Метод намотки позволяет изготовить монолитную конструкцию без швов и соединений (рис. 3). Вследствие этого при одинаковой массе конструкции мотаные лонжероны обладают более высокими запасами прочности и живучести по сравнению С лонжеронами, изготовленными методом ручной укладки. Это обстоятельство представляется самым существенным аргументом в пользу намотки при сравнении альтернативных вариантов изготовления лопастей из композиционных материалов.
Метод намотки широко применяют в различных областях техники для изготовления изделий, имеющих, как правило, форму тел вращения. По экспертным оценкам, показанным в таблице, намотка по сравнению с ручной укладкой обладает преимуществами по прочности, однородности и производительности. Эти параметры имеют определяющее значение при выборе технологического процесса для серийного производства особо ответственного агрегата вертолета – лопасти.
Исследования возможностей применения метода намотки для производства лонжеронов лопастей из композиционных материалов на Московском вертолетном заводе были начаты в 60-е годы по инициативе основателя фирмы МЛ. Миля. Первоначально для проведения эк спериментальных работ в этой области применялись модифицированные токарные станки. Однако вследствие низкой изгибной жесткости длинномерных оправок схема токарного станка, которая предполагает вращение оправки во время намотки для изготовления лонжеронов лопастей, оказалась малопригодной.
В связи с этим был спроектирован специализированный намоточный станок, у которого в процессе намотки оправка остается неподвижной, а намоточное устройство перемещается относительно оправки (аналогичная схема давно применяется в машинах для обмотки трубопроводов и электрических кабелей). Для исключения прогиба оправки под действием собственного веса станок был оборудован пневматическими опорами, которые автоматически поднимаются и опускаются при движении намоточного устройства. Первоначально станок был оборудован намоточным устройством с одним раскладчиком (фото 1). Позднее были разработаны модификации станка, намоточное устройство которого содержит четыре синхронно работающих раскладчика (фото 2). Намотка лонжеронов лопастей осуществляется предварительно приготовленным препрегом в виде ленты (фото 3).
Управление работой станка осуществляется системой числового программного управления. Для программирования намотки оболочек некруглого сечения (лонжероны лопастей и стабилизаторов) совместно с НИАТ были разработаны математические модели и на их основе создана специализированная система подготовки программ числового управления «Намотка».
В начале 70-х на фирме Миля были выполнены работы, в ходе которых метод намотки и метод ручной выкладки прошли сравнительную экспериментальную и производственную проверку.
Для вертолета Ми-26 были созданы лопасти несущего (диаметр – 32 метра) и рулевого (диаметр – 7,6 метра) винтов, которые до настоящего времени производятся серийно. Лонжерон лопасти несущего винта вертолета имеет поперечное сечение D-образной формы и состоит из трех цилиндрических оболочек (рис. 4). Внутренняя оболочка представляет собой стальную трубчатую балку переменного сечения с выполненными в комлевой части стыковочными проушинами. Эта балка воспринимает основную долю нагрузок лопасти и является той ее частью, которая определяет основные эксплуатационные ограничения лопасти:
– по ресурсу (усталостная прочность);
– календарному сроку службы (коррозия);
– эксплуатационным расходам (необходимы периодические осмотры).
Две другие оболочки выполняются из стеклопластика методом ручной выкладки. Одна из стеклопластиковых оболочек приклеена непосредственно к стальной трубе, а другая расположена по отношению к ней с некоторым зазором и образует аэродинамический контур носовой части. В зазоре между стеклопластиковыми оболочками расположены соединяющие их между собой узкие продольные элементы, выполненные также методом ручной выкладки из стеклопластика. Хвостовая часть лопасти выполнена практически полностью из композиционных материалов.
Одной из главных технологических проблем при производстве лопасти несущего винта вертолета Ми-26 оказалось образование складок в стеклопластиковых оболочках при изготовлении их методом ручной выкладки. Для лопастей несущего винта вертолета Ми-26 появление складок в стеклопластиковых оболочках не является фатальным, так как основные нагрузки (как уже было сказано ранее) несет стальная труба, являющаяся главным силовым элементом лонжерона. Однако трещины, которые могут появиться на месте складок слоев композиционного материала, – весьма неприятный эксплуатационный дефект. Несмотря на то, что значительная часть элементов лопасти несущего винта вертолета Ми-26 выполнена из композиционных материалов, она (с учетом перечисленных выше недостатков) уступает по эксплуатационным качествам лопастям, полностью выполненным из композиционных материалов.
Фото 2
Фото 3
Рис. 4
Около 10 лет назад лопасть несущего винта вертолета Ми-26 была перепроектирована. Опытные образцы лонжерона лопасти были изготовлены методом намотки и успешно прошли усталостные испытания. Однако вследствие экономического кризиса работы по цельнопластиковой лопасти несущего винта вертолета Ми-26 были остановлены и технологическая оснастка законсервирована.
Для вертолета Ми-26 были разработаны, изготовлены и прошли полный цикл испытаний, включая летные, два типа цельнопластиковых лопастей рулевого винта. Оба типа лопастей имеют аналогичную аэродинамическую компоновку и лонжерон с D- образным поперечным сечением. Главное их различие заключалось в том, что лонжероны лопастей первого типа изготавливались ручной выкладкой, а второго – намоткой. К серийному производству были приняты и около 20 лет производятся и успешно эксплуатируются лопасти второго типа.
Кроме лопастей рулевого винта вертолета Ми-26, примерно в тот же период времени на фирме Миля были спроектированы, изготовлены и испытаны лопасти нескольких экспериментальных винтов. Изготавливались они как методом выкладки, так и методом намотки.
Сравнение этих двух методов изготовления лонжеронов лопастей позволяет сделать вывод о том, что при использовании метода намотки создается материал, который лучше противостоит опасности возникновения складок – главного повреждающего фактора для слоистых композиционных материалов. Метод намотки позволяет также исключить из процесса изготовления лонжерона следующие операции:
– раскрой заготовок композиционного материала (при серийном производстве для выполнения этой операции необходимо специальное оборудование, стоимость которого вполне сопоставима со стоимостью намоточного станка);
– маркировку, взвешивание и селективный подбор заготовок;
– транспортировку большого числа «сырых» длинномерных заготовок препрега из зоны раскроя в зону формирования изделия (именно на этом этапе наиболее вероятно возникновение складок);
– ручную укладку и позиционирование отдельных заготовок при формировании изделия;
– ручное разглаживание и уплотнение слоев композиционного материала в процессе формирования изделия.