Диссертация (Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов), страница 6

Общие сведения о клеевых соединенияхКлеевым соединением (adhesive joint или adhesive bond, далее – КС)называется узел детали или конструкции, элементы которого соединены спомощью адгезива (клея, герметика или клея-герметика). При этом твердыематериалы, соединяемые с помощью адгезива, называют субстратами(adherend).КС относится к типу неразъемных соединений узлов конструкций,машин, приборов, аппаратуры и их деталей, при этом жесткая механическаясвязь между элементами сохраняется на протяжении всего срока эксплуатации[138]. Отдельно необходимо отметить, что разборка КС без повреждений илинарушенияцелостностисоединяемыхэлементовпоопределениюзатруднительна или вообще невозможна. Кроме КС к неразъемному типусоединенийтакжеотносятсясварка,клепка,пайка,прессованиеивальцевание, однако основным преимуществом клеевого (или адгезионного)способасоединенияявляетсяотсутствиенеобходимостинарушенияцелостности соединяемых деталей (сверление отверстий, пластическоедеформирование или локальный перегрев), приводящих к возникновениюместныхконцентраторовнапряженийисущественноснижающихпрочностные характеристики конструкции.К основным недостаткам КС перед другими методами соединения можноотнести сравнительно низкую теплостойкость, существенную зависимостьпрочности и долговечности КС от качества подготовки поверхностейсубстратов, выбора материалов субстратов, неравномерности клеевого шва потолщине и других факторов.

Зачастую применение КС требует большейплощади контакта для обеспечения требуемой несущей способности36конструкции.Подвлияниемвнешнихусловий(старение,гидролиз,растворение в агрессивных средах или выщелачивание адгезива) прочностныехарактеристики КС могут существенно снижаться.Вопросы, связанные с различными типами адгезивов КС, а также ихпрочностным и деформационным характеристикам, технологией склеивания иобластьюприменения,рассмотренывработахВ.М.Хрулева[35],А.А. Берлина и В.Е. Басина [139], Д.А. Кардашова [32, 33], Э. Кинлока [36],А.С. Фрейдина [34], Ж.-Ж.

Вильнава [30], Г.В. Малышевой [24-27],А. В. Поциуса [23], А.П. Петровой [28, 29] и других [37, 38].КС можно условно классифицировать по трем основным признакам:конструкционной схеме, типу адгезива и типу субстратов.По конструкционной схеме различают два основных типа КС – внахлест(в том числе и встык) и телескопические.Соединениясоединенияивнахлестявляютсяиспользуютсядлявесьмараспространеннымсоединениятонкостенныхтипомдеталейконструкций, испытывающих преимущественно сдвиговые нагрузки.На Рис. 1.5 приведены простейшие типы КС внахлест, применяемые вразличных отраслях современной промышленности [37].Прочность КС внахлест существенно зависит от геометрическихпараметров клеевого шва и материала субстратов. На Рис.

1.6 представленыкачественные зависимости разрушающей нагрузки на КС внахлест от длинынахлестки l и ширины b (субстрат – стальной прокат, клей эпоксидныйгорячего отверждения).При необходимости учета геометрических параметров для расчетаконструкций КС внахлест пользуются специализированными теориями,такими как теория Фолькерсена, и вводят коэффициенты формы КС [23,38].В процессе сдвиговой нагрузки на клеевое соединение внахлест можетпроисходить неравномерное распределение напряжения клеевого шва по егодлине (Рис.1.7).37а)б)в)г)д)е)ж)з)и)к)л)м)Рис. 1.5. Типы клеевых соединений внахлест: а – с прямыми кромками;б – со скошенными кромками; в – с подсечкой; г – с накладкой; д – встык;е – усовое; ж – с двойной накладкой; з – со скошенными накладками;и – полушиповое; к – с утопленной двойной накладкой; л – двойная нахлестка;м – усовое с двумя скошенными накладками38а)Рис.

1.6.б)Зависимость прочности КС внахлест от геометрическихпараметров [38]: а) от длины нахлестки l (1 – ожидаемая прочность;2 – экспериментально определенная прочность; 3 – область оптимальнойдлины нахлестки), б) от ширины нахлестки (1 – при растяжении; 2 – присдвиге)Рис.1.7. Распределение напряжения в КС внахлест при сдвиговойнагрузкеНа Рис. 1.7 видно, что на торцах клеевого шва напряжение существенновыше среднего, что способствует снижению общей прочности КС.

Дляуменьшения подобных эффектов применяются скошенные кромки субстратов(Рис. 1.5. б, м), позволяющие увеличивать прочность КС (при сдвиговыхнагрузках увеличение может достигать нескольких десятков процентов). НаРис. 1.8 приведены графики зависимости разрушающего напряжения от длинынахлестки для соединения внахлестку с прямыми (1) и скошенными (2)кромками [37].39Рис.1.8. Зависимость разрушающего напряжения от длины нахлестки КСдля обычных субстратов (1) и субстратов со скошенными кромками (2)В свою очередь, КС телескопического типа применяется для соединенияцилиндрических или конических деталей, элементов оживальной формы идругих объемных конструкций (труб, оболочек и т.д.). На Рис.

1.9 приведеныосновные типы телескопических КС [140].И наконец, по типу адгезива КС могут классифицироваться, исходя изназначения, химического состава, способа нанесения, условий отверждения,вязкостиит.д.Однако,приисследованииработоспособностиидеформационных свойств КС, наиболее предпочтительной представляется ихследующая условная классификация по типу адгезива:1.

Конструкционные КС, к которым относятся КС несущие силовуюнагрузку и предназначенные для соединения ключевых элементов или деталейосновной конструкции. Как правило, разрушение конструкционного КСприводит к выходу из строя агрегата и потере работоспособности всейконструкции в целом.2. Не конструкционные КС, к которым относятся КС не способныевыдерживать значительной силовой нагрузки и, как правило, предназначенныедлякрепленияилипозиционированиядеталейвконструкции.Неконструкционные КС зачастую применяются многократно и носят временный40характер. Разрушение такого типа КС не приводит к серьезным последствиямили потере работоспособности конструкции.а)б)в)г)Рис.1.9. Конструкционные схемы клеевых соединений телескопическоготипа: а) – простое, б) – на надвижной муфте, в) – раструбное, г) – коническоеКлеевые материалы (адгезивы) по химической природе подразделяютсянаорганические(силикатные,(натуральныецементные,исинтетические)керамические,инеорганическиеалюмофосфатныеипрочие).Наиболее распространенными в современной промышленности являютсяорганические синтетические адгезивы, основу которых составляют полимеры,олигомеры, мономеры и их композиции.В зависимости от типа полимера основного компонента различаютследующие органические адгезивы [32, 37, 38]:–наосноветермореактивныхполимеровилиолигомеров(реактопластов);– на основе термопластичных полимеров;– на основе эластомеров (полимеров в высокоэластическом состоянии икаучуков).Клеевыесоединения,относящиесяисследоваться в рамках настоящей работы.кпоследнемутипу,будут411.2.2.

Эластомерные клеевые соединенияОсновным преимуществом эластомерных клеевых соединений (ЭКС)является способность осуществлять соединение разнородных материалов,имеющих различные физико-механические характеристики и геометрическиепараметры, создавая при этом конструкционные соединения таких систем, как«металл-керамика», «металл-пластмасса», «металл-стекло», «металл-резина»,а также соединения металлов и сплавов различной толщины. ИспользованиеЭКС в конструкциях позволяет более равномерно распределять механическоенапряжение в узле соединения деталей, что дает возможность полнееиспользовать прочностной ресурс субстратов. Применение ЭКС позволяетуменьшать массу конструкции, осуществлять соединение тонкостенныхдеталей и элементов, имеющих сложную геометрическую форму.

ЭКС нетолько обеспечивает соединение склеиваемых материалов, но, герметизируетсобранный узел в процессе одной технологической операции, что в некоторыхслучаях является существенным преимуществом. Зачастую ЭКС являетсяединственно возможным вариантом соединения элементов или деталейконструкции, обеспечивающим требуемую несущую способность изделия.ВкачествеадгезивадляЭКСнаиболеечастоиспользуютвысокоэластичные полимерные клеи, герметики и клеи-герметики, основойдля изготовления которых служат синтетические полимеры или олигомеры,имеющие в своем составе активные функциональные группы, способные подвнешними (тепло, свет, радиация) или внутренними (введение сшивающихагентов или отвердителей) воздействиями образовывать сшитую структуру.Напрактикеширокоиспользуютсяклеи-герметикинаосновеэлементоорганических полимеров, синтетических каучуков, эпоксидных иполиэфирных смол и т.д.

[29, 30, 32].В настоящее время ЭКС на основе клеев-герметиков нашли широкоеприменение в самолетостроении для герметизации различных соединений.42Такие производители авиалайнеров как Boeing, Lockheed (США), Airbus(Европа), «Ильюшин», «Туполев» и «Яковлев» (Россия) и многие другие впроизводимых конструкциях для соединения различных деталей успешноиспользуют ЭКС, площадь которых в одном изделии может достигатьнескольких тысяч квадратных метров.В строительстве ЭКС используют для соединения железобетонныхэлементов в сборном мостостроении, при устройстве дорожных покрытий, приремонте и усилении строительных конструкций, подвергаемых действиюперерезывающих, изгибающих и динамических нагрузок, а также длякрепления облицовочных и изоляционных материалов.В автомобильной промышленности и железнодорожной технике ЭКСиспользуют для крепления и герметизации элементов остекления, установкивиброзащитных устройств и обшивки, крепления колодок и муфт в тормозныхсистемах, уплотнения и герметизации моторных отсеков, пневматических шини т.д.