книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

А-А 1

Рис. 20. Пластмассовый обтекатель судового гребного винта:

1 — пластмассовая опрессовка; 2 — металлическое кольцо.

Рис. 21. Пластмассовый обтекатель.

1 — пластмассовая опрессовка; 2 — армировочное кольцо.

Соединение цельнопластмассового винта с валом может быть как шпоночным, так и шлицевым. При шпоночном соединении винта с валом из-за низкой межслоевой прочности стеклопластика конус­ ное отверстие армируется металлической втулкой. Если винт или рабочее колесо имеют резьбовые отверстия, то для них также необходимо предусматривать металлические армировочные эле-

Рис. 22. Пластмассовая гайка-обтекатель.

1 — пластмассовая опрессовка; 2 — армировочное кольцо; 3 — армировочная втулка.

менты. Для улучшения сцепления армировочной втулки с пла­ стмассой по наружной поверхности втулки предусматриваются накатка, радиальные и осевые канавки. При шлицевом сое­ динении винта с валом армировочную втулку можно не приме­ нять.

В качестве материала для армировочных втулок используется сталь, так как из металлических материалов она имеет коэффициент линейного расширения, наиболее близкий к коэффициенту линей­ ного расширения стеклопластика. Это важное обстоятельство не­ обходимо учитывать, ибо в процессе прессования металлическая втулка и стеклопластик нагреваются до 160° С и охлаждаются до 20—30° С, что может послужить причиной появления трещин в сту­ пице из-за различных величин линейного расширения металла и стеклопластика.

При изготовлении таких цельнопластмассовых деталей судового машиностроения, как гребные винты, рабочие колеса, неизбежен изгиб стекловолокна в местах перехода лопасти к ступице. В связи с этим возникают неблагоприятные условия работы стекловолокна

50

в лопасти. Ввиду того что указанного недостатка избежать в цельно­ пластмассовых винтах и рабочих колесах не представляется возмож­ ным, кроме увеличения радиусов галтелей и утолщения профиля

на 25—30%.

Вследствие худшей работы стек­ лопластика на срез и скалывание по сравнению с металлом все сто­

втулках.

Допуски на геометрические эле­

чать с учетом технологических воз­ можностей прессования без исполь­ зования механической доработки. Практически достижимыми допу­ сками для винтов и колес диамет­ ром до 1 м являются следующие

[44]:

Допуски на присоединительные размеры винтов и колес назна­ чаются по действующим стандартам.

Цельнопластмассовые винты и рабочие колеса после отпрессовки должны иметь шероховатость рабочих поверхностей не ниже 7-го класса чистоты, а остальных 5-го класса.

Преимуществом применения цельнопластмассовых винтов и

с большими значениями шаговых углов из-за смещения пресс-

материала.

Для сборных гребных винтов и направляющих аппаратов важней­ шим вопросом является решение узла присоединения пластмассовой лопасти (лопатки) к металлической ступице. Наибольшую проч­ ность соединения обеспечивает клиновидная форма комля лопасти,

выполненная по типу соединений «ласточкин хвост». Комель такой лопасти представляет собой усеченный клин.*

При проектировании дополнительно определяется ряд конструк­ тивных элементов с помощью формул (25)—(38), полученных экспе­ риментально. Так, толщина стенки между отверстием под вал и посадочным гнездом в сечении, проходящем через ось о—х, перпен­ дикулярную оси ступицы, принимается равной (рис. 16)

= (0,015—0,020) DB,

где большее значение относится к винтам и направляющим аппаратам с числом лопастей (лопаток) более трех, а также к деталям с гидро­ прессовой посадкой (DB— диаметр винта).

Расстояние между основанием посадочного гнезда ступицы и осью ступицы винта выбирается по формуле

где dK— диаметр отверстия в сечении, проходящем через ось о—х, перпендикулярную оси ступицы. Средняя высота контактной грани посадочного гнезда ступицы и комля лопасти выбирается по формуле

Торцевые диаметры ступицы принимаются конструктивно из условия размещения гайки упорной и обтекателя, а также обтекае­ мости винто-рулевого комплекса.

Наибольший диаметр ступицы направляющего аппарата выби­ рается конструктивно.

Ширина посадочного гнезда ступицы зависит от толщины корне­ вого сечения лопасти (лопатки) и определяется по формуле

* В направляющих аппаратах, закрепляющихся в корпусах насоса неподвижно, комлевые части лопатки имеют не трапецеидальное (как у лопасти гребного винта), а прямоугольное сечение. Это вызвано тем, что лопатки направляющих аппаратов не испытывают центробежных нагрузок и для их закрепления достаточно одних сил трения.

52

где ^max Толщина корневого сечения Лопасти (лопатки), опреде­ ляется расчетом прочности; ав — угол между основанием и гранями посадочного гнезда ступицы и комля лопасти.

Толщина стенки между соседними посадочными гнездами сту­

где а к — угол между осями посадочного гнезда и ступицы, равный

Дальнейшее построение посадочного гнезда ступицы осуществляется с помощью графического метода.

При определении размеров посадочного гнезда ступицы воз­ можны случаи, когда контактные поверхности неодинаковы по вели­ чине. Для получения равных контактных поверхностей допускается перемещение оси гнезда вверх—вниз и вправо—влево на расстояние 15—20 мм. Допускается разница в величинах контактных поверх­ ностей на 15—20%. Величину площади контактной поверхности по­ садочного гнезда ступицы (комля лопасти или лопатки) можно при­

где /к г — длина основания контактной грани.

Нормальное сечение комля лопасти (лопатки) вычерчивается аналогично нормальному сечению посадочного гнезда ступицы.

где 7в — угол между осью лопасти (лопатки) и линией, проходящей через ось винта (направляющего аппарата); Д — величина вертикаль­ ного перемещения лопасти в результате посадки клиньев, равная А = (1 + 0,00ШВ) мм.

53

Значение А определяется только Для винтов, у которых напря­ женное соединение лопасти со ступицей создается с помощью распор­ ных клиньев (рис. 25), запрессовываемых под основание комля ло­ пасти.

Клинья выполняются односкосными и их размеры определяются из следующих соотношений: ширина Ьк = Ьв — 2г, где г — радиус галтели паза ступицы (рис. 16), наименьшая толщина /ік = 1—2 мм,

Xугол при вершине клина фк =

=1—2°. Длина клиньев (/к) вы­ бирается конструктивно.

Для соединения пластмассо­ вых лопастей с металлической ступицей применяется и бес­ клиновой метод. В этом случае одна из контактных граней комля лопасти и посадочного гнезда ступицы поворачивается по отношению к другой на угол

выполняется для цилиндрического сечения, расположенного на наибольшем радиусе ступицы; распределение сил упора по ло­ пасти принимается прямо пропорционально радиусу, а касатель­ ных сил — постоянным вдоль радиуса; материал лопасти рабо­ тает в области упругих деформаций, подчиняясь обобщенному

(в 5—7 раз) деформации посадочных гнезд не учитываются; расчет нагрузок, действующих на лопасть, выполняется для номинального режима, а возможные перегрузки (швартовный режим, циркуляция, реверс и т. п.) учитываются введением соответствующих коэффи­ циентов.

О б т е к а т е л и и з а щ и т н ы е к о л п а к и . Пластмас­ совые обтекатели гребных винтов и защитные колпаки, не подвер­ женные давлению, дополнительно на прочность не рассчитываются, а определяются только элементы крепления (болтовое соедине­ ние).

54

Так, шаг болтов должен быть не более 6d6 (d6— диаметр болта), а толщина буртика обтекателя (колпака) не менее 1,2d6.

Нагруженные обтекатели и колпаки подвергаются расчету на прочность.

Конструктивно пластмассовые обтекатели гребных винтов вы­ полняются трех вариантов (рис. 20, 21, 22): с фланцем и наружным армировочным кольцом; с фланцем и внутренним армировочным кольцом; с армировочным кольцом и армировочной втулкой.

требований, предъявляемых к датчикам анеморумбометров — воз­ душным винтам аэронавигационных станций,— является повышен­ ная геометрическая точность лопастей и их высокая деформационная стойкость в процессе эксплуатации. Раньше эти детали изготавлива­ лись из алюминиевых сплавов марок Д16АТ и Д1Т. По сравнению с алюминиевыми сплавами марок Д16АТ и Д1Т стеклопластики об­ ладают более высокими физико-механическими свойствами, что и определило их применение в датчиках ветроизмерительных приборов вместо указанных материалов.

Из технологических соображений конструкция воздушного винта делается сборной, состоящей из пластмассовой ступицы, 4 пластмас­ совых лопастей, 4 металлических штифтов и армировочной втулки (рис. 26). Лопасти и ступица изготавливаются раздельно и соеди­ няются между собой с помощью эпокситиоколового клея и штифтов.

55

Пластмассовые воздушные винты анеморумбометров более на­ дежны и удобны в эксплуатации по сравнению с аналогичными

ГЛАВА II

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ КАК АНИЗОТРОПНЫЙ МАТЕРИАЛ

§ 6

Симметрия свойств и упругая деформативность

Симметрия механического свойства может быть исследована путем анализа симметрии геометрической фигуры, изображающей измене­ ние характеристики этого свойства в зависимости от направления. Такие фигуры (поверхности анизотропии) строятся на основании экспериментального изучения характеристики определенного свой­ ства материала.

Наиболее наглядным является следующий способ построения поверхностей анизотропии. Отложим от произвольного начала коор­ динат радиусы-векторы, изображающие величину какой-либо меха­ нической характеристики материала в соответствующем направле­ нии. Полученная геометрическая фигура изобразит изменение рас­

56

сматриваемой характеристики в зависимости от направления усилия в материале.

Симметричной принято называть такую фигуру, которая может быть совмещена сама с собой при ее повороте вокруг осей симметрии или при ее отражении в плоскости симметрии, т. е. при так называе­ мых симметрических преобразованиях. Если заменить поворот самой фигуры поворотом системы осей координат, то симметрическое пре­ образование может быть математически представлено как изменение рассматриваемой характеристики при повороте координатных осей [4].

Свойства анизотропных сплошных сред, обладающих симметрией в указанном выше смысле, можно количественно охарактеризовать математическими величинами, преобразование которых при пово­ роте осей координат будет происходить по определенным линейным законам. Разным свойствам одной и той же среды могут при этом соответствовать величины, преобразующиеся по разным законам, имеющим общие характерные черты.

Формулы линейного преобразования координат точек фигуры (поверхности анизотропии) могут содержать произведения двух, трех или большего числа косинусов, в зависимости от характера фигуры, изображающей те или иные свойства материала, от природы этих свойств или, иначе говоря, от ранга тензора, отвечающего рас­ сматриваемому свойству анизотропного материала.

В трехмерном эвклидовом пространстве тензором называется совокупность математических величин (компонент), преобразующихся при повороте осей координат по определенным линейным законам и обладающих рядом свойств, общих для этих величин.

Следует различать материальные тензоры, описывающие свой­

Симметрия таких величин, как напряжения и упругие деформации в точке какой угодно сплошной среды, соответствует преобразованию компонентов тензора второго ранга при повороте прямоугольной системы координат. Это преобразование сводится к суммированию произведений, содержащих множителями по два косинуса углов поворота осей координат.

Упругие постоянные анизотропных сред являются компонентами тензора четвертого порядка в трехмерном пространстве, а их пре­ образование при повороте осей координат получается путем суммиро­ вания произведений, содержащих множителями по четыре косинуса углов поворота осей. Напряжения являются компонентами тензора второго ранга. Число компонент тензора напряжений в то же время не зависит от симметрии среды, а величина компонент не характе­ ризует свойств среды. Число компонент материального тензора упругих постоянных, в отличие от полевого тензора напряжений, зависит от симметрии среды (от расчетной схемы, ее анизотропии), а величина компонент непосредственно характеризует упругие свой­ ства данной среды.

57

Тензоры (материальные), при помощи которых описываются физи­ ческие и механические свойства анизотропных сред, могут обладать различным рангом, при этом число исходных независимых компо­ нент для каждого тензора определяется не только его рангом, но и симметрией среды. Большинству конструкционных стеклопласти­ ков можно с достаточной степенью точности приписать расчетную схему ортогональной или трансверсальной анизотропии. Если закон преобразования характеристики какого-либо свойства при повороте осей координат (ранг соответствующего тензора) выведен исходя из теоретических соображений, то сопоставление геометрического изо­ бражения этого закона в виде поверхности анизотропии с эксперимен­ тальными данными может служить проверкой правильности исход­ ных допущений, лежащих в основе вывода.

Механические свойства конструкционных анизотропных мате­ риалов, интересующие инженера, должны в первую очередь характе­ ризовать их деформативность и прочность. Для характеристик упругих свойств анизотропных тел четвертый ранг тензора вы­ водится теоретически, исходя из допущения о существовании упру­ гого потенциала. Описание характеристик прочности анизотропных тел при помощи аналогичного тензора четвертого ранга основы­ вается на инвариантном полиномиальном критерии прочности [5]. В работе [43 ] показано, что характеристики анизотропных тел при пол­ зучести, исходя из допущения о «потенциале ползучести», можно опи­ сать также некоторым тензором четвертого ранга. Таким образом, для количественного описания механических свойств анизотропных тел применимы тензоры четвертого ранга, рассмотренные подробнее далее.

Симметрия анизотропной среды определяется ее структурой. Наиболее часто в технике встречаются материалы, которым с до­ статочной степенью точности можно приписать наличие в каждом элементарном объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей

Линии пересечения плоскостей симметрии являются осями симме­ трии второго порядка. Пространственная фигура (поверхность ани­ зотропии), изображающая характеристику какого-либо свойства ортотропного материала, обладает тремя взаимно перпендикуляр­ ными осями симметрии второго порядка. Поворот фигуры на я/2 = ~ 180° вокруг оси симметрии второго порядка приводит к совмеще­ нию всех ее точек. Оси симметрии кристалла кубической системы имеют четвертый порядок, т. е. поворот фигуры на угол я/4--- 90° приводит к совмещению всех ее точек. Поверхности анизотропии в этом случае отсекают на трех осях одинаковые величины отрезков. Для ортотропного материала эти отрезки имеют различную величину, поскольку оси симметрии ортотропного материала имеют не четвер­ тый, а второй порядок. Величины отрезков, отсекаемые на одной и той же оси по обе стороны от центра фигуры, будут одинаковыми для обоих материалов. В таких случаях говорят, что величина имеет центр симметрии. Оси симметрии ортотропного материала назы­ ваются главными осями его анизотропии.

58