strana
5 ABSTRAKT
Tato bakalářská práce se zabývá sestavením analytického modelu dynamiky bicího mechanismu palné zbraně sloužícího pro návrh jednotlivých členů mechanismu tak, aby došlo ke spolehlivé iniciaci zápalky. Tento analytický model byl ověřen experimentálním měřením na reálném bicím mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo pomocí vysokorychlostní kamery Vision Research Phantom v710. Dále byla experimentálně stanovena minimální iniciační energie pro brokové zápalky FOCCHI 616 (.209 TYPE) pomocí testovacího zařízení vlastní konstrukce a výše uvedené vysokorychlostní kamery. Výsledky experimentálního měření minimálních iniciačních energií byly konfrontovány s experimentálním měřením společnosti Sellier
& Bellot a. s.
KLÍČOVÁ SLOVA
Bicí mechanismus, iniciační energie, zápalka, úderník, bicí pružina, kladívko, zápalník
ABSTRACT
This bachelor thesis is devoted to creation of the analytical model of the dynamics of gun firing mechanism, that is used for design of individual parts of the mechanism, allowing the primer to be initiated properly. This analytical model has been verified by experimental measurement of the real mechanism operation from Brno Combo shotgun using a high speed camera Vision Research Phantom v710. In addition, the minimal energy, needed for initiation of FOCCHI 616 (.209 TYPE) primer, was experimentally measured using the test device and the high-speed camera. The results of experimental measurement of minimal initiation energies were compared with the experimental data from Sellier & Bellot primer producer.
KEY WORDS
Firing mechanism, initiation energy, primer, striker, firing spring, hammer, firing pin
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE MÉ PRÁCE
TKADLEC, J.Analytický model dynamiky bicího mechanismu palné zbraně. Brno:
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2017. 44 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Šperka, Ph.D.
strana
7 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Analytický model dynamiky bicího mechanismu palné zbraně vypracoval samostatně pod vedením Ing. Petra Šperky, Ph.D. a uvedl jsem v seznamu všechny použité literární zdroje.
V Brně dne 19. 5. 2017
strana
9 PODĚKOVÁNÍ
Rád bych poděkoval Ing. Petru Šperkovi, Ph.D. a Ing. Michaelu Koutnému za vstřícnost a cenné rady při konzultacích během vypracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat svým rodičům za podporu při studiu. A v neposlední řádě kamarádu Martinu Dršatovi za jeho ochotu kdykoliv poradit a cenné konzultace u snookeru a piva.
strana
11
Obsah
OBSAH
1 ÚVOD 12
2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 13
2.1 Iniciační ústrojí 13
2.2 Rozdělení bicích mechanismů podle konstrukčního uspořádání 14
2.2.1 Bicí mechanismy bez bicí pružiny 14
2.2.2 Bicí mechanismy s bicí pružinou 15
2.3 Požadavky na bicí mechanismy 17
2.3.1 Testování citlivosti zápalek 17
3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 21
3.1 Analýza problému 21
3.2 Cíl práce 21
4 MATERIÁL A METODY 22
4.1 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky 22
4.1.1 Experimentální zařízení 22
4.1.2 Testované vzorky 22
4.1.3 Podmínky experimentu 22
4.2 Experimentální ověření analytického modelu na mechanismu
kulobrokové kozlice Brno Combo 23
4.2.1 Experimentální zařízení 23
4.2.2 Testované vzorky 23
4.2.3 Podmínky experimentu 24
5 VÝSLEDKY 25
5.1 Analytický model dynamiky bicího mechanismu 25
5.1.1 Výpočet úhlové rychlosti kladívka 25
5.1.2 Výpočet energie úderníku 27
Dokonale nepružná srážka kladívka s úderníkem 30
5.2 Experimentální ověření analytického modelu na mechanismu kulobrokové
kozlice Brno Combo 31
5.3 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky 33 5.4 Analytický výpočet dynamiky bicího mechanismu kulobrokové
kozlice Brno Combo 36
6 DISKUZE 37
6.1 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky 37 6.2 Výpočet energie úderníku bicího mechanismu 37
7 ZÁVĚR 39
8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 40
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ 41
SEZNAM OBRÁZKŮ 43
SEZNAM TABULEK 44
strana
12
Úvod
1 ÚVOD
V první třetině 14. století se začaly objevovat v Evropě první palné zbraně na černý střelný prach. Až do poloviny 19. století převažovaly předovky. Střela i střelný prach se vkládaly ústím hlavně a střelný prach byl zapálen pomocí malého množství střelného prachu v pánvičce umístěné v zadní části hlavně, která byla s hlavní prachovou náplní spojena malým otvorem (tzv. zátravkou). Zpočátku se střelný prach v pánvičce zapaloval rozžhaveným želízkem nebo doutnákem drženým v ruce střelce.
Prvními iniciačními mechanismy sloužícími k zapálení střelného prachu, které dávaly střelci lepší kontrolu nad zbraní, byly doutnákové zámky, kde byl doutnák držen v čelistech kohoutu a při stisknutí spouště se sklopil k pánvičce. Tyto první mechanismy však byly značně náchylné na vliv okolního počasí, jako vlhko, vítr, a nedošlo vždy ke spolehlivému zapálení střelného prachu.
Palné zbraně však v průběhu času nabývaly na své dominanci a v důsledku toho rostly požadavky na jejich spolehlivost, která byla v této době dána zejména schopností iniciačního ústrojí spolehlivě a v požadovaném okamžiku zapálit střelný prach i v nepříznivých podmínkách. Proto byly doutnákové zámky nahrazeny nejprve kolečkovými a později křesadlovými zámky, u kterých docházelo k zápalu střelného prachu v pánvičce pomocí vykřesaných jisker od křesadlového kamene. První velkou změnou v zápalu střelného prachu byl objev třaskavin, vysoce explozivních látek reagujících na malé zvýšení teplot například v důsledku tření. S příchodem třaskavin se objevily první perkusní zápalky a perkusní zámky (perkusní znamená nárazový, úderný). U zbraní s perkusním zámkem byla nejprve nárazem iniciovaná perkusní zápalka, která následně prostřednictvím kanálku zažehla prachovou náplň v hlavni.
Zbraně s perkusními zámky vykazovaly vysokou spolehlivost a okamžitý zápal střelného prachu bez nežádoucí prodlevy, jak tomu bylo zejména u doutnákových, ale také kolečkových a křesadlových zámků.
Největší zlom přišel v druhé polovině 19. století s příchodem jednotného náboje, který spojoval střelu, prach a zápalku dohromady. První jednotné náboje měly nábojnici ještě papírovou a později celokovovou. S jednotným nábojem se na konci 19. století objevila řada nových iniciačních ústrojí a zbraňových systémů, jejichž principy se používají dodnes. [1]
Obr. 1 Broková dvojka s křesadlovými zámky
strana
13
Přehled současného stavu poznání
2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ
2.1 Iniciační ústrojí
Iniciační ústrojí je hlavní součástí každé palné zbraně, které zajišťuje nejdůležitější funkci palné zbraně, a to iniciaci střelného prachu, v jejímž důsledku dojde k výstřelu.
Iniciační ústrojí jsou úzce spjata se spoušťovými mechanismy, které slouží k jejich ovládání. Podle druhu iniciačního impulzu je můžeme rozdělit na mechanické, které se nazývají bicí mechanismy, elektrické a elektromechanické. Předložená práce se zabývá pouze bicími mechanismy pro iniciaci jednotného náboje. [9]
Konstrukce bicích mechanismů vychází z typu a funkce palné zbraně a konstrukce použitého střeliva. Pro hlavňové palné zbraně se používají základní druhy střeliva na obrázku 2.
Obr. 2 Základní druhy střeliva
Z hlediska iniciace lze rozdělit střelivo na náboje se středovým zápalem a náboje s okrajovým zápalem. U nábojů se středovým zápalem je iniciačním prvkem zápalka, která je samostatnou komponentou nalisovanou do dna nábojnice. U nábojů s okrajovým zápalem je iniciačním prvkem zážehová slož uložena v okraji dna nábojnice. Zápalka a zážehová slož obsahují třaskavinu, která je vysoce citlivá na vznícení při zvýšení teploty v důsledku tření.
Při mechanické iniciaci je zápalka nebo zážehová slož iniciována nárazem prostřednictvím hmotného členu, kterým je úderník, jehož přední část přechází v zápalník. Aby došlo k zážehu třaskaviny, musí mít úderník nenulovou rychlost a příslušnou kinetickou energii. Úderník získává potřebnou kinetickou energii přímo od mechanické tlačné pružiny přeměnou její potenciální energie, nebo je na něj přenesena prostřednictvím dalších členů mechanismu. Nejčastěji se používají různé typy šroubovitých tlačných pružin. Vyskytuji se také mechanismy s listovými pružinami.
[7]
Úderník může konat přímočarý nebo rotační pohyb v závislosti na typu bicího mechanismu. U nábojů se středovým zápalem je třaskavina stlačována v zápalce zápalníkem mezi dno zápalky a kovadlinku (Obr. 3). V důsledku tření se třaskavina vznítí a následně zátravkami prošlehne do nábojnice, kde zažehne prachovou náplň.
2 2.1
strana
14
Přehled současného stavu poznání
U nábojů s okrajovým zápalem je třaskavina v okraji dna nábojnice stlačována mezi zápalníkem a čelem nábojové komory. [8]
Obr. 3 Iniciace náboje se středovým zápalem
2.2 Rozdělení bicích mechanismů podle konstrukčního uspořádání
2.2.1 Bicí mechanismy bez bicí pružiny
Úderník může být uložen pevně v závěru, který koná přímočarý pohyb (Obr. 4). Na závěr působí předsuvná pružina, která je zdrojem energie úderníku potřebné k iniciaci zápalky. Zároveň tato pružina zajišťuje funkční cyklus závěrového mechanismu.
K iniciaci dochází současně při zasunutí náboje do nábojové komory a dojetím závěru do přední polohy. Většinou se jedná o dynamické neuzamčené závěrové mechanismy.
Obr. 4 Bicí mechanismus bez bicí pružiny s pevným úderníkem
Dále může být úderník uložen volně v závorníku (Obr. 5). Předsuvná pružina poté působí na nosič závorníku. K iniciaci dochází při doražení závorníku do přední polohy prostřednictvím nosiče závorníku. [2]
Nevýhodou těchto bicích mechanismů je fakt že k iniciaci náboje dochází současně s přiražením závěru do přední polohy. Náboj tedy není v klidu usazen do nábojové komory, vzniklé rázy pak mohou mít vliv na přesnost střelby a spolehlivost iniciace. Tento typ mechanismů se nejčastěji používá u automatických zbraní určených pro střelbu na kratší vzdálenosti, kde není vyžadovaná vysoká přesnost. V těchto zbraních se používá zejména méně výkonné pistolové střelivo.
strana
15
Přehled současného stavu poznání
Obr. 5 Bicí mechanismus bez bicí pružiny s plovoucím úderníkem
2.2.2 Bicí mechanismy s bicí pružinou
Zdrojem energie pro iniciaci zápalky je zde bicí pružina, která zajišťuje funkci a energii pouze bicího mechanismu. Tyto mechanismy můžeme dále rozdělit na úderníkové a kladívkové.
Úderníkové bicí mechanismy
Bicí pružina působí přímo na úderník, který je uložen v závěru zbraně (Obr. 6). Tento typ bicích mechanismů se nejčastěji používá v opakovacích kulovnicích s odvalovacím závěrem. Výhodou těchto mechanismů je nízká konstrukční náročnost a malé ztráty energie díky přímému kontaktu úderníku s bicí pružinou. [2]
Obr. 6 Úderníkový bicí mechanismus
Kladívkové bicí mechanismy
Mezi úderníkem a bicí pružinou je jako další člen mechanismu umístěno kladívko, které je přímo v kontaktu s bicí pružinou (Obr. 7, 8). Po stisknutí spouště je kladívko uvolněno a prostřednictvím srážky s úderníkem přenáší energii bicí pružiny. Při konstrukci kladívkových mechanismu je potřeba brát v úvahu zvýšené ztráty energie, ke kterým dochází při srážce kladívka s úderníkem. Kladívko může konat přímočarý nebo rotační pohyb. [8]
Tyto mechanismy se používají nejčastěji u útočných pušek, samonabíjecích pistolí, revolverů a loveckých zbraní.
2.2.2
strana
16
Přehled současného stavu poznání
Obr. 7 Kladívkový bicí mechanismus s přímočarým pohybem kladívkem
Obr. 8 Kladívkový bicí mechanismus s rotačním pohybem kladívka
Speciálním případem jsou kladívkové bicí mechanismy s kladívkem konajícím rotační pohyb a s úderníkem, který je pomocí čepu spojen s kladívkem (Obr. 9). Zdrojem energie je zde listová pružina působící na kladívko. Tento typ bicích mechanismů se používal zejména u revolverů z 19. století.
Obr. 9 Bicí mechanismus revolveru Colt 1873
strana
17
Přehled současného stavu poznání
2.3 Požadavky na bicí mechanismy
Jedním z hlavních kritérií pro konstrukci bicího mechanismu je citlivost dané zápalky náboje, pro který je mechanismus určen. Charakteristikou zápalky je minimální rychlost a ji odpovídající energie úderníků, při které dojde vždy ke spolehlivé iniciaci zápalky.
2.3.1 Testování citlivosti zápalek
V české společnosti Sellier & Bellot a.s., která se zabývá výrobou střeliva, se zkouška citlivosti zápalek provádí v testovacím zařízení (Obr. 10), kde je zápalka uložena v ocelovém pouzdře, které se uzavírá horní částí s úderníkem. Na úderník je pouštěno volným pádem iniciační závaží o dané hmotnosti, která se liší pro různé typy zápalek.
Iniciační závaží je při volném pádu vedeno pomocí vodících tyčí. Úderník proniká do zápalky 1,1 mm a je zakončen rádiusem 2 mm.
Obr. 10 Testovací zařízení pro určení citlivosti zápalek
Zkouška probíhá tak, že z dané výškové hladiny je testováno vždy 25 zápalek.
Postupně se pádová výška závaží zvyšuje, až je dosaženo 100 % spolehlivosti iniciace.
To znamená, že 25 zápalek z 25 je za sebou bez selhání iniciováno z dané výškové hladiny. Výsledkem je charakteristika citlivosti zápalek tvořená rychlostí úderníku a jeho kinetické energie. [4]
Rychlost iniciačního závaží před dopadem na úderník se vypočítá pomocí zákona zachování mechanické energie, kdy úderník zvolíme za nulovou hladinu potenciální energie. Před vypuštěním se iniciační závaží nachází v dané výšce nad úderníkem a jeho energie je čistě potenciální.
2.3
2.3.1
strana
18
Přehled současného stavu poznání
Potenciální energie iniciačního závaží 𝐸𝑝𝑧
𝐸𝑝𝑧= 𝑚𝑧𝑔ℎ (2.1)
kde:
mz hmotnost závaží [kg],
h vzdálenost závaží od úderníku, ze které je vypuštěno [m], g gravitační zrychlení Země [m·s-2].
Těsně před dopadem závaží na úderník je jeho energie čistě kinetická. Kinetická energie iniciačního závaží 𝐸𝑘𝑧
𝐸𝑘𝑧 =1
2𝑚𝑧𝑣𝑧2 (2.2)
kde:
vz rychlost iniciačního závaží před dopadem na úderník [m·s-1].
Podle zákona zachování mechanické energie platí
𝐸𝑝𝑧 = 𝐸𝑘𝑧 (2.3)
Po dosazení rovnic (2.1) a (2.2) do rovnice (2.3) dostáváme rovnici 𝑚𝑧𝑔ℎ =1
2𝑚𝑧𝑣𝑧2 (2.4)
Po úpravě dostáváme rovnici pro rychlost iniciačního závaží vz před srážkou s úderníkem
𝑣𝑧 = √2𝑔ℎ (2.5)
Iniciační závaží má mnohem větší hmotnost než úderník. Úderník se před nárazem dotýká zápalky a nemá při kontaktu se závažím místo odskočit. Můžeme při kontaktu závaží s úderníkem předpokládat nepružnou srážku, při které platí zákon zachování hybnosti
𝑝𝑧= 𝑝𝑐 (2.6)
kde:
pz hybnost iniciačního závaží před srážkou [kg·m·s-1], pc celková hybnost úderníku a iniciačního závaží po srážce
[kg·m·s-1].
strana
19
Přehled současného stavu poznání
Hybnost iniciačního závaží 𝑝𝑧 určíme z rovnice
𝑝𝑧 = 𝑚𝑧𝑣𝑧 (2.7)
Celkovou hybnost 𝑝𝑐 závaží a úderníku po srážce
𝑝𝑐 = (𝑚𝑧+ 𝑚𝑢)𝑣𝑐 (2.8)
kde:
vc rychlost iniciačního závaží a úderníku po nepružné srážce [kg].
Po dosazení rovnic (2.7) a (2.8) do rovnice (2.6) a odvození dostáváme rovnici pro celkovou rychlost 𝑣𝑐
𝑣𝑐 = 𝑚𝑧𝑣𝑧
(𝑚𝑢+ 𝑚𝑧) (2.9)
Kinetickou energii Eki úderníku a iniciačního závaží, které společně iniciují zápalku, určíme z rovnice
𝐸𝑘𝑖 = 1
2(𝑚𝑧+ 𝑚𝑢)𝑣𝑐2 (2.10)
Pro zápalky určených do brokových nábojů se používá závaží o hmotnosti 112 g a úderník o hmotnosti 3 g. V tabulce 1 je uvedena charakteristika citlivosti pro brokové zápalky FIOCCHI 616 (.209 TYPE) určena pomocí výše popsaného testovacího zařízení.
Tab. 1 Charakteristika citlivosti zápalek FOCCHI 616 (.209 TYPE)
Pádová výška závaží h [m]
Počet úspěšných
aktivací
Počet neúspěšných
aktivací
Iniciační rychlost vc
[m/s]
Iniciační energie Eki
[J]
130 25 0 1,59 0,147
110 21 4 1,46 0,124
90 12 13 1,32 0,101
70 2 23 1,17 0,079
50 0 25 0,98 0,0561
Tyto hodnoty iniciačních energii však neodpovídají reálným energiím, protože ve výpočtu jsou zanedbány ztráty energie, a to hlavně v důsledku tření, kdy závaží padá dolů po vodících tyčích. Ztráty v důsledku srážky závaží s úderníkem a odporu vzduchu. V důsledku těchto ztrát nedojde k přeměně veškeré potenciální energie na kinetickou. Srážka těles nemusí být dokonale nepružná. Reálné iniciační energie se můžou proto značně lišit.
Minimální iniciační energie je zjištěna při ideálních podmínkách, kdy je zápalka uložena v testovacím zařízení nepružně a bez vůlí. V reálném případě je potřeba brát v úvahu, že náboj se zápalkou je uložen v nábojové komoře pružně
strana
20
Přehled současného stavu poznání
s určitou vůlí, což vede ke ztrátám energie při iniciaci. Spolehlivou funkci musí mechanismus vykazovat také za nepříznivých podmínek jakými jsou znečištění, nízká teplota, funkční opotřebení součástí.
Proto se zavádí podmínka spolehlivé iniciace, kdy se minimální iniciační energie zjištěna z testovacího zařízení navyšuje o 50 %. Poté musí pro energii úderníku Eku potřebnou pro spolehlivou iniciaci platit rovnice [2]
𝐸𝑘𝑢 ≥ 1,5𝐸𝑘𝑖 (2.11)
V praxi je snaha, aby energie úderníku byla rovna právě 1,5𝐸𝑘𝑢. Pro vyšší energii je potřebná větší tuhost bicí pružiny, v důsledku čehož je potřeba větší vnější síly pro napínání bicího mechanismu, což může vést k větší tuhosti ovládacích prvků, která je nežádoucí. Výjimkou jsou bicí mechanismy bez bicí pružiny, kde předsuvná pružina zajišťuje funkční cyklus celého závěrového mechanismu a přenáší na úderní mnohem vyšší energii než je potřeba ke spolehlivé iniciaci zápalky.
strana
21
Analýza problému a cíl práce
3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 3.1 Analýza problému
Pro správnou a spolehlivou funkci palné zbraně je nutné navrhnout bicí mechanismus tak, aby dovedl vyvodit dostatečnou energii pro inicializaci zápalky. Proto je vhodné popsat dynamické chování adekvátním analytickým modelem, který umožňuje návrh geometrických parametrů a hmotnosti jednotlivých součástí mechanismu. Jak bylo popsáno v teoretické části, výpočet bicího mechanismu je závislý zejména na typu náboje a pro něj charakteristickou zápalku, pro který je mechanismus určen. Konkrétní typ zápalky má svou minimální iniciační energii, při které dojde vždy ke spolehlivé iniciaci. Bicí mechanismus je jednou z klíčových součástí palné zbraně, která zajišťuje její hlavní funkci. Proto při výpočtu bicího mechanismu musí být kladen důraz na vysokou spolehlivost a podmínku spolehlivé iniciace, kterou musí mechanismus vykazovat i při nepříznivých podmínkách jako jsou znečištění a opotřebení součástí.
Dále záleží na typu mechanismu, který je pro danou zbraň použit.
3.2 Cíl práce
Hlavním cílem práce je sestavit a ověřit analytický model dynamiky bicího mechanismu konkrétní palné zbraně s rotačním pohybem kladívka. Pro splnění výše uvedeného cíle je potřeba splnění následujících dílčích cílů.
Dílčí cíle:
- Stanovit podmínky nutné pro spolehlivou inicializaci zápalky.
- Experimentálně ověřit analytický model na reálném mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo (Obr. 11).
Obr. 11 Bicí mechanismus kulobrokové kozlice Brno Combo
3
3.2 3.1
strana
22
Materiál a metody
4 MATERIÁL A METODY
4.1 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky
4.1.1 Experimentální zařízení
Měření minimální iniciační energie pro mechanické zápalky probíhalo v zařízení vlastní konstrukce. Hlavní částí zařízení byla plexisklo-akrylátová PMMA trubice o vnitřním průměru 14 mm a délce 2000 mm. Na jeden konec této trubice byla nasunuta a nalepena ocelová objímka s vnitřním závitem. Do této objímky byl našroubován ocelový distanční kroužek a dotažen na čelo PMMA trubice. Na distanční kroužek se dotahovalo ocelové pouzdro s přesným osazením pro zápalku, které umožňovalo výměnu vystřelených zápalek za nové. Pomocí přesného osazení v pouzdře a dotažením čela zápalky na distanční kroužek bylo zajištěno nepružné uložení zápalky bez vůlí. V místě styku distančního kroužku a PMMA trubice byly vyvrtány otvory, které zajistily, aby nedocházelo ke stlačování vzduchu a brždění závaží při volném pádu. Po celé délce PMMA trubice byly navrtány otvory pro vsunutí zarážky, která umožňovala vypouštění iniciačního závaží z různých výšek. Druhý konec PMMA trubice byl ponechán otevřený, aby bylo možné vkládat a následně vypouštět iniciační závaží.
Iniciační závaží byla vyrobena jako ocelová, nebo jako plastové válečky s případným vybráním pro odlehčení. Závaží byla vyrobena tak, aby se mohla v trubici volně pohybovat. Středem závaží byl vyvrtaný otvor pro vkládání ocelového úderníku, který byl do závaží vlepen.
4.1.2 Testované vzorky
Při všech experimentálních měřeních byly použity zápalky pro brokové náboje od Italské společnosti FIOCCHI MUNIZIONI S. p. A. typu 616 (.209 TYPE). Tyto zápalky byly postupně testovány s iniciačními závažími o různých hmotnostech.
4.1.3 Podmínky experimentu
Po vložení zápalky do pouzdra a jeho dotažení v objímce na distanční kroužek bylo do PMMA trubice vloženo iniciační závaží. Experimentální zařízení bylo umístěno vertikálně tak, aby gravitační zrychlení působící na iniciační závaží, působilo v ose PMMA trubice. Za PMMA trubicí byla umístěna papírová stupnice. Výška volného pádu byla postupně zvyšována, dokud nebyla nalezena minimální výška volného pádu, ze které muselo být závaží vypuštěno, aby došlo ke spolehlivé iniciaci každé zápalky.
Z této výšky bylo poté provedeno dalších pět měření, u kterých muselo dojít pokaždé za sebou k iniciaci zápalky. Pokud v průběhu hledání minimální výšky volného pádu nedošlo k iniciaci zápalky, byla tato zápalka vyměněna, aby další měření nebylo ovlivněno deformací zápalky z předchozího měření. Volný pád závaží v PMMA trubici byl snímán pomocí vysokorychlostní kamery Vision Research Phantom v710.
Pro dosažení potřebné rychlosti snímání bylo potřeba bicí mechanismus dostatečně nasvítit pomocí reflektorů.
strana
23
Materiál a metody
4.2 Experimentální ověření analytického modelu na mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo
Cílem experimentu je stanovení reálné úhlové rychlosti kladívka a následný výpočet rychlosti a energie úderníku bicího mechanismu reálné zbraně pomocí vysokorychlostní kamery a definovaní charakteru srážky mezi kladívkem a úderníkem.
4.2.1 Experimentální zařízení
Experimentální zařízení bylo tvořeno vysokorychlostní kamerou Vision research Phantom v710, pomocí které byl snímán bicí mechanismus.
4.2.2 Testované vzorky
Testován byl bicí mechanismus lovecké kulobrokové kozlice Brno Combo vyráběné Zbrojovkou Brno Rifles s. r. o.
Jedná se o kladívkový bicí mechanismus s bicí pružinou a kladívkem konajícím rotační pohyb, který je popsán výše v kapitole 2.2.2. Bicí mechanismus se ve zbrani napíná takzvaným zlomením hlavňového svazku zbraně, které je prováděno mechanicky střelcem po odjištění hlavňového svazku ze závěrového lůžka pomocí hlavové kličky. Rotační pohyb hlavňového svazku je přenášen na napínací páku, která koná posuvný pohyb, ten je dále přenášen na kladívko prostřednictvím tvarového převodu, který zprostředkovává kulisa uložena na čepu mezi napínací pákou a kladívkem (Obr. 12). Kulisa otáčí kladívkem, které se otáčí kolem pevné osy a stlačuje bicí pružinu. Bicí pružina je uložena na vodítku bicí pružiny, které je v kladívku uloženo pomocí kulového kloubu, jehož druhý konec volně prochází otvorem v opěrce bicí pružiny. Při napínání bicího mechanismu je bicí pružina stlačována mezi vodítkem bicí pružiny a opěrkou bicí pružiny. Ve chvíli, kdy kladívko dosáhne své krajní polohy, je zachyceno na spoušťové páce (Obr. 13). Poté se do nábojových komor vloží náboje a hlavňový svazek je ručně vrácen zpět do uzamčené polohy.
Obr. 12 Bicí mechanismus kulobrokové kozlice Brno Combo v nenapnuté poloze
Po stisknutí spouště dochází k uvolnění kladívka a odpružení bicí pružiny. Kladívko dopadá na úderník, a poté dosedá na lůžko. Úderník koná posuvný pohyb a svou přední částí, která přechází v zápalník iniciuje zápalku. Úderník je odpružen vlastní pružinou, která při opětovném odjištění hlavňového svazku zajistí, aby byl odtlačen a nezůstal
4.2
4.2.1
4.2.2
strana
24
Materiál a metody
v nápichu vystřelené zápalky a nedošlo k jeho poškození při opětovném zlomení hlavňového svazku. Při uvolnění kladívka a jeho pohybu vpřed se současně pomocí tvarového převodu vrací do původní polohy také napínací páka, která zajistí odjištění vyhazovače nábojnic, ten při opětovném zlomení hlavňového svazku zajistí vyhození prázdné nábojnice. [3]
Obr. 13 Bicí mechanismus kulobrokové kozlice Brno Combo v napnuté poloze
4.2.3 Podmínky experimentu
Po natažení bicího mechanismu byl celý rám zbraně i s bicím mechanismem vložen do svěráku pro zajištění stability, poté byla zmačknuta spoušť, aby došlo k vypuštění kladívka ze spoušťové páky. Celý tento děj byl snímán vysokorychlostní kamerou. Pro dosažení potřebné rychlosti snímání bylo potřeba bicí mechanismus dostatečně nasvítit pomocí reflektorů.
Pro určení charakteru srážky mezi kladívkem a úderníkem byl mechanismus nasvícen proti objektivu kamery pro lepší rozlišení siluet těles při srážce.
strana
25
Výsledky
5 VÝSLEDKY
5.1 Analytický model dynamiky bicího mechanismu
Pro sestavení analytického modelu byl použit bicí mechanismus popsaný výše v kapitole 4.2.
5.1.1 Výpočet úhlové rychlosti kladívka
Zdrojem energie bicího mechanismu je bicí pružina, jejíž vlastnosti závisí na materiálu, z kterého je vyrobena, a na její geometrii. Pro zjištění potenciální energie, kterou pružina předá kladívku po jejím uvolnění ze spoušťové páky, je potřeba určit její tuhost k, kterou stanovíme z rovnice [5]
𝑘 = 𝑑4𝐺
8𝐷3𝑛𝑎 (5.1)
kde:
d průměr drátu pružiny [m], G modul pružnosti ve smyku [Pa], D střední průměr závitů pružiny [m], na počet činných závitů pružiny [1].
Bicí pružina musí také zajistit správnou polohu součástí bicího mechanismu i v nenapnutém stavu, proto je vyráběna delší než je její pracovní prostor. Po montáži dochází k jejímu předpětí, které je potřeba brát v úvahu při výpočtu energie, kterou bicí pružina po uvolnění předá kladívku. Na obrázku 14 je uvedena charakteristika bicí pružiny jako závislost stlačení pružiny a odpovídající síly.
Obr. 14 Charakteristika bicí pružiny
Hodnota x1 je předpětí pružiny po montáži do nenapnutého mechanismu, x2 je stlačení pružiny při napnutém mechanismu, kdy je kladívko zachyceno na spoušťové páce, x3
je stlačení pružiny v mezním stavu. Modře vyznačená oblast ΔEpp na obrázku 14 vyjadřuje pracovní potenciální energii bicí pružiny, která je po jejím uvolnění
5 5.1
5.1.1
strana
26
Výsledky
předávána kladívku. Potenciální energie pružiny ΔEpp můžeme určit jako obsah plochy pod křivkou nebo jako rozdíl Epp2 při stlačení x2 a Epp1 při stlačení x1.
Pokud budeme uvažovat lineární průběh síly bicí pružiny, tak pro pružnou potenciální energii platí rovnice
𝐸𝑝𝑝1,2= 1
2𝑘𝑥1,22 (5.2)
kde:
k tuhost pružiny [N·m-1],
x1,2 x1 stlačení bicí pružiny po montáži do bicího mechanismu, x2
stlačení bicí pružina při napnutém bicím mechanismu [m].
Pro energii pružiny ΔEpp platí rovnice
∆𝐸𝑝𝑝 =1
2𝑘𝑥22−1
2𝑘𝑥12 (5.3)
Předpokládáme, že pružina má lineární průběh síly a veškerou svou energii předá kladívku při jejím uvolnění ze spoušťové páky a dále již na kladívko nepůsobí.
Veškeré ztráty energie zanedbáváme.
Použitím zákona zachování mechanické energie platí rovnice
𝐸𝑘𝑘1= 𝛥𝐸𝑝𝑝 (5.4)
kde:
Ekk1 kinetická energie kladívka před srážkou s úderníkem [J].
Pro kinetickou energii kladívka, které můžeme považovat za tuhé těleso konající rotační pohyb kolem pevné osy, platí rovnice
𝐸𝑘𝑘1= 1
2𝐼𝜔12 (5.5)
kde:
I osový moment setrvačnosti kladívka k ose otáčení [kg·m2], ω1 úhlová rychlost kladívka před srážkou s úderníkem [rad·s-1].
Dosazením do rovnice (5.4) dostáváme rovnici 1
2𝐼𝜔12 = 𝛥𝐸𝑝𝑝 (5.6)
strana
27
Výsledky
Z rovnice (5.6) vyjádříme úhlovou rychlost kladívka ω1 před srážkou s úderníkem
𝜔1 = √2𝛥𝐸𝑝𝑝
𝐼 (5.7)
5.1.2 Výpočet energie úderníku
V této fázi dochází v bicím mechanismu ke srážce kladívka s úderníkem. Pro další výpočet je potřeba určit charakter srážky.
Pružná srážka
Při pružné srážce platí zákon zachování mechanické energie a zároveň zákon zachování hybnosti. Mohou nastat následující situace.
1. Pří srážce dojde k předání veškeré energie kladívka úderníku, úderník se začne pohybovat vpřed a kladívko se po srážce zastaví.
2. Při srážce dojde k předání části energie kladívka úderníku, úderník se začne pohybovat vpřed a kladívko v důsledku reakce při srážce odskočí a pohybuje se v opačném směru než úderník.
3. Při srážce úderníku s kladívkem dojde pouze k částečnému předání energie. Úderník se začne pohybovat vpřed. Jelikož kladívku zůstala část energie, jeho pohyb se pouze zpomalí a pokračuje ve svém pohybu dále stejným směrem jako úderník. Úderník a kladívko se nespojí a pohybují se odděleně. V průběhu pohybu může dojít k dalším srážkám kladívka s úderníkem. [6]
Jelikož je před srážkou úderník v klidu a kladívko se pohybuje nenulovou úhlovou rychlostí, dále kladívko má řádově vyšší hmotnost než úderník, je velmi málo pravděpodobné, že by nastal 1. a 2. případ výše popsané pružné srážky. Proto budeme pro další výpočet uvažovat 3. variantu.
Zákon zachování mechanické energie Platí
𝐸𝑘𝑘1 = 𝐸𝑘𝑢+𝐸𝑘𝑘2 (5.8)
kde:
Ekk1 kinetická energie kladívka před srážkou s úderníkem[J], Eku kinetická energie úderníku po srážce s kladívkem [J], Ekk2 kinetická energie kladívka po srážce s úderníkem [J].
5.1.2
strana
28
Výsledky
Kinetickou energii úderníku po srážce s kladívkem vypočítáme z rovnice 𝐸𝑘𝑢 =1
2𝑚𝑢𝑣𝑢2 (5.9)
Kde:
mu hmotnost úderníku [kg],
vu rychlost úderníku po srážce s kladívkem [m·s1].
Kinetickou energii Ekk1 kladívka před srážkou jsme již určili v kapitole 5.5.1 z rovnice (5.5)
Pro kinetickou energii kladívka po srážce s úderníkem Ekk2 platí 𝐸𝑘𝑘2= 1
2𝐼𝜔22 (5.10)
kde:
ω2 úhlová rychlost kladívka po srážce s úderníkem [rad·s-1].
Dosazením rovnic (5.5), (5.9) a (5.10) do rovnice (5.8) dostáváme zákon zachování mechanické energie ve tvaru
1
2𝐼𝜔12 =1
2𝑚𝑢𝑣𝑢2+1
2𝐼𝜔22 (5.11)
Zákon zachování hybnosti
Platí zákon zachování hybnosti ve tvaru
𝑝𝑘1= 𝑝𝑢+ 𝑝𝑘2 (5.12)
kde:
pk1 hybnost kladívka před srážkou s úderníkem [kg·m·s-1], pu hybnost úderníku po srážce s kladívkem [kg·m·s-1], pk2 hybnost kladívka po srážce s úderníkem [kg·m·s-1].
Kladívko můžeme považovat za tuhé těleso otáčející se kolem pevné osy a jeho složku momentu hybnosti do této osy před srážkou Lk1 a po srážce Lk2 vypočítáme jako
𝐿𝑘1,2 = 𝐼𝜔1,2 (5.13)
strana
29
Výsledky
Na obrázku 15 je zobrazeno kladívko v okamžiku srážky s úderníkem. Kladívko se pohybuje úhlovou rychlostí ω1, vektor jeho momentu hybnosti 𝑝⃗ je v každém okamžiku tečný na kružnici, kterou opisuje vztažný bod v místě srážky s úderníkem.
𝑟⃗ je polohový vektor směřující z osy otáčení O do vztažného bodu, kolmý na vektor momentu hybnosti 𝑝⃗. Složka momentu 𝑝⃗⃗⃗⃗⃗, která je předána úderníku, je dána úhlem 𝑥 φ, který svírá vektor 𝑝⃗⃗⃗⃗⃗ a 𝑟⃗. 𝑥
Obr. 15 Složka momentu hybnosti kladívka
Pro složku momentu hybnosti směřující do osy otáčení platí
𝐿𝑘1,2 = 𝑟𝑚𝑘𝑣𝑘1,2sin 𝜑 (5.14) kde:
r velikost polohového vektoru r⃗ [m], mk hmotnost kladívka [kg],
vk1,2 obvodová rychlost kladívka ve vztažném bodu před srážkou v1 a po srážce v2 [m·s-1],
φ úhel který svírá polohový vektor r⃗ s vektorem hybnosti p⃗⃗⃗⃗⃗⃗ [˚]. x Hybnost kladívka pk1 před srážkou a pk2 po srážce vypočítáme z rovnice
𝑝𝑘1,2 = 𝑚𝑘𝑣𝑘1,2 (5.15)
Po dosazení rovnice (5.14) do (5.13) a následného dosazení rovnice (5.15) po vyjádření dostáváme hybnost kladívka před srážkou a po srážce s úderníkem ve tvaru
𝑝𝑘1,2 = 𝐼𝜔1,2
𝑟𝑠𝑖𝑛𝛼 (5.16)
strana
30
Výsledky
Pro hybnost úderníku po srážce s kladívkem platí
𝑝𝑢 = 𝑚𝑢𝑣𝑢 (5.17)
Dosazením rovnice (5.16) a (5.17) do rovnice (5.12) dostáváme zákon zachování hybnosti ve tvaru
𝐼𝜔1
𝑟𝑠𝑖𝑛𝜑= 𝑚𝑢𝑣𝑢+ 𝐼𝜔2
𝑟 sin 𝜑 (5.18)
Ze vztahů (5.11) a (5.18) dostáváme soustavu rovnic o neznámých ω2 a vu, kde vu je hledaná rychlost úderníku po srážce s kladívkem. Řešením soustavy rovnic je kvadratická rovnice s jedním nulovým a jedním nenulovým kořenem. Pro rychlost úderníku po srážce platí
𝑣𝑢 = 4𝜔1𝑚𝑢𝑟 sin 𝜑 2 [𝑚𝑢+ 𝐼 (𝑚𝑢𝑟 sin 𝜑
𝐼 )
2
]
(5.19) Kinetickou energii úderníku při pružné srážce vypočítáme z rovnice (5.9).
Dokonale nepružná srážka kladívka s úderníkem
Při nepružné srážce uvažujeme, že úderník a kladívko se po srážce spojí a pohybují se poté společnou rychlostí. Platí zde zákon zachování hybnosti podle rovnice (5.12) Pro úhlovou rychlost ω2 kladívka po srážce platí
𝜔2 =𝑣𝑢
𝑟 (5.20)
Dosazením rovnice (5.20) do rovnice (5.18) dostáváme zákon zachování hybnosti v podobě
𝐼𝜔1
𝑟 sin 𝜑= 𝑚𝑢𝑣𝑢+ 𝐼𝑣𝑢
𝑟2sin 𝜑 (5.20) Z rovnice (5.20) vyjádříme rychlost úderníku s kladívkem po nepružné srážce
𝑣𝑢 = 𝐼𝜔𝑟 ( 1
𝑟2𝑚𝑢sin 𝜑 + 𝐼)
(5.21) Pro kinetickou energii úderníku a kladívka Eku po nepružné srážce platí
𝐸𝑘𝑢𝑛 =1
2(𝑚𝑢+ 𝑚𝑘)𝑣𝑢2 (5.21)
strana
31
Výsledky
5.2 Experimentální ověření analytického modelu na mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo
Tento experiment se zaměřoval na určení rychlosti a energie úderníku bicího mechanismu pomocí vysokorychlostní kamery podle kapitoly 4.2 (Obr. 16). Úderník koná v bicím mechanismu přímočarý pohyb a jeho dráha je 1,2 mm. Při rychlosti děje, malém posuvu úderníku a konstrukčnímu uspořádání bicího mechanismu nebylo možné přímo změřit rychlost úderníku. Z toho důvodu bylo snímáno kladívko konající rotační pohyb. Frekvence snímání vysokorychlostní kamerou byla zvolena tak, aby bylo možné dobře rozeznat hranici kontaktu kladívka s úderníkem. V tomto případě byla vyhovující frekvence 33009 snímků za sekundu
Celková úhlová dráha kladívka od vypuštění ze spoušťové páky po kontakt s úderníkem je 40˚. Po uvolnění kladívka ze spoušťové páky začne bicí pružina působit na kladívko proměnlivou silou a kladívko se pohybuje s proměnným zrychlením.
S klesající silou pružiny klesá zrychlení působící na kladívko. Z důvodu zrychleného pohybu kladívka bylo potřeba za účelem co nejpřesnějšího určení jeho úhlové rychlosti zvolit nejmenší úhlový interval (Obr. 17). Nejprve byl nalezen snímek na hranici kontaktu kladívka s úderníkem a poté co nejbližší předcházející snímek zvolený tak, aby chyba při odměřování úhlové dráhy mezi těmito hraničními snímky neovlivňovala přesnost výpočtu úhlové rychlosti kladívka. Pro tento experiment vyhovoval interval pěti snímků.
Obr. 16 Určení úhlové rychlosti kladívka pomocí vysokorychlostní kamery
5.2
strana
32
Výsledky
Obr. 17 Úhlový interval kladívka
Z počtu snímků v pozorovaném intervalu byla určena doba tk pohybu kladívka v pozorovaném intervalu z rovnice
𝑡𝑘 = 1
𝑓𝑛 (5.22)
kde:
f frekvence snímání vysokorychlostní kamerou [fps], n počet snímků v pozorovaném intervalu [1].
Průměrnou úhlovou rychlost kladívka v pozorovaném intervalu určíme z rovnice 𝜔 = 𝜃
𝑡𝑘 (5.23)
kde:
θ úhlová dráha kladívka v pozorovaném intervalu [rad],
Ze snímků z vysokorychlostní kamery je zřejmé, že dochází k pružné srážce mezi kladívkem a úderníkem. Kladívko předá úderníku část své kinetické energie a pokračuje ve svém pohybu, úderník se pohybuje samostatně a iniciuje zápalku. Po iniciaci zápalky dojde k dalším kontaktům kladívka a úderníku. Tyto srážky nastávají až po iniciaci zápalky, takže nemají vliv na průběh pozorovaného děje.
Rychlost úderníku po srážce s kladívkem vypočítáme z rovnice (5.19).
Kinetickou energii úderníku vypočítáme z rovnice (5.9).
strana
33
Výsledky
Tabulka 2 uvádí přehled provedených měření a výpočtů.
Tab. 2 Přehled experimentů měření úhlové rychlosti kladívka
Č.
ex.
Počet snímků v intervalu n
Čas pohybu tk
[s]
Úhlová dráha θ [rad]
Průměrná uhlová rychlost
kladívka v intervalu θ
[rad/s]
Rychlost úderníku vu [m/s]
Energie úderníku
Eku [J]
1
5 1,515·10-4
0,0507 334,8 10,43 0,163
2 0,0500 330,2 10,29 0,159
3 0,0503 332,1 10,36 0,161
4 0,0511 336,9 10,49 0,165
5.3 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky
Cílem experimentu bylo stanovení minimální iniciační energie pro brokové zápalky podle experimentu popsaného v kapitole 4.1. Volný pád iniciačního závaží byl snímán vysokorychlostní kamerou s frekvencí 10 000 snímků za sekundu na pozadí se stupnicí rozdělenou na dílky po 10 mm (Obr. 18). Sledován byl interval volného pádu těsně před kontaktem iniciačního závaží se zápalkou.
Obr. 18 Určení minimální iniciační energie zápalek FOCCHI 616 (.209 TYPE)
5.3
strana
34
Výsledky
Délka pozorovaného intervalu byla volena tak, aby počet snímků v tomto intervalu poskytoval dostatečné rozlišení pro určení krajních poloh při průchodu iniciačního závaží tímto intervalem. Pro rychlosti iniciačního závaží při popsaném experimentu vyhovoval počet snímků v intervalu 70 a více.
Z délky pozorovaného intervalu a počtu snímků byl určen čas průchodu iniciačního závaží tímto intervalem ze vztahu 5.1. Následně byla vypočítána průměrná rychlost iniciačního závaží při průchodu pozorovaným intervalem
Průměrná rychlost iniciačního závaží 𝑣 = 𝑦
𝑡𝑧 (5.24)
kde:
y délka pozorovaného intervalu [m],
tz doba pohybu iniciačního závaží v pozorovaném intervalu y [s].
Minimální iniciační energie iniciačního závaží, při které došlo k iniciaci zápalky, určíme z rovnice (2.2).
U každého iniciačního závaží byla provedena série pěti měření, při kterých došlo vždy ke spolehlivé iniciaci zápalky. Obrázek 17 zobrazuje průměrné hodnoty rychlostí a odpovídajících minimálních iniciačních energií pro každé iniciační závaží.
Přehled provedených měření uvádí tabulka 3, kde pro každou sérii měření byla vypočítána průměrná minimální iniciační energie a její směrodatná odchylka.
Obr. 19 Závislost iniciační energie na rychlosti pro různé hmotnosti iniciačních závaží 0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
0 1 2 3 4 5 6
Energie (J)
Rychlost (m/s)
Závislost minimální iniciační energie na rychlosti při různých hmotnostech
iniciačního závaží
14,94(g) 9,81(g) 8,16(g) 4,98(g) 3,15(g)
strana
35
Výsledky
Tab. 3 Přehled provedených měření minimální iniciační energie zápalek FOCCHI 616 (.209 TYPE)
Č.
ex.
Rychlost iniciačního závaží [m/s]
Minimální iniciační energie [J]
Aritmetický průměr energií
[J]
Směrodatná odchylka [J]
Hmotnost iniciačního závaží [g]
1 2,2 0,036
0,039 0,0015 14,94
2 2,33 0,041
3 2,27 0,038
4 2,25 0,038
5 2,3 0,04
6 2,59 0,033
0,033 0,00087 9,81
7 2,56 0,032
8 2,53 0,031
9 2,63 0,034
10 2,6 0,033
11 2,78 0,032
0,032 0,00043 8,16
12 2,83 0,033
13 2,78 0,032
14 2,8 0,032
15 2,81 0,032
16 4,3 0,046
0,045 0,00106 4,98
17 4,3 0,046
18 4,26 0,045
19 4,17 0,043
20 4,3 0,046
21 4,76 0,036
0,036 0,00024 3,15
22 4,8 0,036
23 4,76 0,036
24 4,76 0,036
25 4,76 0,036
Výsledky
strana
36
5.4 Analytický výpočet dynamiky bicího mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo
Uvedený výpočet je proveden podle analytického modelu v kapitole 5.1 pro bicí mechanismus kulobrokové kozlice Brno Combo, který je popsán v kapitole 4.2.2.
Vstupní hodnoty a výsledky výpočtu jsou uvedeny v tabulce 4.
Tab. 4 Vstupní hodnoty a výsledky výpočtu pro bicí mechanismus Brno Combo podle kapitoly 5.1
Vstupní hodnoty výpočtu Symbol Hodnota Jednotka
Průměr drátu bicí pružiny d 1·10-3 m
Střední průměr závitů bicí pružiny D 4,6·10-3 m
Počet činných závitů bicí pružiny na 32 -
Modul pružnosti ve smyku bicí pružiny G 81500·106 Pa Stlačení bicí pružiny po montáži x1 11·10-3 m Stlačení bicí pružiny při napnutém mechanismu x2 22·10-3 m
Hmotnost kladívka mk 17·10-3 kg
Osový moment setrvačnosti kladívka I 5,622·10-6 kg·m2
Hmotnost úderníku mu 3·10-3 kg
Velikost polohového vektoru r 30,39·10-3 m
Úhel mezi vektory φ 115,58 ˚
Výsledky Symbol Hodnota Jednotka
Úhlová rychlost kladívka před srážkou ω1 459,5 rad·s-1
Rychlost úderníku vu 14,32 m·s-1
Kinetická energie úderníku Eku 0,308 J
strana
37
Diskuze
6 DISKUZE
6.1 Stanovení podmínky nutné pro spolehlivou iniciaci zápalky
Experimentem bylo zjištěno, že průměrná minimální iniciační energie zápalek FOCCHI 616 (.209 TYPE) ze všech provedených měření uvedených v tabulce 3 pro iniciační závaží o hmotnostech 3,15 g, 4,98 g, 8,16 g, 9,81 g, a 14,94 g je 0,0369 J se směrodatnou odchylkou 0,00487 J. Nejmenší naměřená hodnota minimální iniciační energie byla 0,031 J pro iniciační závaží o hmotnosti 9,81 g. Největší naměřená hodnota minimální iniciační energie byla 0,046 J pro iniciační závaží o hmotnosti 4,98 g. Tyto hodnoty byly naměřeny v ideálním prostředí, kdy byla zápalka uložena v testovacím zařízení nepružně bez vůlí. Z grafu na Obr. 19 je patrné, že iniciační závaží o různých hmotnostech odpovídajících hmotnostem úderníků v reálných bicích mechanismech, nemají na průběh minimální iniciační energie výrazný vliv a nelze vysledovat žádnou závislost. Iniciační závaží o hmotnosti 3,15 g, tj. závaží, které dosahovalo největších rychlostí, vykazovalo zpravidla vyšší spolehlivost při iniciaci zápalek než ostatní závaží, a v tomto případě bylo možné přesně určit hranici spolehlivé iniciace, což dokazuje také nejmenší směrodatná odchylka naměřených hodnot. Rozdíly v naměřených hodnotách jsou dány přirozeným rozptylem výroby jednotlivých zápalek. Tyto rozdíly minimálních iniciačních energií jsou však zanedbatelné, jelikož u reálných bicích mechanismů v důsledku pružnosti součástí, vůlí a působením vnějších sil je potřeba, aby reálná energie úderníku byla vyšší než naměřené hodnoty.
Experiment prokázal, že hodnoty minimálních iniciačních energií naměřených v testovacím zařízení společnosti Sellier & Bellot uvedeném výše v kapitole 2.3.1 neodpovídají skutečnosti a reálné minimální iniciační energie se značně liší. Pro stejný typ zápalek FOCCHI 616 (.209 TYPE) byla stanovena minimální iniciační energie 0,147 J. Nepřesnost měření je možné vysvětlit zanedbáním ztrát energie v důsledku tření a srážek těles v testovacím zařízení.
6.2 Výpočet energie úderníku bicího mechanismu
Podle výše uvedeného výpočtu v kapitole 5.1 byla vypočítaná teoretická úhlová rychlost a energie úderníku bicího mechanismu kulobrokové kozlice Brno Combo. Pro úhlovou rychlost kladívka bylo dosaženo výsledku 459,5 rad·s-1 a iniciační energie úderníku 0,308 J (Tab. 4). Pomocí experimentu byla zjištěna reálná úhlová rychlost kladívka, kdy průměrná úhlová rychlost z naměřených hodnot v Tab. 2 odpovídá 333,5 rad·s-1 se směrodatnou odchylkou 2,5 rad·s-1. Průměrná iniciační energie úderníku je 0,161 J se směrodatnou odchylkou 0,0016 J. Rozdíl může být vysvětlen zanedbáním ztrát v důsledku nedokonalých srážek těles a tření, na kterých má největší podíl kladívko, jež po uvolnění spoušťové páky prostřednictvím kulisy vrací zpět napínací páku, která odjišťuje vyhazovač vystřelené nábojnice.
Při návrhovém výpočtu bicího mechanismu je zapotřebí určit jako vstupní hodnotu energii úderníku, která bude vycházet z minimální iniciační energie zápalky.
Dosažené hodnoty ukazují, že reálná energie úderníku je dvakrát menší než teoretická.
Z těchto výsledků můžeme vyvodit návrhový koeficient, kterým budeme násobit minimální iniciační energie zápalky, abychom v teoretickém výpočtu kompenzovali ztráty energie reálného bicího mechanismu. Pokud budeme brát v úvahu ideální podmínky, při kterých byla naměřena minimální iniciační energie podle podmínky spolehlivé iniciace popsané v rovnici (2.11), a ztráty energii v bicím mechanismu, je
6 6.1
6.2
strana
38
Diskuze
vhodným návrhovým koeficientem trojnásobek až pětinásobek minimální iniciační energie zápalky. U konstrukce zkoumaného typu bicího mechanismu dochází k největším ztrátám energie. Z toho důvodu je návrhový koeficient vhodný i pro ostatní konstrukční typy bicích mechanismů uvedených výše v kapitole 2.2 s výjimkou bicích mechanismů bez bicí pružiny, kde předsuvná pružina zajišťuje funkční cyklus celého závěrového mechanismu, který vyžaduje zpravidla řádově vyšší energii.
strana
39
Závěr
7 ZÁVĚR
Bakalářská práce se zabývá sestavením analytického modelu dynamiky bicího mechanismu palné zbraně, jeho ověřením na reálném bicím mechanismu a určením podmínky pro spolehlivou iniciaci zápalky. V první části práce je popsána funkce bicích mechanismů a uveden základní přehled jejich typů používaných v současnosti v palných zbraních, na kterou navazují požadavky na spolehlivou iniciaci zápalky, které musí bicí mechanismy splňovat, a určení těchto požadavků.
Hlavní částí práce bylo sestavení analytického modelu dynamiky pro reálný mechanismus zbraně, jehož součástí bylo ověření dosažených hodnot pomocí experimentu a experimentálního určení minimální iniciační energie zápalek střeliva, pro které je zbraň konstruovaná.
Výsledkem je experimentálně ověřený výpočtový model vhodný pro kontrolu spolehlivé iniciace bicích mechanismů nebo návrh jednotlivých součástí bicího mechanismu. Dále byla experimentálně určena minimální iniciační energie zápalek pro brokové náboje a její závislost na rychlosti při použití iniciačních závaží o různých hmotnostech srovnatelných s hmotnostmi úderníků v reálných palných zbraních.
Zásadní poznatky práce lze shrnout do několika bodů:
1. Různé hmotnosti iniciačních závaží nemají na průběh minimální iniciační energie zásadní vliv. Rychlejší závaží o menší hmotnosti vykazovala zpravidla lepší spolehlivost při iniciaci.
2. Hodnoty analytického návrhového výpočtu se mohou značně lišit od reálných hodnot v závislosti na konstrukčním typu bicího mechanismu. Proto je potřeba zavést vhodný návrhový koeficient, který zohlední ztráty energie v analytickém výpočtu. Návrhový koeficient je závislý na minimální iniciační energii zápalek a ztrátách energií v bicím mechanismu. Návrhový koeficient lze určit porovnáním hodnot dosažených z analytického modelu a experimentálního měření.
7
Seznam použitých zdrojů
strana
40
8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ
[1] DOLÍNEK, Vladimír. Palné zbraně. Vyd. 4. Praha: Aventinum, 2008.
Fotografické atlasy. ISBN 9788086858678.
[2] ALLSOP, D. F. Brassey's essential guide to military small arms: design principles and operating methods. Washington [D.C.]: Brassey's, c1997, x, 361 p. ISBN 18-575-3107-8.
[3] podle ústního sdělení Ing. Michala Koutného (vedoucí konstrukce BRNO RIFLES s. r. o Zábrdovická 11, 615 00 Brno, Česká republika) 2016-2017.
[4] podle ústního sdělení Ing. Sysel Stanislav (vedoucí konstrukce Sellier & Bellot a. s. Lidická 667, 258 01 Vlašim, Česká republika) 2017.
[5] SHIGLEY, Joseph Edward, Charles R MISCHKE a Richard G BUDYNAS, VLK, Miloš, ed. Konstruování strojních součástí. Překlad Martin Hartl. V Brně:
VUTIUM, 2010, xxv, 1159 s. Překlady vysokoškolských učebnic. ISBN 978- 80-214-2629-0.
[6] HALLIDAY, David, Robert RESNICK a Jearl WALKER, DUB, Petr, ed. Fyzika. 2., přeprac. vyd. Překlad Miroslav Černý. Brno: VUTIUM, c2013, 2 sv. Překlady vysokoškolských učebnic. ISBN 978-80-214-4123-1.
[7] MACKO, Martin. Teorie a výpočty loveckých, sportovních a obranných zbraní.
Ostrava: VŠB - Technická univerzita, 2006, 100 s. ISBN 80-248-1255-X.
[8] FIŠER, Miloslav a Lubomír POPELÍNSKÝ. Úvod do projektování zbraňových systémů: malorážové zbraně. Brno: Univerzita obrany, 2009, 149 s. ISBN 978- 80-7231-666-3.
[9] JANKOVÝCH, Róbert. Hlavňové zbraně a střelivo. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky, 2012, 115 s. ISBN ISBN 978-80-260-2384-5.
[10] NEW PRODUCT IN SIGHT: PEDERSOLI DOUBLE FLINTLOCK
SHOTGUN. In: Davide Pedersoli & C. [online]. 2016 [cit. 2017-05-19].
Dostupné z: http://blog.davide-pedersoli.com/new-product-in-sight-pedersoli- double-flintlock-shotgun/
