03 марта 2016г.
Разработаны и широко применяются различные способы получения композиционных волокнистых материалов. Метод намотки - один из прогрессивных и эффективных методов получения изделия с высокими деформационно-прочностными характеристиками [1]. В настоящее время для армирования композиционных изделий конических форм используют тканые ленты, полученные при раскрое по диагонали полотна. Такие ленты имеют структуру ткани с разреженными уточными нитями, расположенными поперек ленты. Нередко, при получении композиционных изделий методом намотки, кромки, ниже расположенных, слоев лент образуют сборки и складки. Эти недостатки существенно снижают качество и прочность композиционных изделий. Кроме того, такой способ получения лент достаточно трудоемкий.
Цель работы состоит в разработке трикотажной ленты для армирования композиционных изделий конической формы методом намотки.
Техническое задание на экспериментальный образец трикотажной ленты состоит из следующих этапов:
1. Проектирование структуры трикотажной ленты и выбор материала.
2. Расчет параметров ленты на изделие конической формы.
3. Способ намотки ленты на поверхность вращения.
Разрабатываемое изделие представляет коническую усечѐнную поверхность вращения. В этом случае, для намотки целесообразно использовать ленту, имеющую спирально-деформируемую форму. Структура такой ленты разработана в лаборатории Московского текстильного института под руководством проф. В.А. Зиновьевой [2]. Принципиальный подход состоит в создании ленты, у которой в каждом ряду вязания на одной стороне расположены петли малой длины, а на другой – увеличенные петли [3].
Способ вязания заключается в следующем: на плоской машине вяжут ленту, у которой одна кромка короче другой, что вызывает естественный изгиб ленты в спираль. Разница в длинах кромок достигается путем изменения высоты петли в каждом ряду. В такой ленте радиус кривизны создается за счет формирования зон поверхности разными переплетениями. При этом одному ряду петель на участке 1 соответствует два ряда петель участка 2, что делает ленту спирально-деформируемой (Рисунок 1).
Стягивающий участок 1 ленты получен
жаккардовым переплетением. В структуру ленты ввязан уток 3. Ширину ленты регулируют количеством включаемых в работу игл, а еѐ кривизну
– количеством и индексом жаккардовых петель на внутренней
кромке и количеством игл в неполном переплетении – на наружной кромке ленты.
Разрабатываемое изделие предназначено для работы в интервале высоких
температур. В настоящее
время для этих целей используется трикотаж, как из минеральных, так и из синтетических нитей. О текстильной переработке этих нитей в литературных источниках имеются противоречивые сведения [2,5,7]. Для выполнения технического
задания применялись кремнеземные нити, обеспечивающие необходимую теплозащиту изделия в интервале температур ±2000 С [5].
При армировании композиционных изделий методом
намотки участки ленты испытывают различные
деформации при нагрузках
значительно меньше разрывных. Для определения этой зависимости проведены испытания на
приборе релаксометре [4]. При нагрузках менее 6 Н возникают
деформации, связанные в основном со структурой трикотажа. Деформация самой нити при этом или совсем не проявляется или проявляется незначительно [6]. Так как растяжимость применяемых кремнеземных нитей составляет 2-3 процента, то изменение размера кромок
ленты происходит за счет разницы длин петель
на этих участках. Проведенные испытания показали, что для трикотажа переплетений жаккард 2 и сдвоенная гладь 3 увеличение растяжимости происходит только в определенных интервалах приложенной нагрузки
(Рисунок 2). Необходимо отметить, что трикотаж ластичного переплетения 1 обладает большей
растяжимостью. Переплетения жаккард
и сдвоенная гладь образуют внутреннюю кромку
ленты. Внешнюю кромку ленты вывязывают ластичным переплетением.
Экспериментальные исследования деформативных характеристик трикотажных лент показали нелинейность их относительной деформации – наличие двух линейных участков большой
и малой жесткости. Зная характеристики деформации ленты, определен расход ленты при намотке
на усеченный конус высотой
Н.
Длина ленты L с учѐтом еѐ удлинения при намотке одного
слоя покрытия для усеченного конуса с углом уклона α, большим D и меньшим d диаметрами равна:
где - δр расчетное относительное растяжение ленты; H - высота конуса;
dпр = (D2 - d2 )0,5 - приведенный диаметр намотки;
bр = b - ∆ - расчетная ширина
ленты с учетом
нахлестки ∆ при намотке; α - угол уклона конуса.
При намотке ленты на усеченный
конус относительное продольное растяжение слоев ленты по ширине зависит от угла уклона конуса
α и b ширины ленты. Следует отметить, что растяжение продольных слоев увеличивается по мере удаления
от верхней кромки, пропорционально расстоянию. Значения увеличения относительного растяжения ленты
на нижней кромке по отношению
к верхней кромке
равны:
где n = L / b - число шагов намотки в одном слое, r = d /2.
Таким образом,
наибольшее относительное растяжение
в
ленте при намотке на усеченный
конус наблюдается в нижней
кромке на первом шаге и составляет:
где δн - начальное значение
в верхней кромке
от предварительного натяжения.
Минимальная сила натяжения ленты с учетом
полученного выражения
составляет (при условии,
что зависимость F1 (δ) – δ близка к линейной): Fmin = F1 (d * ) × b , где F1(δ *) – значение силы F1 при относительном удлинении δ *.
Максимальная сила натяжения ленты определяется выражением:
Fmax = 0,5 × [F]× b
Метод намотки
обеспечивает высокую производительность и стабильные механические свойства композиционного изделия.
Этот способ позволяет автоматизировать производство за счет использования механического оборудования намотки с одновременной пропиткой
ленты. На ОАО «Композит» проведена исследовательская работа по созданию материала
СТКТ-НА на основе спирально-деформированной ленты. Трикотажная лента получена на плоскофанговой машине из кремнеземной нити марки К11С6 прессовым переплетением с ввязыванием утка. Показатели физико-механических испытаний полученных образцов
плит материала СТКТ-НА
на основе трикотажной ленты и фенолоформальдегидного связующего ЛБС-4
представлены в Табл.1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики композиционного материала СТКТ-НА
№
п/п
|
Наименование характеристик
|
Значения показателей
|
1
|
Плотность, г/см3
|
1,48 – 1,52
|
2
|
Связующее
|
ЛБС-4
|
3
|
Содержание смолы, %
|
35 - 36
|
4
|
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
- основа
|
83
|
5
|
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа
- основа
|
157
|
6
|
Разрушающее напряжение при
.сжатии, МПа
-
основа
-
уток
|
108
110
|
Трикотажную ленту возможно использовать для армирования сложных изделий, например,
поверхность которых имеет положительную Гауссову кривизну. Для лучшего облегания такой поверхности лента должна
при намотке в центральной части иметь большее растяжение, чем на кромках. Структуру
такой ленты вывязывают переплетениями в следующей последовательности: жаккард,
ластик, жаккард.
Комбинации переплетений позволяют проектировать ленты для композиционных изделий
сложных форм.
В результате проведенной работы разработан экспериментальный образец трикотажной ленты из кремнеземной нити. Получены уравнения
для расчета усилий натяжения при намотке на коническое изделие, что позволит
адаптировать параметры характеристик ленты с размерами усеченного конуса (диаметр верхнего основания и угол уклона
конуса). Экспериментально полученные физико-механические характеристики материала
СТКТ-НА показали возможность использования трикотажной ленты для армирования композиционных изделий.
Список литературы
1.
Гардымов Г.П., Малков Е.В., Пчелинцев
А.В. и др. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении.- СПб.:
Спецлит, 1999, 270 с.
2. Зиновьева В.А. Разработка основ теории и практики технологии производства технического трикотажа и специзделий из стеклянных нитей
- Автореф. дисс. д.т.н. М.: МТИ, 1981, 56 с.
3.
Зиновьева В.А., Шленникова О.А. Ресурсосберегающая технология трикотажных изделий технического назначения.- Все материалы, 2010, №5, с.26-30.
4.
Кобляков А.И. Лабораторный практикум
по текстильному материаловедению.- М.: Легпромбытиздат, 1986, 343 с.
5.
Михайлин Ю.А. Тепло-,
термо- и огнестойкость полимерных материалов.- СПб.: НОТ, 2011, 415 с.
6.
Торкунова З.А. Испытания трикотажа.- М.: 1985, 199 с.
7.
Цитович И.Г. Теоретические основы
стабилизации процесса вязания.-
М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984, 135 с.