Введение

Авиация и авиастроение – одни из наиболее высокотехнологичных секторов экономики, потребляющих наукоемкую продукцию, в частности высокоэффективные материалы и технологии [1–3]. Для повышения весовой эффективности авиационной техники требуются принципиально новые материалы, способные выполнять функции как конструкционных, так и функциональных материалов. Этими качествами в значительной мере обладают полимерные композиционные материалы [4–9]. Например, стеклопластики сочетают прочность и радиопрозрачность [10], углепластики – жесткость и термостабильность линейных размеров [11]. Органопластики наряду с высокими механическими характеристиками могут использоваться для защиты от высокоскоростного ударного воздействия [12].

В настоящее время в авиационной промышленности накоплен большой опыт применения органопластиков, армированных полимерными волокнами, для изготовления деталей конструкционного и функционального назначения. Конструкционные арамидные органопластики позволили создать легкие обшивки, стойкие к ударным и эрозионным повреждениям, воздействию длительных и усталостных нагрузок. Из органопластиков выполнены слабо- и средненагруженные элементы самолетов Ту-204,
Ту-334, вертолетов «Ансат», Ка-62 и др.

Конструкционные органопластики последнего поколения (ВКО-24, ВКО-25) на основе новых марок арамидных волокон Русар-НТ обладают высоким уровнем механических свойств и максимальной устойчивостью к поглощению влаги (≤1,5 %). Органопластик ВКО-25 изготавливается с использованием связующего ВСЭ-34, применяется совместно со стекло- и углепластиками на основе данного связующего. Сохранение механических свойств органопластика ВКО-25 после воздействия широкого спектра климатических факторов составляет ≥90 %, что позволяет рассматривать его в качестве материала для изделий, эксплуатируемых во всеклиматических условиях.

Антифрикционные органопластики, разработанные специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, применяются во многих конструкциях тяжелонагруженных узлов трения скольжения самолетов и вертолетов, обеспечивают работоспособность подшипников без смазки в течение всего периода эксплуатации. Для армирования антифрикционных органопластиков используются ткани сложной текстильной структуры, содержащие наряду с политетрафторэтиленовыми (ПТФЭ) волокнами также высокопрочные полиимидные, полиоксадиазольные и др. В процессе трения ПТФЭ-волокна формируют на поверхности контакта тонкую самосмазывающуюся пленку, образующуюся благодаря кристаллической структуре, способной к многократному деформированию без накопления остаточных деформаций. Антифрикционный органопластик марки Оргалон АФ-1М применяют для изготовления шарниров системы управления и стоек шасси, роликов и шарниров предкрылка и закрылка самолета, подшипников опоры крыла, шарниров крепления демпфера лопастей самолетов и вертолетов и др. [13].

В конструкциях самолетов ОКБ Сухого имеется ряд деталей, в которых целесообразно сочетать конструкционные и антифрикционные органопластики для повышения эффективности эксплуатации изделия. Это так называемые гибкие элементы – обводообразующие детали каркаса планера, которые устанавливаются в зонах навески механизации самолета [14–16]. Гибкие элементы обеспечивают создание аэродинамического контура при всех рабочих углах отклонения механизации за счет перекрытия щелей и зазоров между каркасом и механизацией. Отсутствие (минимизация) таких зазоров при любых углах отклонения является необходимым условием для обеспечения эффективной работы элементов механизации, а также для снижения радиолокационной заметности и повышения аэродинамического качества самолета.

На рис. 1 представлена схема установки гибкого элемента в конструкции. Гибкие элементы изготавливаются с предварительно увеличенной кривизной (преднатягом), обусловленной значением вертикального перемещения задней кромки гибкого элемента и допусками на зазор. Гибкий элемент деформируется при контакте с ответной частью элемента механизации (обтекателем/лобовиком) и обеспечивает непрерывный прижим по задней кромке к отклоняемой поверхности механизации [17].

Рис. 1. Схема установки гибкого элемента в конструкции [17]

При эксплуатации гибких элементов в составе авиационных конструкций возникает ряд проблем:

– гибкий элемент находится в постоянном контакте с подвижными элементами механизации, при этом образуется пара трения, вследствие чего происходит износ конструкции;

– под действием различных видов нагружения появляются остаточные деформации гибкого элемента, которые могут привести к появлению зазоров между каркасом и механизацией.

Данная работа направлена на исследование износостойкости и деформации в процессе эксплуатации гибких элементов аэродинамического управления самолета, изготовленных из разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ органопластиков. Представлены результаты опробования технологии изготовления гибких элементов с применением препрегов конструкционного и антифрикционного органопластиков, а также результаты испытаний, подтверждающие эффективность антифрикционного покрытия для снижения износа конструкции.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Объектами исследования являются препреги конструкционного и антифрикционного органопластиков, органопластики и конструктивно-подобные образцы (КПО), изготовленные из них. В качестве армирующего наполнителя в конструкционном органопластике использовали ткань сатинового переплетения с поверхностной плотностью 90 г/м² из арамидной нити Руслан с линейной плотностью 14,3 текс. Для армирования антифрикционного органопластика использовали комбинированную ткань с поверхностной плотностью 300 г/м², содержащую нити ПТФЭ.

Препреги конструкционного и антифрикционного органопластиков получали путем пропитки расплавом модифицированного эпоксидного связующего. Содержание связующего составило 50 и 20 % для конструкционного и антифрикционного препрегов соответственно.

Из препрегов изготавливали образцы для проведения лабораторных испытаний и КПО гибких элементов для исследования износостойкости и величины остаточной деформации на испытательных стендах.

Конфигурация и схема армирования КПО гибких элементов выбраны с учетом опыта ОКБ Сухого в проектировании элементов механизации летательных аппаратов и сопряженных агрегатов. В соответствии с разработанными чертежами проводили сборку заготовок из слоев препрега конструкционного органопластика с поверхностным слоем препрега антифрикционного органопластика и без него. На рис. 2 показан внешний вид заготовок, собранных из слоев препрега.

Рис. 2. Общий вид пакета-заготовки конструктивно-подобного образца гибкого элемента

Формование КПО проводили в автоклаве при повышенных значениях температуры и давления в соответствии с температурно-временными параметрами отверждения эпоксидного связующего.

Трибологические испытания проводили на лабораторной установке И-47 в режиме сухого трения на воздухе при температуре 20 °С. Вид сопряжения – торцевое трение двух цилиндрических образцов. В качестве контртела применяли сталь марки 30ХГСА, а также углепластик на основе высокопрочных углеродных волокон и эпоксидного связующего. Линейная скорость скольжения составила 0,15 м/с, удельная нагрузка (контактное давление): 3,0 МПа, продолжительность испытаний: 60 мин.

Испытания КПО по оценке износостойкости проводили на специализированном испытательном стенде при частоте нагруженияот 0,5 до 1,0 Гц. Максимальное количество циклов нагружения составило 768000. Условия проведения испытаний на износостойкость: температура окружающей среды – от 10 до 30 °C, относительная влажность воздуха – от 45 до 85 %.

Испытания КПО для определения величины остаточных деформаций после нагружения проводили на стенде с использованием специальных приспособлений.

Результаты и обсуждение

Совместное формование препрегов антифрикционного

и конструкционного органопластиков

Препрег антифрикционного органопластика имеет типовые органолептические показатели, свойственные препрегам на основе расплавных связующих и тканых наполнителей. Препреги пригодны для работы методом ручной выкладки при сборке заготовок. Типовые технологические операции с препрегом (размотка с катушки, раскрой, ручные послойные выкладка и прикатка) не требуют специализированного оборудования и инструментов.

Для оценки совместимости препрегов осуществляли сборку пакета из 20 слоев препрега конструкционного органопластика и одного слоя антифрикционного препрега в качестве верхнего слоя заготовки. Далее проведено формование пакета-заготовки препрегов автоклавным методом. Внешний осмотр и акустический контроль отвержденного органопластика с антифрикционным покрытием показал отсутствие дефектов и расслоений. На рис. 3 представлен гибкий элемент из арамидного органопластика с нанесенным антифрикционным покрытием.

Рис. 3. Гибкий элемент из арамидного органопластика с нанесенным антифрикционным покрытием [18]

Проведенные работы по совместному формованию препрегов подтвердили технологическую реализуемость изготовления конструкций гибких элементов с антифрикционным покрытием в условиях опытного производства ОКБ Сухого.

Испытания на трение и износостойкость

Гибкие элементы при эксплуатации контактируют с элементами каркаса и подвижными элементами механизации, образуя пары трения. Силы трения имеют переменный характер: чем больше отклонение элемента от среднего положения, тем большие значения усилия и силы трения, вызывающие изнашивание контактирующих поверхностей, возникают. Материалы для изготовления гибких элементов должны обеспечивать минимальное изнашивание деталей конструкции.

Для оценки эффективности применения антифрикционного материла (на основе ткани, включающей ПТФЭ-волокна) в составе гибкого элемента предварительно проведены сравнительные лабораторные испытания органопластиков (конструкционного арамидного и антифрикционного) в составе различных пар трения.

В результате испытаний на лабораторной установке трения определены триботехнические характеристики (коэффициент трения и весовой износ) органопластиков. Интенсивность весового износа определяли как удельный весовой износ органопластиков (конструкционного или антифрикционного) после испытаний на трение в сравнении с соответствующими исходными материалами (см. таблицу).

Триботехнические свойства органопластиков (средние значения) [17]

Лабораторные триботехнические испытания показали эффективность антифрикционного органопластика в сравнении с арамидным конструкционным органопластиком. При заданных условиях испытаний коэффициент трения пары «арамидный органопластик–сталь» составляет 0,18, что в 3 раза больше по сравнению с парой трения «антифрикционный органопластик–сталь». Проведенные исследования подтверждают целесообразность использования антифрикционного покрытия в конструкции гибкого элемента.

Лабораторные триботехнические испытания позволяют получить только сравнительную оценку износостойкости материалов. Для анализа работоспособности антифрикционного органопластика в качестве покрытия гибких элементов в заданных условиях проводили испытания КПО на износостойкость и ресурс на испытательном стенде, позволяющем имитировать реальные эксплуатационные нагрузки.

Перед испытаниями КПО гибких элементов закрепляли на пластину, предназначенную для неподвижной установки образцов на стенде. На рис. 4 показан общий вид КПО в сборке с пластиной. Испытаниям подвергали КПО с антифрикционным покрытием и без него.

Рис. 4. Общий вид конструктивно-подобного образца гибкого элемента в сборке с пластиной

Подвижная часть стенда представляет собой клин (рис. 5), форма которого при движении обеспечивает различные углы отклонения КПО гибкого элемента, закрепленного неподвижно на стенде. Клин выполнен из алюминиевого сплава с твердым анодным покрытием.

Рис. 5. Вид подвижного элемента (клина) в составе стенда для испытаний

После прохождения половины циклов нагружений КПО снимали с приспособлений, проводили визуальный контроль внешнего вида и целостности поверхностных слоев КПО и клина, который подтвердил отсутствие повреждений. Далее испытания продолжали до полного цикла.

После проведения всего цикла испытаний КПО снимали с приспособления и подвергали внешнему осмотру. Повреждений КПО не обнаружено. На композиционных КПО произошла контактная приработка по краям, царапин и прочих дефектов не выявлено.

Рис. 6. Поверхности клина после испытаний на износ в паре трения с конструктивно-подобным образцом гибкого элемента с антифрикционным покрытием (а) и без него (б)

Для оценки степени износа ответных поверхностей (клина) проведены сравнительные измерения шероховатости до и после проведения испытаний на износ в паре трения с КПО гибких элементов. Анализ состояния поверхности клина после испытаний на износ в контакте с антифрикционным органопластиком в качестве верхнего слоя КПО гибкой обшивки показал, что на поверхности клина присутствуют следы полимера черного цвета, перенесенного с композиционной обшивки (рис. 6). Признаков повреждений и износа поверхности клина не наблюдали. Таким образом, в соответствии с механизмом трения, реализуемым в полимерных материалах, в процессе трения на контртело осуществлен массоперенос ПТФЭ, входящего в состав антифрикционного покрытия, с образованием тонкого самосмазывающегося слоя. Если антифрикционное покрытие на КПО гибкого элемента отсутствует, то поверхность клина после испытаний имеет следы износа, наблюдаются отдельные признаки повреждения твердого анодного покрытия, присутствуют участки с «металлическим блеском» и следы наноса полимера на поверхность клина.

Исследование возможности восстановления

поврежденного антифрикционного покрытия

Помимо технологий изготовления деталей с применением препрегов конструкционных и антифрикционных органопластиков, в данной работе исследована возможность восстановления поврежденного антифрикционного покрытия на гибких элементах. С этой целью получены образцы конструкционного арамидного органопластика с антифрикционным слоем. Препрег антифрикционного органопластика формовали на поверхности отвержденного арамидного органопластика двумя методами – вакуум-автоклавным и вакуумным. Прочность соединения антифрикционного и конструкционного органопластиков оценивали по значению межслойной прочности при сдвиге, определяемой испытанием образцов на растяжение. Вид образца для проведения испытаний приведен на рис. 7. Результаты испытаний показали высокий уровень прочности при сдвиге данного соединения (2,5–2,8 МПа), что близко к уровню прочности для образцов, изготовленных совместным формованием препрегов антифрикционного и конструкционного органопластиков. Полученные данные подтверждают возможность проведения ремонта антифрикционного покрытия на поврежденных или изношенных гибких обшивках.

Рис. 7. Фрагмент образца для испытаний на прочность при сдвиге, имитирующего ремонтные процедуры [17]

Определение остаточной деформации

конструктивно-подобного образца после нагружения

В процессе эксплуатации под воздействием механических нагрузок могут накапливаться повреждения и появляться остаточные деформации в элементах конструкции [19–21].

Появление остаточных деформаций гибких элементов после воздействия эксплуатационных нагрузок – неблагоприятное явление, поскольку может привести к отклонению гибких элементов и, как следствие, неполному перекрытию зазоров между каркасом и механизацией, снижению эффективности работы механизации, ухудшению аэродинамического качества самолета.

Для решения этой проблемы исследовано влияние схемы армирования органопластика на деформационные свойства КПО гибкого элемента из препрега. Для выбора рациональной схемы армирования, обеспечивающей минимальный уровень остаточных деформаций после нагружения, проведены испытания на стенде (рис. 8). Перед испытаниями КПО проходили неразрушающий контроль на отсутствие механических дефектов и повреждений.

Рис. 8. Схема испытательного стенда [17]

Закрепление на стенде осуществляли путем соединения КПО с профилем с помощью механического крепежа. Нагружение проводили принудительным перемещением упора вдоль установочной оси по направлению к профилю. Происходило поэтапное нагружение принудительными перемещениями упора Δy = 2, 4, 6, 8 мм и Δy = 3, 6, 9, 12 мм для КПО длиной 100 и 150 мм соответственно. На рис. 9 показана зависимость действующей силы в упоре от перемещения самого упора.

После каждого нагружения КПО разгружали и определяли остаточные перемещения свободной кромки. Эти перемещения свидетельствуют о наличии остаточной деформации КПО после снятия нагрузки и позволяют определить ее величину. На рис. 10 приведена зависимость остаточных перемещений свободной кромки КПО от принудительного перемещения упора при нагружении.

Проведенные испытания позволили установить наличие остаточных деформаций КПО гибких элементов после нагружения и разгрузки на испытательном стенде. Показано, что при увеличении перемещения упора при нагружении закономерно повышается остаточная деформация. Наличие остаточных деформаций в КПО после нагружения и разгрузки (в частности при консольном изгибе, как это показано в данной работе) свойственно полимерным композиционным материалам и является следствием различных факторов: химической природы полимерной матрицы, релаксации внутренних напряжений, накопления микроповреждений в объеме композита и т. д. [22–27].

Рис. 9. Зависимости действующей силы от перемещений упора при нагружении конструктивно-подобного образца из препрега органопластика со схемой армирования [0, 90] (─) и [0, –45, 45, 90] (- - -) [17]

Рис. 10. Зависимость остаточных перемещенийсвободной кромки от перемещений упора при нагружении конструктивно-подобного образца из препрега органопластика со схемой армирования [0, 90] (ο) и [0, –45, 45, 90] (∏) [17]

Установлено, что уровень остаточной деформации зависит от схемы армирования конструкционного органопластика. При схеме армирования [0, –45, 45, 90] отмечены меньшие остаточные деформации по сравнению со схемой армирования [0, 90] при нагружении КПО, соответствующем ∆y = 6 и больше.

Заключения

Проведено технологическое опробование и подтверждена реализуемость технологии изготовления гибких элементов деталей аэродинамического управления самолета путем совместного формования препрегов антифрикционного и конструкционного органопластиков.

Проведены испытания КПО на износостойкость в паре трения с алюминиевым сплавом. Установлено, что использование антифрикционного органопластика в качестве покрытия обеспечивает износостойкость гибких элементов и ответной поверхности из алюминиевого сплава с твердым анодным покрытием в течение заданного ресурса. Экспериментально подтверждено, что наличие антифрикционного покрытия в паре трения возвратно-поступательного типа создает благоприятные условия для значительного увеличения ресурса при трении подвижных элементов механизации и неподвижных частей теоретического контура летательных аппаратов.

Показана возможность восстановления поврежденного антифрикционного покрытия на гибких элементах из арамидного органопластика с использованием препрега антифрикционного органопластика. Ремонт осуществляется путем приформовывания препрега к отвержденному органопластику методами вакуумного и вакуум-автоклавного формования.

Определены рациональные конфигурации и схемы армирования гибких элементов, позволяющие минимизировать уровень остаточных деформаций при эксплуатации.