Композитная стойка

Полезная модель относится к области мачтового строения и касается конструкции композитных стоек, в частности для линий электропередач (ЛЭП), опор освещения и антенных мачт.
В последние годы начали интенсивно разрабатываться опоры воздушных линий электропередачи, опоры освещения и антенные мачты с композитными стойками.
Композитные опоры воздушных линий электропередач - сравнительно новый тип мачтовых конструкций. Опыт применения их в настоящее время еще небольшой, но характеристики современных композиционных материалов придают опорам этого типа ряд необычных для других типов опор свойств, представляющих определенный интерес с точки зрения снижения затрат на монтаж и повышения эксплуатационной надежности воздушных линий электропередач.
Композитом называется неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более функционально различающихся компонентов, имеющих четкие границы, при этом свойства композита определяются не только и не столько свойствами самих компонентов, сколько их пространственным расположением и характером взаимодействия. В настоящее время термины «композит» и «композитный материал» используется более узко в отношении лишь армированных полимерных композиционных материалов. В качестве армирующих наполнителей в настоящее время получили распространение (в порядке убывания): стеклянное, базальтовое, органическое и углеродное волокно. Органическое и углеродное волокно имеют очень высокую стоимость и крупнотоннажных массовых изделиях применения не находят.
В настоящее время для производства композитных стоек используются следующие технологии производства: пултрузия, филаментная намотка, инфузия. Пултрузия заключается в следующем: готовые стекловолокна пропитывают специальным связующим веществом, полученному изделию придают необходимую форму и протягивают изделие через фильеру с последующей нарезкой его на части определенной длины. А филаментная обработка состоит из следующих этапов: заготовленное сырье (волокна) соединяют с помощью матричной подложки, наматывают их на вращательно-симметричный сердечник, затем охлаждают и используют заготовки по назначению.
Так, известна стойка опоры воздушной линии электропередачи, содержащая модуль, выполненный в форме полого усеченного конуса из композитного материала на основе армирующего наполнителя, пропитанного связующим, при этом стенка модуля имеет переменную толщину вдоль его продольной оси (RU 162084, E04H 12/02, опубл. 27.05.2016). Принято в качестве прототипа.
Про данному патенту стойка выполнена из композитного материала заданной толщины, сформированного из волокон (нитей) армирующего наполнителя, например, стеклоровинга, и полимерного связующего в процессе «мокрой» намотки на коническую оправку. В качестве полимерного связующего может быть использована, например, эпоксивинилэфирная смола с добавками (отвердителем и ускорителем), улучшающими полимеризацию. А для повышения прочности модуля по отношению к механическим напряжениям различного направления (сжимающим, растягивающим, касательным), возникающим в стенке модуля от внешних воздействий на стойку опоры линии электропередачи, намотка композитного материала выполнена со спирально-перекрестной укладкой его слоев под различными углами по отношению к продольной оси конического модуля.
Применение метода намотки волокном позволяет внести коррективы в конечные механические показатели композитных стоек. Этот метод основан на формировании стеклопластикового изделия непрерывной нитью стекловолокна, которая пропитывается связующим и наматывается на формообразующую поверхность - цилиндрическую или коническую оправку. Данный способ широко применяется в крупносерийном производстве труб, емкостей и фитингов. Процедура изготовления стеклопластикового изделия методом намотки происходит следующим образом: на вращающуюся металлическую оправку (шаблон) под определенным углом подаются нити непрерывного ровинга, которые являются армирующим материалом для будущего изделия. Нити ровинга пропитываются предварительно подготовленным связующим. При необходимости, в стенку трубы или емкости могут быть введены наполнители, такие как кварц, рубленный ровинг, оксид алюминия и пр. После отверждения, готовое изделие снимается с оправки и подвергается механообработке: шлифование торцов, проточка фасок и пр.
2
2
2
Обязательная стадия процесса изготовления изделия намоткой - отверждение намотанной на оправку заготовки. При этом заготовка может быть дополнительно уплотнена с помощью вакуумного или надувного мешков. Высокая прочность изделий, полученных намоткой, достигается за счет ориентированной укладки наполнителя, его высокого содержания в материале изделия. При однонаправленной укладки объемное содержание стекложгута может достигать 90%, а разрушающее напряжение при растяжении стеклопластика 30000 кгс/см, в то время как для стеклохолста - 50% при показателе прочности стеклопластика не выше 5000-7000 кгс/см (разрушающее напряжение при растяжении стеклопластиков с неориентированной структурой наполнителя, полученных методом напыления, составляет только 1000-1500 кгс/см).
Практика применения метода намотки для получения композитных стоек показывает, что наполнители, как компоненты, влияющие на конечные механические свойства изделия, вводятся отдельно в качестве напыляемых или наносимых на уложенный слой армирующего материала. Это приводит к тому, что внедрение этого нанесенного компонента в тело структуры изделия с целью получения замоноличенной структуры производится натяжением последующих слоев, утапливающих частицы наполнителя в связующее в сами слои. Естественно, что для организации моноструктуры в изделии это изделие должно подвергаться дополнительному уплотнению. Кроме того, необходимо соблюсти процесс равномерного нанесения частиц кварца, рубленного ровинга или оксида алюминия на всю поверхность намотанных слоев, что достаточно проблематично из-за того, что тело изделия постоянно вращается. Нарушение условий технологии может привести к получению неоднородной моноструктуры тела стойки, в которой отдельные зоны будут отличаться друг от друга механическими (прочностными) свойствами.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной долговечности за счет получения моноструктуры тела стойки армированием связующим, заполненным фрагментированными стеклянными, базальтовыми или углеродными волокнами либо нанотрубками.
Указанный технический результат достигается тем, что в композитной стойке, представляющей собой выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело, выполненное намоткой армирующего материала с использованием связующего и имеющее слоистую структуру по поперечному сечению, а так же армирующий наполнитель, размещенный между слоями намотки трубчатой формы тела, указанный армирующий наполнитель размещен в связующем.
При этом размещенный в связующем армирующий наполнитель может быть выполнен в виде фрагментированных стеклянных, и/или базальтовых, и/или углеродных волокон, или нанотрубок.
Выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело может иметь форму усеченного конуса.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется примером реализации, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - изображена установка для мокрой намотки армирующего материала на шаблон для изготовления композитной стойки.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция композитной стойки, армированной наполнителем, который добавлен в связующее. Такие композитные стойки используют в качестве опор линий электропередачи.
С целью снижения гибкости композитных стоек и увеличения их несущей способности предлагается выполнять их объемно армированными. Объемное армирование выполняется наполнением связующего фрагментированными стеклянными, и/или базальтовыми и/или углеродными волокнами, либо нанотрубками. Объемное армирование может выполняться как отдельными наполнителями, так и их комбинациями. Объемное армирование осуществляется путем размешивания указанных выше наполнителей в связующем, которое впоследствии используется при изготовление композитных стоек. Кроме снижения гибкости объемное армирование также приведет к увеличению несущей способности стоек.
Таким образом, в общем случае, в рамках настоящей полезной модели рассматривается композитная стойка, представляющая собой выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело, выполненное намоткой полимерного армирующего материала с использованием связующего и имеющее слоистую структуру по поперечному сечению, а также армирующий наполнитель, размещенный между слоями намотки трубчатой формы тела. При этом указанный армирующий наполнитель размещен в объеме связующего. Композитная стойка может иметь форму усеченного конуса или цилиндра.
Намотка - процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. При этом способе армирующий материал 1 (нить, лента, жгут или ткань) укладываются по заданной траектории на вращающуюся оправку 2 (шаблон), которая несет внутреннюю геометрию изделия. Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирующий материал. Специальные механизмы, например, тележка 3, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои 4 наносятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина. Армирующий материал, подается с тележки 3 и пропускается через ванну 5, заполненную связующим, смачивающим материал 1. Смоченный связующим материал через прижимные ролики 6 поступает на оправку и при вращении последней с заданным натяжением наматывается на ранее уложенный слой армирующего материала.
Так как процесс намотки может быть автоматизирован, то он относится к технологически современным процессам, при которых можно обеспечить равнопрочность структуры стойки за счет исключения при намотке каверн, воздушных включений и т.д. При этом ускоряется процесс изготовления стойки. Кроме того, при намотке можно включать в структуру композита посторонние вставки, такие как армирующие стержни, которые в последующем при намотке покрывными слоями становятся органической частью структуры тела стойки.
Внедрение в структуру композита армирующих частиц приводит к изменению механических свойств изделия за счет повышения его прочности при снижении упругости. Под упругостью в данном случае понимается степень отклонения одного конца тела стойки по отношению к неподвижному другому концу. Усиление композита наполнителем позволяет снизить упругость и гибкость длинномерного изделия при одновременном повышении прочности. Но при этом следует учитывать, что применение наполнителя дает соответствующий результат только при том, что частицы наполнителя должны составлять единое с намотанными слоями для получения гомогенизированной структуры однородного и равномерно распределенного состава. При использовании посыпного метода укладки наполнителя на намотанный слой материала частицы сливаются со связующим, выделившимся на поверхности намотанного слоя, и неравномерно распределенными кучками остаются на этой поверхности. Потом эти локально сгруппированные частицы покрываются материалом следующего слоя. Образуется структура с неоднородно распределенным наполнителем.
Задача получения такого структуры однородного и равномерно распределенного состава в рамках настоящей полезной модели решается за счет того, что наполнитель смешан со связующим и равномерно распределен по объему связующего. При намотке "в мокрую" происходит смазывание покрывного материала таким комбинированным связующим, что приводит к равномерному распределению связующего и наполнителя с ним по поверхностям слоев. Это и позволяет получить гомогенизированной структуры однородного и равномерно распределенного состава.
Необходимость получения в теле композитной стойки именно такой структуры обусловлена тем, чтобы получить между молекулами композита одинаковые связи как по высоте, так и в поперечном сечении на каждом элементе высоты. Только в этом случае нагрузка на верхушку стойки будет равномерно восприниматься всей структурой стойки. Если будет нарушено условия одинаковых межмолекулярных связей, то в структуре тела стойки будут сформированы локальные объемные зоны, в которых будут связи различными по величине и по физическим свойствам на растяжение/сжатие и кручение. Это приводит к тому, что вся нагрузка будет восприниматься только теми объемными зонами, в которых эти связи меньше всего, то есть слабее. А объемные зоны с усиленными связями (за счет наполнителя) либо не будут участвовать в процессах деформации, либо включаться при критических режимах напряжений в слабых связях.
В связи с этим такая конструкция стойки, выполненная намоткой, в которой армирующий наполнитель находится в смешанном состоянии в связующем, обладает сниженной гибкостью, и увеличенной несущей способностью, и позволяет уменьшить отклонения стоек.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена с использованием современных технологий изготовления изделий из композитов методом намотки.