свою внутреннюю энергию, передавая ее метаемому элементу. В сущности газовый двигатель рабо

тает на выхлопных газах баллистической тепловой машины. Потеря
1…2 % газов по массе приводит к значительно меньшей потери
энергии и еще меньшей потери начальной скорости снаряда.
Таким образом, при ведении расчетов по модели с расходом газов вполне допустимо считать параметры газа в стволе такими же,
как и в случае, когда отсутствует расход газа в двигатель. Тогда
давление 
ств( )
P
t и температуру 
ств( )
T
t целесообразно представить
в виде многочленов, полученных аппроксимацией параметров
внутренней баллистики и периода последействия. При этом, рассчитывая распределение давлений на дно снаряда 
сн
P
 и на дно
канала ствола 
дн,
P
 следует использовать значение давления в районе газоотводного отверстия. Температуру необходимо пересчитывать по следующим соотношениям:
в период движения снаряда по каналу

ств
ств
;
P
W
Т
R
=
ω

в период последействия

1

ств
ств

д
д
,

k
k
P
T

P
T

−
⎛
⎞
=
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

где W – объем заснарядного пространства; 
дн,
P
 
д
T  – соответственно давление и температура в момент вылета снаряда.
3. Описываемая математическая модель построена на гипотезе
об отсутствии горения в цилиндре двигателя. В целом эту гипотезу
можно считать приемлемой, так как газовые двигатели обычно
размещают так, чтобы их работа начиналась после конца горения
заряда (или распада для семиканальных порохов). Попасть в двигатель могут только догорающие дегрессивные остатки. Массовая
доля перенесенного в двигатель зерна невелика даже при размещении двигателя на участке горения заряда (в большинстве случаев отводятся газы, а не зерно). Расчеты показывают, что даже в
системах АМ-23 и Р-23, где газовые двигатели автоматики размещены в зоне горения заряда, данная математическая модель дает
хорошее согласование результатов расчета с практикой.

Исходными данными к решению задачи проектирования газового двигателя являются результаты решения баллистической задачи, массовые, силовые и геометрические параметры механизма
автоматики и КПД связей. Параметры газового двигателя назначают и изменяют в процессе расчетов.
Задачу расчета газового двигателя решают интегрированием
системы из четырех дифференциальных уравнений:

2

пр
2

2
пр

ц
п
ц

ц
ц
ц
ц.з
выхл

ц
ц
ц
ц
ств
ц.з
ц
выхл
ц
тц
ц
ц
ц

;

;

;

1
.

dx
P
M
d x
dt
x
M
dt

dW
dx
W
S
dt
dt
d
G
G
G
dt
dp
dW
p
kG RT
kG
RT
kG
RT
K
p
kp
dt
W
dt

Σ
⎡
⎛
⎞
−
⎢
⎜
⎟
⎝
⎠
⎢ =
=
⎢
⎢
⎢
=
=
⎢
⎢
ω
⎢ω =
=
−
−
⎢
⎢
⎢
⎛
⎞
=
=
−
−
−
−
⎢
⎜
⎟
⎢
⎝
⎠
⎣

Здесь первое уравнение системы – уравнение динамики, второе –
уравнение скорости изменения объема, третье – уравнение закона
сохранения массы, четвертое – уравнение закона сохранения энергии.
В первом уравнении x – перемещение основного звена; x– ускорение основного звена; 
пр
P
– приведенная сила, действующая

на основное звено, 
пр
ц
в.п
1
;
n
i i

i
i

p
P
p S
P
=

ν
=
−
+
η
∑
 
ц
p  – давление в ци
линдре; 
в.п
P
 – усилие возвратной пружины. Подробное описание
приведенной силы 
пр,
P
 приведенной массы 
пр,
M
 реактивной со
ставляющей MΣ  дается в работах по проектированию механизма
автоматики [1, 3, 4].
Как правило, в автоматическом оружии поршень передает воздействие пороховых газов непосредственно на основное звено.
Исключением является случай, когда поршень связан с основным
звеном посредством какого-либо механизма, например кривошип
(1)