Устройство подачи армирующих волокон

Полезная модель относится к устройствам подачи армирующего наполнителя (шпулярникам) для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методами протягивания и намотки, и может быть использована в технологических процессах получения длинномерных композитных изделий для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности. Устройство подачи армирующих волокон для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов включает рабочие бобины 1, резервные бобины 2, валы 3, основания 4, каркас 5, концевые участки 6 волокон с внутренней стороны рабочей бобины, концевые участки 7 волокон с внешней стороны резервной бобины, зубчатые колеса 8, выходные армирующие волокна 9, нитепроводники 10, направляющий кронштейн 11 с отверстиями 12. При реализации полезной модели обеспечивается возможность непрерывной подачи волокнистых материалов без повреждения волокон и повышение прочности армирования полимерных композиционных материалов.

Полезная модель относится к устройствам подачи армирующего наполнителя (шпулярникам) для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методами протягивания и намотки, и может быть использована в технологических процессах получения длинномерных композитных изделий для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.

Из уровня техники известен шпулярник магазинного типа для шлихтовальных машин льняного и джутового ткачества. Шпулярник выполнен в виде решетчатой рамы с гнездами для размещения в них полых початков (бобин), вкладываемых последовательно один за другим с задней стороны рамы. Рама шпулярника составлена из вертикальных стоек с горизонтальными перекладинами, разделенными на полки. На полки укладываются гнезда с заложенными в них бобинами, имеющими внутреннюю размотку. Гнезда представляют собой полые цилиндры, один конец которых открыт для свободного вкладывания бобин. В другом конце цилиндра, через который проходит разматываемая с бобины нить, укреплено кольцо со щетинками, которые служат упорами для бобин и препятствуют их выскакиванию при размотке. В каждом цилиндре находятся две бобины: первая, с которой производится сматывание, и резервная, причем конец первой бобины связывается с началом второй. После размотки первой бобины сматывание нити производится со второй. Благодаря последовательному вкладыванию в гнезда цилиндров, одной бобины за другой и связыванию начала нити передней бобины с концом задней, процесс сновки может производиться непрерывно (Авторское свидетельство СССР 74968, D02H 1/00, 1949)., Достигаемый устройством технический результат заключается в возможности осуществления непрерывного процесса сматывания материала.

Недостатком известного устройства является снижение прочности сматываемых; материалов (нитей, волокон, ровинга, жгутов) из-за связывания узлами их концов от первой и второй бобины. Силы, действующие на волокнистый материал внутри узла, не распределяются равномерно по всему поперечному сечению нити. Часть нитей, находящихся на внешней стороне дуги узла, натягивается довольно сильно. В зоне перегиба возникают поперечные усилия, которые суммируются с продольными усилиями и дополнительно нагружают нити. Чем сильнее изогнута нить, тем в большей степени уменьшается ее прочность. В зависимости от вида узла, прочность нити обычно ослабевает на 30 - 60%. В узлах нитей наблюдаются следующие эффекты: чем тоньше нить и жестче материал нити, тем менее прочен узел.

Дополнительным фактором снижения прочности волокнистых материалов является то обстоятельство, что их сматывание в известном устройстве осуществляется с неподвижных бобин. При этом волокна вынужденно трутся друг по другу, что приводит к образованию продольных и поперечных микротрещин на их поверхности, снижающих прочность волокнистых материалов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является шпулярник для подачи стеклянного ровинга для процесса пултрузии изделий из полимерных композиционных материалов. Шпулярник представляет собой металлический каркас с закрепленными на нем нитепроводниками и горизонтальными полками, на которых установлены бобины с ровингом. Бобины на полках располагаются вертикально в два ряда с обеспечением оптимальной доступности и максимального использования площади полки. Бобины первого ряда являются рабочими, с них осуществляется сматывание ровинга. Бобины второго ряда являются резервными. Подача ровинга осуществляется с внутренней стороны рабочих бобин через керамические глазки или полированные отверстия нитепроводника. Конец ровинга с внешней части рабочей бобины и связывается концом ровинга с внутренней части резервной бобины с помощью узлов или соединяется клеем (клей-спрей 77 или суперклей Woodhill) на длине примерно равной одному дюйму. После размотки рабочей бобины сматывание ровинга производится с резервной. Достигаемый устройством технический результат заключается в возможности осуществления непрерывного процесса сматывания материала (Пултрузия стекловолоконных композитов. Техническое руководство. Owens Coming. 2003. Pultrusion of Glass Fiber Composites. A Technical Manual. Owens Coming. 2003).

К недостаткам известного из уровня техники устройства следует отнести снижение прочности ровинга, поскольку его сматывание осуществляется с внутренней стороны неподвижных бобин. При этом волокна ровинга трутся друг о друга, что приводит к их зацеплению между собой и повреждению отдельных волокон. Это обстоятельство снижает интегральную прочность волокон ровинга, который используется в качестве армирующего наполнителя полимерных композиционных материалов.

Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение непрерывной подачи волокнистых материалов без повреждения волокон за счет исключения их относительного трения, и повышение, таким образом, прочности полимерных композиционных материалов, для которых они являются наполнителем.

Данный технический результат достигается посредством того, что у устройства подачи армирующих волокон, содержащего, по меньшей мере, две рабочую и резервную бобины из армирующего волокна, нитепроводник и направляющий кронштейн с отверстием, бобины расположены на основании друг за другом, причем рабочая бобина расположена в зоне направляющего кронштейна и соединены между собой посредством соединения концевыми участками волокон таким образом, что при сматывании и при прохождении концевого участка волокна рабочей бобины через отверстие направляющего контейнера осуществляется пропускание через последнее концевого участка волокна резервной бобины, при этом бобины установлены на основании с возможностью из взаимообратного вращения и соединены концевыми участками волокон, расположенными с их внешних сторон посредством их склеивания. Кроме этого, устройство снабжено валами, на которых расположены бобины, при этом валы оснащены зубчатыми колесами, взаимодействующих друг с другом.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 - изображена схема подачи наполнителя с помощью шпулярника;

- на фиг.2 - схема шпулярника (боковина не показана).

Устройство подачи армирующих волокон для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов включает рабочие бобины 1, резервные бобины 2, валы 3, основания 4, каркас 5, концевые участки 6 волокон с внутренней стороны рабочей бобины, концевые участки 7 волокон с внешней стороны резервной бобины, зубчатые колеса 8, выходные армирующие волокна 9, нитепроводники 10, направляющий кронштейн 11 с отверстиями 12.

Устройство подачи армирующих волокон для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.

Рабочие бобины 1 и резервные бобины 2 устанавливают на валы 3, закрепленные на основании 4 каркаса 5 шпулярника. Концевые участки 6 волокон с внутренней стороны каждой рабочей бобины 1 соединяют с концевыми участками волокон 7 с внешней стороны резервной бобины 2, стоящей на полке за рабочей бобиной. Бобины 1 и 2 устанавливают с возможностью взаимообратного вращения (в противоположных направлениях), например, через зубчатые колеса 8, установленными под основанием 4. Соединение концов 6 и 7 волокон рабочей бобины 1 и резервной бобины 2 производят при помощи быстротвердеющей композиции на основе отвердителя и смолы, использующейся в качестве связующего для получения композиционного изделия. Длина склеивания волокон составляет не менее 20 мм. Суммарная длина соединенного участка волокон между бобинами составляет 2,5 D, где D - исходный диаметр бобины.

Выходные армирующие волокна 9 с внешней стороны рабочих бобин 1 пропускают через ближайшее к рабочей бобине 1 направляющее средство, выполненное в виде нитепроводника 10 и направляющий кронштейн 11 с отверстием 12. В результате на выходе из направляющего кронштейна 11 формируется тонкая лента, состоящая из выровненных в направлении подачи волокон 9. Эта лента волокон в дальнейшем подается в пропиточную ванну технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. В процессе работы технологической линии подача волокон осуществляется непрерывно. Подача волокон производится с внешней стороны вращающихся рабочих бобин 1. При этом волокна наполнителя не повреждаются трением друг о друга. Вращение бобин осуществляется за счет сматывания волокон. После размотки рабочей бобины 1 сматывание волокон начинается с внешней стороны вращающейся резервной бобины 2. Рабочая и резервная бобины, соединенные зубчатыми колесами 8, в процессе сматывания волокон вращаются в противоположные стороны (одна - по часовой стрелке, другая - против), что предотвращает перекручивание соединенного участка волокон между бобинами 1 и 2. Поскольку волокна между бобинами 1 и 2 соединены не узлами, а склеиванием, то не происходит снижения прочности армирующего материала из-за наличия узлов. Быстротвердеющая композиция для склеивания волокон для каждого композиционного материала подбирается на основе смолы, которая используется в качестве связующего для композита. Поскольку, связующее для композита выполняет функцию матрицы, и в технологическом процессе склеивает армирующие волокна в единое целое с получением монолитного изделия, то предварительное склеивание концов волокон в шпулярнике не влияет на однородность композита в месте соединения волокон и не снижает его физико-механические свойства.

Таким образом, заявленное устройство подачи армирующих волокон для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов обеспечивает возможность непрерывной подачи волокнистых материалов без повреждения волокон за счет исключения их относительного трения, и повышение прочности армирования полимерных композиционных материалов за счет устранения неоднородности материала в месте соединения волокон.

Анализ заявленной полезной модели на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата - обеспечение возможности непрерывной подачи волокнистых материалов без повреждения волокон и повышение прочности армирования полимерных композиционных материалов.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осуществления непрерывной подачи армирующего наполнителя для технологических линий непрерывного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использован в технологических процессах получения длинномерных композитных изделий для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Устройство подачи армирующих волокон, содержащее, по меньшей мере, две рабочую и резервную бобины из армирующего волокна, нитепроводник и направляющий кронштейн с отверстием, при этом бобины расположены на основании друг за другом, причем рабочая бобина расположена в зоне направляющего кронштейна, и соединены между собой посредством соединения концевыми участками волокон таким образом, что при сматывании и при прохождении концевого участка волокна рабочей бобины через отверстие направляющего контейнера осуществляется пропускание через последнее концевого участка волокна резервной бобины, отличающееся тем, что бобины установлены на основании с возможностью их взаимообратного вращения и соединены концевыми участками волокон, расположенными с их внешних сторон посредством их склеивания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено валами, на которых расположены бобины, при этом валы оснащены зубчатыми колесами, взаимодействующими друг с другом.