7.6.6 Намотка оболочковых изделий

Метод намотки применим только для оболочковых изделий, причем предпочтительно для имеющих форму тел вращения. Наибольшее применение намотка нашла в авиа- и ракетостроении для формования корпусов ракет и ракетных двигателей, элементов фюзеляжей самолетов (рис. 7.27).

Для химической промышленности изделия, получаемые намоткой (реакционные аппараты, емкости, трубопроводы и т.п.), могут иметь весьма большие размеры, например железнодорожные цистерны объемом 60 м³ и более, газоотводящие стволы дымовых труб диаметром до 8000 мм, а химические емкости от 1 до 200 м³ (рис. 7.28).

а	б
Рис. 7.27. Углепластиковый корпус твердотопливного ракетного двигателя (а), стеклопластиковый транспортно-пусковой стакан ракеты “Яхонт” (б)

а	б
Рис. 7.28. Стеклопластиковые оболочковые изделия, получаемые методом намотки: емкость для агрессивных сред объемом 10 м3 (а); секция дымовой трубы для тепловых электроцентралей (б)

При намотке изделий создается ориентированная структура наполнителя с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей нитей, жгутов, лент обеспечивает максимальную прочность изделий. Намотка может производиться по “мокрому” и “сухому” методам. Сущность мокрого метода заключается в намотке на вращающуюся оправку непрерывного наполнителя, пропитанного в ванне связующим. Ориентация наполнителя определяется соотношением скоростей вращения оправки и возвратно-поступательного перемещения раскладчика наполнителя. Роль складчика выполняют отжимные валки, одновременно регулирующие содержание связующего на непрерывном наполнителе.

В отличие от мокрого метода сухая намотка состоит в использовании предварительно пропитанного наполнителя. Для мокрой намотки используются полиэфирные и эпоксидные смолы, для сухой – фенолоформальдегидные смолы. Сухая намотка проводится при повышенных температурах. Методом намотки могут быть получены изделия, содержащие до 90 % (объемных) наполнителя.

Давление на оправку, а, следовательно, и уплотнение наполнителя при намотке определяется его натяжением, геометрией формы изделия и жесткостью оправки. При намотке толстостенных оболочек на жестких оправках технологическое натяжение сохраняется в намотанных структурах и, следовательно, определяет степень уплотнения наполнителя. Для толстостенных оболочек, особенно при формовании их на нежестких оправках, остаточное натяжение в структуре наполнителя может быть существенно ниже технологического. Остаточное натяжение наполнителя в структуре изделия определяется по формуле:

, (7.6)

где F_о и F_ост - технологическое и остаточное натяжение; G_н и G_ф - жесткость наматываемого наполнителя и материала оправки.

Рекомендуемая величина технологического натяжения должна составлять 30÷50 % от прочности при растяжении материала наполнителя. Дополнительное уплотнение наполнителя обеспечивается специальным прикатывающим роликом. Заготовка может быть уплотнена дополнительно с помощью вакуумного или надувного мешка, как при контактном формовании, при термообработке. Обязательная стадия технологического процесса – отверждение намотанной на оправку заготовки, осуществляемая при термообработке, как в термокамерах, так и за счет нагревателей, расположенных в самой оправке, токами высокой частоты.

Технологические установки производства цилиндрических оболочек. Для производства цилиндрических оболочек применяются установки периодического и непрерывного действия. В периодических - оправка неподвижна, а раскладчик движется по спирали. В непрерывных установках оправка движется поступательно, а раскладчик в кольцевом направлении по окружности. На рис. 7.29 показан способ спирально-винтовой намотки оболочек нитями и ровингом.

Рис.7.29. Схема изготовления оболочкового изделия намоткой армирующих нитей или ровинга (жгута): 1 – жгут; 2 – ванна со связующим; 3 – отжимные валики; 4 – оправка	Рис. 7.30. Схема формования цилиндрических оболочек прямой намоткой с прижимным валиком: 1 – прижимной валик; 2 – оправка; 3 – опорные валики; 4 – пропитанный связующим армирующий наполнитель (ткань, бумага)

При формовании цилиндрических оболочек из пропитанных связующим тканей или бумаги применяется наиболее простая в технологическом отношении прямая намотка (способ тангенциальной или окружной намотки) (рис. 7.30).

Контактное давление формования определяется весом оправки и усилием верхнего подвижного прижимного валика. Опорные валики снабжены обогревом для перевода связующего наматываемых слоев материала. Отверждение проводят в термокамере, куда помещается оправка с намотанной и уплотненной заготовкой. Далее изделия лакируют и снова термообрабатывают.

Цилиндрические крупногабаритные оболочки с продольно-поперечным армированием кордными лентами получают на установке, показанной на рис. 7.31.

Рис. 7.31. Схема установки для формования цилиндрических оболочек с продольно-поперечным армированием: 1 – стойки; 2, 6 – катушки с армирующей лентой; 3 – направляющие; 4 – зажимы; 5 – оправка; 7 – планшайба; 8 – захваты; 9 – механизм поворота оправки; 10 – каретка

На оправку укладывается продольные ленты с катушек при помощи захватов, установленных на подвижной каретке и направляющих. Продольные ленты фиксируются на концах оправки зажимами. Затем с вращающейся планшайбы, установленной на каретке, производится радиальная намотка стекло- или углеволокнистой ленты с катушки. С помощью механизма поворота оправка поворачивается на некоторый угол, и цикл повторяется.

Установка вертикального типа для производства труб продольно-поперечной намоткой (фирма “Ганал, Бекон и Грант”, США) (рис. 7.32) позволяют упростить пропитку наполнителя связующим и исключить деформацию оправки под влиянием собственного веса. Здесь сочетается спиральная перекрестная намотка стеклоленты и жгутов с продольной укладкой жгутов.

Рис. 7.33. Схема горизонтальной установки для производства стеклопластиковых труб малого диаметра методом намотки: 1 – генератор ТВЧ; 2 – оправка; 3, 6 – бобины со стеклолентой; 4, 7 – форсунки-распылители связующего; 5 – планшайба; 8 – наматываемая лента; 9 – ролики-электроды

Рис.7.32. Схема вертикальной установки для формования стеклопластиковых труб на движущейся оправке: 1 – оправка; 2 – подающие валики; 3, 5, 8, 11, 12 – вращающиеся столы; 4 – катушки со стекловолокнистой лентой; 6 – диафрагма для отжима связующего; 7 – стекложгут; 9 – неподвижный стол; 10 – направляющее устройство для продольной укладки жгута; 13 – лопатки для уплотнения стенки трубы; 14 – катушки с целлофаном; 15 – приемные центрирующие валики

При непрерывном процессе намотка осуществляется на движущуюся снизу вверх оправку из составных 6-метровых стальных полированных труб (высота установки 23 м). Оправка (1) движется с помощью подающих (2) и приемных (15) валиков через четыре стола, на которых находятся ванны со связующим, и два стола без ванн. При прохождении оправки через стол-ванну (3) она покрывается раствором связующего, и при одновременном вращении стола (3) на оправку спирально наматывается стеклолента (4). На втором столе-ванне (5) после отжима излишек связующего диафрагмой (6) наматывается стекложгут (7), пропитанный в ванне (5). Аналогичный процесс происходит на третьем столе-ванне (8), но вращается в противоположную сторону. На четвертом столе-ванне (9) происходит укладка продольной арматуры. Направляющее устройство (10) обеспечивает равномерное распределение жгута вокруг трубы. На пятом столе (11) наматывается наружный слой стеклоленты как на первом столе (3), но в противоположном направлении. На шестом столе (12) с помощью деревянных лопаток (13) снимаются натеки смолы, и происходит намотка целлофановой ленты (14). Неотвержденная труба разрезается в местах стыка оправок и направляется в вертикальные паровые сушилки для отверждения.

Более просты по устройству установки непрерывного действия (рис. 7.33) с планетарной намоткой на оправку (2).

Осевое перемещение формуемой трубы без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря использованию продольных лент из стеклоткани (3), на которые наносится связующее из форсунок (4). С вращающихся планшайб (5) производится спиральная намотка стеклоленты (8) с бобин (6). Форсунки (7) наносят связующее на первый слой стеклоленты. Особенностью этой установки является использование токов высокой частоты от генератора (1). Высокочастотное электрическое поле в отвержденном материале создается между оправкой (2) и формующими роликами-электродами (9).

Аналогичным образом осуществляется производство труб большого диаметра на установке, показанной на рис. 7.34, у которой отверждение связующего происходит в термокамере.

Рис. 7.34. Схема горизонтальной установки для производства стеклопластиковых труб большого диаметра методом намотки (обозначение – продолжение рис. 7.33): 10, 14 – бобины со стеклолентой;

11 – слои материала; 12 – кольцевые каретки; 13 – валковые накопители; 15 – термокамера; 16 – готовая труба.

Широкое распространение получило производство бипластмассовых труб, когда выходящая из экструдера термопластовая труба после охлаждения служит движущейся оправкой для намотки наружных слоев стеклопластика. Таким методом выпускаются трубы диаметром до 1000 мм.

Конструкции оправок для получения намоточных изделий весьма разнообразны: от простых стержней-труб до чрезвычайно сложных разборных, предназначенных для намотки нецилиндрических оболочек с поперечными размерами до 10 м.

В зависимости от способа снятия готового изделия оправки делятся на следующие типы: неразборные, разборные, разрушаемые, эластичные, выплавляемые и растворимые или сочетающие элементы выше указанных типов (рис. 7.35)

Рис. 7.35. Типы оправок: а – неразборная сплошная; б – неразборная сварная;

в – разборная; г - эластичная раздуваемая; д – удаляемая (разрушаемая)