Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения



Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения
Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения
Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения
Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения

 


Владельцы патента RU 2607888:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться в авиастроении, транспорте, строительстве, энергетике для повышения прочности и ресурса конструкций из металлических, композиционных и металлокомпозиционных материалов. Способ заключается в использовании наномодифицированной клеевой композиции с рассчитанным сочетанием максимальной прочности и максимальной ударной вязкости и в сборке болтового металлокомпозиционного соединения в определенной последовательности. Техническим результатом является повышение прочности и усталостной долговечности болтового металлокомпозиционного соединения, сохранение стабильности его свойств с течением времени, а также понижение концентрации контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстий. 5 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться в авиастроении, транспорте, строительстве, энергетике для повышения прочности и ресурса конструкций из металлических, композиционных и металлокомпозиционных материалов. Снижение массы конструкции, как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов, является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. В контексте решения данной проблемы при создании новых самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). За рубежом объем использования ПКМ в конструкции планера современных самолетов достигает 50% по весу, например Boeing 787 (США) - 50%, Airbus А380 (Европа) - 30%, Airbus А350 (Европа) - 50%.

При эксплуатации изделия из ПКМ испытывают знакопеременные циклические нагрузки. Металлокомпозиционное соединение создают при помощи болтов или заклепок, предварительно рассверливают соединяемые изделия, что приводит к многочисленным микротрещинам и другим повреждениям изделий из ПКМ, возникающим при изготовлении в них отверстий.

Наиболее близкий существующий способ изготовления и повышения долговечности болтовых соединений представлен в патенте РФ 2373437, МПК F16B 31/00, F16B 39/22 от 20.11.2009 г. Способ касается соединения конструктивных элементов железнодорожного пути, работающих в условиях вибрации, и заключается в нанесении на резьбовую часть болтового соединения материала в виде анаэробного герметика. Недостатком предложенного способа является то, что он направлен только на повышение ресурса соединений деталей, выполненных из металла, в условиях вибрации за счет препятствия раскручиванию резьбового соединения. Но дефекты, микротрещины и другие повреждения, возникающие при изготовлении и в процессе эксплуатации конструкций из ПКМ, не залечиваются за счет нанесения анаэробного герметика на резьбовые поверхности, а зазоры в отверстиях и стыках болтовых и заклепочных соединений увеличиваются, а следовательно, происходит преждевременное разрушение болтовых металлокомпозиционных соединений.

Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочности и усталостной долговечности болтового металлокомпозиционного соединения, сохранение стабильности его свойств с течением времени, а также понижение концентрации контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстий.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что изготавливают наномодифицированную клеевую композицию с рассчитанным сочетанием максимальной прочности и максимальной ударной вязкости, производят сборку болтового соединения в следующей последовательности:

- наносят слой клеевой нанокомпозиции на нижнюю поверхность головки болта и на контактирующую с ней поверхность первой детали, наносят клеевую нанокомпозицию на поверхность отверстия в первой детали и поверхность болта,

- устанавливают болт в отверстие первой детали и прижимают головку болта к первой детали (или прижимают первую деталь к болту давлением, необходимым для их приклеивания головки болта к первой детали,

- вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием первой детали и поверхностью болта, наносят слой нанокомпозиции на прилегающую к первой детали поверхность второй детали, выполненной из композиционного материала, устанавливают на болт вторую деталь,

- вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием второй детали и поверхностью болта, наносят слой клеевой нанокомпозиции на прилегающую ко второй детали поверхность третьей детали, устанавливают на болт и на поверхность второй детали третью деталь,

- вводят слой нанокомпозиции в зазор между отверстием третьей детали и болтом, наносят слой нанокомпозиции на противоположную поверхность в кольцевой зоне третьей детали, производят давление на слой нанокомпозиции в зазоре между болтом и отверстием во всех деталях,

- наносят слой нанокомпозиции на поверхность шайбы, контактирующей с поверхностью третьей детали,

-наносят слой нанокомпозиции на резьбовую часть болта и гайки, наживляют гайку на болт и осуществляют затяжку болта с усилием, устанавливаемым экспериментально.

На фигуре 1 представлены дефекты на кромках деталей из ПКМ, возникающие при механической обработке - фрезеровании и сверлении.

На фигуре 2 представлена зависимость коэффициентов концентрации контактных (Кr) и растягивающих (Κσ) напряжений на контуре отверстия от величины относительного зазора Δ между отверстием и болтом в болтовом соединении.

На фигуре 3 представлен фрагмент крыла, в котором деталь из композиционного материала (углепластика), соединяют болтами с металлическим силовым набором.

На фигуре 4 представлен фрагмент испытуемого образца из ПКМ, соединенного болтами с металлической вилкой при испытании (вид со стороны головок болтов) на разрыв.

На фигуре 5 представлен фрагмент испытуемого образца из ПКМ, соединенного болтами с металлической вилкой при испытании (вид со стороны гаек) на разрыв.

При рассверливании и фрезеровании деталей из ПКМ возникают дефекты, заключающиеся в микросколах, микротрещинах, разлохмачивании кромок отверстий (см. фигура 1), кроме того, микротрещины и другие повреждения, возникают и в процессе сборки и эксплуатации конструкций. В многорядных болтовых соединениях зазоры между болтами и отверстиями приводят к неоднородной и неодновременной нагрузке болтов, следствием которой может стать нерасчетное, преждевременное разрушение. Известно из справочников конструктора, что наличие зазора между болтом и отверстием также приводит к концентрации контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстия (фиг. 2). На фигуре 2 представлена зависимость коэффициентов концентрации контактных (Кr) и растягивающих (Κσ) напряжений на контуре отверстия от величины относительного зазора Δ между отверстием и болтом в болтовом соединении, представленная зависимость коэффициентов концентрации контактных (Кr) и растягивающих (Κσ) напряжений от величины относительного зазора Δ показывает, что лучшей величиной относительного зазора Δ является 0-й зазор (при котором контактные (Кr) и растягивающие (Κσ) напряжения минимальны), соответствующий посадке с натягом. Но посадка с натягом при монтаже болтовых металлокомпозиционных соединений не применяется, применяются только посадки с зазором.

Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения заключается в использовании наномодифицированных клеев. Рассчитанное сочетание максимальной прочности и максимальной ударной вязкости наномодифицированной клеевой композиции для демпфирования ударных нагрузок получают за счет введения в клеевую композицию высокопрочных наночастиц и каучука повышенной вязкости с массовым составом, изменяющимся в диапазонах соответственно для наночастиц от 1 до 2%, для каучука от 7 до 10% (патент RU 2500706, МПК Β82Υ 30/00, Β82Υ 40/00, опубл. 10.22.2013).

На фигуре 3 показан порядок сборки детали обшивки из композиционного материала (углепластика), соединяемой болтами с металлическим силовым набором.

Для заполнения зазоров между болтом (болтами) и отверстием (отверстиями) клеевой нанокомпозицией, демпфирующей ударные нагрузки, производят сборку болтового соединения в следующей последовательности:

- наносят слой клеевой нанокомпозиции на нижнюю поверхность головки 1 болта (болтов) и на контактирующую (контактирующие) с ней (с ними) поверхность первой детали 2, наносят слой нанокомпозиции на поверхность отверстия (отверстий) в первой детали 2 (не показаны) и поверхность 3 болта (болтов) (см. фигуры 3, 4, 5);

- устанавливают болт (болты) в отверстие (отверстия) первой детали 2 и прижимают головку 1 болта (болтов) к первой детали 2 (или прижимают первую деталь 2 к головке 1 болта (болтам)) давлением, необходимым для приклеивания головки 1 (головок) болта (болтов) к первой детали 2;

- дополнительно вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием (отверстиями) первой детали 2 и боковой поверхностью 3 болта (болтов) для заполнения зазора, наносят слой нанокомпозиции на прилегающую к первой детали 2 поверхность второй детали 4, выполненной из композиционного материала, устанавливают на болт (болты) вторую деталь 4;

- вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием (отверстиями) второй детали 4 и поверхностью 3 болта (болтов), наносят слой нанокомпозиции на прилегающую ко второй детали 4 поверхность третьей детали 5, устанавливают на болт (болты) и на поверхность второй детали 4 третью деталь 5 (см. фигуры 3, 4, 5);

- вводят слой нанокомпозиции в зазор между отверстием (отверстиями) третьей детали 5 и поверхностью 3 болта (болтов), наносят слой нанокомпозиции на противоположную поверхность в кольцевой зоне третьей детали 5, производят давление на слой нанокомпозиции в зазоре (зазорах) между поверхностью болта 1 и отверстием (отверстиями) во всех деталях 3, 4, 5,

- наносят слой нанокомпозиции на поверхность шайбы 6 (см фиг. 5), контактирующей с поверхностью третьей детали 5,

- наносят слой нанокомпозиции на резьбовую поверхность 3 болтов и гаек 7, наживляют гайку 7 (гайки) на болт (болты) и производят затяжку болтов с усилием, устанавливаемым экспериментально.

Наиболее эффективным, с точки зрения значительного повышения прочности и ресурса конструкций при малых материальных и денежных затратах, является использование наномодифицированных эпоксидных клеевых композиций в указанных выше применениях. Испытанные конструкции показали, что болтовые металло-композиционные соединения обладают достаточной прочностью и усталостной долговечностью, а также сохраняют стабильность своих свойств с течением времени на срок достаточный для использования подобных конструкций в промышленности.

Способ повышения прочности болтового металлокомпозиционного соединения с применением герметизирующих составов, отличающийся тем, что используют наномодифицированную клеевую композицию с рассчитанным сочетанием максимальной прочности и максимальной ударной вязкости и производят сборку болтового соединения в следующей последовательности:

- наносят слой клеевой нанокомпозиции на нижнюю поверхность головки болта и на контактирующую с ней поверхность первой детали, наносят клей на поверхность отверстия и поверхность болтов,

- устанавливают болт в отверстие и прижимают головку болта к первой детали давлением, необходимым для приклеивания головки болта к первой детали,

- вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием первой детали и поверхностью болта, наносят слой нанокомпозиции на прилегающую к первой детали поверхность второй детали, выполненной из композиционного материала, устанавливают на болт вторую деталь,

- вводят слой клеевой нанокомпозиции в зазор между отверстием второй детали и поверхностью болта, наносят слой нанокомпозиции на прилегающую ко второй детали поверхность третьей детали, устанавливают на болт (болты) и на поверхность второй детали третью деталь,

- вводят слой нанокомпозиции в зазор между отверстием третьей детали и болтом, наносят слой нанокомпозиции на противоположную поверхность в кольцевой зоне третьей детали, производят давление на слой нанокомпозиции в зазоре между болтом и отверстием во всех деталях,

- наносят слой нанокомпозиции на поверхность шайбы, контактирующей с поверхностью третьей детали,

- наносят слой нанокомпозиции на резьбовую часть болта и гайки, наживляют гайку на болт и производят затяжку болтов с усилием, устанавливаемым экспериментально.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к самоконтрящемуся навинчивающемуся крепежному приспособлению, включающему в себя гайку, навинченную на резьбовой конец, продолжающийся по оси (X) навинчивания.

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, в частности к авиационной и ракетной технике, может быть использовано как способ стопорения резьбовых крепежных соединений крышек люков с эксплуатационными люками на корпусе или аэродинамических поверхностях сверхзвукового или гиперзвукового летательного аппарата, и направлено на обеспечение эксплуатационной надежности резьбовых крепежных соединений в условиях высокотемпературного нагрева.

Настоящее изобретение относится к самостопорящейся гайке (1), содержащей верхний резьбовой фланец (3), в котором предусмотрены щели (7) V-образной или U-образной формы, образующие во фланце множество круговых дуговых сегментов, сжимаемых наружной винтовой пружиной (5).

Винт // 2381391
Изобретение относится к крепежным элементам, а именно к винтам. .
Изобретение относится к общему машиностроению, а именно к соединению деталей и конструктивных элементов железнодорожного пути, работающих в условиях вибрации. .

Изобретение относится к области крепления сопряженных деталей, в частности крепления осей или насадных деталей на валах для осевой и радиальной фиксации, а также передачи крутящих моментов.

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, в частности к способам стопорения резьбовых крепежных соединений, применяемых при сборке соединений, сборочных единиц машин и приборов и в радиоэлектронной аппаратуре.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при сборке деталей, которые скрепляют многоболтовыми соединениями. .
Наверх