Статьи

Оболочка из композиционного материала и способ изготовления оболочки из композиционного материала

Опубликовано: 02.09.2018

Группа изобретений относится к области машиностроения и может быть использована в конструкциях газовых, нефтяных и всех подобных трубопроводов с использованием труб из композиционных материалов, в частности стеклопластиковых, а также в системах вооружений, например транспортно-пусковых контейнерах или трубах ракетно-артиллерийских комплексов. Оболочка, получаемая методом косослойно продольно-поперечной намотки, содержит два семейства армирующего материала, развернутых относительно образующей оболочки под разными по абсолютной величине углами. Способ получения оболочки заключается в смещении ленты из продольного и поперечного армирующего материала относительно центрального сечения вертлюга при ее намотке на оправку. Технический результат – расширение области применения оболочек. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к области машиностроения и может быть использована в конструкциях газовых, нефтяных и всех подобных трубопроводов с использованием труб из композиционных материалов, в частности стеклопластиковых, а также в системах вооружений, например транспортно-пусковых контейнерах или трубах ракетно-артиллерийских комплексов.

Рассматривается конструкция цилиндрических оболочек или труб из композиционных материалов, выполненных намоткой на оправку пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала.

Одним из видов таких оболочек являются оболочки, изготовленные косослойно продольно-поперечной намоткой (КППН), в которых армирующий материал расположен лентой в виде продольных по ленте жгутов, ориентированных в оболочке в кольцевом направлении, оплетенных нитями, ориентированных в оболочке в осевом направлении.

Известна силовая оболочка радиопрозрачного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика для устройств электромагнитного каротажа скважин (патент РФ 2586227 С2, МПК F17C 1/16 (2006.01), опубл. 10.06.2016, бюл. №16). Силовая оболочка изготовлена косослойно продольно-поперечной намоткой стеклобазальтоволокна на оправку, при этом поперечная укладка, т.е. по кольцу по отношению к оси оправки, выполнена базальтовым волокном, пропитанным компаундом на основе эпоксидной смолы, а продольная укладка, т.е. параллельно оси оправки, выполнена стеклонитью, которая оплетает базальтовое волокно.

Известна труба из композиционных материалов и способ ее производства (заявка на изобретение 2001134004, МПК F16L 9/12 (2000/01), дата публикации заявки: 10.08.2003). Труба из конструкционных материалов выполнена из армирующих материалов в виде чередующихся монослоев с поперечной продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, при этом в продольном направлении армирующий материал уложен зигзагом, вершины каждой петли зигзага зафиксированы прижимными стеклонитями, образуя косослойную продольно-поперечную структуру, при которой продольно и поперечно уложенный армирующий материал образует слоистую структуру,

Силовая оболочка из композиционных материалов по патенту RU 2586227, изготовленная методом КППН, является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Известен способ изготовления стеклопластикового изделия (патент RU 2236716 С1, МПК Н01В 19/00 (2000.01), опубл. 20.09.2004, бюл. №26), заключающийся в намотке стекловолокна на оправку с помощью укладчика косослойно продольно-поперечным способом, при котором часть стекловолокна поступает на оправку через пропиточный узел и наматывается на нее по кольцу, т.е. в поперечном направлении по отношению к оси оправки при ее вращении, а часть стекловолокна поступает с вращающегося укладчика (вертлюга) на стекловолокно, идущее из пропиточного узла на оправку, и оплетает его параллельно оси оправки.

Метод косослойной продольно-поперечной намотки, при котором на вращающуюся оправку укладывается лента из пропитанного связующим непрерывного армирующего материала в виде жгутов, располагающихся в кольцевом направлении, и продольных нитей, охватывающих жгуты ленты с образованием двух семейств нитей, развернутых в разные стороны от образующей оболочки, с образованием непрерывных спиралей, является наиболее распространенным способом изготовления труб из композиционных материалов (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. 516 с., ил. - С. 185-186).

Способ изготовления оболочки из композиционных материалов по патенту RU 2236716 является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Используемый в названии метода термин «продольно» несколько условен, так как нити, оплетая движущуюся с постоянной скоростью ленту, располагаются под некоторыми, симметричными относительно поперечного сечения, ленты углами и соответственно в оболочке под симметричными углами к образующей.

Симметричность (равенство по абсолютной величине) углов отклонения нитей в одну и другую стороны от поперечного сечения ленты и соответственно от образующей в оболочке получается автоматически, так как лента стандартно проходит сквозь вертлюг в его диаметральном сечении, а ее продольная ось совмещена с центром вращения вертлюга. В результате в оболочке образуется два семейства нитей: одно с отклонением от образующей на угол +ϕ, другое с отклонением от образующей на угол -ϕ, при этом количество нитей в одном семействе равно количеству нитей во втором семействе.

Такой способ обеспечивает стандартное осесимметричное расположение армирующего материала в оболочке, при котором она деформируется осесимметрично при действии осесимметричных нагрузок, например внутреннего давления или осевой силы.

Целью заявляемой группы изобретений является создание оболочки (трубы), в которой торцы разворачиваются (закручиваются) один относительно другого при действии осесимметричной нагрузки, например внутреннего давления или осевой силы. Техническая и эксплуатационная эффективность подобной конструкции поясняется двумя, но не единственными, примерами.

1. Труба для перекачки жидких или газообразных сред с резьбовыми соединительными законцовками. Известно, что все соединения под нагрузками ослабевают («расходятся»). При использовании труб, скручивающихся под давлением, соединение будет дополнительно затягиваться при действии рабочего давления, т.е. в процессе эксплуатации.

2. Пусковая труба, из которой производится выстрел снаряда, гранаты, ракеты и т.д. Для осевой стабилизации выбрасываемого устройства - придания ему вращательного движения - пусковые установки снабжаются всевозможными направляющими: канавками, ребрами и т.д., наподобие винтовой нарезки в стволе стрелкового оружия. При использовании труб с закруткой в момент выстрела - взрывного внутреннего давления - в трубе образуется крутящий импульс в окружном направлении, который придаст вращательное движение снаряду при старте.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простой и технологичной конструкции оболочки, в которой бы при действии осесимметричных нагрузок, в частности внутреннего давления, один торец разворачивался (скручивался) относительно другого торца на некоторый угол при повышенной надежности в эксплуатации и простоте изготовления.

Техническим результатом от использования группы изобретений, связанных настолько, что образуют единый изобретательский замысел, является достижение дополнительных эксплуатационных качеств при сохранении, а в некоторых случаях и повышении надежности и технологичности, что обеспечивает расширение области применимости оболочек из композиционных материалов с новыми эксплуатационными характеристиками.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что:

- в оболочке из композиционного материала, выполненной методом намотки на оправку ленты из пропитанного связующим непрерывного армирующего материала в виде жгутов, расположенных в кольцевом направлении, и продольных нитей, охватывающих жгуты ленты с образованием двух семейств нитей, развернутых в разные стороны от образующей оболочки, с образованием непрерывных спиралей, согласно изобретению угол расположения продольных нитей к образующей оболочки одного семейства отличается по абсолютной величине от аналогичного угла расположения нитей другого семейства;

- в способе изготовления оболочки из композиционного материала, заключающемся в намотке на оправку ленты из кольцевых жгутов, обматываемых при прохождении сквозь вращающийся вертлюг поперечными нитями, располагающимися под углом к образующей оболочки, согласно изобретению лента смещена относительно диаметрального сечения вертлюга, при этом угол расположения продольных нитей в оболочке связан со смещением ленты относительно диаметрального сечения вертлюга соотношением:

- для одного семейства нитей

;

- для второго семейства нитей

:

где: R - радиус оправки;

nопр - количество оборотов оправки в единицу времени;

h - величина смещения ленты относительно диаметрального сечения вертлюга;

rверт - внутренний радиус вертлюга;

δ - ширина наматываемой ленты;

nверт - количество оборотов вертлюга в единицу времени;

ϕ1, ϕ2 - угол наклона первого и второго семейства нитей к образующей оболочки соответственно.

Армирующий материал, расположенный по спирали одним семейством с отклонением в одну сторону от образующей оболочки, при действии осевой растягивающей силы, а при внутреннем давлении возникает и осевая растягивающая сила, будет стремиться выпрямиться, что приведет к закручиванию (развороту) одного торца оболочки относительно другого. Для исключения подобного эффекта стандартно все спиральные намотки, а КППН является частным случаем спиральной намотки, выполняются с симметричным относительно образующей расположением армирующего материала, при котором закручивающее усилие одного семейства уравновешивается закручивающим усилием другого семейства.

В предлагаемом решении одно семейство располагается под углом, отличным от угла расположения другого семейства. В этом случае закручивающие усилия в двух семействах будут разными и появится некоторое результирующее усилие, равное алгебраической сумме двух действующих, которое приведет к закручиванию одного торца относительно другого. Величину закрутки можно регулировать величиной различия углов укладки двух семейств армирующего материала.

Отличительными от прототипа признаками оболочки из композиционных материалов являются следующие:

- угол расположения продольных нитей к образующей оболочки одного семейства отличается от аналогичного угла расположения нитей другого семейства.

Отличительными от прототипа признаками способа изготовления оболочки из композиционных материалов являются следующие:

- лента смещена относительно диаметрального сечения вертлюга, при этом угол расположения продольных нитей в оболочке связан со смещением ленты относительно диаметрального сечения вертлюга соотношением:

- для одного семейства нитей

;

- для второго семейства нитей

:

где: R - радиус оправки;

nопр - количество оборотов оправки в единицу времени;

h - величина смещения ленты относительно диаметрального сечения вертлюга;

rверт - внутренний радиус вертлюга;

δ - ширина наматываемой ленты;

nверт - количество оборотов вертлюга в единицу времени;

ϕ1, ϕ2 - угол наклона первого и второго семейства нитей к образующей оболочки соответственно.

Указанные отличительные признаки заявляемой группы изобретений, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков неизвестна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Группа изобретений поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемым чертежом.

На фиг. 1 представлена схема изготовления оболочек косослойно продольно-поперечным способом намотки и оболочка на оправке с расположенными в ней армирующим материалом.

Оболочка из композиционного материала 1 выполнена методом намотки на оправку 2 проходящей сквозь вертлюг 3 ленты 4 из пропитанного связующим непрерывного армирующего материала в виде жгутов 5, расположенных в кольцевом направлении, и продольных нитей, охватывающих жгуты 5 ленты с образованием двух семейств нитей 6 и 7, развернутых в разные стороны от поперечного сечения ленты и образующей оболочки - углы ϕ1 и ϕ2.

Конструкция оболочки и способ ее изготовления с использованием предложенных технических решений промышленно осуществимы с использованием известных средств и методов и обеспечивают реализацию указанного назначения.

Экспериментальная проверка подтвердила заявляемые эксплуатационные качества и надежность предложенной конструкции.

1. Оболочка из композиционного материала, выполненная методом намотки на оправку ленты из пропитанного связующим непрерывного армирующего материала в виде жгутов, расположенных в кольцевом направлении, и продольных нитей, охватывающих жгуты ленты с образованием двух семейств нитей, развернутых в разные стороны от образующей оболочки, с образованием непрерывных спиралей, отличающаяся тем, что угол расположения продольных нитей к образующей оболочки одного семейства отличается от аналогичного угла расположения нитей другого семейства.

2. Способ изготовления оболочки из композиционного материала, заключающийся в намотке на оправку ленты из кольцевых жгутов, обматываемых при прохождении сквозь вращающийся вертлюг поперечными нитями, располагающимися под углом к образующей оболочки, отличающийся тем, что лента смещена относительно диаметрального сечения вертлюга, при этом угол расположения нитей связан со смещением ленты относительно диаметрального сечения вертлюга соотношением:

- для одного семейства нитей

- для второго семейства нитей

где: R - радиус оправки;

nопр - количество оборотов оправки в единицу времени;

h - величина смещения ленты относительно диаметрального сечения вертлюга;

rверт - внутренний радиус вертлюга;

δ - ширина наматываемой ленты;

nверт - количество оборотов вертлюга в единицу времени;

ϕ1, ϕ2 - угол наклона первого и второго семейства нитей к образующей оболочки соответственно.

Новости

Где купить аксессуары на мобильное устройство

Представить себе современную жизнь без присутствия в ней "умных вещичек" из мира цифровой техники для модного и преуспевающего человека очень сложно. У каждого всегда имеются при себе либо планшет,

Увлекательный поход по Крыму

Природа нашей страны всегда была величественной и прекрасной. Это можно понять и увидеть воочию только тогда, когда пройдёшься пешком по своей стране. Путешествие пешком всегда было одним из привлекательных.

Где купить аксессуары для телефона

В современном мире Интернет стал настолько развитым, что научные технологии, которые применяются ею, позволят ему предлагать различные услуги намного рациональнее и перспективнее, чем ранее. Сейчас

Бампера нива урбан
Знаете, сколько времени было отпущено внедорожнику ВАЗ-2121? До 2006 года. Незадолго до 30-летия легендарная «Нива» должна была отправиться на покой. Но не отправилась

Ваз 12
Производство модели началось с 1999 года с укороченным (по сравнению с ВАЗ-2110) до 4170 мм пятидверным кузовом хэтчбек (объём багажника 400 л), за счёт чего у машины более чёткие реакции на

Задний бампер лансер 9
На японском автомобиле Mitsubishi Lancer 9 и 10 бампер является не только функциональной защитой, но и продолжением кузова и, даже элементом тюнинга. Он поглощает часть энергии при столкновении, в нем

Бампер передний киа спортейдж 3
Отсоединение фиксаторов крепления нижней крышки (A) снимаем блок-фары, поворотники и фонари противотуманки; Отсоединение ЛЕВОЙ противотуманной фары (A) и указателя поворота (B) Отсоединение ПРАВОЙ противотуманной

Продать лесовоз
Часто в нашей случаются ситуации, когда срочно требуются продать специализированную технику, например, тот же лесовоз. Но владельцы такого имущества прекрасно знают, что сделать это непросто, поскольку

Лукойл авангард sae 30
ЛУКОЙЛ АВАНГАРД SAE 30 – серия высококачественных сезонных (летних, в соответствии с SAE J 300) моторных масел. Масла соответствуют по ГОСТ М-10, 12. Масла ЛУКОЙЛ АВАНГАРД SAE 30 производятся на

Бампер задний шевроле нива
Для замены переднего бампера на Шеви Нива потребуется: ключи «на 8», «на 10», «на 13», ключ для гаек колес, отвертка. Как все инструменты подготовлены снимите передние колеса с автомобиля и передние

rss