NO173571B

NO173571B - Elastisk svingningsdemper for kanonroer med munningsbrems og demperanordning med saadan svingningsdemper

Info

Publication number: NO173571B
Application number: NO91913638A
Authority: NO
Inventors: Gert Arnesen; Bjoern Bergersen
Original assignee: Forsvarets Forsknings
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1991-09-16
Publication date: 1993-09-20
Also published as: ATE148221T1; DE69217069T2; DK0604557T3; CA2119273C; EP0604557A1; NO913638L; ES2098540T3; EP0604557B1; US5505118A; NO913638D0; GR3022998T3; WO1993006427A1; CA2119273A1; DE69217069D1; NO173571C

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elastisk svingningsdemper for å hindre egensvingninger som ved skuddavfyring oppstår i et kanonrør med munningsbrems, i å forplante seg til kanonrorets rekylbrems. Oppfinnelsen gjelder også en demperanordning for et kanonrør med munningsbrems, og som omfatter en rekylbrems samt en sådan svingningsdemper.

For at en kanons rekylerende deler skal få en regulert retar-dasjon ved skuddavfyring, er det kjent å utstyre kanonen med en eller flere demperanordninger. På kanoner av større kaliber er det i tillegg ved kanonrørets munning ofte montert en munningsbrems som har til oppgave å snu retningen av en del av den utstrømmende gass bak granaten, og derved oppta en del av rekylkreftene. Når granaten forlater kanonløpet bevirker imidlertid gasstrykket mot munningsbremsen at røret strekkes i sin lengeretning, og røret settes da i langsgående egensvingninger. Disse egensvingninger, som har en frekvens direkte avhengig av kanonrørets geometriske utforming og det material som er anvendt i røret, overføres til kanonens rekylbrems.

Målinger har vist at kanonrørets egensvingninger gjør at øyeblikksverdien av den kraft som tilføres rekylbremsen, kan variere nesten ± 100% omkring en middelverdi som hovedsakelig tilsvarer rekylkraften fra selve granatutskytingen. Som et resultat av dette øker også de maksimale materialspenninger tilsvarende. Ved oscillerende kraftpådrag kombinert med høye materialspenninger er alltid faren for utmattelse tilstede.

Et formål for foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en elastisk svingningsdemper for en demperanordning av den innledningsvis angitte art, som i vesentlig grad hindrer kanorørets egensvingninger ved skuddavfyring i å forplante seg til kanonens rekylbrems.

Oppfinnelsen gjelder således en elastisk svingningsdemper av innledningsvis nevnte art, og som er utført for å kobles slik sammen med rekylbremsen og kanonrørets bakstykke at kraft-overføringskoblingen mellom bakstykket og rekylbremsen nedsettes for kanonrørets egensvingninger ved skuddavfyring. Svingningsdemperens særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger da i at svingningsdemperen er slik dimensjonert at den sammen med rekylbremsen danner en demperanordning som har vesentlig mindre stivhet enn rekylbremsen alene og utgjør et svingende system med egenfrekvens vesentlig lavere enn frekvensen av kanonrørets egensvingninger ved skuddavfyring.

Den elastiske svingningsdemper kan med fordel bestå av flere tallerkenfjærer, fortrinnsvis av hovedsakelig samme form, og være sammensatt til en fjærsøyle i sådant antall at de ved en største nedbøyning tilsammen er istand til å oppta elastisk den største rekylkraft som rekylbremsen kan utsettes for, uten at de indre skjærkrefter i hver enkelt fjær overskrider elastisitetsgrensen.

Oppfinnelsen gjelder også en demperanordning for kanonrør med munningsbrems, og som omfatter en rekylbrems, fortrinnsvis i form av en viskøs demper, samt en svingningsdemper for å hindre at egensvingninger i kanonrøret ved skuddavfyring forplanter seg til rekylbremsen, idet svingningsdemperen er koblet slik sammen med rekylbremsen og kanonrørets bakstykke at kraftoverføringskoblingen mellom bakstykket og rekylbremsen nedsettes for nevnte egensvingninger. Demperanordningens særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger i at svingningsdemperen, som fortrinnsvis er utført som en søyle av tallerkenfjærer, er slik dimensjonert at demperanordningen som helhet har vesentlig mindre stivhet enn rekylbremsen alene og danner et svingende system med egenfrekvens vesentlig lavere enn frekvensen av kanonrørets egensvingninger ved skuddavfyring.

Den vesentlig nedsatte stivhet av demperanordningen gjør at en del av de rekylkrefter som tidligere ble overført til rekylbremsen nå blir tatt opp som treghetskrefter i kanon-løpet og dets tilsluttede deler, samtidig som kanonløpets raske svingninger i langt mindre grad blir overført til rekylbremsen pga. systemets lavere egenfrekvens.

I en foretrukket utførelse av demperanordningen i henhold til oppfinnelsen er den elastiske svingningsdempers sammenkobling med rekylbremsen og kanonrørets bakstykke slik utført at svingningsdemperen ved skuddavfyring hovedsakelig utsettes for sammenpresning.

En spesielt foretrukket utførelse av demperanordningen i henhold til oppfinnelsen, og som er utført med et forbindelseselement for ved skuddavfyring å overføre kraft fra kanonrøret til en stang som strekker seg fra den ene side av forbindelseselementet til rekylbremsen, har som særtrekk at den elastiske svingningsdemper er montert på et parti av stangen til rekylbremsen, og som befinner seg på den annen side av nevnte forbindelseselement, idet rekylbremsstangen er bevegelig i forhold til forbindelseselementet, fortrinnvis ved løs føring igjennom forbindelseselementet.

Ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av etterfølgende beskrivelse av et foretrukket utførelses-eksempel, og under henvisning til vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er en skisse av et kanonrør med en rekylbrems av

kjent type,

fig. 2 viser et typisk kraftoverføringsforløp ved skuddavfyring, fra kanonrøret til rekylbremsen i den

utførelse som er vist i fig. 1,

fig. 3 viser et snitt gjennom en tallerkenfjær i en svingningsdemper i henhold til foreliggende oppfinnelse

samt tallerkenfjæren sett i perspektiv,

fig. 4 viser et forstørret utsnitt av fig. 1 og med en inn-montert svingningsdemper i henhold til oppfinnelsen,

og

fig. 5 viser et kraftoverføringsforløp ved skuddavfyring,

fra kanonrøret til rekylbremsen, med en svingningsdemper montert som vist i fig. 4.

Det skal først henvises til fig. 1 som viser en skjematisk skisse av et kanonrør 1 utstyrt med en munningsbrems 2 og en demperanordning bestående av en rekylbrems 3 av kjent type. Rekylbremsen 3 har form av en sylindrisk hydraulisk demper med stempel og stempelstang 6. Et forbindelseselement i form av et øre 4 er festet til kanonrørets bakstykke 5 for å for-binde dette med stangen 6 fra rekylbremsen, slik at kanonens rekylerende deler bremses av rekylbremsen ved avfyring av kanonen, idet rekylbremsstangen 6 er fast forbundet med øret 4 ved hjelp av en låsemutter 7.

Fig. 2 viser et typisk svingningsforløp for den kraft som ved skuddavfyring overføres fra kanonrøret 1 til rekylbremsen 3 ved en anordning av den art som er vist i fig. 1. Den horisontale akse i fig. 2 er en tidsakse, mens den vertikale akse angir kreftene i kN. Det viste forløp gjelder et forsøk utført ved utskyting av en gitt granattype med en bestemt ladning og kanonelevasjon, og angir den målte øyeblikksverdi av kreftene som tilføres rekylbremsen, fra kanonen avfyres

(t = 0) til 17 5 ms har forløpt.

Etter avfyringsøyeblikket stiger kurven i fig. 2 til en middelverdi av ca. 300 kN, og som tilsvarer rekylkraften fra selve granatutskytingen. Når granaten helt har forlatt munningen, overlagres imidlertid denne middelkraft med en oscillerende kraft med store utsving, og som gjør at kreftene som tilføres rekylbremsen varierer mellom 0 og 650 kN, dvs. ca ± 100% omkring nevnte middelverdi. Den oscillerende kraft har en frekvens som hovedsakelig tilsvarer kanonrørets langsgående egensvingninger og forårsakes av at gasstrykket mot munningsbremsen strekker løpet og setter det i svingninger.

Rekylbremser i kjente demperanordninger av den art som er vist i fig. 1, er i prinsippet viskøse dempere som har til formål å omforme kinetisk energi til termisk energi. Ved å koble en elastisk svingningsdemper, f.eks. en fjær, sammen med en sådan viskøs demper, frembringes en viskoelastisk demperanordning som i henhold til oppfinnelsen kan være utført for dempning av de oscillerende krefter forårsaket av kanonrørets egensvingninger.

For å oppnå effektiv svingningsdempning må da for det første egenfrekvensen av det svingende system som utgjøres av kanonens rekylbrems og svingningsdemperen, reguleres til et ønsket område på frekvensaksen, slik at svingninger med frekvens over en viss verdi blir sterkt dempet. Dette kan oppnås ved hjelp av en elastisk svingningsdemper med riktig stivhet i forhold til den medsvingende masse i demperanordningen .

En ytterligere dempende effekt oppnås ved at en mindre stiv demperanordning (som omfatter rekylbremsen og en elastisk svingningsdemper) vil tillate en større del av kreftene som opprinnelig ble overført fra kanonløp til rekylbrems å bli tatt opp som treghetskrefter i kanonløp og øre. Det betyr at det blir mindre rekylkrefter som overføres til rekylstangen med den elastiske svingningsdemper montert. Denne dempe-virkning kommer i tillegg til fasedempningen som er beskrevet ovenfor.

Målinger har vist at for kanonrør med en samlet lengde på 6,5 m, inkludert munningsbrems og bakstykke, ligger den langsgående egenfrekvens på ca. 400 Hz. For å oppnå svingningsdempning må da egenfrekvensen av det svingende system som utgjøres av demperanordningen, være vesentlig lavere.

Dette systems egenfrekvens er en funksjon av den totale stivhet som inngår i det svingende system samt den medsvingende masse. Begge disse størrelser er vanskelig å bestemme, da såvel stivhet som masse er ujevnt fordelt over systemet. Ut fra en forenklet beregningsmodell kan imidlertid egenfrekvensen til en viss grad estimeres. Svingningsdemperen dimensjoneres og utprøves på dette grunnlag, for å komme frem til en egenfrekvens som ligger godt under frekvensen av kanonløpets egensvingninger, som i størst mulig grad skal hindres overført til rekylbremsen.

Den eneste fjærtype som er egnet for anvendelse i den elastiske svingningsdemper i foreliggende tilfelle og da er istand til å oppta de krefter det her er tale om, med liten deformasjon og begrensede ytre geometriske mål, er taller-kenf jærer. Fig. 3 viser et snitt gjennom en tallerkenfjær for en svingningsdemper for foreliggende formål, og fig. 4 viser en rekke sådanne tallerkenfjærer 10 montert sammen for å danne den tilsiktede svingningsdemper.

I den viste utførelse i henhold til oppfinnelsen bestemmes den store og den lille diameter a,b av tallerkenfjæren ut fra den plass som er tilgjengelig på det sted den skal monteres, dvs. på en forlengelse 8 av rekylbremsstangen 6. Det er heller ingenting i veien for å tilpasse en adapter slik at fjærene kan monteres i denne og derved unngå å måtte forlenge selve rekylbremsstangen for å få plass til fjærkolonnen.

På grunn av indre skjærkrefter i tallerkenfjærene ved ned-bøyning, må det brukes flere tynne istedet for noen få tykke fjærer. Fjærene monteres i en fjærsøyle 9, slik at den totale fjærkonstant er lik summen av de enkelte fjærkonstan-ter. Av tabellen nedenfor, og som for den foreliggende tallerkenfjærtype viser sammenhengen mellom den enkelte fjærs nedbøyning og dens fjærkraft, fremgår det imidlertid at en fjærs fjærkraft ikke er en lineær funksjon av nedbøyningen over hele fjærens nedbøyningsområde. Ved ca. 3 mm nedbøyning opptas den største kraft.

Som det fremgår av fig. 2 varierer rekylkraftens øyeblikksverdi mellom 0 og ca. 6 50 kN. Det vil derfor ikke bli strekk i svingningsdemperfjærene, og det er da tilstrekkelig å anordne fjærer bare på en den ene side av øret 4. Fjærene utsettes dermed bare for sammenpresning ved skuddavfyring.

Et antall på 50 - 60 fjærer montert på rekylbremsstangens forlengelse 8 vil, bedømt ut fra den ovenfor nevnte enkle beregningsmodell, gi det svingende system en egenfrekvens på 125 - 150 Hz, hvilket er godt under 400 Hz, som er frekvensen av de kraftsvingninger som påtrykkes rekylbremsstangen.

Fig. 5 viser forløpet av den rekylkraft som ved avfyring overføres fra kanonrøret 1 til rekylbremsen 3 i demperanordningen med en svingningsdemper 9 montert som vist i fig. 4. På samme måte som i fig. 2 angir den vertikale akse kreftene i kN og den horisontale akse tiden i ms. Det er ved utskyt-ingen benyttet samme gitte granattype med samme ladnin;.. kanonelevasjon som i det viste tilfelle i fig, 2.

Som det klart fremgår ved å sammenligne fig. 2 og fig. 5, er det oppnådd en vesentlig forbedring. Maksimalkraften er re-dusert til under det halve, samtidig som oscillasjonene er så godt som eliminert. Kraftoverføringsforløpet fra kanonrør til rekylbrems er med andre ord blitt betydelig endret i gunstig retning.

Det gjøres oppmerksom på at kanonrørets langsgående egensvingninger er uforandret. Svingningsdemperens oppgave er bare å hindre kraftsvingningene i å nå frem til demperanordningens rekylbrems.

Claims

1. Elastisk svingningsdemper for å hindre egensvingninger som ved skuddavfyring oppstår i et kanonrør med munningsbrems , i å forplante seg til kanonrørets rekylbrems, idet svingningsdemperen er utført for å kobles slik sammen med rekylbremsen og kanonrørets bakstykke at kraftoverførings-koblingen mellom bakstykket og rekylbremsen nedsettes for nevnte egensvingninger, karakterisert ved at svingningsdemperen (9) er slik dimensjonert at den sammen med rekylbremsen (3) danner en demperanordning som har vesentlig mindre stivhet enn rekylbremsen alene og utgjør et svingende system med egenfrekvens vesentlig lavere enn frekvensen av kanonrørets egensvingninger ved skuddavfyring.

2. Svingningsdemper som angitt i krav 1, karakterisert ved at svingningsdemperen (9) består av flere tallerkenfjærer (10), fortrinnsvis av hovedsakelig samme form, og satt sammen til en fjærsøyle.

3. Svingningsdemper som angitt i krav 2, karakterisert ved at tallerkenfjærene (10) er satt sammen i sådant antall at de ved en største nedbøyn-ing tilsammen er istand til å oppta elastisk den største rekylkraft som rekylbremsen (3) kan utsettes for, uten at de indre skjærkrefter i hver enkelt fjær overskrider elastisitetsgrensen.

4. Svingningsdemper som angitt i krav 2, karakterisert ved at tallerkenfjærene (10) er dimensjonert for ved skuddavfyring å få en største nedbøyning som omtrent tilsvarer den nedbøyning hvor den enkelte fjær oppviser sin største fjærkraft.

5. Demperanordning for kanonrør (1) med munningsbrems (2), og som omfatter en rekylbrems (3), fortrinnsvis i form av en viskøs demper, samt en svingningsdemper for å hindre at egensvingninger i kanonrøret ved skuddavfyring forplanter seg til rekylbremsen, idet svingningsdemperen er koblet slik sammen med rekylbremsen og kanonrørets bakstykke at kraft-overføringskoblingen mellom bakstykket og rekylbremsen nedsettes for nevnte egensvingninger, karakterisert ved at nevnte svingningsdemper (9), som fortrinnsvis er utført som en søyle av tallerkenfjærer (10), er slik dimensjonert at demperanordningen som helhet har vesentlig mindre stivhet enn rekylbremsen alene og danner et svingende system med egenfrekvens vesentlig lavere enn frekvensen av kanonrørets egensvingninger ved skuddavfyring.

6. Demperanodning som angitt i krav 5, karakterisert ved at den elastiske svingningsdempers (9) sammenkobling med rekylbremsen (3) og kanonrørets bakstykke (5) er slik utført at svingningsdemperen ved skuddavfyring hovedsakelig utsettes for sammenpresning.

7. Demperanordning som angitt i krav 5 eller 6, og utført med et forbindelseselement (4) for ved skuddavfyring å over-føre kraft fra kanonrøret til en stang (6) som strekker seg fra den ene side av forbindelseselementet til rekylbremsen (3) , karakterisert ved at den elastiske svingningsdemper (9) er montert på et parti (8) av stangen (6) til rekylbremsen, og som befinner seg på den annen side av nevnte forbindelseselement (4), idet rekylbremsstangen er bevegelig i forhold til forbindelseselementet, fortrinnvis ved løs føring igjennom forbindelseselementet.