СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ АНКЕРОВ
METHOD FOR MANUFACTURING TUBULAR ANCHORS

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых, в частности, для армирования стен и кровли при строительстве тоннелей («стена в грунте» и др.).
Известны способы изготовления изделий из ПКМ, включающие пропитку непрерывного ровинга связующим с последующей термообработкой, на пултрузионной установке, содержащей блок пропитки и отжима связующего, профилирующую фильеру и камеру термообработки (RU 2458214 C1, WO 2007025288 A1, FR 2831481 А1). Блоки пропитки и отжима выполнены в виде двух элементов: камеры пропитки, представляющей собой открытую ванну, снабженную направляющими и прижимными припособлениями (валками, роликами, барабанами) и отдельным приспособлением для отжима связующего.
Недостатком указанных известных способов является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения при работе открытой камеры пропитки, а также сложность аппаратурного оформления процесса в связи с использованием отдельного приспособления для отжима связующего и прижимных и направляющих приспособлений. Кроме того, в местах контакта отдельных волокон с прижимными приспособлениями наблюдаются перегибы, что приводит к возникновению перенапряжений волокон и их повреждению.
Известны также способы изготовления трубчатых изделий, частным случаем которых являются трубчатые анкеры, включающие пропитку непрерывного ровинга связующим с последующей термообработкой, на пултрузионной установке, содержащей камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа волокна и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением (RU 2502600 C1, RU 94041853 А1).
Недостатком указанных известных способов является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения при работе открытой камеры пропитки, а также сложность аппаратурного оформления процесса.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления трубчатых изделий, частным случаем которых являются трубчатые анкеры, включающий пропитку непрерывного ровинга эпоксидным или полиуретановым связующим с последующей термообработкой, на пултрузионной установке, включающей камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа ровинга и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением, содержащую дорн (RU 2133670 С1 - прототип).
В известном способе перед входом в профилирующую фильеру сформированный пакет ровинга, пропитанного в ванне связующим, оплетают в непрерывном режиме ровингом, пропитанным связующим в роликовом пропиточном устройстве, вводимым с нулевым углом наклона в зону переплетения. Скорость протяжки, определяющая производительность процесса, не превышает 0,35 м/мин.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении прочности целевого продукта и производительности процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления трубчатых анкеров, включающем пропитку непрерывного ровинга эпоксидным или полиуретановым связующим с последующей термообработкой, на пултрузионной установке, содержащей камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа ровинга и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением, содержащую дорн, используют пултрузионную установку, дополнительно включающую камеру термообработки, установленную после профилирующей фильеры, и камера пропитки которой выполнена с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа ровинга, отверстие для выхода пропитанного ровинга выполнено имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный наружный диаметр целевого продукта, в виде сечения конуса, параллельного его основанию, причем камера пропитки снабжена двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, при этом в профилирующей фильере температурный режим разделяют на зоны, поддерживая в первой зоне 120-150°С, во второй 160-190°С, в третьей 140-160°С, а в камере термообработки поддерживают 190-205°С.
Предлагаемый способ пригоден для использования в нем в качестве исходного сырья любого ровинга, предпочтительно, базальтового. В качестве связующего могут быть использованы любые эпоксидные или полиуретановые связующие.
На чертеже приведена конструкция камеры пропитки, входящей в состав пултрузионной установки, используемой в предлагаемом способе изготовления трубчатых анкеров. Камера пропитки выполнена снабженной двумя соосными отверстиями 1 для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса. Внутренняя поверхность камеры выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса, в основании которого расположена пластина с отверстиями 2 для входа ровинга, а отверстие 3 для выхода ровинга выполнено в виде сечения усеченного конуса, параллельного его основанию.
Осуществление предлагаемого способа состоит в следующем.
Паковки ровинга устанавливают на шпулярник. Пряди ровинга через нитепроводящую гарнитуру последовательно пропускают в камеру пропитки, холодильник, профилирующую обогреваемую фильеру, камеру термообработки и закрепляют в траках тянущего устройства. При использовании базальтового и стеклянного ровинга, являющегося абразивным материалом, всю нитепроводящую гарнитуру изготавливают из материалов с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, таких как керамика. Перед включением тянущего устройства включают обогрев профилирующей фильеры и камеры термообработки для достижения необходимых температурных показателей. После этого включают тянущее устройство и выставляют скорость протяжки, определяющую производительность установки, равную 1,0 м/мин. Пряди ровинга, сходящие со шпулярника, проходят через нитепроводящую гарнитуру непосредственно в камеру пропитки. Связующее из дозатора подается в камеру пропитки через два соосных отверстия 1 перпендикулярно направлению движения ровинга. Пряди ровинга подают через соответствующее количество отверстий 2. Выход пропитанного ровинга осуществляется через отверстие 3, где происходит отжим излишка связующего. Количество отверстий 2 выбирается в зависимости от заданного содержания ровинга в получаемом целевом продукте. Диаметр отверстий 2 и 3, а также линейные размеры камеры выбираются в зависимости от вида и линейной плотности ровинга и заданного его содержания в получаемом ПКМ. Выполнение отверстия для выхода пропитанного ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, обеспечивает отжим излишка связующего и завершает равномерную пропитку прядей ровинга. На основе рассчитанного таким образом диаметра отверстия 3 для выхода пропитанного ровинга с учетом необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга и того, что значение конусности внутренней поверхности камеры должно быть выбрано из интервала от 0,01 до 0,10, определяется длина камеры и диаметр пластины, достаточный для равномерного размещения необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга в камеру пропитки. Под конусностью, в соответствии с ГОСТ «Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные конусности и углы конусов», понимается величина С, рассчитанная по следующей формуле:
С=(D-d)/L,
где D - диаметр основания конуса,
d - диаметр сечения, параллельного основанию,
L - расстояние между основанием конуса и указанным сечением.
Отверстия 2 для входа ровинга могут размещаться на пластине с расстоянием, большим чем расстояние, обусловленное технологическими возможностями используемого для их выполнения инструмента, или равном ему, т.к., как показали эксперименты, при условии выполнения внутренней поверхности камеры с вышеуказанными параметрами полная однородность продукта пропитки по составу достигается при любом указанном размещении отверстий. Пропитанный ровинг из камеры пропитки проходит в профилирующую фильеру через холодильник. Холодильник может быть выполнен в виде фланца с водяным охлаждением. Задача холодильника - изолировать теплопередачу от профилирующей фильеры, работающей при более высокой температуре, к камере пропитки, температура в которой ниже (не выше 35°С для любого связующего), что позволяет поддерживать в последней заданный температурный режим. Пропитанный ровинг при входе в фильеру располагается вокруг дорна. Дорн представляет собой стальной обогреваемый стержень с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру трубчатого анкера, установленный по оси протяжки от входа в камеру пропитки до выхода из фильеры. В профилирующей фильере пряди ровинга заполняют свободное пространство между поверхностью фильеры и дорном. Профилирующая фильера представляет собой разъемную стальную конструкцию, состоящую из двух параллелепипедов с отфрезерованной и обработанной цилиндрической канавкой по длине каждой части, которые при смыкании образуют цилиндрическую поверхность, соответствующую наружному диаметру целевого продукта (анкера). Профилирующие фильеры обжаты по всей длине обогреваемыми тэнами, разделенными на 3 зоны контроля температур, обеспечивающие температуру на дорне в диапазоне 120-180°С. Температура по зонам профилирующей фильеры определяется в зависимости от заданных характеристик целевого продукта, связующего и скорости процесса. Разделение профилирующей фильеры на зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°С, во второй 160-190°С, в третьей 140-160°С) обеспечивает следующее: в первой зоне происходит разогрев связующего, во второй зоне - процесс гелеобразования и отверждения связующего, в третьей - релаксация (снятие внутренних напряжений). На выходе из профилирующей фильеры сформированный профиль поступает в камеру термообработки. В камере термообработки, представляющей собой многосекционную туннельную печь, происходит окончательное отверждение полимерной матрицы и термообработка профиля, необходимая для достижения оптимальных прочностных и эксплуатационных характеристик. В камере термообработки устанавливается температура в диапазоне 190-205°С. Превышение данных температур может привести к деструкции полимерной матрицы профиля. Профилирующая фильера и камера термообработки снабжены пультом управления, обеспечивающим поддержание заданной температуры. На выходе из камеры термообработки трубчатый анкер проходит через тянущее устройство тракового типа. Анкер зажимается между верхним и нижним резиновыми траками и режется в размер с помощью отрезной пилы. Все составные части используемой в предлагаемом способе установки, за исключением камеры пропитки, являются промышленно выпускаемыми изделиями, предназначенными для пултрузионных установок.
В предлагаемом способе, как и способе-прототипе, используют пултрузионную установку, включающую одну закрытую камеру пропитки, что упрощает аппаратурное оформление процеса, исключает выброс вредных веществ, а также способствует снижению теплопотерь. Снижению теплопотерь способствует также выполнение внешней поверхности камеры пропитки цилиндрической. Отсутствие в пултрузионной установке, используемой в предлагаемом способе, направляющих и прижимных приспособлений в составе камеры пропитки упрощает ее конструктивное выполнение и повышает сохранность целостности волокна. Выполнение внутренней поверхности камеры пропитки в виде прямого кругового усеченного конуса, а отверстия для выхода ровинга - в виде сечения этого конуса, параллельного его основанию, исключает возникновение контактов ровинга с углами на внутренней поверхности камеры пропитки (в связи с отсутствием таких углов), т.е. возникновение в нем микротрещин.
Как показали проведенные эксперименты, предлагаемый способ изготовления трубчатых анкеров за счет использования пултрузионной установки, включающей камеру пропитки вышеуказанной конструкции и дополнительной камеры термообработки, а также за счет особых температурных режимов в профилирующей фильере и камере термообработки обеспечивает по сравнению с прототипом повышение прочности целевого продукта и производительности процесса.
Целевой продукт (трубчатый анкер с наружным диаметром 42 мм и внутренним диаметром 25 мм) был получен из базальтового волокна и эпоксидного связующего, включающего: модифицированную эпоксидную смолу КДА по ТУ 2225-042-17411121-2008 (динамическая вязкость при (25±0,2)°С не более 4,5 Па⋅с; время желатинизации при (20±2)°С не менее 70 мин), отвердитель - Ipox EH 2293 (изофорондиамин, аминное число 645-675 мг КОН/г), ускоритель - ANCAMINE 2167 (циклоалифатический амин, аминное число 500-540 мг КОН/г). При изготовлении трубчатого анкера была использована пултрузионная установка, камера пропитки которой снабжена двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, и имеет внутреннюю поверхность в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,05, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа ровинга. Отверстие для выхода пропитанного ровинга выполнено имеющим диаметр, на 0,2 мм превышающий заданный наружный диаметр трубчатого анкера. В профилирующей фильере температурный режим разделен на следующие зоны: в первой зоне средняя температура 135°С, во второй 175°С, в третьей 150°С, а в камере термообработки 200°С. Полученный целевой продукт имеет разрывное усилие Р 1261 Кн. Анкер с теми же размерами, полученный из того же сырья в сравнительных испытаниях согласно способу-прототипу, имеет разрывное усилие Р 1248 Кн. При этом производительность предлагаемого способа в 3-5 раз выше производительности способа-прототипа (скорость протяжки, соответственно, 1 м/мин и 0,2-0,35 м/мин). Испытания, проведенные при использовании в качестве исходного сырья полиуретанового связующего, показали те же результаты: разрывное усилие Р продукта предлагаемого способа на 10-12% превышает показатели продукта способа-прототипа при значительно большей производительности процесса.
Указанный технический результат обусловлен следующим.
Разделение профилирующей фильеры на три зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°С, во второй 160-190°С, в третьей 140-160°С) и поддержание в камере термообработки температуры в диапазоне 190-205°С обеспечивает постепенное отверждение связующего и снятие внутренних напряжений, не допуская деструкции полимерной матрицы профиля. Введение камеры термообработки в состав установки, используемой в предлагаемом способе, позволяет увеличить скорость протяжки, определяющую производительность процесса, за счет интенсификации стадии отверждения. Величина диаметра отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки в сочетании со значениями конусности определяют размеры и форму внутренней поверхности камеры пропитки и являются факторами, определяющими кинетику и физико-химические характеристики процесса пропитки ровинга связующим. Проведенными экспериментами было подтверждено следующее: даже при минимально допустимой, согласно предлагаемому изобретению, конусности внутренней поверхности камеры пропитки при выполнении отверстия для выхода ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, и любом диаметре пластины на входе в камеру пропитки, достаточном для размещения отверстий в количестве, соответствующем количеству прядей ровинга, обеспечивается равномерная пропитка ровинга связующим и однородность по составу целевого продукта при условии, что пластина с отверстиями для входа ровинга является конструктивной частью камеры пропитки и располагается на входе в нее ровинга. Последнее обеспечивает подачу в камеру пропитки ровинга, пряди которого не прижаты друг к другу, а, напротив, отделены друг от друга. Как показали эксперименты, при указанных параметрах камеры пропитки подача связующего через два отверстия, расположенные на оси, перпендикулярной оси конуса, исключает появление застойных зон внутри камеры. Превышение значения конусности, свыше допустимого согласно предлагаемому изобретению, приводит к недостаточной пропитке прядей ровинга в связи с отсутствием необходимого давления, что снижает однородность по составу продукта пропитки и, как следствие, прочность целевого продукта. Снижение конусности ниже 0,01 приводит к появлению застойных зон внутри камеры при размещении отверстий для подачи связующего согласно предлагаемому изобретению, что также снижает равномерность пропитки, однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, прочность целевого продукта. Выполнение отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки, имеющего диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный наружный диаметр целевого продукта, позволяет повысить однородность продукта пропитки и, следовательно, прочность целевого продукта, а также избавиться от излишка связующего без включения в состав пултрузионной установки дополнительных элементов. При прохождении сквозь отверстие для выхода ровинга из камеры пропитки на пропитанный ровинг оказывается давление, завершающее процесс пропитки ровинга в массе, обеспечивающее однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, повышение прочности целевого продукта. Выполнение отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки с диаметром, более чем на 0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, не создает необходимого давления, что не позволяет не только полностью отжать излишек связующего, но и дополнительно обеспечить однородность продукта пропитки. Выполнение отверстия для выхода ровинга с диаметром, менее чем на 0,45% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, затрудняет выход пропитанного ровинга и нарушает его целостность.