» » Технологические особенности изготовления деталей гидромуфт из стеклопластика

Технологические особенности изготовления деталей гидромуфт из стеклопластика

31.08.2016

Проведенный расчет прочности позволил установить и в значительной степени сопоставить напряжения в турбинных и насосных колесах гидродинамических муфт турбокомпрессоров К-250 применительно к их изготовлению из стеклопластика с объемным весом 19 кН/м3. Расчет показал, что превалирующими напряжениями как в насосах, так и в обечайке являются нормальные окружные σt; значительно меньшую величину в дисках колес имеют радиальные напряжения σr; что касается осевых напряжений σz, то для колес они малы и при расчетах не учитываются, а в оболочках хотя и более существенны, но воспринимаются стягивающими шпильками.
Сравнения величин главных напряжений позволили сделать обоснованные рекомендации по конструированию и технологии изготовления деталей гидромуфт из стеклопластиков. Широкий ассортимент заготовок стеклопластиков (волокнистая, резаная, тканевая с различной ремизностью и пр.), видов связующих (эпоксидных, эпоксифенольных, полиэфирных и пр.) и технологических приемов переработки позволил решить задачу изготовления стеклопластиковых деталей гидромуфт.
Как показал расчет, наибольшие (окружные) напряжения возникают в турбинном колесе. При скорости вращения ротора турбокомпрессора К-250 nном = 11 230 об/мин указанные напряжения достигают значений σt max = 220 МПа. Турбинное колесо является наиболее сложным и в конструктивном исполнении. В связи с этим порядок формирования конструкции и технологии изготовления покажем на примере этого колеса.
Если бы колесо не имело рабочих ребер в торообразной полости, то изготовить его наиболее целесообразно было бы путем намотки из стекложгутов, подобно способу изготовления труб, описанному в главе 9. Однако такой способ не позволяет надежно удерживать ребра при разгоне конструкции до высокой скорости вращения (как было указано, до n = 11 230 об/мин). Исходя из приведенных условий, разработано несколько принципов формирования турбинных и насосных колес гидромуфт из стеклопластиков — методом горячего прессования (для скоростей ниже 5 тыс. об/мин) и холодным формованием (свыше 10 тыс. об/мин).
Способ горячего прессования

Помимо надежности сцепления лопаток с основным телом, этот способ приводит к некоторым экономическим преимуществам — сравнительно высокой производительности, сокращению количества ручного труда и возможности однооперационного производства изделий сложной формы. Технологической особенностью изготовления турбинных и насосного колес явилась необходимость сборной матрицы, что обусловлено конструктивными особенностями гидродинамической муфты, лопасти которой наклонены под углом 60° по направлению вращения. Поэтому матрица выполнена из отдельных секторов (по форме межлопаточного пространства), собираемых на планшайбе, фиксируемых кольцами и стягиваемых клиньями.
Естественно, изготовление кулачков секторов, каждый из которых предназначен для формирования полости в торообразных чашах колес, потребовало тонкой прецизионной работы. Насосное (сдвоенное) колесо представляет собой симметричную конструкцию. Поэтому для упрощения технологии каждое из двух «полуколес» изготавливается в своей отдельной пресс-форме, а их соединение осуществляется механическим путем: посадкой армирующей втулки одного полуколеса на другую. С учетом этих особенностей несколько турбинных и насосных колес изготовлено путем прессования стекло-пресс-материала типа АГ-4С. нарезанного для этой цели из лент на мелкие отрезки 05—20 мм), так что их смесь по существу представляет собой анизотропный материал.
Технология прессовая колес гидромуфты выполняется в следующей последовательности. Расчетным путем определяется и опытной отпрессовкой уточняется дозировка стекломатериала Пресс-материал загружается в предварительно разогретую до температуры прессования форму и равномерно распределяется по всей площади матрицы. Во избежание скопления летучих производится неоднократная подпрессовка стекломатериала через незначительные интервалы, после чего пресс-форма закрывается окончательно — до полного смыкания ограничивающих планок.
По истечении времени выдержки пресс-форма раскрывается и производится выталкивание сборной матрицы вместе с отпрессованным колесом. После остывания составная матрица разбирается и извлекается готовая деталь. Перед подготовкой к следующему запрессованию пресс-формы смазывают оминовой кислотой, стеарином или другими смазывающими веществами, предохраняющими изделия от возможного прилипания к оформляющим поверхностям.
Процесс прессования характеризуется тремя основными параметрами: температурой, удельным давлением прессования и выдержкой пресс-материала в форме.
Температура прессования принимается равной 150—160° С. Более высокое повышение температуры, способствующее уменьшению продолжительности выдержки, не допускается, так как оно может привести к образованию на поверхности изделия разводов, вздутий и трещин, т. е. к тем дефектам, которые недопустимы для такой ответственной детали, как высокопрочная гидромуфта.
Удельное давление прессования устанавливается в зависимости от типа пресс-материала, конструкции пресс-формы, размеров и конфигурации, а также желаемых конечных свойств изделий. Применение предварительного подогрева пресс-материала позволяет значительно (на 40—70%) уменьшить удельное давление прессования. При прессовании колес из материалов АГ-4С, 33-18, ЭФ-01, П1-2, ПЗ-1 удельное давление назначается в пределах 20—40 МПа. Продолжительность прессования определяется удельной выдержкой (временем выдержки на 1 мм наибольшей толщины изделия). При изготовлении колес гидромуфты из материалов, обеспечивающих изотропную структуру, удельная выдержка принимается в пределах 1—1,5 мин/мм.
Для повышения несущей способности колес гидромуфт, а также для обеспечения их надежной посадки на вал (основное колесо) или скольжения по валу (покрывное) оба колеса армируются стальными закладными деталями. Армирование турбинных колес осуществляется так, чтобы закладные детали образовывали с основным материалом (стеклопластиком) неразъемные соединения, т. е. исходя из условия их совместной деформации при рабочих оборотах вращения и нагрузке.
Основное турбинное колесо — левое (см. рис. 13.3, 1) армировано стальным кольцом 6 и посадочной втулкой 9. Назначение втулки 9 — обеспечить точность посадки гидромуфты на вал ротора машины; получение необходимых посадочных размеров под вал и шпонку в колесе без армирующей стальной втулки трудновыполнимо, так как изделия из стеклопластиков имеют склонность к усадке и потере прочности во времени. Кроме того, в этом случае требуется выполнение технологических уклонов, способствующих благоприятному съему изделия после его отпрессовки, что по конструктивной точности посадки невозможно.
Армирующая втулка имеет окружные и продольные канавки (типа шлицев) для ее надежного сцепления с пресс-материалом. Назначение армирующих колец 6 на турбинных полуколесах 2, 7 — способствование равномерному распределению усилий от затяжки шпилек 5 соединения турбинных колес с обечайкой по всей окружной контактной площади. Кроме того, кольца увеличивают прочность колес, воспринимая в некоторой степени центробежные усилия.
Склеивание насосных полуколес по разъему осуществлено связующим на основе смолы Р-2, смешанным с предварительно измельченным однотипным стекловолокном в соотношении 1:1. Первый слой (только связующее) выдерживается на склеиваемой поверхности в течение 25—30 мин, после чего наносится второй слой — связующее с наполнителем. Склеиваемые колеса соединяются и стягиваются армирующими втулками 10. Термообработка осуществляется в течение 1,5—2 ч при температуре 150—160°C.
Способ формования колес

Способ формования колес основан на намотке стекложгутов с их ортогональной укладкой в направлении наибольших главных напряжений. При этом решался вопрос надежного соединения основной массы с расположенными в тороидальных частях колеса лопатками. Это достигается следующим образом: из стеклопластиковой ленты наматываются технологические диски 3 одинаковой толщины, но разного диаметра (рис. 13.6). Обеспечение жесткости колеса в осевом направлении достигается укладкой лент 2 материала между дисками 3 в осевом направлении. Заметим, что формование такой системы является процессом индивидуальным и трудоемким.
Технологические особенности изготовления деталей гидромуфт из стеклопластика

Для придания лопаткам 4 ортотропных свойств они предварительно таблетируются в специальной форме, а при прессовании изделия закладываются в промежутки между секторами сборной матрицы. Получение надежного закрепления лопаток в теле колеса обеспечивается совместной полимеризацией их расслоенных концов 5 с основными лентами колеса 3, которые закладывают друг в друга.
Ступицы колес, как и при горячем прессовании, армируются стальными посадочными втулками и кольцами 1. Соединительная обечайка 4, представляющая собой короткий толстостенный цилиндр, армированный стяжными стальными шпильками 5, изготавливается методом намотки стеклоленты на специальной оправке — дорне, причем при намотке предварительно натянутой и подогретой ленты через каждые четыре слоя в осевом направлении укладываются дополнительные куски ленты, увеличивающие жесткость обечайки в осевом направлении. Между армирующими шпильками укладываются предварительно оформленные стеклопластиковые проставки. После окончания намотки полимеризация осуществляется без снятия изделия с дорна. Применение такой технологии позволило получить изделия, обладающие свойствами цилиндрической анизотропии и предварительно напряженного состояния.
Технология пакетированного прессования

Для создания высокопрочных турбинных и насосных колес гидромуфты применен также способ прессования пакетов стеклоткани. Сущность этой технологии заключалась в изготовлении по шаблонам выкроек стеклоткани, которые складывались пакетами в пресс-форму с чередованием направлений укладки. Прессование изделий осуществлялось по ранее описанной технологии горячего способа. Такая технология трудоемка, однако позволила создать наиболее высокопрочные гидромуфты, что показали разгонные испытания колес гидромуфт, изготовленных различным способом.