Анализ вариантов составляющих конструкции из КМ силового элемента втулки РВ вертолета

Содержание
Введение.
Составные части элемента силового.
Приспособление для пропитки арамидной нити Русар.
Приспособление для намотки элемента силового
Варианты изменения характеристик СЭ, на основе замены арамидных волокон в конструкции изделия, на другие материалы.
Испытания на крутильную жесткость элемента силового.
Определение состава смолы и летучих в образцах-свидетелях элемента силового.
Выводы.
Список литературы.

Введение
Силовой элемент, его назначение.
Типы формования изделия.
Выкладка и Намотка. Сравнение.

Элемент Силовой
Соединение лопасти с валом редуктора РВ;
Распределение по собственной оси центробежной силы;
Сдерживание паразитных моментов кручения.

Типы формования изделия
Выкладка
Намотка
Процесс контактного формования наполнителей с полимерным материалом.
Процесс формования полых изделий путем укладки армирующего материала, пропитанного полимерным связующим на оправку с последующим отверждением полученной заготовки и снятием ее с оправки.

Типы формования изделия
(Достоинства и недостатки методов)
Выкладка
Достоинством метода является его универсальность, т.е. получение изделий практически любых форм и размеров.
К недостаткам метода относятся: отсутствует возможность регулирования содержания наполнителя, большие затраты ручного труда, длительный цикл изготовления изделия, высокие расходы на материал.
Намотка
К достоинствам относится то, что намотка отлично подходит для формирования тел вращения.
К недостаткам относится недостаточный натяг армирующего материала в случае плоских углов намотки.

Типы формования изделия
(Два вида намотки)
«Сухой» способ
Волокнистый армирующий материал перед формованием предварительно пропитывают связующим на пропиточных машинах, которые обеспечивают не только качественную пропитку, но и требуемое равномерное содержание связующего в препреге на основе стекло-, органо- и углеволокон за счёт применения различных растворителей для регулирования вязкости связующего в процессе пропитки.
Методом «сухой» намотки изготавливается силовой элемент.
«Мокрый» способ
Пропитка наполнителя с чередованием слоев непропитанного или частично пропитанного наполнителя со слоями связующего в виде расплава пленки или с использованием наполнителей, в которых армирующие волокна чередуются с волокнами связующего материала (волоконная технология). Нити пропитываются непосредственно в процессе намотки.
Преимущество мокрой намотки, по сравнению с сухой - более низкая стоимость, лучшее сцепление нитей.
Из минусов - неравномерное содержание смолы в наполнителе, меньший натяг нити, вредность процесса.

Понятие препрега
Препреги (англ. pre-preg, сокр. от pre-impregnated — предварительно пропитанный) это композиционные материалы-полуфабрикаты. Готовый для переработки продукт предварительной пропитки связующим упрочняющих материалов тканой или нетканой структуры.
Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала.
Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке по сравнению, например, с механической.

1. Составные части СЭ.
СЭ состоит из следующих частей:
Втулка. Служит для крепления СЭ к валу редуктора. Благодаря высоким стенкам не дает расползаться ленте препрега при намотке.
Резиновая прокладка. Для работы СЭ на крутильную жесткость. Благодаря ей, СЭ может принимать угол закручивания/раскручивания ±30°.
Нить арамидная Русар. Для работы на центробежную силу. Является наполнителем СЭ и воспринимает основную нагрузку от центробежной силы.
Связующее. Матрица для СЭ. Формообразующий компонент. Добавляет анизотропию свойств. Ее задача распределить внешнюю нагрузку по площади силового элемента, а так же защита наполнителя от повреждений.

2. Приспособление для пропитки арамидной нити Русар.
Приспособление состоит из каркаса с катушками и пропиточной машины.
Нить с катушек проходит через стабилизаторы и направляющие, установленные на каркасе, по пути следования нити.
Далее, нить проходит через направляющие пропиточной машины и поступает на вал уже в виде ленты.

2. Приспособление для пропитки арамидной нити Русар (Процесс пропитки)
Пропиточную машину, лента арамидной нити проходит в 3 этапа:
Сушка арамидной нити и формирование ленты из будущего препрега.
Прохождение нити через ванну со связующим, и прижимную планку, отжимающую излишки связующего на нити, формирование препрега.
Сушка препрега после прохождения второго этапа пропитки.
Из пропиточной машины препрег поступает на катушку в виде ленты, с которой будет отрезаться и наматываться на оправку. Попутно от препрега отрезают часть ленты для проверки на содержание смолы и летучих веществ.

2. Приспособление для пропитки арамидной нити Русар (Особенности пропитки)
Чтобы структура материала имела стабильные свойства при намотке, необходимо следить за температурными показателями. Их изменения оказывают влияние как на вязкость связующего, так и на колебания степени наполнителя.
При увеличении температуры уменьшается вязкость связующего, что способствует стабилизации уплотнения наполнителя и его пропитки. При этом важно помнить, что при сильном повышении температуры жизнеспособность связующего вещества уменьшается.
Чтобы готовое изделие было качественным, необходимо следить за качеством пропитки наполнителя при сухом формировании и поддерживать необходимое соотношение компонентов при формировании изделий мокрым методом.

3. Приспособление для намотки СЭ.
Приспособление состоит из металлического каркаса. На каркасе установлены вал с барабаном (для крепления катушки с препрегом), натяжные ролики, посадочное место (паз) оправки для намотки.

3. Приспособление для намотки СЭ.
(Процесс намотки)
На барабан устанавливается катушка с препрегом. Лента фиксируется в верхней точке катушки, проверяется натяжение ленты препрега.
Втулки будущего силового элемента пескоструят и наносят слой клеевой пленки.
Комлевую катушку обматывают куском ленты и оставляют.
На концевой катушке делается один оборот лентой препрега между направляющими втулки и продолжают намотку по двум катушкам.
Ленты препрега не всегда равномерны по ширине. Существуют схемы намотки и ленты с движениями, позволяющими максимально равномерно распределить толщины слоев препрега.
Спустя несколько оборотов, накладываются усиливающие пакеты ленты.
Кладется резиновая прокладка.
Повторный слой усиливающих лент.
Окончательная обмотка силового элемента.
Автоклавное формование.

4. Варианты изменения характеристик СЭ
Изменение 1. Замена Органоволокна РУСАР-С, органоволокном Армос.
Изменение 2. Замена органоволокна РУСАР-С, органоволокном Армос, с примесью углеволокна УКН.
1. Втулка СЭ.
2. Ленточный препрег органоволокна «Армос», пропитанного связующим.
3. Резиновая прокладка.
4. Углеволокно УКН.
1. Втулка СЭ.
2. Ленточный препрег органоволокна «Армос», пропитанного связующим.
3. Резиновая прокладка.

Таблица 1.1 Свойства нитей - материалов, предполагаемых к изготовлению трех вариантов СЭ втулки РВ вертолета.

Характер изменений
Изменение 1
Уменьшилась масса СЭ. На комплект СЭ масса уменьшится на 60 г.
Уменьшился модуль упругости и увеличилось относительное удлинение. При этом, СЭ выдерживает нагрузки, порядка 7000 кгс/см2.
Выводы:
Конструкция облегчена. Финансово в том числе (Волокна «Армос» дешевле «РУСАР-С» на 30%. Цены взяты с http://tula.flagma.ru/).
Несмотря уменьшение прочностных характеристик, конструкция СЭ может выдерживать требуемые нагрузки (7000 кг*с).
Из за увеличения величины удлиннения, создается опасность царапания лопасти РВ об оболочку РВ.
Необходимо понизить коэффициент относительного удлинения, за счет введения углеволокна с меньшим к-том
Изменение 2
Выигрыш в массе отсутствует.
Это компенсируется приростом в к-те относительного удлинения.
Увеличился модуль упругости, повысилась прочность нити (по сравнению с изменением 1).
Выводы:
Экономический выигрыш, по сравнению с исходной конструкцией 10%.
Достижение поставленных целей в выводах предыдущего изменения (см. таблицу 1.1.).

5. Испытание на крутильную жесткость силового элемента.
Цель испытания: измерение крутильной жесткости силового элемента.
Объект испытания.
Силовой элемент.
Порядок проведения испытания.
Крутильную жесткость измеряют при проведении стендовых испытаний.
Крутильная жесткость силового элемента - способность силового элемента сопротивляться деформации при закручивании.
Для проведения испытаний используется калибровочная установка SAHL WILLE.
Жесткостную характеристику определяют параметры:
- Угол закручивания (градусы);
- Прилагаемый момент (кгс *м), при заданном угле закручивания.
Силовой элемент устанавливается на устройство для моментных отверток. В четырехточечный зажим вставляется вилка со втулкой элемента силового. Производится закручивание/раскручивание силового элемента вращением ручки механизма закручивания датчика крутящего момента в диапазоне углов от 0° до 30° с шагом5°. Данные об испытании заносятся в таблицу протокола об испытании.
Формула, для расчета среднего момента, при определенном угле закручивания:
Мср. = (Мпр. + Мобр.)/2
Мср. - средний момент (кгс *м);
Мпр. - момент, измеренный во время закручивания силового элемента;
Мобр. - момент, измеренный во время раскручивания силового элемента.

5. Испытание на крутильную жесткость силового элемента.
(Схема установки)

6. Определение состава смолы и летучих в образцах-свидетелях СЭ.
Цель испытания: определить состав связующего и летучих веществ в образцах препрега.
Объект испытания.
Связующее, арамидная нить.
Порядок проведения испытания.
Метод основан на выжигании связующего из нити при температурах 700-750° С.
Для осуществления метода необходимо следующее:
Весы аналитические.
Муфельная печь.
Определение процентного содержание наполнителей, связующего и пор проводится на трех параллельных образцах. В случае расхождения более чем на 2 % определение содержания составляющих компонентов композиционного материала повторяется.
Образцы испытываемого материала помещаются в предварительно прокаленные и взвешенные фарфоровые тигли и взвешиваются с точностью до 0,001 грамма. Затем тигли с образцами помещаются в муфельную печь и выжигаются при температуре 400° С в течение 15 часов (до постоянного веса), после чего охлаждаются в эксикаторе не менее 1 часа и вновь взвешиваются.
Процентное содержание смолы вычисляется по формуле:
Где: Vв см –содержание связующего в %;
Р – вес образца с тиглем до прокаливания в граммах;
Р1 – вес образца с тиглем после прокаливания в граммах;
Р2 – вес тигля в граммах.

Выводы.
1. В работе изложен метод намотки элемента силового для конструкции рулевого винта вертолета. Расписаны методы формирования облика композиционного материала. Описаны элементы конструкции элемента силового.
2. Представлены методика расчета содержания связующего в арамидных волокнах, испытаний на крутильную жесткость.
3. Предложенный в работе метод расчета, а так же справочный материал могут быть использованы для сравнительного анализа вариантов изготовления малогабаритных изделий, принимающих нагрузки от центробежной силы, а так же, работающих на кручение и изгиб.