Оценка качества конструкции капканов

Для характеристики капканов различных конструкций используется ряд общих понятий, которые позволяют оценить рабочие качества как отдельных деталей, так и капкана в целом. Основной характеристикой у капканов служит высота дуг или размер входного отверстия. В зависимости от желаемого места захвата выбирают тот или иной номер капкана. Рабочие качества капканов в наибольшей степени зависят от их пружин. В связи с этим для оценки качества как самого капкана, так и его основной детали-пружины необходимо определить такие показатели, как усилие настораживания и рабочее усилие пружины.

Усилие настораживания - это усилие, передаваемое пружиной на дуги настороженного капкана. Оно зависит от характеристики самой пружины и от размеров сопряженных с ней деталей, определяющих расстояние между концами пружины у настороженного капкана. С точки зрения удобства обращения с капканом это усилие должно быть минимальным. Но в то же время оно должно быть достаточным для надежного срабатывания капкана. У современных следовых капканов минимальное усилие настораживания одной пружины составляет 8 Н, а максимальное - 40 Н. Капканы с очень сильными пружинами трудно настораживать, они неудобны и опасны в работе.

Способность капкана удержать пойманного зверя зависит от рабочего усилия пружины. Рабочее усилие пружины - это усилие, которое передает пружина на дуги сработавшего капкана. Поскольку расстояние между дугами сработавшего капкана зависит от размеров пойманного зверя, условно принято рабочее усилие измерять при положении, когда дуги разведены на 10 мм.

Для листовых криволинейных пружин развиваемое ими усилие можно определить по формуле:

где b - ширина пружины, мм; t - толщина, мм; R - радиус гибки, мм; l - расстояние от центра гибки до центра кольца пружины, мм; Е - модуль упругости материала; F - деформация пружины, мм.

При определении усилия настораживания величина деформации определяется как сближение концов пружины в настороженном капкане. В этом случае формула (1) приобретает вид

где Р_н - усилие настораживания, H; F_max - расстояние между центрами колец пружины в свободном состоянии, мм; F_и - то же расстояние в настороженном капкане, мм.

Аналогично для определения рабочего усилия пружины используется формула:

где P_р - рабочее усилие пружины, Н; F_p - расстояние между центрами колец пружины в сработавшем капкане, мм.

Усилие настораживания и рабочее усилие пружины можно также определить графически. На рис. 17 представлена диаграмма зависимости усилия пружины капкана от деформации. В принятых масштабах отрезок OF_max соответствует расстоянию между концами пружины в свободном состоянии, а отрезок ОР_mах - усилию, которое развивает данная пружина при сближении концов до соприкосновения. Работа пружин капканов протекает в диапазоне упругих деформаций. Поэтому зависимость усилия, развиваемого пружиной, от сближения ее концов будет иметь прямо пропорциональный характер. На диаграмме эта зависимость выражена прямой линией F_max Р_mах. Если на диаграмме отложить отрезок OF_н, соответствующий в принятом масштабе расстоянию между концами пружины в настороженном капкане, то можно определить усилие настораживания Р_н, проведя из точки F_н прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с наклонной F_maxP_max. Умножив длину отрезка на соответствующий масштаб, найдем величину усилия настораживания. Аналогичным путем на этой диаграмме можно определить величину рабочего усилия пружины.

Рис. 17. Диаграмма зависимости усилия пружины от деформации

В некоторых капканах используются витые цилиндрические пружины кручения, изготовленные из круглой проволоки. В этом случае для определения усилия настораживания можно воспользоваться формулой:

где d - диаметр проволоки, мм; φ₂ - угол закручивания пружины в настороженном капкане; D_cp - средний диаметр пружины, мм; n - число рабочих витков; l_n - расстояние от продольной оси пружины до центра прижимного рычага капкана, мм.

Рабочее усилие у капканов с витыми цилиндрическими пружинами определяется по формуле:

где φ₁ - угол закручивания пружины в сработавшем капкане.

Усилие Р_р можно также определить и по формуле (2), подставив вместо φ₂ значение φ₁.

При оценке конструкций пружин следует сравнить усилия, определенные по формулам (1) и (2), с максимальным усилием, допускаемым для данных пружин из условий прочности Для листовых криволинейных пружин усилие Р_доп определяется по формуле:

где [σ₄] - допускаемое напряжение изгиба для плоских пружин.

Для витых цилиндрических пружин кручения допускаемое усилие находят по формуле:

где с - индекс пружины, равный отношению D_cp:d; [σ₄]_к - допускаемое напряжение на изгиб при кручении.

Если усилие настораживания окажется выше допускаемого, то это будет означать, что у данного капкана пружина работает в условиях перенапряжения и не может обеспечить надежную работу капкана.

Для характеристики капканов применяется также понятие "усилие расстораживания", которое нужно приложить к центру тарелочки или насторожки для приведения капкана в действие. Усилие расстораживания зависит от усилия настораживания, устройства и размеров настораживающего механизма. Как правило, в большинстве современных капканов настораживающие механизмы позволяют в некоторых пределах изменять величину усилия расстораживания. При помощи такой регулировки добиваются оптимальной для отлова данного зверя величины усилия расстораживания, т. е. обеспечивается избирательность промысла. Величину усилия расстораживания чаще определяют экспериментально. Но ее можно также определить расчетным путем (ниже приведены формулы).

Для правильной оценки преимуществ или недостатков какой-либо конструкции капкана надо знать, как распределяются усилия в самом капкане. Усилия, действующие в различных точках капкана, можно определить при помощи методов статического расчета равновесных систем. На рис. 18 изображен тарелочный капкан на прямом основании с крестовиной (тип А). Примем условно, что усилие настораживания Р_н передается на дугу в точке, расположенной в центре площадки контакта дуги с кольцом пружины. На вершине раскрытой дуги будет действовать усилие Р₁, которое можно определить по формуле:

где d_н - наружный диаметр кольца пружины, мм; d_вн - внутренний диаметр кольца пружины, мм; а - расстояние между осями вращения дуг, мм; h - высота дуги, мм.

Рис. 18. Распределение усилий в капкане на прямом основании с крестовиной (типа А)

Величина усилия P₁ имеет большое значение для работы капкана. При помощи этого усилия капкан разрушает слой маскирующих материалов, взламывает его. По этой причине усилие, действующее на вершине полностью раскрытой дуги, называется взламывающим. При выборе размеров пружин капканов следует всегда иметь в виду, что более широкие кольца обеспечивают большее взламывающее усилие. Это, естественно, улучшает рабочие качества капкана. Но чрезмерное уширение колец вызывает необходимость увеличения ширины дуг, что ведет к увеличению веса капкана. Вместе с тем недостаточно широкие кольца могут привести к тому, что капкан с очень сильными пружинами окажется неспособным преодолеть сопротивление слоя маскирующих материалов. Сточки зрения получения максимально возможного взламывающего усилия крепление дуг на заплечиках нерационально.

Оба указанных недостатка (узкие кольца, крепление дуг на заплечиках) имелись у старых рамочных капканов № 7 "Волчий" и № 5 "Лисий". Эти и другие недостатки конструкции оказались настолько существенными, что выпуск капканов № 5 "Лисий" был прекращен вскоре после освоения. Несколько - позднее был снят с производства и капкан № 7 "Волчий".

Формула 6 показывает, что для лучшей реализации усилия настораживания дуги должны иметь общую ось вращения (а = 0). В капканах последних моделей (Вт № 2, Вт № 3, В61 № 5, В61 № 7 и др.) это достигается креплением дуг при помощи осей. Это не только увеличивает прочность соединения "дуга - основание", но и позволяет повысить величину взламывающего усилия. Наиболее существенно способ соединения дуг с основанием влияет на работоспособность капканов средних и крупных размеров.

Большинство капканов имеет относительно небольшое количество деталей. Но при их помощи усилие пружины в настораживающем механизме уменьшается в 100-200 раз. Поэтому особенности устройства настораживающих механизмов существенно влияют на рабочие свойства капканов. Все настораживающие механизмы можно разделить на две группы: сторожковые и бессторожковые. В большинстве современных капканов применяются настораживающие механизмы со сторожком. Это объясняется тем, что такие устройства имеют преимущества перед бессторожковыми. На рис. 19 представлена схема распределения усилий в настораживающем механизме с крестовиной и сторожком. Этой схеме соответствуют настораживающие устройства капканов типов А, Б, капканов Вт № 2 и Вт № 3, а в несколько видоизмененном виде - капканов В61 № 5, В61 № 7, древесных капканов КД-1. Для всех этих капканов характерно, что сторожок соприкасается с дугой в ее центре, и усилие, передаваемое дугой на сторожок, совпадает с уже полученным нами взламывающим усилием. Поэтому на схеме (рис. 19) это усилие обозначено как Р₁. Зная усилие P₁, можно определить, с какой силой сторожок давит на выступ рычага насторожки. Это усилие Р₂ зависит от длины сторожка и положения точки контакта сторожка с дугой. Величину усилия Р₂ можно определить из условия равенства моментов сил Р₁ и Р₂ относительно центра вращения сторожка.

Рис. 19. Распределение усилий в настораживающем механизме с крестовиной и сторожком

где m - расстояние от оси вращения сторожка до точки контакта сторожка и дуги, мм; n - расстояние от оси вращения сторожка до точки контакта сторожка и рычага насторожки, мм.

Формула (7) показывает, что для уменьшения усилия, передаваемого на насторожку, необходимо уменьшить расстояние между осью вращения сторожка и дугой m или увеличить расстояние между осью вращения сторожка и рычагом насторожки n. И наоборот, увеличение m или уменьшение n приводит к увеличению усилия Р₂. Зная усилие, с которым сторожок давит на выступ рычага насторожки, можно определить усилие расстораживания Р₃. Это усилие должно быть достаточным для преодоления трения в соединении "рычаг-сторожок". Сила трения Р_тр зависит от величины давления сторожка на рычаг, сопрягаемых материалов и состояния сопряженных поверхностей. Ее можно определить по формуле:

где f - коэффициент трения скольжения.

Усилие расстораживания Р₃ можно найти из условия равенства моментов сил относительно оси вращения рычага насторожки:

где r - расстояние от оси вращения рычага до точки контакта рычага со сторожком, мм; R - расстояние от оси вращения рычага до центра тарелочки, мм.

Формула (9) показывает, что уменьшение расстояния от оси вращения рычага до точки контакта рычага со сторожком приводит к уменьшению усилия расстораживания. Но при этом возрастает вероятность несрабатываний капкана или проловов, так как для расстораживания капкана в этом случае требуется повернуть рычаг на несколько больший угол. Будет отмечаться "длинный", или "тягучий", спуск. Противоположный рычагу конец тарелочки должен будет описать довольно большую дугу. При этом он может упереться в плотный комочек маскирующего материала, и капкан не сработает.

Как видно из приведенного расчета, настораживающие устройства с использованием сторожка требуют для срабатывания приложения относительно небольшого усилия, причем это усилие можно в определенных пределах регулировать. Эти свойства настораживающих механизмов со сторожком во многом объясняют высокую универсальность капканов типа А и хорошие рабочие качества капканов типа В последних образцов.

На рис. 20 представлена схема бессторожкового капкана, где дуга удерживается непосредственно выступом рычага насторожки. В этом случае на настораживающий механизм полностью передается усилие Р₁. Усилие расстораживания в таких капканах можно определить по формуле:

Рис. 20. Распределение усилий в бессторожковом настораживающем механизме

Для расстораживания капкана с бессторожковым настораживающим механизмом при прочих равных условиях потребуется значительно большее усилие, чем у капкана со сторожком. Площадь контакта выступа рычага с дугой всегда очень мала, а давление дуги на рычаг при этом бывает значительным, поэтому площадка быстро срабатывается. Для бессторожковых капканов характерно нестабильное усилие расстораживания. В результате естественного в таких условиях износа выступа рычага у капканов вскоре как постоянный дефект отмечается склонность к самопроизвольным расстораживаниям.

Как правило, бессторожковые настораживающие устройства используют преимущественно по конструктивным соображениям в капканах узкоспециализированных на отлов одного какого-либо зверя. Во всех случаях, когда конструкция позволяет использовать сторожок, применяют настораживающие устройства со сторожками.

Заслуживает рассмотрения бескрестовинный капкан со сторожком (тип Г). На рис. 21 представлена схема этого капкана. Как видно на схеме, на настораживающее устройство у таких капканов передается значительно большее усилие, чем у капканов с крестовиной, так как ширина сторожка всегда значительно меньше высоты дуги. Усилие Р можно определить по формуле:

где с - ширина сторожка.

Рис. 21. Распределение усилий в бескрестовинном капкане со сторожком

Очевидно, что бескрестовинные капканы имеют более грубую насторожку, чем капканы с крестовиной. При определенных условиях (например, на промысле ондатры) такая насторожка предотвращает срабатывание капкана от случайных воздействий, способствуя увеличению уловистости, а отсутствие крестовины и закрепление обеих дуг дают капкану дополнительные существенные преимущества. Но для отлова других зверей, имеющих небольшой вес (например, мелких куньих), такой капкан из-за грубой насторожки применять нецелесообразно. Следует также учитывать, что в процессе эксплуатации капканов из-за коррозии деталей и по другим причинам усилие настораживания, как правило, увеличивается. Это особенно часто случается, когда капканы закрывают слоем маскирующих материалов. Поэтому применение на промысле мелких зверей капканов с бессторожковыми и бескрестовинными настораживающими устройствами часто бывает малоэффективным.

На рис. 22 представлена схема действия сил в сработавшем капкане. С некоторым приближением можно принять, что рабочее усилие Р_р в сработавшем капкане действует вертикально вверх. Пружина давит на дугу с силой Р_р sin α. Так как α - угол поворота дуги - обычно бывает небольшим (10-15°), то это усилие также невелико. На лапу пойманного зверя капкан давит с еще меньшим усилием

где Н - высота дуги, мм; h - высота подъема кольца пружины в сработавшем капкане, мм.

Рис. 22. Схема усилий, действующих в сработавшем капкане

Несмотря на то, что усилие Р₄ некоторые авторы называют удерживающей силой капкана, совершенно очевидно, что этой силы недостаточно, чтобы удержать в капкане пойманного зверя. Фактически зверя в капкане удерживает не сила трения дуг о лапу, как это считается, а невозможность высвободить попавшую конечность, защемленную между дугами. Обычно после попадания в капкан зверю удается стянуть ее до первого утолщения (локтевого сустава, кисти). Освободиться от капкана он может только в том случае, если ему удастся увеличить хотя бы немного расстояние между дугами. Для этого нужно сжать пружину. Другими словами, в точке контакта дуги с пружиной должна быть приложена сила, равная по величине и обратная по направлению рабочему усилию Р_р. Это возможно, если в этой точке будет действовать сила Р¹_с, направленная перпендикулярно к радиусу поворота дуги, определяемому углом α. По величине это усилие без учета сил трения будет равняться

Сила сопротивления Р_с на вершине дуги сработавшего капкана за счет увеличения плеча действия силы будет несколько меньше

С учетом действия сил трения, также препятствующих раскрытию дуг сработавшего капкана, формула (14) приобретает вид:

где f - коэффициент трения скольжения; β - угол между радиусом поворота дуги и боковой гранью стойки дуги.

Как видно из приведенных схем и расчетов, у следовых капканов сила сопротивления раскрытию дуг в сработавшем капкане в несколько раз превышает рабочее усилие пружины. Например, у капканов Вт № 2 сила сопротивления раскрытию дуг в 4 раза больше усилия настораживания. Эта сила бывает настолько велика, что при недостаточной прочности стоек дуг зверю удается раньше изогнуть дуги, чем сдвинуть вниз кольцо пружины. Анализ формул (14) и (15) показывает, что для достижения максимальной силы сопротивления нужно обеспечить по возможности более высокое положение кольца пружины в сработавшем капкане, т. е. увеличить размер h. При этом угол поворота дуги и угол наклона боковой поверхности стоек дуг должны быть минимальными. Выполнение этих условий обеспечивает надежное удерживание в капкане пойманного зверя. Достичь этого можно правильным подбором размеров внутреннего диаметра кольца пружины, ширины и наклона стоек дуг капкана.

Несколько иначе работают древесные и норные капканы с витыми цилиндрическими пружинами. В древесном капкане КД-1 пойманный зверек прижимается к стволу дерева с силой, равной рабочему усилию пружины, и удерживается в нем только за счет сил трения. Поэтому у этих капканов сила, с которой дуга давит на попавшегося зверька, должна в несколько раз превышать собственный его вес. По этой причине к пружинам древесных капканов предъявляются очень строгие требования как в отношении развиваемых усилий, так и по прочностным показателям. Аналогично древесному капкану работают проволочные кротоловки, норные капканы Гукова и подобные им.