Опыт изготовления легких крупногабаритных элементов транспортных средств из ПКМ

Состояние вопроса

Трехслойные сотовые конструкции (ТСК) из ПКМ уже длительное время применяются в конструкции самолетов, вертолетов и прочих летательных аппаратов. Концепция производства и применения некоторых из них подробно изложена в ранее опубликованных работах [1–3].

В отличие от авиации с ее передовыми технологиями, в других видах транспорта, особенно в железнодорожном (ж/д) и водном, реализация новых конструкторско-технологических решений в части применения современных ПКМ значительно запаздывает. До сих пор наиболее востребованными композитами для элементов водного транспорта являются полиэфирные стеклопластики на основе рубленых стекловолокон и сравнительно толстых и тяжелых стекломатов, из которых изготавливаются корпуса яхт, катеров, кораблей, корабельные палубные надстройки и пр. Для ж/д транспорта из аналогичных материалов изготавливаются облицовки головных вагонов электропоездов, внутренние облицовки пассажирских вагонов. При кажущейся доступности исходных материалов, их дешевизне и освоенной технологии изготовления изделий, изготовленных из вышеуказанных материалов, у них есть существенные недостатки, а именно: довольно большая плотность для ПКМ и незначительная прочность, не позволяющие изготавливать изделия, подвергающиеся повышенным нагрузкам. В результате не реализуются ключевые преимущества ПКМ перед другими конструкционными материалами – высокие удельные упруго-прочностные свойства.

Современный уровень развития транспорта диктует разработку и реализацию новых конструкторско-технологических решений, особенно в области ПКМ. Это касается скоростных кораблей, высокоскоростного ж/д транспорта, ряда элементов автомобилей и пр. Актуальность этой задачи возрастает в современных условиях транспортного рынка, поскольку даже незначительное снижение массы и увеличение прочности транспортных средств позволяет улучшить их технико-экономические преимущества, заключающиеся в повышении полезной нагрузки, экономии топлива и увеличении дальности передвижения (так называемый каскадный эффект). Наиболее эффективным решением в этом отношении является применение в элементах транспорта ПКМ и ТСК на их основе.

Постановка задачи

Как известно, главное преимущество ТСК с сотовым заполнителем состоит в том, что в результате размещения несущих слоев на некотором расстоянии друг от друга достигается большое отношение жесткости и прочности конструкции к ее массе. Если сравнить ТСК с однослойной пластиной равной массы, то отношение жесткостей будет от 3 и более в зависимости от толщины сотового заполнителя. Учитывая данное обстоятельство, было решено все исследования в области материалов и разработку технологии изготовления ТСК провести на примере типовой, имеющей арочный вид конструкции, которая может быть использована в виде палубной надстройки современного водного судна, элемента крыши вагона, фургона автомобиля и прочего транспорта (рис. 1).

Таким образом, целью работы было подобрать материалы для ТСК, найти взаимосвязь между их массовыми, прочностными и стоимостными характеристиками и на этой основе разработать технологию изготовления высококачественных: крупногабаритных элементов транспортных средств из ПКМ, пригодную для серийного производства.

Выбор исходных материалов

Накопленный многолетний опыт, частично отраженный в источниках [1–3], позволил существенно сократить объем предварительных аналитико-экспериментальных работ и определиться в конечном счете с составом ТСК для достижения поставленной цели (рис. 2). Так, для изготовления обшивок в качестве наиболее подходящего был выбран отечественный препрег марки КПС-1.80.Т10.55 на основе эпоксидного клеевого связующего и стеклоткани Т-10-14 с поверхностной плотностью 290 г/м² (производитель: ООО НПФ «Техполиком»). Поверхностная плотность такого препрега, пропитанного связующим в количестве 55% мас., составляет около 635 г/м². При этом каждая обшивка ТСК состояла из двух слоев препрега.

В качестве заполнителя ТСК использовали алюминиевые соты толщиной 20 мм производства ООО «ЦАТИ». Все дальнейшие работы по производству образцов ТСК, изделий, их анализ и испытания проводились также на производственной базе ООО «ЦАТИ». Изготавливали образцы методами прессования и вакуумного формования при температурах не выше +140^оС. Более подробная информация о технологии производства ТСК и используемом оборудовании приведена в источниках [1–3].

Для снижения трудоемкости технологического процесса склеивание обшивок ТСК с сотами осуществлялось одновременно с формованием ТСК, а в качестве клея выступал определенный, заложенный на стадии проектирования конструкции, избыток эпоксидного связующего в препрегах, образующий при выдавливании так называемые галтели в местах контакта с сотами (см. рис. 2).

Результаты физико-механических испытаний данных ТСК приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты физико-механических испытаний образцов ТСК

Примечание. Приведены средние арифметические значения, рассчитанные по результатам испытаний не менее пяти образцов на каждый вид испытаний

Помимо физико-механических испытаний образцов ТСК, были проведены их испытания на водопоглощение и огнестойкость. Оказалось, что за 6 мес. пребывания в воде в нагруженном состоянии образцы прибавили в весе менее 1 %, что позволяет говорить о гидрофобности данных ТСК. Также успешно завершились их испытания на огнестойкость (табл. 2).

Таблица 2. Результаты испытаний на огнестойкость образцов ТСК

Таким образом, выбранные исходные материалы и изготовленные на их основе ТСК следует признать вполне пригодными для изготовления крупногабаритных изделий арочной конструкции с точки зрения требований к ним со стороны транспортного машиностроения.

Конструкция и технология изготовления крупногабаритного арочного изделия из ПКМ

Принципиально изделие арочной конструкции, рассматриваемое в данной работе, может быть любых разумных размеров. Однако, если его рассматривать применительно к ж/д вагону, автомобильному фургону или палубной надстройке среднего размера катера, то в миделевом сечении оно, как правило, не превышает 3 м, а в длину может быть достаточно протяженным – до 20–25 м. Поэтому целесообразно изготавливать сначала отдельные секции изделия, а затем соединять их с помощью силового набора.

Конструктивно такая секция может состоять из трех элементов (ниже их порядковые номера совпадают с номерами позиций на рис. 3):

1. Криволинейная часть из ТСК, изготавливаемая методом вакуумного формования, проводимого на полимерной оснастке сотовой же конструкции.
2. Боковые плоские вставки из ТСК, изготавливаемые методом прессования;
3. Торцевые плоские вставки из ТСК, также изготавливаемые методом прессования.

С точки зрения технологичности изготовления секций и их последующей сборки в арочное изделие, разумный размер каждой секции по образующей криволинейной части при ее ширине в миделевом сечении, равной 3 м (см. рис. 1), должен составлять не более 1,5 м. В этом случае соединение вставок силового набора с основной, криволинейной, частью производится с помощью клее-замкового соединения с использованием эпоксидного клея ВК-9 (см. рис. 3). Следует добавить, что боковые вставки после сборки выполняют также важную роль ребер жесткости (см. титульное фото), тем самым ужесточая и упрочняя готовое крупногабаритное изделие.

В данной работе вопросы изготовления балок силового набора рассматривались с использованием как алюминиевых сот, так и мета-арамидных. В табл. 3 и на рис. 4 приведены результаты испытаний на четырехточечный изгиб, как наиболее характерный вид нагружения для данной конструкции, силового набора с использованием мета-арамидных сот толщиной 20 мм. Аналогичные результаты были получены также на образцах подобных балок с использованием алюминиевых сот толщиной 20 мм.

Таблица 3. Результаты испытаний на четырехточечный изгиб образцов балок силового набора ТСК

* Среднее арифметическое.

Как правило, в конструкцию подобных изделий обязательно входят элементы, позволяющие крепить электрожгуты, датчики и прочее оборудование. Эти элементы в виде крепежных втулок с помощью заливочных паст на эпоксидной основе устанавливаются в соты. Количество втулок для одного изделия может колебаться от нескольких десятков до сотен штук. При этом время на их установку и последующее отверждение указанных заливочных паст составляет до нескольких суток, что существенно увеличивает трудоемкость процесса.

В данной работе для этих целей было использовано ультразвуковое устройство пистолетного типа (рис. 5). Применение этой технологии, более подробно описанной в источнике [1], позволяет в сотни раз уменьшить время установки втулок, ускорив отверждение эпоксидной пасты [4].

Рассматриваемые изделия арочной конструкции в процессе эксплуатации иногда подвергаются повышенным нагрузкам. Например, по палубной надстройке катера средних размеров или небольшого корабля могут ходить люди, перемещаться грузы и т.д. Это касается также крыш ж/д вагонов, автофургонов. Существует и такое понятие как сезонная снеговая нагрузка.

Для подтверждения правильности выбранных исходных материалов, конструктивных решений, технологии изготовления ТСК, производства отдельных секций с силовым набором и их сборки был изготовлен обтекатель арочного типа размерами 3000´3000´600 мм (рис. 6 и титульное фото).

Затем данное изделие на специально сконструированном стенде было нагружено равномерно распределенной нагрузкой из расчета 220 кг/м². В процессе нагружения проводились замеры прогиба конструкции с использованием специального лазерного измерительного комплекса. Результаты измерений показали, что максимальный прогиб в самом слабом месте составил 9 мм, причем при разгрузке произошло полное восстановление формы изделия.

Выводы

1. Подобраны материалы, разработана и опробована технология сборки арочных обтекателей и крыш из ТСК практически неограниченной длины, что позволяет значительно расширить диапазон применения таких изделий.
2. Изготовлен и испытан крупногабаритный силовой обтекатель арочного типа на основе ТСК массой 3,5 кг/м², что в 3 раза легче существующих металлических аналогов.
3. Полученные результаты могут послужить основой для организации серийного производства крупногабаритных изделий различной конфигурации для нужд транспортной и других отраслей, где требуются высокая прочность, малый вес и умеренная стоимость.

Литература

1. Ильюшенков С. Ф., Середута П. И. Возможности снижения массы элементов интерьера современных пассажирских самолетов // Полимерные материалы. – 2019. – № 9. – С. 32–38.
2. Ильюшенков С. Ф., Цветков В. Е., Середута П. И., Цветкова Н. Н. Современные конструкторско-технологические разработки элементов интерьера ЛА // Полимерные материалы. – 2024. – № 12. – С. 36–42.
3. Ильюшенков С. Ф., Батизат Д. В., Середута П. И. Разработка трехслойных сотовых панелей пола пассажирских самолетов из полимерных композитов // Полимерные материалы. – 2025. – № 3. – С. 14–21.
4. Способ закрепления арматуры в панели из полимерных материалов и устройство для его осуществления: а. с. № 1012511 СССР, МПК В29С 27/08, В29D 3/02 / Ильюшенков С. Ф., Пешехонов Б. А., Воронин Ю. Г., Комаров Г. В., Гришелевич В. А.; заявл. 04.12.1980, опубл. 14.12.1982.

Experience in Manufacturing Lightweight Large-size Vehicle Elements from Polymer Composites

S. F. Ilyushenkov, P. I. Sereduta

This article examines the results of many years of work on the selection of materials, design, technology development and manufacture of large-sized vehicle components from sandwich structures based on polymer composite materials. At the same time, the focus was placed primarily on domestic raw materials for the serial production of such products.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 4 (323) 2026 г., с. 8-12.