ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO TŁUMIKA ODRZUTU OBIEKTU SPECJALNEGO

(1)

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 55, ISSN 1896-771X

ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO TŁUMIKA ODRZUTU OBIEKTU

SPECJALNEGO

Marcin Bajkowski

^1a

, Zdzisław Lindemann

^1b

, Anna Makuch

^1c

, Roman Grygoruk

^1d

1 Instytut Mechaniki i Poligrafii, Politechnika Warszawska

agranada@pompy.pl, ^bzr.lindeman@gmail.com, ^camakuch1309@gmail.com

droman.grygoruk@gmail.com

Streszczenie

Przedmiotem pracy jest analiza obciążeń, jakim poddawane jest tłoczysko tłumika magnetoreologicznego będącego sterowanym zderzakiem suwadła małokalibrowej broni ramiennej. Tłumik odrzutu suwadła karabinka AK-47 ma na celu złagodzenie lub wyeliminowanie uderzenia suwadła w korpus komory zamkowej po odryglowaniu zamka. Celem pracy jest określenie obciążeń dynamicznych tłoczyska tłumika oraz analiza wpływu układu tłumiącego na ruch suwadła. Obliczenia wykonano metodą numeryczną wykorzystując system MES ADINA 8.6.

Słowa kluczowe: magnetoreologia, tłumiki, wymuszenie impulsowe

ANALYSIS OF FORCE PULSE LOADS OF THE PISTONS USED IN MAGNETORHEOLOGICAL DAMPERS

OF LARGE CALIBER SPECIAL OBJECTS

Summary

This article presents the results of an analysis of the loads, which are applied to the piston of the magnetorheological damper. This device is a controlled absorber of a carrier used in small caliber arm weapons.

The damper of the recoil of the AK-47 is intended to alleviate or eliminate the impact of the carrier in the body of a breech casing after unlocking the breech’s bolt. The aim of the numerical simulation was to determine the dynamic load of the piston of the magnetorheological damper and analysis of the impact of the damping system on the movement of the carrier. The calculations were performed by FEA (Finite Element Analysis) method using ADINA 8.6 system.

Keywords: magnetoreology, dampers, force pulse

1. WSTĘP

Zastosowanie tłumika odrzutu suwadła karabinka AK-47 ma na celu złagodzenie lub wyeliminowanie uderzenia suwadła w korpus komory zamkowej po odryglowaniu zamka [5,6,7]. Celem obliczeń jest określenie obciążeń dynamicznych tłoczyska tłumika oraz

zjawiska odrzutu i podrzutu broni ramiennej [3].

Modyfikacji poddana została standar-dowa kolba broni ramiennej, wyposażona w dwa tłumiki magnetoreologiczne, z których jeden umieszczony został w osi kolby, drugi zaś, poprzez odpowiednie układy adaptacyjne, w przestrzeni kolby zgodnie ze schematem

(2)

ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA

tłumik wymagało dostosowania osłony suwadła broni, co pozwoliło na integralne połączenie tłumika z korpusem broni.

Rys. 1. Stanowisko laboratoryjne zbudowane na potrzeby realizacji badań dotyczących zjawiska odrzutu i podrzutu broni ramiennej

Możliwość płynnego sterowania oporami ruchu

magnetoreologicznego [8,9] pozwala na taki dobór parametrów tłumienia, aby wyeliminować zjawi uderzenia suwadła w korpus broni,

Rys. 2.: Schemat modelu (mtz - masa tłoka zaporowego, mk - masa korpusu

sprężyny powrotnej zderzaka, kcz - współczynnik sprężystości ramienia strzelca strzelca, xk.-.przemieszczenie korpusu karabinka

2. MODEL OBLICZENIOWY

Opracowano model obliczeniowy, który składał się z trzech współpracujących części: suwadła, zderzaka suwadła i tłumika. Geometrię suwadła i zderzaka suwadła odwzorowano zgodnie z istniejącą dokumentacją, wprowadzając jedy

uproszczenia. W modelu ruchomych części tłumika zastąpiono zespół tłoka składający się z korpusu cewki, tulei prowadzącej, podkładki i dwóch tarczek, pojedynczym walcem o tej samej długości i średnicy tak dobranej, aby uzyskać zgodność masy. Efekt tłumienia uzyskano, stosując połączony ze ścianą walca element

ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO…

dostosowania osłony suwadła broni, co na integralne połączenie tłumika z korpusem

Stanowisko laboratoryjne zbudowane na potrzeby dotyczących zjawiska odrzutu i podrzutu broni

oporami ruchu tłumika pozwala na taki dobór aby wyeliminować zjawisko , niezależnie od

parametrów dynamicznych i kinema

Analiza obciążeń tłoczyska tłumika magnetoreologicznego została w niniejszej pracy przedstawiona na przykładzie karabinka AK

należy zauważyć, iż możliwość płynnych zmian charakterystyki tłumienia, jaką daje zastosowany tłumik magnetoreologiczny, pozwala na uniwersalizację jako urządzenia funkcjonal-nego

magnetoreologiczny może zostać zastosowany do dowolnej broni samoczynno-samopowtarzalnej. Zmianie ulec muszą tylko wartości natężenia

do sterowania tłumi-kiem. Metodologia obliczeń przypadku zmiany obiektu specjalnego na inny, zmiany jego kalibru, parametrów mas ruchomych oraz sił wymuszających wynikających z różnych rodzajów amunicji, nie ma wpływu na poprawność zaprezentowanej metody symulacji

użytkowe układów wyposa-

magnetoreologiczne mogą zostać utrzymane nie od rodzaju obiektu specjalnego, wymagane jest tylko prawidłowe dobranie prądu sterowania.

modelu ukladu z kolbą wyposażoną w tłumiki magnetoreologiczne orpusu, mz - masa suwadła, kz - sztywnosć sprężyny powrotnej suwadła

współczynnik sprężystości ramienia strzelca, ccz - współczynnik tłumienia wiskotycznego ramienia korpusu karabinka, xcz - przemieszczenie suwadła, xctz.- przemieszczenie tłoka zaporowego

MODEL OBLICZENIOWY

Opracowano model obliczeniowy, który składał się z uwadła, zderzaka suwadła i tłumika. Geometrię suwadła i zderzaka suwadła odwzorowano zgodnie z istniejącą jedynie niewielkie uproszczenia. W modelu ruchomych części tłumika zastąpiono zespół tłoka składający się z korpusu cewki, tulei prowadzącej, podkładki i dwóch tarczek, pojedynczym walcem o tej samej długości i średnicy tak aby uzyskać zgodność masy. Efekt tłumienia stosując połączony ze ścianą walca element

sprężysty z tłumieniem liniowym proporcjonalnym d prędkości. Między częściami modelu zastosowano kontakt 3D. W obliczeniach przyjęto materiał sprężysto plastyczny „Plastic-Bilinear” o następujących właściwościach: w przypadku suwadła

Re=390 [MPa], zderzaka - Rm=610 i tłoczyska tłumika - Rm=230 [MPa

rys.3. przedstawiono model z podziałem na elementy skończone. Model MES składał się z 94521 czterowęzłowych elementów 3D połączonych w 22547 węzłach. W obliczeniach w chwili początkowej suwadło miało prędkość 4 [m/s].

TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO…

parametrów dynamicznych i kinema-tycznych układu.

Analiza obciążeń tłoczyska tłumika została w niniejszej pracy przedstawiona na przykładzie karabinka AK-47, jednak iż możliwość płynnych zmian jaką daje zastosowany tłumik pozwala na uniwersalizację układu [1,2]. Ten sam układ magnetoreologiczny może zostać zastosowany do samopowtarzalnej. Zmianie wartości natężenia prądów niezbędne . Metodologia obliczeń, w przypadku zmiany obiektu specjalnego na inny, zmiany jego kalibru, parametrów mas ruchomych oraz sił wymuszających wynikających z różnych rodzajów i, nie ma wpływu na poprawność zaprezentowanej metody symulacji [4]. Parametry -żonych w tłumiki iczne mogą zostać utrzymane niezależnie od rodzaju obiektu specjalnego, wymagane jest tylko prawidłowe dobranie prądu sterowania.

tłumiki magnetoreologiczne

powrotnej suwadła, k2 - sztywność współczynnik tłumienia wiskotycznego ramienia

przemieszczenie tłoka zaporowego)

sprężysty z tłumieniem liniowym proporcjonalnym do prędkości. Między częściami modelu zastosowano przyjęto materiał sprężysto- Bilinear” o następujących

suwadła - Rm=660 [MPa],

=610 [MPa], Re=360 [MPa]

MPa], Re=540 [MPa]. Na model z podziałem na elementy Model MES składał się z 94521 czterowęzłowych elementów 3D połączonych w 22547 węzłach. W obliczeniach w chwili początkowej suwadło

(3)

Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch, Roman Grygoruk

Rys.3. Model obliczeniowy z podziałem na elementy skończone

3. WYNIKI OBLICZEŃ

Przeprowadzono trzy serie obliczeń z różnymi wartościami zastępczych współczynników tłumienia wiskotycznego odpowiednio: C=200 [Ns/m], C=300 [Ns/m] i C=400 [Ns/m]. Na zamieszczonych poniżej rysunkach przedstawiono mapy naprężeń zredukowanych w wybranych krokach rozwiązania.

Wyniki zamieszczone na rys. 4-8 dotyczą rozwiązania, gdy wartość współczynnika tłumienia wynosi C=200 [Ns/m]. Ilustrują one przesuwającą się wraz ze wzrostem czasu falę naprężeń. Na rys. 9. przedstawiono

wykres zmiany prędkości wybranych punktów suwadła i tłoczyska przy zadanym współczynniku tłumienia.

Natomiast na rys.10. i rys.11. zaprezentowane zostały przebiegi naprężeń przy wartości współczynnika tłumienia C=400 [Ns/m] w różnej fazie ruchu układu. W celu dokładnego zobrazowania lokalizacji maksymalnych naprężeń występujących w pierwszej fazie ruchu na rys.

10 pokazano w powiększeniu kluczowy obszar mapy.

Zmiana współczynnika tłumienia wynika z możliwości programowania prądu sterowania układu magnetoreologicznego.

Rys.4. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w początkowej fazie ruchu w chwili t=0,000005 [s]

(4)

Rys.6. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0,00003 [s]

(5)

Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch,

Rys.9. Prędkość

Rys.10. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred

Rys.11. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred

Na rys. 12. i rys. 13. zaprezentowano wykresy przemieszczeń i prędkości w funkcji czasu punktów znajdujących się na języczku suwadła i na tłoczysku tłumika w sąsiedstwie tłoka (punkt "Pt"). Na rys. 14 zamieszczono przebiegi naprężeń zreduko

. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w funkcji czasu

zred [MPa] w chwili t=0,00006 [s] przy współczynniku tłumienia C=400

zred [MPa] w chwili t=0,008913 [s] przy współczynniku tłumienia C=400

Na rys. 12. i rys. 13. zaprezentowano wykresy przemieszczeń i prędkości w funkcji czasu punktów znajdujących się na języczku suwadła i na tłoczysku (punkt "Pt"). Na rys. 14 zono przebiegi naprężeń zredukowanych w

zastępczego współczynnika tłumienia wartości C=200[Ns/m].

Z przebiegu zmian wartości

zilustrowano na rys.12., wynika, że praktycznie cały czas suwadło, zderzak i tłoczysko pozostają w kontakcie

Roman Grygoruk

współczynniku tłumienia C=400 [Ns/m]

przy współczynniku tłumienia C=400 [Ns/m]

mienia wiskotycznego o

zmian wartości przemieszczeń, które wynika, że praktycznie cały czas suwadło, zderzak i tłoczysko pozostają w kontakcie

(6)

ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA

prędkość tłoczyska wynosi Vmax=5060 [

Maksymalne naprężenie zredukowane w tłoczysku 14) osiąga wartość =238 [MPa] i przekracza plastyczności (Re=230 [MPa]) materiału.

Rys.12. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów suwadła i tłoczyska

Rys.13. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoc początkowej fazie ruchu

Rys.14. Naprężenia zredukowane w punktach „Pt” i „Pz”

tłoczyska

Na kolejnych czterech rysunkach (rys.1 zamieszczono, podobnie jak poprzednio przemieszczeń, prędkości i naprężeń w tyc

punktach rozwiązania z wartością zastępczego współczynnika tłumienia o wartości C=300

Analiza krzywych przemieszczeń, które zilustrowane są na rys. 15., wskazuje, że po upływie czasu

następuje odbicie zderzaka od suwadła kontakt pojawia się na krótko między 0,0022

[s], a dalej części pozostają w separacji. Ruch powrotny suwadła zaczyna się po przebyciu 5,2

0,0058 [s]. Prędkość maksymalna tłoczyska różni się od poprzedniej o około 4% i wynosi Vmax

Maksymalne wartości naprężeń praktycznie są takie same i wynoszą =233

[mm/s] (rys. 13).

Maksymalne naprężenie zredukowane w tłoczysku (rys.

i przekracza granicę teriału.

ych punktów suwadła

. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w

punktach „Pt” i „Pz”

Na kolejnych czterech rysunkach (rys.15. do rys.18.) podobnie jak poprzednio, wykresy przemieszczeń, prędkości i naprężeń w tych samych punktach rozwiązania z wartością zastępczego

C=300 [Ns/m].

Analiza krzywych przemieszczeń, które zilustrowane upływie czasu 0,0007 [s]

następuje odbicie zderzaka od suwadła; powtórny kontakt pojawia się na krótko między 0,0022 [s] i 0,0034 i pozostają w separacji. Ruch powrotny suwadła zaczyna się po przebyciu 5,2 [mm] w czasie . Prędkość maksymalna tłoczyska różni się od

max=4850 [mm/s].

zredukowanych

=233 [MPa].

Rys. 15. Przemieszczenia wzdłużne wybran suwadła i tłoczyska

Rys.16. Prędkość wybranych punktów suwa funkcji czasu

Rys. 17.Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoc początkowej fazie ruchu

Rys.18. Naprężenia zredukowane w tłoczyska Kolejne rysunki (rys.19.

rozwiązania przy wartościach zastępczego tłumienia C=400 [Ns/m] i podane są w kolejności jak poprzednio.

Kontakt poszczególnych części układu po uderzeniu trwa tylko do czasu 0,0007 [s], po czym następuje odbicie zderzaka od suwadła. Suwadło cofa się po przebyciu drogi 3,2 [mm] w czasie 0,0022 [s

prędkości i naprężeń zredukowanych praktyczne na takim samym poziomie jak w rozwiązaniach i wynoszą Vmax= 4680 [mm/s] oraz =242 [MPa

TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO…

. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów suwadła i tłoczyska

. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w funkcji czasu

.Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w fazie ruchu

. Naprężenia zredukowane w punktach „Pt” i „Pz”

do rys.22.) dotyczą zastępczego współczynnika i podane są w podobnej

Kontakt poszczególnych części układu po uderzeniu po czym następuje odbicie zderzaka od suwadła. Suwadło cofa się po przebyciu s]. Maksymalne wartości prędkości i naprężeń zredukowanych tłoczyska pozostają e na takim samym poziomie jak w poprzednich rozwiązaniach i wynoszą odpowiednio:

MPa].

(7)

Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch,

Rys. 19. Przemieszczenia wzdłużne wybran suwadła i tłoczyska

Rys. 20. Prędkość wybranych punktów suwadł w funkcji czasu

Rys. 21. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoc w początkowej fazie ruchu

Praca finansowana z programu badań stosowanych (NCBiR) PBS1/A6/10/2012

Literatura

1. Bajkowski M., Floriańczyk A.: Analysis of effect of pulse generated by the special object 12, 7mm equipped in magnetorheological damping system on the thoracic spine

p. 5-14.

2. Bajkowski M., Kaniewski J., Radomski M.: Dy

broń palna. „Problemy Mechatroniki: Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa” 2015, Vol. 6, nr 1 (19), s. 41-56.

3. Bajkowski M., Kucharczyk M., Grygoruk R., Radomski M.

tłumikiem magnetoreologicznym TR czeństwa” 2013, Vol. 4, nr 2 (13), s.

4. Bajkowski M., Bajkowski J., Radomski M.: Stanowisko badawczo

układu sterowanych tłumików magnetoreologicznych na odrzut zespołu ruchomego.

Pol. Śl., „Transport” z. 82, s. 19-28.

5. Kochański S.: Odrzut hamowany ramiennej broni strzeleckiej ska, Instytut Budowy Sprzętu Mechanicznego.

. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów

suwadła i tłoczyska

. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska początkowej fazie ruchu

Rys. 22. Naprężenia zredukowane w tłoczyska

4. Wnioski

W pracy przedstawiono analizę

obciążenia, jakiemu poddawane jest tłoczysko tłumika MR w wyniku uderzenia w nie suwadła małokalibrowej broni ramiennej samoczynno–samopowtarzalnej symulacji pozwalają określić mapy napręże występujących w tłoczysku tłumika MR, a tym samym umożliwiają identyfikację potencjalnych przekrojów niebezpiecznych występujących w tłoczysku.

Zwiększenie wartości zastępczego tłumienia wiskotycznego „C” z 200

400 [Ns/m] znacznie skraca drogę cofania suwadła po uderzeniu (z 8 [mm] do 3,2 [mm

którym to następuje (z 0,009

Maksymalna prędkość tłoczyska nie zależy od zastępczego współczynnika tłumienia

pozostaje na poziomie około 5

naprężenia zredukowane w tłoczysku w początkowej fazie ruchu przekraczają o 3,5% do 5% granicę plastyczności materiału i praktycznie nie zależą od

współczynnika „C”.

stosowanych (NCBiR) PBS1/A6/10/2012

Analysis of effect of pulse generated by the special object 12, 7mm equipped in magnetorheological damping system on the thoracic spine. “Machine Dynamics Research

Kaniewski J., Radomski M.: Dynamika układu mechanicznego: strzelec –

roblemy Mechatroniki: Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa” 2015, Vol. 6, nr 1 (19),

Bajkowski M., Kucharczyk M., Grygoruk R., Radomski M.: Odrzut hamowany w obiekcie specjalnym 7.62 mm z icznym TR-1.0M. „Problemy Mechatroniki : Uzbrojenie, Lotnictwo,

s. 69-86.

Bajkowski J., Radomski M.: Stanowisko badawczo-dydaktyczne do badania wpływu równoległego układu sterowanych tłumików magnetoreologicznych na odrzut zespołu ruchomego. Gliwice: Pol. Śl., 2014, ZN

8.

Odrzut hamowany ramiennej broni strzeleckiej. Rozprawa habilitacyjna. Politechnika Warsza tut Budowy Sprzętu Mechanicznego. Prace Naukowe „Technika Specjalna” 1979

Roman Grygoruk

. Naprężenia zredukowane w punktach „Pt” i „Pz”

W pracy przedstawiono analizę impulsowego poddawane jest tłoczysko tłumika uderzenia w nie suwadła małokalibrowej

samopowtarzalnej. Wyniki pozwalają określić mapy naprężeń występujących w tłoczysku tłumika MR, a tym samym identyfikację potencjalnych przekrojów niebezpiecznych występujących w tłoczysku.

zastępczego współczynnika

„C” z 200 [Ns/m] do znacznie skraca drogę cofania suwadła po mm]) oraz skraca czas, w którym to następuje (z 0,009 [s] do 0,0022 [s]).

Maksymalna prędkość tłoczyska nie zależy od tłumienia wiskotycznego i pozostaje na poziomie około 5 [m/s]. Maksymalne naprężenia zredukowane w tłoczysku w początkowej fazie ruchu przekraczają o 3,5% do 5% granicę plastyczności materiału i praktycznie nie zależą od wartości

Analysis of effect of pulse generated by the special object 12, 7mm equipped in e Dynamics Research” 2013, Vol. 37, No. 1,

amortyzator odrzutu – roblemy Mechatroniki: Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa” 2015, Vol. 6, nr 1 (19),

Odrzut hamowany w obiekcie specjalnym 7.62 mm z otnictwo, Inżynieria bezpie-

dydaktyczne do badania wpływu równoległego Gliwice: Pol. Śl., 2014, ZN Politechnika Warszaw-

” 1979, nr 2.

(8)

7. Procházka S. , Novák M.: Effect of inertia forces on function of automatic weapon. AiMT “Advances in Military Technology” 2008, Vol. 3, No. 2, p. 47-54.

8. Tylikowski A.: Intelligence structures. In: Proceedings of International Conference Mechatronics. Warszawa: Pol.

Warsz., 2000 Vol.1, p. 19-25.

9. Wang X., Bossis G., Volkova O., Bashtovoi V., Krakov M.: Active control of rod vibrations using magnetic fluids. “Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2003, Vol. 14, No. 2, p. 93-97