Использование температурного поля в качестве управляющего фактора для снижения остаточных напряжений в намоточной конструкции из армированного реактопласта

УДК 678.067.94

Р. С. Зиновьев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В КАЧЕСТВЕ УПРАВЛЯЮЩЕГО ФАКТОРА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В НАМОТОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ АРМИРОВАННОГО РЕАКТОПЛАСТА

Аннотация. Показано, что при определенного вида намеренно создаваемом неоднородном охлаждении можно не только количественно, но и качественно изменять эпюру остаточных радиальных напряжений. Предложено использовать неоднородное температурное поле как управляющий фактор, регулирующий величину и кинетику остаточных напряжений.

Ключевые слова: намоточные конструкции, подшипники скольжения, армированные реактопласты, формование внешним давлением.

Abstract. The article shows that a certain type of specially induced non-uniform cooling allows to change the distribution of radial residual stress in terms of quality and quantity. It is suggested to use a non-uniform temperature field as a controlling factor to adjust the value and kinetics of residual stress.

Key words: wound structures, friction bearings, reinforced thermosetting plastics, pressure molding.

В работах Болотина В. В., Бидермана В. Л., Образцова И. Ф., Томашев-ского В. Т., Яковлева B. C., Шалыгина В. Н. показано, что при намотке армирующего наполнителя с достаточно малым усилием натяжения величина остаточных напряжений в готовой конструкции определяется в основном температурными напряжениями, возникающими на этапе термообработки полуфабриката [1-6]. Этим объясняется важность изучения возможности управления технологическими напряжениями с помощью температурных полей. Для этого надо выявить «неблагоприятные» температурные режимы и перепады температур с тем, чтобы использовать «благоприятное» температурное поле с целью снижения напряжений а* и даже смены их знака. Благоприятные температурные режимы могут быть использованы при разработке новых технологических процессов термообработки для исключения вероятности расслоений путем снижения остаточных напряжений. Они могут стать дополнением к известным силовым методам снижения технологических напряжений таким, как программированная силовая намотка и послойное отверждение.

Выявленные качественно новые эффекты позволили подойти к обоснованному выбору рациональных режимов отверждения толстостенных цилиндрических изделий из полимерных композитных материалов (ПКМ), обеспечивающих заданную кинетику температурных остаточных напряжений в процессе термообработки. Использование неоднородных по толщине благоприятных температурных полей при термообработке опорных колец из стеклопластика с внутренними диаметрами Dв = 1300 и 1500 мм и наружными диаметрами DK = 1700 и 2050 мм, предназначенных для крепления статорной обмотки турбогенераторов ТВВ-500 и ТВ-1200, позволило не только

изготовить кольца без расслоений, но и значительно (почти в 5 раз) сократить время термообработки [7].

Изменение температуры Т по толщине заготовки (т - относительная толщина стенки заготовки) условно можно разделить на три типа (рис. 1). Неоднородность температурного поля, обусловленная только тепловой инерцией (тип 1), характеризуется тем, что центральные слои заготовки нагреты сильнее, чем слои, прилегающие к наружной и внутренней поверхностям, а скорости охлаждения наружной и внутренней поверхностей равны

(^охл = ^охл). Такая неравномерность соответствует наиболее распространенному традиционному режиму охлаждения с одним теплоносителем.

1,05 1,1 1,15 т 1,05 1,1 1,15 т 1,05 1,1 1,15 т

Рис. 1. Типы температурных полей при охлаждении трубчатой заготовки

Влияние такой неоднородности температурного поля на кинетику остаточных напряжений при охлаждении ортотропного цилиндра рассматривалось в работах Томашевского В. Т., Наумова В. Н., Шалыгина В. Н. [8], Огилько Т. Ф. [9], Бахарева С. П., Миркина М. А. [1]. Исследование этой схемы охлаждения привело к выводу, что более рациональным является охлаждение в однородном температурном поле.

В работе [2] показано, что использование на этапе охлаждения внутреннего обогрева (тип 2) при изготовлении намоточных конструкций методом опрессовки канатом позволяет существенно повысить уровень сжимающих напряжений в оболочке и тем самым улучшить качество материала.

Наиболее эффективным с точки зрения управления температурными напряжениями представляется неоднородное по толщине заготовки охлаждение, создаваемое двумя теплоносителями, омывающими заготовку снаружи и изнутри и охлаждающими наружную и внутреннюю поверхности с разной скоростью (тип 3 - наружные слои заготовки нагреты выше внутренних). Это позволяет реализовать широкий спектр перепадов температур при охлаждении, в том числе благоприятных.

Афанасьевым Ю. А. проведены расчетные оценки [3] кинетики максимальных температурных напряжений а™* (Т) при оптимизации отдельных

параметров температурного поля при заданных значениях других. Рассмотрение осуществлялось для толстостенной намоточной конструкции из стеклопластика с геометрическими, физико-механическими и теплофизическими характеристиками, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета температурных напряжений на этапе охлаждения

Геометрические характеристики, м Физико-механические характеристики Теплофи характе зические ристики

Яв Ян Еф, МПа Ег, МПа ьТ II -11 аг, град 'Г (Й & а

0,075 0,112 3,475-104 1,25-104 1,65 5,5-10-5 1,4-10-5

На рис. 2 представлена кинетика максимальных температурных напряжений а)}1“ (Т) при оптимизации скорости охлаждения среды внутри цилиндра. Кривая 1 соответствует «квазиоднородному» охлаждению цилиндра, когда температуры наружной и внутренней поверхностей цилиндра равны Тнар = Твн = 423 К, а скорость охлаждения среды внутри и снаружи

цилиндра одинакова и равна ^осхл н = ^охл в = 0,135 град/мин. Кривая 2 соответствует неоднородному охлаждению упругого цилиндра с различными скоростями охлаждения среды снаружи ^охл н = 0,135 град/мин и внутри цилиндра Ко* в = 0,270 град/мин. После проведения расчета оптимальное значение искомого параметра оказалось равным КоЛ в = 0,180 град/мин. Соответствующая этому значению зависимость а)}1“ (Т) показана на рис. 2 (кривая 3).

Как видно из рис. 2, величина остаточных температурных напряжений (при Т = 293К) не зависит от режима охлаждения, что обусловлено использованием упругой модели материала. Однако на протяжении всего процесса охлаждения приближенный критерий оптимальности (условие минимума функционала упругой энергии осесимметричной деформации для длинного цилиндра, обеспечивающее минимальное в среднем на протяжении всего процесса охлаждения напряженное состояние цилиндра) позволил значительно уменьшить температурные напряжения.

На рис. 3 показан оптимальный режим охлаждения цилиндра и соответствующая ему кинетика а}ах (т) для случая, когда при решении вариационной задачи оптимизировались все четыре управляющих параметра: начальный перепад температур Твср (Тп), Тнср (Тп) и скорости охлаждения среды

Кол в, Кохл н . Оптимальному режиму охлаждения соответствуют следующие значения параметров:

- Твср (Тп ) = 363 К;

- Тнср (Тп) = 393 К;

- Кохл в = 1,4 град/мин;

- Кохл н = 1,2 град/мин.

Рис. 2. Кинетика (Т) при изменении скорости

охлаждения среды в внутри цилиндра

Кривыми 4 и 5 на рис. 3 показаны температуры внутренней и наружной поверхностей цилиндра. При сравнительно больших скоростях охлаждения среды при оптимальном режиме заметно значительное (более 70 град) различие между температурами среды и поверхности цилиндра.

Полученный оптимальный режим охлаждения позволил не только существенно уменьшить величину а}ах (т) в процессе охлаждения, но и привел к значительному уменьшению конечной системы остаточных напряжений (при Тк = 293 К). Экспериментальная проверка [3] полученных оптимальных режимов охлаждения показала, что уровень максимальной величины радиальных остаточных напряжений атах (при Тк = 293К) снижен более чем на порядок и составляет величину 0,2 МПа (рис. 4). Такой уровень остаточных радиальных напряжений удовлетворительно согласуется с полученным расчетным значением максимальных радиальных напряжений в конце режима охлаждения, а практически является условием ненапряженного состояния.

Для определения благоприятных режимов охлаждения проведена экспериментальная отработка процесса термообработки трубчатой заготовки подшипника скольжения ПД-051.00.04.020 центральной опоры автомобильного гидроманипулятора. Заготовка образована методом «сухой» намотки на жесткую стальную оправку толщиной 12 мм; геометрические параметры за-

готовки, а также механические и теплофизические характеристики материала (стеклопластик на основе ткани ТС-11-76 и связующего ФФЭ-70) приведены в табл. 2.

Рис. 3. Режим охлаждения цилиндра и кинетика а^1^ (т) при оптимизации четырех управляющих параметров: 1 - а5“ах = / (т); 2 - Твср = / (т);

3 - ?нср = /

Следует отметить, что при охлаждении такой заготовки

(т = Лн • Лв 1 = 1,2) в однородном температурном поле они все имели межслое-вые расслоения. Скорости охлаждения среды внутренней ^оЛ в и внешней

^охл н поверхностей заготовки были одинаковы и составляли 0,3 град/мин.

Схема создания неоднородного по толщине заготовки температурного поля и расположения термопар обратной связи приведена на рис. 5. В качестве теплоносителя для охлаждения внутренней поверхности трубчатой заготовки использовался сухой (с точкой росы 218 К) сжатый воздух, пропущенный через теплообменник типа «Аякс» с максимальным расходом до 5 см3/с, что позволило получать широкий спектр регулирования температуры среды внутри оправки.

Экспериментально установлены следующие значения управляющих параметров: Твср (Тп ) = 353 К; Тнср (Тп ) = 453 К ; ^оЛ в = 1,6 град/мин;

Х^охл н = 0,6 град/мин. Отвержденные по таким режимам трубчатые заготовки расслоений не имели, а время охлаждения заготовки сократилось до 4,4 ч против 8,2 ч при охлаждении в однородном температурном поле.

Т, К

Т, К

373

333

293

0

, 1

, 2

I 3

1,1 1,2 1,3 1,4 т у, МПа

2,0

1,0

о!

А

1,1 1,3

т

413

373

333

295 >

А 0

ч

> ч2

3

Г4,

1,1 1,2 1,3 1,4 т

0,2

0,1

- 0,1

Г7Ї

N

/ \

9 1,1 1,3

т

---------расчет; • - эксперимент

Рис. 4. Распределение поля температур и остаточных температурных напряжений в стенке цилиндра из эпоксидного стеклопластика в однородном (а) и неоднородном (б) температурных полях

Таблица 2

Геометрические параметры и свойства материала подшипника ПД-051.00.04.020

0

Геометрические размеры, мм Физико-механические характеристики, МПа Теплофи характе зические ристики

Яв Ян 1 О ь" 1 О ьТ Я -в 0 6 К 1 Я 0 6 К 1

160 192 1,25 3,475 14 55

На кольцах, вырезанных из технологического припуска, методом Закса определены значения конечной системы остаточных напряжений. Полученные значения максимальных радиальных остаточных напряжений а™* при Т = 293К не превышали 0,21 МПа.

Рассмотренный способ обеспечения монолитности с помощью управления неравномерностью температурного поля достаточно эффективен.

Рис. 5. Схема установки для отверждения заготовки в неоднородном температурном поле (Т^р > Твср ): 1 - стальная оправка; 2 - трубчатая заготовка из ПКМ; 3 - коллектор подачи теплоносителя (воздуха) во внутреннюю полость оправки; 4 - термопары обратной связи; 5 - термошкаф; 6 - форсунки

Благоприятные температурные режимы могут быть использованы при разработке новых технологических процессов термообработки для уменьшения вероятности расслоений и снижения остаточных напряжений. Они могут служить дополнением к известным силовым методам снижения технологических напряжений, таким как программированная силовая намотка, послойное отверждение и т. д.

Список литературы

1. Бахарев, С. П. К вопросу о температурных напряжениях, возникающих в процессе термообработки цилиндрических оболочек из стеклопластиков / С. П. Бахарев, М. А. Миркин // Механика полимеров. - 1978. - № 6. -С. 1118-1121.

2. Исаков, Ю. А. Расчет контактных давлений при опрессовке канатом цилиндрической пластмассовой оболочки, подверженной действию нестационарного температурного поля / Ю. А. Исакок, А. А. Филипенко, В. Д. Протасов // Механика полимеров. - 1977. - № 2. - С. 220-224.

3. Афанасьев, Ю. А. Экстремальные температурные поля при термообработке цилиндров из армированных композитных материалов / Ю. А. Афанасьева // Механика композитных материалов. - 1981. - № 5. - С. 855-863.

4. Болотин, В. В. Анализ технологических напряжений в намоточных изделиях на протяжении всего процесса изготовления / В. В. Болотин и др. // Механика композитных материалов. - 1980. - № 3. - С. 500-508.

5. Бидерман, В. Л. Определение остаточных напряжений при изготовлении колец из стеклопластиков / В. Л. Бидерман, И. П. Димитриенко, В. И. Поляков, Н. А. Сухова // Механика полимеров. - 1969. - № 5. - С. 892-898.

6. Обр азцов, И. Ф. Научные основы и методы управления технологическими процессами переработки полимерных композитных материалов в изделия маши-

ностроения / И. Ф. Образцов, В. Т. Томашевский, В. Н. Шалыгин, В. С. Яковлев. -М. : НИИСтали, 2001. - 428 с.

7. Екельчик, В. С. Об учете реологии полимерных композитов в технологических задачах прочности толстостенных цилиндров / В. С. Екельчик, С. Н. Кост-рицкий, В. М. Рябов // Механика композитных материалов. - 1983. - № 4. -С. 701-707.

8. Томашевский, В. Т. Влияние неоднородности охлаждения на технологические температурные напряжения в толстостенных цилиндрических оболочках из армированных полимеров / В. Т. Томашевский, В. Н. Наумов, В. Н. Шалыгин // Полимерные материалы в машиностроении. - Пермь, 1977. - С. 10-17.

9. Огилько, Т. Ф. Метод расчета макроскопических усадочных напряжений в цилиндрических оболочках из стеклопластиков с учетом некоторых технологических факторов / Т. Ф. Огилько // Механика полимеров. - 1974. - № 5. -С. 823-827.

Зиновьев Радий Сергеевич кандидат технических наук, доцент, технический директор группы научно-промышленных компаний «Полидор»

E-mail: zinoviev@polidor.ru

Zinovyev Radiy Sergeevich Candidate of engineering sciences, associate professor, technical director of researchindustrial group “Polidor”

УДК 678.067.94 Зиновьев, Р. С.

Использование температурного поля в качестве управляющего фактора для снижения остаточных напряжений в намоточной конструкции из армированного реактопласта / Р. С. Зиновьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 4 (24). -С. 127-134.