ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ СЛОЖНОАРМИРОВАННЫХ ПОЛЫХ СТЕРЖНЕЙ

Полезная модель относится к технологическим комплексам для непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения полых композитных сложноармированных стержней круглого сечения для мостовых опор, морских кабелей на нефтяных платформах, такелажа на яхтах, конструкционных изделий в авиационной, машиностроительной и строительной промышленности.
Из уровня техники известна технологическая линии для изготовления композитной арматуры, содержащая шпулярник с бобинами ровингов, выравнивающее устройство, камеру отжига, пропиточную ванну с натяжным устройством, отжимное устройство, формовочный узел, устройство спиральной намотки, полимеризационные камеры, тянущее устройство, узлы резки и сматывания. Формовочный узел выполнен из двух частей. Первая часть представляет собой матрицу со щелевым каналом, толщина которого меньше диаметра арматуры (d) и равна (0,7-0,1)d, а ширина равна (2-10)d. Вторая часть установлена перед зоной спиральной намотки и представляет собой матрицу с круглым каналом, диаметр которого равен (1,2-1,5)d. Технологическая линия снабжена двумя устройствами спиральной намотки, размещенными последовательно, а также устройствами для предотвращения скрутки волокон и распределения полимерного связующего по длине арматуры (Патент РФ №2384408, B29C 39/00, 2008). Достигаемый устройством технический результат заключается в повышении производительности технологической линии и возможности выпуска композитной арматуры с повышенными потребительскими свойствами.
Недостатком известного устройства являются его невысокие технологические возможности. Технологическая линия предназначена для получения оребренной арматуры из ПКМ, и не позволяет получать сложноармированные изделия из полимерных композиционных материалов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом систем: системы подачи волокна, системы пропитки волокон, преформовочного устройства, формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и тянущего устройства, который дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг. Тянущее средство расположено между термокамерой и отрезным устройством, а вертлюг установлен внутри устройства намотки наружного слоя, с возможностью посредством заданной программы осуществлять намотку наружных слоев на заготовку по спирально-винтовой и/или перекрестно-винтовой схеме армирования (Патент РФ №108338, B29C 70/30, 2011 г.).
Достигаемый технологическим комплексом для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов технический результат заключается в обеспечении изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками.
К недостаткам известного из уровня техники технологического комплекса для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов следует отнести его ограниченные технологические возможности. Технологический комплекс не позволяет получать длинномерные полые сложноармированные стержни из полимерных композиционных материалов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение возможности изготовления длинномерных полых сложноармированных стержней из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, с высокими удельными прочностными характеристиками.
Данный технический результат достигается посредством того, что технологический комплекс для изготовления композитных сложноармированных полых стержней, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных друг с другом, системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, термокамеры, устройства намотки, тянущего и отрезного устройства, согласно полезной модели, дополнительно содержит пропиточную ванну с уплотнительными манжетами, калибрующую фильеру и тянущее устройство, расположенные между основным тянущим устройством и устройством намотки, при этом система формующих матриц выполнена с возможностью получения массива радиально расположенных полых стержней одинакового диаметра.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 - изображена схема технологического комплекса;
- на фиг.2 - формующая матрица (сечение А-А);
- на фиг.3 - пропиточная ванна и калибрующая фильера (укрупненно);
- на фиг.4 - изделие на выходе из системы формующих матриц (сечение Б-Б);
- на фиг.5 - изделие на выходе из фильеры (сечение В-В);
- на фиг.6 - изделие на выходе из устройства намотки (сечение Г-Г).
Технологический комплекс для изготовления композитных сложноармированных полых стержней, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных друг с другом систем, включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон, преформовочное устройство 3, систему 4 формующих матриц, тянущее устройство 5, пропиточную ванну 6 с уплотнительными манжетами, калибрующую фильеру 7, тянущее устройство 8, устройство 9 намотки наружного слоя, вертлюг 10, термокамеру 11, тянущее устройство 12, отрезное устройство 13.
Технологический комплекс для изготовления композитных сложноармированных полых стержней работает следующим образом.
Армирующий материал в виде волокон или жгутов сматывается с бобин шпулярника 1 и пропускается через систему 2 пропитки волокон (пропиточную ванну), где он пропитывается полимерной композицией (матрицей). В качестве полимерной композиции используются полиэфиры, виниловые эфиры, эпоксидные и другие смолы в смеси с отвердителем. Армирующими материалами являются стеклянное или углеродное волокно. Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство 3, которое придает волоконно-полимерному пучку требуемую форму и выравнивает волокна. Преформовочное устройство 3 содержит систему матриц предварительного формования, имеющих в сечении форму кольца (на чертеже не показаны), в которых пропитанные волокна постепенно приближаются к форме профиля. После прохождения преформовочного устройства 3 волокна и незатвердевший полимер пропускаются через систему 4 формующих матриц, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении и приобретает форму изделия.
Система 4 формующих матриц представляет собой совокупность шести радиально расположенных кольцевых фильер с кольцевой фильерой в центре (фиг.2). Все фильеры имеют одинаковый наружный диаметр dн и внутренний диаметр dв (диаметр дорна).
Нагревание системы 4 формующих матриц осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты, что позволяет осуществлять быстрый нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. Использование высокочастотного нагрева позволяет существенно увеличить производительность протягивания и всего процесса в целом. В результате экзотермической реакции материал связующего превращается в гель. Полное отверждение композита происходит при непрерывном движении материала в системе 4 формующих матриц. Выходная зона матриц является зоной охлаждения. На выходе из системы 4 формующих матриц получается массив радиально расположенных полых стержней одинакового диаметра, конфигурация которого повторяет конфигурацию выходных отверстий. Полученные полые стержни состоят из одноосно-ориентированных волокон упрочнителя и связующего, и имеют целью создание внутренней конструкции изделия. Свойства полых стержней существенно анизотропны. Их прочность и жесткость в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном.
Отвержденный до температуры стеклования матричного полимера массив радиально расположенных полых стержней (фиг.4) вытягивается из системы 4 формующих матриц основным тянущим устройством 5. При этом тянущее устройство 5, выполненное на основе ременных фрикционных передач, сжимает полые стержни в радиальном направлении, прижимает их друг к другу и подает в пропиточную ванну 6. Массив полых стержней проходит через пропиточную ванну 6 с уплотнительными манжетами полностью погруженным в расплав связующего (фиг.3). Поскольку радиальное усилие от тянущего устройства 5 на массив полых стержней в зоне ванны уже не действует, между стержнями появляются зазоры, которые заполняются связующим. Массив полых стержней захватывает связующее, количество которого на поверхности массива регулируется диаметром отверстия уплотнительных манжет пропиточной ванны 6.
После прохождения пропиточной ванны 6 пропитанный связующим массив полых стержней пропускается через калибрующую фильеру 7, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении, затвердевает в результате высокочастотного нагрева, и приобретает форму продольно-ориентированных полых стержней монолитно связанных между собой связующим (фиг.5). Отвержденный до температуры стеклования массив радиально расположенных полых стержней вытягивается из калибрующей фильеры тянущим устройством 8.
В заявленной полезной модели, полученная в результате протягивания отвержденная заготовка, является оправкой, на которую с помощью устройства 9 намотки наматывается наружный слой композита. Устройство 9 намотки представляет собой рамную конструкцию портального типа. Внутри устройства намотки установлен вертлюг 10. По периметру вертлюга установлены шпули с препрегами (волокна, ленты или жгуты).
Вертлюг 10 в процессе намотки может совершать два программно-управляемых и согласованных с перемещением заготовки движения: вращаться вокруг оси заготовки и перемещаться вдоль оси заготовки. При вращении и возвратно-поступательном перемещении вертлюга 10 реализуется схема спирально-перекрестной намотки наружного слоя волокон на поверхность заготовки. В том случае, когда вертлюг 10 совершает только вращательное движение, волокна на заготовку выкладываются по схеме спирально-винтовой намотки. Схема намотки, количество слоев и проходов, шаг намотки и другие технологические параметры задаются программно в зависимости от свойств исходных материалов и требуемых свойств изделия.
После намотки изделие поступает в термокамеру 11, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие (фиг.6) подается тянущим устройством 12 в отрезное устройство 13, в котором алмазным кругом (на чертеже не показан) разрезается на элементы заданной длины. Тянущие устройства 5, 8 и 12 технологического комплекса работают синхронно по управляющей программе.
В заявленной полезной модели намотка наружного слоя изделия осуществляется в непрерывном режиме в процессе его прямолинейного перемещения в направлении протягивания. Скорости протягивания и намотки для разных исходных материалов взаимно согласуются по управляющей программе с целью получения изделий с заданными характеристиками. Производительность изготовления изделий определяется в основном временем отверждения композита, которое зависит от типа связующего и размеров изделия. Поскольку операции протягивания и намотки совмещены во времени, то комплекс имеет более высокую производительность по сравнению с аналогами при всех прочих равных условиях.
Технологический комплекс позволяет получать сложноармированные изделия из композиционных материалов с многонаправленной армированной структурой. Изделия имеют внутреннюю конструкцию, состоящую из массива полых стержней одинакового диаметра, связанных между собой полимерной матрицей, и имеющих продольно-ориентированную структуру волокон, и наружный слой со спирально-перекрестной или спирально-винтовой ориентацией волокон. Изделия с такой схемой армирования будут иметь одновременно высокую прочность на сжатие, растяжение, кручение и изгиб. Технологический комплекс позволяет получать изделия из гибридных композиционных материалов, с различными связующими и различными видами упрочняющих волокон.
Заявленная конструкция технологического комплекса обеспечивает возможность изготовления длинномерных полых сложноармированных стержней из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, с высокими удельными прочностными характеристиками.
Анализ заявленной полезной модели на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата - обеспечение возможности изготовления длинномерных полых сложноармированных стержней из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, с высокими удельными прочностными характеристиками.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использован для получения длинномерных полых сложноармированных стержней круглого сечения для мостовых опор, морских кабелей на нефтяных платформах, такелажа на яхтах, конструкционных изделий в авиационной, машиностроительной и строительной промышленности.
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.