SKF Black Design
В настоящее время в аэрокосмической отрасли одной из наиболее актуальных задач является снижение массы. Повышение производительности и уменьшение выбросов в окружающую среду могут принести конкурентные преимущества для производителей в условиях современного рынка. Использование композитных материалов открывает новые возможности для решения этих задач.
Когда речь идёт о сопряжённых элементах конструкции, вопрос оптимизации их массы за счёт использования композитных материалов вызывает сложность из-за поперечного нагружения. Чтобы избежать увеличения стоимости изделий, требуется функциональная интеграция.
Решения SKF, основанные на двух технологиях будущего, – SKF Black Design и интеграция подшипников SKF – позволяют достичь этой цели.
1. Технология SKF Black Design позволяет использовать армированные волокнами композитные материалы для производства высокоэффективных изделий, стойких к поперечному нагружению. После того, как технология производства сопряжённых элементов из композитных материалов будет полностью освоена, откроются широкие возможности их применения благодаря функциональной интеграции подшипников.
2. Технология интеграции подшипников SKF позволяет использовать подшипник в детали из композитных материалов. При этом обеспечивается надёжное крепление наружного кольца подшипника качения или монтаж сферического подшипника скольжения в композитном корпусе.
Технологии в области композитов способны решить целый ряд задач:
- уменьшение массы существующих металлических деталей за счёт использования композитных материалов;
- реализация дополнительных функций, например, внедрение сенсорных элементов в конструкцию;
- решение проблемы усталости при циклическом нагружении;
- устранение коррозии благодаря использованию нечувствительного к агрессивным средам материала;
- решение проблемы шума и вибрации за счёт повышения жёсткости изделий, снижения массы или использования систем демпфирования колебаний.
Направление 1. Разработка элементов конструкции из композитных материалов с технологией SKF Black Design
Технология SKF Black Design для снижения массы
Эта технология даёт возможность проектировать и изготавливать сопряжённые элементы конструкции из композитного материала. Применение композитов в аэрокосмической отрасли неуклонно растёт, но традиционные методы проектирования деталей не позволяют существенно улучшить конструкционные характеристики. В результате композитные материалы находят ограниченное применение. SKF удалось решить техническую задачу превращения металлических элементов конструкции в лёгкие и высокоэффективные композитные детали. Годы исследований и разработок привели к созданию технологии, получившей название SKF Black Design. Этот исключительный результат был достигнут благодаря изменению основ проектирования деталей машин из композитов. Если изготавливать детали традиционной конструкции из композитов, а не металлов (подход, известный как Black Metal), то достигается лишь незначительное улучшение эксплуатационных характеристик, а детали по-прежнему подвержены распрямлению и расслоению. В технологии SKF Black Design композитный материал используется только там, где он работает лучше всего, а именно – на сжатие. Для этого инженеры SKF разработали новые формы и геометрию деталей, которые обеспечивают состояние постоянного сжатия композита по всей толщине на участках, подверженных поперечному нагружению. В результате повышается сопротивление напряжению сдвига и устраняется эффект распрямления. Примером нестандартного конструкторского решения, позволяющего одновременно предотвратить возможность прокалывания и создать сжимающие напряжения в композите, является использование сферических шайб, что, как показывает опыт, значительно увеличивает прочность детали. Конструкции деталей предусматривают также сложные элементы рельефа поверхностей и тщательно выверенные объёмные и непрерывные армирующие материалы.
Оптимизация массы воздушных судов необходима как для экономии расхода топлива, так и для уменьшения загрязнения окружающей среды. Необходимость решения этой задачи привела к тому, что использование композитов в гражданских воздушных судах последних поколений возросло на 50 %. Но дальнейшее расширение применения композитных материалов в авиации ограничивается получаемыми рабочими характеристиками деталей традиционной конструкции. Технология SKF Black Design обеспечивает необходимые конструкционные характеристики благодаря использованию углепластиков и новых принципов проектирования. Данная технология расширяет сферу применения композитных материалов с привлекательным соотношением массы и стоимости деталей конструкции по сравнению с металлическими аналогами.
Чаще всего в авиации применяются композитные материалы, получаемые наложением предварительно пропитанных смолой слоёв углеродных волокон. Смола обеспечивает передачу нагрузки между волокнами и соединение слоёв. Эта технология хорошо работает для деталей фюзеляжа, крыльев, шпангоутов и стрингеров, поскольку слоистый материал здесь находится под действием нагрузок в собственной плоскости. В таких ситуациях углеродные волокна придают материалу большую прочность и жёсткость в продольном направлении, но в направлении, перпендикулярном плоскости волокон, механические свойства материала определяются смолой. Смола является связующим материалом и, по сравнению с углеродными волокнами, имеет низкую прочность (примерно в 50 раз ниже). Поэтому применение композитных материалов ограничено для структурных элементов, работающих с поперечным нагружением, например, Т-образных фитингов и планок (рис. 1). Металлические фитинги и планки стандартной конструкции подвержены эффекту сгибания и распрямления. В случае композитного фитинга той же формы подобная схема нагружения вызовет расщепление слоёв композита под углом в 90° из-за напряжений между слоями смолы. Это явление называется расслоением и может происходить при очень малых нагрузках, что делает такие детали непригодными для использования.
Для решения этой проблемы была сделана попытка совместить новые технологии, например, объёмно-армирующие преформы и высокоэффективные смолы со стандартной геометрией деталей (подход Black Metal). Но такой подход оказался лишь ограниченно пригодным с точки зрения механических свойств и себестоимости.
Альтернативный подход, реализованный в технологии SKF Black Design
Базовые принципы технологии SKF Black Design позволяют решить проблему поперечного нагружения путём изменения геометрии детали.
Первый принцип состоит в разработке такой геометрии детали и порядка наложения слоёв, которые при рабочем нагружении детали поддерживали бы смолу в сжатом состоянии. При сжатии смола выдерживает гораздо большее напряжение, чем при растяжении. Кроме того, в состоянии сжатия также повышается её стойкость к напряжениям сдвига. Данный принцип проектирования использовался, в частности, при строительстве арок и мостов, конструкция которых обеспечивает постоянное сжатие структурных компонентов.
На рис. 2 показано снижение прочности смолы при растяжении и влияние сжатия на её стойкость к напряжениям сдвига.
Описанный принцип был реализован SKF при разработке структурных фитингов с применением сферических шайб в сочетании с углеволокнистой подошвой. Конструкция такого типа создаёт состояние сжатия смолы в области поперечного нагружения (рис. 3). Более того, чем больше нагрузка на такую деталь, тем сильнее становится локальное сжатие в заданных областях, что позволяет, в частности, решить проблему расслоения под углом 90°.
При растяжении (рис. 4) сферическая шайба создаёт локальное сжимающее напряжение в углеволокне, которое поддерживает смолу в состоянии сжатия.
При сжатии (рис. 5) подошва действует как зажим, локально сжимая углеволокно. Подошва позволяет адаптировать геометрию основания фитинга для применения в конкретных условиях эксплуатации.
Таким образом, комбинация сферической шайбы и подошвы фитинга позволяет поддерживать смолу в состоянии сжатия при приложении как растягивающих, так и сжимающих напряжений перпендикулярно плоскости крепления (т. е. при поперечном нагружении). Разрушение фитинга теперь зависит не от механических свойств смолы. Таким образом, технология SKF Black Design даёт возможность улучшить механические характеристики при сохранении геометрии и массы детали.
Второй принцип технологии SKF Black Design заключается в использовании особой формы деталей для придания им механической стойкости и жёсткости. В частности, закруглённые формы позволяют избежать относительно острых углов в 90°, которые нередко встречаются в металлических деталях. Эти формы дают возможность уложить углеродные волокна в таких направлениях, чтобы предотвратить распрямление и придать фитингу дополнительную стойкость и жёсткость. Данный принцип даёт существенные преимущества при проектировании планок (рис. 6).
Помимо вышесказанного, оба принципа технологии SKF Black Design могут быть объединены при проектировании одного сопряжённого элемента конструкции. Например, принцип поддержания смолы в состоянии сжатия и специальное закругление для придания жёсткости могут быть совместно воплощены в конструкции Т-образного фитинга, как показано на рис. 7.
Для проверки эффективности этих принципов были проведены испытания уменьшенных моделей и полноразмерных планок и фитингов на растяжение и сжатие, как показано на рис. 8.
Развитие этих принципов привело к разработке и последующему применению различных структурных элементов из композитных материалов. В результате сравнения металлических деталей и их композитных аналогов, изготовленных по технологии SKF Black Design, было подтверждено уменьшение массы более чем на 40 % при сохранении механических характеристик изделий.
Заключение
Технология SKF Black Design позволяет разрабатывать и производить лёгкие и высокоэффективные элементы конструкции из углепластиков, специально рассчитанные на работу с поперечным нагружением. В настоящее время SKF разрабатывает механические модели и программное обеспечение для проектирования и анализа композитных деталей конструкций для аэрокосмической отрасли.
Направление 2. Интеграция подшипников
Разработанная компанией SKF технология даёт возможность интеграции подшипников в структурные элементы из композитных материалов. Для SKF, являющейся мировым лидером в области разработки и производства подшипников качения и скольжения, производство сопряжённых деталей является логичным этапом развития. SKF разрабатывает новые решения в области интеграции узлов в композитные детали. В зависимости от области применения таким узлом может быть шарикоподшипник, шарнирный подшипник или сферический подшипник скольжения.
В настоящее время работа ведётся в двух направлениях:
- Интеграция подшипника качения в композитную конструкцию с помощью запатентованных решений для создания надёжного сопряжённого элемента конструкции, способного работать в широком диапазоне температур с тяжёлыми нагрузками и высокими частотами вращения.
- Прямой контакт скольжения внутреннего кольца с поверхностью композитной детали, в первую очередь, в сферических подшипниках скольжения, что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики в отношении изнашивания, трения и надёжности.
технологии. Их применение даёт очевидные преимущества снижения массы эксплуатируемого оборудования, обеспечивает интеграцию узлов, а также ускоряет процесс производства.
Сила функциональной интеграции
Когда речь идёт о снижении массы, препятствием для использования высокоэффективных композитных материалов зачастую может стать их высокая стоимость. Это особенно актуально, когда модернизация выполняется на уровне отдельных компонентов. В последнее время эффективным решением этой проблемы считается объединение систем. Оно приводит к очевидному уменьшению себестоимости ввиду устранения сборочных операций и сокращения общего времени изготовления. Но этот подход также имеет ограничения, если не перевести его на более высокий уровень. Когда объединение систем ограничено объединением всех компонентов и сохранением эксплуатационных качеств на прежнем уровне, зачастую используются не все преимущества композитов, наблюдается перерасход материалов и неоправданно высокие расходы. Чтобы учесть все индивидуальные особенности нового материала, производственные расходы, технологии обработки и открывающиеся возможности, нужен комплексный подход.
Например, рассмотрим такую характеристику, как жёсткость. Для достижения требуемой жёсткости некоторых компонентов зачастую приходится использовать много углеродного волокна, тогда как в других компонентах достаточно использовать стекловолокно. Это увеличивает стоимость материала или может даже сделать интеграцию нецелесообразной. Но если перераспределить функцию жёсткости системы, то можно найти вариант, обеспечивающий нужные эксплуатационные характеристики при меньших расходах. Этот подход может сочетать требования различных аспектов. Например, при проектировании улучшенной конструкции можно добиться необходимой жёсткости, массы и степени демпфирования вибраций.
Именно в этом суть технологии SKF Black Design – интеграция решений в области композитных материалов для достижения наилучших эксплуатационных характеристик.
