ГРЕБНОЙ ВАЛ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГЛЕРОДНЫХ АРМИРУЮЩИХ СИСТЕМ

Область техники
Полезная модель относится к судостроению, а именно к гребным валам из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе перспективных углеродных армирующих систем (материалов), с улучшенными весовыми и вибро-шумопоглощающими характеристиками для эксплуатации в качестве валопроводов судов с мощностью энергетической установки не менее 1000 кВт.
Уровень техники
Гребной вал является концевым валом валопровода - комплекса устройств, механизмов и соединений, служащих для передачи крутящего момента от двигателя к движителю - гребному винту. Гребной вал предназначен для крепления гребного винта, который устанавливается на его кормовой конец.
При разработке гребных валов из ПКМ решаются следующие задачи по сравнению с аналогичными металлическими валами:
- улучшения вибродемпфирующих характеристик до 5 раз;
- снижения массы валопровода не менее чем на 50%;
- уменьшения эксплуатационных расходов не менее чем на 30%;
- выполнения требований по прочности и надежности валопровода при воздействии динамических нагрузок;
- снижения затрат на механическую обработку;
- оптимизации размеров по отношению к геометрическим характеристикам металлического вала, обеспечивающей взаимозаменяемость валов без существенных изменений фланцевых соединений.
В технологиях производства валов из ПКМ часто используют метод «мокрой» намотки. Метод намотки волокном является одним из самых перспективных методов формования изделий из ПКМ, т.к. он позволяет создавать ориентированную структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей жгутов, лент, нитей обеспечивает максимальную прочность изделий. К тому же такие наполнители наиболее дешевы. Связующим для армирующего материала служит термореактивная смола. При «мокрой» намотке смола наносится в процессе самой намотки.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению можно признать трубу гребного вала из композиционного материала с концевой заделкой (патент РФ 2001827, МПК B63H 23/34, опубл. 30.10.1993), содержащей хвостовую часть, армирующую втулку, используемую в качестве части оправки в центральном отверстии трубы при ее намотке, наружную обойму, напрессованную на хвостовую часть трубы; фиксирующую резьбовую втулку, ввернутую в осевое резьбовое отверстие обоймы до упора в торцы армирующей втулки и хвостовой части трубы и дополнительно скрепленную с армирующей втулкой установленным во внутреннюю часть наружной обоймы осевым болтом. При этом фиксирующие элементы включают в себя резьбовую втулку, болт и цилиндрические или конические резьбовые стержни. Причем резьбовая втулка ввернута в осевое резьбовое отверстие обоймы с кормового ее конца до упора в торцы армирующей втулки и хвостовой части трубы, а болт установлен во внутреннюю часть обоймы и ввернут в осевое резьбовое отверстие армирующей втулки. При этом в наружной обойме, хвостовой части трубы и армирующей втулке выполнены соосные радиальные резьбовые отверстия для ввертывания в них упомянутых резьбовых стержней. Такое разнообразие фиксирующих элементов, по мнению авторов этого патента, было необходимо для обеспечения надежности трехслойной конструкции концевой заделки трубы из композиционного материала на основе высокомодульного волокна (графитового, углеродного или стеклянного) и эпоксидной или полиэфирной смолы методом намотки. Четкая фиксация слоев между собой и относительно элементов обжатия обеспечивает многоразовые съемы-насадки гребного винта без изменения геометрии концевой заделки. В описании патента также вкратце описана технология сборки концевой заделки трубы, в том числе, что после намотки трубы на армирующую втулку (в качестве оправки) торцуют вал и протачивают конус трубы под обойму, напрессовывают обойму с проточенным внутренним конусом. Далее вскрывают радиальные отверстия в трехслойной конструкции, нарезают резьбу и устанавливают на клей по резьбе радиальные стержни. Затем вворачивают резьбовую втулку и болт. Дополнительно протачивают посадочный конус по наружной поверхности обоймы.
Очевидно, что и конструкция этой части гребного вала и технология ее сборки являются достаточно сложными и затратными.
Раскрытие полезной модели
Задача предлагаемой полезной модели - без потери надежности и качества изделия упрощение конструкции гребного вала из ПКМ с учетом особенностей технологии его изготовления.
Техническим результатом полезной модели является сохранение целостности армирующего материала (что способствует сохранению прочностных свойств изделия при организации соединений валопровода с фланцами судна через металлические фланцы самого вала) с одновременным уменьшением количества операций механической обработки ПКМ вала (рассверливания отверстий в отвержденной заготовке для организации болтового соединения с фланцами).
Технический результат достигается, в первую очередь, за счет использования заранее установленных в оснастке и вмотанных в процессе мокрой намотки штифтов и втулок, а также использования металлических фланцев с обоих концов вала.
В опытно-конструкторской работе с гребным валом из ПКМ также решалась задача модернизации типового металлического гребного вала без потери надежности и качества изделия с учетом техпроцесса его изготовления из ПКМ, с технологическим упрощением длинномерной конструкции с сохранением без изменений посадочных мест вала: мест установки винта, подшипника в дейдвудной трубе, стыковки с редуктором двигателя.
В отличие от вышеописанного прототипа в предлагаемом устройстве нет фиксирующей резьбовой втулки и фиксирующего болта, а также нет и удлиненной напрессованной наружной обоймы (вместо нее посередине вала снаружи него установлено на фиксирующем геле сравнительно короткое металлическое кольцо под подшипник).
Таким образом, гребной вал из полимерных композиционных материалов на основе перспективных углеродных армирующих систем содержит трубу, выполненную из полимерного композиционного материала по форме усеченного конуса, армирующую деталь, плотно установленную в центральное отверстие трубы с ее более узкой хвостовой стороны, наружную обойму на части трубы, радиальные отверстия в трубе для фиксирующих элементов. Причем указанная армирующая деталь выполнена в виде металлического фланцевого сердечника - части оправки для изготовления указанной трубы методом намотки. Сердечник вместе с трубой и вмотанными при намотке, скрепляющими трубу с сердечником штифтами на концевой хвостовой части трубы и вмотанными при намотке резьбовыми втулками на противоположной части трубы, а также наружная обойма в виде кольца на средней части трубы для будущего поддерживающего подшипника, составляют заготовку вала, которая в сборе со сдвоенным тарельчатым металлическим фланцем для стыковки вала с двигателем составляет гребной вал целиком. Сдвоенный тарельчатый фланец, охватывающий конец трубы с ее внешней и внутренней стороны, соединен с трубой с помощью фиксирующих винтов во вмотанных втулках. Части сдвоенного фланца также дополнительно скреплены друг с другом винтами на своих торцевых тарельчатых полках.
Указанное кольцо закреплено на трубе преимущественно на связующем, используемом при изготовлении трубы. Указанные вмотанные штифты предварительно смазаны анаэробным герметиком, а указанные винты - фиксирующим гелем.
Перечень фигур
Сущность заявленного изделия поясняется графическими материалами, а именно:
фиг. 1 - вал-заготовка после мокрой намотки, полимеризации и снятия с оснастки;
фиг. 2 - гребной вал в сборе с фланцами, полученный из вала-заготовки с дополнительными присоединительными элементами: фланцами и посадочным кольцом под подшипник.
Осуществление полезной модели
Вал-заготовка состоит из ПКМ - трубчатой конструкции 1 с металлическим фланцевым сердечником 2 (стержнем - частью оснастки для изготовления ПКМ - заготовки вала) с вмотанными штифтами 3 с конусной стороны вала для будущей посадки самого гребного винта на конце и вмотанными втулками 4 и центральным осевым отверстием под сборку металлических тарельчатых фланцев 5,6 к будущему двигателю с другой стороны вала.
В ПКМ - конструкции есть армирующий элемент - перспективная углеродная лента (волокно, нитка, ровинг) и связующее - смола (обычно эпоксидная). Также перспективно применение пропитанного углеровинга. Толщина укладываемого слоя при «мокрой» намотке порядка 0,25 мм. Отклонение угла укладки в пределах ±1°. Обработка торцев вала-заготовки после окончания температурной полимеризации происходит с обрезанием и притуплением кромок и без допуска расслоения по обработанным кромкам.
Процесс изготовления-сборки гребного вала из ПКМ происходит следующим образом: в составе оснастки для изготовления вала-заготовки используют фланцевый стержень 2; в отверстия стержня 2 устанавливают штифты 3, предварительно обработанные (смазанные) анаэробным герметиком для герметизации и склеивания; также устанавливают втулки 4 в технологические шпильки с другой стороны оснастки для изготовления вала-заготовки; выполняют технологический процесс «мокрой» намотки вала-заготовки с расчетными углами укладки слоев ленты с учетом и вокруг вматываемых штифтов 3 и вматываемых втулок 4; затем производят нагрев и отверждение вала-заготовки на оснастке в автоклаве при температуре полимеризации; после выемки из автоклава (термокамеры) естественным способом остужают заготовку с оснасткой до комнатной температуры; механически обрабатывают место на внешнем диаметре вала-заготовки в его заданной по длине (обычно примерно посередине по длине вала) части для установки посадочного кольца 7 под будущий поддерживающий вал подшипник и устанавливают кольцо 7 на вал-заготовку на связующем, используемом при изготовлении трубы вала-заготовки; после окончательного отверждение вала-заготовки производят механическую обработку конусного конца вала-заготовки под будущие посадки гребных винтов; далее выполняют снятие (выемку) вала-заготовки с оснастки, с оставлением фланцевого сердечника-стержня 2 в заготовке.
Далее вал-заготовку используют для окончательно получения гребного вала в сборе. Вал в сборе (фиг. 2) состоит из вала-заготовки, двух фланцев 5, 6 (сдвоенного фланца) к двигателю, фиксирующих винтов 8 во вмотанных втулках 4. Для фиксации резьбовых соединений с винтами используют соответствующий фиксирующий гель. Процесс сборки вала в окончательном виде происходит следующим образом: на вал-заготовку поочередно устанавливают фланцы 5 и 6; на внешнем фланце 5 разделывают отверстия во втулках 4; на торцевых тарельчатых полках фланцев 5 и 6 совместно разделывают осевые отверстия 9 под свои винты (не показаны); доводят отверстия и резьбу во фланцах 5 и 6 до заданных параметров; на вал-заготовку окончательно устанавливают фланцы 5 и 6 и закрепляют с помощью винтов, предварительно смазанных фиксирующим гелем, во втулках 4 и в осевых отверстиях 9.