Определение пружины – «устройство для хранения энергии». Во взведенной
винтовке потенциальная энергия, условно говоря, хранится в виде упругой деформации,
поскольку она аккумулируется скрученными витками проволоки пружины. Это легко
понять, взглянув на рис 3.1.
Представим, что же происходит при сжатии пружины. Каждый виток скручивается
до тех пор, пока не ляжет вплотную к соседним виткам, при этом энергия, необходимая на
скручивание, запасается внутри проволоки. Эта потенциальная энергия может
преобразовываться в кинетическую энергию, когда пружина освобождается и гонит
поршень вдоль по цилиндру.
Однако, обычно существует предел упругой деформации, то есть предел
скручивания витков проволоки, пока они после освобождения восстанавливают форму, а
не становятся деформированными навсегда. Например, представим ту же пружину, но с
витками расположенными дальше друг от друга. Соответственно, такую пружину можно
сильнее сжать, пока её витки не начнут соприкасаться. Однако, такое сжатие, вероятно,
приведёт уже к необратимой деформации, пружина обратно уже не восстановится. Это
происходит оттого, что материал был, условно говоря, «перегружен». Большинство
пружин в пневматическом пружинно-поршневом оружии работает в режиме, близком к
максимально эффективному. При максимальном сжатии пружины нагрузка на материал
обычно близка к максимальной, при которой ещё не происходит необратимых
деформаций или поломки пружины. Соответственно получить добавочную энергию из
этой же пружины практически невозможно.
Из-за этого производители пружин вынуждены обеспечивать не слишком большое
расстояние между витками, несмотря на заманчивую перспективу увеличить запас
хранимой энергии (Energy Storage Capacity – ESC). Каждый из габаритов пружины влияет
на количество энергии, которое может запасать пружина: дистанция между витками,
диаметр проволоки, диаметр пружины и, более всего, материал, из которого она
изготовлена.
Пружины для пружинно-поршневой пневматики делаются из проволоки, которая
уже обработана и закалена до наиболее оптимальной твёрдости, если твердость будет
избыточной – пружина быстро сломается, если же жёсткость будет недостаточной, то
пружина сплющится при первом же взведении. Для навивки пружины проволока
прокатывается между тремя роликами, расположенными в виде треугольника, притом под
такими углами, чтобы обеспечить навивку пружины с нужным шагом. Это потрясающее
зрелище видеть, как проволока прокатывается между роликами и закручивается в
бесконечную пружину, пока её автоматически не обрежут, и не начнёт выходить из
роликов следующая пружина. Это непрерывный процесс, поскольку проволока
сматывается с большой катушки, которая может содержать огромное её количество.
Каждая пружина наматывается с немного большим шагом, чем нужно, что приводит к
увеличению длинны пружины по сравнению с той длинной, которую мы могли бы
ожидать при покупке пружины в магазине.
Концевые витки пружины поджимаются в навивочной машине перед отрезанием от
следующей пружины, затем пружины проходит через процесс снятия напряжений – то
есть пружину нагревают до 300-400°С примерно в течении получаса, что позволяет снять
локальные напряжения, возникающие в процессе навивки пружины. После этого пружина
попадает в специальный механизм, который зашлифовывает её концы, чтобы пружина
качественно и ровно прилегала к поршню или заднику винтовки.
Существует множество технической литературы посвященной именно пружинам,
но ни одна из них не рассматривает пружины для пружинно-поршневой пневматики. Это
происходит потому, что параметры наших пружины сильно отличаются от параметров
обычных пружин – по всем стандартам они получаются сильно перегруженными и
поэтому лишь несколько специализированных фирм занимаются производством пружин
для пружинно-поршневой пневматики.
Большинство пружин для пневматического оружия делается из
высококачественной проволоки марки BS5216 или BS2803. Это наиболее популярные
материалы для промышленного изготовления пружин, хотя, разумеется, существует
множество других материалов, из которых также можно навивать пружины –
нержавеющая сталь для случая коррозии или бериллиево-медный сплав для немагнитных
пружин. Нас часто спрашивали, не существует ли более качественного сплава для пружин,
пусть более дорогого, но зато дающего лучшие характеристики в плане накопления
энергии в пружине. Насколько мы в курсе, такие материалы существуют, однако,
поскольку они практически недоступны рядовому пользователю, то трудности по их
приобретению и изготовлению из них пружины, скорее всего, не оправдаются
незначительным приростом энергетики созданной пружины.
Нередко на рынке появляются пружины из проволоки квадратного сечения, в
отличие от обычного круглого сечения. Мы провели сравнительное исследование свойств
таких пружин и выяснили, что их свойства находятся на уровне их аналогов из проволоки
круглого сечения. Однако мы встретили несколько экземпляров с перекрученной
проволокой, то есть проволока была направлена острыми гранями внутрь, на
направляющую, и наружу, на поршень. И эти грани царапали поршень и направляющую
при каждом взводе и выстреле. Такая пружина при долгой эксплуатации приводит к
повреждению поверхности поршня и направляющей, а также к попаданию металлической
стружки внутри винтовки.
Существует ещё один способ уменьшения риска поломки пружины при стрельбе –
это так называемый метод «насечки». Пружина обстреливается потоком мелких стальных
частиц, диаметром около 0.6мм со скоростью около 50м/с. Это даёт эффект уменьшения
напряжений на поверхности пружины и понижает риск излома, а также делает
поверхность пружины слегка шершавой. Дальнейший процесс снятия напряжений
проводится с помощью нагрева до 200-250°С примерно на 30 минут. Оправдывается ли
этот процесс (и соответственно более высокая стоимость пружины) несколько меньшим
риском её излома – вопрос спорный. Другое дело, что этот процесс полностью оправдан,
например, в случае пружин для клапанов автомобиля – они не столь нагружены, как
пружина в пружинно-поршневой пневматике, но зато должны выдерживать гораздо
больше циклов сжатия-разжатия, тут уже понижение риска излома весьма важно.
А теперь вернёмся к вопросу о длине пружины, ибо как упоминалось выше,
пружина после выхода из навивочной машины несколько длиннее, чем та, что мы
покупаем в магазине. Избыточная длина корректируется с помощью процесса,
называемого «scragging»1. Пружина надевается на стержень и сжимается до тех пор, пока
её витки не соприкоснутся. После этого она освобождается и должна вернуться уже к
нужной длине, а не к начальной избыточной, и эта длина должна далее сохраняться в
процессе эксплуатации, пока пружина не «сядет» от долгой эксплуатации или же от
детонации. Величина избыточной длины после навивки – результат долгих экспериментов
и сильно зависит от материала, из которого изготовлена пружина. Если производитель
пружин не сможет обеспечить нужного избытка длины, то готовая пружина будет
неправильного размера, что неблагоприятно скажется на запасе хранимой ею энергии.
Основные габариты пружины сильно влияют на её жесткость и количество
запасаемой энергии. Например, если увеличить диаметр проволоки, из которой навита
пружина, в два раза, то жёсткость пружины возрастёт примерно в 16 раз при неизменных
остальных параметрах. Если же в два раза увеличить диаметр самой пружины, то её
жёсткость возрастёт всего лишь в 8 раз. Если же количество витков пружины удвоить при
неизменной длине всей пружины, то её жёсткость понизится примерно в два раза. И,
наконец, материал, из которого изготовлена пружина, является наиболее существенным
фактором, влияющим не только на силу, но и на живучесть пружины. И, наконец, стоит
отметить, что чем выше жёсткость пружины, тем больше будет она запасать энергии, то
есть тем выше будет её коэффициент ESC.
Вычисление мощности пружины.
Поскольку энергии в пневматическом оружии заметно меньше, чем в
огнестрельном, то очень важно знать, какая энергия хранится в сжатой пружине и
насколько эффективно она передаётся пуле при выстреле. Измерить энергию, запасённую
в пружине взведённого оружия несложно, но следует помнить, что это число (ESC) будет
верным только для данной комбинации пружины и винтовки. Та же пружина, но в другой
винтовке уже может показывать совершенно другой результат, поскольку размер сжатой и
разжатой пружины может отличаться, а он сильно влияет на количество запасаемой
энергии.
Среднее количество запасаемой энергии лучше всего определяется с помощью
графика, построенного по характеристикам пружины рис 3.2.
Наиболее проблематичной частью анализа пружины является определение её
длины при двух известных нагрузках, например, в 100 и 200 фунтов2. Как только две эти
длины найдены, остальное уже несложно. Величина веса выбирается исследователем
достаточно произвольно, исходя из нагрузки пружины при её работе так, чтобы
выбранная нагрузка лежала в пределах рабочего диапазона пружины. Также стоит
отметить, что при проведении таких замеров необходимо использование направляющей,
чтобы исключить изгиб пружины, чтобы нагрузка на пружину шла ровно вдоль её оси.
Первые две точки графика – A&B. Они получаются вычитанием из длины
свободной пружины её же длины под соответствующей нагрузкой в 100 или 200 фунтов.
Разумеется, под свободной длиной пружины подразумевается её длина вне винтовки, в
полностью свободном состоянии, а вычитание необходимо, поскольку график показывает
зависимость нагрузки не от собственно длины, а лишь от изменения длины пружины.
Как только мы получили эти две точки, мы можем провести через них прямую
линию. Теоретически она должна пройти через начало координат, но из-за множества
факторов, действующих на реальную пружину, при построении по реальным точкам эта
линия никогда в ноль не попадает. Углубляться в исследование этих факторов мы здесь не
станем.
Теперь можем нарисовать ещё две точки C&D. Первая соответствует длине
пружины после её установки внутрь не взведенной винтовки, а вторая – длина пружины
после взвода. Найти вторую точку несложно – достаточно вычесть из длины не
взведенной пружины длину хода поршня.
Далее, проводим две вертикальные линии из этих точек на горизонтальную ось
координат. Площадь, ограниченная этими вертикальными линиями, прямой линией
сверху и осью координат снизу и будет искомой энергией, запасаемой в пружине.
Например, на рис 3.2 рассматривается ситуация когда1:
Свободная длина 10.0”
Длина при нагрузке 100 фунтов 7.9”
Длина при нагрузке 200 фунтов 5.4”
Длина не взведённой пружины 7.5”
Ход поршня 2.6”
Собственно вычисление:
1. Свободная длина минус длина при 100 фунтах (точка A)
10”-7.9”=2.1”
2. Свободная длина минус длина при 200 фунтах (точка B)
10”-5.4”=4.6”
3. Свободная длина минус длина не взведённой (т.е. начальное сжатие, точка С)
10”-7.5”=2.5”
4. Начальное сжатие плюс ход поршня (общее сжатие)
2.5”-2.6”=5.1”
Теперь осталось посчитать собственно площадь трапеции, ограниченной
указанными выше линиями. Считать будем в виде суммы площадей квадратной и
треугольной частей2. Тогда площадь квадратной части будет 2.6”×116=301.6
дюймов·фунты, а площадь треугольной части ½×2.6”×(220-116)=135.2 дюймов·фунты, в
сумме получаем площадь всей трапеции 436.8 дюймов·фунты, или, переводя в футо-
фунты путём деления
мощность. Также возможен вариант, когда пружина избыточно сильная, что быстро
приведёт к «выжиганию» всей смазки в поршневой группе винтовки и она, условно
говоря, «оставшись без топлива» будет показывать более плохие результаты, пока её не
смажут заново.
С другой стороны, пружина в маломощных спортивных целевых винтовках живёт
очень долго, поскольку эти винтовки обычно работают в фазе popgun и в них
используется очень малое количество смазки, что в свою очередь снижает риск
дизелирования и благоприятно сказывается на сроке службы пружины.
В качестве примера ситуации поломки пружины можно привести винтовку, хозяин
которой использует избыточное количество смазки и даже впрыскивает смазку в цилиндр
через перепускное отверстие. После нескольких маломощных выстрелов, в процессе
которых избыток смазки из цилиндра будет выброшен, количество оставшейся перед
поршнем смазки достигнет критической величины и приведёт к детонации. Сильно
возросшее давление отбросит поршень назад, сжимая пружину насколько это возможно,
при этом поршень может даже встать обратно на боевой взвод, а на цилиндре могут
образоваться вздутия.
Также можно сослаться на то, что невозможно сжать пружину дальше
соприкосновения её витков, вне зависимости от величины прилагаемой нагрузки. Это,
правда, не совсем так: мы советовались с наиболее известными производителями пружин,
и нам было указано, что пружину можно эксплуатировать даже с небольшим
превышением расчётной нагрузки, но при условии, что нагрузка появляется и исчезает
очень быстро. Фактически речь идёт о создании «энергетических вибраций» в витках
пружины.
Точную последовательность событий, в ходе которых происходит перегрузка
пружины, отследить довольно трудно и лучше всего изучать с помощью расчётов.
Достаточно сказать, что высокочастотные вибрации, возникающие в витках, приводят к
сжатию витков в большей степени, чем когда они просто плотно соприкасаются.
Проблема с пружинами в пневматическом оружии заключается как в очень плотном
сжатии витков взведённой пружины, так и в резком её освобождении и расширении до
своей «свободной» длины при выстреле. Не было бы проблем, если б пружина
разжималась медленно, возможно, с той же скоростью, с которой её взводят, но
попробуйте представить, что происходит с пружиной при нажатии на спусковой крючок.
Сначала передние витки пружины толкают поршень с такой скоростью, что задние витки
иногда даже отрываются от своего посадочного места, но затем поршень внезапно
тормозится воздушной подушкой и отскакивает назад, навстречу виткам пружины, после
чего пружина и поршень начинают некоторое время противодействовать друг другу,
после чего наступает полный хаос и пружина обычно перегружается и теряет часть своей
длины. Колебания могут быть очень сильными, возможно даже на некоторое время
пружина и поршень будут колебаться внутри цилиндра вперёд и назад, не касаясь его
торцов, пока, наконец, не придут в состояние покоя, возможно, уже после вылета пули.1
Если же в цилиндре было избыточное количество смазки, то винтовка детонирует и
поршень отлетает назад очень резко, при этом сильно воздействуя на витки пружины.
Этот очень внезапный и сильный разворот оказывает негативное влияние на пружину и
может даже привести к её поломке. Вред, наносимый пружине при детонации, наиболее
ярко отражается на витках, которые находятся около спускового крючка. Обычно поломка
пружины также происходит именно с этого конца. Мы можем подтвердить факт этого
феномена следующим исследованием, проведённым несколько лет назад: заказчикам
были поставлены пружины с одним окрашенным концом и инструкцией, вставлять
пружину именно этим концом к спуску. Все возвращённые с претензиями пружины были
с повреждениями именно на этом конце.
На практике мы также в течение многих лет повредили множество пружин в ходе
экспериментов. И в каждом случае длина пружины уменьшалась из-за детонации в
цилиндре, а давление на очень короткий момент достигало 20’000 PSI1. Это лишний раз
подтверждает, что детонация это смерть для пружины.
Также распространено мнение, что если оставить винтовку с взведённой пружиной
на долгое время, то это приведёт к ослаблению пружины. Это, вероятно, правда для
пружин невысокого качества, но высококачественная пружина может находиться сжатой
практически бесконечно без какой-либо потери длины. Однако, из соображений
безопасности всё же рекомендуется не оставлять винтовку взведённой дольше, чем это
действительно необходимо.
Существует только один способ потери пружиной ESC – это уменьшение длины,
поскольку они не теряют силу со временем или использованием. Изучение рис 3.2
покажет, что если пружину, которую мы взяли в качестве примера, повредить детонацией
(то есть уменьшить её длину), и затем снова протестировать, то высота выделенной
площади уменьшится, да и сама выделенная площадь сдвинется влево, что уменьшит
площадь выделения, соответственно и ESC также уменьшится.
Учитывая такое вредное воздействие детонации на пружину, было предложено при
разборке и смазке винтовки сначала ставить старую пружину и лишь через некоторое
количество выстрелов, когда винтовка выйдет на нормальный рабочий режим без
детонации, поменять пружину на новую, чтобы избежать её преждевременной усадки и
потери мощности. Также неплохо замерить длину новой пружины при установке, чтобы в
будущем можно было проверить её на усадку.
Весьма часто при вынимании пружины оказывается, что она изогнута как банан.
Вообще-то это не оказывает практически никакого воздействия на её энергетические
показатели, но выглядит неприглядно и зачастую является признаком «биения пружины»
при выстреле. Наиболее сильное биение может быть устранено с помощью надевания
пластикового «рукава» на пружину и в таком виде вставить её в поршень, хотя небольшой
зазор вокруг пружины всё же необходим при её взведении. Другая методика гашения
биений – установка пластиковой или стальной направляющей внутри пружины.
Большинство английских производителей сейчас устанавливают направляющие в свои
винтовки и пистолеты из-за требований к малошумности оружия.
Поскольку конец пружины немного вращается при её взведении и возвращается
обратно при выстреле, было предположение, что если сделать антифрикционную
поверхность, то это должно повысить эффективность системы. Хотя по нашему мнению
это весьма бессмысленный процесс, поскольку, как было сказано выше, в некоторый
момент выстрела пружина или вообще не касается задней площадки или касается её очень
несильно. Интересная историческая справка: в своё время для предотвращения эффекта
скручивания использовались винтовки с двумя пружинами (с разным направлением
навивки), разделёнными посередине шайбой.
Понятие оптимальной мощности пружины для пружинно-поршневой винтовки
зависит от множества факторов, но в большинстве случаев это некий компромисс,
зависящий в основном от целей, для которых предназначена винтовка. Маломощные
пружины имеют преимущества малой отдачи и высокой стабильности скорости,
соответственно, популярны для целевой стрельбы на небольшие дистанции. С другой
стороны, если винтовка предназначена для стрельбы на дальние дистанции, то может
потребоваться большая энергия и высокая точность приносится в жертву мощности.
Однако, это ещё не конец истории – любая пружинно-поршневая пневматика является
компромиссом между многими факторами, и далеко не все из них определяются
пружиной.
В начале наших исследований мы стояли на точке зрения, которую позже назвали
«общепринятой точкой зрения», что мощность пружинно-поршневой пневматики зависит
только от мощности пружины и ни от чего более. Так как позже мы выяснили, что
мощность пружины лишь один из многих факторов, влияющих на энергетику оружия в
целом, мы последовательно перебирали винтовки, которые выдают адекватную энергию
без использования очень мощных пружин. Следует отметить, что если все факторы,
влияющие на энергетику оружия, подобраны надлежащим образом и работают «в одном
направлении», то оружие не требует большой энергии «на входе». Проблема лишь в том,
чтобы понять, что это за факторы и «заставить» их работать вместе в одном направлении.
Предположим, некто вынул пружину из винтовки с неизвестной историей
эксплуатации и т.п. На что ему следует обратить внимание, чтобы оценить будущую
энергетику этой пружины?! Визуальная оценка поможет обнаружить есть ли
неравномерное сжатие пружины, выражающееся в том, что в одной её части витки
расположены ближе, чем в другой. Эта проблема часто сопровождается другой –
перекашиванием пружины, притом легко заметным даже визуально в виде изгиба всей
пружины. Все эти проблемы (кроме перекашивания) уменьшают производительность
пружины, поскольку явно или неявно уменьшают её длину, которая, как было показано
выше, является важным фактором в энергетике пружины. Опыт является лучшим
инструментом для оценки пружины, бывшей в употреблении, на предмет сохранения её
характеристик. Ниже мы попытаемся дать несколько советов по оценке пружин.
Большинство пружин имеют зазор в полтора диаметра проволоки между витками, однако,
в случае очень тонкой проволоки этот зазор может быть и двукратным. Также можно
прикинуть износ по величине предварительного сжатия – на большинстве экземпляров это
порядка двух дюймов1. Также стоит проверить, чтобы витки практически соприкасались
при взведении, это обеспечивает наилучшее использование энергии пружины при
выстреле.
Наиболее популярный вопрос по нештатным пружинам: «Могу ли я поставить
более мощную пружину?». В большинстве случаев ответ «Нет!». Обычно если
оригинальная пружина потеряла часть своей длины или не соответствует оружию по
длине, то новая пружина будет более мощной, чем используемая. А если попытаться
поставить более мощную пружину, чем оригинальная, не потерявшая своей длины
пружина, то она может быть или более длинной или сделанной из более толстой
проволоки и таким образом не уместится в поршень или на направляющую. Если она
длиннее, то она соприкоснётся витками до того, как взведётся оружие, поэтому избыток
длины придётся обрезать.2
Другие типы пружин.
На рынке существует несколько винтовок, использующих два поршня и две
пружины. Поршни обычно расположены друг напротив друга в противоположных концах
цилиндра и, двигаясь совместно, выжимают воздух в казённик, расположенный точно
посередине цилиндра. Однако, основное преимущество такой схемы – уменьшение
отдачи, и, соответственно, увеличение энергетики пружин при сохранении той же отдачи.
Другая схема, в которой энергия хранится в сжатом газе, вместо сжатой пружины,
представлена на рис 3.3. Фирма Theoben использует её в своих винтовках с газовой
пружиной. Вместо сжатия пружины при взведении винтовки сжимается воздух или
другой соответствующий газ в герметичном цилиндре. В данном экземпляре цилиндр
образуется собственно поршнем и его подвижной пустотелой задней частью, естественно,
с качественно герметизированным соединением.
Рассмотрим рис 3.3. Поршень изображён на полпути между состоянием взвода и
положением у передней стенки рабочего цилиндра. При взведении поршня воздух
заполняет рабочий цилиндр A, как и в обычной пружинно-поршневой пневматике.
Одновременно, воздух или другой соответствующий газ сжимается в объём B из объёма
внутри поршня C. Уплотнение D предотвращает утечку воздуха из системы после того,
как её заправили газом через порт E. По идее исходно закачанный в систему газ должен
сохранятся там практически бесконечно.
В целом конструкция очень удобная, сохраняется преимущество пружинно-
поршневой пневматики в части взведения и зарядки, а догадаться об отсутствии обычной
пружины можно разве что по отсутствию лязга и уменьшению вибрации. Один и тот же
воздух в газовой пружине используется снова и снова, её не требуется перезаряжать перед
каждым выстрелом. Кроме того, хоть термин «газовая пружина» и кажется необычным,
этот предмет весьма популярен, правда, под другим названием – «газовая стойка». В
автомобилях она используется, чтобы поддерживать крышку багажника в кузове
«hatchback». Выглядят они как длинный цилиндр с качественно полированным стержнем
внутри, который и сжимает газ при закрывании крышки багажника. Обычно в качестве
сжимаемого газа в них находится азот под давлением, поэтому разбирать такую «газовую
стойку» не рекомендуется (или уж, по крайней мере, надо соблюдать осторожность).
Винтовки Theoben имеют множество преимуществ из-за использования газовых
пружин вместо обычных. В частности, они не теряют своей мощности, да и сама
мощность может быть подрегулирована с помощью специального насоса. Нет лязга и
вибрации, столь привычных в обычных пружинно-поршневых винтовках. Детонация
также не столь страшна газовой пружине, в отличие от обычной. Хотя, разумеется,
длительная неправильная эксплуатация принесёт свой негативный эффект.
Перевод © И.Г.Рогожкин 2003-2004
Авторское право: G.V. & G.M.Cardew – 1995
