Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.89 MB, 217 trang )
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực. Những kết luận khoa học của luận án chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
2
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đối với PGS.TS Mai
Quang Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, có nhiều chỉ dẫn và định hướng khoa học có
giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả trân trọng cảm ơn sự động viên,
khuyến khích và những kiến thức khoa học mà tập thể hướng dẫn đã chia sẻ cho tác
giả trong thời gian thực hiện luận án, giúp cho tác giả nâng cao năng lực và phương
pháp nghiên cứu khoa học.
Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Thuật phóng và Điều khiển Hỏa lực,
Trung tâm Kỹ thuật Vũ khí/ Khoa Vũ khí, Phòng Sau Đại học/ Học viện Kỹ thuật Quân
sự, Viện Tên lửa, Nhà máy Z113/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quí báu cho luận án. Tác giả xin chân thành
cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội, các đồng nghiệp đã cung cấp cho tác
giả nhiều tài liệu, các kiến thức khoa học và nhiều lời khuyên có giá trị.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình
đã thông cảm, khích lệ tinh thần, tạo điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian làm luận
án.
3
MỤC LỤC
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Chữ viết tắt
BNN
Biến ngẫu nhiên.
LA
Luận án.
MCB
Mất cân bằng.
MPNN
Mô phỏng ngẫu nhiên.
PTHH
Phần tử hữu hạn.
TCCNQP
Tổng cục công nghiệp quốc phòng.
TDSC
Tác dụng sau cùng.
TM
Tản mát.
TPN
Thuật phóng ngoài.
TPT
Thuật phóng trong.
VTKT
Vận tốc khối tâm.
2. Ký hiệu
xo: tọa độ điểm rơi theo phương x.
zo: tọa độ điểm rơi theo phương z.
mx: kỳ vọng toán của xo.
mz: kỳ vọng toán của zo.
ly: sai số trung gian tản mát về chiều cao
lz: sai số trung gian tản mát về hướng.
: độ lệch chuẩn theo phương x.
x
: độ lệch chuẩn theo phương z.
z
: góc nghiêng tiếp tuyến quỹ đạo khối tâm đạn tại điểm đang xét.
c
Д: tầm bắn.
r100: bán kính hình tròn có tâm tại điểm chạm trung bình, chứa 100% điểm chạm.
r50: bán kính hình tròn có tâm tại điểm chạm trung bình, chứa 50% số điểm chạm.
d: cỡ đạn.
md: khối lượng đầu đạn.
D1, D2, α: 3 thông số biểu diễn độ mất cân bằng của đầu đạn.
lb: khoảng cách hai đai đạn.
lc: khoảng cách từ khối tâm đến đai dẫn.
l: chiều dài đầu đạn.
5
: góc tiến động ban đầu.
0
: góc quay riêng ban đầu.
0
, 2, … n: các đại lượng ngẫu nhiên.
1
: phương sai của i.
Kij: mô men tương quan giữa i và j.
: các mô men trung tâm cấp ba và bốn tương ứng của đại lương ngẫu nhiên i.
: góc phóng.
0
V0: sơ tốc của đầu đạn.
C: hệ số phóng.
: là các sai số trung gian tản mát của 0,V0 và C.
mi: khối lượng phân tố i.
Ri: độ lệch tâm của phân tố i.
l1i và l2i: khoảng cách từ khối tâm của phân tố i đến hai gối tựa.
: véc tơ mất cân bằng của phân tố i.
: lực mất cân bằng của phân tố i.
: tốc độ quay của vật thể.
ec: độ lệch tâm của vật thể.
: độ lệch quân phương hướng kính của phân bố chuẩn 2 chiều ban đầu.
k
D xij
: khối không cân bằng ở mặt phẳng quy đổi thứ x (x = 1,2) xuất hiện do dịch
chuyển trục mặt phẳng thứ i của chi tiết thứ j.
r(x): thì bán kính của bề mặt chi tiết tại vị trí đang xét.
(x): độ đảo hướng kính của bề mặt chi tiết tại vị trí đang xét.
: khối lượng riêng của vật liệu chi tiết thứ i.
i
xH, xk, rH, rk, ζH, ζk: toạ độ, bán kính, độ lệch trên thiết diện ban đầu và cuối cùng
của bề mặt tròn xoay được biểu diễn dưới dạng hình nón, hình trụ.
x1, x2: toạ độ bề mặt quy đổi các khối không cân bằng.
xc,yc,zc: tọa độ trọng tâm đầu đạn.
m: khối lượng đầu đạn.
a: hệ số cấp chính xác dùng để tra cấp chính xác hình dạng.
i: giá trị của đơn vị dung sai được tra theo kích thước danh nghĩa.
6
ITx: cấp dung sai tiêu chuẩn được tra theo kích thước danh nghĩa và trị số dung sai
của nó.
V: miền xác định của đại lượng cần khảo sát.
Ve: miền xác định của phần tử.
f = [fx fy fz]T : lực thể tích.
T= [Tx Ty Tz]T: lực diện tích.
Pi = [Px Py Pz]T: lực tập trung.
u = [u, v, w] T: véc tơ chuyển vị.
= [ x , y, z,
= [ x ,
,
, z,
y
] T : ten xơ biến dạng.
,
yz
xz
,
yz
xy
,
xz
] T : ten xơ ứng suất.
xy
D: ma trận vật liệu.
E: mô đun đàn hồi.
: hệ số Poisson.
: thế năng toàn phần của vật thể.
U: năng lượng biến dạng của vật thể.
W: công của ngoại lực tác dụng.
[K]e : ma trận độ cứng phần tử.
[M]e : ma trận khối lượng phần tử.
[N]: ma trận hàm dáng phần tử.
[B]: ma trận đạo hàm các hàm dáng.
: khối lượng riêng của vật liệu phần tử.
ne: số bậc tự do của phần tử.
[K]: ma trận độ cứng toàn cục.
[M]: ma trận khối lượng toàn cục.
[C]: ma trận cản toàn cục.
{F}: véc tơ tải toàn cục.
véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị toàn cục.
[G] ma trận cản Coriolis gây nên bởi gia tốc Coriolis của hệ.
[KC] ma trận suy giảm độ cứng cơ hệ do chuyển động quay.
, y,
x
z
: các thành phần véc tơ vận tốc góc của vật thể quay.
các véc tơ lực khối.
7
t: bước tích phân.
{DL}: véc tơ động lượng toàn hệ.
{DLix,DLiy,DLiz}: véc tơ động lượng ứng với nút i.
{R(t)}: véc tơ phản lực tương tác giữa đạn và thành nòng.
{Fms}: véc tơ lực ma sát tại các điểm nút tiếp xúc giữa đạn và nòng.
z: bề dày cháy tương đối.
p: áp suất trong nòng.
Ik: xung lượng toàn phần của áp suất khí thuốc.
: lượng sinh khí tương đối.
, , : hệ số hình dạng của thuốc phóng.
Ld: chiều dài nòng.
Wo: thể tích ban đầu của buồng đốt.
: mật độ nhồi.
p0: áp suất tống đạn.
f: lực thuốc phóng (ký hiệu trong bài toán thuật phóng trong).
: khối lượng thuốc phóng(ký hiệu trong bài toán thuật phóng trong).
e_vỏ, e_áo chì, e_lõi,: độ đảo hướng kính của vỏ, áo chì, lõi.
U(a,b): bộ số ngẫu nhiên phân bố đều trên [a,b].
N(0,1): bộ số ngẫu nhiên phân bố chuẩn hóa.
N( ,σ2): bộ số ngẫu nhiên phân bố chuẩn có kỳ vọng , độ lệch tiêu chuẩn σ.
8
DANH MỤC CÁC BẢNG
9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
10
MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Tản mát là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu trong hàng loạt các yêu cầu chiến kỹ
thuật của hệ thống vũ khí vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu quả chiến đấu. Chỉ tiêu
tản mát đặc trưng cho mức độ phân tán của điểm rơi (hay điểm chạm), trị số của nó
phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhiễu loạn tác động lên chuyển động của đạn trong
suốt quá trình kể từ khi hạt lửa bắt đầu làm việc đến khi đạn chạm mục tiêu. Do vậy,
có thể nói việc giảm tản mát là công việc thường xuyên mà các nhà nghiên cứu vũ khí
phải quan tâm tới
Chỉ tiêu tản mát điểm chạm (điểm rơi) được xác định bởi tản mát của ba thông
số thuật phóng gồm: tản mát sơ tốc, tản mát góc bay ra và tản mát hệ số phóng. Tiếp
theo, tản mát của ba thông số thuật phóng lại phụ thuộc vào hàng loạt các thông số liên
quan đến hệ thống súng, đạn, thuốc phóng, môi trường trong các giai đoạn chuyển động
của đạn gồm: chuyển động trong nòng, chuyển động bán liên kết, chuyển động trong
thời kỳ tác dụng sau cùng và chuyển động trong môi trường không khí.
Đối với súng bộ binh, do góc bắn và cự ly bắn nhỏ nên trọng số của thành phần
tản mát do độ phân tán của sơ tốc và hệ số phóng là khá nhỏ so với thành phần tản mát
do độ phân tán của góc bay ra (góc rời nòng hay góc nảy). Trong khi đó, mất cân bằng
của đầu đạn là nguyên nhân chính gây ra tản mát góc bay ra và nó là đặc tính cố hữu tồn
tại khách quan phụ thuộc vào dung sai chế tạo và độ đồng nhất của vật liệu chế tạo
đầu đạn.
Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về tản mát của đạn ở trong nước và
từ nước ngoài mà chúng ta có thể tiếp cận được, tuy nhiên các công trình đó hầu hết tập
trung cho các loại đạn pháo, cối, tên lửa có tầm bắn tương đối xa và mô hình chuyển
động của các loại đạn này khác xa so với mô hình chuyển động của các loại đạn súng
bộ binh, đặc biệt là trong giai đoạn chuyển động trong nòng. Vấn đề về tản mát của
SBB, các nước có nền công nghiệp vũ khí tiên tiến thường xuyên cải tiến, thiết kế mới
để cho ra đời những mẫu đạn súng bộ binh có chỉ tiêu tản mát ngày càng nhỏ, nhưng
chúng ta không có điều kiện tiếp cận được những công trình nghiên cứu của họ.
Nền công nghiệp quốc phòng của ta đã nghiên cứu và sản xuất được hầu hết các
loại đạn và súng bộ binh. Tuy nhiên, việc kiểm soát các yếu tố để đảm bảo yêu cầu về
chỉ tiêu tản mát mới chỉ dừng lại ở mức độ tuân theo các tài liệu công nghệ được
chuyển giao hoặc thiết kế theo mẫu mà chưa có những nghiên cứu một cách chủ động
và hệ thống về vấn đề này. Chính vì vậy khi đối mặt với nhiệm vụ thiết kế mới và cải
tiến thì các nhà thiết kế chưa có những mô hình nghiên cứu đầy đủ để làm công cụ
kiểm soát chỉ tiêu tản mát một cách chủ động.
11
Do đó, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân
bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn ” là cần thiết. Kết
quả nghiên cứu của luận án cho phép chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa cấp chính
xác gia công chế tạo đầu đạn với chỉ tiêu tản mát điểm chạm khi bắn.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình tính toán cho phép khảo sát
định lượng ảnh hưởng của độ mất cân bằng (MCB) đầu đạn đến chỉ tiêu tản mát điểm
chạm khi bắn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là đầu đạn súng tiểu liên AK 7,62mm K56 lõi
thép mất cân bằng khối lượng.
Phạm vi nghiên cứu của luận án:
Chỉ tiêu tản mát được xác định ứng với giai đoạn kể từ khi đầu đạn được cắt đai
hoàn toàn cho tới khi chạm mục tiêu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên cơ sở sử dụng phương
pháp mô phỏng ngẫu nhiên (MPNN). Theo phương pháp này, luận án sẽ thực hiện hai
bước:
Bước 1: Lập mô hình toán học, bao gồm: mô hình tính toán các đặc trưng mất
cân bằng theo cấp chính xác gia công; mô hình tính toán chuyển động trong nòng của
đầu đạn súng bộ binh ba cấu tử, mất cân bằng khối lượng bằng phương pháp phần tử
hữu hạn (PTHH) trên cơ sở coi đầu đạn là vật rắn biến dạng trong vùng đàn hồi.
Bước 2: Đưa các đại lượng ngẫu nhiên vào trong mô hình.
Sau khi xây dựng xong mô hình toán học và đưa các đại lượng ngẫu nhiên vào mô
hình luận án sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát điểm chạm và
bắn thực nghiệm đối chứng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án thể hiện ở các khía cạnh sau:
1. Mô hình tính toán của luận án cho phép xác định các đại lượng đặc trưng mất
cân bằng khối lượng của lô đầu đạn theo cấp chính xác gia công.
12
2. Mô hình tính toán của luận án cho phép mô tả chuyển động trong nòng của
đầu đạn súng bộ binh ba cấu tử, mất cân bằng khối lượng dựa trên phương pháp PTHH
khi coi đầu đạn là vật rắn biến dạng đàn hồi.
3. Mô hình tổng thể và phần mềm của luận án cho phép khảo sát định lượng ảnh
hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn.
Ý nghĩa thực tiễn của LA:
Cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ hữu ích trên phương diện khống chế chỉ
tiêu tản mát cho các nhà thiết kế trong quá trình phân tích, quyết định phương án thiết
kế đạn súng bộ binh
6. Nội dung và cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo và tài
liệu tham khảo, nội dung của luận án gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về tản mát điểm chạm và sự mất cân bằng khối lượng
của đầu đạn
Chương 2. Xây dựng mô hình tính toán độ MCB của đầu đạn súng bộ binh nhiều
cấu tử
Chương 3. Xây dựng mô hình tính toán chuyển động trong nòng của đầu đạn
súng bộ binh MCB
Chương 4. Khảo sát ảnh hưởng của độ MCB khối lượng đến tản mát điểm
chạm
13
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ TẢN MÁT ĐIỂM CHẠM
VÀ SỰ MẤT CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG CỦA ĐẦU ĐẠN
1.1. Tản mát điểm chạm
Tản mát là hiện tượng điểm chạm của các phát bắn với cùng một điều kiện bắn
như nhau nhưng không trùng nhau mà tạo thành một tập hợp các điểm.
Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về tản mát điểm chạm đã phát
triển khá sâu sắc song song với quá trình phát triển của súng – đạn đã chỉ ra rằng tản
mát điểm chạm là một đại lượng ngẫu nhiên được biểu diễn bằng quy luật [2], [30],
[40], [46]:
(1.1)
trong đó: mx, mz là kỳ vọng toán của x0, z0 và chúng cũng chính là toạ độ của trung tâm
tản mát; lx, lz là sai số trung gian tản mát về tầm và hướng, chúng có quan hệ với độ
lệch chuẩn x, z bởi quan hệ:
;
(1.2)
trong đó, = 0,477 và lx= 0,6745 x; lz = 0,6745
z
Về mặt ý nghĩa, lx, lz đặc trưng cho mức độ phân tán của toạ độ điểm rơi xung
quanh trung tâm tản mát. Vì vậy, để đánh giá mức độ tản mát của điểm rơi người ta lấy
chỉ tiêu bằng số là lx, lz.
Khi bắn các mục tiêu có chiều cao đáng kể bằng đường đạn căng, người ta lại
thường quan tâm đến tản mát của điểm chạm với chỉ tiêu là sai số trung gian tản mát
theo chiều cao và theo hướng: ly, lz. Khi đó giữa ly và lx có mối quan hệ:
(1.3)
góc nghiêng tiếp tuyến quỹ đạo khối tâm đạn tại điểm đang xét.
c
Với các loại đạn cỡ lớn như: đạn pháo, đạn cối, đạn phản lực dã chiến...người
ta sử dụng chỉ tiêu là độ lệch tương đối về tầm và độ lệch tương đối về hướng để
đánh giá tản mát. Chỉ tiêu tản mát của đạn pháo rãnh ổn định con quay, đạn cối và tên
lửa dã chiến được cho trong bảng 1.1 [9], [46].
14
Bảng 1.1. Chỉ tiêu tản mát của một số loại đạn cỡ lớn
STT
Chủng loại
1
Đạn pháo rãnh
xoắn
2
Đạn cối
3
Đạn tên lửa dã
chiến
Ghi chú: (Д tầm bắn)
Đối với đạn súng bộ binh, khi đánh giá chỉ tiêu tản mát người ta còn dùng bán
kính tản mát r100 và r50. r100 là khoảng cách từ điểm chạm trung bình tới điểm chạm xa
nhất, tức là vòng tròn có tâm tại điểm chạm trung bình và bán kính là khoảng cách chứa
100% các điểm chạm (lỗ thủng). Bán kính tản mát r50 được lấy là bán kính đường tròn
có tâm tại điểm chạm trung bình, chứa 50% điểm chạm nằm gần với điểm chạm trung
bình nhất. Giữa các bán kính tản mát có liên hệ sau: r100 = (1,45 ÷ 1,50) r50.
Thông số tản mát của một số loại đạn súng bộ binh hiện có trên thế giới được
thể hiện trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thông số tản mát một số loại đạn súng bộ binh
Loại đạn
Vũ khí sử dụng
Cự ly
r50 [cm]
[m]
7,62mm K53
Súng K44
100
3,6
7,62mm NATO
Súng trường M14
100
3,2
7,62mm K56
Súng CKC
100
3,5
5,56x45mm
Súng tiểu liên M16A1
100
3,2
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tản mát điểm chạm, các yếu tố này có thể
phân thành nhóm như: theo súng và điều kiện sử dụng súng; theo độ chính xác gia công
chế tạo đầu đạn, các đặc trưng thuốc phóng và kết cấu của phát bắn; theo thời hạn bảo
quản; các điều kiện khí tượng khi bắn; theo sự luyện tập chuyên môn và kỹ năng của
xạ thủ.
Trong đó, đạn và các đặc trưng của nó chiếm khoảng một phần ba tổng các yếu
tố ảnh hưởng tới độ tản mát đầu đạn khi bắn [18]. Có thể kể ra một số các yếu tố quan
trọng gồm: các đặc trưng thuật phóng và động học của đầu đạn; độ ổn định của đầu
đạn trên đường bay; các điểm đặc biệt về kết cấu đầu đạn; tính chất lý hóa và kết cấu
15
liều thuốc phóng; cấp chính xác chế tạo đầu đạn, các phần tử của nó và của cả viên
đạn nói chung.
Độ chính xác chế tạo và lắp ráp các phần tử của đầu đạn ảnh hưởng lớn đến
tản mát điểm chạm khi bắn. Đối với đạn súng bộ binh, đặc biệt phải lưu ý tới độ
chênh lệch bề dày thành vỏ bọc, cốc đựng liều thuốc, lớp áo chì. Độ lệch này xác định
độ lệch vị trí trọng tâm so với trục hình học, đây là nguyên nhân xuất hiện và tác dụng
của lực hướng tâm, làm tăng bán kính tiến động và dẫn tới giảm độ chụm. Tăng độ
chính xác chế tạo đạn và các phần tử của nó mâu thuẫn với các yêu cầu kinh tế khác
nhau và các điều kiện của đặc tính sản xuất hàng loạt. Vì vậy, hiện nay cấp độ chính
xác chế tạo đầu đạn tại các nhà máy TCCNQP được thiết lập từ thực tế dung hòa giữa
khả năng công nghệ và chi phí sản xuất trên cơ sở các thử nghiệm đánh giá sự đảm bảo
yêu cầu về độ chụm.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các yếu tố ảnh hưởng đến tản mát điểm chạm
mang tính ngẫu nhiên có tính quy luật xác suất. Ví dụ, chuyển động của đầu đạn trong
nòng được xem như một quá trình chịu ảnh hưởng của một loạt các thông số được biểu
diễn bởi hàm ngẫu nhiên: sai số chế tạo, sai số lắp ghép, dung sai khối lượng…. Trong
[5], [9], [32] đã chỉ ra sự phân bố ngẫu nhiên các tham số ảnh hưởng đến chuyển động
đầu đạn như: sai số đường kính, phân bố khối lượng, phân bố độ mất cân bằng khối
lượng… Một số quy luật phân bố các thông số cấu tạo đầu đạn pháo 76,2 mm ảnh
hưởng trực tiếp đến chuyển động của đầu đạn trong nòng được cho trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Quy luật phân phối của các đại lượng ngẫu nhiên trong mô hình
mô phỏng tản mát đạn pháo chống tăng 76,2 mm
Đại lượng
STT
Ký
hiệu
Quy luật phân phối
Đơn vị
đo
1
Cỡ đạn
d
Chuẩn =76,0375; =0,0208
[mm]
2
Khối lượng đầu đạn (dấu
H)
md
Đều trong [6,1793 ... 6,2207]
[kg]
D1
Rayleigh với tham số =51,76
[g.cm]
D2
Rayleigh với tham số =23,6
[g.cm]
Rayleigh với tham số =0,729
[rad]
3
4
Thông số mất cân bằng
của đạn
5
6
Khoảng cách hai đai đạn
lb
Chuẩn =70; =0,025
[mm]
7
Khoảng cách từ khối tâm
đến đai dẫn
lc
Chuẩn =52; =0,05
[mm]
8
Chiều dài đạn
l
Chuẩn =381; =0,136
[mm]
16
9
Góc tiến động ban đầu
0
Đều trong [0…2 ]
[rad]
10
Góc quay riêng ban đầu
0
Đều trong [0…2 ]
[rad]
11
Vận tốc góc quay riêng
ban đầu
Đều trong [0…r0=2248,7]
1.2. Sự mất cân bằng khối lượng của đầu đạn
Lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng MCB khối lượng là một trong những
nguyên nhân cơ bản làm tăng tản mát điểm chạm. Do các nguyên nhân như: độ không
đồng nhất của vật liệu, sai số trong quá trình gia công chế tạo chi tiết cũng như lắp ráp
thành phẩm nên độ MCB là một đặc tính cố hữu không thể tách rời của đầu đạn.
1.2.1.
Các khái niệm cơ bản về sự MCB của đầu đạn
Nghiên cứu lý thuyết và đưa ra các giải pháp giảm ảnh hưởng của MCB đến
hoạt động cũng như độ bền các vật thể quay đã được quan tâm từ lâu và trở thành một
yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế. Thậm chí đã được tiêu chuẩn hóa trong các tài
liệu kỹ thuật trên thế giới. Để có cái nhìn tổng quan về hiện tượng MCB đầu đạn
chúng ta sẽ xem xét một số các khái niệm, định nghĩa, đại lượng, tiêu chuẩn về sự MCB
khối lượng của vật thể quay theo các tài liệu tiêu chuẩn: ГОСТ 1953474, ГОСТ 26061
76, ISO 1940, [11], [23], [33], [34], [36], [37], [38].
Khi nghiên cứu độ cân bằng của vật thể, người ta phân biệt ba dạng MCB:
MCB tĩnh: là trường hợp trục quán tính chính trung tâm và trục quay của vật
thể song song và cách nhau một khoảng lệch ec (hình 1.1).
Để khử MCB tĩnh, ta phải đưa trọng tâm về trục quay của rotor. Việc này được
thực hiện bằng cách đặt một khối lượng đối diện với khối lượng MCB qua tâm và ở
cùng khoảng cách bán kính. Khi lượng MCB là đủ lớn, ta có thể khử sự MCB tĩnh mà
không cần phải quay rotor. Tuy nhiên, sự MCB tĩnh có thể được đo đạc với độ chính
xác cao hơn nhiều bằng cách quay rotor ở tốc độ cao. Việc đo lượng MCB và điều
chỉnh (tức khử) nó đi sau đó được thực hiện bằng cách sử dụng máy cân bằng động.
17
Hình 1.1. Sự MCB tĩnh
MCB mômen (hay MCB ngẫu lực): là trường hợp trục quán tính chính trung
tâm cắt trục quay của vật thể tại khối tâm và hợp với trục này một góc nào đó. Khi này
vật thể vẫn được cân bằng tĩnh bởi vì khối tâm của nó nằm trên trục hình học (hình
1.2).
Hình 1.2. Sự MCB mô men
Rotor hình trụ thể hiện trong hình 1.2 có
một sự MCB gây ra bởi hai khối m1 và m2 giá trị như nhau, đặt đối xứng chéo nhau qua
trọng tâm. Rotor ở trạng thái cân bằng tĩnh, tức là trọng tâm nằm trên trục quay của
rotor. Tuy nhiên, khi rotor quay, các lực F 1 và F2 tạo ra bởi hai khối m 1 và m2 làm xoay
trục quán tính chính lệch khỏi trục quay rotor. Sự MCB ngẫu lực đặc trưng cho tình
trạng của một rotor có trục quán tính chính cắt trục quay rotor tại trọng tâm rotor. Sự
MCB ngẫu lực tạo ra rung động mạnh trên cả hai mặt nơi các lực tác động. Ta có thể
khử kiểu MCB này bằng cách cân bằng trên máy cân bằng động và xử lý MCB tại cả
hai mặt. MCB ngẫu lực chỉ được phát hiện khi cho rotor quay và bắt buộc phải xử lý
nhờ vào máy cân bằng động.
MCB động học (MCB hỗn hợp): có thể biểu diễn ở dạng tổng của sự MCB
tĩnh và MCB mô men (hình 1.3). Khi này rotor có trục quán tính chính không song song
mà cũng không giao nhau với trục quay, đây là loại MCB phổ biến nhất. Để khử MCB
động, ta đo độ rung khi quay rotor và sau đó bù sự MCB này trên cả hai mặt. MCB dạng
này chỉ có thể được phát hiện bằng máy cân bằng động.
18
Hình 1.3. Sự MCB động học
Để định lượng độ MCB của vật thể quay
người ta sử dụng các khái niệm véc tơ MCB. Xác định như sau:
Chia vật thành N phân tố dạng đĩa mỏng, có khối lượng tương ứng
mi và trọng tâm nằm cách trục quay một khoảng i, nằm cách gối tựa của
trục quay 1 và 2 một khoảng l1i và l2i. (Hình .1.4).
Hình 1.4. Khái niệm véc tơ MCB phân tố
Véc tơ MCB của phân tố là một véc tơ đi qua khối tâm phân tố, phương vuông
góc với trục quay của vật thể. Lực MCB của phân tố được tính bằng tích của véc tơ
MCB với bình phương vận tốc góc của vật thể.
(1.4)
Cân bằng động là sự cân bằng của vật thể khi tham gia chuyển động
quay.
Cân bằng động của vật thể chỉ đạt được khi đủ điều kiện cân bằng
tĩnh và cân bằng mô men [3].
19
+ Điều kiện cân bằng tĩnh được viết:
(1.5)
+ Điều kiện cân bằng mô men được viết theo phương trình cân bằng
mô men của các lực MCB lấy với hai mặt phẳng cơ sở:
;
(1.6)
Ranh giới giữa mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động
Khi vật quay mất cân bằng ngẫu lực hoặc hỗn hợp, do tồn tại ngẫu lực hay mô
men nên không thể dùng cân bằng tĩnh để khử. Chỉ khi ngẫu lực do cặp lực này sinh ra
nhỏ, tức là chiều dầy của vật quay nhỏ hơn khá nhiều so với đường kính của nó, lúc đó
vật có thể được xem là chỉ mất cân bằng tĩnh. Vấn đề đặt ra là vật quay mỏng bao
nhiêu thì được xem là chỉ mất cân bằng tĩnh. Thực tế cân bằng cho thấy vật quay dầy
nếu quay ở tốc độ thấp thì vẫn có thể dùng phương pháp cân bằng tĩnh để cân bằng,
ngược lại vật quay mỏng nếu quay ở tốc độ cao thì đòi hỏi phải cân bằng động. Ranh
giới giữa cân bằng tĩnh và động có thể tham khảo trong hình 1.5 [11], ở đây B là chiều
dày, D là đường kính vật quay.
Hình 1.5. Ranh giới giữa mất cân bằng tĩnh và động
Miền I vật quay buộc phải cân bằng
động;
Miền II vật quay có thể được cân bằng
tĩnh hoặc động tùy vào độ chính xác và yêu cầu làm việc;
Miền III vật quay chỉ cần cân bằng tĩnh
Các khái niệm trên đây hoàn toàn được sử
dụng khi nghiên cứu độ mất cân bằng của đầu đạn chuyển động trong nòng. Khi này,
hai gối tựa được hiểu là các vị trí tỳ (liên kết) giữa lòng nòng và đầu đạn.
Cấp độ mất cân bằng
Theo ГОСТ 22061 –76 [34], độ mất cân bằng được chia ra các cấp độ như sau
(bảng 1.4).
Bảng 1.4. Cấp độ mất cân bằng
20
Giá trị mất cân bằng lớn nhấtec,
Cấp độ mất cân bằng
max
(mm.rad/s)
ec, độ lệch tâm và tốc độ quay của vật thể
Min
Max
(0)*
(0,064)
(0,16)
1
0,16
0,40
2
0,40
1,00
3
1,00
2,50
4
2,50
6,30
5
6,30
16,00
6
16,00
10,00
7
40,00
100,00
8
100,00
250,00
9
250,00
630,00
10
630,00
1600,00
11
1600,00
4000,00
(12)*
(4000,00)
(10000,00)
Tài liệu [23], [34] đã chỉ ra các vùng ứng dụng cho phép trong kỹ thuật tương ứng
với các cấp độ mất cân bằng khối lượng (bảng 1.5).
Bảng 1.5. Vùng ứng dụng chấp nhận các cấp độ mất cân bằng theo ISO – 1940
Cấp chất
lượng cân
bằng
(mm/s)
G 4000
4000
Loại rotor – các ví dụ tổng quát
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ diesel tàu thủy thấp
tốc, lắp cứng với số xylanh lẻ
21
Cấp chất
lượng cân
bằng
(mm/s)
G 1600
1600
G 630
630
G 250
250
G 100
100
Loại rotor – các ví dụ tổng quát
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ hai thì cỡ lớn, lắp cứng
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ bốn thì cỡ lớn được
lắp cứng
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ diesel tàu thủy được
lắp đàn hồi
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ diesel cao tốc bốn xy
lanh được lắp cứng
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ diesel cao tốc sáu xy
lanh hoặc nhiều hơn
Động cơ nguyên chiếc (xăng hoặc diesel) cho xe hơi, xe tải
và đầu máy xe lửa
Bánh xe, mâm bánh xe, cụm bánh xe, trục dẫn động.
G 40
40
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ cao tốc bốn thì (xăng
hoặc diesel) với sáu xy lanh hoặc nhiều hơn, được lắp đàn
hồi
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ xe hơi, xe tải và đầu
máy xe lửa
Trục dẫn động (trục cánh quạt, trục cardan) với các yêu cầu
kỹ thuật đặc biệt
Chi tiết của máy nghiền
G 16
16
Chi tiết của máy nông nghiệp
Chi tiết rời của động cơ (xăng hoặc diesel) xe hơi, xe tải và
đầu máy xe lửa
Bộ dẫn động trục khuỷu của động cơ với sáu xylanh hoặc
nhiều hơn trong những điều kiện đặc biệt
G 6.3
6.3
Chi tiết máy chế biến
Bánh răng của turbine chính tàu thủy (tàu hàng)
Trống ly tâm
22
Cấp chất
lượng cân
bằng
Loại rotor – các ví dụ tổng quát
(mm/s)
Rulo máy làm giấy; rulo máy in
Quạt gió
Cụm rotor với turbine khí ngành hàng không
Bánh đà
Cánh bơm
Máy công cụ và chi tiết máy quay
Phần ứng lớn và vừa (của động cơ điện có tối thiểu một
chiều cao thân 80 mm) không có yêu cầu đặc biệt
Phần ứng động cơ điện nhỏ được chế tạo hàng loạt cho các
ứng dụng không nhạy cảm với dao động và/hoặc với các gối
đỡ cách ly dao động
Chi tiết rời của động cơ có yêu cầu đặc biệt
Turbine ga và hơi nước, kể cả turbine chính của tàu thủy (tàu
hàng)
Rotor máy phát turbo cứng
Trống và đĩa bộ nhớ máy tính
Máy nén turbo
G 2.5
2.5
Bộ dẫn động máy công cụ
Phần ứng động cơ điện lớn và vừa có yêu cầu đặc biệt
Phần ứng động cơ điện nhỏ không được thẩm định theo một
hoặc cả hai điều kiện được mô tả theo cấp chất lượng cân
bằng G 6.3 dành cho phần ứng động cơ điện nhỏ
Máy bơm dẫn động bằng turbine
Bộ dẫn động của máy ghi băng từ và máy quay đĩa (hát)
G 1
1
Bộ dẫn động máy mài
Phần ứng động cơ điện nhỏ có yêu cầu đặc biệt
G 0.4
0.4
Trục cuốn sợi, đĩa và phần ứng của máy mài chính xác
23
Cấp chất
lượng cân
bằng
(mm/s)
Loại rotor – các ví dụ tổng quát
Con quay hồi chuyển (Gyroscope)
. .Cũng theo tiêu chuẩn ГОСТ 1954374 [32], [33], độ mất cân bằng động học của
vật thể quay bất kỳ (bao gồm cả đầu đạn) có thể đặc trưng bởi hai véc tơ mất cân
bằng bố trí trên hai mặt phẳng quy ước, vuông góc với trục đi qua tâm các mặt cắt của
các bề mặt cơ sở (trục các tâm). Cụ thể gồm: hai lượng mất cân bằng D1, D2, tọa độ
góc của chúng trên mặt phẳng vuông góc với trục quay o, . Đối với đầu đạn pháo, hai
mặt phẳng quy ước được chọn nằm trên chính giữa đai dẫn và đai định tâm trên, với
đạn súng bộ binh là hai mặt nằm ở ranh giới giữa phần trụ và phần côn sau, phần mũi
(hình 1.6).
Hình 1.6. Các đại lượng biểu diễn độ MCB khối lượng của đầu đạn
1.2.2. Các nguyên nhân gây ra sự MCB của đầu đạn
Với các đầu đạn được thiết kế hoàn toàn đối xứng trục, các nguyên nhân gây ra
mất cân bằng có thể chỉ ra như sau:
Do sai số chế tạo các chi tiết và khi tổng lắp đầu đạn.
Sai số chế tạo là không thể trách khỏi trong quá trình sản xuất. Do hạn chế bởi
độ chính xác của các máy công cụ, thao tác công nhân mà các kích thước thực của chi
tiết trong gia công đều được giới hạn bởi các giá trị dung sai. Độ chính xác chế tạo các
phần tử của đầu đạn, độ tin cậy lắp ráp và trình độ sản xuất ảnh hưởng trực tiếp đến
độ mất cân bằng của đầu đạn. Đặc biệt là độ chênh lệch bề dày thành vỏ, cốc đựng
liều thuốc, lớp áo chì. Độ lệch này xác định độ lệch vị trí trọng tâm so với trục hình
học. Tăng độ chính xác chế tạo các phần tử đầu đạn mâu thuẫn với các yêu cầu kinh tế
khác nhau và các điều kiện của đặc tính sản xuất hàng loạt.
24
Tại các nhà máy quốc phòng hiện nay chủ yếu áp dụng công nghệ gia công
không phoi: rèn dập, vuốt khi sản suất đạn súng. Với các công nghệ này, giới hạn dung
sai hiện đang được áp dụng với bề dày thành thân vỏ, bề dày lớp áo chì, đường kính
ngoài đạt khoảng 0,05mm. Dung sai chiều dài đạt khoảng 0,5mm.… [10], [12], [14].
Hình 1.7. mô tả bản vẽ chế tạo đầu đạn 7,62 mm K56 lõi thép với điều kiện công nghệ
sản xuất trong nước.
Hình 1.7. Bản vẽ chế tạo đầu đạn 7,62mm K56 lõi thép
Như vậy, sai số khi chế tạo các chi tiết và lắp ráp là một đặc tính của quá trình
thiết kế và chế tạo đầu đạn. Đó là nguyên nhân đầu tiên dẫn tới sự mất cân bằng khối
lượng và cần kể tới khi tính toán thiết kế đầu đạn.
Do sự không đồng nhất của vật liệu chế tạo các chi tiết đầu đạn.
Thực tế cho thấy vật liệu chế tạo các chi tiết trong nhiều trường hợp không
hoàn toàn đồng nhất. Nguyên nhân có thể kể ra là: do khuyết tật trong quá trình chuẩn bị
phôi, do lẫn tạp chất.
Quy trình công nghệ sản suất đầu đạn luôn yêu cầu khắt khe về nguyên vật liệu
đầu vào và có các bước kiểm tra chặt chẽ. Tuy nhiên, cũng như dung sai kích thước, đây
là yếu tố ngẫu nhiên và không thể tách rời khi sản xuất chế tạo đầu đạn.
1.2.3. Xác định độ mất cân bằng khối lượng của đầu đạn
Một vấn đề đặt ra khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát là việc
xác định giá trị các thông số đặc trưng cho độ mất cân bằng để làm số liệu đầu vào cho
các tính toán tiếp theo.
Hiện nay, để xác định độ mất cân bằng của các vật thể quay như rô to, trục
quay, bánh xe,… sau khi sản xuất người ta sử dụng thiết bị cân bằng động. Nguyên lý
cơ bản của thiết bị này là tạo cho vật thể một tốc độ quay nhất định, khi đó, sự MCB
sẽ tạo ra tín hiệu rung trên gối tựa, phân tích tín hiệu rung sẽ xác định được độ MCB
của vật thể.
25
Đối với một vật thể có hình dáng, kích thước, khối lượng xác định thì ta hoàn
toàn có thể xác định các đặc trưng MCB theo phương pháp lý thuyết trên cơ sở các
phương trình cân bằng lực và mô men [11], [23], [33], [34], [36], [37], [38]. Tuy nhiên,
vấn đề ở chỗ đầu đạn được sản xuất hàng loạt, số lượng lớn với kích thước theo miền
dung sai được cho trong bản vẽ chế tạo nên không thể đo đạc cho từng mẫu đầu đạn.
Do vậy, cần có một cách tiếp cận mang tính tổng thể cho cả lô hay loạt sản xuất.
Qua tìm hiểu các nguồn tài liệu thấy rằng việc tính toán các đại lượng đặc trưng
cho độ MCB đối với cả lô đầu đạn theo bộ bản vẽ chế tạo chưa được các nhà nghiên
cứu trong nước công bố. Các tài liệu của nước ngoài hiện cũng chưa nhiều, rà soát rất
nhiều nguồn tài liệu khác nhau NCS cũng mới chỉ tiếp cận được 2 tài liệu trình bày về
vấn đề này [32], [35]. Nguyên lý chung của cả hai phương pháp này là chia đầu đạn
thành các phần tử theo đặc trưng cấu tạo và công nghệ chế tạo. Từ đặc trưng cấu tạo
và công nghệ chế tạo xác định được quy luật phân bố dung sai độ lệch các bề mặt. Dựa
trên dung sai độ lệch các bề mặt sẽ tính toán được đặc trưng MCB của từng phần tử,
tổng hợp đặc trưng MCB cho toàn bộ các phần tử sẽ xác định được độ MCB của đầu
đạn. Tuy nhiên, cả hai tài liệu này đều chưa công bố rõ cách thức tổng hợp các đặc
trưng MCB của từng phần tử cũng như phương pháp tính toán đối với các phần tử có
hình dạng phức tạp, không chuẩn hóa hay các vật thể nhiều cấu tử. Điều này gây khó
khăn cho việc tiếp cận và áp dụng phương pháp. Do vậy, trong luận án NCS sẽ thực
hiện xây dựng một mô hình lý thuyết xác định quy luật phân bố sự MCB khối lượng
của lô đầu đạn theo bộ bản vẽ chế tạo. Thực hành tính toán cho lô đầu đạn 7,62 K56
hiện đang được sản xuất tại nhà máy Z113 – TCCNQP, làm cơ sở dữ liệu đầu vào để
tính toán tản mát điểm chạm.
1.3. Ảnh hưởng của sự mất cân bằng khối lượng đến tản mát điểm chạm
. .Ảnh hưởng của sự MCB khối lượng đến tản mát điểm chạm đã được nhận định
như một quy luật tất yếu. Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về vấn đề
này đã được các chuyên gia trong lĩnh vực Vũ khí – Đạn công bố với nhiều cách tiếp
cận và quan điểm khác nhau [2], [5], [9], [12], [16], [18], [30], [31], [32], [46]. Khi nghiên
cứu vấn đề này, ta cần gắn liền với các giai đoạn chuyển động của đầu đạn, tóm tắt
như sau:
. .Khi đầu đạn chuyển động trong nòng, nếu khối tâm của đầu đạn lệch ra khỏi
trục đạn, trục đạn trùng với trục nòng súng (MCB tĩnh) thì đầu đạn bị cưỡng ép chuyển
động, trục quay trùng với trục nòng súng, khối tâm G của đạn chuyển động xung quanh
trục nòng súng gây lực ly tâm ép thành nòng lệch về một phía tạo dao động của nòng
súng. Đến giai đoạn bán liên kết đầu đạn dần dần mất liên kết với lòng nòng làm tăng
biên độ lắc bởi lực ly tâm, làm tăng góc rời nòng của đầu đạn. Khi rời khỏi nòng, đầu
đạn có xu hướng trở về quay quanh khối tâm, làm đạn bị lắc và lệch khỏi quỹ đạo thiết
kế, tăng lực cản dẫn đến tầm bắn giảm và tăng tản mát. Mặt khác, khi đó đầu đạn vẫn
