15.3. Намотка

15.3. Намотка
Метод намотки является одним из наиболее распространенных и получении изде¬лий из армированных материалов. Намоткой производят оболочки различного типа и назначения. Это прежде всего цилиндрические тонко- и толстостенные трубы, за¬крытые профили прямоугольного, треугольного, эллиптическою сечения, кониче¬ские оболочки. Намоткой получают изделии в пиле замкнутых емкостей (баллонов) дли хранения газообразных и жидких нещести под повышенным давлением объемом от 1-2 л до сотен кубометров. Производимые по этой технологии изделия диаметром до 20 м. длиной до 35 м и. соответственно, объемом в тысячи кубометров применяют¬ся в нефтегазовом комплексе, а также в судостроении и строите.тьегне.
Сущность метола намотки состоит в том. что непрерывный волокнистый полуфаб¬рикат наматывается па вращающуюся оправку (дорн). образуя слон и формируя таким образом требуемую толщину и структуру стенки. Конфигурация оправки (круг, треу¬гольник, прямоу|«1Льп нк. эллипс и т. д.) определяет форму изделия. Это могут-быть не ТОЛЬКО традиционные трубы, но и лопасти вертолетов, ветряных и водяных лопаст¬ных движителей, сложнопрофнльные фрагменты корпусных детален и пр.
Мокрый способ намотки совмещает в одном технологическом процессе пропитку наполнителя и формирование изделия. Поэтому способу (рис. 15.1) ровинг сматыва¬ется с бобин нлн катушек, собирается в жгут, который пропитывается, проходя через ванну с жидким связующим. Избыток последнего возвращается отжимными валика¬ми, Манна и бобины с волокном размещены на каретке, которая лишается возврат¬но-поступательно со скоростью V вдоль вращающейся с угловой скоростью w оправ¬ки. Соотношение значений V и oi определяет шаг намотки и ориентацию волокна на оправке. Усилие на прижимных тиках регулирует количестве» связующего, остающе¬гося на жгуте после пропитки, то есть соотношение «наполнитель полимер» в изде¬лии. Регулированием натяжения жгута создают требуемую нлегпнхть намотки. Необ¬ходимо учесть, что по мере возрастания толщины получаемого изделии должно кор¬ректироваться соотношение V: ео.
Перечисленное сниден'льпнуето многофакторшхти процесса намотки, в связи с чем
современные намоточные
; машины комплектуются IK1-

изделия «мок|хш» на-моткоя: ' - ровинг; 'J ванна со связую¬щим; 3 — отжимные валит: 4 - оправка: Л — изделие: 6 — на-нравля1ощая

Сухой способсостоит в намотке на оправку (дорн) волокнистого препрега. И прин¬ципе, от описанного выше мокрого способа намотки он отличается отсутствием опе¬рации и улла пропитки тем, что вместо роиинга используются бобины с препрегом, н наличием нагревательных устройств, расплавляющих связующее, нанесенное на волокнистый наполнитель перед его намоткой на оправку. Кроме того, нрн сухой на¬мотке требуется создание повышенных контактных давленnii формования.
11 ри мокром способе намотки используют низковяэкие связующие — ненасыщен¬ные полиэфиры (II11-1, ПП-2 и др.). нпзкомолекулярпые эпоксидные смолы (ЭЛ-22. ЭД-20. ЭД - разбавители), связующие на основе сложных виниловых эфиров.
При сухом способе благодаря использован ню растворителей номенклатура связу¬ющих существен но расширяется п включаетфенолоформальдегндные.эпоксидпофс-нольные, эпоксидные, полиамидные и другие полимерные вещества.
Метод раздельного формования представляет собой как бы технологически обрат¬ный процесс, при котором сначала формируется неплотная заготовка из волокнисто¬го материала, а уже затем она пропитывается связующим, поступающим в форму под давлением и движущимся от наружных слоев к внутренним, в золе которых создается разряжение (рис. 15.2). Использование замкнутой формы позволяет существенно улучшить условия труда, а также повысить качество наружной поверхности сфериче¬ских изделий.
Ио типу укладки армирующего волокнистого Материала на оправке различают не¬сколько видов намотки: прямую, спиральную, спирально-перекрестную, продоль¬но-кольцевую, спирально-кольцевую, продольно-петлевую и др. (рис. 15.3).
При н/«мюм намотке угол между осью вращения оправки (дорна, оболочки) и осью наполнителя (волокна, пучка, ленты и пр.) близок к 90'. Собственно, его отклонение от этой величины зависит только От ширины ленты (пучка) и шага намотки. Это наи¬более простой метод формования цилиндрических оболочек. При прямой намотке используют, как правило, иреирегп тканей или лент. Если необходимо получение из¬делий, длина которых существенно превышает ширину полотна (лепты), используют несколько одновременно работающих узлов раскладки.

Спираль»о-$интовая намотка состоит в том, что пучок или лепту волокнистого ма¬териала, пропитанного связующим, наматывают на поверхность оправки по винтовой линии (рис. 15.3, а). Возможны дна варианта укладки слоев наполнителя: первый -ОДНОСЛОЙНЫЙ, когда толщина формуемого слоя равна толщине одной ленты (пучка), подаваемой на оправку, причем пропитанный материал укладывается строго вплот¬ную один к другому. В этом случае шаг намотки S = fl/sinq>. где И — ширина ленты (пучка); ф — угол намотки.
Второй вариант — многослойный, когда за один проход раскладывающего устрой¬ства формируется многослойная структура наматываемой оболочки. Такой вариант возможен только с лентой, которая при намотке может укладываться внахлест, один виток на другой. Если нахлест характеризуется параметром Л*, то шаг намотки - 5 -= B/(J&inq>).
Спирально-винтовая намотка применяется для получения цилиндрических изде¬лий, в частности для упрочнения труб и цилиндрических участков сосудов и емко¬стей. Есть мнение, что этим методом можно упрочнять стволы стрелкового оружия, артиллерийские стволы и др.
При продольно-поперечной намотке ленточный наполнитель послойно выклады¬вается вдоль оси оправки и наматывается в перпендикулярном направлении. Углы намотки составляют соответственно 0-5 и 90-85 град. Выкладывание происходит ПО всей длине изделия. Этот метод применяют при намотке «сухим» способом, он мо¬жет использоваться как для цилиндрических, так и для конических оправок.
Спиралыю-перекрсстшш намотка (рис. 15.3. в) характеризуется тем, что ее шаг превышает, и иногда многократно, ширину ленты (пучка). При обратном ходе каретки образуется перекрестная намотка. При каждом прямом ходе каретка смешается на ширину ленты (пучка), что в конечном счете образует плотную намотку.
Этот метод считается наиболее универсальным, он используется для производст¬ва оболочек сложной формы с продольной образующей — цилиндров, конусов, сфер, балЛОНОВ с эллиптическими и сферическими днищами. Угол намотки может изменять¬ся и широком диапазоне (10-80 град), оптимальным считается значение q>- ± 5Л°ЛЛ'.
Иногда этот вид намотки называют геодезическим.
Спирально-винтовая намотка обеспечивает высокую прочность оболочек при внут¬реннем давлении.
Плоскостная (орбитальная, полюсная) намотка выполняется укладкой лент «пло¬скими» непрерывными витками, вытянутыми но всей длине изделия. При каждом продольном движении укладки на одну длину изделия оправка поворачивается на я Rad. Недостатки метода: ограниченность размеров получаемого изделия и слож¬ность контроля за натяжением армирующей ленты (пучка).
Совмещенная спирально-кольцевая намотка (рис. 15.3, д) заключается в однона¬правленной намотке спиральных и кольцевых слоев наполнителя, выполняемых с двух самостоятельных раскладывающих устройств. Благодари такой конструкции намотки можно варьировать соотношение натяжении, соотношение спиральных и кольцевых слоев, получать изделия с повышенной прочностью в продольном п по¬перечном направлениях. Метод позволяет полностью автоматизировать процесс на¬мотки оболочек и, следовательно, улучшить качество изделии и увеличить произво¬дительность.
Косослойная продольно-поперечная намотка позволяет увеличить сдвиговую проч¬ность оболочек в продольном направлении, по одновременно увеличивает и осевую дс-формативность и, как следствие, снижает значение модуля упругости. Метод использу¬ется для непрерывного производства напорных труб диаметром до 400 ММ с толщиной стенки до 10 мм.
Продольно-петлевой совмещенный с радиальным метод намотки также используется для производства труб по непрерывной технологии (рис. \5Л). Суть метода СОСТОИТ в следующем. На неподвижную оправку 1 попеременно-послойно с катушек.? и бЧкла-дывастся волокнистый наполнитель, пропитанный связующим. Катушка 3 устанавли¬вается в коромысле 2, вращающемся относительно геометрической оси оправки. Во¬локно 4, поступающее с этой катушки, наматывается радиальио. Катушка петлевой намотки 8 имеет три степени свободы. Во-первых, она вращается относительно пол-луна 9, ВО-ВТОрЫХ, вместе с ползуном перемещается возвратно-поступательно со ско¬ростью V„ вдоль оправки, и. в-третьих, поворачивается вместе с коромыслом 7 во¬круг оправки. Ход ползуна равен длине нетель, укладываемых вдоль поверхности оправки. Количество и соотношение слоев с радиальной и продольно-Петлевой укладкой определяет толщину стенки изделия 5, которое, пройдя камеру отвержде¬ния, непрерывно отводится от оправки со скоростью V,,,,,. Частота вращения коро¬мысла радиальной намотки 2 согласуется со значением Vllf0. Рассмотренный метод пригоден для «мокрого» способа намотки труб диаметром до 400 мм и толщиной стенки от 1 мм до 10 мм.
Планегпарио-ашратшя намотка используется для непрерывного производства труб гибридной конструкции из пропитанной ленты и по сухой технологии (рис. 15.5).
Катушки 5,6с нреирегом стекло- и углеленты вращаются вокруг неподвижной оправ¬ки /. Осевое перемещение формуемой трубы со скоростью Vm без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря исполь¬зованию продолынэгх лент из стеклоткани 2. поступающих на оправку через направ¬ляющие 3. С планшайбой 4. вращающейся с угловой скоростью <оп> производится спиральна» намоткаетекловолокн истой ленты 5. составляющей основные слои трубы. Значении Уоп и со,, согласованы. Особенностьк) этой установки является 1кпользова-вис токов высокой частоты (ТВЧ) лля отверждения связующего. Производителынкль установки — до 3 м/мин. Установки в зависимости от назначения и лиамет|>а труб вы¬пускаются стационарными и передвижными, смонтированными па тележках.
Технологический цикл формования изделий намоткой по периодическому способу включает нижеследующие операции:
а) подготовка оправки (нанесение па ее поверхность антиадгезнонных составов
или пленочных покрытий);
б) приготовление связующего (при мокрой намотке);
в) намотка и получение заготовок изделия;
г) термообработка изделий на оправке (отверждение);
д) охлаждение изделия на оправке по заданному режиму;
с) съем изделия с оправки.
При непрерывной намотке все перечисленные операции выполняются одновре¬менно, но на разных участках одной операционной линии.
При сухой технологии из этого перечня исключается пункт «6». Операция рас¬плавлении связующего перед намоткой выполняется совместное пунктом «в».