СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ В ОБОЛОЧКЕ ИЗ СЛОИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ГЕРМЕТИЧНЫМ СЛОЕМ И ГЕРМЕТИЧНЫЙ УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ОБОЛОЧКЕ ИЗ СЛОИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ГЕРМЕТИЧНЫМ СЛОЕМ
SEALING METHOD OF ATTACHMENT ASSEMBLIES IN COVER FROM LAMINATED POLYMER COMPOSITE MATERIALS WITH SEALED LAYER, AND SEALED ATTACHMENT ASSEMBLY OF ELEMENTS IN COVER FROM LAMINATED POLYMER COMPOSITE MATERIALS WITH SEALED LAYER

Изобретения относятся к области машиностроения, к оболочкам из слоистых полимерных композиционных материалов герметичного исполнения, работающих преимущественно под давлением, и может быть использовано для изготовления корпусов, баллонов, пусковых труб с герметичными узлами крепления штуцеров, силовых опорных элементов, электросоединителей и т.д.
Известен узел герметизации электроконтактов пусковой трубы для ракет по патенту RU 2165579 от 1999.02.09, МПК F41F 3/04.
Известен узел герметизации крышки сосуда по RU 2213683 С1 от 09.10.1998, МПК В16D 15/16.
Известен узел герметизации корпуса ракетного двигателя из слоистых композиционных материалов по RU 2403428 С1 от 08.07.2009 г., MПК F02K 9/92.
Известен способ герметизации по RU 2380605 С1 от 11.09.2008, МПК F16L 55/12.
Известен узел герметизации по RU 2300042 С1 от 20.06.2005, МПК F16L 5/00.
Известен узел герметизаций по DE 2309047 А от 05.09.1974, МПК F16L 5/00.
Известные узлы и известный способ определяют общий уровень техники и не являются особо релевантными, поэтому предлагаемыми решениями устраняются недостатки общего известного уровня техники.
Недостатком общего известного уровня техники для способа герметизации является его низкая технологичность, а также низкое качество узла вследствие низкой герметизации оболочки в расслоениях, прилегающих к элементу, возникающих при сверлении отверстия на выходе режущего инструмента, из-за недостаточного количества вдавливаемой в расслоения герметизирующей композиции, а также вследствие низкой герметизации края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом из-за отсутствия композиции, перекрывающей эту зону поверх герметичного слоя (так как при сверлении оболочки снаружи на крае внутреннего герметичного слоя на выходе режущего инструмента, как правило, возникают вырывы, незначительные трещины и другие повреждения). Кроме того, недостатком является низкое качество узла вследствие низкой надежности его работы из-за потери механических характеристик при расслоении оболочки и невозможности частичного восстановления этих характеристик вдавливанием в расслоения достаточного количества композиции с последующей подпрессовкой оболочки стягиванием элементов, а также невозможности частичного, близкого к исходному, восстановления характеристик и структуры композита при химической сшивке материалов композиции, связующего оболочки и его герметичного слоя.
Недостатком общего известного уровня техники для устройства является низкая герметичность оболочки в расслоениях, прилегающих к элементу, возникающих при сверлении отверстия на выходе режущего инструмента, а также низкая герметизация края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом из-за отсутствия композиции, перекрывающей эту зону поверх герметичного слоя. Кроме того, недостатком является низкая надежность работы узла из-за потери механических характеристик и структуры материала в зоне расслоения оболочки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции и технологии узла, исключающая указанные недостатки.
Технический результат для способа, который может быть получен при решении технической задачи, заключается в повышении его технологичности при обеспечении герметичности оболочки в расслоениях, прилегающих к элементу, возникающих при сверлении отверстия на выходе режущего инструмента, за счет достаточного количества вдавливаемой в расслоения герметизирующей композиции с последующей подпрессовкой оболочки стягиванием элементов, а также обеспечении герметичности края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом за счет наличия композиции, перекрывающей эту зону поверх герметичного слоя. Кроме того, технический результат заключается повышении качества узла за счет повышения надежности его работы при частичном восстановлении механических характеристик от расслоении оболочки вдавливанием в расслоения достаточного количества композиции, а также частичном, близком к исходному, восстановлении характеристик и структуры композита химической сшивкой материалов композиции, связующего оболочки и его герметичного слоя.
Технический результат для устройства, который может быть получен при решении технической задачи, заключается в повышении герметичности оболочки в расслоениях, прилегающих к элементу, возникающих при сверлении отверстия на выходе режущего инструмента, за счет наличия втулки из герметизирующей композиции с заделкой ее клиньев в расслоения оболочки, а также повышении герметичности края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом за счет расположения слоя композиции втулки, перекрывающей эту зону поверх герметичного слоя. Кроме того, технический результат заключается в повышении надежности работы узла за счет частичного восстановления механических характеристик от расслоении оболочки заделкой в эти расслоения клиньев втулки, а также частичном, близком к исходному, восстановлении характеристик и структуры композита химической сшивкой материалов композиции, связующего оболочки и его герметичного слоя.
Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что способ герметизации узлов крепления в оболочке из слоистых полимерных композиционных материалов с герметичным слоем, при котором в просверленное в оболочке отверстие вставляют крепежный элемент, стягивая последним элементы узла и расположенные между ними слои оболочки, при этом между герметичным слоем и соответствующим элементом узла с охватом зоны отверстия оболочки располагают эластичное кольцо, внутреннюю полость которого заполняют неотвержденной герметизирующей композицией, отверждая последнюю после максимального сжатия эластичного кольца с вдавливанием композиции из внутренней полости-кольца в расслоения оболочки в зоне отверстия при затяжке крепежных элементов узла. В качестве герметизирующей композиции используют состав, обеспечивающий его химическую сшивку с материалом герметичного слоя и со связующим материала оболочки. Растяжение эластичного кольца и его сжатие ограничивают путем размещения его в предварительно выполненной выемке в соответствующем элементе узла. Эластичное кольцо перед заполнением его внутренней полости закрепляют с помощью быстродействующего клея.
Для устройства поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что герметичный узел крепления элементов в оболочке из слоистых полимерных композиционных материалов с герметичным слоем, включающий крепежный элемент, расположенный в отверстии оболочки, установленное между герметизирующим слоем и соответствующим элементом узла с охватом зоны отверстия оболочки эластичное кольцо, причем оболочка в зоне отверстия снабжена втулкой из отвержденной герметизирующей композиции, расположенной вокруг крепежного элемента клиньями между сжатыми слоями оболочки, а также в полости максимально сжатого эластичного кольца поверх герметичного слоя. Втулка скреплена со связующим оболочки и с герметичным слоем химической сшивкой их материалов. В элементе узла со стороны герметичного слоя оболочки выполнена выемка, в которой на всю ее глубину установлено сжатое эластичное кольцо и материал втулки, расположенный поверх герметичного слоя оболочки.
Отличительными признаками для способа являются следующие признаки:
- между герметичным слоем и соответствующим элементом узла с охватом зоны отверстия оболочки располагают эластичное кольцо, внутреннюю полость которого заполняют неотвержденной герметизирующей композицией, - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности, связанной с образованием полости для размещения необходимого и достаточного количества герметизирующей композиции для вдавливания в расслоения оболочки и образования слоя композиции, перекрывающей зону контакта края герметичного слоя оболочки с крепежным элементом;
- отверждая последнюю после максимального сжатия эластичного кольца с вдавливанием композиции из внутренней полости кольца в расслоения оболочки в зоне отверстия при затяжке крепежных элементов узла - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности герметизации оболочки за счет достаточного количества вдавливаемой в расслоения герметизирующей композиции с последующей подпрессовкой оболочки стягиванием элементов, а также обеспечение герметичности края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом за счет наличия композиции, перекрывающей эту зону поверх герметичного слоя, кроме того, признаки направлены на повышение качества узла за счет повышения надежности его работы при частичном восстановлении механических характеристик от расслоения оболочки вдавливанием в расслоения достаточного количества композиции;
- в качестве герметизирующей композиции используют состав, обеспечивающий его химическую сшивку с материалом герметичного слоя и со связующим материала оболочки, - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества узла за счет повышения надежности его работы при частичном, близком к исходному, восстановлении характеристик и структуры композита химической сшивкой материалов композиции, связующего оболочки и его герметичного слоя;
- растяжение эластичного кольца и его сжатие ограничивают путем размещения его в предварительно выполненной выемке в соответствующем элементе узла - признак существенный, предусматривает наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности операции по установке эластичного кольца, а также технологичности создания слоя композиции регламентированной толщины, перекрывающей зону контакта крепежного элемента и края герметичного слоя оболочки;
- эластичное кольцо перед заполнением его внутренней полости закрепляют с помощью быстродействующего клея - признак существенный, предусматривает наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности операции по установке эластичного кольца.
Отличительными признаками для устройства являются следующие признаки:
- наличие установленного между герметизирующим слоем и соответствующим элементом узла с охватом зоны отверстия оболочки эластичное кольцо - признаки существенные, так как предусматривают наличие в конструкции новых элементов, их новое взаимное расположение и новые свойства, благодаря чему обеспечивается технология изготовления, направленная на повышение надежности работы герметичности;
- оболочка в зоне отверстия снабжена втулкой из отвержденной герметизирующей композиции, расположенной вокруг крепежного элемента клиньями между сжатыми слоями оболочки, а также в полости максимально сжатого эластичного кольца поверх герметичного слоя - признаки существенные, так как предусматривают наличие в конструкции новых элементов, их новую форму и новое взаимное расположение, благодаря чему повышается герметичность оболочки в расслоениях, прилегающих элементу, возникающих при сверлении отверстия на выходе режущего инструмента, а также герметичность края герметичного слоя оболочки в зоне его контакта с крепежным элементом, кроме того, повышается надежность работы узла за счет частичного восстановления механических характеристик от расслоений оболочки заделкой в эти расслоения клиньев втулки;
- втулка скреплена со связующим оболочки и с герметичным слоем химической сшивкой их материалов - признаки существенные, так как предусматривают новое соединение элементов, благодаря чему повышается надежность работы за счет частичного, близкого к исходному, восстановления характеристик и структуры композита;
- в элементе узла со стороны герметичного слоя оболочки выполнена выемка, в которой на всю ее глубину установлено сжатое эластичное кольцо и материал втулки, расположенный поверх герметичного слоя оболочки, - признаки существенные, так как предусматривают наличие в конструкции новых элементов, их новую форму и их новое взаимное расположение, благодаря чему повышается герметичность зоны контакта крепежного элемента и края герметичного слоя оболочки за счет расположения слоя композиции втулки заданной толщины поверх герметичного слоя с перекрытием этой зоны, кроме того, повышается технологичность установки эластичного кольца.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению технологичности, герметичности и надежности работы узлов соединения элементов с композитными оболочками без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладает неочевидностью, что свидетельствует его соответствию критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен способ герметизации, на фиг.2 - сечение герметичного узла, на фиг.3 - выноска с увеличенным изображением герметичного узла, на фиг.4 - герметичный узел крепления штуцера, на фиг.5 - герметичный узел крепления электросоединителя.
Способ герметизации узлов крепления 1 в оболочке 2 из слоистых 3 полимерных композиционных материалов с герметичным слоем 4, при котором в просверленное в оболочке 2 отверстие вставляют крепежный элемент 5, стягивая последним элементы 6 узла 1 и расположенные между ними слои 3 оболочки 2, при этом между герметичным слоем 4 и соответствующим элементом 6 узла 1 с охватом зоны отверстия оболочки 2 располагают эластичное кольцо 7, внутреннюю полость которого заполняют неотвержденной герметизирующей композицией 8, отверждая последнюю после максимального сжатия эластичного кольца 7 с вдавливанием композиции из внутренней полости кольца в расслоения 9 оболочки 2 в зоне отверстия при затяжке крепежных элементов 5 узла 1. В качестве герметизирующей композиции 8 используют состав, обеспечивающий его химическую сшивку с материалом герметичного слоя 4 и со связующим материала оболочки 2. Растяжение эластичного кольца 7 и его сжатие ограничивают путем размещения его в предварительно выполненной выемке 10 в соответствующем элементе 6 узла 1. Эластичное кольцо 7 перед заполнением его внутренней полости закрепляют с помощью быстродействующего клея 11.
Герметичный узел крепления 1 элементов 6 в оболочке 2 из слоистых 3 полимерных композиционных материалов с герметичным слоем 4, включающий крепежный элемент 5, расположенный в отверстии оболочки 2, установленное между герметизирующим слоем 4 и соответствующим элементом 6 узла 1 с охватом зоны отверстия оболочки 2 эластичное кольцо 7, причем оболочка 2 в зоне отверстия снабжена втулкой 12 из отвержденной герметизирующей композиции 8 расположенной вокруг крепежного элемента 5 клиньями 13 между сжатыми слоями 3 оболочки 2, а также в полости максимально сжатого эластичного кольца 7 поверх герметичного слоя 4. Втулка 12 скреплена со связующим оболочки 2 и с герметичным слоем 4 химической сшивкой их материалов. В элементе 6 узла 1 со стороны герметичного слоя 4 оболочки 2 выполнена выемка 10, в которой на всю ее глубину установлено сжатое эластичное кольцо 7 и материал втулки 12, расположенный поверх герметичного слоя 4 оболочки 2.
Пример конкретного исполнения способа заключается в том, что оболочку 2 выполняют из слоев стеклоткани или стекловолокна, пропитанных эпоксидным связующим, герметичный слой 4 - из пленки на основе эпоксидной смолы с добавлением каучука (например, из пленки ВК-3 ТУ6-17-663-75), в качестве герметизирующей композиции 8 используют клей ВК-9, обеспечивающий химическую сшивку с используемыми материалами и высокую адгезию с металлическими деталями узла 1. Вдавливание герметизирующей композиции 8 осуществляют с повышением давления в процессе затяжки, чем обеспечивают повышение качества узла 1 с более полным восстановлением структуры материала оболочки 2 за счет более полного заполнения расслоений слоев 3 вплоть до проникновения в микротрещины связующего материала оболочки. При максимальной затяжке крепежных элементов 5 и максимальном давлении вдавливания композиции 8 происходит прорыв излишков последней через эластичное кольцо 7 между внутренним элементом 6 узла и герметичным слоем 4, а также между наружным элементом 6 и оболочкой 2 с образованием дополнительных клеевых соединений 14, что значительно повышает герметичность узла 1 и надежность его работы.
Примеры конкретного исполнения герметичного узла 1 заключаются в том, что способ герметизации использован для узла герметизации штуцера 15 и электросоединителя проводников 16.
Работает герметичный узел 1 следующим образом. При воздействии внутреннего давления на узел 1 его герметичность обеспечивается наличием втулки 12 из уплотненной герметизирующей композиции 8, хорошей ее адгезией с металлическими элементами 5 и 6 узла 1, надежностью клеевого соединения 14. Надежность работы узла 1 обеспечивается повышенной по сравнению с аналогами несущей способностью оболочки 2 в зоне узла 1 за счет практически полного, вплоть до исходного (что подтверждено исследованиями), восстановления структуры и физико-механических характеристик композита оболочки 2.
Использование изобретений позволит создать высокотехнологичную герметичную конструкцию узла крепления элементов в композитной оболочке с повышенной надежностью работы, что подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний оболочек из слоистых полимерных композиционных материалов с герметичными узлами крепления штуцеров, силовых опорных элементов и электросоединителей, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.