Полимерные двигатели


Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы

Автор - Сергей Потупчик (serj)

Вступление

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) мы получили возможность использовать литиевые аккумуляторы. При сравнимом весе одного элемента они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH емкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3.6V/элемент вместо 1.2V. Так что для большинства моделей достаточно батареи из двух или трех элементов.

Среди литиевых аккумуляторов различают два основных типа - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo, Li-Po или Li-Pol). Разница между ними – в типе используемого электролита. В случае LiIon – это гелевый электролит, в случае LiPo – специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Но для использования в силовых установках моделей наибольшее распространение получили литий-полимерные аккумуляторы, так что в дальнейшем разговор пойдет именно о них. Впрочем, жесткое разделение тут весьма условно, так как оба типа отличаются в основном используемым электролитом, и все, что будет сказано про литий-полимерные аккумуляторы, практически в полной мере относится и к литий-ионным (заряд, разряд, особенности эксплуатации, техника безопасности). С практической точки зрения нас волнует только тот момент, что литий-полимерные аккумуляторы в настоящий момент обеспечивают более высокие разрядные токи. Поэтому на модельном рынке в качестве источника энергии для силовых установок в основном предлагают именно их.

Основные характеристики

Литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd в 4-5 раз, NiMH в 3-4 раза. Количество рабочих циклов 500- 600, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20% (для сравнения - у NiCd- 1000 циклов, у NiMH – 500). Вообще говоря, каких–либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Так же, как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению. Через 2 года батарея теряет около 20% ёмкости.

Из всего многообразия силовых литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстроразрядные (Hi discharge) и обычные. Отличаются они между собой максимальным разрядным током - его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой букой «С». Например, если ток разряда 3С, а емкость аккумулятора – 1 Ач, то ток будет равен 3 А.

Максимальный ток разряда обычных аккумуляторов, как правило, не превышает 3С, некоторые производители указывают 5С. Быстроразрядные аккумуляторы допускают ток разряда до 8-10С. Такие аккумуляторы несколько тяжелее своих слаботочных собратьев (примерно на 20%), и в названии у них после цифр емкости присутствуют буквы HD или HC, например KKM1500 – обычный аккумулятор емкостью 1500 мАч, а KKM1500HD – быстроразрядный. Хочется сразу сделать небольшое замечание для любителей экспериментов. В бытовой технике быстроразрядные аккумуляторы не применяются. Поэтому если вас посетит идея добыть по дешевке аккумулятор из сотового телефона или видеокамеры, то на хороший результат тут рассчитывать сложно. Скорее всего, такая батарея очень быстро умрет из-за нарушения предусмотренных режимов эксплуатации.

Области применения и стоимость

Применение литий-полимерных аккумуляторов позволяет решить две важные задачи - увеличить время работы мотора и снизить вес батареи.

При замене батареи 8.4 V NiMH 650 мАч двумя обычными, не быстроразрядными литиевыми аккумуляторами емкостью 2 А*ч, получаем батарею в 3 раза большей емкости, легче на 11 г и с несколько меньшим напряжением (7.2 вольта)! А если использовать быстроразрядные аккумуляторы, вот тогда и большие самолеты могут летать, не уступая в энерговооруженности ДВСу. В подтверждение этому, 7-е место в первенстве мира по пилотажным моделям F3A занял американец на электролете. Причем это была не маленькая жужжалка, а нормальный двухметровый самолет, как у остальных участников, имевших модели с двигателями внутреннего сгорания!

Очень хорошо зарекомендовали себя литий-полимерные аккумуляторы на небольших вертолетах, таких, как Piccolo или Hummingbird - например, даже при использовании стандартного коллекторного мотора время полета на двух банках емкостью 1 Ач составляет более 25 минут! А при замене мотора на бесколлекторный - более 45 минут!

И, конечно, литиевые аккумуляторы просто незаменимы, когда речь идет о комнатных самолетах весом 4-20 г. В этой области NiCd с ними сравниться не может - просто нет таких батарей (например, вес 45 мАч банки-1 г, 150 мАч - 3.2 г), которые при столь малом весе давали бы необходимую мощность - пусть даже в течение 1 минуты!

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают Ni-Cd - это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. Но прогресс идет вперед, и, может быть, через пару лет мы услышим про новые успехи в этой области - ведь 2 года назад про быстроразрядные литиевые аккумуляторы тоже никто не слышал...

Вот, для примера, основные характеристики LiPo аккумуляторов Kokam:

Kokam 145 145 27.5х20.4х4.3 3.5 0.7A, 5C
Kokam 340SHC 340 52x33x2.8 9 7А, 20С
Kokam 1020 1020 61x33x5.5 20.5 3А, 3С
Kokam 1500HC 1500 76x40x6.5 35 12А, 8С
Kokam 1575 1575 74x41x5.5 32 7А, 5С

По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH.

Производители

В настоящее время существует несколько фирм-производителей литий- полимерных аккумуляторов. Лидером по количеству выпускаемых аккумуляторов и одним из первых по качеству является Kokam. Также известны фирмы Thunder Power, I-Rate , E-Tec, и Tanic (предположительно, это второе название Thunder Power или же это один из продавцов Thunder Power под своим названием). Посмотреть типы Kokam-а можно на сайте www.fmadirect.com, батареи разных производителей предлагаются на сайте www.b-p-p.com и www.lightflightrc.com.

Есть еще Platinum Polymer, предлагаемый на сайте www.batteriesamerica.com, предположительно - это другое название I-Rate .

Ассортимент емкости аккумуляторов весьма широк – от 50 до 3000мАч. Для получения больших емкостей используют параллельное соединение аккумуляторов.

По форме все батареи плоские. Как правило, их толщина меньше самой короткой стороны более чем в 3 раза, и выводы делаются с короткой стороны в виде плоских пластин.

I-Rate, насколько мне известно, быстроразрядных аккумуляторов пока не делает, и их аккумуляторы имеют одну особенность: один из электродов у них алюминиевый, и паять его проблематично. Это делает их неудобными при самостоятельной сборке батареи.

Аккумуляторы E-Tec - нечто среднее, они не заявлены как быстроразрядные, но ток их разряда выше, чем у обычных – 5-7С.

Лидерами по популярности являются Kokam и Thunder Power, причем Kokam в основном используют в легких и средних моделях, а Thunder Power на средних, больших и гигантских (более 10 кг!). Очевидно, это обусловлено ценой и наличием в ассортименте мощных сборок - до 30 вольт и 8Ач емкостью. Далее идут Tanic и E-tec, а вот про I-rate упоминаний мало. Platinum Polymer популярен почему-то только в Америке, причем используют его почти исключительно на медленных слоуфлаерах.

Зарядка литий-полимерных аккумуляторов

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму - заряд от источника постоянного напряжения 4.20 вольт/элемент с ограничением тока в 1С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда - не хуже 0.01 в/банку.

Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники, в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные - в ценовой категории 120-400$, предназначенные для различных типов аккумуляторов, в том числе и для LiPo и Li-Ion.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками. Достоинство таких зарядных устройств - низкая цена. Главный недостаток – некоторые из них не умеют правильно показывать окончание заряда. Они показывают лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости. Для полного окончания заряда надо еще подождать минут 30-40.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток и емкость (мАч), которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор.

При использовании зарядного устройства самое главное - правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда. Ток заряда, как правило, равен 1С.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случается или пожар, или аккумулятор «умирает».

Перечислим их в порядке убывания опасности:

  1. Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.
  2. Короткое замыкание аккумулятора.
  3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
  4. Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/банку.
  5. Нагрев аккумулятора выше 60°С.
  6. Разгерметизация аккумулятора.
  7. Хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных - к полной или частичной потере емкости.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи (из-за этого у моего друга обгорел стол, на котором заряжались аккумуляторы, и занавеска) и контролировать ток, потребляемый мотором на «полном газу». Кроме того, не рекомендуется на модели закрывать аккумуляторы со всех сторон от поступления потока воздуха, а если это невозможно, то следует предусмотреть специальные каналы для охлаждения.

В случаях, когда ток, потребляемый двигателем, составляет более 2С, а аккумулятор на модели закрыт со всех сторон, после 5-6 минут работы мотора следует его остановить, а затем вытащить и потрогать аккумулятор - не слишком ли горячий. Дело в том, что после нагрева выше определенной температуры (около 70 градусов) в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть.

Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно умрет из-за переразряда ...Отсюда следует второе важное правило: следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте аккумулятор после работы!

Некоторые регуляторы скорости (особенно этим грешат Jeti) не прекращают потребление тока после выключения штатного выключателя. Что заставило чехов принять такое странное решение – не знаю. Но факт остается фактом, практически все модели контроллеров для бесколлекторных моторов Jetti (включая и новую серию "Advanced"), в которых есть BEC, то есть стабилизатор питания приемника и машинок от силового питания, не обеспечивают полное обесточивание цепи штатным выключателем. Отключаются только приемник и сервомашинки, а контроллер продолжает потреблять ток около 20 мА. Это особенно опасно, так как не видно, что питание включено, машинки стоят, мотор молчит... И если забыть о подключенном аккумуляторе на сутки-другие, то окажется, что с ним можно попрощаться - не любит литий глубокого разряда.

Конечно, следует помнить о том, что контроллер двигателя должен уметь работать с литиевыми аккумуляторами, то есть иметь регулируемое напряжение отключения двигателя. И надо не забывать программировать контроллер на нужное количество банок. Впрочем, сейчас появилось новое поколение контроллеров, которые автоматически определяют количество подключенных банок.

Разгерметизация – еще одна причина выхода литиевых аккумуляторов из строя, поскольку внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки), в результате удара или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод - не ронять с большой высоты и паять аккуратно.

Хранение аккумуляторов, судя по рекомендациям производителей, следует производить в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температурах не выше 20°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы - как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка батареи

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква P (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, а S (serial) –последовательно. Например, "Kokam 1500 3S2P" обозначает батарею, соединенную последовательно из 3-х пар аккумуляторов, и каждая пара образована 2-мя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500мач., то есть емкость батареи будет 3000мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение – 3,7*3 = 11,1В..

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы. Особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую, и зарядный ток может превысить значение 1С. Желательно все купленные банки перед соединением разрядить до 3-х вольт током 0.1С – 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым - батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей – например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, так как различное внутреннее сопротивление приведет к разбалансировке батареи. При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов, - это может нарушить герметизацию и навсегда убить еще не успевший полетать аккумулятор. Некоторые типы аккумуляторов Kokam поставляются с уже припаянными кусочками печатной платы к выводам, для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес - около 1г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше - стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батарее, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать вывод под корень.

Нюансы применения

Итак, подчеркнем еще раз самые важные моменты, связанные с использованием литий-полимерных аккумуляторов.

  • Используйте нормальный зарядник.
  • Применяйте разъемы, исключающие возможность замыкания батареи.
  • Не превышайте допустимые токи разряда.
  • Следите за температурой аккумулятора при отсутствии охлаждения.
  • Не разряжайте аккумулятор ниже напряжения 3 V/банку (не забывать отключать аккумулятор после полета!).
  • Не подвергайте батарею ударам.

Приведем еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд.

При больших зарядных токах (2 А и более) использование тонких проводов от зарядника до батареи, а также подключение «крокодилами» а не штатными разъемами батареи к заряднику приводят к паразитному падению напряжения в контактах и проводах, зарядник раньше переходит в режим стабилизации напряжения, что увеличивает время заряда. Например, на заряднике "Triton" при использовании штатных проводов с «крокодилами» время заряда на токе 1.5 А увеличивается на 20 минут по сравнению с толстыми (1 кв.мм) проводами без «крокодилов».

При использовании коллекторных моторов нужно не допускать ситуаций, когда мотор застопорен (например, модель лежит на земле), а на передатчике дан полный газ. Ток при этом слишком велик, и мы рискуем взорвать батарею (если раньше не сгорит мотор или регулятор). Эта проблема неоднократно обсуждалась в форумах RC Groups. Большинство регуляторов для коллекторных моторов выключают мотор при потере сигнала от передатчика, и, если ваш регулятор умеет это делать, я бы советовал выключать передатчик, если модель упала, например, в траву далеко от вас, - меньше риск при поиске модели задеть ручку газа болтающегося на ремне передатчика и не заметить этого.

В течении долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными - какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее.

Отсюда вытекает следующее правило - иногда необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи в отдельности. Для этого можно измерить его напряжение в конце заряда. Как часто? Точно это пока установить сложно - слишком мало опыта эксплуатации накоплено. Как правило, рекомендуют примерно через 40-50 циклов после начала эксплуатации раз в 10-20 циклов производить проверку напряжения элементов батареи при заряде для выявления «плохих банок».

Не рекомендуется «высаживать в ноль» батарею, гоняя мотор до тех пор, пока он не перестанет вообще вращаться. Новой батарее такое обращение не повредит, а для немного разбалансированной - это лишний риск разрядить самую «плохую банку» ниже 3-х вольт, из-за чего она еще больше потеряет емкость.

Когда емкости различаются более, чем на 20% - такую батарею без специальных мер заряжать всю целиком нельзя!

Для автоматической балансировки элементов батареи при заряде используют так называемые балансеры (balancer). Это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17 - 4.19 вольт. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17 вольт балансер замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог. По одновременности зажигания светодиодов видно, какие банки имеют меньшую емкость - на их балансере светодиод зажжется первым. К балансерам предъявляется одно важное дополнительное требование- ток, потребляемый ими от батареи в «ждущем» режиме должен быть мал, обычно он составляет 5-10 мкА.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством индикации «плохих» элементов в батарее. Вышесказанное относится к батареям, составленным из 3-х и более элементов, для 2-х баночных батарей балансеры, как правило, не применяют.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50 °С(при 0 °С сохраняется 80% емкости). Но тем не менее, летать на них при температурах около –10...-15 °С можно. Дело в том, что не надо перед полетом морозить батарею - положите ее в карман, где тепло. А в полете внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами - если их не догонят топливные элементы. По мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена будет неизбежно падать, и тогда литий станет, наконец, также распространен, как NiMH. На Западе это время уже полгода как наступило, по крайней мере, в Америке. Популярность электролетов с литий-полимерными аккумуляторами все растет. Хочется надеяться, что бесколлекторные моторы и контроллеры к ним тоже подешевеют, но в этой области прогресс снижения цен движется менее стремительно. Ведь всего два года назад задавался в форуме вопрос - «А кто- нибудь реально летает на brushless?». А про литиевые аккумуляторы тогда упоминания не было вообще...

В общем, поживем - увидим.

Обсудить на форуме

www.rcdesign.ru

Ракетный двигатель твердого топлива для реактивного снаряда, способ изготовления для соплового блока ракетного двигателя вкладышей из полимерных композиционных материалов, пресс-форма для изготовления из полимерных композиционных материалов вкладышей соплового блока ракетного двигателя

 

Использование: в военной технике, и в частности в ракетных двигателях (РД) для управляемых ракетных снарядов (РС) реактивных систем залпового огня, работающих на смесевом твердом топливе (СТТ). Сущность: в РД теплозащитные вкладыши входного и выходного конусов соплового блока СБ выполнены из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего с определенными защищаемыми величинами. При изготовлении вкладышей для СБ РД их прессование производят в три этапа при защищаемых величинах давления, температуры и времени. Пресс-форма для изготовления вкладышей выполнена со сборным пуансоном и матрицей, состоящими из двух оболочек, объединенных с радиальным зазором, величина которого защищается. 3 с.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано при разработке и создании ракетных двигателей (РД) для управляемых реактивных снарядов (РС) реактивных систем залпового огня (РСЗО), работающих на смесевом твердом топливе (СТТ).

Создание и освоение промышленностью высокоимпульсных СТТ позволили существенно повысить эффективность РД и увеличить дальность стрельбы РС. Однако с повышением эффективности двигателя применение СТТ обусловило существенное возрастание энергетической нагрузки на большинство его конструктивных элементов.

В наибольшей степени возросла интенсивность нагрузки на сопловой блок (СБ), в том числе на элементы, соприкасающиеся с высокотемпературным скоростным воздействием газового потока. К числу этих конструктивных элементов относятся докритическая и закритическая зоны СБ, т.е. входной и выходной конусы. Таким образом, решение задачи обеспечения надежной работоспособности элементов СБ в течение полного сгорания СТТ в РД является наиболее актуальным.

Анализ научно-технической литературы, периодических изданий, описаний открытий, изобретений в этой области техники показал, что докритические и закритические зона СБ РД выполняются преимущественно двухслойными в виде наружной несущей стальной конструкции и внутреннего вкладыша из специальных неметаллических материалов. Внутренние оболочки входного и выходного конусов СБ РД по своему назначению многофункциональны: защищают металлические элементы от коррозии при производственном цикле, хранении и обеспечивают тепловую защиту металла от воздействия высокотемпературного высокоскоростного газового потока, воспринимают часть механической нагрузки от воздействия давления газовой среды, вибрационной нагрузки вследствие неустойчивого горения СТТ.

Указанная многофункциональность обусловливает комплекс требований, предъявляемых к применяемым в качестве вкладышей материалом, и требует специального конструктивного и технологического решений при создании СБ к РД.

Для снижения пассивной массы РД и повышения дальности стрельбы без увеличения массы топлива каркасы выполняют из высокоупругой стали с очень тонкими стенками, и поэтому под действием внутреннего давления газов они сильно деформируются в радиальном направлении. Тогда деформативная способность вкладышей должна превышать радиальную деформацию каркаса.

Известна конструкция ракетного двигателя твердого топлива (патент США N3555958, кл. 86-1, 1971), включающая корпус из стеклопластика и СБ из асбестофенольного композиционного материала, принятая за прототип по РДТТ.

Асбо- и стеклопластики на основе эпоксидной и фенольной смол имеют недостаточную деформативность, низкую стойкость к растрескиванию и поэтому не обеспечивают надежное функционирование РД на СТТ. Низкая деформативность используемых стеклопластиков с эпоксидной и фенольной смолами обусловлена модулем упругости и относительным удлинением при растяжении, который составляет Е=20000-24000 кгс/см2 для указанных стеклопластиков.

Опыт отработки РД на РС типа "Смерч" показал, что комплексу предъявляемых технических требований отвечает композиционный пресс-материал на основе кремнеземного волокна и фенольнополиамидного связующего. Один компонент связующего (фенольная смола) отверждается по режимам реактопластов, а другой (полиамидная смола) - по режимам термопласта. Исходя из этого способ изготовления деталей соплового блока - вкладышей должен объединить два режима переработки, обеспечив нормальное отверждение обеих составляющих связующего - реактопласта и термопласта. Конструктивные особенности длинномерных тонкостенных вкладышей СБ с большим соотношением длины к толщине (15-75-кратное) и сложный комплекс требований по физико-механическим характеристикам также накладывают специфику на технологию их изготовления.

Поэтому вопросы отработки способа изготовления вкладышей СБ могут быть успешными только совместными конструкторско-технологическими решениями, технологическими приемами, последовательностью их выполнения, режимами и их взаимозависимостью, а также спецификой конструктивных решений при разработке пресс-формы.

Учитывая, что в состав выбранного пресс-материала для вкладышей входят компоненты термореактивных и термопластичных полимерных смол, в способе изготовления вкладышей должны быть фрагменты переработки реактопластов и термопластов. Поэтому в качестве прототипа для способа выбран известный способ переработки реактопластов (Брагинский В.А. Переработка пластмасс.- Л.: Химия, 1985, с.58-61; Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А. Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс .-М.: Машиностроение, 1986, с.5).

Анализируя известные способы переработки пластмасс - литье под давлением и прессование термопластов, прессование реактопластов или прессование с последующей термообработкой в печах, был сделан вывод, что получить такие изделия, как вкладыши с большим соотношением длины к толщине стенки, технически невозможно по причине неравномерного рабочего объема пресс-формы пресс-материалом со стекловолокнистым наполнителем, Это приводит к разнородности физико-механических характеристик во всем объеме одной детали и не обеспечивает надежную работоспособность РД.

В качестве прототипа к конструкции пресс-формы для изготовления вкладышей СБ РД выбраны известные пресс-формы (там же, с.241-242). Формообразующие детали матрицы и пуансоны пресс-форм могут быть конструктивно как одно целое, так и составными. Конструкцию формообразующих деталей, в том числе размеры, применяемые стали и их свойства, рассчитывают и назначают исходя из минимальных величин упругой деформации. Такое исполнение пресс-форм не позволяет создать эффект радиального давления на прессуемую деталь упругим последействием, так как технологическая усадка пресс-материала может превысить величину упругой радиальной деформации инструмента. Следовательно, пресс-формы такого исполнения не могут применяться для изготовления вкладышей СБ РД.

Целью изобретения является повышение надежности функционирования РД за счет исполнения вкладышей из композиционного материала со специальными свойствами, рационального способа и оптимизации режимов переработки материалов в пресс-форме, обеспечивающих сохранность физико-механических свойств исходного материала в готовом изделии.

Цель достигается за счет того, что в предлагаемом РД на СТТ, содержащем корпус, днище и сопловой блок, внутренняя поверхность которого армирована теплозащитными вкладышами, сами вкладыши входного и выходного конусов СБ выполнены из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего с модулем упругости 12000-15000 кгс/см2, при этом композиционный материал выполнен со скоростью эрозионного уноса, составляющей 1,8-2,8 мм/с, а вкладыши размещены в каркасах входного м выходного конусов без зазора, причем толщина стенки вкладыша определяется по формуле: S= KVt, где S - толщина стенки вкладыша, мм; K - эмпирический коэффициент запаса прочности, равный 3-8; V - скорость эрозионного уноса материала вкладыша, мм/с; t - время горения топлива в двигателе, с.

Кроме того, в способе изготовления для СБ предлагаемого РД вкладышей из полимерных композиционных материалов, основанном на нагреве, формовании, отверждении и охлаждении вкладышей, прессование их производят в три этапа: сначала материалу придают необходимую геометрическую форму вкладыша путем размещения его в рабочей полости пресс-формы под воздействием переменного удельного давления с постепенным возрастанием его до 60 МПа только в осевом направлении, а также с одновременным повышением температуры от 20 до 1600oC в течение 0,2-0,3 ч, затем выдерживают вкладыш при давлении 30-60 МПа и температуре 160-170oC в течение 0,5-1 ч, после, чего снимают воздействие давления в осевом направлении и выдерживают вкладыш с приложением давления 2-5 МПа только в радиальном направлении при температуре 160-170oC в течение 2-3 ч, а после охлаждения пресс-формы до 40oC извлекают из нее готовый вкладыш.

Вместе с тем в пресс-форме для изготовления из полимерных композиционных материалов вкладышей СБ РД, содержащей пуансон, матрицу, крепежные плиты и нагревательные элементы, пуансон и матрица выполнены сборными из двух оболочек, объединенных между собой с радиальным зазором, численно равным 0,5-0,9 упругой деформации стали с переменным по толщине инструмента модулем упругости от 2,8106 кгс/см2 в объеме, близком к оформляющим поверхностям до 2,0106 кгс/см2 во всем остальном внутреннем объеме инструмента.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый РД отличается oт известного тем, что в нем теплозащитные вкладыши входного и выходного корпусов СБ выполнены из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего с модулем упругости 12000-15000, при этом композиционный материал выполнен со скоростью эрозионного уноса, составляющей 1,8-2,8 мм/с, а вкладыши размещены в каркасах входного и выходного конусов без зазора, причем толщина стенки вкладыша определяется по формуле S=KVt.

Кроме того, сопоставительный анализ заявляемого способа изготовления вкладышей СБ для РБ из полимерных композиционных материалов показывает, что он отличается от известного тем, что в нем прессование вкладыша производят в три этапа: сначала материалу придают необходимую геометрическую форму вкладыша путем размещения его в рабочей полости пресс-формы под воздействием переменного удельного давления только в осевом направлении с возрастанием его до 60 МПа, а также с одновременным повышением температуры от 20 до 160oC в течение 0,2-0,3 ч, затем выдерживают вкладыш при давлении 30-60 МПа и температуре 160-170oC в течение 0,5-1 ч, после чего снимают воздействие давления в осевом направлении и выдерживают вкладыш с приложением давления 2-5 МПа только в радиальном направлении при температуре 160-170oC в течение 2-3 ч, а после охлаждения пресс-формы до 40oC извлекают из нее готовый вкладыш.

Вместе с тем сопоставительный анализ заявленной пресс-формы для изготовления из полимерных материалов вкладышей СБ РД показывает, что она отличается от известной тем, что в ней пуансон и матрица выполнены сборными из двух оболочек объединенных между собой с радиальным зазором, численно равным 0,5-0,9 упругой деформации с переменным по толщине инструмента модулем упругости от 2,8106 кгс/см2 в объеме, близком к оформляющим поверхностям, до 2,0106 кгс/см2 - во всем остальном внутреннем объеме инструмента.

Учитывая изложенное, данные технические решения отвечают критерию "новизна".

Для определения соответствия изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен анализ признаков выявленных аналогов. Учитывая, что предлагаемые технические решения обладают новой совокупностью признаков, которые для специалиста явным образом не следуют из существующего уровня техники, оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен общий вид РД; на фиг.2 - схема сил и деформаций СБ от воздействия газовой среды при размещении вкладыша в каркас в радиальным зазором; на фиг.3 - схема сил и деформаций СБ от воздействия газовой среды при размещении вкладыша в каркасе без зазора, где А, К, Б - докритическая, критическая и закритическая зоны СБ соответственно; P - внутреннее давление газовой среды; Qт - сила трения истекающих газов о внутреннюю поверхность вкладыша; Qр - реактивная сила двигателя; на фиг.4 - устройство пресс-формы для изготовления вкладышей и положение ее элементов в начале прессования; на фиг.5 - то же, в конце прессования.

Ракетный двигатель содержит корпус 1 (фиг. 1), сопловой блок 2, состоящий из каркасов 3 и 4 входного и выходного конусов соответственно, вкладышей 5 и 6 входного и выходного конусов соответственно, беззазорное соединение которых достигается с помощью клея 7, смесевое твердое топливо 8 и днище 9. Изготовление вкладышей в соответствии с предлагаемым способом осуществляется с помощью пресс-формы, которая состоит из сборной матрицы, включающей обойму 10 (фиг.4) и оболочку 11 сборного пуансона, включающего основание 12 и оболочку 13, крепежных плит 14 и 15, нагревательных элементов 16,17,18, направляющих колонок 19 и втулок 20 и толкателя 21. Пуансон и матрица содержат оболочки 13 и 11 соответственно, обеспечивающие двухстороннее радиальное удельное давление в результате упругого последствия по мере прекращения осевого давления на пресс-материал. Оболочки матрицы и пуансона размещены соответственно в обойме 12 с радиальным зазором, численно равным 0,5-0,9 величины упругой деформации металла оболочек 11 и 13. Оболочки выполнены из стали с переменным значением модуля упругости от 2,8106 кгс/см2 в объеме, близком к оформляющим поверхностям, до 2,0 - 106 кгс/см2 - внутри всего объема.

Возникновение радиального давления на пресс-материале описывается следующей схемой. На стадии формирования детали - вкладыша 22 (фиг.4) пока пресс-материал находится в вязкопластичном состоянии под действием пресса в осевом направлении внутри пластичного жидкотекучего пресс-материала, давление по законам гидростатически передается во всех направлениях, и в результате оболочки 11 и 13 деформируются в области упругих деформаций (оболочка 11 матрицы - расширяется, оболочка 13 пуансона - сжимается). После частичного отверждения пресс-материала осевое давление от пресса не передается на всю длину рабочего объема пресс-материала и дальнейшее воздействие этого давления нецелесообразно, так как оно не выполняет своего назначения. Поэтому на стадии начала отверждения пресс-материала воздействие осевого давления прекращают и начинают воздействие радиальным давлением за счет упругого возвращения (последействия) оболочек матрицы и пуансона в исходное состояние. Величина радиального давления прямо пропорциональна относительному упругому удлинению и модулю упругости стали, из которой изготовлены оболочки пуансона и матрицы. Предельно возможная радиальная деформация определяется величиной начального радиального зазора 25 (фиг.5) между контактируемыми поверхностями оболочки 13 и основания 12 пуансона, зазора 24 оболочки 11 и обоймы 10 матрицы. Опыт отработки показал, что оптимальное значение этого зазора должно быть численно равным 0,5-0,9 от величины упругой деформации стали. Превышение этого значения более 0,9 вызовет пластическую деформацию инструмента и его малую стойкость, а при значении менее 0,5 - не обеспечивается достаточная величина давления, так как величина упругого последействия сопоставима со значением усадки материал. Повышенную деформативность оболочек пуансона и матрицы обеспечивает приданием инструменту переменного модуля упругости от 2,8106 кгс/см2 в объеме, близком к оформляющей поверхности, до 2,0 106 кгс/см2 - во всем объеме металл. Большой модуль упругости обеспечивает необходимую износостойкость работы пресс-формы, а меньший модуль внутри материала обеспечивает повышенную деформативность оболочек. Достигают это преимущественно путем поверхностной закалки оболочек с нагревом токами высокой частоты и быстрым охлаждением.

Заявляемый РД работает следующим образом.

При воспламенении СТТ 8 (фиг.1) в РД возникает давление P, действующее на корпус 1, и вкладыши 5 и 6, объединенные с каркасами 3 и 4 входного и выходного конусов СБ соответственно. Под действием внутреннего давления как результирующего воздействия всех сил (фиг.2а,3а) происходит деформация вкладышей 5 и 6 и каркасов 3 и 4 входного и выходного конусов СТ РД. Как видно из фиг.2б,2в, где изображены эпюры деформации вкладышей 5,6 и каркасов 3,4, в случае их объединения с зазором их объединения с зазором, при выборе зазора под действием внутреннего давления величина деформации вкладышей 5,6 возрастает на величину начального зазора. При размещении вкладышей 5,6 беззазорно за счет клея деформация из снижается на величину заполненного на величину заполненного клеем зазора (фиг.3б).

Из проведенного анализа вытекает, что деформативные свойства материала вкладышей 5,6 должны превышать упругую деформацию каркасов 3,4, достигающую при максимальном значении газовой среды (Pmax). Наличие радиального зазора между вкладышами 5,6 и каркасами 3,4 нежелательно, так как повышает деформацию вкладышей 5,6 и не обеспечивает их необходимого сцепления с каркасами 3,4 соответственно, а следовательно, не обеспечивает крепление вкладышей 5,6 и их демонтаж от воздействия сдвиговой силы трения (Qт) газов о внутреннюю поверхность вкладышей 5,6 и от силы стартовой перегрузки (Qс).

Указанные выводы были экспериментально подтверждены при отработке РД на СТТ. Для этого были изготовлены и проверены в составе двигателя первые вкладыши из стеклопластика с весьма ограниченными деформативными свойствами (стеклопластик на основе фенольного связующего с модулем упругости Е=22000 кгс/см2 и вторые - из стеклопластика с достаточно высокими деформативными свойствами (стеклопластик на основе фенольно-полиамидного связующего с модулем упругости Е= 13000 кгс/см2). Вкладыши были вмонтированы в каркасы корпусов СБ без зазора на клее-кoмпаунде.

Первые вкладыши при работе РД разрушились, а вторые из стеклопластика с модулем упругости 13000 кгс/см2 прошли испытания с положительными результатами без разрушения. Необходимо отметить, что вкладышем, помещенные в каркас даже с локальными радиальными зазорами, в процессе стендовых испытаний были разрушены.

Все вкладыши были выполнены по единому способу изготовления с применением одной и той же конструкции пресс-формы, описанных выше и заявляемых в качестве изобретения.

Способ изготовления для СБ РД вкладышей из полимерных композиционных материалов с применением предлагаемой пресс-формы осуществляют следующим образом.

Дозированный по массе полимерный композиционный материал 23 (фиг.5) на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего - материал марки П-5-2 (ТУ 6-05-51-37-84) - загружают в рабочую полость пресс-формы, т.е. в оболочку 11 матрицы (фиг.5, левая часть). При этом материал и оболочки 11, 13 матрицы и пуансона имеют температуру окружающей среды (20-35oC). Между оболочкой 11 и обоймой 10 матрицы, а также между оболочкой 13 и основанием 132 пуансона имеет место зазор 24 и 25 (фиг.5, левая сторона).

Затем пресс-форму закрывают (фиг. 5, правая сторона). При этом под действием возрастающего осевого давления Qo пресса пуансон своим нижним торцом 27 воздействует на пресс-материал 23, создавая переменное удельное давление прессования, возрастающее от 0 до максимального технологического давления 60 МПа. Одновременно с ростом удельного давления происходит нагрев пресс-материала посредством нагревателей 16,17,18 от температуры окружающей среды до максимального технологического значения 160oC в течение 0,2-0,3 ч.

По мере нарастания температуры и давления в течение 0,2-0,3 ч материал размягчается и заполняет рабочую полость пресс-формы, образуемую внутренней поверхностью оболочки 11 матрицы и наружной поверхностью оболочки 13 пуансона, продвигаясь навстречу движению пуансона. После заполнения всей рабочей полости пресс-формы в расплавленном материале 22 создается внутреннее давление, которое по закону гидростатики передается равномерно по всем направлениям. Под воздействием радиальной составляющей этого давления оболочка 11 матрицы расширяется, а оболочка 13 пуансона сжимается на величину радиального зазора, численно равного 0,5-0,9 величины упругой деформации стали оболочек 11 и 13 (на правой части фиг.5 зазоры не показаны).

К моменту полного заполнения пресс-материалом рабочей полости пресс-формы происходит оформление геометрической формы изделия 22 (фиг.5, правая часть), а пуансон нижним торцом 27 через слой 26 взаимодействует с торцем толкателям 21, который воспринимает на себя осевое усилие пресса. После этого начинается воздействием на пресс-материал радиального давления от возрастающихся в исходное положение оболочек 11 и 13 матрицы и пуансона.

В этой стадии прессования, даже при передаче осевого усилия Qо от включенного пресса, осевое давление на пресс-материале не может передаваться по причине затвердевания облоя и частичного отверждения пресс-материала на поверхности нижних слоев детали, а необходимое качество детали по всему объему обеспечивается воздействием на пресс-материал давления в радиальном направлении за счет упругого последействия оболочек пуансона и матрицы. В этих условиях деталь 22 выдерживают 2-3 ч под давлением 2-5 МПа при температуре 160-170oC.

Способ в соответствии с настоящим техническим решением реализован при изготовлении вкладышей соплового блока изд. 9Д167. Для изготовления применен пресс-материал П-5-2 (ТУ 6-05-51-37-84).

Порядок и параметры изготовления вкладышей сведены в таблицу.

Итак, описание конструкции РД и способа изготовления для его соплового блока вкладышей из полимерных композиционных материалов с применением пресс-формы подтверждают возможность осуществления изобретения и получения от его применения конкретного технического эффекта.

Для производства РД к изделию "Смерч" подготовлен комплект конструкторской и технологической документации как непосредственно для РД, так и для изготовления вкладышей к его СБ по описанному способу с применением пресс-формы, а также производственная база на одном из предприятий Государственного комитета по оборонным отраслям промышленности для серийного изготовления.

1. Ракетный двигатель твердого топлива для реактивного снаряда, содержащий корпус, днище и сопловой блок, внутрення поверхность которого армирована теплозащитными вкладышами, отличающийся тем, что в нем теплозащитные вкладыши входного и выходного конусов соплового блока выполнены из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего с модулем упругости 12000 15000 кгс/см2, при этом композиционный материал выполнен со скоростью эрозионного уноса, составляющей 1,8 2,8 мм/с, а вкладыши размещены в каркасах входного и выходного конусов без зазора, причем толщина стенки вкладыша определяется по формуле S K v t, где S толщина стенки вкладыша, K 3 8, эмпирический коэффициент запаса прочности, v скорость эрозионного уноса материала вкладыша, t время горения топлива в двигателе.

2. Способ изготовления для соплового блока ракетного двигателя вкладышей из полимерных композиционных материалов, основанный на нагреве, формовании, отверждении и охлаждении вкладышей, отличающийся тем, что прессование их производят в три этапа, сначала материалу придают необходимую геометрическую форму вкладыша путем размещения его в рабочей полости пресс-формы под воздействием переменного удельного давления с постепенным возрастанием его до 60 МПа только в осевом направлении, а также с одновременным повышением температуры от 20 до 160oС в течение 0,2 0,3 ч, затем выдерживают вкладыш при давлении 30 60 МПа и температуре 160 170oС в течение 0,5 - 1 ч, после чего снимают воздействие давления в осевом направлении и выдерживают вкладыш с приложением давления 2,5 МПа только в радиальном направлении при 160 170oС в течение 2 3 ч, а после охлаждения пресс-формы до 40oС извлекают из нее готовый вкладыш.

3. Пресс-форма для изготовления из полимерных композиционных материалов вкладышей соплового блока ракетного двигателя, содержащая пуансон, матрицу, крепежные плиты, толкатель и нагревательные элементы, отличающаяся тем, что в ней пуансон и матрица выполнены сборными из двух частей, объединенных между собой с радиальным зазором 0,5 0,9 величины упругой деформации стали, с переменным по толщине инструмента модулем упругости от 2,8 106 кгс/см2 в объеме, близком к оформляющим поверхностям до 2,0 106 кгс/см2 во всем остальном внутреннем объеме инструмента.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

www.findpatent.ru

способ изготовления корпуса ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов и корпус ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов - патент РФ 2505696

При изготовлении корпуса ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов наматывают силовую оболочку в виде кокона спирально-кольцевой намоткой из жгутов арамидных волокон, а перед задним удаляемым днищем на цилиндрической части нарезают резьбу для соединения с сопловым блоком двигателя. Намотку кокона завершают двойным спиральным слоем наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы и не превышающим средний диаметр резьбы. В зоне нарезаемой впоследствии резьбы в арамидных волокнах проминают винтовую канавку с шагом, равным 1,4-1,6 шага резьбы кокона намоткой с максимальной силой натяжения сухого, предварительно скрученного, стекложгута диаметром сечения, превышающим четверть шага его намотки и не превышающим половину шага. Затем поверх сухого стекложгута наматывают сплошные слои пропитанного стекложгута с шагом, равным шагу резьбы, до наружного диаметра, превышающего наружный диаметр резьбы, причем намотку стекложгутов осуществляют с направлением, совпадающим с направлением резьбы кокона. Другое изобретение группы относится к корпусу ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов. Корпус содержит силовую оболочку в виде кокона без заднего днища, выполненного спирально-кольцевой намоткой из арамидных жгутов, пропитанных эпоксидным связующим, и сопловой блок, скрепленный с силовой оболочкой резьбовым соединением. Наружный арамидный слой кокона выполнен двойным спиральным. Витки резьбы кокона выполнены преимущественно из непрерывных, пропитанных эпоксидным связующим, стекловолокон, снабженных в зоне над внутренним диаметром резьбы расположенными в различных направлениях отрезками волокон арамида и стекловолокон, образованными проминанием не совпадающих с шагом резьбы канавок в арамидном слое намотанным стекложгутом с последующей нарезкой резьбы с частичным перерезанием этих волокон. Резьбовое соединение зафиксировано эластичным клеем, армированным ворсами арамидных волокон, образованными при упомянутом их перерезании. Группа изобретений позволяет повысить технологичность изготовления корпуса ракетного двигателя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Группа изобретений относится к области ракетного машиностроения, в частности к производству разъемных корпусов из композитов ракетных двигателей твердого топлива, соединяемых по резьбе после заполнения их топливом.

Известен способ изготовления корпуса и корпус в виде кокона по патенту RU № 2144644 от 14.05.1998 г., МПК7 F17C 1/00, B21D 51/24. Корпус разрезают перпендикулярно продольной оси, потом соединяют.

Известен корпус из полимерных композиционных материалов и способ намотки кокона по патенту США № 3258379 от 26.06.61 г. НКИ 156-175.

Известен корпус из полимерных композиционных материалов и способ намотки многослойной силовой оболочки по патенту Франции № 2088342 от 30.04.71 г. МПК В29С 27/00.

Известен корпус в виде кокона по патенту RU № 2049289 от 16.10.1992 г., МПК7 F17C 1/00.

Известен корпус из полимерных композиционных материалов по патенту RU № 2266459 от 05.12.2003 г., МПК7 F16L 13/10.

Известен корпус ракетного двигателя из композиционных материалов по патенту RU № 2339830 от 30.01.2007 г., МПК7 F02K 9/34.

Известен корпус ракетного двигателя из композиционных материалов типа «Кокон» по патенту RU № 232050 от 01.06.2006 г., МПК7 F02K 9/34.

Известен ракетный двигатель твердого топлива, выполненный из композиционного материала по патенту RU № 2117808 от 10.04.97, МПК7 F02K 9/08.

Известные устройства и известный способ определяют общий уровень техники и не являются особо релевантными, поэтому предлагаемыми решениями устраняются недостатки общего известного уровня техники.

Недостатками общего известного уровня техники для способа является низкая технологичность изготовления корпуса, в частности низкая технологичность и качество резьбы для соединения частей корпуса. При использовании металлической резьбовой втулки с наружной резьбой недостатком является низкая технологичность ее вматывания, а также низкая надежность работы в условиях высокого внутреннего давления из-за концентратора напряжений на границе композита с металлом. При нарезании резьбы непосредственно на силовой оболочке недостатком является низкая технологичность мехобработки композита на основе арамидных волокон, пропитанных эпоксидным связующим. Волокна не перерезаются, а разрываются и разлохмачиваются с большим количеством ворсов, которые приводят к заклиниванию в соединяемых по резьбе деталях. При нарезании резьбы на подмоте стеклопластиковым жгутом недостатком является низкая надежность ее работы, так как основной вид ее нагружения, при отсутствии волокон арамида частично радиального направления - межслоевой срез, то есть практически срез по низкопрочному связующему, даже когда шаг намотки совпадает с шагом резьбы, и гребни резьбы выполнены из непрерывных стекловолокон. При нарезании резьбы после проминания канавок в спиральном арамидном слое намоткой стекложгута с шагом, равным шагу резьбы, недостатками являются низкая технологичность из-за избыточного количества ворсов при попадании режущего инструмента между канавками проминания и низкая надежность работы резьбы из-за отсутствия ворсов при попадании режущего инструмента в канавки. Нарезание резьбы с попаданием в зону образования оптимального количества ворсов, необходимых для армирования клеевого соединения резьбы при сборке корпуса, практически невозможно. При про-минании канавок в спиральном арамидном слое намоткой стекложгута недостатком является низкая эффективность проминания из-за раскладки пропитанного жгута в ленту. При использовании сухого жгута недостатком является (хотя и в значительно меньшей степени) также раскладка нескрученного жгута (ровинга) и низкое контактное давление из-за низкого усилия натяжения жгута. Низкая эффективность проминания обусловлена еще и высокой плотностью завершающего арамидного спирального слоя из-за высокого контактного давления при намотке его волокон с углом, превышающим минимально возможный по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке, так как контактное давление пропорционально Sin2 , где - угол намотки жгутов спирального слоя, и усилию натяжения, то есть низкая эффективность проминания обусловлена еще и низкой разностью оптимального натяжения спиральных жгутов арамидного слоя и натяжения проминающего жгута (см стр.203 книги «Технология ракетных аэродинамических конструкций из полимерных композиционных материалов», Буланов И.М., Воробей В.В., 1998 г., Москва, изд. МГТУ им. Баумана). Также недостатком является неудовлетворительная форма промятых канавок арамидного слоя из-за неоптимального соотношения размера сечения и шага намотки проминающего жгута. Кроме того, недостатком способа является неудовлетворительное качество низкоэластичного клеевого соединения резьбы корпуса из-за неудовлетворительной пропитки клеем с высокой реологической вязкостью арамидных ворсов, а также неравномерное нагружение витков резьбы.

Недостатками общего известного уровня техники для устройства является низкая надежность его работы в условиях высокого внутреннего давления из-за низкой надежности работы резьбы кокона на срез, при отсутствии в зоне среза, совпадающего с внутренним диаметром резьбы, армирующих волокон частично радиального направления, и при отсутствии связи клеевого соединения резьбы с силовой оболочкой кокона, также недостатком является низкое качество витков резьбы из-за отсутствия монолитности их армирующих волокон на всем их протяжении, а также недостатком является низкая технологичность расположения арамидных волокон в зоне среза резьбы в частично радиальном направлении путем проминания этих волокон намоткой стекложгута из-за высокой плотности арамидных волокон при спиральной намотке арамидных волокон с углом, превышающим минимально возможный по условию расположения их на оправке близкого к геодезическому. Кроме того, недостатком является низкая надежность работы резьбового соединения из-за неравномерного нагружения витков резьбы при низкой эластичности его клеевой фиксации.

Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является разработка и создание высокотехнологичных корпусов ракетных двигателей высокого качества с повышенной надежностью работы в условиях высокого внутреннего давления.

Технический результат для способа, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в следующем:

- в повышении технологичности корпуса за счет исключения вматывания металлической резьбовой втулки с наружной резьбой, а также в повышении надежности работы корпуса в условиях высокого внутреннего давления за счет исключения концентратора напряжений на границе композита с металлом;

- в повышении технологичности нарезания резьбы непосредственно на силовой оболочке за счет повышения технологичности мехобработки композита на основе арамидных волокон, пропитанных эпоксидным связующим (при которой волокна не перерезаются, а разрываются и разлохмачиваются с большим количеством ворсов, которые приводят к заклиниванию в соединяемых по резьбе деталях), так как мехобработку резьбы осуществляют не на всю ее глубину и с оптимальным количеством ворсов;

- в повышении технологичности мехобработки композита на основе арамидных волокон, пропитанных эпоксидным связующим, а также в повышении надежности работы за счет образования локальных зон с оптимальным количеством ворсов, необходимых для армирования клеевого соединения резьбы при сборке корпуса, равномерно распределенных по всему резьбовому соединению;

- в повышении технологичности нарезания резьбы за счет повышения эффективности проминания с исключением раскладки пропитанного жгута в ленту и уменьшением раскладки нескрученного жгута при повышении контактного давления, а также за счет оптимизации формы промятых канавок арамидного слоя оптимизацией соотношения размера сечения и шага намотки проминающего жгута;

- в повышении технологичности нарезания резьбы и ее качества, а также надежности ее работы, так как витки резьбы выполнены из непрерывных волокон, скрепленных с силовой оболочкой в локальных зонах высокопрочными арамидными волокнами частично радиального направления, а также с материалом клеевого соединения с оптимальным количеством разлохмаченных арамидных волокон;

- в повышении технологичности нарезания резьбы за счет повышения эффективности проминания с уменьшением степени раскладки жгута в ленту;

- в повышении эффективности проминания завершающего арамидного спирального слоя оптимизацией его плотности за счет снижения контактного давления при намотке его волокон с минимальным углом по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке;

- в повышении качества клеевого соединения за счет его армирования ворсами арамидных волокон при их пропитке клеем с низкой реологической вязкостью, а также в повышении надежности работы за счет более равномерного нагружения витков резьбы.

Технический результат для устройства, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в следующем:

- в повышении надежности работы в условиях высокого внутреннего давления за счет повышения надежности работы резьбы кокона на срез, при наличии в зоне среза, совпадающего с внутренним диаметром резьбы, армирующих волокон частично радиального направления (на боковых поверхностях промятых канавок), а также в повышении качества витков резьбы благодаря монолитности их армирующих волокон на всем их протяжении;

- в повышении надежности работы резьбы кокона на срез за счет связи клеевого соединения резьбы с силовой оболочкой кокона;

- в повышении технологичности расположения арамидных волокон в зоне среза резьбы в частично радиальном направлении путем проминания этих волокон намоткой стекложгута благодаря оптимальной плотности арамидных волокон при спиральной намотке арамидных волокон с минимально возможным углом по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке;

- в повышении надежности работы резьбового соединения за счет равномерного нагружения витков резьбы при высокой эластичности его клеевой фиксации.

Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что способ изготовления корпуса ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, при котором наматывают силовую оболочку в виде кокона спирально-кольцевой намоткой из жгутов арамидных волокон, перед задним удаляемым днищем на цилиндрической части нарезают резьбу для соединения с сопловым блоком двигателя, при этом намотку кокона завершают двойным спиральным слоем наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы и не превышающим средний диаметр резьбы, а в зоне нарезаемой впоследствии резьбы в арамидных волокнах проминают винтовую канавку с шагом, равным (1,4-1,6) шага резьбы кокона намоткой с максимальной силой натяжения сухого, предварительно скрученного, стекложгута диаметром сечения, превышающим четверть шага его намотки и не превышающим половину шага, затем поверх сухого стекложгута наматывают сплошные слои пропитанного стекложгута с шагом, равным шагу резьбы, до наружного диаметра, превышающего наружный диаметр резьбы, причем намотку стекложгутов осуществляют с направлением, совпадающим с направлением резьбы кокона. Скрутку сухого жгута выполняют из расчета (8±2) оборота на один метр. Намотку завершающего двойного спирального слоя осуществляют с минимальным углом намотки. Намотку арамидными и стекложгутами осуществляют с применением эпоксидного связующего, а резьбовое соединение корпуса и соплового блока осуществляют на эластичном клее, например, на основе полиуретана.

Отличительными признаками для способа являются следующие признаки:

- на цилиндрической части нарезают резьбу для соединения с сопловым блоком двигателя - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности корпуса за счет исключения вматывания металлической резьбовой втулки с наружной резьбой, а также в повышении надежности работы корпуса в условиях высокого внутреннего давления за счет исключения концентратора напряжений на границе композита с металлом;

- намотку кокона завершают двойным спиральным слоем наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы и не превышающим средний диаметр резьбы, а в зоне нарезаемой впоследствии резьбы в арамидных волокнах проминают винтовую канавку - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, новую последовательность и новое исполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности нарезания резьбы непосредственно на силовой оболочке за счет повышения технологичности мехобработки композита на основе арамидных волокон, пропитанных эпоксидным связующим (при которой волокна не перерезаются, а разрываются и разлохмачиваются с большим количеством ворсов, которые приводят к заклиниванию в соединяемых по резьбе деталях), так как мехобработку резьбы осуществляют не на всю ее глубину и с оптимальным количеством ворсов;

- канавку проминают с шагом, равным (1,4-1,6) шага резьбы кокона - признаки существенные, предусматривают новые параметры операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности мехобработки композита на основе арамидных волокон, пропитанных эпоксидным связующим, а также в повышении надежности работы за счет образования локальных зон с оптимальным количеством ворсов, необходимых для армирования клеевого соединения резьбы при сборке корпуса, равномерно распределенных по всему резьбовому соединению;

- канавку проминают намоткой с максимальной силой натяжения сухого, предварительно скрученного, стекложгута диаметром сечения, превышающим четверть шага его намотки и не превышающим половину шага - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, новую последовательность и новое исполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности нарезания резьбы за счет повышения эффективности проминания с исключением раскладки пропитанного жгута в ленту и уменьшением раскладки нескрученного жгута при повышении контактного давления, а также за счет оптимизации формы промятых канавок арамидного слоя оптимизацией соотношения размера сечения и шага намотки проминающего жгута;

- поверх сухого стекложгута наматывают сплошные слои пропитанного стекложгута с шагом, равным шагу резьбы, до наружного диаметра, превышающего наружный диаметр резьбы, причем намотку стекложгутов осуществляют с направлением, совпадающим с направлением резьбы кокона - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций, новую последовательность и новое исполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности нарезания резьбы и ее качества, а также надежности ее работы, так как витки резьбы, в этом случае, выполнены из непрерывных волокон, скрепленных с силовой оболочкой в локальных зонах высокопрочными арамидными волокнами частично радиального направления, а также с материалом клеевого соединения с оптимальным количеством разлохмаченных арамидных волокон;

- скрутку сухого жгута выполняют из расчета (8±2) оборота на один метр - признаки существенные, предусматривают изменение параметров операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении технологичности нарезания резьбы за счет повышения эффективности проминания с уменьшением степени раскладки жгута в ленту;

- намотку завершающего двойного спирального слоя осуществляют с минимальным углом намотки - признаки существенные, предусматривают изменение параметров операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении эффективности проминания завершающего арамидного спирального слоя оптимизацией его плотности за счет снижения контактного давления при намотке его волокон с минимальным углом по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке;

- намотку арамидными и стекложгутами осуществляют с применением эпоксидного связующего, а резьбовое соединение корпуса и соплового блока осуществляют на эластичном клее, например, на основе полиуретана - признаки существенные, предусматривают новое исполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении качества клеевого соединения за счет его армирования ворсами арамидных волокон при их пропитке клеем с низкой реологической вязкостью, а также в повышении надежности работы за счет более равномерного нагружения витков резьбы.

Поставленная задача с достижением технического результата для устройства решается тем, что корпус ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, содержащий силовую оболочку в виде кокона без заднего днища, выполненного спирально-кольцевой намоткой из арамидных жгутов, пропитанных эпоксидным связующим, и сопловой блок, скрепленный с силовой оболочкой резьбовым соединением, при этом наружный арамидный слой кокона выполнен двойным спиральным, витки резьбы кокона выполнены преимущественно из непрерывных, пропитанных эпоксидным связующим, стекловолокон, снабженных в зоне над внутренним диаметром резьбы расположенными в различных направлениях отрезками волокон арамида и стекловолокон, образованными проминанием не совпадающих с шагом резьбы канавок в арамидном слое намотанным стекложгутом с последующей нарезкой резьбы с частичным перерезанием этих волокон, а резьбовое соединение зафиксировано эластичным клеем, армированным ворсами арамидных волокон, образованными при упомянутом их перерезании. Наружный спиральный слой кокона выполнен с минимальным углом намотки. Эластичный клей выполнен на основе полиуретана, например СКУ-ПФЛ.

Отличительными признаками для устройства являются следующие признаки:

- наружный арамидный слой кокона выполнен двойным спиральным, витки резьбы кокона выполнены преимущественно из непрерывных, пропитанных эпоксидным связующим, стекловолокон, снабженных в зоне над внутренним диаметром резьбы расположенными в различных направлениях отрезками волокон арамида и стекловолокон, образованными проминанием не совпадающих с шагом резьбы канавок в арамидном слое намотанным стекложгутом с последующей нарезкой резьбы с частичным перерезанием этих волокон - признаки существенные, предусматривают наличие новых элементов, новое их расположение, новое исполнение, применение нового материала, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы в условиях высокого внутреннего давления за счет повышения надежности работы резьбы кокона на срез, при наличии в зоне среза, совпадающего с внутренним диаметром резьбы, армирующих волокон частично радиального направления (на боковых поверхностях промятых канавок), а также на повышение качества витков резьбы благодаря монолитности их армирующих волокон на всем их протяжении;

- резьбовое соединение зафиксировано эластичным клеем, армированным ворсами арамидных волокон, образованными при упомянутом их перерезании - признаки существенные, предусматривают наличие новых элементов и новое их исполнение, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы резьбы кокона на срез за счет связи клеевого соединения резьбы с силовой оболочкой кокона;

- наружный спиральный слой кокона выполнен с минимальным углом намотки - признаки существенные, предусматривают новое соотношение размеров, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности расположения арамидных волокон в зоне среза резьбы в частично радиальном направлении путем проминания этих волокон намоткой стекложгута благодаря оптимальной плотности арамидных волокон при спиральной намотке арамидных волокон с минимально возможным углом по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке;

- эластичный клей выполнен на основе полиуретана, например СКУ-ПФЛ - признак существенный, предусматривает обоснованное применение нового материала, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы резьбового соединения за счет равномерного нагружения витков резьбы при высокой эластичности его клеевой фиксации.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению технологичности изготовления и надежности работы корпусов ракетных двигателей из полимерных композитов без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид способа изготовления корпуса, на фиг.2 - общий вид способа изготовления резьбы, на фиг.3 - сечение впадины резьбы, на фиг.4 - общий вид корпуса, на фиг.5 - сечение резьбового соединения.

Способ изготовления корпуса 1 ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, при котором наматывают силовую оболочку 2 в виде кокона спирально-кольцевой намоткой из жгутов арамидных волокон 3, перед задним удаляемым днищем 4 на цилиндрической части 5 нарезают резьбу 6 для соединения с сопловым блоком 7 двигателя, при этом намотку кокона завершают двойным спиральным слоем 8 наружным диаметром 9, превышающим внутренний диаметр 10 резьбы 6 и не превышающим средний диаметр 11 резьбы 6, а в зоне 12 нарезаемой впоследствии резьбы в арамидных волокнах проминают винтовую канавку 13 с шагом 14, равным (1,4-1,6) шага 15 резьбы 6 кокона намоткой с максимальной силой натяжения сухого, предварительно скрученного 16, стекложгута 17 диаметром 18 сечения, превышающим четверть шага 14 его намотки и не превышающим половину шага 14, затем поверх сухого стекложгута 17 наматывают сплошные слои 19 пропитанного стекложгута с шагом, равным шагу 15 резьбы 6, до наружного диаметра 20, превышающего наружный диаметр 21 резьбы 6, причем намотку стекложгутов 19 осуществляют с направлением, совпадающим с направлением резьбы кокона. Скрутку 16 сухого жгута 17 выполняют из расчета (8±2) оборота на один метр. Намотку завершающего двойного спирального слоя 8 осуществляют с минимальным углом 22 намотки. Намотку арамидными 3 и стекложгутами 19 осуществляют с применением эпоксидного связующего, а резьбовое соединение 23 корпуса 1 и соплового блока 7 осуществляют на эластичном клее 24, например, на основе полиуретана.

Корпус 1 ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, содержащий силовую оболочку 2 в виде кокона без заднего днища 4, выполненного спирально-кольцевой намоткой из арамидных жгутов 3, пропитанных эпоксидным связующим, и сопловой блок 7, скрепленный с силовой оболочкой резьбовым соединением 23, при этом наружный арамидный слой 8 кокона выполнен двойным спиральным, витки резьбы 6 кокона выполнены преимущественно из непрерывных, пропитанных эпоксидным связующим, стекловолокон 19, снабженных в зоне 25 над внутренним диаметром 16 резьбы 6 расположенными в различных направлениях отрезками 26 волокон арамида и стекловолокон 27, образованными проминанием не совпадающих с шагом 15 резьбы канавок 13 в арамидном слое 8 намотанным стекложгутом 17 с последующей нарезкой резьбы 6 с частичным перерезанием этих волокон 26, 27, а резьбовое соединение 23 зафиксировано эластичным клеем 24, армированным ворсами 28 арамидных волокон, образованными при упомянутом их перерезании. Наружный спиральный слой 8 кокона выполнен с минимальным углом 22 намотки. Эластичный клей 24 выполнен на основе полиуретана, например СКУ-ПФЛ.

Пример конкретного исполнения способа заключается в том, что на разборную оправку 30 укладывают герметизирующий теплозащитный слой 31 и наматывают силовую оболочку 2. Завершающий арамидный спиральный слой 8 наматывают с оптимизацией его плотности за счет снижения контактного давления при намотке его волокон с минимальным углом 22 по условию близкого к геодезическому расположению их на оправке 30, а также при намотке с оптимальным натяжением (не максимальным). При этом проминающий жгут 17 наматывают с контактным давлением, значительно превышающим контактные давления предыдущих слоев за счет максимального его натяжения (близкого к предельному по условию разрыва) и угла 22 намотки, близкого к максимальному (90°). Проминающий жгут 17 наматывают сухим с последующей пропиткой его связующим волокон 19 стекложгута витков резьбы 6, и выполнен проминающий жгут 17 из скрученных 16 волокон 27, а после мехобработки резьбы 6, ее витки снабжены отрезками волокон 27 различного направления (в том числе и частично радиального).

Таким образом, наружная поверхность силовой оболочки 2 в зоне 12 резьбы приобретает гофрированную форму со средним диаметром 32 гофр (винтовой канавки 13), расположенным в зоне 33 среза 34 резьбы 6 при ее критической работе, повышая надежность работы резьбы за счет наличия в нижней части ее профиля арамидных волокон 35 частично радиального направления с пересечением ими зоны 33 среза 34. За счет несовпадения шагов резьбы 6 и винтовой канавки 13 волокна 35, при мехобработке резьбы 6, частично перерезаются с образованием отрезков частично радиального направления, равномерно расположенных по всей резьбе, а также с образованием ворсов 28, расположенных в локальных зонах также равномерно по всей резьбе.

При армировании клеевого соединения 24 арамидными ворсами 28, его прочность и связь с силовой оболочкой 2 значительно повышаются за счет пропитки ворсов 28 клеем с низкой реологической вязкостью, а также за счет дополнительного закрепления химической связью материала ворсов 28, содержащего в арамидной группировке NH-группы и клея 24, содержащего NCO-группы при приготовлении его на основе форполимера уретанового СКУ ПФЛ (см. патент RU 2414670 от 08.12.2008 МПК7 F41H 1/04).

Также пример конкретного исполнения способа заключается в том, что при намотке проминающим жгутом 17 его закрепляют на цапфе 36 оправки 30 и наматывают на цилиндрической части с оптимальным натяжением, при подходе к зоне 12 резьбы натяжение доводят до максимального. После термообработки участок жгута 17 до зоны 12 разматывают и удаляют.

Работает корпус 1 следующим образом. При работе его резьбы 6 на срез (сдвиг), зона 33 среза витков резьбы 6 расположена вблизи внутреннего диаметра 10 резьбы и среднего диаметра 32 канавок 13 и пересекает проминающие жгуты 17. Таким образом, зона 33 среза 34 снабжена отрезками арамидных волокон 35 частично радиального направления и отрезками скрученных 16 волокон 27 частично радиального направления, а также ворсами 28 арамидных волокон 35, армирующими клеевое соединение 24, дополнительно скрепленными с клеем химической связью, что значительно повышает надежность работы резьбы 6 на срез.

Таким образом, использование изобретений позволит создать высокотехнологичный корпус ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов с повышенной надежностью его работы, что и подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний образцов и фрагментов конструкций, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим, новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления корпуса ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, при котором наматывают силовую оболочку в виде кокона спирально-кольцевой намоткой из жгутов арамидных волокон, перед задним удаляемым днищем на цилиндрической части нарезают резьбу для соединения с сопловым блоком двигателя, при этом намотку кокона завершают двойным спиральным слоем наружным диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы и не превышающим средний диаметр резьбы, а в зоне нарезаемой впоследствии резьбы в арамидных волокнах проминают винтовую канавку с шагом, равным (1,4-1,6) шага резьбы кокона намоткой с максимальной силой натяжения сухого, предварительно скрученного, стекложгута диаметром сечения, превышающим четверть шага его намотки и не превышающим половину шага, затем поверх сухого стекложгута наматывают сплошные слои пропитанного стекложгута с шагом, равным шагу резьбы, до наружного диаметра, превышающего наружный диаметр резьбы, причем намотку стекложгутов осуществляют с направлением, совпадающим с направлением резьбы кокона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скрутку сухого жгута выполняют из расчета (8±2) оборота на один метр.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что намотку завершающего двойного спирального слоя осуществляют с минимальным углом намотки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что намотку арамидными и стекложгутами осуществляют с применением эпоксидного связующего, а резьбовое соединение корпуса и соплового блока осуществляют на эластичном клее, например, на основе полиуретана.

5. Корпус ракетного двигателя из полимерных композиционных материалов, содержащий силовую оболочку в виде кокона без заднего днища, выполненного спирально-кольцевой намоткой из арамидных жгутов, пропитанных эпоксидным связующим, и сопловой блок, скрепленный с силовой оболочкой резьбовым соединением, при этом наружный арамидный слой кокона выполнен двойным спиральным, витки резьбы кокона выполнены преимущественно из непрерывных, пропитанных эпоксидным связующим, стекловолокон, снабженных в зоне над внутренним диаметром резьбы расположенными в различных направлениях отрезками волокон арамида и стекловолокон, образованными проминанием не совпадающих с шагом резьбы канавок в арамидном слое намотанным стекложгутом с последующей нарезкой резьбы с частичным перерезанием этих волокон, а резьбовое соединение зафиксировано эластичным клеем, армированным ворсами арамидных волокон, образованными при упомянутом их перерезании.

6. Корпус по п.5, отличающийся тем, что наружный спиральный слой кокона выполнен с минимальным углом намотки.

7. Корпус по п.5, отличающийся тем, что эластичный клей выполнен на основе полиуретана, например СКУ-ПФЛ.

www.freepatent.ru

Диссертация на тему «Применение современных полимерных композиционных материалов в элементах и узлах газотурбинных авиационных двигателей» автореферат по специальности ВАК 05.02.01 - Материаловедение (по отраслям)

1. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984. -264с.

2. Андерсоне Я. Расчётные методы оценки усталостной долговечности слоистого композита// Механика композит, материалов. 1993. -№6. - С.741-754.

3. Андерсон Я. А., Лимонов В. А., Тамуж В.П., Перевозчиков В.Г. Усталость слоистых композитов с различными схемами армирования. 2. Плоское напряжённое состояние и расчётная модель// Механика композит, материалов. -1993.-№6.-С.741-754.

4. Андерсон Я.А., Лимонов В.А., Тамуж В.П. Разрушение косоугольно армированного композита при осевом нагружении // Механика композит, материалов. -1990. -№2. С.231-236.

5. Аношкин А.Н., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Неупругое деформирование и разрушение разупорядоченных волокнистых композитов// Механика композит. материалов. 1993 - Т. 29, № 5 -С. 621-628.

6. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей. — Пермь. Перм. гос. техн. ун-т., 1998 101 с.

7. Аношкин А.Н. Об одном подходе к решению пространственной задачи микромеханики для однонаправленных волокнистых композитов // Математическое моделирование систем и процессов. Пермь: ПГТУ. - 1997 - № 5 - С.

8. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочник.-Л.Машиностроение, 1980. -247 с.

9. Барейшис И.П., Даргушис С.А. Усталостная прочность некоторых материалов, применяемых в конструкциях планера // Механика композит, материалов. 1980. - № 3. - С. 451-455.

10. Бердичевский В.Л. Вариационные принципы механики сплошной среды. — М.: Наука, 1983.-447 с.

11. Березин А.В. Влияние повреждений на деформационные и прочностные характеристики твёрдых тел. М.; Наука, 1990 - 135 с.

12. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шлейдерович Р.Н. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1966, 616 с.

13. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М. Машиностроение, 1990. 368 с.

14. Болотин В.В. Некоторые вопросы механики композитных полимерных материалов // Механика полимеров. — 1975, № 1. — С. 126 — 133.

15. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

16. Бугов А.У. Фланцевые соединения. Л.: Машиностроение, 1975. - 191 с.

17. Ван Фо Фы Г.А. Конструкции из армированных пластмасс. Киев: Техника, 1971 -220 с.

18. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. — 270 с.

19. Васильева Н.М., Каниболотский М.А. Определение напряженно-деформированного состояния слоисто-неоднородного цилиндра с днищами // Механика композит, материалов 1989.-№ 2- С.298-303.

20. Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. -М.: Наука, 1997.-288 с.

21. Волков С.Д., Долгих В.Я. К статистической теории упругости армированных пластиков// Механика полимеров. 1968. -N. 3. - С. 438-444.

22. Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. Минск: БГУ, 1978. - 206 с.

23. By Э. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред // Композиционные материалы. Т.2. Механика композиционных материалов. М.: Мир, 1978.-С. 401-491.

24. Гольденблат Н.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. — 192 с.

25. Динамика авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. -М., Машиностроение, 1981.-232 с.

26. Ермоленко А.Ф, Модель разрушения однонаправленного волокнита с хрупкой матрицей // Механика композит, материалов. — 1985. — № 2. — С. 247 — 256.

27. Жуков A.M. Свойства смолы ЭДТ-10 при фиксированных скоростях нагружения и в условиях ползучести // Расчеты на прочность. М., 1978. Вып 19. С. 123-129

28. Завалич И.Г., Шефер JI.A. Прогнозирование усталостной долговечности на основе характеристических параметров процессов нагружения// Пробл. прочности. 1982. - №10. - С.25-30.

29. Захаров В.Н. Исследование зависимости циклической долговечности стеклопластиков от величины напряжений и асимметрии цикла // Свойства судостроительных стеклопластиков и методы их контроля. Вып. 3- JL: Судостроение, 1977. С. 99-105.

30. Захаров В.Н. Расчет долговечности стеклопластиков при статическом и циклическом нагружении. // Свойства полиэфирных стеклопластиков. Л.: Судостроение, 1967, 167 с.

31. Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. М.: АН СССР, 1963.-272 с.

32. Ильюшин А.А. Об одной теории длительной прочности// Инж. журн. Механика тверд. тела. 1967. -N. 3. - С. 21-35

33. Качанов JI.M. О времени разрушения в условиях ползучести// Изв. АН СССР: ОТН 1958 - № 8 - С. 26-31.

34. Киряков Л.Д., Присекин В.И., Щурик А.Г., Рубцов С.М. Звукопоглощающий высокотемпературный материал на основе углерода // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника 2007.-№4(27).- С.71-75.

35. Композиционные материалы: В 8-ми т. Т. 2. Механика композиционных материалов: Пер. с англ./ Под ред. Ильюшина А.А., Победри Б.Е. М.: Мир, - 1978.-564 с.

36. Композиционные материалы: Справочник/ В.В.Васильев, В.Д.Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. -М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

37. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. Д.М. Карпиноса. -Киев: Наук, думка, 1985 592 с.

38. Кострицкий С.Н., Цирин Н.З. Исследование механических свойств стекло-волокнитов в трансверсальном нааправлении при повышенной температуре // Механика композит, материалов. 1981. - № 2. - С. 355 - 358.

39. Кочетков В.А. Эффективные характеристики упругих и теплофизических свойств однонаправленного гибридного композита. Сообщение 1 // Механика композит, материалов 1987 - № 1 - С.38-46

40. Кочетков В.А. Эффективные характеристики упругих и теплофизических свойств однонаправленного гибридного композита. Сообщение 2 // Механика композит, материалов 1987 - № 2 - С.250-255.

41. Лагздинь А.Ж., Тамуж В.П., Тетере Г.А., Крегерс А.Ф. Метод ориентацион-ного усреднеия в механике материалов. Рига: Зинатне, 1989. - 189 с.

42. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1985. 344 с.

43. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. Рига: Зинатне. - 1980. - 572 с.

44. Мешков Е.В., Кулик В.И., Нилов А.С., Упитис З.Т., Сергеев А.А. Исследование механических характеристик однонаправленных композитных материалов при статическом нагружении// Механика композит, материалов. -1991.-N. З.-С. 459-467.

45. Москвитин В.В. Об одной модели нелинейной вязкоупрутой среды, учитывающей влияние накопление повреждений// Механика полимеров. -1972.-№2 С.24-28.

46. Немировский Ю.В., Резников Б.С. Прочность элементов конструкций из композиционных материалов. Новосибирск: Наука, 1986. - 166 с.

47. Образцов И.Ф. Вариационные методы расчета тонкостенных авиационных пространственных конструкций. М.: Машиностроение, 1966. - 392 с.

48. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977.-144 с.

49. Овчинский А.С. Процессы разрушения композиционных материалов: имитация микро- и макромеханизмов на ЭВМ. М.: Наука, 1988. - 278 с.

50. Олдырев П.П., Тамуж В.П. Многоцикловая усталость композитных материалов// Журн. Всесоюзн. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1989. -Т.24, № 5 - С.545-552.

51. Парфеев В.М., Олдырев П.П., Тамуж В.П. Суммирование повреждений при нестационарном циклическом нагружении стеклопластиков// Механика композит, материалов. 1979. - № 1 - С.65-72.

52. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. М.: МГУ, 1981.-343 с.

53. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: МГУ, 1984. -336 с.

54. Постных A.M., Чекалкин А.А., Хронусов В.В. Структурно-феноменологическая модель надёжности и долговечности волокнистого композита// Механика композит, материалов. 1990. - N. 5. - С. 866-870.

55. Протасов В.Д., Ермоленко А.Ф., Филипенко А.А., Дмитриенко И.П. Исследование несущей способности слоистых цилиндрических оболочек при помощи моделированя процесса разрушения на ЭВМ// Механика композит, материалов. 1980. -N. 2. - С. 254-261.

56. Разрушение конструкций из композиционных материалов/ Под ред. Тамужа В.П., Протасова В.Д. Рига: Зинатне, 1986. - 264 с.

57. Рикардс Р.Б., Чате А.К. Начальная поверхность прочности однонаправлен-но армрованного композита при плоском напряженном состоянии// Механика полимеров. 1976. -N. 4. - С. 635-639.

58. Рикардс Р.Б., Чате А.К. Упругие свойства композита с анизотропными волокнами // Механика композит, материалов. — 1980 — № 1. — С.22-29.

59. Рубцов С.М. Полимерные волокнистые композиты в конструкции турбовентиляторного авиационного двигателя ПС-90А // Конверсия в машиностроении—2007—№3 -С. 19-26.

60. Рубцов С.М., Аношкин А.Н.„Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Эксплуатационный ресурс стеклопластикового кожуха сопла авиационного газотурбинного двигателя// Конструкции из композиционных материалов. 2007 -№3.-С. 11-17.

61. Рубцов СМ., Полежаев В.П., Киряков Л.Д., Присекин В.И., Лимонов СВ. «Способ изготовления баллона». Заявка № 2007118879 (020567) от 21.05.2007 г. на выдачу патента РФ на изобретение.

62. Патент №2339865 РФ МПК F16L 9/12 С1 Оболочка./ Полежаев В.П., Лимонов С.В., Кузнецов Ю.В., Киряков Л.Д., Рубцов С.М.; ФГУП УНИИКМ.-Опубл. 27.11.2008 Бюл. №33.

63. Скудра A.M., Булаве Ф.Я. Прочность армированных пластиков. М.: Химия, 1982.-216 с.

64. Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно неоднородных тел. М.: Наука, 1984. - 116 с.

65. Справочник по композиионным материалам: В 2-х кн. / Под ред. Дж. Лю-бина; Пер. с англ. А.Б.Геллера, М.М.Гельмонта; Под ред. Б.Э.Геллера. -М.Машиностроение, 1988. 448 с.

66. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1978. - 294 с.

67. Тетере Г.А., Упитис З.Т., Удрис А.О. Механолюминисценция ранних и предельных стадий разрушения стеклопластика // Механика композит, материалов. 1987 - № 3. - С.446-449.

68. Удрис А.О., Упитис З.Т. Экспериментальное исследование упругих и прочностных свойств эпоксидного связующего ЭДТ—10 в условиях сложного напряженного состояния//Механика композит, материалов. 1988. -N. 6. - С. 972-978.

69. Удрис А.О., Упитис З.Т. Исследование ранних стадий разрушения стеклопластика методом механолюминисценции // Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов. — Рига: 1986. — С.217—221.

70. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материаов. -М.: Мир, 1982.-232 с.

71. Чамис К. Микромеханические теории прочности // Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость / Под ред. JI. Браутмана. М.:Мир, 1978 - С.106-165.

72. Abbott R. Composites in General Aviation. // in Comprehensive Composite Materials- V.6.-pp. 165-180.-Elsevire.-2000.

73. Anoshkin A.N., Tashkinov A.A., Vildeman V.E. Fracture and equilibrium damage accumulation on postcritical deformation stage // Fracture mechanics: success and problems 8 Int. Conf. on Fracture Kiev, June 8 14 , 1993э

74. Ertark Т., Corie J.A., Dixon R.G. Transverse tensile strength and fracture behavior of graphite/aluminum fiber composites // Interfaces Metal. March 2-6 — 1986. — Warrendall

75. Gilletta D., Girard R. Degradation models in finite element analysis of multilay-ered composite stractures // Compos. Stract. 4: Proc. 4th Int. Conf. paisley, 2729th July 1987.- V. 1, N 4. - P.553-563.

76. Hashin Z. Cumulative damage theory for composite materials: residual life and residual strength methods // Compos. Sci. and Technol. 1985. - V. 23. - P. 1-19.

77. Hashin Z., Rotem A. A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials // J. Composite Materials. 1973. - Vol. 7. - P.443-464.

78. Hashin Z. Fatigue failure criteria for unidirection fiber composite // J. Appl. Mech. 1981. -Vol.48, Dec. -P.847-852.

79. Hwang W., Han K. S. Cumulative damage models and multi-stress fatigue life prediction // J. Composite Materials. 1986. - Vol. 20. - P. 125-153.

80. Ilcewicz. Composite Technology Development for Commercial Airframe Structures// in in Comprehensive Composite Materials V.6.—pp.121-164 —Elsevire— 2000.

81. Iorio A. De, Mignosi S., Schiavone M. Fatigue in GFRP under variable amplitude loading // TEQC83. 1983. - P.314-323.

82. Nahas M.N. Survey of failure and post-failure theories of laminated fiber-reinforced composites // J. Composite Techn. & Res. 1986. - Vol.8, N 4. — P.138-153.

83. Walker N.A. Advanced composites in aero engines applications.// Proceedings of the International Conference on Advanced Composites, pp. 121-130, ADCOMP-2000, Bangalore, India, August 24-26, 2000.

www.dissercat.com

Электродвигатель

 

Использование; электродвигатели с линейным перемещением вала с помощью передачи винт-гайка. Сущность изобретения: ротор электродвигателя с подвижным в осевом направлении валом образуют передачу винт-гайка. Между ротором и валом размещен вкладыш из полимерного материала. Вкладыш выполнен сменным. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4769792/07 (22) 13.11.89 (46) 07.01.93. Бюл. М 1 (75) А, Н,Белашов (56) SU, А 1, %807458, кл, Н 02 К 41/03, 1979, US, А, М 4282764, кл. F 16 Н 1/18, 1981.

Изобретение относится к электродвигателям, предназначенным для использования в робототехнике, приборах, регуляторах, стабилизаторах, дозаторах, а также в другой измерительной и исполнительной технике, где линейное перемещение вала непосредственно связано с числом оборотов электродвигателя.

Известен электродвигатель содержащий статор, ротор с подвижным в осевом направлении валом.

Известен электродвигатель с использованием полимерного вкладыша между валом и ротором для лучшего скольжения.

Недостатком известного электродвигателя является то, что полимерный вкладыш не имеет оребренной поверхности, предотвращающей его перемещения внутри ротора, а также трудоемкость замены полимерного вкладыша при производстве ремонтно-восстановительных работ.

Цель изобретения — упрощение конструкции полимерного вкладыша путем оребрения внешней цилиндрической поверхности, предотвращающей его проворачивание внутри ротора с использованием

„„5U„„1786599 А1 (я)л Н 02 К 7/12; F 16 Н 1/18 (54) ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Использование: электродвигатели с линейным перемещением вала с помощью передачи винт-гайка. Сущность изобретения: ротор электродвигателя с подвижным в осевом направлении валом образуют передачу винт-гайка. Между ротором и валом размещен вкладыш из полимерного материала.

Вкладыш выполнен сменным. 2 ил. кольцевых фиксирующих выступов, где одно основание вкладыша, содержащего кольцевой ограничительный выступ, имеет ряд аксиальных прорезей для его быстрой замены при производстве ремонтно-восстановительных работ.

Достигается это тем, что электродвигатель имеет связанные между собой посредством элементов качения статор, ротор с подвижным в осевом направлении валом, содержащим полимерный вкладыш, имеющий внешнюю оребренную цилиндрическую поверхность с торцевыми ограничительными выступами, причем один торец ограничительного выступа имеет ряд аксиальных прорезей для его быстрой замены, где полимерный вкладыш предназначен для разделения магнитного потока статора и лучшего скольжения между валом и ротором при использовании передачи винт-гайка.

На фиг. 1 изображен электродвигатель постоянного тока, разрез; на фиг, 2 — полимерный вкладыш.

Электродвигатель состоит из подковообразного статора 1, ротора 2, имеющего обмотки 3, связанные между собой элемен1786599 тами качения 4 со средством коммутации обмоток ротора, включающем в себя коллекторные пластины, щетки, соединительные провода и подводящие клеммы для получения вращательного момента при подаче напряжения, Ротор 2 содержит подвижный в осевом направлении вал с резьбой 5 и полимерным вкладышем 6, расположенным межДу hanok è- ротором, имеющем ребра жебтко ти 7,.огранйчйтельный выступ 8, ограйичительный выступ 9 с аксиальными прорезями 10 и резьбой цилиндрического вкладыша 11.

Функционирует электродвигатель следующим образом. При подаче напряжения на электродвигатель, имеющий средство коммутации, образующее замкнутую цепь между источником напряжения и обмотками ротора, возникает вращательный момент, передвигающий вал в осевом направлении, Для облегчения ремонтновосстановительных работ в электродвигателе по замене полимерного вкладыша достаточно нажать на ограничительный выступ 9, имеющий аксиальные прорези 10, чтобы полимерный вкладыш 6 с ребрами 7 свободно вышел из зацепления с ротором.

5 Изобретение упрощает конструкцию вкладыша, надежно предотвращает произвольное перемещение его внутри ротора и повышает удобства в пользовании при производстве ремонтно-восстановительных работ по замене полимерного вкладыша.

Формула изобретения

Электродвигатель, содержащий статор, ротор с подвижным в осевом направлении валом и полимерным вкладышем в виде по15 лого цилиндра, размещенного между валом и ротором и образующего передачу винтгайка, отличающийся тем, что, с целью упрощения, внешняя цилиндрическая поверхность полимерного вкладыша выполнена оребренной, на торцах вкладыша выполнены кольцевые выступы и с одного торца вкладыша выполнен ряд аксиальных прорезей в теле вкладыша.

1786599

25

35

45

Составитель А. Белашов

Техред М.Моргентал КоРРектоР Q.ÊðàBöoâà

Редактор Т.Федотов

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 253 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

   

www.findpatent.ru


Смотрите также