ГИБКИЙ ШАРНИР

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при проектировании и изготовлении гибких шарниров поворотных управляющих сопел (ПУС) ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).
В настоящее время для соединения подвижной части ПУС РДТТ с неподвижной применяются гибкие шарниры, принцип работы которых основан на использовании деформации сдвига эластомерного материала для осуществления поворота подвижной части ПУС относительно неподвижной при одновременном восприятии эластомером сжимающих нагрузок.
Известна конструкция гибкого шарнира, содержащего чередующиеся между собой слои эластомера и армирующие тарели, установленные между опорными элементами (см. патент США №3429622 - прототип).
В конструкциях гибкого шарнира при приложении нагружающей силы в крайних слоях эластомера, прилегающих к опорным элементам, возникают более значительные напряжения, чем во внутренних слоях эластомера, расположенных между армирующими тарелями.
Таким образом, наибольшей деформации подвергаются слои эластомера, прилегающие к опорным кольцам, что подтверждается общепринятой механической моделью течения твердого полимера.
Согласно этой модели при приложении мгновенной деформации в полимере действуют силы вязкостной и демпфирующей составляющей, соотношение которых при разных толщинах существенно меняется.
При больших толщинах эластомера превалирует вязкостная составляющая, а при меньших - демпфирующая.
Кроме того, с уменьшением толщины эластомера в большей мере сказывается доля присутствия клеевого слоя.
В конструкциях гибкого шарнира с толщиной слоев эластомера, прилегающих к опорным элементам, равной толщине слоев эластомера расположенных между армирующими тарелями, прочность адгезионной связи эластомера с опорными элементами оказывается недостаточной, при этом эластомер может быть выдавлен полностью из зазора между армирующей тарелью и опорным элементом, что соответствует осевому перемещению подвижной части ПУС под нагрузкой.
Нарушение целостности пакета гибкого шарнира приводит к ухудшению характеристик гибкого шарнира и снижению надежности его работы.
Технической задачей данной полезной модели является повышение надежности работы гибкого шарнира за счет повышения прочности связи слоев эластомера с опорными элементами.
Технический результат достигается тем, что в известной конструкции гибкого шарнира, содержащей чередующиеся между собой слои эластомера и армирующие тарели, установленные между опорными элементами, толщина слоев эластомера, прилегающих к опорным элементам, составляет 1/3-2/3 толщины слоев эластомера, расположенных между армирующими тарелями.
Как показали исследования, деформации сдвига уменьшаются, а прочность адгезионной связи эластомера с металлом возрастает с уменьшением толщины слоев эластомера, при этом разделение эластомера на тонкие слои (при одной и той же суммарной толщине слоев эластомера) позволяет повысить осевую и радиальную жесткость шарнира.
Существующая технология изготовления гибкого шарнира, исходя из условия обеспечения при изготовлении полного заполнения зазоров между металлическими кольцами эластомером, позволяет выполнять крайние слои эластомера, прилегающие к опорному кольцу, с толщиной не менее 1 мм, что соответствует наименьшим напряжениям сдвига, а внутренние слои эластомера с толщиной 2-3 мм, что достаточно для обеспечения требуемой прочности адгезии к металлу тарелей, так как внутренние слои эластомера менее нагружены, чем крайние.
Экспериментальные исследования в лабораторных условиях на образцах, с различными вариантами выполнения толщины слоев эластомера показали, что оптимальной, с точки зрения обеспечения требуемого коэффициента запаса прочности адгезионной связи с металлом более нагруженных крайних слоев эластомера, является конструкция гибкого шарнира, в которой толщина слоев эластомера, прилегающих к опорным элементам, составляет 1/3-2/3 толщины слоев эластомера, расположенных между армирующими тарелями.
Такое конструктивное выполнение гибкого шарнира позволяет повысить надежность его работы за счет повышения прочности связи слоев эластомера с металлом опорных элементов.
На фиг. приведена предлагаемая конструкция гибкого шарнира.
Гибкий шарнир содержит армирующие металлические тарели 1 и слои 2 эластомера, размешенные между металлическими опорными элементами 3 и 4.
При установке гибкого шарнира в ПУС опорный элемент 3 скрепляется с подвижной частью сопла, а опорный элемент 4 скрепляется с неподвижной частью сопла.
1
Толщина (δ) слоев 5 эластомера, расположенных между тарелями 1 и опорными элементами 3 и 4, равна 1/3-2/3 толщины (δ) слоев 2 эластомера, расположенных между тарелями 1.
При работе гибкого шарнира в составе ПУС ракетного двигателя, в момент отклонения поворотной части сопла относительно неподвижной части, гибкий шарнир будет деформироваться, при этом в момент перемещения опорных элементов и армирующих тарелей друг относительно друга слои эластомера будут работать на сдвиг и отрыв.
Наибольшим нагрузкам будут подвергаться крайние слои эластомера, прилегающие к опорным элементам, но за счет большей адгезионной прочности связи этих слоев с металлом по сравнению с основными внутренними слоями эластомера (коэффициент запаса 1,13-1,42) обеспечивается прочное скрепление слоев с опорными элементами, что позволяет повысить надежность работы гибкого шарнира.
В предлагаемой конструкции гибкого шарнира оптимальное перераспределение толщины слоев эластомера, учитывающее особенности нагружения при работе в составе ПУС, позволяет исключить нарушение целостности гибкого шарнира и тем самым улучшить моментные характеристики и надежность работы сопла ракетного двигателя.