RU175376U1 - Composite stand - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области мачтового строения. Композитная стойка представляет собой выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело, выполненное намоткой армирующего материала с использованием связующего и имеющее слоистую структуру по поперечному сечению. При этом используется армирующий наполнитель, размещенный между слоями намотки трубчатой формы тела. Этот армирующий наполнитель размещен в связующем. 1 ил.The utility model relates to the field of mast structure. A composite stand is an elongated tubular shape made of a composite material, a hollow body made by winding a reinforcing material using a binder and having a layered cross-sectional structure. In this case, a reinforcing filler is used, located between the winding layers of the tubular shape of the body. This reinforcing filler is placed in a binder. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области мачтового строения и касается конструкции композитных стоек, в частности для линий электропередач (ЛЭП), опор освещения и антенных мачт.The utility model relates to the field of mast construction and relates to the construction of composite racks, in particular for power lines (power lines), lighting poles and antenna masts.

В последние годы начали интенсивно разрабатываться опоры воздушных линий электропередачи, опоры освещения и антенные мачты с композитными стойками.In recent years, overhead power line poles, lighting poles and antenna masts with composite stands have been intensively developed.

Композитные опоры воздушных линий электропередач - сравнительно новый тип мачтовых конструкций. Опыт применения их в настоящее время еще небольшой, но характеристики современных композиционных материалов придают опорам этого типа ряд необычных для других типов опор свойств, представляющих определенный интерес с точки зрения снижения затрат на монтаж и повышения эксплуатационной надежности воздушных линий электропередач.Composite towers of overhead power lines are a relatively new type of mast structures. Their experience at the present time is still small, but the characteristics of modern composite materials give the supports of this type a number of properties unusual for other types of supports, which are of particular interest from the point of view of reducing installation costs and increasing the operational reliability of overhead power lines.

Композитом называется неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более функционально различающихся компонентов, имеющих четкие границы, при этом свойства композита определяются не только и не столько свойствами самих компонентов, сколько их пространственным расположением и характером взаимодействия. В настоящее время термины «композит» и «композитный материал» используется более узко в отношении лишь армированных полимерных композиционных материалов. В качестве армирующих наполнителей в настоящее время получили распространение (в порядке убывания): стеклянное, базальтовое, органическое и углеродное волокно. Органическое и углеродное волокно имеют очень высокую стоимость и крупнотоннажных массовых изделиях применения не находят.A composite is called an inhomogeneous continuous material consisting of two or more functionally different components that have clear boundaries, while the properties of the composite are determined not only and not so much by the properties of the components themselves, but by their spatial arrangement and nature of the interaction. Currently, the terms “composite” and “composite material” are used more narrowly in relation to only reinforced polymer composite materials. As the reinforcing fillers currently distributed (in descending order): glass, basalt, organic and carbon fiber. Organic and carbon fiber have a very high cost and large-capacity bulk products are not used.

В настоящее время для производства композитных стоек используются следующие технологии производства: пултрузия, филаментная намотка, инфузия. Пултрузия заключается в следующем: готовые стекловолокна пропитывают специальным связующим веществом, полученному изделию придают необходимую форму и протягивают изделие через фильеру с последующей нарезкой его на части определенной длины. А филаментная обработка состоит из следующих этапов: заготовленное сырье (волокна) соединяют с помощью матричной подложки, наматывают их на вращательно-симметричный сердечник, затем охлаждают и используют заготовки по назначению.Currently, the following production technologies are used for the production of composite racks: pultrusion, filament winding, infusion. Pultrusion is as follows: the finished fiberglass is impregnated with a special binder, the resulting product is given the necessary shape and the product is pulled through the die, followed by cutting it into pieces of a certain length. And filament processing consists of the following stages: the prepared raw materials (fibers) are connected using a matrix substrate, wound them on a rotationally symmetric core, then they are cooled and the workpieces are used for their intended purpose.

Так, известна стойка опоры воздушной линии электропередачи, содержащая модуль, выполненный в форме полого усеченного конуса из композитного материала на основе армирующего наполнителя, пропитанного связующим, при этом стенка модуля имеет переменную толщину вдоль его продольной оси (RU 162084, E04H 12/02, опубл. 27.05.2016). Принято в качестве прототипа.Thus, a stand of an overhead power line support is known, comprising a module made in the form of a hollow truncated cone made of a composite material based on a reinforcing filler impregnated with a binder, while the wall of the module has a variable thickness along its longitudinal axis (RU 162084, E04H 12/02, publ. May 27, 2016). Adopted as a prototype.

Про данному патенту стойка выполнена из композитного материала заданной толщины, сформированного из волокон (нитей) армирующего наполнителя, например, стеклоровинга, и полимерного связующего в процессе «мокрой» намотки на коническую оправку. В качестве полимерного связующего может быть использована, например, эпоксивинилэфирная смола с добавками (отвердителем и ускорителем), улучшающими полимеризацию. А для повышения прочности модуля по отношению к механическим напряжениям различного направления (сжимающим, растягивающим, касательным), возникающим в стенке модуля от внешних воздействий на стойку опоры линии электропередачи, намотка композитного материала выполнена со спирально-перекрестной укладкой его слоев под различными углами по отношению к продольной оси конического модуля.About this patent, the rack is made of a composite material of a given thickness, formed from fibers (threads) of a reinforcing filler, for example, glass roving, and a polymer binder during the wet winding process on a conical mandrel. As the polymeric binder, for example, an epoxy vinyl ester resin with additives (hardener and accelerator) can be used to improve the polymerization. And in order to increase the strength of the module with respect to mechanical stresses of various directions (compressive, tensile, tangential) arising in the wall of the module from external influences on the support of the power line support, the composite material is wound with cross-spiral laying of its layers at different angles with respect to longitudinal axis of the conical module.

Применение метода намотки волокном позволяет внести коррективы в конечные механические показатели композитных стоек. Этот метод основан на формировании стеклопластикового изделия непрерывной нитью стекловолокна, которая пропитывается связующим и наматывается на формообразующую поверхность - цилиндрическую или коническую оправку. Данный способ широко применяется в крупносерийном производстве труб, емкостей и фитингов. Процедура изготовления стеклопластикового изделия методом намотки происходит следующим образом: на вращающуюся металлическую оправку (шаблон) под определенным углом подаются нити непрерывного ровинга, которые являются армирующим материалом для будущего изделия. Нити ровинга пропитываются предварительно подготовленным связующим. При необходимости, в стенку трубы или емкости могут быть введены наполнители, такие как кварц, рубленный ровинг, оксид алюминия и пр. После отверждения, готовое изделие снимается с оправки и подвергается механообработке: шлифование торцов, проточка фасок и пр.Application of the method of winding with fiber allows you to make adjustments to the final mechanical properties of composite racks. This method is based on the formation of a fiberglass product by a continuous filament of fiberglass, which is impregnated with a binder and wound on a forming surface - a cylindrical or conical mandrel. This method is widely used in large-scale production of pipes, tanks and fittings. The procedure for manufacturing a fiberglass product by winding is as follows: a continuous roving, which is a reinforcing material for a future product, is fed to a rotating metal mandrel (template) at a certain angle. Roving threads are impregnated with a pre-prepared binder. If necessary, fillers such as quartz, chopped roving, aluminum oxide, etc. can be introduced into the wall of the pipe or container. After curing, the finished product is removed from the mandrel and subjected to machining: grinding of the ends, grooving of chamfers, etc.

Обязательная стадия процесса изготовления изделия намоткой - отверждение намотанной на оправку заготовки. При этом заготовка может быть дополнительно уплотнена с помощью вакуумного или надувного мешков. Высокая прочность изделий, полученных намоткой, достигается за счет ориентированной укладки наполнителя, его высокого содержания в материале изделия. При однонаправленной укладки объемное содержание стекложгута может достигать 90%, а разрушающее напряжение при растяжении стеклопластика 30000 кгс/см², в то время как для стеклохолста - 50% при показателе прочности стеклопластика не выше 5000-7000 кгс/см² (разрушающее напряжение при растяжении стеклопластиков с неориентированной структурой наполнителя, полученных методом напыления, составляет только 1000-1500 кгс/см²).The mandatory stage of the product manufacturing process by winding is the curing of the workpiece wound on the mandrel. In this case, the workpiece can be further sealed using vacuum or inflatable bags. High strength of products obtained by winding is achieved due to the oriented packing of the filler, its high content in the material of the product. With unidirectional laying, the volume content of fiberglass can reach 90%, and the tensile stress at the fiberglass is 30,000 kgf / cm ² , while for fiberglass - 50% with a fiberglass strength of no higher than 5000-7000 kgf / cm ² (tensile stress fiberglass with a non-oriented structure of the filler, obtained by spraying, is only 1000-1500 kgf / cm ² ).

Практика применения метода намотки для получения композитных стоек показывает, что наполнители, как компоненты, влияющие на конечные механические свойства изделия, вводятся отдельно в качестве напыляемых или наносимых на уложенный слой армирующего материала. Это приводит к тому, что внедрение этого нанесенного компонента в тело структуры изделия с целью получения замоноличенной структуры производится натяжением последующих слоев, утапливающих частицы наполнителя в связующее в сами слои. Естественно, что для организации моноструктуры в изделии это изделие должно подвергаться дополнительному уплотнению. Кроме того, необходимо соблюсти процесс равномерного нанесения частиц кварца, рубленного ровинга или оксида алюминия на всю поверхность намотанных слоев, что достаточно проблематично из-за того, что тело изделия постоянно вращается. Нарушение условий технологии может привести к получению неоднородной моноструктуры тела стойки, в которой отдельные зоны будут отличаться друг от друга механическими (прочностными) свойствами.The practice of applying the winding method to obtain composite stands shows that fillers, as components that affect the final mechanical properties of the product, are introduced separately as sprayed or applied to a laid layer of reinforcing material. This leads to the fact that the introduction of this deposited component into the body of the product structure in order to obtain a monolithic structure is carried out by tensioning the subsequent layers, recessing the filler particles into the binder in the layers themselves. Naturally, for the organization of a monostructure in the product, this product must be subjected to additional compaction. In addition, it is necessary to observe the process of uniform application of particles of quartz, chopped roving or aluminum oxide on the entire surface of the wound layers, which is quite problematic due to the fact that the body of the product is constantly rotating. Violation of the conditions of the technology can lead to an inhomogeneous monostructure of the body of the rack, in which individual zones will differ from each other in mechanical (strength) properties.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной долговечности за счет получения моноструктуры тела стойки армированием связующим, заполненным фрагментированными стеклянными, базальтовыми или углеродными волокнами либо нанотрубками.This utility model is aimed at achieving a technical result consisting in increasing operational durability by obtaining a monostructure of the rack body by reinforcing with a binder filled with fragmented glass, basalt or carbon fibers or nanotubes.

Указанный технический результат достигается тем, что в композитной стойке, представляющей собой выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело, выполненное намоткой армирующего материала с использованием связующего и имеющее слоистую структуру по поперечному сечению, а так же армирующий наполнитель, размещенный между слоями намотки трубчатой формы тела, указанный армирующий наполнитель размещен в связующем.The specified technical result is achieved in that in a composite stand, which is an elongated tubular shape made of composite material, a hollow body made by winding a reinforcing material using a binder and having a layered structure along the cross section, as well as a reinforcing filler placed between the layers of the tubular shape winding body, the specified reinforcing filler is placed in a binder.

При этом размещенный в связующем армирующий наполнитель может быть выполнен в виде фрагментированных стеклянных, и/или базальтовых, и/или углеродных волокон, или нанотрубок.In this case, the reinforcing filler placed in the binder can be made in the form of fragmented glass and / or basalt and / or carbon fibers or nanotubes.

Выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело может иметь форму усеченного конуса.An elongated tubular shape made of a composite material may have a truncated cone shape.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется примером реализации, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.This useful model is illustrated by an example of implementation, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.

На фиг. 1 - изображена установка для мокрой намотки армирующего материала на шаблон для изготовления композитной стойки.In FIG. 1 - shows the installation for wet winding of reinforcing material on a template for the manufacture of composite racks.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция композитной стойки, армированной наполнителем, который добавлен в связующее. Такие композитные стойки используют в качестве опор линий электропередачи.According to this utility model, the construction of a composite stand reinforced with a filler that is added to the binder is considered. Such composite racks are used as poles of power lines.

С целью снижения гибкости композитных стоек и увеличения их несущей способности предлагается выполнять их объемно армированными. Объемное армирование выполняется наполнением связующего фрагментированными стеклянными, и/или базальтовыми и/или углеродными волокнами, либо нанотрубками. Объемное армирование может выполняться как отдельными наполнителями, так и их комбинациями. Объемное армирование осуществляется путем размешивания указанных выше наполнителей в связующем, которое впоследствии используется при изготовление композитных стоек. Кроме снижения гибкости объемное армирование также приведет к увеличению несущей способности стоек.In order to reduce the flexibility of composite racks and increase their bearing capacity, it is proposed to perform them volume-reinforced. Volumetric reinforcement is performed by filling the binder with fragmented glass and / or basalt and / or carbon fibers or nanotubes. Volumetric reinforcement can be performed as separate fillers, and their combinations. Volumetric reinforcement is carried out by mixing the above fillers in a binder, which is subsequently used in the manufacture of composite stands. In addition to reducing flexibility, volume reinforcement will also lead to an increase in the bearing capacity of the uprights.

Таким образом, в общем случае, в рамках настоящей полезной модели рассматривается композитная стойка, представляющая собой выполненное из композитного материала удлиненное трубчатой формы полое тело, выполненное намоткой полимерного армирующего материала с использованием связующего и имеющее слоистую структуру по поперечному сечению, а также армирующий наполнитель, размещенный между слоями намотки трубчатой формы тела. При этом указанный армирующий наполнитель размещен в объеме связующего. Композитная стойка может иметь форму усеченного конуса или цилиндра.Thus, in the general case, within the framework of this utility model, a composite stand is considered, which is an elongated tubular shape made of composite material, made by winding a polymer reinforcing material using a binder and having a layered structure along the cross section, as well as a reinforcing filler placed between the layers of the winding tubular body shape. Moreover, the specified reinforcing filler is placed in the volume of the binder. The composite strut may be in the form of a truncated cone or cylinder.

Намотка - процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. При этом способе армирующий материал 1 (нить, лента, жгут или ткань) укладываются по заданной траектории на вращающуюся оправку 2 (шаблон), которая несет внутреннюю геометрию изделия. Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирующий материал. Специальные механизмы, например, тележка 3, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои 4 наносятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина. Армирующий материал, подается с тележки 3 и пропускается через ванну 5, заполненную связующим, смачивающим материал 1. Смоченный связующим материал через прижимные ролики 6 поступает на оправку и при вращении последней с заданным натяжением наматывается на ранее уложенный слой армирующего материала.Winding is the process of manufacturing high-strength reinforced products, the shape of which is determined by the rotation of arbitrary generators. With this method, the reinforcing material 1 (thread, tape, tow or fabric) is laid along a predetermined path onto a rotating mandrel 2 (template), which carries the internal geometry of the product. Almost any continuous reinforcing material is suitable for winding. Special mechanisms, for example, trolley 3, which move at a speed synchronized with the rotation of the mandrel, control the angle of winding and the location of the reinforcing material. It can be wrapped around the mandrel in the form of adjacent strips or in some kind of repeating pattern until the mandrel surface is completely covered. Successive layers 4 are applied at the same or different winding angles until the desired thickness is achieved. The reinforcing material is supplied from the trolley 3 and passed through a bath 5 filled with a binder wetting the material 1. The wetted binder material through the pinch rollers 6 enters the mandrel and, when the latter rotates with a given tension, wraps on a previously laid layer of reinforcing material.

Так как процесс намотки может быть автоматизирован, то он относится к технологически современным процессам, при которых можно обеспечить равнопрочность структуры стойки за счет исключения при намотке каверн, воздушных включений и т.д. При этом ускоряется процесс изготовления стойки. Кроме того, при намотке можно включать в структуру композита посторонние вставки, такие как армирующие стержни, которые в последующем при намотке покрывными слоями становятся органической частью структуры тела стойки.Since the winding process can be automated, it refers to technologically advanced processes in which it is possible to ensure equal strength of the structure of the rack due to the exception when winding caverns, air inclusions, etc. This speeds up the manufacturing process of the rack. In addition, during winding, foreign inserts such as reinforcing rods can be included in the composite structure, which subsequently, when wound with coating layers, become an organic part of the structure of the rack body.

Внедрение в структуру композита армирующих частиц приводит к изменению механических свойств изделия за счет повышения его прочности при снижении упругости. Под упругостью в данном случае понимается степень отклонения одного конца тела стойки по отношению к неподвижному другому концу. Усиление композита наполнителем позволяет снизить упругость и гибкость длинномерного изделия при одновременном повышении прочности. Но при этом следует учитывать, что применение наполнителя дает соответствующий результат только при том, что частицы наполнителя должны составлять единое с намотанными слоями для получения гомогенизированной структуры однородного и равномерно распределенного состава. При использовании посыпного метода укладки наполнителя на намотанный слой материала частицы сливаются со связующим, выделившимся на поверхности намотанного слоя, и неравномерно распределенными кучками остаются на этой поверхности. Потом эти локально сгруппированные частицы покрываются материалом следующего слоя. Образуется структура с неоднородно распределенным наполнителем.The introduction of reinforcing particles into the composite structure leads to a change in the mechanical properties of the product by increasing its strength while reducing elasticity. In this case, elasticity is understood as the degree of deviation of one end of the rack body with respect to the fixed other end. Strengthening the composite with a filler reduces the elasticity and flexibility of a lengthy product while increasing strength. But it should be borne in mind that the use of a filler gives a corresponding result only if the filler particles must be uniform with the wound layers to obtain a homogenized structure of a uniform and evenly distributed composition. When using the loose method of laying the filler on a wound layer of material, the particles merge with the binder released on the surface of the wound layer and unevenly distributed heaps remain on this surface. Then these locally grouped particles are coated with the material of the next layer. A structure with a nonuniformly distributed filler is formed.

Задача получения такого структуры однородного и равномерно распределенного состава в рамках настоящей полезной модели решается за счет того, что наполнитель смешан со связующим и равномерно распределен по объему связующего. При намотке "в мокрую" происходит смазывание покрывного материала таким комбинированным связующим, что приводит к равномерному распределению связующего и наполнителя с ним по поверхностям слоев. Это и позволяет получить гомогенизированной структуры однородного и равномерно распределенного состава.The problem of obtaining such a structure of a uniform and uniformly distributed composition in the framework of this utility model is solved due to the fact that the filler is mixed with a binder and evenly distributed over the volume of the binder. When winding "wet", the coating material is lubricated with such a combined binder, which leads to a uniform distribution of the binder and filler with it over the surface of the layers. This makes it possible to obtain a homogenized structure of a uniform and evenly distributed composition.

Необходимость получения в теле композитной стойки именно такой структуры обусловлена тем, чтобы получить между молекулами композита одинаковые связи как по высоте, так и в поперечном сечении на каждом элементе высоты. Только в этом случае нагрузка на верхушку стойки будет равномерно восприниматься всей структурой стойки. Если будет нарушено условия одинаковых межмолекулярных связей, то в структуре тела стойки будут сформированы локальные объемные зоны, в которых будут связи различными по величине и по физическим свойствам на растяжение/сжатие и кручение. Это приводит к тому, что вся нагрузка будет восприниматься только теми объемными зонами, в которых эти связи меньше всего, то есть слабее. А объемные зоны с усиленными связями (за счет наполнителя) либо не будут участвовать в процессах деформации, либо включаться при критических режимах напряжений в слабых связях.The need to obtain just such a structure in the body of the composite strut is due to the fact that between the molecules of the composite the same bonds are obtained both in height and in cross section at each height element. Only in this case, the load on the top of the rack will be uniformly perceived by the entire structure of the rack. If the conditions of identical intermolecular bonds are violated, then local volume zones will be formed in the structure of the body of the rack, in which there will be bonds of different magnitude and physical properties for tension / compression and torsion. This leads to the fact that the entire load will be perceived only by those volumetric zones in which these connections are least, that is, weaker. And volume zones with strengthened bonds (due to the filler) will either not participate in the deformation processes, or will turn on under critical stress conditions in weak bonds.

В связи с этим такая конструкция стойки, выполненная намоткой, в которой армирующий наполнитель находится в смешанном состоянии в связующем, обладает сниженной гибкостью, и увеличенной несущей способностью, и позволяет уменьшить отклонения стоек.In this regard, such a rack design made by winding in which the reinforcing filler is in a mixed state in a binder has reduced flexibility and increased bearing capacity, and allows to reduce the deviation of the racks.

Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена с использованием современных технологий изготовления изделий из композитов методом намотки.This utility model is industrially applicable and can be manufactured using modern technologies for manufacturing products from composites by winding.

Claims (2)

1. Композитная стойка, представляющая собой удлиненное трубчатое полое тело, имеющее слоистую структуру по поперечному сечению, выполненное намоткой армирующего материала, пропитанного связующим, с использованием армирующего наполнителя, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя используют нанотрубки, предварительно смешанные со связующим.1. A composite stand, which is an elongated tubular hollow body having a layered cross-sectional structure, made by winding a reinforcing material impregnated with a binder, using a reinforcing filler, characterized in that nanotubes pre-mixed with the binder are used as filler. 2. Композитная стойка по п. 1, отличающаяся тем, что удлиненное трубчатое полое тело выполнено в форме усеченного конуса.2. Composite stand according to claim 1, characterized in that the elongated tubular hollow body is made in the form of a truncated cone.

Images