Оболочка из композиционного материала и способ изготовления оболочки из композиционного материала
SHELL MADE OF COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SHELL FROM COMPOSITE MATERIAL

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;
опр
n - количество оборотов оправки в единицу времени;
h - величина смещения ленты относительно диаметрального сечения вертлюга;
верт
r - внутренний радиус вертлюга;
δ - ширина наматываемой ленты;
верт
n - количество оборотов вертлюга в единицу времени;
1
2
ϕ, ϕ - 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;
опр
n - количество оборотов оправки в единицу времени;
h - величина смещения ленты относительно диаметрального сечения вертлюга;
верт
r - внутренний радиус вертлюга;
δ - ширина наматываемой ленты;
верт
n - количество оборотов вертлюга в единицу времени;
1
2
ϕ, ϕ - 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.
1
2
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 ϕ и ϕ.
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.