Способ ремонта изделий из полимерных композиционных материалов
METHOD OF REPAIRING ARTICLES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области производства, ремонта и обслуживания изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может применяться в отраслях машиностроения, транспорта, строительства, энергетики для повышения прочности и ресурса конструкций из композиционных полимерных и металло-полимерных материалов.
Снижение массы конструкции, как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов, является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. В контексте решения данной проблемы при создании новых самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы. За рубежом объем использования ПКМ в конструкции планера современных летательных аппаратов (ЛА) достигает 50% по весу, например, Boeing 787 (США) - 50%, Airbus А380 (Европа)- 30%, Airbus А350 (Европа) - 50%.
При разработке конкурентоспособных конструкций из ПКМ существенную роль играет создание эффективной и безопасной конструкции после проведения штатного типового ремонта агрегатов по условиям статической и усталостной прочности.
Для проведения ремонтно-восстановительных работ широко применяются две технологии ремонта [Ривин Г.Л. Ремонт конструкций из полимерных композиционных материалов. Учебное пособие // Министерство образования Российской федерации Ульяновский Государственный технический университет летательных аппаратов - 2000 г. - 77 С; Войсковой ремонт авиационной техники // М., Военное издательство - 1991 г. - С. 250-259; Care and repair of advanced composites. Second edition / Keith B. Armstrong, L. Graham Bevan, William F. Cole II // Warrendale, USA - 2005 - 639P.; Joining and Repair of Composite Structures / Keith T. Kedward, Hyonny Kim // West Conshohocken, PA, USA - 2004 - 216 P.]:
- ремонт с применением клеевых технологий;
- клее-механический ремонт с использованием механического крепежа.
Обе технологии ремонта имеют свои достоинства и недостатки с точки зрения их прочностных свойств, трудоемкости, массовой эффективности и возможности одно-двустороннего доступа к ремонтируемой зоне.
При проведении клее-механического ремонта поврежденную зону удаляют механически, затем производят ремонт в виде установки накладок из металлического сплава либо из композиционного материала с последующим ее закреплением при помощи металлического крепежа (болты, заклепки). Его особенности:
- данный тип ремонта обладает наименьшей массовой эффективностью, т.к. для ремонта применяется металлический крепеж и накладки;
- при сквозных повреждениях возможен односторонний доступ к ремонтируемой зоне изделия;
- пониженная трудоемкость;
- недостаточная жесткость крепления ремонтирующего элемента, в связи с чем необходимо обеспечить его плотную посадку за счет заполнения зазоров в крепеже с применением клеевых композиций с высокими прочностными характеристиками.
Ремонт с применением клеевых технологий заключается в послойном удалении поврежденной зоны в виде обратного конуса с углом от 3° до 10° и дальнейшем восстановлении конструкционной целостности детали за счет укладки и пропитки инфузионным связующим восстанавливающих слоев углеткани. Его особенности:
- данный тип ремонта обладает наибольшей массовой эффективностью;
- при сквозных повреждениях необходим двусторонний доступ к ремонтируемой зоне изделия;
- связан с высокой трудоемкостью;
- большой масштаб задействованной зоны детали при проведении ремонта (при размере повреждения 30-35 мм и толщине детали 3 мм - зона послойной выборки около 130 мм);
- не обладает постоянным качеством результатов, при неразрушающем контроле (УЗК) обнаружены значительные несплошности в ремонтируемой зоне (непроклей, отслоения и избыток связующего), характер и масштаб данных дефектов имеет стохастический характер, что ведет к непредсказуемым разрушающим нагрузкам при эксплуатации, а также к потере несущей способности отремонтированной обшивки при меньших действующих напряжениях;
- ремонт увеличивает массу детали из ПКМ на 17-20 г.
Известен способ ремонта тонкостенных конструкций, представленный в патенте RU 2181083 С2 от 10.04.2002 г. Изобретение относится к технологии производства и ремонта тонкостенных металлических или полимерных конструкций, преимущественно листов или монолитных панелей с односторонним подходом, например, листовых деталей автомобилей или самолетов. В соответствии с этим способом тонкостенных конструкций определяют границы зоны повреждения, вырезают поврежденную зону. Изготавливают компенсирующую заплату из нескольких слоев препрега и смеси жидкого клея с наполнителем. Размер каждого последующего слоя, кроме первого, выбирают больше предыдущего на величину нахлеста и заливают поврежденную зону эпоксидным клеем. Из первого слоя препрега образуют дно поврежденной зоны и частично его вдавливают внутрь конструкции. Заполняют полость дефекта смесью жидкого эпоксидного клея с наполнителем. Укладывают другие слои поверх смеси клея с наполнителем и образуют компенсирующую заплату. Реализация заявленного способа ремонта тонкостенных изделий позволяет производить ремонт дефектов.
Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость и дороговизна применяемого оборудования и материалов, низкое качество ремонтных работ из-за сложности их выполнения (требуется высококвалифицированный специалист), а также невозможность контролировать качество проведенной работы без привлечения дополнительного оборудования и высококвалифицированного персонала для проведения неразрушающего контроля. Также рассматриваемый способ не позволяет восстановить жесткость отремонтированной зоны, что приводит к ее преждевременному разрушению в процессе эксплуатации со знакопеременным нагружением. Не обеспечивает достаточного качества ремонта, так как на краях слоев заплаты образуются высокие напряжения, приводящие к существенным, несовместным деформациям ремонтирующих слоев заплаты и ремонтируемой детали, что приводит к локальному отслоению внешнего края заплаты и, как следствие, преждевременному разрушение всей отремонтированной зоны.
Аналогом является так же способ ремонта деталей с трещинами и пробоинами, представленный в патенте RU 2421314 С1 от 20.06.2011 г. В соответствии с этим способом поврежденную зону детали вырезают и формируют дно с образованием лунки, которую заполняют смесью жидкого эпоксидного клея с наполнителем. Поверх укладывают заплату. Осуществляют разделку кромок повреждения под углом 30-40°, зачищают поверхность детали и наносят на нее слой эпоксидной композиции, модифицированной полисульфоном, а дно полости образуют слоем стеклоткани, которую укладывают поверх слоя упомянутой эпоксидной композиции. Приведенный способ не позволяет восстановить жесткость отремонтированной зоны, что приводит к ее преждевременному разрушению в процессе эксплуатации со знакопеременным нагружением, а также может привести к снижению нагрузки, при которой произойдет местная потеря устойчивости отремонтированной детали.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является способ ремонта изделий из полимерных материалов, который представлен в патенте SU 1359142 А2 от 15.12.87 г. В соответствии с этим способом, проводят осмотр изделия, определяют место дефекта, определяют его границы, вырезают поврежденную зону и изготавливают ремонтирующую вставку и вклеивают последнюю в полученное отверстие. Обнаруженную поврежденную зону и ремонтирующую накладку обрабатывают сферическими инструментами. Диаметры инструментов больше диаметров, получаемых полости и накладки. Такая обработка обеспечивает вставку накладки в полость изделия без зазора и дополнительной подгонки. В рассмотренном способе не обеспечивается симметричная форма ремонтируемых деталей, т.к. выборка повреждения производится сферическим инструментом, это приводит к асимметричной форме обработанных кромок, что смещает центр жесткости тонкостенных деталей после проведения ремонта, не обеспечивается жесткое закрепление наружных слоев армирующего наполнителя детали из ПКМ, примыкающих к ремонтирующей вставке, что приведет к контакту материалов разной жесткости и возникновению местных форм потери устойчивости при нагружении детали.
Основными недостатками всех выше рассмотренных способов является то, что:
- клеевой слой наносится только на поверхности соприкосновения деталей, но дефекты, микротрещины и другие повреждения, возникающие при изготовлении и в процессе эксплуатации конструкций из ПКМ, которые являются концентраторами напряжений, не залечиваются, а, следовательно, происходит преждевременное разрушение деталей от обработанных кромок;
- не обеспечивается демпфирование ударных нагрузок, в том числе, и при знакопеременном циклическом нагружении, что приведет к разрушению клеевого слоя и, как следствие, выдавливанию или исключению из работы ремонтирующей вставки из зоны ремонта.
Техническим результатом изобретения является: обеспечение восстановления эксплуатационных прочностных характеристик изделий из ПКМ после проведения ремонтно-восстановительных работ сквозных ударных или требующих полного удаления производственных повреждений; повышение надежности и ремонтопригодности конструкций из ПКМ; снижение эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт деталей и узлов из ПКМ; обеспечение усталостной долговечности и герметичности и неразборности применяемого соединения в отремонтированной детали; минимальное нарушение обводообразующих поверхностей летательных аппаратов.
Технический результат достигается тем, что в способе ремонта изделий из полимерных композиционных материалов, включающем нахождение места дефекта, определение его границ, вырезание поврежденной зоны, изготовление ремонтирующей вставки и ее установку вместо вырезанной поврежденной зоны изделия, при вырезании поврежденной зоны образуют сквозное отверстие, ремонтирующую вставку изготавливают в виде разрезного распорного кольца, состоящего не менее чем из 4 секций, с внешней поверхностью, профилированной для охвата поверхности ремонтируемого изделия с внешней, внутренней и торцевой сторон по границе вырезанной поврежденной зоны, в которую устанавливают заглушку с распором кольца.
Распирание разрезного профилированного кольца обеспечивают тем, что резьбу на внутренней поверхности кольца выполняют с большим средним диаметром, либо внутренней поверхности кольца и на заглушке выполняют коническую резьбу, внутрь распорного кольца вставляют предварительно охлажденную заглушку с резьбой или с кольцевой проточкой для фиксации, которая при повышении ее температуры расширяется. Разрезное профилированное кольцо и заглушку устанавливают с использованием клеевой композиции. Ремонтирующую вставку возможно изготовить из близкого по податливости к углепластику материала, например, титанового сплава.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания примера выполнения заявленного устройства с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - схематичное изображение предлагаемого способа ремонта на примере ремонта повреждения в детали из ПКМ.
Фиг. 2 - Схема проведенного ремонта с С-образным профилем в разрезе
Фиг. 3 - Схема проведенного ремонта с П-образным профилем в разрезе
Фиг. 4 - Результаты расчета максимального разрушающего напряжения по сечению от величины натяга 8 (определение допустимого значения величины натяга 5).
Фиг. 5 - Фотоизображения образцов с проведенным ремонтом после испытания на остаточную прочность.
Фиг. 6 - Несущая способность образца, полученная в эксперименте и при расчете МКЭ, где: а) исходная панель, б) с отверстием, в) отремонтированная.
Способ ремонта изделий из ПКМ заключается в нахождении поврежденной зоны, определении ее границ, вырезании поврежденной зоны с образованием сквозного отверстия, заполнении удаленной поврежденной области (Фиг. 1) в детали из ПКМ 1 ремонтирующей вставкой, состоящей из: разрезанного не менее чем на четыре сегмента кольца 2, устанавливаемой с натягом центральной вставки 3, натяг обеспечивает распор разрезного кольца. Вставку устанавливают по резьбе с припуском или предварительно охладив с размером линейного расширения при нагреве до нормальной температуры, выбранным в диапазоне до 0.05 мм, согласно результатам проведенных расчетов (Фиг. 4), припуск создает натяг δ 4, позволяющий обеспечить плотное, без зазорное прилегание внешней поверхности разрезного профилированного кольца 2 к поверхности ремонтируемой детали из ПКМ 1. С-образный (фиг.2) или П-образный (фиг. 3) профиль разрезного кольца обеспечивает увеличенную площадь соприкосновения ремонтирующих элементов, а также подкрепляет внешние слои композитной детали, что позволяет повысить критические напряжения их местной потери устойчивости. На соприкасающиеся поверхности ремонтируемой детали из ПКМ и разрезной вставки, а также разрезы 5 и на поверхности резьбового соединения 6 наносят клеевую композицию на основе эпоксидной смолы (конструкционные клеи - ВК-9, ВК-27 и т.п.). На ввинчивающейся центральной вставке 3 сделаны углубления 7 для использования ключа при ее завинчивании. Общее выступание ремонтирующей вставки над поверхностью ремонтируемой детали может быть ограничено 0.5 мм, что необходимо при ремонте обвоодообразующих поверхностей летательных аппаратов.
Распор разрезного кольца обеспечивается за счет того, что резьбу на внутренней поверхности кольца выполняют с большим средним диаметром (резьба в натяг в соответствии с ГОСТ 4608-81 - Резьба метрическая. Посадки с натягом.), или выполняют коническую резьбу на разрезном кольце и вставке, или внутрь распорного кольца вставляют предварительно охлажденную заглушку с резьбой либо кольцевой проточкой для фиксации, которая при повышении ее температуры расширяется. В процессе сборки внешнее разрезное кольцо разжимается, обеспечивая равномерное давление на края ремонтной детали по контуру удаленной зоны. Внешний профиль поверхности разрезного кольца может варьироваться от дуги окружности - «С»-образная до "П"-образного в зависимости от толщины ремонтируемого пакета, удобства монтажа и размеров поврежденной (вырезаемой) зоны. Профиль внешней поверхности разрезного кольца обеспечивает увеличенную площадь соприкосновения ремонтирующей элементов, а также подкрепляет внешние слои композитной детали, что позволяет повысить критические напряжения их местной потери устойчивости. В процессе сборки наносится клеевая композиция (конструкционные клеи - ВК-9, ВК-27 и т.п.) на соприкасающиеся поверхности ремонтируемой детали из ПКМ и разрезной вставки, а также резьбу перед сборкой, является как смазкой для облегчения сборки ремонтной вставки, так и дополнительным фактором герметизации поврежденной зоны и фиксации соединения, также демпфирует ударные нагрузки, в том числе, при знакопеременном циклическом нагружении, снижает концентрации контактных и растягивающих напряжений на контуре вырезанной поврежденной зоны за счет устранения зазоров между ремонтируемой деталью и ремонтирующей вставкой, заполнения дефектов в изделиях из ПКМ, возникающих при их механической обработке.