Требования, предъявляемые при проектировании и изготовлении лонжеронов лопастей
Основной силовой элемент большинства лопастей из неметаллических материалов (по аналогии с металлическими клееными лопастями) - лонжерон, которому обычно придается форма носовой части аэродинамического профиля лопасти. Приклеенные к лонжерону хвостовые отсеки состоят из обшивок с нервюрами или заполнителем из алюминиевой фольги или пенопласта.
К лонжерону, являющемуся наиболее ответственным элементом лопасти, предъявляются высокие аэродинамические, конструктивные и эксплуатационные требования. С аэродинамической точки зрения лонжерон, имеющий профиль передней части лопасти, должен выполняться с жесткими допусками на обвод ±0,3 мм и иметь гладкую поверхность. С конструктивной точки зрения лонжерон должен изготовляться из высокопрочного материала, мало чувствительного к концентрации напряжений. Толщина стенок лонжерона должна быть выдержана в строгих пределах. Лонжерон должен иметь минимально необходимый для обеспечения заданной прочности вес и строго заданное распределение этого веса по длине и хорде. Соблюдение последнего требования обеспечивает взаимозаменяемость лонжерона. На поверхности лонжерона не должно быть рисок, царапин, неровностей, непроклеев и других дефектов, которые могут привести к появлению усталостных трещин. Эксплуатационные требования к лонжерону сводятся к тому, чтобы он был атмосферостоек к эрозии от дождя, пыли, песка и др.
|
|
|
В связи со сравнительно небольшим опытом изготовления лопастей из стеклопластиков нельзя механически применять конструкции, принятые для металлов. При этом надо учитывать такие особенности стеклопластика, как анизотропию физикомеханических свойств, более низкие упругие свойства и др. При конструировании изделий из стеклопластиков необходимо придерживаться следующих принципов: избегать резких изменений в толщинах, неплавностей сопряжений; для получения равноценных запасов прочности и равножесткости изделия в различных сечениях в ряде случаев утолщать. Величина утолщения в каждом отдельном случае определяется соотношением предела прочности и модуля упругости пластика и металла; при профилировании сечений необходимо иметь в виду, что тонкие острые кромки из стеклопластиков недостаточно прочны, наименьший допустимый радиус закругления кромок равен 0,75-1,5 мм в зависимости от размера изделий.
Учитывая наивысшую прочность в направлении ориентации волокон, стеклопластик в изделии необходимо ориентировать так, чтобы максимальное количество волокон совпадало по направлению с главными нормальными напряжениями, возникающими в изделии при работе. Остальные волокна или слои надо ориентировать в зависимости от направления действия и соотношения величин прочих напряжений в изделии. Кроме того, при конструировании лонжеронов из конструкционных пластиков необходимо учитывать и технологическую возможность выполнения. Все эти требования могут быть выполнены только при применении высокопроизводительного и точного оборудования, оснастки, инструмента и контрольно-измерительных приборов.
|
|
|
Материалы, применяемые для изготовления лопастей из неметаллов.
Как уже говорилось, для удовлетворения сложного комплекса аэродинамических, прочностных и производственных требований при изготовлении лопастей вертолетов применяются различные виды пластмасс, пенопластов, клеев и сотовых заполнителей. Из пластических масс наиболее ценными для изготовления деталей конструкционного назначения (лонжеронов, нервюр, стрингеров, обшивок и др.) являются стеклопластики [2]. Эти материалы представляют собой пластмассы на основе синтетических смол, армированные стеклянными волокнами, нитями, жгутами, лентами или тканями из стеклянного волокна. Сами синтетические смолы - связующие - обладают сравнительно невысокими механическими свойствами предел прочности большинства из них не превышает 8-10 
и служат для склеивания волокон, обеспечивая одновременную их деформацию под нагрузкой, а также определяют технологические свойства (методы переработки композиции). Связующее обеспечивает совместную работу волокон наполнителя, распределяя нагрузку равномерно по всем армирующим элементам, и защищает армирующий материал от механического повреждения и воздействия окружающей среды. Связующие для конструкционных пластиков получают на основе ненасыщенных полиэфирных, фенолоформальдегидных, эпоксидных, кремнийорганических и других смол или их композиций (табл. 2). В последние годы в качестве связующих начали применять высокотермостойкие полибензимидазоловые, полиамидные и другие полимеры. В производстве лопастей обычно используют эпоксидные и эпоксифенольные смолы (типа ЭД-6, Э-40, ЭДТ-10, ЭФ-32-301, ЭТФ и др.), обладающие хорошей адгезией, низкой влагопоглощаемостью, малой усадкой, достаточно высокой прочностью. Благодаря высокой смачивающей способности и адгезии к стекловолокну увеличивается статическая и динамическая прочность стеклопластиков, что особенно важно при изготовлении лопастей вертолетов [2], [33].
|
|
|
Таблица 2
|
|
|
| Связующее (смола) | Предел прочности | ||
| 
| 
| |
| Полиэфирная | 4,2 | 9-11 | 14 |
| Полиэпоксидная | 8-9 | 13-14 | 12 |
| Фенольная | 5-5,2 | 7-10 | 10 |
| Кремнийорганическая | 2,8 | 5,5 | 6,3 |
Армирование смол стекловолокном ( 
, 
), а в последнее время и другими неорганическими волокнами на основе бора, графита и др. позволило создать пластики, обладающие высокой удельнрй прочностью и хорошей перерабатываемостью в изделия различных форм.
Особенно большой интерес вызывают новые армированные материалы на основе волокон бора и графита. Бороволокно, выпускаемое американской фирмой Тексако эксперимент под маркой “борофил” диаметром 0,07-0,1 мм, получается осаждением бора из газовой фазы на разогретую до 1100°С вольфрамовую проволоку диаметром 0,013 мм. Это непрерывное волокно обладает высокими значениями предела прочности при растяжении ( 
до 300 
) и модуля упругости ( 
до 45000 ). Оно сохраняет 50% своей исходной прочности после усталостных испытаний на базе 
циклов. Другие фирмы выпускают бороволокно в виде ткани и предварительно пропитанных лент. Стоимость волокна бора снизилась с 1 января 1967 г. с 1100 долларов за 1 кг до 110 долларов в зависимости от заказанного количества.
Углеродные (графитовые и угольные) волокна изготовляют диаметром ~ 6 мк путем карбонизации органических текстильных волокон. В Англии для производства угольного волокна марки “RAE” разработан способ регулируемого пиролиза синтетического текстильного волокна в графит, кристаллы которого подвергают вытяжке и укладке вдоль оси волокна при температуре до 2500°С. Прочность угольных волокон “RAE” 
, и модуль упругости 
(табл. 3).
В США разработано угольное волокно марки Торнел, выпускаемое фирмой Юнион Карбайд корпорейшн [22].
Углеродное волокно марки Торнел-40 имеет модуль упругости 
, удельная прочность волокна Торнел-50 выше, чем прочность волокон бора. Композиционные материалы на основе графитовых волокон являются перспективным материалом. В работе [23] приводятся результаты испытаний на растяжение, сдвиг, сжатие, изгиб и усталость при различных температурах композиционных материалов на основе графитовых волокон, которые по своим свойствам могут конкурировать с боропластиками.
Прочность композиционных материалов, имеющих малое значение прочности на сдвиг, может быть увеличена за счет применения металлических и неметаллических усов из монокристаллов. Фирма Термокинетик файберс (США) изготовляет нитевидные кристаллы сапфира в виде игл длиной 25,5 мм, которые используются для упрочнения металлов, керамики, пластиков. Предел прочности пластиков на основе эпоксидных и фенольных смол при использовании нитевидных кристаллов сапфира может быть повышен до 35000 
[25].
Прочность композиционного материала, усиленного усами, в значительной степени зависит от прочности усов, чем от прочности матрицы. Механизм упрочняющего действия усов состоит в переносе нагрузки с матрицы на усы за счет сдвига, соответствующего нагрузке. В работе [83] дается обзор свойств композиционных материалов на основе полимеров и металлов, армированных усами. Исследования усов сапфира или окиси алюминия, проводившиеся в последние годы, показали, что средняя прочность материала при растяжении 70000-14000 , модуль упругости 
.
Таблица 3
Характеристики К.М. на основе графитовых и борных волокон [21]
| Материал | Процентное содержание наполнителя | Предел прочности при растяжении | Модуль упругости | 
| 
| Плотность
|
| % |
| 
| 
|
| 
| |
| Торнел 40+ЭС FRL 4305/MRDA | 50 | 62,1 | 1,07 | - | - | - |
| Однонаправленный К.М. на основе графитовых волокон фортил 4,5 | 67 | 1775 | 3,5 | - | - | - |
| RAE + полиэфирные смолы | 40 | 74 | 1,54 | 4,8 | 1 | 1,54 |
| Хайфил (графит волокн.) | 80 | 118 | 1,76 | 6,55 | 0,89 | 1,8 |
| Углепластик (ВММ-2) | 65 | 67 | 1,2 | 4,96 | 0,89 | 1,35 |
| Боропластик | 65 | 120 | 1,7 | 6 | 0,85 | 2 |
| Винивлон | 70 | 110 | 0,5 | 8,52 | 0,39 | 1,29 |
| Борофил | 60 | 135 | 2,3 | - | - | 2,1 |
Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 978; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!