Способ изготовления стержня переменного сечения из композиционного материала
Владельцы патента RU 2339773:
Общество с ограниченной ответственностью "Композит-Сервис" (RU)
Изобретение относится к технологии изготовления арматурных элементов, а именно к изготовлению стержней переменного сечения из композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве связующих связевых элементов стеновых ограждающих конструкций, монолитных железобетонных и сборных конструкций, а также в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней, для армирования оснований автомагистралей и дорог. Предлагаемое изобретение позволяет формировать стержень из композиционного материала с различной формой анкерных утолщений и получить монолитный стержень переменного сечения с высокими эксплуатационными свойствами. Изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон, формировать стержни с заданными физико-химическими свойствами (не изменяя технологическую линию) и тем самым расширить спектр применения. Кроме того, изменение толщины слоев и концентрации волокон позволяет широко варьировать свойства изделия. Технический результат достигается тем, что способ изготовления стержня переменного сечения, включающий формирование стержня с анкерными утолщениями из ровинга минерального или химического волокна, предварительно пропитанного полимерным связующим, полимеризацию и резку, согласно изобретению стержень формируют монолитно путем последовательного непрерывного формирования внутреннего слоя с продольным расположением волокон, последующего, по меньшей мере, одного слоя с поперечным расположением волокон и анкерных утолщений выпуклой или вогнутой или выпукло-вогнутой формы, при этом формирование анкерных утолщений осуществляют автоматически посредством навивки волокон на последний слой, заданная форма утолщений обеспечивается дифференцированием скоростей протяжки и навивки волокон. 3 ил.
Изобретение относится к технологии изготовления арматурных элементов, а именно к изготовлению стержней переменного сечения из композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве связующих связевых элементов стеновых ограждающих конструкций, монолитных железобетонных и сборных конструкций, а также в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней для армирования оснований автомагистралей и дорог.
Известен наиболее близкий к заявляемому способ изготовления стержня переменного сечения из композиционного материала по патенту РФ №2142039 (опубл. 27.11.99 г., бюллетень №33), включающий формирование трубки из предварительно пропитанного полимерным связующим волокнистого материала, подачу внутрь ее закладного элемента, определяющего форму поперечного сечения стержня, укладку с натяжением кольцевых нитей, придающих трубке с закладным элементом форму сплошного стержня, полимеризацию и резку.
В известном способе формирование стержня осуществляется путем закладки формообразующих заготовок в сформированную трубку. Использование закладных элементов снижает несущую способность стержня и требует дополнительных затрат на их изготовление. Кроме того, укладка с натяжением кольцевых нитей на трубку с закладным элементом не обеспечивает достаточного и качественного уплотнения структуры стержня в местах переходов от диаметра несущего стержня к диаметру утолщения. Такой стержень может быть использован только в качестве соединительного элемента в теплоизоляционных стеновых конструкциях.
Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности процесса изготовления стержня переменного сечения, повышение эксплуатационных характеристик.
Предлагаемое изобретение позволяет формировать стержень из композиционного материала с различной формой анкерных утолщений и получить монолитный стержень переменного сечения с высокими эксплуатационными свойствами. Изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон, формировать стержни с заданными физико-химическими свойствами (не изменяя технологическую линию) и тем самым расширить спектр применения. Кроме того, изменение толщины слоев и концентрации волокон позволяет широко варьировать свойства изделия.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления стержня переменного сечения, включающий формирование стержня с анкерными утолщениями из ровинга минерального или химического волокна, предварительно пропитанного полимерным связующим, полимеризацию и резку, согласно изобретению стержень формируют монолитно путем последовательного непрерывного формирования внутреннего слоя с продольным расположением волокон, последующего, по меньшей мере, одного слоя с поперечным расположением волокон и анкерных утолщений выпуклой или вогнутой или выпукло-вогнутой формы, при этом формирование анкерных утолщений осуществляют автоматически посредством навивки волокон на последний слой, заданная форма утолщений обеспечивается дифференцированием скоростей протяжки и навивки волокон.
На фиг.1 изображена технологическая линия для изготовления стержня; на фиг.2 - профиль стерженя переменного сечения, на фиг.3 - стержни переменного сечения с различными формами анкерных утолщений.
Способ осуществляется с помощью технологической линии, которая включает
1 - бобинодержатель с установленными на нем бобинами с ровингом,
2 - шпулярник, выполняющий функцию равномерного распределения волокнистого материала,
3 - натяжное устройство для равномерного натяжения ровинга,
4 - счетно-измерительное устройство,
5 - предварительную камеру нагрева волокнистого материала для удаления избыточного количества влаги и замасливателя,
6 - пропиточную ванну,
7 - отжимное устройство с блоком фильер,
8 - устройство поперечной намотки с укладчиком натяжения кольцевых нитей,
9 - устройство формирования анкерного утолщения с устройством регулирования уровня натяжения и приспособлением для пропитки нитей и/или волокон (не показано),
10 - камеру полимеризации,
11 - протяжной механизм с устройством равномерной укладки.
12 - механизм резки или сматывания,
13 - управляюще-регулирующее устройство, взаимосвязанное с конструктивными составляющими технологической линии посредством кабелей связи.
Управляюще-регулирующее устройство 13 содержит блок управления формированием анкерного утолщения 14, снабженный программным обеспечением и системой датчиков.
Линия может содержать механизм сматывания, расположенный перед механизмом резки.
Устройство формирования анкерного утолщения 9 выполнено в виде устройства поперечной навивки с возможностью изменения скорости и снабжено устройством регулирования уровня натяжения и устройством пропитки волокон полимерным связующим. Расположение устройства 9 в технологической линии, а именно после устройства поперечной намотки 8 и перед камерой полимеризации 10 обусловлено тем, что волокна навивают на формируемый неотвержденный стержень, а затем в один цикл полимеризации сформированный монолитный стержень с анкерными утолщениями отверждают, получая качественную уплотненную структуру.
Блок управления формированием анкерного утолщения 14 снабжен программным обеспечением и системой датчиков, которые взаимосвязаны с устройством поперечной намотки 8, протяжным механизмом 11 и с устройством поперечной навивки 9.
Изготовление монолитного стержня переменного сечения осуществляются следующим образом.
Предварительно в блоке управления 14 задаются определенные параметры: длина стержня, форма утолщения (выпуклая (коническая или коническо-цилиндрическая) или вогнутая или выпукло-вогнутая), размеры утолщения (длина, диаметр), расстояние между анкерными утолщениями, скорость формирования стержня, начальная скорость и время протяжки при формировании анкерного утолщения.
Бобины с ровингом устанавливают на бобинодержателе с натяжными блоками и выравнивающими гребенками. Количество бобин подбирают в зависимости от тех ровинга, требуемого диаметра внутреннего слоя и степени наполнения.
Через шпулярник 2 ровинг с продольным расположением волокон равномерно распределяется в натяжитель 3, проходит через счетно-измерительное устройство 4, затем через горизонтальный распределитель подается в камеру нагрева 5 для удаления избыточной влажности и замасливателя, после чего проходит через пропиточную камеру 6 с полимерным связующим и отжимное устройство 7 с блоком фильер.
На сформированный внутренний слой посредством устройства поперечной обмотки 8 укладывают второй слой ровинга с поперечным расположением волокон. Для формирования нескольких слоев ровинга в технологическую линию дополнительно включают несколько последовательно установленных устройств обмотки.
Устройства 11 и 8 при формировании стержня имеет заданную скорость, применяемую на практике при изготовлении неметаллической арматуры, в том числе в известных устройствах.
При формировании стержня счетно-измерительное устройство 4 непрерывно определяет расстояние при протяжке и передает импульсы в блок управления 14, где при получении информации заданной величины посредством системы датчиков автоматически включается устройство формирования анкерного утолщения 9.
Одновременно с началом формирования утолщения скорость устройств поперечной обмотки 8, формирующих поперечные слои, снижается практически до нулевой, значительно понижается скорость протяжного механизма 11.
Формирование анкерного утолщения обеспечивается посредством автоматизации скоростей протяжки во временных интервалах формирования частей анкера с заданной формой (профилем).
Например, при формировании утолщения конической (выпуклой) формы скорость протяжки дифференцированно снижается от начальной до средней части анкера, а затем дифференцированно повышается от средней части до конечной. При формировании утолщения коническо-цилиндрической формы скорость протяжки дифференцированно снижается до начала средней части анкера, затем остается постоянной и затем дифференцированно повышается от конца средней части до конечной. При формировании анкерного утолщения вогнутой формы скорость протяжки дифференцированно повышается от начальной до средней части анкера, а затем дифференцированно понижается от средней части до конечной.
При формировании утолщения выпукло-вогнутой формы используется комбинация дифференцирования скоростей протяжки.
Наибольшая эффективность формирования анкерного утолщения достигается за счет того, что во временном интервале формирования частей анкера одновременно с изменением скорости протяжки изменяется скорость поперечной навивки (кольцевой укладки) волокон в устройстве формирования анкерного утолщения 9, т.е. в зависимости от заданной формы утолщения дифференцированно увеличивается, а затем дифференцированно уменьшается или дифференцированно увеличивается, остается постоянной, а затем дифференцированно уменьшается или имеет иной заданный режим дифференцированного изменения скорости навивки.
Дифференцированная скорость протяжки с одновременной дифференцированной многократной навивкой (кольцевой укладкой) волокон на сформированный стержень обеспечивают заданные размеры и форму утолщения.
Скорость на каждом этапе формирования анкера задается программным обеспечением.
При достижении заданной длины анкера счетно-измерительное устройство 4 передает информацию в блок управления 14, который автоматически изменяет частотные характеристики протяжного механизма 11 и механизма поперечной обмотки 8 и отключает устройство формирования анкерного утолщения 9.
Сформированный стержень заданного переменного сечения проходит стадию полимеризации с дальнейшим направлением через укладчик в протяжной механизм и затем на линию резки или намотки.
Изготовление стержней с заданным расстоянием между анкерными утолщениями обеспечивается временным интервалом между моментами включения и выключения устройства поперечной навивки волокон 9.
Таким образом, последовательное непрерывное формирование внутреннего слоя, наружного слоя и анкерных утолщений позволяет получить монолитный стержень переменного сечения с высокими эксплуатационными свойствами и качественной структурой, с заданной формой и размерами утолщений, а также с заданным расстоянием между ними.
Различная форма утолщений позволят расширить спектр применения, повысить закрепляемость стержней в строительных конструкциях, а следовательно, их надежность. Длина анкерных утолщений, расстояние между ними, расположение на несущем стержне влияют на величину напряженности.
Анкерные утолщения могут быть расположены по всей длине стержня или на конце несущего стержня, или у конца несущего стержня (фиг.3).
Изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон, формировать стержни с заданными физико-химическими свойствами (не изменяя технологическую линию) и тем самым расширить спектр применения. Например, за счет добавки волокон проводников в продольный слой можно придать стержню электропроводность вдоль заданной оси.
Пример 1.
Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, наружный слой и анкерные зацепы, выполненные из ровинга стекловолокна. Монолитный стержень получен по вышеописанному способу.
Стекловолокно является наиболее дешевым и доступным сырьем, при этом полученный стержень обладает достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами.
Коэффициент теплопроводности составляет 0,034-0,04 Вт/мК.
Прочность при растяжении при 20°С составляет 100%.
Пример 2.
Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, наружный слой и анкерные зацепы, выполненные из ровинга базальтового волокна. Монолитный стержень получен по вышеописанному способу.
Базальтовое волокно работоспособно в широком диапазоне температур (от -260 до +700°С), при которых разрушаются углеродные (+600...800°С) и стеклянные (ниже -60°С и выше +500°С) волокна. Базальтовые стержни сохраняют свои свойства при длительной эксплуатации в различных условиях, не выделяя вредных для людей и природы химических соединений под воздействием окружающей среды. Согласно проведенным исследованиям средний срок службы составляет более 50 лет. Кроме того, базальтовые стержни обладают повышенной стойкостью к вибрациям, повышенной стойкостью к агрессивным средам, обладают шумопоглощающими свойствами.
Коэффициент теплопроводности составляет 0,031-0,038 Вт/мК.
Прочность при растяжении при 20°С составляет 100%.
Пример 3.
Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, выполненный из ровинга стекловолокна, наружный слой и анкерные зацепы - из ровинга базальтового волокна. Монолитный стержень получен по вышеописанному способу.
Изготовление стержней на основе стекловолокна с «армированием» базальтовыми волокнами является наиболее предпочтительным, т.к. изготовление является более дешевым (в сравнении с примером 2), при этом стержень обладает высокими конструкционными, теплозвукоизоляционными, диэлектрическими и другими свойствами, позволяющими широко использовать их в строительстве.
Способ изготовления стержня переменного сечения, включающий формирование стержня с анкерными утолщениями из ровинга минерального или химического волокна, предварительно пропитанного полимерным связующим, полимеризацию и резку, отличающийся тем, что стержень формируют монолитно путем последовательного непрерывного формирования внутреннего слоя с продольным расположением волокон, последующего, по меньшей мере, одного слоя с поперечным расположением волокон и анкерных утолщений выпуклой или вогнутой или выпукло-вогнутой формы, при этом формирование анкерных утолщений осуществляют автоматически посредством навивки волокон на последний слой, заданная форма утолщений обеспечивается дифференцированием скоростей протяжки и навивки волокон.
