Самодельный носимый рюкзачный компрессор на 600 атмосфер? Вызов принят
А давайте-ка я расскажу вам, как мы построили несколько весьма интересных видов технических устройств, добились поразительных результатов, но потом забросили? Усаживайтесь поудобнее, мы начинаем:)
Наверное, чтобы вся ситуация была вам более понятна, следует начать «с Адама и Евы».
Эта история берёт своё начало с тех времён, когда рожь была выше меня ростом, а я ходил пешком под стол. Хотя нет, соврал, это приключилось гораздо позднее, а именно: приблизительно в начале 2010 годов.
В то время был у меня в жизни период, когда я увлекался пневматикой. Я купил себе пневматическую винтовку и регулярно выезжал за город на так называемый «плинктинг» — то есть, пострелушки по бутылочкам.
Занятие, я вам скажу, весьма увлекательное. Позволяет хорошо развлечься, потренировать глазомер и несколько замедлиться, после бешеного ритма большого города.
Тогда же, общаясь на форумах, я открыл для себя совершенно новый класс пневматического оружия, который назывался PCP — то есть такие устройства, которые использовали преднакачку воздуха высокого давления в специальный баллон, имеющийся под стволом оружия, либо встроенный в приклад (как правило, хотя могут быть и иные конструкции).
Картинка: www.air-gun.ru
У меня же, как у новичка, который только вошёл в эту тему, была обычная переломка. У неё есть как свои плюсы, так и минусы.
Картинка: guns.allzip.org
Среди плюсов можно назвать — дешевизну и надёжность; она практически всегда готова к стрельбе и привести её в надлежащее состояние не составляет труда. Достаточно всего лишь переломить её и вложить пульку. Что может быть сложнее?!
Однако у неё есть и большие минусы. Среди которых можно назвать:
Двунаправленный вектор отдачи: так как приводящей в действие винтовку силой является сжатие и разжатие пружины, то поршень внутри так называемого «компрессора» винтовки при нажатии на спусковой крючок, срывается с места и несётся вперёд, пройдя свой путь до конца, врезаясь в переднюю стенку этого компрессора. Однако эта сила начинает действовать только во вторую очередь, в первую очередь в момент выстрела наблюдается привычная всем отдача, которая давит на стрелка, стремясь отбросить его назад. Таким образом, в отличие от огнестрельного оружия, тут наблюдается отдача, которая в момент нажатия на спусковой крючок кидает стрелка назад, а потом через какое-то время винтовка «клюёт» носом вниз. Подобные вектора очень мешают стрельбе на далёкие расстояния, существенно усложняя её. Кроме того, подобные силы разнонаправленного рода очень быстро разрушают прицелы, которые на пневматических винтовках живут меньше, чем на огнестрельном оружии!
Так как взведение этой винтовки в боевое положение требует физических усилий, после нескольких итераций взвода у стрелка начинают существенно дрожать руки, ввиду физического утомления. Таким образом, к конструктивным особенностям оружия начинает добавляться человеческий фактор, который ещё более усложняет процесс пострелушек. И это основные причины — «миграции» стрелков с пружинно-поршневых винтовок — к РСР-агрегатам (однако, как выяснилось, там свои подводные камни).
Ну, так вот… Это было такое небольшое лирическое отступление, вернёмся обратно к нашим PCP винтовкам. На дворе шёл приблизительно 2010 год, и в процессе общения с людьми я увидел, что очень большой проблемой является заправка воздухом высокого давления. Здесь каждый извращался как мог: кто-то ходил с баллонами высокого давления в пожарную часть своего города, куда ему накачивали «большими страшными компрессорами» этот воздух, а кто-то мастерил самодельные ручные насосы, которыми накачивал те же самые баллоны, либо прямо в винтовку…
Здесь следует немного прояснить ситуацию для тех, кто не в курсе происходящего, так как далёкий от этой сферы человек, сразу мог бы подумать: «а зачем вообще нужно закачивать воздух, ведь в каждом магазине практически на виду лежат баллончики со сжатым углекислым газом, который частенько используется развлекательным оружием?»
Картинка: www.pnevmat24.ru
Тут всё очень просто: дело в том, что в этих углекислотных баллончиках давление сжатого газа составляет приблизительно 70 атмосфер. В PCP винтовках используется давление сжатого воздуха порядка 200 атмосфер и более. Это связано с тем, что диаметр пульки очень маленький, и чтобы её разогнать до существенных скоростей, приходится прикладывать на эту маленькую площадь существенное давление.
Некоторое время назад я даже делал про это пост: как во времена наполеоновских войн французскими войсками использовались пневматические винтовки достаточно большого сечения ствола, которым было достаточно всего лишь 30 атмосфер, закачиваемых ручным насосом, чтобы успешно поражать неприятеля, на расстоянии порядка 150 шагов.
Источник картинки: www.drive2.ru
Оружие было настолько эффективным, что в войсках, противостоящих наполеоновским, был издан приказ: стрелков, пойманных с этим пневматическим оружием — в плен не брать!
Таким образом, мы видим прямую зависимость между диаметром пули и её скоростью. И именно за скоростью гнались все стрелки с PCP оружием. Как правило, в те годы, множество самодельных конструкций выглядели, перефразируя известную песню, «на лицо ужасные — ужасные внутри» :-)))
Картинка: popgun.ru
Картинка: popgun.ru
Дело тут вот в чём: чем больше мы сжимаем воздух, тем больше он сопротивляется нашим усилиям его сжать. Таким образом, чтобы обойти это противоречие, с повышением давления — приходится уменьшать и диаметр качающего устройства.
Всё это делается для того, чтобы скромные человеческие силы позволили производить эту работу (ведь далеко не каждый является обладателем титула «Мистер Олимпия» и жмёт от груди 300 кг, верно? :-))
Покупные насосные конструкции, как правило, представляют собой многоступенчатые агрегаты. И если мы говорим о ручном насосе высокого давления, то он состоит из трёх камер. При осуществлении процесса качания — воздух поступенчато перетекает из одной камеры в другую, при этом его давление возрастает.
Картинка: gunshouse.ru
Тут также налицо противоречие: несмотря на достаточную простоту устройства, процесс накачки не радует скоростью. Кроме того, ещё и является достаточно утомительным. Я специально собирал статистику, и она говорит вот о чём: что в среднем, владельцы PCP винтовок накачивают их до рабочего давления, примерно за 100 «качков». И это, если винтовка не была опорожнена полностью, а в ней всего лишь «несколько упало давление»! Таким образом, если вы будете накачивать винтовку с нуля — увеличьте количество качков как минимум вдвое!
Картинка: www.popgun.ru
Картинка: www.popgun.ru
Не забываем ещё и такой момент, что усилие сопротивления постоянно возрастает и последние 30–40 раз, вам надо будет накачивать, фактически падая всем весом на рукоятку насоса. Таким образом, это занятие не для «худых дрищей» :-). Ну, а как вы хотели: всё, как и положено, любишь кататься — люби и саночки возить…
А теперь, как говорится, см. выше: руки-то, устали! Как после этого ещё и метко стрелять?! Да, конечно, существенный плюс PCP винтовки, отсутствие двунаправленного вектора отдачи и, конечно, это упрощает процесс: отдача всего лишь однонаправленная, отбрасывающая стрелка назад. Кроме того, в те годы дела с покупными насосами высокого давления обстояли не так хорошо. Их было достаточно немного, и стоили они недёшево.
Альтернативой им являлись покупные компрессоры высокого давления, предназначенные для накачки баллонов аквалангов. Однако подобное оборудование никогда не стоило дёшево и его стоимость всегда выглядела как «вторая космическая».
Дело не только в брендах, под которыми оно производится, дело также и в конструкции аппарата, которая является безмасляной (чтобы не засорять парами масла сжимаемый воздух), так как этот воздух будет в дальнейшем использоваться для дыхания и должен быть сверхчистым; соответственно, сложность конструкции и специфические используемые материалы…
И тут меня словно поразила молния:, а что если производить такие аппараты?!
И работа закипела…
Сразу скажу, что ничем подобным я до тех пор не занимался, и даже не представлял себе, с какой стороны к этому подступиться. Я рассказал эту идею своему другу, и мы с ним (с некоторой периодичностью) начали заниматься процессом разработок. Сразу скажу, что насколько этот процесс сложный — настолько и увлекательный: всегда очень приятно и даже удивительно видеть, как благодаря твоим усилиям, появляются какие-то реально сложные вещи!
Как я уже говорил в одной из статей, меня очень привлекает именно реалистичность процессов, когда некие идеи выходят у тебя из головы в реальную жизнь, не оставаясь только за экраном, в виде чего-то виртуального, в виде только кода или чего-то подобного. Когда ты можешь это потрогать, подержать в руках… Ну и ещё это просто здорово, чёрт возьми!
Так как мы не знали, с какой стороны подступиться к этому вопросу, мы решили пойти проверенным путём — просто купили покупной ручной насос высокого давления, разобрали и изучили его, и поняли, что он многим хорош, кроме одного — он слишком длинный. А хотелось бы создать некое компактное устройство! Да, конечно, в интернете даже в те годы уже были самоделки, подобные вот такому устройству, которое работает «враскачку»:
Однако компактным его не назвать, равно как и переносным!
И мы подумали вот о чём: ведь ручной насос настолько длинный только по одной причине — чтобы человек, за вменяемое время, совершив не слишком большое количество качков — мог наполнить резервуар воздухом.
А что, если предположить, что у нас будут насосы такого же или подобного устройства, но маленькие и совершающие достаточно частые качки?
И мысль начала активно работать в этом направлении: А что, если этот насос будет не просто коротеньким, а будет разбит на несколько отдельных мини-насосов?
Так как обычно у этих насосов высокого давления с ручным приводом наблюдается избыточный нагрев, накапливающийся в ограниченном пространстве, что приводит к необходимости либо качать с паузами на остывание насоса, либо соответствующим образом подобрать темп накачки.
Таким образом, если отдельные ступени насоса мы выполним в виде совершенно отдельных агрегатов, то сброс накопленной температуры в окружающую среду только улучшится, причём существенно!
Хорошо, с этим понятно, а как же приводить в действие всю эту массу насосов? «Бензиновый двигатель!» — подумали мы и решили использовать для этих целей мотор-редуктор, который используют для сверления цилиндрических отверстий в земле под столбы и т.д.
Он очень мощный (порядка трёх лошадиных сил) и имеет редуктор, понижающий скорость вращения и повышающий момент. Нам ведь не нужна большая скорость, так как большая скорость — это большой нагрев и большие проблемы.
Тут следует сделать небольшое отступление и сказать, что помимо температуры — большой проблемой является и естественная влажность воздуха. Так как при быстром сжатии воздуха и последующем его охлаждении, чем больше был перепад температур и быстрее остывание, тем больше влаги осаждается из сжатого воздуха на все рабочие поверхности сосудов высокого давления.
Причём это не ограничивается только компрессорными и насосными агрегатами — гниют изнутри и резервуары высокого давления самих винтовок! Поэтому медленное сжатие с помощью нескольких отдельных ступеней — отличное решение.
Хорошо, а что должна представлять собой каждая из ступеней? В теории — есть даже специальные соотношения между перепадом диаметров отдельных ступеней, которые подобраны, имеют вполне чёткий табличный вид, но, к сожалению, в данный момент я их уже не помню.
Если по-простому, цель заключается в том, чтобы сжимать воздух с небольшими перепадами между сжимающими цилиндрами (чтобы минимизировать тепловыделение при сжатии), то есть, грубо говоря, первая ступень насоса имеет диаметр в 50 мм, вторая ступень должна иметь 48 мм, третья 46 мм и так далее (к цифрам сильно не придирайтесь, так как я уже забыл эти табличные значения и это было давно, поэтому я просто приблизительно очертил, как это должно выглядеть, чтобы вам было понятно). Но на практике так не делают, потому что вы, наверное, представляете, сколько тогда нужно будет цилиндров, поэтому на практике используют всего несколько ступеней: 3–4.
Мы подумали вот о чём:, а что, если взять стандартную пневматическую арматуру? То есть, пневматический цилиндр, пневматические клапаны и т. д., широкая номенклатура которых имеется в продаже? Был найден в Москве один из старейших заводов, который производит подобные элементы и гораздо дешевле, чем итальянцы (известные фавориты в этой сфере). Название завода говорить не буду, дабы не обвинили в рекламе.
В качестве ступени высокого давления решили использовать гладкий самодельный цилиндр с внутренним сечением порядка 8 мм; с поршнем, на которой были надеты колечки-герметизаторы на конце. В качестве поршня был использован стандартный стальной шток от выпускных клапанов легкового автомобиля: сверхжёсткая полированная сталь с азотированием поверхностного слоя. Герметизация штока — чёрный коксонаполненный фторопласт Ф4К20 (поршневые кольца, если по-простому). По официальным данным, скользкость и стойкость к высоким температурам позволяют применять его в виде поршневых колец, для работы вообще без смазки (медицинские дыхательные компрессоры так, кстати, и устроены). Коэффициент трения у него меньше, чем у двух мокрых кусков льда. В общем, всё по-взрослому.
Опыт в производстве подобных самодельных цилиндров в дальнейшем сослужил нам замечательную службу, так как мы научились с нуля производить цилиндры, зеркальные изнутри, — любого диаметра! Фактически после обретения такого скилла, можно создать свою пневматическую или гидравлическую систему, с лёгкостью изготовив её полностью и с нуля самому!
Вкратце, если кому интересно, изготовление подобных цилиндров, выглядит следующим образом — в цилиндре из металла соответствующего типа высверливается отверстие.
Мы, в качестве подобного металла — использовали бронзу БрАЖ. Отличная штука, кстати, и гораздо дешевле, чем бронза, содержащая олово. В отличие от неё, она обладает ещё одним плюсом: во время сверления из-за нагрева, эта бронза упрочняется, и это положительно сказывается на износоустойчивости цилиндра (хотя у бронзы срок службы и так почти вечный, — у меня на токарном станке по металлу — бронзовые детали 1950-х годов. Хоть бы хны). Этим свойством бронза БрАЖ обязана железу, содержащемуся в её составе.
Ну, так вот: сверлится отверстие, которое приблизительно на одну десятую миллиметра меньше требуемого сечения. Например, нам требуется зеркальный канал диаметром 12 мм. Отверстие сверлится диаметром в 11,9 мм и прямо сквозь него продавливается с использованием автомобильного домкрата и металлического штыря — шарикоподшипник, диаметром в 12 мм. В процессе нужно обильно смазывать всё машинным маслом.
И на выходе вы будете иметь идеальный зеркальный канал! Здесь есть небольшой лайфхак: канал будет содержать небольшие поперечные бороздки, так как автомобильный домкрат не действует непрерывно, а останавливается, так как мы поддомкрачиваем отдельными качками. Это не критично, но лучше будет использовать домкраты непрерывного действия, которые имеются в автосервисах. Тогда вы гарантированно получите идеальный зеркальный канал. Единственной проблемой в таком случае будет приобретение сверла нужного диаметра, так как подобные специфические диаметры — нечастые гости в магазинах.
Отлично, вся система придумана, а теперь — как же приводить её в действие? Тут появилась идея использовать подсмотренный в Википедии принцип так называемой «качающейся планшайбы»:
Картинка: Van helsing
В результате родился аппарат, который, несмотря на свой страшный вид, вполне неплохо работал:
Кстати сказать, мы были не одиноки в использовании подобного принципа, так как подобного типа конструкция широко используется в компрессорных агрегатах автомобильных кондиционеров:
Картинка: bycars.ru
Вторая итерация этого аппарата была уже очень компактной, однако, когда мы уже практически её закончили, нам пришла в голову ещё более интересная идея:, а что, если сделать рюкзачную версию этого компрессора?!
Мысль лихорадочно заработала, в результате чего была разработана следующая конструкция:
Были взяты 2 бензиновых двигателя от триммера для стрижки газонов, и модифицированы следующим образом: один из них стал тягловым, который должен будет тянуть всю конструкцию, а второй был переделан в компрессор!
Это, кстати, была весьма интересная идея, так как обычно в стандартных компрессорах цилиндро-поршневая группа существенно слабее, чем у двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, если мы делаем компрессор из двигателя внутреннего сгорания, он получается с существенно более большим запасом прочности, чем любой стандартный компрессор!
Однако проблема здесь заключается вот в чём: так как бензиновый двухтактный двигатель в процессе работы требуется смазывать, необходимо каким-то образом реализовать и эту систему.
Для этих целей мы взяли подсмотренное у стандартных пневматических систем решение — использование «лубрикатора».
Картинка: www.220-volt.ru
Это такое устройство, которое автоматически распыляет машинное масло во всасываемый воздух. Таким образом, компрессор постоянно «дышит» воздухом, который содержит пары масла и благодаря этому — смазывается. Конечно, на выходе после этого компрессора масло необходимо каким-то образом улавливать.
Кроме того, поршень двигателя также подвергся модификации: на него была установлена стальная вторая ступень, которая представляла собой всё тот же шток выпускного клапана легкового автомобиля.
Также верхушка цилиндра двигателя была выровнена на токарном станке, в ней было высверлено отверстие, в которое вставлялась (и закручивалась гайкой, установленной внутри цилиндра) — ступень высокого давления, которая представляла из себя бронзовый цилиндр, на который надета водяная рубашка охлаждения.
Вместо свечи зажигания — вкручивался выпускной клапан от стандартной пневматической аппаратуры, на давления до 10 бар.
Установка содержала центробежную помпу (хорошо видна на фото ниже), которая была установлена вместо стандартной «заводилки» (то бишь, армстартера) на компрессорном модуле. Помпа была распечатана на 3D принтере и прокачивала воду сквозь систему охлаждения ступени высокого давления. Резервуаром воды выступал бывший бензобак, расположенный под компрессорным модулем.
Работала установка следующим образом: двигатель всасывал воздух через стандартное отверстие, где раньше был установлен карбюратор, а в процессе всасывания воздух насыщался парами масла и сжимался внутри цилиндра первой ступени.
Дальше воздух выбрасывался через отверстие, где раньше была свеча зажигания (а теперь был установлен клапан). Выброшенный воздух охлаждался, и масло с конденсированными водяными парами оседало внутри уловителя. Воздух охлаждался внутри змеевика и подавался на ступень высокого давления, где и дожимался до финального давления.
Для соединения компрессорного модуля и двигательного модуля использовалась стандартная система центробежного сцепления: с одной стороны — стояла чашка сцепления, а с другой стороны — раздвигающиеся губки (то есть, всё абсолютно то же самое, что и в стандартных бензокосах). Когда двигатель набирал обороты, он плавно «подхватывал» компрессор и начинал его тянуть.
В это сложно поверить, но результаты работы установки были поразительными:
- бензиновый двигатель — это не электрический двигатель, работающий на стандартных оборотах (приблизительно в районе 2.500–2800 об/мин). Бензиновый двигатель мотокосы разгоняется до гораздо больших оборотов. Соответственно, и совершенно иная результативность работы! (Разные источники называют разные цифры — в пределах от 4000 до 12000 об/мин, так что, вопрос дискуссионный);
- благодаря особому устройству головки высокого давления — добиться максимального давления, больше которого установка не смогла бы выдать — не удалось! Когда мы замеряли давление на выходе специальным манометром высокого давления — установка клала у него стрелку! (а другого манометра, на большую градуировку не было, даже на алиэкспресс). То есть, стрелка быстро проходила всю градуированную шкалу и ложилась с противоположной стороны! А это, на минуточку, более 400 бар! По моим ощущениям и по скорости роста давления, это установка может выдать порядка 600 бар.
Причём — это носимая рюкзачная установка! Покажите мне носимый рюкзачный аналог из мировой практики — и я первый побегу на него смотреть…
Чтобы вы понимали, что это за давление, вот некоторые цифры: насколько мне известно, давление внутри ствола охотничьего ружья, в момент выстрела — порядка 100 бар; у дульного среза автомата Калашникова — порядка 800 бар.
Основной секрет был вот в чём (сейчас я уже могу об этом говорить, так как мы не планируем продолжать разработки): головка поршня высокого давления. Она заканчивалась «чашечкой» из фторопласта Ф4К20.
Принцип действия был следующим: чем больше давление — тем сильнее края «чашечки» разжимало в стороны и крепче прижимало к стенкам цилиндра!
То есть, в отличие от поршневых колец (которые имеют некую конечную величину герметизации и начинают «травить» при определённом давлении), наша чашечка — могла качать, условно говоря, «сколько угодно». Чем больше давление — тем сильнее герметизация! Понятно, что я говорю это утрировано, однако, предел так и не был достигнут! О_о
Кроме того, специфическое устройство имело и дно головки поршня:
Чуть позже, на базе этого же компрессорного модуля был сделан и домашний вариант:
Он представляет собой всё тот же самый компрессорный модуль, соединённый с электродвигателем на 220 вольт и скоростью вращения 2800 об/мин.
Из интересных моментов: на фото можно видеть, что наверху компрессора лежит секция стандартной батареи отопления. Это не чей-то глум :)
Воздух, сжатый ступенью высокого давления, выходит из неё в тончайший медный змеевик, который был взят у установщиков кондиционеров. Этот змеевик имеет длину порядка 3 м и внутреннее проходное сечение 0,75 мм. Сжатый воздух проходит через этот змеевик, уложенный прямо внутри батареи отопления, в которую налита вода. Благодаря этому, сжатый воздух эффективно охлаждается и из него удаляется чуть ли не вся вода, которая собирается на выходе в специальном резервуаре. Странное, но весьма эффективное и простое решение.
На случай протечек воздуха высокого давления, резервуар с водой постоянно открыт, то есть, даже если воздух где-то будет немножко пропускать — максимум немножко побулькает вода и ничего не разорвётся.
Вот такие устройства были нами разработаны.
«А что же было дальше?!» — Спросите вы. А дальше было самое интересное — мы просто взяли и плюнули на всё! :) Наверное, нас скосило то же самое, что косит большое количество стартаперов: просто какая-то усталость от проекта в целом и насыщенной работы над ним…
Кроме того, стали появляться сначала понемногу, а потом и достаточно массово — китайские компрессоры высокого давления, электрического типа. Это было последней каплей, после которой мы «высоко подняли одну руку и резко её опустили». Хотя, может быть, и не обосновано.
Тем не менее даже на сегодняшний день я не знаю подобных проектов, которые предлагают носимую рюкзачную установку с такими параметрами! Так как любой электрический вариант, так или иначе, привязан к бытовой электросети (или нужно таскать с собой генератор, что тоже «несколько уменьшает мобильность», скажем так).
Вот приблизительно такая история приключилась в моей жизни. Надеюсь, вам было интересно про всё это почитать.
