Научная статья на тему 'Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки'

Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
371
53
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТОД ПОСЛОЙНОЙ НАМОТКИ / РЕЖИМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА / НОВЫЕ ВИДЫ ОБРАЗЦОВ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ / FIBER REELING METHOD / TECHNOLOGICAL PROCESS MODES / NEW TEST SAMPLES / EFFECTIVENESS OF SUGGESTED LABORATORY TESTS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Зиновьев Радий Сергеевич, Савицкий Владимир Яковлевич, Мережко Юрий Александрович, Ивановский Владимир Сергеевич

Актуальность и цели. Сочетание высоких прочностных и упругих характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) с высокими триботехническими параметрами обусловливает изготовление из них высокоресурсных подшипников скольжения. В то же время для современного состояния серийного производства намоточных конструкций из ПКМ характерно изготовление значительной части изделий, содержащих недопустимые макродефекты. В этой связи актуальным представляется создание и внедрение бездефектной технологии изготовления подшипников скольжения, основанной на формировании определенного напряженно-деформированного состояния ПКМ, обеспечивающего сжимающие напряжения массива армированного реактопласта в трансверсальном направлении. Цель данной работы заключается в сравнительной экспериментальной оценке межслоевой прочности кольцевых образцов при трансверсальном растяжении и при межслоевом сдвиге, изготовленных методом послойной намотки. Материалы и методы. Технико-экономическая эффективность исследуемого метода оценивалась на кольцевых образцах из стеклопластика шириной 32…35 мм, вырезанных из технологического припуска трубчатой заготовки серийно изготавливаемого подшипника скольжения внутренним диаметром 120 мм, наружным 155 мм ( m = 1,29). Трубчатая заготовка ­изготовлена на основе стеклоткани ТС-11-78 (толщина слоя 0,27 мм) и эпоксифенолоформальдегидного связующего ФФЭ-70. Намотка велась «сухим» способом на неподогреваемую оправку, препрег при намотке не подогревался. Каждый пакет отверждался по режиму 80 °С/1 час ++ 120 °С/3 часа. Окончательное отверждение велось по режиму 80/1 + 120/3 + + 160/5 + 170/3. Охлаждение происходило вместе с термошкафом со скоростью 0,25 °С/мин. Испытания проводились растяжением образцов с четырьмя надрезами вместо двух стандартных, что позволило определить прочность при межслойном сдвиге в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Определение на одном образце двух характеристик повышает информативность исследований, достоверность результатов и дает возможность в два раза сократить количество необходимых образцов. Результаты. Применение предлагаемого образца эффективно не только при испытаниях материала трубчатых заготовок, но и тогда, когда из-за конструктивных особенностей изделия невозможно вырезать образец для определения сдвиговой прочности в осевом направлении, например, в стыковочном шпангоуте межступенчатого отсека. Предложено рациональное число этапов послойного отверждения и таких режимов намотки, которые позволили бы уменьшить радиальные остаточные напряжения, добиться их более равномерного распределения по толщине и создавать трубчатую заготовку без остаточных радиальных напряжений. На основании проведенных исследований наряду с достоинствами метода послойного отверждения выявлены недостатки, заключающиеся в том, что многократное отверждение последовательно наматываемых пакетов удлиняет технологический процесс изготовления, причем каждый предшествующий пакет слоев подвергается многократной термообработке. Намотка очередного пакета на ранее отвержденный ухудшает условия формирования адгезионной связи на поверхностях контакта этих пакетов, протекания диффузионных процессов. Выводы. Метод намотки с послойным отверждением позволяет эффективно влиять на поле остаточных напряжений в материале и добиться исключения дефектов в толстостенной трубчатой заготовке подшипника скольжения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Зиновьев Радий Сергеевич, Савицкий Владимир Яковлевич, Мережко Юрий Александрович, Ивановский Владимир Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF ARMORED THERMOSETTING MATERIAL CHARACTERISTICS IN MANUFACTURING FRICTION BEARING BY THE METHOD OF FIBER REELING

Background. Combination of high strength and elasticity characteristics of polymeric composite materials (PCM) with high tribotechnical parameters determine the production of long-life friction bearing on basis thereof. At the same time for the modern condition of series production of fiber reeling from PCM it is typical have a significant part of the product containing inadmissible macrodefects. In this connection it is found topical to develop and implement a technology of defect-free production of friction bearing based on formation of the mode of deformation of PCM providing the compressive stress of the mass of the armoured thermosetting material in transversal direction. The study is aimed at comparative experimental evaluation of the interlayer strength of the annular sample at transversal stretch and at interlayer shift, produced by the method of fiber reeling. Materials and methods. Technical economic effectiveness of the researched method was estimated on annular samples made of glass-fibre plastic of 32…35 mm in width, cut from tubular stock workpiece of the serially produced friction bearing with internal diameter of 120 mm, external diameter of 155 mm ( m = 1,29). Tubular workpiece is made of glass cloth ТС-11-78 (layer thickness of 0,27 mm) and and epoxy-phenol-formaldehyde binding ФФЭ-70. Reeling was carried out by the “dry” method on the heated arbor, prepreg during reeling was not heated. Every package was hardened at the mode of 80 °С/1 hour ++ 120 °С/3 hours. Final hardening was conducted at the mode 80/1 + 120/3 + + 160/5 + 170/3. Cooling was carried out with the oven at the rate of 0,25 °С/min. Testing was carried out through stretching the samples with 4 notches instead of 2, that allowed determining the strength in conditions of interlayer shift in two mutually transverse directions. Determination of two characteristics on one sample increases informativity of research, authenticity of results and enables to decrease two times the number of samples needed. Results. Application of the suggested sample is effective not just in testing the material of tubular workpieces, but also in conditions when due to constructive features of the product it is impossible to cut the sample to determine shift strength in axial direction, for example, in the docking ring of the interstage chamber. The authors suggest a rational number of stages of layerwise hardening and such modes of reeling that allow decreasing of radial residual stresses, achieving more uniform distribution thereof by width and creating a tubular workpiece without radial residual stresses. On the basis of conducted research together with advantages of the method of layerwise hardening the authors revealed disadvantages, consisting in the fact that multiple hardening of sequentially reeled packages prolongs the technological process of production, and each previous package of layers is subject to repeated thermal treatment. Reeling of another package on the previously hardened one aggravates the conditions of adhesive bond formation on the contact surfaces of these packages and the diffusion processes behaviour. Conclusions. The method of reeling with layerwise hardening allows effective influence on the field of residual stresses in the material and obtaining elimination of defects in the thick-wall tubular workpiece of the friction bearing.

Текст научной работы на тему «Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки»

УДК 65.015.13+678.86

Р. С. Зиновьев, В. Я. Савицкий, Ю. А. Мережко, В. С. Ивановский

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АРМИРОВАННЫХ РЕАКТОПЛАСТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОЙ НАМОТКИ

Аннотация. Актуальность и цели. Сочетание высоких прочностных и упругих характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) с высокими триботехническими параметрами обусловливает изготовление из них высокоресурсных подшипников скольжения. В то же время для современного состояния серийного производства намоточных конструкций из ПКМ характерно изготовление значительной части изделий, содержащих недопустимые макродефекты. В этой связи актуальным представляется создание и внедрение бездефектной технологии изготовления подшипников скольжения, основанной на формировании определенного напряженно-деформированного состояния ПКМ, обеспечивающего сжимающие напряжения массива армированного реактопласта в трансверсальном направлении. Цель данной работы заключается в сравнительной экспериментальной оценке межслоевой прочности кольцевых образцов при трансверсальном растяжении и при межслоевом сдвиге, изготовленных методом послойной намотки. Материалы и методы. Техникоэкономическая эффективность исследуемого метода оценивалась на кольцевых образцах из стеклопластика шириной 32...35 мм, вырезанных из технологического припуска трубчатой заготовки серийно изготавливаемого подшипника скольжения внутренним диаметром 120 мм, наружным - 155 мм (т = 1,29). Трубчатая заготовка изготовлена на основе стеклоткани ТС-11-78 (толщина слоя 0,27 мм) и эпоксифенолоформальдегидного связующего ФФЭ-70. Намотка велась «сухим» способом на неподогреваемую оправку, препрег при намотке не подогревался. Каждый пакет отверждался по режиму 80 °С/1 час +

+ 120 °С/3 часа. Окончательное отверждение велось по режиму 80/1 + 120/3 +

+ 160/5 + 170/3. Охлаждение происходило вместе с термошкафом со скоростью 0,25 °С/мин. Испытания проводились растяжением образцов с четырьмя надрезами вместо двух стандартных, что позволило определить прочность при межслойном сдвиге в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Определение на одном образце двух характеристик повышает информативность исследований, достоверность результатов и дает возможность в два раза сократить количество необходимых образцов. Результаты. Применение предлагаемого образца эффективно не только при испытаниях материала трубчатых заготовок, но и тогда, когда из-за конструктивных особенностей изделия невозможно вырезать образец для определения сдвиговой прочности в осевом направлении, например, в стыковочном шпангоуте межступенчатого отсека. Предложено рациональное число этапов послойного отверждения и таких режимов намотки, которые позволили бы уменьшить радиальные остаточные напряжения, добиться их более равномерного распределения по толщине и создавать трубчатую заготовку без остаточных радиальных напряжений. На основании проведенных исследований наряду с достоинствами метода послойного отверждения выявлены недостатки, заключающиеся в том, что многократное отверждение последовательно наматываемых пакетов удлиняет технологический процесс изготовления, причем каждый предшествующий пакет слоев подвергается многократной термообработке. Намотка очередного пакета на ранее отвержденный ухудшает условия формирования адгезионной связи на поверхностях контакта этих пакетов, протекания диффузионных процессов.

Выводы. Метод намотки с послойным отверждением позволяет эффективно влиять на поле остаточных напряжений в материале и добиться исключения дефектов в толстостенной трубчатой заготовке подшипника скольжения.

Ключевые слова: метод послойной намотки, режимы технологического процесса, новые виды образцов, эффективность предложенных лабораторных испытаний.

R. S. Zinov'ev, V. Ya. Savitskiy, Yu. A. Merezhko, V. S. Ivanovskiy

RESEARCH OF ARMORED THERMOSETTING MATERIAL CHARACTERISTICS IN MANUFACTURING FRICTION BEARING BY THE METHOD OF FIBER REELING

Abstract. Background. Combination of high strength and elasticity characteristics of polymeric composite materials (PCM) with high tribotechnical parameters determine the production of long-life friction bearing on basis thereof. At the same time for the modern condition of series production of fiber reeling from PCM it is typical have a significant part of the product containing inadmissible macrodefects. In this connection it is found topical to develop and implement a technology of defect-free production of friction bearing based on formation of the mode of deformation of PCM providing the compressive stress of the mass of the armoured thermosetting material in transversal direction. The study is aimed at comparative experimental evaluation of the interlayer strength of the annular sample at transversal stretch and at interlayer shift, produced by the method of fiber reeling. Materials and methods. Technical economic effectiveness of the researched method was estimated on annular samples made of glass-fibre plastic of 32...35 mm in width, cut from tubular stock workpiece of the serially produced friction bearing with internal diameter of 120 mm, external diameter of 155 mm (m = 1,29). Tubular workpiece is made of glass cloth ТС-11-78 (layer thickness of 0,27 mm) and and epoxy-phenol-formaldehyde binding ФФЭ-70. Reeling was carried out by the “dry” method on the heated arbor, prepreg during reeling was not heated. Every package was hardened at the mode of 80 °С/1 hour ++ 120 °С/3 hours. Final hardening was conducted at the mode 80/1 + 120/3 + + 160/5 + 170/3. Cooling was carried out with the oven at the rate of 0,25 X/min. Testing was carried out through stretching the samples with 4 notches instead of 2 , that allowed determining the strength in conditions of interlayer shift in two mutually transverse directions. Determination of two characteristics on one sample increases informativity of research, authenticity of results and enables to decrease two times the number of samples needed. Results. Application of the suggested sample is effective not just in testing the material of tubular workpieces, but also in conditions when due to constructive features of the product it is impossible to cut the sample to determine shift strength in axial direction, for example, in the docking ring of the interstage chamber. The authors suggest a rational number of stages of layerwise hardening and such modes of reeling that allow decreasing of radial residual stresses, achieving more uniform distribution thereof by width and creating a tubular workpiece without radial residual stresses. On the basis of conducted research together with advantages of the method of layerwise hardening the authors revealed disadvantages, consisting in the fact that multiple hardening of sequentially reeled packages prolongs the technological process of production, and each previous package of layers is subject to repeated thermal treatment. Reeling of another package on the previously hardened one aggravates the conditions of adhesive bond formation on the contact surfaces of these packages and the diffusion

processes behaviour. Conclusions. The method of reeling with layerwise hardening allows effective influence on the field of residual stresses in the material and obtaining elimination of defects in the thick-wall tubular workpiece of the friction bearing.

Key words: fiber reeling method, technological process modes, new test samples, effectiveness of suggested laboratory tests.

Сочетание высоких прочностных и упругих характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) с высокими триботехническими параметрами ставят их в ряд наиболее перспективных материалов при создании высоконагруженных опор скольжения. Более того, возможность создания материалов с заранее прогнозируемыми свойствами и изготовления из них конструкций подшипников скольжения делают ПКМ незаменимыми при проектировании новых высокоресурсных узлов трения.

Сегодня подшипники скольжения из намоточных ПКМ успешно эксплуатируются во многих узлах трения агрегатов дорожных и дорожностроительных машин, коммунальных машин и машин сельскохозяйственного назначения, горно-транспортного оборудования и автопогрузчиков, балан-сирных подвесок грузовых автоприцепов и другой техники. Значительно увеличилась номенклатура антифрикционных втулок, возросло число заказчиков продукции ООО НПП «Полидор». В то же время для современного состояния серийного производства намоточных конструкций из ПКМ характерно изготовление значительной части изделий, содержащих недопустимые макродефекты в виде межслоевых расслоений и трещин, текстурной волнистости. Промышленные технологические процессы являются недостаточно стабильными и надежными с точки зрения гарантированного обеспечения необходимого уровня качества.

Опыт эксплуатации показывает необходимость в разработке и внедрении технологических и конструкторских приемов, способствующих снижению, а в дальнейшем и исключению производственных дефектов при изготовлении одного из ответственных элементов узла трения - антифрикционной втулки из ПКМ. Решение данной проблемы видится в создании и внедрении бездефектной технологии изготовления подшипников скольжения (ПС), особенностью которой является формирование определенного напряженно-деформированного состояния материала, обеспечивающего сжимающие напряжения массива армированного реактопласта в трансверсальном направлении.

Суть одного из известных методов предотвращения трещин в материале конструкции и искривления арматуры состоит в силовой намотке в комбинации с послойным отверждением (метод послойной намотки). Основные положения этого метода описаны в работах [1-3]. При этом методе после наложения определенного числа слоев (пакета слоев) заготовка отверждается, затем наматывается следующий пакет, содержащий определенное число слоев, и вновь отверждается и т.д. Намотку каждого пакета слоев можно вести на полностью отвержденный или предварительно уплотненный (не полностью отвержденный) полуфабрикат. Толстостенное изделие составляется, таким образом, из ряда пакетов небольшой толщины, при намотке которых натяжение падает в значительно меньшей степени. В результате расширяются возможности для компенсации температурных напряжений как внутри одного

пакета слоев, так и в заготовке в целом. Эффект достигается за счет уменьшения (до величины одного пакета) реакционноспособного объема армированного полимера, участвующего в полном цикле технологического процесса.

Технико-экономическая эффективность данного метода оценивалась на кольцевых образцах из стеклопластика шириной 32.35 мм, вырезанных из технологического припуска трубчатой заготовки серийно изготавливаемого подшипника скольжения внутренним диаметром 120 мм, наружным - 155 мм (m = 1,29). Стеклопластик трубчатой заготовки формируют на основе стеклоткани ТС-11-78 (толщина слоя 0,27 мм) и эпоксифенолоформальдегидного связующего ФФЭ-70. В табл. 1 приведены геометрические параметры и силовые режимы послойной намотки пакетов.

Намотка велась «сухим» способом на неподогреваемую оправку, препрег при намотке не подогревался. Отверждение осуществлялось в сушильном электрошкафу СНОЛ. Каждый пакет отверждался по режиму 80 °С/1 час + 120 °С/3 часа. Окончательное отверждение (трубчатой заготовки - по варианту I и последних пакетов - по вариантам II и III) велось по режиму 80/1 + 120/3 + 160/5 + 170/3. Охлаждение происходило вместе с термошкафом со скоростью 0,25 °С/мин.

В ходе исследований оценивались:

- величина и распределение по толщине кольца остаточных радиальных напряжений в образцах, намотанных по различным режимам;

- изменение степени армирования материала по толщине кольца.

Остаточные радиальные напряжения С (рис. 1) определялись в кольцевых образцах методом Закса, деформации колец определялись при помощи тензодатчиков.

Из рис. 1 видно, что сочетание силовой намотки с послойным отверждением при изготовлении толстостенных трубчатых заготовок подшипников скольжения дает возможность эффективно влиять на распределение остаточных напряжений, при этом удается не только понизить, но и изменить знак радиальных остаточных напряжений.

В работе [2] экспериментально показано, что существенного изменения

величины окружных напряжений сф от введения промежуточных отверждений замечено не было. Установлено также, что существует такое число этапов послойного отверждения, превышение которого не приводит к каким-

либо заметным изменениям величины max С^° (рис. 2).

Очевидно, что задачей технологической отработки становится определение рационального числа этапов послойного отверждения и таких режимов намотки, которые позволили бы уменьшить радиальные остаточные напряжения, добиться их более равномерного распределения по толщине и создавать трубчатую заготовку без остаточных радиальных напряжений.

Изменение коэффициента армирования по толщине изделия оценивалось по содержанию связующего в зонах внутренней и наружной поверхностей кольца, а также в зонах с ^ = 0,42; 0,71. Оценка производилась методом выжигания в электропечи при температуре 600 °С в течение 30 мин, образцы вырезались из тех же колец, намотанных по вышеприведенным режимам I-III (рис. 3).

144 University proceedings. Volga region

Таблица 1

Параметры и режимы процесса послойной намотки

№ варианта

II

III

Количество

образцов

Количество пакетов п в образце

60

60

67,5

60

67.5

72.5

Геометрические параметры

77,5

67.5

77.5

67.5

72.5

77.5

Толщина пакета, мм

17,5

7,5

10

7,5

5.0

5.0

Количество слоев в пакете

66

28

38

28

19

19

Удельное усилие натяжения, 1V, Н/мм

30

30

30

20

20

30

Эпюры остаточных радиальных напряжений по толщине образца

N,

7,5

7,5

17,5

17,5

!% /V,

17,5

N

/V,

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Рис. 1. Распределение радиальных остаточных напряжений по толщине кольца, намотанного по: о - варианту I; □ - варианту II; Д - варианту III

Рис. 2. Зависимость максимальных значений радиальных напряжений от числа п этапов послойного отверждения: 1 - кольцо Н = 20 мм, N = 20 Н/мм;

2 - кольцо Н = 20 мм, N = 30 Н/мм; 3 - кольцо Н = 35 мм, N = 30 Н/мм

При намотке без промежуточного отверждения разность между содержанием смолы на внутренней и наружной поверхностях кольца составляет около 8 %. В кольцах, изготовленных методом послойного отверждения, содержание связующего оказывается более равномерным (до 2 % в кольцах по режиму III). Штриховая линия V = 38,1 % соответствует содержанию смолы в ленте-препреге.

Основной недостаток рассматриваемого метода состоит в том, что каждый предшествующий пакет слоев подвергается многократной термообработке. Намотка очередного пакета на ранее отвержденный ухудшает условия формирования адгезионной связи на поверхностях контакта этих пакетов,

протекания диффузионных процессов. Все это неизбежно сказывается на качестве и физико-механических свойствах материала.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 "

Рис. 3. Влияние послойного отверждения на содержание связующего по толщине

кольца, намотанного по: о - варианту I; □ - варианту II; Д - варианту III

Представляет интерес количественное изменение прочностных характеристик материала, особенно в зоне послойно наносимых пакетов. С этой целью проведена сравнительная экспериментальная оценка межслоевой прочности в зоне ^ = 0,42 (г = 67,5 мм) кольцевых образцов, намотанных по вариантам I и II:

- при трансверсальном растяжении;

- при межслоевом сдвиге.

Испытания на растяжение перпендикулярно слоям проводились на образцах, конструкция которых описана в [4]. Образцы вырезались из этих кольцевых образцов таким образом, чтобы исследуемая зона материала с ^ = 0,42 (г = 67,5 мм) находилась в рабочей части образца (рис. 4).

Результаты испытаний, приведенные в табл. 2, показывают, что промежуточное отверждение снижает прочность материала на растяжение перпендикулярно слоям с 16,3 до 10,6 МПа. Увеличился разброс результатов испытаний.

Определению прочностных характеристик при межслойном сдвиге в толстостенной конструкции (трубчатой заготовке) предшествовал выбор образца, обеспечивающего максимальную и достоверную информацию об исследуемом параметре.

Прочность слоистого ПКМ при межслойном сдвиге определяется в основном силами сцепления на контактной поверхности матрица-наполнитель и действующими на этой поверхности касательными напряжениями. Поэтому при экспериментальном определении прочности межслойного сдвига важно знать действительное численное значение касательных напряжений, приво-

дящих к разрушению образца. Максимальное значение касательных напряжений зависит от способа испытаний на межслойный сдвиг и схемы нагружения, от формы и размеров образца, а также от всех отклонений от идеализированной структуры материала, вносимых технологией изготовления армированных пластиков (нерегулярная укладка арматуры, искривление волокон, пустоты). Аналитическая оценка всех этих факторов невозможна, поэтому экспериментально определяемые характеристики межслойного сдвига являются усредненными и пригодны в основном только для качественной оценки материала [5].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Схема вырезки и испытания образцов для определения П+

Таблица 2

Результаты испытаний на прочность при растяжении в трансверсальном направлении стеклопластиков, намотанных по различным вариантам

Вариант Количество испытанных образцов Среднее арифметическое П+ min Коэффициент

намотки значение П+, МПа П + max вариации, %

I 24 16,3 8,17 25,8 24,1

II 22 10,6 2,89 18,7 27,8

В настоящее время в лабораторных испытаниях наибольшее распространение получил образец, реализующий метод изгиба короткой балки. Простая форма образца и схема нагружения (рис. 5), легкость обработки результатов испытаний обусловили использование данного метода оценки качества не только при создании новых материалов, но и при конструкторско-технологической отработке новых изделий из ПКМ.

h

I

к-

L

Рис. 5. Схема нагружения и деформирования образца при испытаниях на межслойный сдвиг методом изгиба

Однако полученные таким образом значения сдвиговой прочности не являются истинными и могут использоваться только для качественного сопоставления материалов, так как в расчетном сечении образца, кроме касательных напряжений, действуют также нормальные контактные напряжения, и результаты испытаний имеют завышенные значения. Более достоверных результатов можно добиться при использовании образцов, выполненных в виде брусков с надрезами (рис. 6).

Испытания в этом случае проводятся путем растяжения (сжатия) образца, при этом расчетное сечение образца 8 = 1а расположено между надрезами в плоскости исследуемой поверхности; скорость нагружения - 1,5 мм/мин. Однако при использовании указанных образцов следует считаться с влиянием изгиба, обусловливающего уменьшение разрушающей нагрузки (рис. 7).

Из приведенных на рис. 8 данных [5] видно, что максимальные значения межслойного сдвига получены на образцах, которые устанавливались в специальные направляющие, предотвращающие изгиб образца, т.е. М/Е1^ 0. Здесь величина М/Е1 характеризует влияние изгиба, М - изгибающий момент, Е - модуль упругости материала, 1 - момент инерции целой части ослаблен-

ного сечения образца, т.е. 1 = ■ . При увеличении М/Е1 (например, при

испытании более толстых образцов) прочность межслойного сдвига резко снижается.

Изложенное с достаточной точностью подтверждается экспериментальными данными (табл. 3, рис. 9), полученными на образцах (тип III), вырезанных из зоны верхнего стыковочного шпангоута аэродинамического обтекателя [6]. Материал образца - стеклопластик на основе стеклоткани Т45П и связующего 5-211Б. Для исключения влияния изгиба использован специальный захват, содержащий два вкладыша, один из которых выполнен удлиненным (рис. 10) [7].

б)

в)

Тип образца Размеры

№ Обозначение L a h L1 h1 l

II ASTM Д2733-70 200 25 3 90 4 13

III K59.343.15.009 120 1б 4-10 41 4 10

IV ПД-09.04.01.004 100 15 б-S 31 4 10

Рис. 6. Размеры (а), схема нагружения (б) и общий вид (в) образца при определении прочности при межслойном сдвиге в плоскости хг [5]

Px

Px

\

Рх

Рис. 7. Схема деформирования образца с надрезами [5]

Приведенный на рис. 11 образец [8, 9] позволяет определить прочность при межслойном сдвиге при нагружении в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

О 5 10 Ц-103,мм'1

Рис. 8. Влияние изгиба образца с надрезами на замеренную прочность при межслойном сдвиге волокнистых эпоксидных стеклопластиков [4]

Таблица 3

Сравнительные результаты определения прочности межслойного сдвига

П^, МПа Повышение точности

при M / EI = 4,8 10-3 при M/EI ^ 0 измерения, %

29,5 31,8

24,7 35,8

37,0 32,2

27,0 29,5 27,3

23,9 35,5

- 37,0

Среднее значение

26,4 33,6

Пхг,МПа

30

20

10

0 1,0 2,0 3,0 4,0 |^103,мм"1

Рис. 9. Влияние изгиба образца (тип III, рис. 6) на прочность при межслойном сдвиге стеклопластика СП-Т45П/5-211-6-ВП

Образец снабжен двумя дополнительными надрезами, расположенными на тех же гранях, что и основные надрезы. Конструкция образца позволяет определить прочность при сдвиге под действием сжимающей нагрузки в перпендикулярном направлении (рис. 12).

Рис. 10. Схема испытаний образца с надрезами

а)

б)

Рис. 11. Образец для определения прочности при межслойном сдвиге нагружением в двух направлениях (тип V): а - геометрические размеры образца; б - общий вид образца

Применение такого образца эффективно не только при испытаниях материала трубчатых заготовок. Использование его особенно целесообразно

в тех случаях, когда из-за конструктивных особенностей изделия невозможно вырезать образец для определения сдвиговой прочности в осевом направлении, например, в стыковочном шпангоуте межступенчатого отсека (рис. 13).

сдвиге нагружением образца в двух направлениях

Рис. 13. Схема вырезки образцов для определения сдвиговой прочности материала нагружением в двух направлениях: а - из верхнего стыковочного шпангоута межступенчатого отсека; б - из трубчатой заготовки подшипника скольжения

Определение на одном образце двух характеристик повышает информативность исследований, достоверность результатов и дает возможность в два раза сократить количество необходимых образцов.

Результаты оценки межслоевой прочности на образцах типа IV (см. рис. 7) и типа V (рис. 11) приведены в табл. 4, из которой видно, что проч-

ность при межслойном сдвиге падает на 25.28 %. При этом резко растет разброс П результатов испытаний.

Таблица 4

Межслоевая прочность ПКМ трубчатых заготовок

Образец Количество Режим изготовления Направление приложения нагрузки

Тип Обозначение испытанных I II

образцов Пхг, МПа П, % Пхг, МПа П, %

IV ПД-09.04.01.004 32 15,б2 7,8 11,71 10,8 ось X

V ПД-09.04.01.005 28 28 15,80 15,б1 9,2 9,1 11,38 11,41 13,4 12,1 ось X ось ф

Таблица 5

Время на изготовление трубчатых заготовок (0120x155)

№ режима Намотка, ч (с учетом подготовительнозаключительных работ) Отверждение, ч (с учетом охлаждения со скоростью 0,25 °С/мин) Общее время на изготовление трубчатой заготовки, ч

I 0,16 22,00 22,16

II 0,20 28,70 28,90

III 0,24 35,30 35,54

К недостаткам метода послойного отверждения следует также отнести и то, что многократное отверждение последовательно наматываемых пакетов удлиняет технологический процесс изготовления трубчатой заготовки в целом. На 60 % увеличивается время изготовления трубчатой заготовки, намотанной и отвержденной по режиму III (табл. 5), на 38 % - трудоемкость, общие энергозатраты - на 29 %.

Таким образом, метод намотки с послойным отверждением позволяет эффективно влиять на поле остаточных напряжений в материале и добиться исключения дефектов в толстостенной трубчатой заготовке подшипника скольжения. В то же время необходимо учитывать вышеуказанные недостатки описанного метода и использовать дополнительные способы усиления толстостенных изделий в радиальном направлении.

Список литературы

1. Тарнопольский, Ю. М. Компенсация температурных напряжений в изделиях из стеклопластика методом послойной намотки / Ю. М. Тарнопольский, Г. Г. Портнов, Ю. Б. Спридзанс // Механика полимеров. - 1972. - № 4. -С. 640-645.

2. Благонадежин, В. Л. Остаточные напряжения в кольцах из стеклопластика, полученных методом послойного отверждения / В. Л. Благонадежин, В. Г. Перевозчиков // Механика полимеров. - 1972. - № 1. - С. 174-176.

3. Инденбаум, В. М. Расчет остаточных напряжений в намоточных изделиях, образованных методом послойного отверждения / В. М. Инденбаум, В. Г. Перевозчиков // Механика полимеров. - 1972. - № 2. - С. 284-289.

4. Зиновьев, Р. С. Экспериментальная оценка остаточных напряжений в трубчатых заготовках подшипников скольжения / Р. С. Зиновьев, Ю. А. Мережко // Неод-

нородные конструкции : тр. XIX Рос. шк. и XXIX Уральского семинара. - Екатеринбург : Изд-во Уральского отделения РАН, 1999. - С. 30-39.

5. Тарнопольский, Ю. М. Методы статических испытаний армированных пластиков / Ю. М. Тарнопольский, Т. Я. Кинцис. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. :

Химия, 1981. - 272 с.

6. Додин, Г. В. Применение композиционных материалов в разработках КБ имени академика В. П. Макеева / Г. В. Додин, В. Л. Клейман, И. М. Крымский // Баллистические ракеты подводных лодок / под общ. ред. И. И. Величко. - Миасс : Гос. ракетный центр «КБ имени академика В. П. Макеева», 1994. - 279 с.

7. А. С. 238110 СССР. Захват для образца при определении прочности на меж-слоевой сдвиг / Р. С. Зиновьев, В. М. Титов, В. Н. Шалыгин. Заявка № 3121796/25-28, 12.08.85; МКл G01N 3/04. 1985.

8. Зиновьев, Р. С. Методы оценки качества при изготовлении тонкостенных подкрепленных оболочек из ПКМ / Р. С. Зиновьев, В. Д. Клейменов, И. М. Крымский, О. Л. Петровский, З. С. Салихов, В. Н. Шалыгин // Обзор. Сер. VII. № 96. ЦНТИ «Поиск», 1989. - 73 с.

9. А. С. 254 084 СССР. Образец для испытания композиционного материала на прочность при сдвиге / Р. С. Зиновьев, В. М. Титов, В. А. Борисов. Заявка 3144561/23-05, 6.08.86; МКл G01N 1/28. 1986.

References

1. Tamopol'skiy Yu. M., Portnov G. G., Spridzans Yu. B. Mekhanika polimerov [Polimer mechanics]. 1972, no. 4, pp. 640-645.

2. Blagonadezhin V. L., Perevozchikov V. G. Mekhanika polimerov [Polimer mechanics]. 1972, no. 1, pp. 174-176.

3. Indenbaum V. M., Perevozchikov V. G. Mekhanika polimerov [Polimer mechanics]. 1972, no. 2, pp. 284-289.

4. Zinov'ev R. S., Merezhko Yu. A. Neodnorodnye konstruktsii: tr. XIXRos. shk. i XXIX Ural’skogo seminara [Heterogeneous constructions: proceedings of XIX Russian school XXIX Ural seminar]. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo otdeleniya RAN, 1999, pp. 30-39.

5. Tarnopol'skiy Yu. M., Kintsis T. Ya. Metody staticheskikh ispytaniy armirovannykh plastikov. 3-e izd., pererab. i dop. [Methods of statistical testing of armoured plastics. 3rd edition, revised and supplemented]. Moscow: Khimiya, 1981, 272 p.

6. Dodin G. V., Kleyman V. L., Krymskiy I. M. Ballisticheskie rakety podvodnykh lodok [Ballistic submarine-based rockets]. Miass: Gos. raketnyy tsentr "KB imeni akademika V. P. Makeeva", 1994, 279 p.

7. A. S. 238110 USSR. Zakhvat dlya obraztsa pri opredelenii prochnosti na mezhsloevoy sdvig [Grip for sample during determination of interlayer shift strength]. R. S. Zinov'ev, V. M. Titov, V. N. Shalygin. Application no. 3121796/25-28, 12.08.85; MKl G01N 3/04. 1985.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Zinov'ev R. S., Kleymenov V. D., Krymskiy I. M., Petrovskiy O. L., Salikhov Z. S., Shalygin V. N. Obzor. Seriya VII. [Review. Series VII]. No. 96. Center of research information "Poisk". 1989, 73 p.

9. A. S. 254 084 USSR. Obrazets dlya ispytaniya kompozitsionnogo materiala na prochnost’pri sdvige [Sample for testing composite materials of strength at shift]. R. S. Zinov'ev, V. M. Titov, V. A. Borisov. Application 3144561/23-05, 6.08.86; MKl G01N 1/28. 1986.

Зиновьев Радий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, технический директор Группы научнопромышленных компаний «Полидор», (Россия, г. Челябинск, ул. Федорова, 1а)

E-mail: [email protected]

Савицкий Владимир Яковлевич

доктор технических наук, профессор, кафедра № 11, Пензенский филиал Военной академии материальнотехнического обеспечения (Россия, г. Пенза-5)

E-mail: [email protected]

Мережко Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент, председатель Совета директоров Группы научно-промышленных компаний «Полидор» (Россия, г. Челябинск, ул. Федорова, 1а)

E-mail: [email protected]

Ивановский Владимир Сергеевич доктор технических наук, профессор, начальник Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева (Россия, г. Санкт-Петербург, набережная Макарова, 8)

E-mail: [email protected]

Zinov'ev Radiy Sergeevich Candidate of engineering sciences, associate professor, technical director of the Scientific industrial group of companies "Polidor"

(1a Fyodorova street, Chelyabinsk, Russia)

Savitskiy Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department № 11, Penza branch of the Military Academy of Maintenance Supplies (Penza-5, Russia)

Merezhko Yuriy Aleksandrovich Candidate of engineering sciences, associate professor, chairman of the Board of directors of the Scientific industrial group of companies “Polidor”

(1a Fyodorova street, Chelyabinsk, Russia)

Ivanovskiy Vladimir Sergeevich Doctor of engineering sciences, professor, head of the Military Academy of Maintenance Supply named after army general A. V. Khrulev (8 Makarova embankment, Saint-Petersburg, Russia)

УДК 65.015.13+678.86 Зиновьев, Р. С.

Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки /

Р. С. Зиновьев, В. Я. Савицкий, Ю. А. Мережко, В. С. Ивановский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2013. - № 4 (28). - С. 140-155.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.