Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ суіідествующих технологий и материалов для изготовления сосудов высокого давления из полимерных материалов 14
1.1 Конструкции сосудов высокого давления 14
1.2 Изготовление сосудов высокого давления из полимерных материалов
1.2.1 Технологии изготовления внутренней оболочки из полимерных материалов 17
1.2.2 Технологии изготовления внешнего силового слоя 21
1.3 Материалы для изготовления полимерных композитных сосудов высокого давления 25
1.3.1 Полимерные материалы, перерабатываемые методом ротационного формования, пригодные для изготовления внутренней оболочки сосуда высокого давления 25
1.3.2 Материалы, пригодные для изготовления силовой оболочки сосуда высокого давления 1.3.2.1 Волокнистые наполнители 28
1.3.2.2 Связующие для изготовления силовой оболочки 33
1.4 Выводы и обоснование направления исследования 37
ГЛАВА 2 Разработка научно обоснованных режимов переработки термопластов методом ротационного формования 40
2.1 Объекты и методы исследования 42
2.1.1 Объекты исследования 42
2.1.2 Методы исследования 43
2.2 Особенности процесса получения изделий методом ротационного формования з
2.3 Разработка требований к полимерным материалам для переработки методом ротационного формования
2.4 Исследование влияния технологических режимов переработки на качество изделия, полученного методом ротационного формования 62
2.4.1 Обоснование оптимальной температуры переработки линейного полиэтилена низкой плотности 63
2.4.2 Определение продолжительности нагрева при переработке линейного полиэтилена низкой плотности 67
2.4.3 Влияние скорости вращения формы на равнотолщинность изделия 71
2.4.4 Определение продолжительности охлаждения при переработке линейного полиэтилена низкой плотности 74
ГЛАВА 3 Конструкция сосуда высокого давления из полимерных композитных материалов 77
3.1 Изучение физико-механических свойств изделий, полученных из ротационных марок линейного полиэтилена низкой плотности
3.2 Расчет разрушающего напряжения предлагаемой конструкции без силовой оболочки
3.3 Выбор материала и способа создания внешнего силового слоя 94
3.3.1 Анализ применимости стеклопластиков для изготовления силового слоя сосуда высокого давления 94
3.3.2 Расчет прочностных характеристик силовой оболочки 96
3.4 Исследование адгезионной прочности герметизирующей и силовой оболочки 98
ГЛАВА 4 Разработка технологии изготовления гибридного сосуда высокого давления 105
4.1 Технология изготовления внутренней оболочки сосуда высокого давления из линейного полиэтилена низкой плотности 105
4.2 Технология процесса оформления силового слоя и сборки сосуда высокого давления 112
ГЛАВА 5 Результаты испытаний разработанного сосуда высокого давления 118
5.1 Разрушение гидравлическим давлением в том числе пневматические испытания 119
5.2 Циклические (ресурсные) испытания сосудов высокого давления 121
5.3 Испытания сосудов высокого давления на ударные нагрузки, прострел и наличие дефектов 123
5.4 Испытания при различных климатических условиях 124
5.5 Кручение закладной горловины 124
5.6 Испытание на газопроницаемость 125
Заключения 128
Список сокращений и условных обозначений 130
Список литературы 131
- Технологии изготовления внешнего силового слоя
- Особенности процесса получения изделий методом ротационного формования
- Анализ применимости стеклопластиков для изготовления силового слоя сосуда высокого давления
- Технология процесса оформления силового слоя и сборки сосуда высокого давления
Технологии изготовления внешнего силового слоя
На основании полученных из источников [4, 10] сведений, а также рекламной информации, представленных на отраслевых выставках, можно сделать вывод, что существующие в настоящее время или предлагаемые СВД из ГЖМ представляют собой двухслойные баллоны, состоящие из термопластичного и композитного слоев с закладным металлическим штуцером. Внутренний слой баллона является герметизирующей оболочкой, изготовленной из термопластичного материала. Внешний слой является силовым, он образован намоткой групп слоев волокнистого ровинга или формуемой нити, пропитанных полимерным связующим. Силовой слой уложен вплотную к закладному металлическому штуцеру. Рассмотрим более подробно конструкции известных СВД.
Хотя на выставках представлены образцы СВД из ГЖМ, в настоящее время многие предприятия отрасли занимаются выпуском, в основном, облегченных металлокомпозитных баллонов [11-16]. Эти баллоны представляют собой двухслойные конструкции, где внутренний слой изготавливается из металла, он является герметизирующим, внешний слой выполняется из композитного материала является силовым. Так, композитные баллоны высокого давления (до 30 МПа), представляющие собой внутренний стальной лейнер и внешнюю оболочку из стеклопластика, пропитанного связующим, выпускают: ООО «Геро» (г. Санкт-Петербург), ООО «Элина-Т» (г. Москва), ОАО «Орский машиностроительный завод» (г. Орск Оренбургская обл.), ФГУП «Котласский механический завод» (г. Котлас, Архангельская обл.), FABER Industrie (Италия); композитные баллоны с рабочим давлением 20 МПа на основе алюминиевого лейнера и базальтового волокна производит ООО НПФ «Реал-шторм» (г. Ижевск, республика Удмуртия). ЗАО НПП «Маштест» (г. Королев, Московская обл.) и DYNETEC Industries (Канада) выпускают композитный баллон (алюминиевый лейнер + углеволокно) с рабочим давлением 30 МПа; чешская фирма Armotech s.r.o. (г. Прага) специализируется на производстве СВД из стали и углеволокна.
Применение металла в конструкции СВД объясняется достаточно просто. Технология изготовления таких изделий давно отработана, а стоимость материалов невысока. В то же время переход на ПКМ требует полного переоснащения производства, что связано с существенными капитальными затратами.
Некоторые производители СВД пошли дальше изготовителей металлокомпозитных баллонов и разработали компактные емкости для хранения газов, в конструкции которых металлический лейнер заменен лейнером полимерным [17].
Полимерно-композитные баллоны компании Lincoln Composites (США) имеют конструкцию (рисунок 1.1), состоящую из внутренней оболочки 3 из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП); силовой оболочки 4 из гибридного композиционного материала на основе стеклянных волокон и углеродных волокон с высокой прочностью; закладного элемента 1 из алюминиевого сплава для подсоединения запорной арматуры; покрытия 6 из пенополиуретана (ППУ) для защиты сферических поверхностей от ударов; наружного покрытия 5 из намотанного стеклопластика для защиты от абразивного износа [18].
Компания Composite Scandinavia (Швеция) [19] выпускает полимерные композитные баллоны серии Compolite и Passion из намотанного стеклопластика, пропитанного эпоксидной смолой, с наружным кожухом из термопласта. По данным на начало 2014 г. [4] в России есть только один завод (ГК «Автокомпонент», г. Нижний Новгород), занимающийся выпуском полимерных композитных газовых баллонов (совместно с норвежской компанией Rugasco). Эти баллоны состоят из одной оболочки, изготовленной из стекловолокна (ровинг DR R25HX14 2400 С CRP12/12E-250), пропитанного эпоксиполивинилэфирной смолой марки Derakane 8090 [19]. Для дополнительной защиты от ударов и удобства транспортировки внешняя оболочка (кожух) баллона выполнена из термопласта (ПЭВП). Все части кожуха выполнены методом литья под давлением.
Особенности процесса получения изделий методом ротационного формования
Стадии формования изделия. Сущность ротационного формования заключается в том, что термопластичный порошкообразный материал, помещенный во вращающуюся в двух плоскостях форму, при нагревании перемешивается, расплавляется, равномерно распределяется на внутренней поверхности формы и охлаждается вместе с формой образуя изделие заданной конфигурации [47]. Можно выделить четыре стадии процесса ротационного формования (рисунок 2.6):
На первом этапе материал находится в твердом состоянии. Температура материала (Тм) с формой (Тф) и температура окружающей среды (Токр) изначально одинаковы и составляют 20 С ( Тф=Тм =Токр). На данном этапе начинается разогрев материала с формой до температуры плавления полимера. Материал свободно пересыпается при вращении ротационной формы, происходит первичное распределение материала внутри формы.
Полимерный материал за счет действия силы тяжести перемещается как одно целое. Частицы, находясь внутри вращающейся формы, остаются в постоянном контакте друг с другом, перемещаясь вместе с ее поверхностью до тех пор, пока его часть не превысит динамический угол естественного откоса [50]. Порция материала, превысившая данный угол, отрывается от стенки формы и пересыпается в основание формы (рисунок 2.7.). Перемещение частиц полимера внутри формы зависит от его сыпучести, определяемой углом естественного откоса.
Поскольку на данном этапе материал не расплавлен, то он представляет собой физическое тело, подчиняющееся законам механики [55]: mg Fip (2.9) Движение порошкообразного материала в форме В результате непрерывного вращения ротационной формы и действия силы тяжести материал перемещается в ротационной форме по сложной пространственной траектории [59], вычисляемой геометрическим сложением векторов скоростей движения - Vx, Vy и Vz: Разогрев ротационной формы до температуры плавления полимера условно можно считать окончанием первого этапа ротационного формования.
Второй этап характеризуется нагревом формы до температуры, приводящей к расплавлению порции термопласта, и образованию вязкотекучего слоя полимера на внутренней поверхности ротационной формы. Размер расплавленного слоя соизмерим с размером частиц термопласта. Образование вязкотекучего слоя полимера условно можно считать окончанием второй стадии формования, на которой материал находится как в твердом, так и в расплавленном состояниях,
На третьем этапе происходит постепенное расплавление полимерного материала и его распределение по внутренней поверхности ротационной формы. По мере продолжающегося нагрева порошкообразный материал пересыпается по увеличивающемуся по толщине вязкотекучему слою термопласта. При этом действие силы трения и достаточная вязкость расплава исключают перемещение материала относительно стенки формы. Здесь происходит окончательное расплавление частиц порошка.
После перехода всего материала в вязкотекучее состояние заканчивается третья стадия формования изделия. На четвертом этапе происходит охлаждение формы с целью образования изделия. Продолжительность нагрева ротационной формы с материалом подбирается таким образом, чтобы обеспечить дегазацию расплавленного полимерного материала и не допустить начала термической деструкции.
Разогрев термопластичного материала внутри ротационной формы происходит за счет двух типов передачи тепла (теплопроводности и конвекции).
Стадии дегазация расплава полимера. Основным видом брака при ротационном формовании является [60] наличие воздушных включений и присутствие нерасплавленных частиц порошка в сечении стенки изделия. Газовые пузыри неизбежно попадают в расплавленный материал, а присутствие нерасплавленных частиц порошка свидетельствует о недостаточной продолжительности разогрева материала.
Рассматривая находящуюся на стенке вращающейся формы газовый пузырек, можно выделить три стадии прохождения газовым пузырем слоя вязкотекучего термопласта и изменения его формы.
Вначале пузырь может находиться на стенке ротационной формы. Затем, отрываясь от нее, движется внутри полимерного слоя и выходит на поверхность. Удалению газовых пузырей препятствует увеличивающаяся при затвердевании вязкость расплава и поверхностное натяжение расплава. Также вследствие разности гидростатического давления у основания и вершины пузыря, последний неизбежно начинает сжиматься.
Поверхностное натяжение полимера затрудняет деформацию пузыря и удерживает его на поверхности изделия до тех пор, пока сила плавучести не достигнет величины, способной оторвать его от стенки формы. Разработка требований к полимерным материалам для переработки методом ротационного формования При разработке требований к ПМ, перерабатываемым методом ротационного формования, необходимо понимать происходящие при этом физико-химические процессы. Поскольку в предыдущем разделе 2.1 эти вопросы были подробно рассмотрены, сформулируем требования к термопластам.
Сыпучесть линейного полиэтилена низкой плотности. При выборе технологических параметров ротационного формования необходимо учитывать сыпучие свойства перерабатываемых полимеров, такие как [52]: размер частиц материала, угол естественного откоса, коэффициент внутреннего трения, и т.д. Кроме этого, сыпучесть термопластов [59] влияет на равномерность распределения ПМ по внутренней поверхности формы, то есть на равнотолщинность полученного изделия.
Гранулометрический состав полимеров [61] характеризует содержание частиц различного размера, которое выражается в процентах от общей массы. Чем более однородный материал по составу, тем более он технологичен.
В отличие от известных способов пластикации, при переработке ПМ методом РФ не происходит уплотнения, сжатия и гомогенизации расплава. Переход ПМ из твердого состояния в вязкотекучее зависит не только от теплопроводности материала и конструкции используемой формы, но и от наличия воздушных промежутков между частицами полимерного сырья. Поэтому размер частиц материала оказывает значительное влияние на длительность цикла производства и на качество получаемого изделия.
Для оценки влияния размера частиц перерабатываемого материала на продолжительность перехода полимера из твердого состояния в вязкотекучее, был исследован ЛПЭНП торговой марки UR-644 для частиц с крупностью помола: 200-300 мкм, 400-500 мкм, 600-700 мкм, 3000-4000 мкм. Для каждой из фракций определена продолжительность перехода из твердого состояния в состояние расплава, для этого использовали навеску каждой фракции массой 20 гр.
Анализ применимости стеклопластиков для изготовления силового слоя сосуда высокого давления
Анализируя полученные результаты (табл. 3.1 - 3.4), можно отметить, что свойства изделий, получаемых ротационным формованием из ЛПЭНП марок UR-644 и UR-754, близки к свойствам полиэтилена базовых марок отечественного производства [82] и не уступают им. Поэтому использовать ЛПЭНП марок UR-644 и UR-754 для изготовления внутреннего слоя сосудов высокого давления вполне возможно.
Результаты выполненного исследования показывают, что введение вторичного сырья в состав композиций не приводит к существенному ухудшению свойств изделий, значения показателей, в основном, сохраняются, изменения почти не превышают погрешности определения исследуемых величин.
Полученные результаты показывают, что имеются отличия свойств изделий, полученных методом РФ и другими методами. В частности, в табл. 1.1 приведены значения твердости по Бринеллю для ЛПЭНП марок UR-644 и UR-754, которые составляют, соответственно, 63 и 45 МПа. Но эти значения получены на стандартных образцах, изготовленных с использованием методов литья под давлением или прессования при повышенном давлении. При испытании образцов, вырезанных из изделий, полученных методом РФ при атмосферном давлении, были получены более низкие значения показателей. Для изделий, полученных из исходного сырья, без введения добавок, они составили 29 - 30 МПа. Это, видимо, связано со спецификой РФ и возможностью образовании внутренних дефектов в изделиях.
Прочностной расчет внутренней оболочки СВД. Внутренняя образующая оболочки, изготавливается из ЛПЭНП с пределом текучести ат=0,9ат=0,85 17,8=15 МПа, с толщиной стенки 3 мм. Расчёт внутренней оболочки СВД был проведен в два этапа: 1. Определены меридиональные напряжения (от) и окружные напряжения (ое) в цилиндрической части СВД, при внутреннем давлении газа 30 МПа (рисунок 3.2)
Определяя эквивалентное напряжение в опасной точке сосуда, необходимо найти главные напряжения (окружное и меридиональное напряжения) в этой точке. Уравнение равновесия для цилиндрической части сосуда [83] ОпщгяКбц - роЯрД ц)2 = 0 (3.2) где (Зпщ, атсф - меридиональные напряжения цилиндрической и сферической частей СВД, соответственно; а9ц, а9сф - окружные напряжения цилиндрической и сферической частей СВД, соответственно; 5Ц, 5Сф - толщина стенок цилиндрической и сферической частей СВД, соответственно.
В этом уравнении первый член - равнодействующая системы сил, обусловленных возникновением меридиональных напряжений (27iR5y - площадь кольца, образованного сечением стенки сосуда). Второй член -равнодействующая сил давления газа (ро). Однако, учитывая, что толщина стенки СВД намного меньше его диаметра, то величинами 5Ц, 5Сф можно пренебречь. Тогда уравнение равновесия примет вид [83]
Происхождение скачка ае на цилиндрическом участке СВД связано с отсутствием проекции меридионального напряжения (отс) на нормаль к элементу. Очевидно, что в обоих конструкциях опасным является цилиндрический участок СВД. Для опасных участков были вычислены эквивалентные напряжения. Формула для вычисления эквивалентного напряжения по известным главным напряжениям (пятая теория прочности) имеет вид [84]
Таким образом, проведенные прочностные расчеты подтверждают необходимость армирования внутренней полиэтиленовой оболочки для обеспечения заданной прочности СВД.
Прочностной расчет горловины (штуцерный узел). Отверстие, через которое попадает рабочая среда в СВД, может иметь штуцер и другие технологические элементы. Вариантов штуцерных узлов в СВД существенно меньше, чем для сосудов низкого и среднего давления [77]. В частности, в СВД не применяют приварные усиливающие накладки, как правило, не используют штуцеры с некруговым отверстием. Конструктивное оформление штуцерного узла зависит от ряда факторов: относительного диаметра отверстия, места расположения (в днище или цилиндрической стенке СВД), расстояния от отверстия до других концентраторов напряжений, конструкции стенки корпуса, возможности размещения укрепляющей части штуцера внутри СВД, характера нагружения. Основные характеристики штуцерного узла - безразмерные параметры d/D nd/yfDs, где d и D - внутренние диаметры отверстия и сосуда, s -толщина стенки корпуса (днища).
Одним из наиболее ответственных конструктивных элементов СВД являются штуцерные узлы, расположенные на корпусе или днище. Проектирование штуцерных узлов регламентируется специальными стандартами [83, 86], однако в них не приводятся методики расчета напряженного состояния или максимальных напряжений при проектировании штуцерных узлов СВД, не дается оценка влияния тех или иных параметров (прежде всего, геометрических) на прочность конструкции [85].
На рисунке 3.5 приведен чертеж штуцерного узла распылителя СВД, спроектированного в ходе выполнения данной диссертационной работы в ООО «Ротек», и рассмотренного в качестве примера конструкции для расчета на прочность.
Материалом для изготовления горловины крепления штуцера была выбрана латунь марки ЛЦ23А6ЖЗМц2 с пределом текучести ат=140 МПа, штуцера 88 латунь той же марки и сталь СтЗ с пределом текучести ат=250 МПа. Расчет прочности крепления штуцера и горловины к герметизирующей оболочке из ЛПЭНП был произведен при давлении 30 МПа. В конструкции штуцерного узла резьба крепления штуцер-горловина была выбрана конической, так как в коническом соединение нагрузка распределяется между всеми витками резьбы. Внутренний диаметр горловины составляет 16 мм, внешний примем равным 28 мм, диаметр срединной поверхности трубы - 22 мм, толщину стенки - 6 мм. Аналогично расчету цилиндрической части внутренней оболочки СВД определим из уравнения Лапласа, полагая что pm=0, Pe=R, Р=Ро, для горловины окружное напряжение
Технология процесса оформления силового слоя и сборки сосуда высокого давления
Механическая обработка изделия полученного методом ротационного формования. Механическая обработка является неотъемлемой операцией при изготовлении изделия методом РФ. Этот вид операции невозможно проводить прямо на рабочем месте. Приходится применять специальные методы обработки, а именно, фрезерование, сверление, резка.
Готовое изделие, не успев остыть до температуры 20 С, отправляется на механическую обработку. Чем выше температура изделия, тем оно более податливое при обработке. В первую очередь необходимо удалить облой, образующийся по краям изделия в плоскости смыкания фланцев. Облой удаляют при помощи концевой фрезы на низких оборотах ее вращения [99]. Иногда эту операцию можно провести при помощи ножа, необходимо лишь чтобы изделие не успело остыть. После этого изделие отправляется на стадию комплектовки, где изделие укомплектовывают в соответствие с требованиями, предъявляемыми к готовому продукту.
Хранение готовых изделий изготовленных методом РФ. Хранение готовых изделий может осуществляться в складском помещении предприятия или непосредственно на его территории на улице под открытым небом. Хранение изделий на улице возможно благодаря высоким эксплуатационным свойствам исходных материалов, таких как тепло- и морозостойкость, а также высокая химическая стойкость.
Отгрузка готовых изделий. Готовые изделия с помощью автопогрузчика транспортируются к грузовому автотранспорту, посредством которого и осуществляется вывоз изделий для выполнения дальнейших технологических операций (нанесение на готовый полимерный лейнер силовой оболочки).
В таблице 4.2 приведены данные об основных технологических операциях процесса ротационного формования изделий и времени, необходимого для его осуществления.
Из данных таблицы 4.2 видно, что на изготовление одного изделия методом ротационного формования требуется не менее часа, то есть процесс достаточно длительный. Несмотря на это, метод ротационного формования позволяет получать изделия при минимальных экономических затратах за счет дешевизны оснастки, возможности варьирования толщины стенки (вплоть до 15-20 мм) без каких-либо изменений форм. Таблица 4.2 - Перечень основных технологических операций процесса ротационного формования
Наименованиетехнологическойоперации Технологическиережимы:- температура;- частотавращения Продолж ительностьоперации, мин Примечание Приемка сырья не выше + 25 С;относительнаявлажность (40-80)% Хранят в закрытом помещении, исключающемпопадание прямыхсолнечных лучей, нарасстоянии не менее 1 м отнагревательных приборов Помол гранулята - - Определяется параметрами установки для измельчения Дозирование порошка - - Определяется параметрами дозирующего устройства 112 Продолжение табл. 4. Разгрузка формы 25-30 С; 0 об/мин Не более 10 Подготовка формы 20-30 С;относительнаявлажность (40-80)% Не более 2 Обработкаспециальнойсмазкой Загрузка формы 25-30 С; 10 об/мин Не более 10 Нагрев формы 230-280 С, 10 об/мин 20-30 Нагрев длится от 20 до 30 мин в зависимости отгабаритов формы Охлаждение формы 25-30 С; 10 об/мин 20-30 Определяетсятипом хладагентаи условиямиохлаждения Механическая обработка изделия на низкихоборотах и приувеличеннойподаче шпинделя Не более 2 Осуществляетсяпри помощи концевой фрезы
Хранение готовых изделий от минус 40 С до плюс 60 С при относительнойвлажности до 95 % - Отгрузка готовых изделий - ИТОГО 64-84 Кроме этого, в процессе ротационного формования материал испытывает слабое механическое воздействие [36], вследствие чего, частицы полимера не приобретают ориентации и изделие характеризуется низким уровнем остаточных напряжений, что особенно важно для СВД.
Производственный процесс сборки СВД осуществляется в следующей последовательности: - подготовка поверхности полимерного лейнера; - намотка на полимерный лейнер из ЛПЭНП армирующего материала (AM) - изготовление силовой оболочки СВД методом намотки; - механическая обработка торцов корпуса СВД и сборка. Подготовка поверхности полимерного лейнера включает в себя шероховку и обезжиривание поверхности без использования дополнительных праймеров и клеевых составов, с учетом рекомендаций приведенных в разделе 2.4. Изготовление силового слоя заключается в намотке непрерывного армирующего материала в виде волокна на вращающийся внутренний баллон (оправку).
Для осуществления процесса намотки AM используют специальные намоточные агрегаты. Как было показано в главе 1, наибольшее распространение получила спирально-кольцевая намотка, при которой лейнер непрерывно вращается, в то время как раскладчик AM перемещается возвратно-поступательно в продольном и поперечном направлениях.
Спирально-кольцевая укладка AM композитной оболочки осуществлялась автоматически намоткой спиральных слоев под углами, рассчитанными в главе 3.2.2.
Намотка разработанного в ходе выполнения данной диссертационной работы полимерного композитного баллона осуществлялась на предприятии ООО «Навигационный дом» (г. Гатчина, Ленинградская обл.) на установке, представляющей собой модернизированный токарный станок с ЧПУ. Установка была спроектирована аналогично намоточному устройству, приведенному в работе [20] с учетом выявленных при ее эксплуатации недостатков и неточностей (рисунок 4.3).
Устройство состоит из трех узлов, связанных между собой вертикальной планкой 1 электромагнитной системы, состоящей из втягивающего электромагнита и пускового выключателя, установленного на продольной направляющей намоточного станка. Средний узел состоит из направляющего цилиндра 2 и цилиндрического фиксатора с кольцевой проточкой 3, в которую перед началом намотки входит фиксирующая чека 4. Верхний и нижний шпиндельные валы 5 являются передними центрами для фиксации двух баллонов и снабжены подпружиненными цилиндрами 6, связанными с валами шпоночным соединением 7, торцы которых выполнены в виде гребенки 8 с зубцами, расположенными под углом 90 , поверхность которых отполирована. Чека 4 связана с втягивающим электромагнитом. На суппорте закреплен толкатель для возврата подпружиненных гребенок в исходное перед намоткой положение (рисунок 4.4).