Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-1-36-41
УДК 678.067.5
Ю. О. Попов, Т. В. Колокольцева, Ю. А. Гусев, А. А. Громова
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ЛИСТОВОГО СТЕКЛОПЛАСТИКА ДЛЯ ОБШИВОК ХВОСТОВЫХ ОТСЕКОВ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Приведено описание создания стеклопластика для обшивок хвостовых отсеков лопастей несущего винта вертолета взамен используемых в настоящее время обшивок из органотекстолита. Для изготовления обшивок было решено использовать однонаправленный стеклопрепрег и два слоя стеклоткани, образующие при формовании в автоклаве монолитный пластик с заданным содержанием связующего. Проведен выбор оптимальной схемы армирования из двух вариантов. По результатам стендовых испытаний показано, что при выбранной схеме армирования стеклопластик обладает высокими прочностными свойствами, стойкостью к образованию краевых усталостных трещин и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к обшивкам хвостовых отсеков лопастей. 

Ключевые слова: органотекстолит, стеклотекстолит, стеклопластик, гибридный стеклопластик, обшивки хвостовых отсеков.

Введение

Область применения конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе препрегов (предварительно пропитанных связующим волокон армирующего наполнителя) является одной из самых перспективных в авиа- и вертолетостроении. В настоящее время доля ПКМ в конструкциях вертолетов может достигать 50%, и производители стремятся ее увеличить [1].

Для изготовления лопастей вертолетов, как одних из наиболее нагруженных деталей, в ВИАМ разработан ряд перспективных материалов, в том числе стеклопластиков и гибридных стеклоуглепластиков для изготовления лонжеронов, а также листовых органотекстолитов, используемых в качестве обшивок хвостовых отсеков сотовой конструкции [2–4].

В настоящее время ведущие зарубежные и отечественные разработчики ПКМ ведут исследования, направленные на создание материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [5].

Листовые органотекстолиты, используемые в настоящее время в качестве обшивок хвостовых отсеков, являются наиболее легкими и прочными материалами, способными противостоять воздействию динамических нагрузок на лопасть несущего винта (ЛНВ) вертолета, возникающих в полете [6].

Тем не менее в связи с высокой стоимостью органотекстолитов создателями вертолетной техники была поставлена задача разработать более дешевый листовой стеклопластик, который по весовым характеристикам (поверхностной плотности), прочности и стойкости к циклическим нагрузкам не уступает Органитам, а также обладает повышенной климатической стойкостью [7]. Попытки решить эту проблему простой заменой органотекстолитов на стеклотекстолиты с различными схемами укладки слоев ([0°, 90°, 90°, 0°] и [0°, ±45°, 0°]) не увенчались успехом. На рис. 1 изображен разрушенный хвостовой отсек с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30 со схемой армирования [0°, ±45°, 0°], выдержавший ˂1 млн циклов. 

 

Рис. 1. Разрушение отсека с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30

 

Разрушение вызвано недостаточной стойкостью стеклотекстолитов к возникновению и быстрому прорастанию «краевой» усталостной трещины, которая возникает на обшивках отсеков в плоскости задней стенки лонжерона от вертикальных перемещений лопасти в процессе прохождения полного оборота. По-видимому, узлы пересечений нитей утка и основы стеклотканей провоцируют образование усталостных трещин в обшивках и последующее разрушение отсеков.

 

Материалы и методы

Для поиска оптимального варианта конструкции обшивки проведен анализ возможных вариантов армирования пластика обшивки и рассмотрены альтернативные материалы, в том числе однонаправленные ПКМ. Известно, что однонаправленные стеклопластики имеют высокую удельную ударную вязкость и усталостную прочность при изгибе в направлении, поперечном армированию, так как не имеют пересечений волокон наполнителя в пределах монослоя как у стеклотекстолитов. Кроме того, практика применения однонаправленных стеклопластиков [8] в качестве стопперов усталостных трещин в слоистых конструкциях авиационной техники показывает их эффективность. Исходя из этих фактов было принято решение применить однонаправленный стеклопластик в качестве одного из армирующих слоев в составе материала обшивки.

Известно, что поверхностную плотность наполнителя в однонаправленных препрегах можно регулировать плавно и в широком диапазоне, используя жгутовые наполнители различной линейной плотности и изменяя шаг их распределения по ширине препрега. В данном случае, когда поверхностная плотность обшивки была задана изначально, не представляло сложности провести расчет допустимой поверхностной плотности наполнителя и связующего в препреге, далее подобрать стеклоровинг по линейной плотности и определить шаг его распределения по ширине препрега. Конструктивно-технологическое решение изготовления материала обшивки тогда будет основываться на «ключевой» операции – изготовлении однонаправленного стеклопрепрега с расчетными поверхностными плотностями наполнителя и связующего. При этом препрег будет является «носителем» связующего для пропитки всего объема наполнителя обшивки (стеклоровинг+два слоя ткани Т-64(ВМП)) и обеспечит объемное содержание наполнителя 48–52% – оптимальное для стеклопластиков. Таким образом, из технологической цепочки изготовления обшивки будет исключена дорогостоящая операция изготовления препрега на основе стеклоткани. Пропитка стеклоткани будет происходить во время формования пластика – по аналогии с пленочной технологией изготовления ПКМ, известной как метод RFI [9]. Применение такой технологии значительно сократит издержки производства и обеспечит получение материала обшивки с требуемыми прочностными и эксплуатационными характеристиками.

Исходя из предварительных технических требований к материалу (табл. 1), выдвинутых разработчиком изделия, рассчитывали весовые характеристики однонаправленного препрега таким образом, чтобы суммарная поверхностная плотность получаемого пластика, включая стекловолокно, связующее и два слоя сухой ткани Т-64(ВМП), не превышала заданную: 580 г/м2.

 

Таблица 1

Предварительные технические требования к материалу обшивок

Показатели

Значения показателей

Предел прочности при растяжении, МПа (не менее)

550

Толщина пластика, мм

0,3–0,4

Масса 1 м2 пластика, г (не более)

580

Ресурс обшивок при циклических нагрузках при стендовых испытаниях в составе конструкции, циклов (не менее)

2·106

 

Поверхностную плотность связующего в однонаправленном препреге рассчитывали таким образом, чтобы связующего было достаточно для пропитки двух сухих слоев стеклоткани, при этом содержание связующего в отформованном пластике должно быть в пределах 31–35%. Далее провели расчеты весовых характеристик однонаправленного препрега, которые представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

Расчетные характеристики однонаправленного препрега

Свойства препрега

Значения свойств

Масса 1 м2 препрега, г (не более)

380

Масса 1 м2 стекловолокна в препреге, г

180

Масса 1 м2 связующего в препреге, г

190

Содержание связующего в препреге, %

48–50

 

Специфика работы материала обшивок в составе хвостовых отсеков лопасти вертолета предполагает непредсказуемость критического параметра статической и/или динамической прочности материала, который смог бы быть определяющим при выборе схемы армирования. Оптимальная схема армирования может быть выбрана только после проведения динамических испытаний обшивки в составе хвостового отсека в условиях, приближенных к реальной работе конструкции. Для сокращения количества вариантов схем армирования и объема испытаний для предварительных динамических испытаний выбрали два альтернативных по свойствам материала:

– вариант 1 имеет преимущества по прочности при сдвиге в плоскости листа;

– вариант 2 имеет преимущества по прочности и модулю упругости в направлении [90°].

Прогнозируемые свойства двух вариантов представлены в табл. 3.

 

Таблица 3

Альтернативные варианты схем армирования обшивок и

расчетный уровень их свойств

Вариант

Схема армирования

σв, МПа

Е, ГПа

t12, МПа

в направлении приложения нагрузки

[0°]

[90°]

[0°]

[90°]

1

Т-64 [+45°]/РВМПН [0°]/Т-64 [-45°]

750

240

27

13

250

2

Т-64 [90°]/РВМПН [0°]/Т-64 [90°]

800

400

25

25

160

 

Для пропитки препрега выбрали клеевое связующее ВСК-14-2мР.120 как наиболее технологичное для пропитки однонаправленных наполнителей на расплавной пропиточной установке BL-2800 [10, 11]. Для изготовления препрега использовали ровинг марки РВМПН-10-600-14 на основе стекла марки ВМП. Далее из полученного препрега методом автоклавного формования [12] изготовили опытные образцы «гибридного» стеклопластика с выбранными схемами укладки слоев. Для изготовления опытных образцов выбрали метод автоклавного формования в связи с тем, что менее дорогой и энергоемкий метод вакуумного формования не позволил бы получить образцы с заданными весовыми, прочностными характеристиками и толщиной, а также с низкой пористостью [13–15].

 

Результат

В процессе отработки сборки заготовок обшивок установлено, что обшивки, собранные по варианту 2, наиболее предпочтительны как с точки зрения расхода стеклоткани Т-64, так и трудоемкости сборки. Далее провели оценку свойств обшивок на соответствие техническим требованиям (см. табл. 1). Характеристики пластиков представлены в табл. 4.

 

Таблица 4

Характеристики двух вариантов пластика обшивок

Свойства

Значения свойств пластиков

Вариант 1

Вариант 2

Толщина пластика, мм

0,31–0,35

0,31–0,35

Масса 1 м2 пластика, г

540–570

540–570

Предел прочности при растяжении, МПа, в направлении:

 

 

[0°]

750–780

850–950

[90°]

220–250

390–420

 

Видно, что у пластика, изготовленного по варианту 2, значения прочности существенно превышают аналогичные значения у пластика, изготовленного по варианту 1.

Образцы обшивок передали Заказчику для оценки стойкости при воздействии циклических нагрузок в составе конструкций хвостовых отсеков.

Предварительные испытания показали, что оба варианта обшивок выдерживают назначенный ресурс 2·106 циклов без разрушения отсеков, но в обшивках, изготовленных по варианту 1, наблюдалось образование трещин  вдоль направления [0°] – направления волокон стеклоровинга (рис. 2). Таким образом, для дальнейших испытаний выбрали обшивки, изготовленные по варианту 2.

Рис. 2. Образование усталостной трещины в обшивке, изготовленной по варианту 1

 

Далее изготовили и передали Заказчику две опытные партии обшивок для проведения зачетных стендовых и летных испытаний. Проведенные стендовые испытания подтвердили, что разработанный «гибридный» стеклопластик в качестве обшивок показывает стабильную стойкость к образованию трещин и выдерживает количество циклов в 2–3 раза большее, чем назначенный ресурс.

Разработанному стеклопластику присвоена марка ВПС-53К, на него оформлены технические условия ТУ1-595-1496–2015, где зафиксированы его следующие технические характеристики:

– толщина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,35±0,05 мм;

– масса 1 м2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525–578 г;

– предел прочности при растяжении в направлении

[0º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 МПа;

[90º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 МПа;

– максимальный габарит листов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460×920 мм.

В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» проводятся комплексные испытания стеклопластика ВПС-53К в объеме общей квалификации, а также осваивается его серийное производство для использования в отрасли.

 

Обсуждение и заключения

В результате исследований разработан «гибридный» стеклопластик для обшивок хвостовых отсеков лопастей вертолетов с оптимальной укладкой слоев стеклоткани и препрега. Стеклопластик показал высокий уровень механических свойств, стабильную стойкость к образованию трещин и полностью соответствует техническим требованиям Заказчика. Использование данного материала позволит сократить стоимость производства обшивок при сохранении их эксплуатационных качеств.

После завершения испытаний в объеме общей квалификации «гибридный» стеклопластик марки ВПС-53К может быть рекомендован для проведения летных испытаний и дальнейшего внедрения в конструкцию лопасти вертолета.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
2. Давыдова И.Ф., Каблов Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №7. С. 2–11.
3. Попов Ю.О., Колокольцева Т.В., Хрульков А.В. Новое поколение материалов и технологий для изготовления лонжеронов лопастей вертолета // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S2. С. 5–9.
4. Железина Г.Ф., Войнов С.И., Плетинь И.И., Вешкин Е.А., Сатдинов Р.А. Разработка и производство конструкционных органопластиков для авиационной техники // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. №4–2. С. 411–416.
5. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
6. Железина Г.Ф. Особенности разрушения органопластиков при ударных воздействиях // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 272–277.
7. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19–27.
8. Вавилова М.И., Кавун Н.С. Свойства и особенности армирующих стеклянных наполнителей, используемых для изготовления конструкционных стеклопластиков // Авиационные материалы и технологии. 2014. №3. С. 33–37.
9. Тимошков П.Н., Платонов А.А., Хрульков А.В. Пропитка пленочным связующим (RFI) как перспективная безавтоклавная технология получения изделий из ПКМ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №5. Ст. 09. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 10.06.2015).
10. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260–265.
11. Чурсова Л.В., Душин М.И., Коган Д.И., Панина Н.Н., Ким М.А., Гуревич Я.М., Платонов А.А. Пленочные связующие для RFI-технологии // Российский химический журнал. 2010. №1. С. 63–66.
12. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
13. Душин М.И., Коган Д.И., Хрульков А.А., Гусев Ю.А. Причины образования пористости в изделиях из полимерных композиционных материалов // Композиты и наноструктуры. 2013. №3 (19). С. 60–71.
14. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20–26.
15. Борщев А.В., Хрульков А.В., Халтурина Д.С. Изготовление низкопористого полимерного композиционного материала для применения в слабо- и средненагруженных конструкциях // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №7. Ст.03 URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 10.06.2015).
1. Kablov E.N. Himiya v aviacionnom materialovedenii [Chemistry in aviation materials science] // Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3–4.
2. Davydova I.F., Kablov E.N., Kavun N.S. Termostojkie negoryuchie poliimidnye steklotekstolity dlya izdelij aviacionnoj i raketnoj tehniki [Heat-resistant nonflammable polyimide glass fiber laminate for products aviation and rocketry] // Vse materialy. Enciklopedicheskij spravochnik. 2009. №7. S. 2–11.
3. Popov Yu.O., Kolokol’tseva T.V., Khrulkov A.V. Novoe pokolenie materialov i tehnologij dlya izgotovleniya lonzheronov lopastej vertoleta [The new generation of materials and technologies for helicopter blade spars] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №S2. S. 5–9.
4. Zhelezina G.F., Vojnov S.I., Pletin I.I., Veshkin E.A., Satdinov R.A. Razrabotka i proizvodstvo konstrukcionnyh organoplastikov dlya aviacionnoj tehniki [Development and production constructional organoplastikov for aviation engineering] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN. 2012. T. 14. №4–2. S. 411–416.
5. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
6. Zhelezina G.F. Osobennosti razrusheniya organoplastikov pri udarnyh vozdejstviyah [Features of destruction organoplastikov at shock influences] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 272–277.
7. Kablov E.N., Startsev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznacheniya. I. Mehanizmy stareniya [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. I. Aging mechanisms] // Deformaciya i razrushenie materialov. 2010. №11. S. 19–27.
8. Vavilova M.I., Kavun N.S. Svojstva i osobennosti armiruyushhih steklyannyh napolnitelej, ispolzuemyh dlya izgotovleniya konstrukcionnyh stekloplastikov [The properties of glass filler for constructions of fiberglass] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №3. S. 33–37.
9. Timoshkov P.N., Platonov A.A., Khrulkov A.V. Propitka plenochnym svyazujushhim (RFI) kak perspektivnaya bezavtoklavnaya tehnologiya polucheniya izdelij iz PKM [Film resin infusion as an advanced method for out-of-autoclave processing of polymer composites] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №5. St. 09. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: June 10, 2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-5-9-9.
10. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Kim M.A., Babin A.N. Rasplavnye svyazujushhie dlya perspektivnyh metodov izgotovleniya PKM novogo pokoleniya [Melt binding for perspective methods of production of PCM of new generation] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 260–265.
11. Chursova L.V., Dushin M.I., Kogan D.I., Panina N.N., Kim M.A., Gurevich Ya.M., Platonov A.A. Plenochnye svyazuyushhie dlya RFI-tehnologii [Film binding for RFI technology] // Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. №1. S. 63–66.
12. Khrulkov A.V., Dushin M.I., Popov Yu.O., Kogan D.I. Issledovaniya i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovaniya PKM [Researches and development autoclave and out-of-autoclave technologies of formation of PCM] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
13. Dushin M.I., Kogan D.I., Khrulkov A.A., Gusev Yu.A. Prichiny obrazovaniya poristosti v izdeliyah iz polimernyh kompozicionnyh materialov [The reasons of formation of porosity in products from polymeric composite materials] // Kompozity i nanostruktury. 2013. №3 (19). S. 60–71.
14. Dushin M.I., Hrulkov A.V., Muhametov R.R. Vybor tehnologicheskih parametrov avtoklavnogo formovaniya detalej iz polimernyh kompozicionnyh materialov [A choice of technological parameters of autoclave formation of details from polymeric composite materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №3. S. 20–26.
15. Borshchev A.V., Khrulkov A.V., Halturina D.S. Izgotovlenie nizkoporistogo polimernogo kompozicionnogo materiala dlya primeneniya v slabo- i srednenagruzhennyh konstrukciyah [Manufacturing polymer composite material with low porosity for use in low- and mediumloaded structures] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №7. St. 03. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: June 10, 2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-3-3.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.