ПУЛТРУЗИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ АНКЕРОВ
PULTRUSION PLANT FOR MANUFACTURING TUBULAR ANCHORS

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых, в частности, для армирования стен и кровли при строительстве тоннелей («стена в грунте» и др.).
Известны пултрузионные установки для изготовления изделий из ПКМ, включающие блок пропитки и отжима связующего, профилирующие фильеры и камеры термообработки (RU 2458214 C1, WO 2007025288 A1, FR 2831481 А1). Блоки пропитки и отжима выполнены в виде двух элементов: камеры пропитки, представляющей собой открытую ванну, снабженную направляющими и прижимными приспособлениями (валками, роликами, барабанами) и отдельным приспособлением для отжима связующего.
Недостатком указанных известных пултрузионных установок является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения при работе открытой камеры пропитки, а также конструкционная сложность в связи с использованием отдельного приспособления для отжима связующего и прижимных и направляющих приспособлений. Кроме того, в местах контакта отдельных волокон с прижимными приспособлениями наблюдаются перегибы, что приводит к возникновению перенапряжений волокон и их повреждению.
Известны пултрузионные установки для изготовления трубчатых изделий, частным случаем которых являются трубчатые анкеры, включающие камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа волокна и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением (RU 2502600 C1, RU 94041853 А1).
Недостатком указанных известных установок является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения при работе открытой камеры пропитки, а также их конструкционная сложность.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является пултрузионная установка для изготовления трубчатых изделий, частным случаем которых являются трубчатые анкеры, включающая камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа ровинга и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением, содержащую дорн (RU 2133670 С1 - прототип).
В известной установке перед входом в профилирующую фильеру установлено оплеточное устройство, в котором сформированный пакет ровинга, пропитанного в ванне связующим, оплетают в непрерывном режиме с дополнительным введением с нулевым углом наклона в зону переплетения ровинга, пропитанного связующим в дополнительном роликовом пропиточном устройстве. Скорость протяжки, определяющая производительность установки, не превышает 0,35 м/мин.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении прочности целевого продукта и производительности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что пултрузионная установка для изготовления трубчатых анкеров, включающая камеру пропитки, снабженную отверстиями для подачи связующего, входа ровинга и выхода пропитанного ровинга, и профилирующую фильеру с кольцевым поперечным сечением, содержащую дорн, дополнительно включает камеру термообработки, установленную после профилирующей фильеры, а камера пропитки выполнена с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа ровинга, отверстие для выхода пропитанного ровинга выполнено имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный наружный диаметр целевого продукта, в виде сечения конуса, параллельного его основанию, причем камера пропитки снабжена двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса.
На чертеже приведена конструкция камеры пропитки, входящей в состав предлагаемой пултрузионной установки для изготовления трубчатых анкеров. Камера пропитки выполнена снабженной двумя соосными отверстиями 1 для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса. Внутренняя поверхность камеры выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса, в основании которого расположена пластина с отверстиями 2 для входа ровинга, а отверстие 3 для выхода ровинга выполнено в виде сечения усеченного конуса, параллельного его основанию.
Работа предлагаемой пултрузионной установки для изготовления трубчатых анкеров состоит в следующем.
Паковки ровинга устанавливают на шпулярник. Пряди ровинга через нитепроводящую гарнитуру последовательно пропускают в камеру пропитки, холодильник, профилирующую обогреваемую фильеру, камеру термообработки и закрепляют в траках тянущего устройства. При использовании базальтового и стеклянного ровинга, являющегося абразивным материалом, всю нитепроводящую гарнитуру изготавливают из материалов с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, таких как керамика. Перед включением тянущего устройства включают обогрев профилирующей фильеры и камеры термообработки для достижения необходимых температурных показателей. После этого включают тянущее устройство и выставляют скорость протяжки, определяющую производительность установки, равную 1,0 м/мин. Пряди ровинга, сходящие со шпулярника, проходят через нитепроводящую гарнитуру непосредственно в камеру пропитки. Связующее из дозатора подается в камеру пропитки через два соосных отверстия 1 перпендикулярно направлению движения ровинга. Пряди ровинга подают через соответствующее количество отверстий 2. Выход пропитанного ровинга осуществляется через отверстие 3, где происходит отжим излишка связующего. Количество отверстий 2 выбирается в зависимости от заданного содержания ровинга в получаемом целевом продукте. Диаметр отверстий 2 и 3, а также линейные размеры камеры выбираются в зависимости от вида и линейной плотности ровинга и заданного его содержания в получаемом ПКМ. Выполнение отверстия для выхода пропитанного ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, обеспечивает отжим излишка связующего и завершает равномерную пропитку прядей ровинга. На основе рассчитанного таким образом диаметра отверстия 3 для выхода пропитанного ровинга с учетом необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга и того, что значение конусности внутренней поверхности камеры должно быть выбрано из интервала от 0,01 до 0,10, определяется длина камеры и диаметр пластины, достаточный для равномерного размещения необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга в камеру пропитки. Под конусностью, в соответствии с ГОСТ «Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные конусности и углы конусов», понимается величина С, рассчитанная по следующей формуле:
С=(D-d)/L,
где D - диаметр основания конуса,
d - диаметр сечения, параллельного основанию,
L - расстояние между основанием конуса и указанным сечением.
Отверстия 2 для входа ровинга могут размещаться на пластине с расстоянием, большим, чем расстояние, обусловленное технологическими возможностями используемого для их выполнения инструмента, или равном ему, т.к., как показали эксперименты, при условии выполнения внутренней поверхности камеры с вышеуказанными параметрами полная однородность продукта пропитки по составу достигается при любом указанном размещении отверстий. Пропитанный ровинг из камеры пропитки проходит в профилирующую фильеру через холодильник. Холодильник может быть выполнен в виде фланца с водяным охлаждением. Задача холодильника - изолировать теплопередачу от профилирующей фильеры, работающей при более высокой температуре, к камере пропитки, температура в которой ниже (не выше 35°С для любого связующего), что позволяет поддерживать в последней заданный температурный режим. Пропитанный ровинг при входе в фильеру располагается вокруг дорна. Дорн представляет собой стальной обогреваемый стержень с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру трубчатого анкера, установленный по оси протяжки от входа в камеру пропитки до выхода из фильеры. В профилирующей фильере пряди ровинга заполняют свободное пространство между поверхностью фильеры и дорном. Профилирующая фильера представляет собой разъемную стальную конструкцию, состоящую из двух параллелепипедов с отфрезерованной и обработанной цилиндрической канавкой по длине каждой части, которые при смыкании образуют цилиндрическую поверхность, соответствующую наружному диаметру целевого продукта (анкера). Профилирующие фильеры обжаты по всей длине обогреваемыми тэнами, разделенными на 3 зоны контроля температур. Температура по зонам определяется в зависимости от выбранного профиля целевого продукта, связующего и скорости процесса. Температура на дорне находится в пределах 120-180°С. На выходе из профилирующей фильеры сформированный профиль поступает в камеру термообработки. Профилирующая фильера и камера термообработки снабжены пультом управления, обеспечивающим поддержание заданной температуры. На выходе из камеры термообработки трубчатый анкер проходит через тянущее устройство тракового типа. Анкер зажимается между верхним и нижним резиновыми траками и режется в размер с помощью отрезной пилы. Все составные части предлагаемой установки, за исключением камеры пропитки, являются промышленно выпускаемыми изделиями, предназначенными для пултрузионных установок.
Предлагаемая пултрузионная установка для изготовления трубчатых анкеров включает одну закрытую камеру пропитки, что упрощает конструктивное выполнение установки, исключает выброс вредных веществ, а также способствует снижению теплопотерь. Снижению теплопотерь способствует также выполнение внешней поверхности камеры пропитки цилиндрической. Отсутствие в предлагаемой пултрузионной установке направляющих и прижимных приспособлений в составе камеры пропитки упрощает ее конструктивное выполнение и повышает сохранность целостности волокна. Выполнение внутренней поверхности камеры пропитки предлагаемой установки в виде прямого кругового усеченного конуса, а отверстия для выхода ровинга - в виде сечения этого конуса, параллельного его основанию, исключает возникновение контактов ровинга с углами на внутренней поверхности камеры пропитки (в связи с отсутствием таких углов), т.е. возникновение в нем микротрещин.
Как показали проведенные эксперименты, выполнение пултрузионной установки для изготовления трубчатых анкеров по предлагаемому изобретению за счет вышеуказанной конструкции камеры пропитки и наличия дополнительной камеры термообработки обеспечивает по сравнению с прототипом повышение прочности целевого продукта. Так, целевой продукт (анкер из базальтового волокна и эпоксидного связующего с наружным диаметром 42 мм и внутренним диаметром 25 мм), полученный на установке по изобретению, имеет показатель разрывного усилия 1261 кН. Целевой продукт пултрузионной установки-прототипа, полученный из того же сырья, имеет показатель разрывного усилия Р 1248 кН. При этом производительность предлагаемой установки в 3-5 раз выше производительности установки-прототипа (скорость протяжки соответственно 1 м/мин и 0,2-0,35 м/мин). Указанный технический результат обусловлен следующим.
Величина диаметра отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки в сочетании со значениями конусности определяют размеры и форму внутренней поверхности камеры пропитки и являются факторами, определяющими кинетику и физико-химические характеристики процесса пропитки ровинга связующим. Проведенными экспериментами было подтверждено следующее: даже при минимально допустимой, согласно предлагаемому изобретению, конусности внутренней поверхности камеры пропитки при выполнении отверстия для выхода ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, и любом диаметре пластины на входе в камеру пропитки, достаточном для размещения отверстий в количестве, соответствующем количеству прядей ровинга, обеспечивается равномерная пропитка ровинга связующим и однородность по составу целевого продукта при условии, что пластина с отверстиями для входа ровинга является конструктивной частью камеры пропитки и располагается на входе в нее ровинга. Последнее обеспечивает подачу в камеру пропитки ровинга, пряди которого не прижаты друг к другу, а напротив, отделены друг от друга. Как показали эксперименты, при указанных параметрах камеры пропитки подача связующего через два отверстия, расположенных на оси, перпендикулярной оси конуса, исключает появление застойных зон внутри камеры. Превышение значения конусности свыше допустимого согласно предлагаемому изобретению приводит к недостаточной пропитке прядей ровинга в связи с отсутствием необходимого давления, что снижает однородность по составу продукта пропитки и, как следствие, прочность целевого продукта. Снижение конусности ниже 0,01 приводит к появлению застойных зон внутри камеры при размещении отверстий для подачи связующего согласно предлагаемому изобретению, что также снижает равномерность пропитки, однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, прочность продукта пултрузии. Выполнение отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный наружный диаметр целевого продукта пултрузионной установки, позволяет повысить однородность продукта пропитки и, следовательно, прочность целевого продукта, а также избавиться от излишка связующего без включения в состав пултрузионной установки дополнительных элементов. При прохождении сквозь отверстие для выхода ровинга из камеры пропитки на пропитанный ровинг оказывается давление, завершающее процесс пропитки ровинга в массе, обеспечивающее однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, повышение прочности целевого продукта. Выполнение отверстия для выхода ровинга из камеры пропитки с диаметром, более чем на 0,50% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, не создает необходимого давления, что не позволяет не только полностью отжать излишек связующего, но и дополнительно обеспечить однородность продукта пропитки. Выполнение отверстия для выхода ровинга с диаметром, менее чем на 0,45% превышающим заданный наружный диаметр целевого продукта, затрудняет выход пропитанного ровинга и нарушает его целостность. Введение в состав предлагаемой установки камеры термообработки позволяет увеличить скорость протяжки, определяющую производительность установки, за счет интенсификации процесса отверждения.