Технология изготовления композитных торовых баллонов для дыхательных аппаратов в условиях серийного производства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

№ 12

2006

678.067:621.763 (075.8)

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ТОРОВЫХ БАЛЛОНОВ ДЛЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Асп. Н. Т. ЧАН, д-р техн. наук, проф. М.А. КОМКОВ

Рассматривается конструкция торового баллона с двухслойной стеклопластиковой силовой оболочкой (СО), вкладным резиновым лейнером и одним заправочным штуцером. Представлен технологический процесс, по которому СО торового сосуда наматывается за две операции. Сначала на многоразовых металлических оправках на намоточном станке токарного типа изготавливаются элементы внутреннего продольного слоя СО, а после отверэюдения и сборки элементов продольного слоя с обол очкой-л ейн ером, на него, как на иеудаляемую оправу на торонамоточном станке наматывается поперечный слой СО.

The construction of a torus tube with two-layer fiberglass power winding (PW), supplementary rubber liner and one refueling pipe is examined. Technological process on which PW of a torus bulb is being reeled up by two operations is presented. At first using coiling machine with non-expendable metal braids longitudinal fiber elements of PW are made, then after cure and setting of elements of a longitudinal layer on an environment liner, the cross-section layer of PW is reeled up on it as on indestructible braid of a coiling machine.

Ранее в [1] нами были изложены метод проектирования и последовательность расчета конструктивно-технологических параметров композитных торовых оболочек с продольно-поперечной схемой армирования. Стеклопластиковые торовые баллоны, изготовленные одновременной намоткой продольных и поперечных слоев, при испытаниях на внутренне давление показали удовлетворительную работоспособность (табл. 1), а напряженно-деформированное состояние силовой оболочки соответствовало расчетным значениям.

Таблица 1

Результаты испытаний стеклопластиковых торовых баллонов с резиновыми герметиками

DJd , Объем Количество Разрушающее Масса Масса

мм оболочки, баллонов, давление, силовой баллона, . кДж кг

^ДМ3 шт. Р , МПа раз5 оболочки, М кг со, Мб,кг

404/85 5,4 3 4,5-5,2 0,17 0,627 142-165

1 9,8 0,34 0,787 156

Примечание: _ ^Лг, — параметр конструктивного совершенства стеклопластиковой оболочки.

-""¡¿Г

Однако технологический процесс изготовления композитных торов спиральной и одновременной продольно-поперечной намоткой (с применением одноразовых песчано-полимерных оправок) [2] является весьма трудоемким и может быть рекомендован только для единичного либо мелкосерийного производства.

С целью повышения технологичности конструкции и сокращения цикла изготовления композитных торовых баллонов в условиях серийного производства предлагаются следующие изменения в конструкции баллона и технологическом процессе его изготовления.

№12

2006

1. Конструкция торового баллона включает в себя герметизирующую оболочку-лей-нер, двухслойную композитную силовую оболочку и один узел штуцера (рис. 1). 2. Применение в конструкции баллона эластичной герметизирующей оболочки-лейнера (резина, полимер) обеспечит полную реализацию прочности однонаправленного КМ, например стеклопластика. 3. Композитная силовая оболочка состоит из двух слоев: продольного и поперечного. 4, Узел штуцера, находящийся в области центрального отверстия баллона, обеспечивает удобное расположение редуктора давления в дыхательных аппаратах при применении баллона.

Рис 1, Предлагаемая конструкция композитного торового баллона с продольно-поперечной схемой армирования силовой оболочки: 1 — поперечный слоя из ОКМ, 2 — продольный слой из ОКМ, 3 — резиновая

оболочка, 4 — узел штуцера

Предлагаемая технология изготовления стеклопластиковой торовой оболочки включает две разделенные во времени намоточные операции. Сначала открытой намоткой на намоточном станке токарного типа изготавливают элементы внутреннего продольного слоя СО, а после отверждения связующего и сборки продольного слоев с герметизирующей оболочкой, на них, как на неудаляемую оправку, на торонамоточном станке наматывают поперечный слой СО торового баллона.

Внутренний продольный слой силовой оболочки состоит из четырех элементов, разделенных по углам ал, аТ2: периферийного, внутреннего и двух боковых элементов (рис. 2). Периферийный и внутренний элементы с небольшим проскальзыванием наматываются на разборные многоразовые металлические оправки. Изготовление боковых элементов выполняют за две операции. Сначала открытой намоткой на намоточном станке токарного типа изготавливают профильную дисковую заготовку, затем она кладется в пресс-форму. После отверждения связующего получают элементы продольного слоя. Выполнив сборку продольных элементов с вкладной герметизирующей оболочкой, на такой продольный слой, как на неудаляемую оправку, на торонамоточном станке СНТ-2А [2] наматывают поперечный слой силовой оболочки, После намотки поперечного слоя штуцер изнутри оболочки вытягивают и окончательно собирают со слоями оболочки. Выполнив окончательную термообработку связующего получают готовый торовый баллон. Новая схема процесса изготовления стеклопластиковых торовых баллонов намоткой представлена на рис. 3.

Чтобы получить постоянную толщину бокового элемента продольного слоя й , толщину профильной заготовки определяют по формуле;

71

1 3

и

№12

2006

где Лопр — радиус оправки; с — расстояния от оси до вершины оболочки; г = г(а) = с + Лопр cos а — текущий радиус вращения.

а)

б)

Рис 2. А — элементы продольного слоя: У — периферийный элемент, 2 — боковой элемент, 3 элемент; б— готовый продольный слой силовой торовой оболочки

внутренний

Для того, чтобы обеспечить высокую производительность, упростить технологический процесс изготовления, а также получить легкий баллон, необходимо рационально выбирать ширину наматываемой ленты. Если лента препрега укладывается с натяжением всех нитей вдоль широты оболочки а (рис. 5), то ее ширина г (а) при одинаковой относительной разности в длине крайних витков А/ , определяется по формуле:

т (°0 = Yj^ = ™ arccos [ - Д/ )cos(a) - яопр А/] - Y» (2)

опр

где т(а) — относительная ширина наматываемой ленты, aorip — с/ Ronp — геометрический параметр торовой оправки, а угловая координата a меняется в пределах: 0 < a < тг - 2т. Анализ выражения (2) показывает, что т(а) достигает своего минимального значения при a = 0W Значения угла аМ1Ш находим из выражения:

(l — А/ J + gpnp А/2 — 1

----= cos a....... (3)

2аЛфД/(1-Д/)

Процесс изготовления торового баллона будет более простым, если продольный слой, состоящий из отдельных элементов, наматывается лентой с постоянной шириной.

Допустимую относительную ширину ленты для намотки периферийного и внутреннего элементов выбираем согласно выражению (2). Изменение т(а) от угла a

№ 12 2006

показано на рис. 5. При этом лента своей плоскостью уложена на поверхность оправки. Если профильная заготовка бокового элемента наматывается лентами, ширина которых идеально соответствует толщине профильной заготовки 5(а), то лента в процесс переформовки укладывается к поверхности оправки на ребро под углом к / 2 - а , поэтому эквивалентная ее ширина для боковых элементов продольного слоя (рис. 4) определяется по формуле:

гГ(а) = Л_5 (4)

эта

где йл — толщина ленты; ал < а < тг - аТ2, а углы ал и аГ2 выбирают, исходя из возможности намотки периферийного и внутреннего элементов без большого проскальзывания.

готовый БАЛЛОН

Рис 3. Схема изготовления стеклопластиковых торовых баллонов с продольно-поперечной схемой армирования силовой оболочки в условиях серийного производства; / — намотка дисковой профильной заготовки; 2 — намотка периферийного элемента; 3 — намотка внутреннего элемента; 4 — выкладка боковых

элементов; 5— намотка поперечного слоя на СНТ-2А

№12

2006

Рис 4. Схема оправки для намотки профильной заготовки боковых элементов

V; ««

ч| --------1_______|—*___

О 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

а, град

Рис 5. Изменение относительной ширины ленты вдоль широты &

Л.____== 61 мм, а

2,198, йя = 0,263, А/ = 1,5%, Д/ - 2%, ат1П - 116° и атш - 115°

Допустим, что эквивалентность будет достигнута при изготовлении боковых элементов выкладкой профильной заготовки в пресс-форме. Тогда относительная ширина ленты для боковых элементов продольного слоя составит:

^эквЫ

2*опр ипа

(5)

Так как толщина наматываемой ленты значительно меньше ее ширины, то значение тэкв(а) на участке ап < су < тт-ап будет всегда меньше относительной ширины ленты

х(а)5 укладываемой на плоскость, Зависимости т(а) и тэкв(а) от а, построенные по выражениям (2) и (5) для заданной относительной разности в длинах крайних витков этих лент, показаны на рис. 5.

2006

№12

а, град

Рис 6. Расчетные реализуемые напряжения однонаправленного КМ в элементах продольного слоя: Ran= 61 мм, «опр = 2,198, т,.ш( = 0,021, а,. = 1б20МША=55ГПа,а.....=116"

Для относительной ширины наматываемой ленты т(а) = тнам реализуемое напряжение в периферийном и внутреннем элементах продольного слоя определяется из выражения (20) [1]:

„п.. т ч „ cos а + [sin а - sin(a + 2тнам)] / 2тнам

= авк--;-7—-Ñ-Ек> (6)

где 0<а<ап и tí — aT2 < а <ix, Ек —модуль упругости однонаправленного КМ, авк —предел прочности однонаправленного КМ.

После подстановки тэкв(а) из (5) в (6) найдем реализуемое напряжение в боковых элементах продольного слоя:

^ок.ч ^ cos а + [sin а - sin(g + 2тэкв (а))}/ 2тзкв (а)

а2Л°0 = ан--;-/——-гтч-Ьк'

аопР + cos (а + 2тэкв (а))

где ал < а < аГ2. Графические зависимости реализуемого напряжения в элементах продольного слоя, построенные по выражениям (6) и (7), показаны на рис. 6.

В дальнейших расчетах и при изготовлении торового баллона примем толщину продольного слоя оболочки постоянной и равной:

2 Кг (OI

ще Pm — давление разрушения К2(тнам)] - мин1<(а,тнам)3ст2б:к(тэкп)} — допустимое напряжение на растяжение однонаправленного КМ в продольном слое, определенное из выражения (6) при аТ2.

Толщина поперечного слоя намотки изменяется вдоль меридиана тора:

№12

2006

hXcn, т )

1 \ ' нам У

^раз *по„ 2 а +1 поп 1

2[стк|] чапоп+ cosa,

(9)

гДе Л,™ = Яопр + Л, (т1ШН)—радиус круговой торовой оболочки; апоп = с/Ятп — геометрический параметр кругового тора; [стк1] —-допустимое напряжение на растяжение однонаправленного КМ в поперечном слое на большом экваторе тора при а =0 [1]:

2ct +1

v2anon+1,414

Масса поперечного и продольного слоев определяется равенством:

(10)

м

об

soAc6pP,,

(И)

где Si)6 = 4irÄj6tfo6 — площадь поверхности оболочки слоя, НЦ

TT

J ЛЗСът^с/а

средняя толщина оболочки слоя. Подстановка значений толщин из (8) и (9) в равенство (II) дает:

Ы.

-^раз^обРк

Kl (Ol

2 а „ +1

, М

■^раз^обРк

про

[a„|(T„aJ]

(12)

где Vo6 = 2ix2Rlnamil

- внутренний объем силовой оболочки; правленного КМ.

Наружный диаметр торового баллона:

плотность однона-

D = 2 je + i?or]p + Aj + А,

ю

(13)

где йш — толщина поперечного слоя (9) при а = 0.

Относительное приращение массы проектируемой новой силовой оболочки по сравнению с массой силовой оболочки, изготовленной одновременной продольно-поперечной намоткой, определяем по формуле:

Мпрк -ЛГПН д м = —со со

КГ

(14)

где М

прк

^поп+^про

масса проектируемой новой силовой оболочки ; М™п —масса

силовой оболочки, изготовленной одновременной продольно-поперечной намоткой, при т = т(а ) и aZ min (рис. 6).

нам 4 мин' 4U,mm J

Процесс расчета параметров конструкции торового баллона (V = 9,2 л, Р = 62 МПа, с = 134), полученного продольно-поперечной намоткой с раздельными углами

ап = а7.2 = 30° из однонаправленного стеклопластика: авк = 1620 МПа, Е = 55 • 103 МПа ,

рк ~2,02*10"6 кг/мм3 выполнен по результатам испытания кольцевых образцов. Намотка производилась лентой препрега на основе стеклоровингаРВМН! 0-1260-80 и эпоксидного

№12 2006

связующего Этал-245 с характеристиками: = 2,5 мм, кп = 0,328, хм = 0,021, при содержании волокон 73,52% и количестве пор 4,48%.

Результаты расчета с учетом 85% реализации прочности стеклопластика в конструкции торового баллона [3] даны в таблице 2. По сравнению с силовой оболочкой, изготовленной одновременной продольно-поперечной намоткой, масса проектируемой новой силовой оболочки торового баллона уменьшена на 5 %.

Таблица 2

Результаты расчета параметров конструкции композитного торового баллона

Параметры Значения

Радиус сечения оправок для элементов продольного слоя Я , мм 61

Геометрический параметр оправки аопр 2,198

Расчетное напряжение в продольном слое ак2!, МПа 1017

Толщина продольного слоя к2, мм 1,859

Масса продольного слоя Л/ кг 1,212

Радиус сечения поперечного слоя оболочки Я 9 мм 62,836

Геометрический параметр торового баллона атп 2,133

Расчетное напряжение в поперечном слое [акД МПа 1277

Толщина поперечного слоя при: а = 0, к{(0)у мм 2,565

а = 71/2, к/п/2), мм 3,767

а^п, к ¡(и), мм 7,093

Масса поперечного слоя Мпоп, кг 2,697

Масса силовой оболочки баллона М = М +М , кг поп прсг 3,909

Наружный диаметр торового баллона Д мм 398,8

Относительное приращение массы АМ,% -4,938

Масса резинного герметика Мге, кг 0,76

Масса торового баллона с элеменами штуцера Мбал;, кг 5,0

Композитный торовый баллон с вкладным герметизирующим лейнером из резины (камера колеса) изготовлен по предложенной технологии. Элементы продольного слоя

№ 12 2006

после намотки отверждались на металлических оправках в термопечи при температуре 140° С в течение 6 часов. После сборки продольных элементов с резиновой герметикой и намотки поперечного слоя на станке СНТ-2А весь баллон проходил термообработку в печи при 140° С в течение 6 часов. Готовый композитный торовый баллон представлен на рис. 7.

Рис 7. Готовый стеклопластиковый торовый баллон, изготовленный по новой технологии в условиях серийного

производства

Изготовленный композитный торовый баллон испытывался на прочность и герметичность внутренним давлением жидкости в бронекамере (рис 8). Первое нагружение производилось воздухом от компрессора. В баллоне давление было поднято до 5 атм.

Рис 8. Гидравлическое испытание композитного торового баллона в бронекамере

Баллон при этом помещен в ванну с водой. Наблюдалось выделение пузырьков воздуха, которое постепенно уменьшалось. Вероятно выходил воздух, находящийся между лейнером и силовой оболочкой. Второе нагружение баллона производилось с помощью мас-лостанции, имеющей масло-водоразделитель для испытания баллонов водой. Давление увеличивалось со скоростью 0,5 МПа/с, и при 2.9 МПа произошла разгерметизация полости баллона. Давление резко упало до 0,8 МПа, и сохранялось таким при максимальном для этой маслостанции расходе воды. Третье нагружение производилось с помощью гидрона-

№ 12 2006

coca, имеющего существенно больший расход рабочей жидкости (1м3/ч). Давление внутри силовой оболочки удалось поднять до 6 МПа. Силовая оболочка при этом давлении не разрушилась, но вода интенсивно протекала сквозь нее в виде большого числа струек по всей торовой поверхности баллона (рис. 9).

Рис 9. Композитный торовый баллон после испытания водой

Результаты испытаний показали, что если бы резиновый герметик был качественным, то работоспособности композитного торового баллона новой конструкции и схемы процесса изготовления было бы достаточно.

Вследствие исключения одноразовых песчаных оправок из технологического процесса, а также использования последовательно-параллельной схемы намотки слоев, цикл изготовления торового баллона был резко сокращен. С использованием станка СНТ-2А возможно изготовить 4—5 торовых стеклопластиковых баллонов за одну 8-часовую рабочую смену.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. К о м к о в М. А., 4 а н Н. Т. Композитный торовый баллон для дыхательных аппаратов с продольно-поперечной схемой армирования силовой оболочки // Вестник МГТУ, Машиностроение. — 2006, — № 3. — С. 10—19.

2. К о м к о в М. А, Определение конструктивных и технологических параметров намотки композитных баллонов торовой формы: Учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. — 24 с.

3. Алъперин В, И„ Корольков Н. В., МотавкинА.В. и д.р. Конструкционные стеклопластики. — М.: Химия, 1979 — 360 с.