Автореферат (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления), страница 2

2рис. 4.10Рис. 2. Намоточный станок тяжелого типаРис. 3. Лабораторный станок легкой серииРис. 4. Типичная схема исполнения отдельных узлов намоточного станкаПо результатам анализа сделан вывод, что движение их исполнительныхорганов сводится к следующей общей схеме (рис.5):11Рис. 5 Движения исполнительных органов:±х – угловая координата, отвечающая за вращательное движениеоправки; ±у – координата, отвечающая за поступательно-возвратноедвижение центра раскладочной головки вдоль оси вращения; ±z –координата, отвечающая за поступательно-возвратное движение центрараскладочной головки в плоскости, перпендикулярной оси вращенияоправки; ±w – координата, отвечающая за поступательно-возвратноедвижение центра раскладочной головки в плоскости, перпендикулярнойоси вращения оправки; ±u – угловая координата, отвечающая заповорот раскладочной головки относительно оси z; ± v – угловаякоордината, отвечающая за поворот раскладочной головкиотносительно оси wРассмотреныразличныеконструктивныесхемынитетрактовспропиточными устройствами (рис.

6- 8), устройства хранения и подготовкинити (шпулярники).Рис. 6.Типовая схема нитетракта12Рис. 7. Типовая схема пропиточного устройстваРис. 8. Компенсаторы, совмещенные со шпулярникамиНапрактике,длянамоткиоболочеквращения,наиболеераспространенными схемами станков являются четырехкоординатные (±х, ±y, ±z, ±u или W) или трехкоординатные (± х, ± y, ± z) намоточные станки.Анализируя современные направления в развитии метода намотки, следуетотметить, что деятельность большинства зарубежных и отечественныхпроизводителей оборудования сконцентрировалась в двух направлениях:- разработка универсальных станков (в основном для отработки новыхизделий) с измененной геометрией рабочей зоны и максимальным оснащениемстанков дополнительными средствами намотки и выкладочными головками;-разработкаспециальныхстанков(серийноепроизводство)дляизготовления изделий определенной геометрии и размеров.

В последних, какправило, используют стандартные узлы привода и управления, применяемыепри создании различных намоточных устройств.13Таким образом, современные намоточные станки позволяют изготавливатьлюбые емкости (тела вращения) с большой точностью укладки армирующегоматериала, в том числе комбинированные баллоны высокого давления.Третья глава посвящена расчету основных параметров реализации методанамотки нитью.В процессе намотки армирующих нитей на поверхности оправки образуетсянекоторый рисунок, определяющий схему армирования оболочки будущегоизделия.PqЕсли приращение угла поворота оправки    ( P, q  N ) за один шаг (отточки касания геодезической линии с краем оправки u   до точки касания скраем u     ), то геодезическая линия на рассматриваемой поверхностиоправки  0 замкнется через 2q шагов.

Причем, если= т (т - целое число),2то за один шаг геодезическая линия т раз обходит поверхность  0 и непокрывает всю поверхность  0 рассматриваемой оправки. В случае если-иррациональное число, то геодезическая линия всюду плотно обматываетповерхности  0 .Таким образом, уравнения этих геодезических линий на поверхности  0имеют вид: l :    (u )  2l l :    (u )  2l .(1)Если же  - иррационально, то куски никогда не совмещаются и всягеодезическая линия всюду плотно обматывает поверхность  0 .

Таким образом,рассмотренную модель поверхности  0 можно сколь угодно плотно обмотатьодной нитью.14Исходя из данных замечаний, для практической реализации метода намотки вкачестве основных параметров, определяющих рисунок намотки оболочки изделияв виде тела вращения, устанавливаются: - угол охвата лентой оправки при одном возвратном и поступательном ходераскладочной головки намоточного станка;m - заходность намотки, т. е. количество возвратно-поступательных движенийраскладочной головки к моменту достаточно близкого замыкания траекториинамотки;t - шаг намотки, определяющий некоторое смещение армирующей ленты поокружной координате поверхности (например, смещение по максимальномупериметру оправки на ширину ленты, необходимое для равномерного покрытияармирующим материалом всей поверхности оправки).Очевидно, что угол охвата  , заходность m и шаг t намотки (выраженный врадианах между соседними лентами в сечении с координатой z = const) дляобеспечения плотной намотки должны быть связаны между собой зависимостьюm  2k  t ,(2)где k - целое число.Для обеспечения равномерного распределения лент по поверхности оправкишаг намотки t должен удовлетворять следующему равенству:t  2 / n ,(3)где n - число витков ленты в одном слое намотки, реализуемое при условииих равномерного распределения в рассматриваемом сечении.Очевидно, что число n всегда кратно числу m .

Учитывая данное замечаниедля t , получим, что2 1k  m n.(4)Ввиду того, что k , m, n – целые числа угол охвата  является такжедискретной величиной.15Дляобеспечениядостаточноравномерногопокрытияоправкинаматываемым слоем ленты и минимального отличия реализуемой при намоткетраектории ленты от расчетной траектории должно выполняться условие   0     .Таким образом, требование равномерного покрытия оправки при намоткеслоя или выполнение любого другого требования приводит при реализацииисполнительной программы станка к необходимости корректировки в первуюочередь нулевых настроек исполнительных органов (положение и размерыраскладывающей головки, количество движений (координат) исполнительныхорганов и ряд других), расчетной траектории нити на оправке, параметровобеспечения слоя и т.д.Для намотки слоя в оболочке вращения программа намотки составляется дляодного витка ленты.

Намотка одного слоя осуществляется путем многократногоисполнения программы, продублированной n раз.При работе станка в общем случае для реализации укладки армирующихнитей или волокон по некоторым заданным траекториям на оправках споверхностямиобщеговидаиспользуютследующиедвиженияегоисполнительных органов: вращательное движение оправки (характеризуетсяугловойкоординатойраскладочнойголовки  );поступательно-возвратноевдольосивращениядвижениеоправкицентра(характеризуетсякоординатой  x ); поступательно-возвратное движение центра раскладочнойголовкивплоскости,перпендикулярнойосивращенияоправки(характеризуется координатой  y ); поступательно-возвратное движение центрараскладочной головки в плоскости, перпендикулярной оси вращения оправки(характеризуетсякоординатой z );поворотраскладочнойголовкиотносительно оси у (характеризуется угловой координатой   ); поворотраскладочнойголовкикоординатой   ).относительноосиz(характеризуетсяугловой16В настоящем разделе приведены некоторые соображения, касающиесяопределения указанных координат исполнительных органов намоточногооборудования.Предельное отклонение от геодезического направления на поверхностиопределяется соотношением tg  tglim  k , где tg  n.gЗдесь  n ,  g - радиусы нормальной и геодезической кривизны нити наповерхности.Учитывая, что:1ncos 2 1sin 2 2,1gcos  d r sin   1 d sin  1 sin ,,rd1dr2r(5)из вышеприведенных соотношений получим:tg которыеопределяютcos d r sin  d sin sin rdrcos 2  sin 2 drrтраекториюпредельного(6)отклонениянитиотгеодезического направления на рассматриваемой поверхности вращения.В частных случаях классических поверхностей вращения решения данногоуравнения имеют вид:– цилиндр радиусом R : sin  R;( R  kx)– конус с углом при вершине  : sin  – сфера радиусом R : sin  1;(Cr  kctg )1(C  k R 2  r 2 ) .RАвтором отмечено, что определяющим в данном случаеявляетсякоэффициент трения k , который может быть изменен благодаря различнымтехнологическим способам в процессе намотки нити.Определив траекторию на поверхности оправки, основной задачейпрограммированияявляетсязадачаопределениязаконовдвиженияисполнительных органов станка при наличии ряда установленных ограниченийкак по устойчивости намотки нити, так и по предельным значениям17перемещений, скоростей и ускорений движения исполнительных органовстанка.Для реализации движения исполнительных органов станка необходимоналичие предварительной информации, получаемой расчетным путем повышеприведенным зависимостям с учетом геометрических, статических идругих ограничений, накладываемых на будущую траекторию укладываемыхнитей на заданной поверхности.В настоящее время одной из наиболее распространенных программ,реализующих алгоритм расчета траекторий намотки, является программныйкомплекс CADWIN, представленый в удобном для пользователя интерфейсе.Устанавливаются основные размеры геометрии оправки, на базе которыхстроится форма ее поверхности, задаются параметры наматываемого материала:количество жгутов, их ширина, соотношение связующего и волокнистогоматериала (коэффициент армирования), линейная и объемные плотности жгутов исвязующего.

Выбирается тип намотки (спиральная, плоскостная или др.) изадаются некоторые параметры армирования, на базе которых представляетсяграфическое изображение отдельных витков и наматываемого слоя наповерхности.В соответствии с данными ограничениями представляется графическоеизображение процесса намотки с указанием перемещений, скоростей и ускоренийдвижения исполнительных органов станка (рис. 9).Рис. 9. Графическое отображение настройки18В четвертой главе рассматривается проектирование и расчет силовойоболочки корпуса баллона (прочности, жесткости, технологических аспектовнамотки).Проектировочныйрасчетбаллоновдавления,выполненныхизкомпозицитных материалов методом непрерывной намотки, сводится копределениюпроектныхпараметровконструкции,обеспечивающихудовлетворение следующих условий:1)сохранение требуемой прочности (жесткости) при действии расчетныхнагрузок;2)обеспечение минимальной массы проектируемой конструкции;3)технологическая реализуемость.Основными параметрами баллонов давления, определяемыми в процессепроектирования, являются:1)контуры днищ баллонов;2)распределение углов армирования (углов ориентации армирующихволокон относительно меридиональных линий поверхности баллона);3)количествослоевармирующегоматериала,образующихсиловуюоболочку.При изготовлении силовых оболочек баллонов давления методомнепрерывной намотки укладку армирующих нитей на поверхность оправкинаиболее целесообразно производить по геодезическим линиям поверхности.Траектория намотки при этом определяется известным соотношением Клеро:r sin   const ,(7)где: r - радиус оболочки,  – угол армирования.Целесообразность такой схемы армирования обусловлена следующимиобстоятельствами:1) при геодезической намотке нить, укладываемая на оправку, находится вравновесии даже при сколь угодно малом коэффициенте трения междуоправкой и нитью.192) усилия в нитях, уложенных по геодезическим траекториям, при действии набаллон внутреннего давления оказываются постоянными по длине.Равенство (7) может быть переписано в следующем виде:r sin   r0  const(8)Где: r0 – радиус полюсного отверстия, исходя из условия непрерывностинамотки,   90 .