CC BY
88
УДК 628.517.2.699.844
Ю.В. Сытый, В.А. Сагомонова, В.И. Кислякова, В.А. Большаков
НОВЫЕ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Для уменьшения отрицательного воздействия вибрации на пассажиров, пилотов и микроэлектронику самолетов используются вибропоглощающие материалы. В ВИАМ выпускаются вибропоглощающие материалы на основе термопластов и термоэласто-пластов, обладающие высокими демпфирующими свойствами.
Ключевые слова: вибропоглощение, шум, вибрация, вибропоглощающие материалы, коэффициент механических потерь, термоэластопласт.
Снижение вибрации и повышение акустической комфортности в кабине экипажа и пассажирском салоне является одним из факторов, определяющих конкурентоспособность самолетов. Один из эффективных способов снижения уровня шума и вибрации в кабине экипажа и пассажирском салоне - применение вибропоглощающих материалов в виде покрытий, которые наклеиваются на внутреннюю поверхность панелей фюзеляжа, перегородки и другие конструкции самолета, испытывающие повышенный уровень виброакустических нагрузок.
Наиболее эффективными вибропоглощающими материалами (ВПМ) являются полимерные материалы, обладающие способностью к диссипации внешней акустической энергии, обусловленной особенностями их молекулярного и надмолекулярного строения. В основном, в авиации для демпфирования применяются каучуки, резины и слоистые материалы на их основе.
Для количественной оценки демпфирующих свойств полимерных материалов используют тангенс угла механических потерь 0р5), коэффициент механических потерь компоненты комплексного модуля упругости - динамический модуль упругости (£') и динамический модуль механических потерь (£"). Эти характеристики связаны между собой соотношением Эф=^=Е"/Е' [1].
Наиболее часто способность к поглощению механических колебаний материала характеризуют с помощью коэффициента механических потерь. Известно, что коэффициент механических потерь полимеров не является константой, он значительно зависит от температуры и частоты колебаний [2]. В связи с этим значения Эрб принято приводить при определенной температуре и частоте.
Кроме высокого коэффициента механических потерь, вибропоглощающие материалы, предназначенные для применения в авиации, должны иметь оптимальную плотность, адгезию, стойкость к воздействию повышенной влажности и температуры, низкое водопоглощение, отвечать требованиям пожарной безопасности по горючести, а также быть экологичными и технологичными. Очевидно, что вышеперечисленные требования значительно сужают круг возможных исходных полимерных материалов для создания ВПМ авиационного назначения.
Существуют разнообразные подходы к созданию материалов, характеризующихся высоким вибропоглощением в широком диапазоне температур, на основе полимеров: сополимеризация, создание взаимопроникающих сеток (ВПС) и полу-ВПС, введение наполнителей и других добавок, структурирование и создание слоистых ВПМ.
В последние десятилетия ведется поиск новых вибропоглощающих полимерных материалов, способных заменить каучуки и резины. При исследованиях наибольшее внимание уделяется разработке ВПМ на основе термоэластопластов ввиду их высокой эластичности, в том числе при отрицательных температурах (до -60°С), и способности
(в отличие от резии) перерабатываться литьем под давлением и экструзией как обычные термопласты.
В ВИАМ разработаны листовые вибропоглощающие материалы марок ВТП-1В и ВТП-2В на основе термоэластопластов и термопластов.
Вибропоглощающий листовой материал ВТП-1В получают методом экструзии расплава композиции на основе термоэластопласта со специальными добавками, повышающими атмосферостойкость и пожаробезопасность. Материал ВТП-1В рекомендуется для применения в качестве покрытий, эластичных имитаторов силовых элементов фюзеляжа и вибродемпфирующих прокладок, работающих в диапазоне температур от -60 до +80°С.
Слоистый вибропоглощающий листовой материал ВТП-2В состоит из слоя листового материала ВТП-1В, адгезионного слоя из модифицированного поливинилаце-тата ВПС-2,5 и армирующего слоя алюминиевой фольги, усиленной стеклосеткой. Материал ВТП-2В предназначен для работы в интервале температур от -60 до +80°С и рекомендуется для применения в качестве покрытий панелей фюзеляжа в местах повышенной виброакустической нагрузки.
Коэффициент механических потерь вибропоглощающих материалов определяли на динамическом механическом анализаторе DMA/SDTA 861 фирмы «Mettler Toledo» в
а)
условиях динамического сдвигового нагружения в диапазоне температур от -60 до +80°С при частоте 100 Гц, а также в условиях трехточечного изгиба комбинированных образцов ВПМ, наклеенных на металлическую подложку из алюминиевого сплава толщиной 1 мм. На рис. 1 приведены температурные зависимости коэффициентов механических потерь вибропоглощающих материалов ВТП-1В и ВТП-2В при частоте 100 Гц в условиях сдвигового нагружения. На рис. 1, а наблюдается один пик при температуре около -15°С, на рис. 1, б -два пика при температурах около -15 и +38°С.
Известно [3], что полимерный материал обладает максимальными значениями механических потерь и соответственно максимальной способностью поглощать механическую энергию в температурном интервале Тс-Тт (где Тс - температура стеклования, Гт - температура текучести). Из приведенных графиков следует, что введение поливинилацетата (ПВА) в состав материала ВТП-2В повышает диссипативные свойства материала в области повышенных температур. Такой эффект объясняется тем, что первый из пиков, лежащий в области отрицательных температур, соответствует температуре стеклования полиуретанового слоя (-25°С), а второй пик от-
-60
-40
-20
0
20
40
60°С
Рис. 1. Температурная зависимость коэффициента механических потерь вибропоглощающих материалов ВТП-1В (а) и ВТП-2В (б) в условиях сдвигового нагружения при частоте 100 Гц
носится к области стеклования слоя на основе ПВА (28°С), за счет чего и повышается коэффициент механических потерь материала ВТП-2В в области повышенных температур. Таким образом, направленный выбор состава вибропоглощающего материала позволяет изменять не только температурную область эффективного вибропоглощения, но и влиять на величину коэффициента механических потерь.
Разработанные вибропоглощающие материалы ВТП-1В и ВТП-2В имеют водо-поглощение <2%, являются грибостойкими, не вызывают коррозии алюминиевых сплавов и приклеиваются с помощью клеев холодного отверждения ПУ-2 и ВК-27. Свойства разработанных ВПМ в сравнении с аналогом (резина В-14 на основе нитрильного каучука) приведены в таблице.
Сравнительные свойства вибропоглощающих материалов и резины В-14
Свойства Значения свойств материалов
ВТП-1В ВТП-2В В-14
Коэффициент механических потерь в условиях сдвигового нагружения при комнатной температуре и частоте 100 Гц 0,2-0,25 0,35-0,40 0,14
Коэффициент механических потерь комбинированных образцов в условиях трехточечного изгиба при комнатной температуре и частоте 100 Гц 0,08-0,10 0,10-0,12
Температура эксплуатации, °С -60-+80 -40-+80
Поверхностная плотность, кг/м2, при толщине материала 1,5 мм 1,68 1,75 2,0
Горючесть Самозатухающий
Акустические испытания натурной панели фюзеляжа пассажирского самолета Ил-96 в камере АИ-3 (ФГУП «ЦАГИ»), проведенные ведущим научным сотрудником A.A. Ткачевым, показали, что применение вибропоглощающих материалов ВТП-1В и ВТП-2В в виде покрытий с поверхностной плотностью ~1,7 кг/м2 позволяет повысить звукоизоляцию панели фюзеляжа на 2-9 дБ в диапазоне частот от 125 до 6300 Гц при комнатной температуре (рис. 2).
Коэффициент механических потерь комбинированных образцов в условиях трехточечного изгиба ниже результатов испытания материалов в условиях сдвигового нагружения из-за влияния подложки из металла, который имеет низкий коэффициент механических потерь.
Вибропоглощающий материал ВТП-1В поставляется ВИАМ по ТУ 1-5959-771-2004 в виде рулонов с толщиной материала от 0,5 до 5,0 мм и шириной 330 мм, а также в виде профилей прямоугольного сечения. Вибропоглощающий материал ВТП-2В поставляется по ТУ 1595-9-884-2006 в виде листов размером 450^700 мм толщиной 1,5±0,2 мм.
В настоящее время вибропоглощающий материал ВТП-1В применяется на нескольких пассажирских самолетах
Рис. 2. Результаты акустических испытаний натурной панели фюзеляжа самолета Ил-96 с облицовкой из материалов ВТП-1В (о) и ВТП-2В (•); — необлицованная панель
Ту-214 и Як-42, в изделиях ОАО «Красноярский машиностроительный завод», а также проходит стендовые испытания на изделии Т-50 ОКБ «Сухого».
ЛИТЕРАТУРА
1. Соломатов В.И., Черкасов В.Д., Фомин Н.Е. Вибропоглощающие композиционные материалы. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та. 2001. 95 с.
2. Черкасов В.Д., Юркин Ю.В., Надькин Е.А. Вибропоглощающие материалы экстра-класса. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та. 2007. С. 17-19.
3. Ионов A.B. Средства снижения вибрации и шума на судах. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ им. А Н. Крылова. 2000. 123 с.
УДК 669.295
Л.В. Проходцева, B.C. Ерасов, О.Ю. Лаврова, A.B. Лавров
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЦИКЛА НА УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА И МИКРОСТРОЕНИЕ ИЗЛОМОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ3-1
Исследовано влияние формы цикла нагружения на скорость роста усталостной трещины и характер изломов материала диска компрессора, разрушившегося в процессе эксплуатации. Установлено, что при трапецеидальной форме цикла нагружения скорость роста трещины выше, а строение излома в большей степени соответствует эксплуатационному излому, чем при синусоидальной форме цикла.
Ключевые слова: диски компрессора, титановые сплавы, циклическое нагружение, излом, скорость роста усталостной трещины, шаг усталостных бороздок.
В эксплуатации неоднократно имели место случаи преждевременного разрушения дисков компрессора из титановых сплавов в результате усталости, при этом не было обнаружено отклонений от требований технической документации по химическому составу, макро- и микроструктуре.
Режим работы дисков компрессора представляет собой циклическое нагружение в малоцикловой области с выдержкой при максимальной нагрузке (трапецеидальный цикл).
На основе проведенных различными авторами исследований поведения титановых сплавов в условиях циклического нагружения [1-4] отмечается их повышенная чувствительность к форме, асимметрии цикла, частоте нагружения. Явление чувствительности псевдо-а- и (а+Р)-титановых сплавов к форме цикла нагружения рассматривается в течение последних 30-ти лет [5-6], и, несмотря на это, оно до сих пор представляет интерес для конструкторов и организаций, эксплуатирующих двигатели.
На одном из разрушенных дисков из сплава ВТ3-1 было проведено исследование влияния формы цикла усталостного нагружения на характеристики циклической тре-щиностойкости и микростроение изломов разрушенных образцов.
В исследованном диске микроструктура глобулярного типа чередуется с участками вытянутой а-фазы, на отдельных участках виден мелкодисперсный распад ß-фазы. Данная микроструктура соответствует следующим типам шкалы микроструктур: 1а, 16, 3а (ОСТ1 90197) и является типичной для существующей технологии на предприятии-изготовителе дисков компрессора.
