Формование судового рангоута из стеклопластика

Формование рангоута из стеклопластика — дело непростое. Од­нако при правильном подходе любитель может изготовить работоспособный рангоут, достаточно прочный, легкий, имеющий лю­бую приемлемую форму, конусность, изменяющуюся толщину стенки и гибкость, хотя при этом, вероятно, допустит большое число существенных погрешностей, прежде чем достигнет харак­теристик, приближающихся к научно обоснованным.

Трудности, связанные с изготовлением рангоута, непомерно возрастают с увеличением его размеров.

Материалы

Стекломат, используемый для изготовления корпуса суднаМалотоннажные суда из стеклопластика, не­достаточно прочен для рангоута. Для этой цели требуется тка­ный материал наподобие полотна или тканых ровниц, обладаю­щий большим сопротивлением растяжению.В целях обеспечения максимальной прочности деталей, рабо­тающих в условиях критических нагрузок, следует применять не полиэфирные, а эпоксидные смолы.

Основные нагрузки на рангоут (в частности, на мачту) дей­ствуют обычно вертикально, вдоль осей. При использовании однонаправленной ткани (т.е. имеющей большую прочность ос­новы, чем утка, или наоборот) для придания прочности в го­ризонтальной плоскости рангоута удается достигнуть эконом­ного расходования материала и тем самым избежать увеличе­ния массы. Следует отметить, что однонаправленная ткань (иногда называемая направленной тканью) обеспечивает боль­шую прочность только в том случае, если волокна располага­ются вдоль рангоута. Достоинства ткани, уложенной по спи­рали (что часто требуется для ее удержания), снижаются. В этом случае обычное квадратное плетение обеспечивает та­кую же прочность.

Хорошие результаты дает намотка волокна, т. е. наматыва­ние единичной пряди наподобие того, как это делают при обма­тывании конца каната.

Ткань иногда удобнее скручивать по длине детали отдель­ными длинными отрезками, чем наматывать спиралеобразно. Лучшим методом формования является тот, который наиболее прост.

Использование сердечника

При изготовлении рангоута формование можно производить по­верх сердечника или секциями с последующим их соединением. Сердечник может оставаться внутри детали или извлекаться. Сердечник, оставляемый внутри, наиболее прост, но поскольку он предназначен для одноразового использования, то должен быть легким и недорогим. Жесткость его должна быть доста­точной, чтобы сохранять форму, пока смола не заполимеризуется, при этом требуется поддержание его снаружи.

Применяемый в качестве заполнителя пенополиуретан или полихлорвиниловый пенопласт является непрочным, но очень легким. Бальзовая древесина прочнее, но имеет большую плот­ность. Крупные поры пробки поглощают смолу. Пенополисти­рол требуется тщательно изолировать, поскольку полиэфирная смола быстро его растворяет. Он более надежен в сочетании с эпоксидной смолой. Его необходимо заворачивать в полиэти­леновую пленку или изолировать эпоксидным составом, краской или битумом и обязательно подвергать образец натурным испы­таниям.

Самый легкий заполнитель — это воздух. Тонкостенная трубка из бумаги вполне подходит для этого случая, а участки небольшой длины можно соединять друг с другом. Диаметрам судовых мачт соответствуют дренажные трубы, сточные и спуск­ные трубы. Простые композитные деталиВант-путенсы и такелаж на судах из стеклопластика рангоута изготовляют также формованием поверх бамбука.

В идеальном случае сердечник должен быть в конце концов удален, но формованная конструкция при отверждении сжи­мает его. Более практичны сердечники, которые могут сплющи­ваться при удалении воздуха или опорожняться от воды или песка.

Надуваемую трубку из полиэтилена или резины, плоскую в свободном состоянии, легко извлечь. Но если она и остается внутри, проигрыш в материале и массе получается незначитель­ный. Как видно на примере надувной лодки, низкое давление создает достаточно плотную поверхность трубы. Армированная труба высокого давления может быть даже более жесткой.

Труба, наполненная легко удаляемыми водой и песком, жестче, но сложнее в использовании.

Сердечники, которые могут выплавляться или растворяться, вследствие низкой теплостойкости смолы неприемлемы. Даже температура кипящей воды превышает порог повреждения боль­шинства смол. Можно использовать воск, но для цельного сер­дечника он дорог. Тонкий слой воска поверх твердого сердеч­ника можно выплавлять без нагрева, способного вызвать серь­езное повреждение стеклопластика, освободив сердечник настолько, что его легко вытянуть. Полиэтиленовое покрытие, обладающее достаточно низким трением, позволяет удалить дорн целиком, но, вероятно, для этого необходимо приложить значительное усилие и использовать съемные приспособления для передачи этого усилия без повреждения мачты. Это, пожа­луй, лучше выглядит в теории, чем на практике. Авария может обойтись очень дорого.

Пеноматериалы довольно легко разломать. Однако они на­столько легки и безвредны, что целесообразнее оставлять их внутри.

Композитные сердечники увеличивают жесткость и проч­ность конструкцииПрочность плавучих доков и общие характеристики внешних сил, в частности элемент жесткости крестообраз­ного сечения из тонкой многослойной фанеры в сочетании с пе­нопластом для получения требуемой формы или с поддержи­вающей оболочкой из клейкой бумаги, плотно обернутой поверх него.

Пеноматериал несложно обработать. Жесткая пена или еще более доступная и легко принимающая форму эластичная пена может быть отверждена после пропитки смолой.

Раскатанный тонколистовой металл и сварная сетка «Велдмеш» образуют жесткие и легкие сердечники, но их трудно извлекать. Сварная сетка, т.е. такая, пересекающиеся прово­лочки которой свариваются, очень жестка для своей массы. Это довольно неподатливый материал, но придав ему определенную форму и сварив стыки, либо соединив их болтами или прошив­кой, можно образовать конструкцию, не требующую дополни­тельных подкреплений. Проволочную плетеную сетку чаще при­меняют для заполнения.

Cекционное формование

Простейшим методом является формование деталей рангоута из двух или более продольных секций с последующим их соеди­нением. Однако способ соединения секций следует тщательно продумать. Предпочтительнее продольное соединение внахлест с проклеиванием или клепкой (рис. 1). Стыковое соединение по длине ненадежно в силу малой поверхности контакта и труд­ности осуществления надлежащей обформовки. Оптимальным способом является образование наружного фланца, который может быть отформован строго по линии и затем либо срезан, либо использован для создания дополнительной прочности в одном направлении или в качестве направляющей для ниж­ней кромки паруса.

Достаточная прочность обеспечивается при изготовлении двух формуемых деталей, образующих сердечник, склеивании их и наформовке поверх обеих частей ткани или ровинга для сращивания их вместе. Формуемый сердечник должен быть прост в изготовлении и обеспечивать минимально необходимую жесткость. Этот способ можно использовать применительно к сердечнику из таких материалов, как легкая многослойная фанера, плотный картон или бумага. Стыки должны быть обвя­заны тесьмой.

Известен способ, при котором две половины мат­рицы соединялись шарнирно. Материал формуемой детали укла­дывался в раскрытую матрицу и после пропитки обе половины смыкались. При этом неизбежны потери смолы и, следова– тельно, снижение прочности вдоль оси шарнирного соединения. Резкий поворот в шарнире может нарушить положение пропи­танной стеклоткани.

Более совершенным является способ ук­ладки материала на гибкий металлический или пластмассовый лист, который затем изгибают, формуя таким образом деталь с круглым или овальным сечением. После отверждения мате­риала формуемый лист удаляют и обе кромки отформованной заготовки связывают вместе или соединяют заклепками. Этот способ также обеспечивает получение гладкой наружной по­верхности.

Скатанные детали рангоута

Детали рангоута можно скатать наподобие рулета. Пропитан­ную ткань укладывают на плоские листы металла или стекло­пластика и скатывают. Однако этот способ неопрятен, контроль размеров затруднен до тех пор, пока заготовка не будет надета на шаблон. При скатывании ткань необходимо как можно силь­нее натягивать.

Этот принцип не новый. Предварительно были тщательно изучены полые деревянные детали рангоута, подоб­ные скатанным.

Большей опрятности можно достигнуть при использовании современных препрегов или предварительно пропитанных стек­лоармирующих материалов, но их полное отверждение невоз­можно без нагрева. Отвердитель между слоями может оказы­вать склеивающее действие, однако добиться удовлетворитель­ного сочетания смолы с отвердителем пока не удается, хотя в принципе считается возможным при использовании катализи­рованной смолы с индивидуальным ускорителем.

Детали рангоута можно изготовлять трехслойными. Тонкий пенополивинилхлорид (ПВХ), в особенности материал «Эйрекс», очень эластичен для скатывания и становится еще более эластичным при нагревании. Пропитанный стеклопластик укла­дывают на пенозаполнитель и вместе с ним скатывают для по­лучения требуемой формы. Второй слой стеклопластика добав­ляется снаружи для создания трехслойной структуры.

Более сложные формы сечения

Детали рангоута можно изготовить не только наподобие соот­ветствующих полых деревянных деталей коробчатого сечения из плоских заготовок, вырезанных из листового материала или заранее отформованных, но и получить из криволинейных или достаточно сложных отформованных заготовок. Таким путем можно выполнить мачтовые погоны.

Пока формуемая деталь находится в начальной стадии по­лимеризации и остается достаточно гибкой в течение несколь­ких часов, ее можно в значительной мере изогнуть и в этом состоянии подвергнуть окончательному отверждению.

Общепринятой формой сечения рангоута является сечение полой трубы, но наиболее сложным для формования следует считать полый профиль. Технологические приемы и принципы формования основаны на более простом сечении открытой коробки, типичным примером которой является судовой корпусРемонт корпуса судна. Но рангоут может и не быть пустотелым. По общему мнению, круглая форма сечения обладает прочностью во всех направле­ниях и при разумном превращении круглого сечения в овальную или грушевидную форму может оказаться в определенных пло­скостях даже прочнее. Из множества форм сечений, применяе­мых в технике, простое сечение ПСБ ПСБ – прямоугольная стальная балка.x или двутавровое, более приемлемо там, где нагрузка действует в одном направлении. Этот случай часто встречается на судне, например, в конструк­ции гика или весла.

Два швеллера могут полностью сформиро­вать балку коробчатого сечения или двутаврового профиля, при­чем последняя значительно проще для соединения обеих частей. При этом могут быть образованы фланцы любой требуемой ши­рины или толщины для обеспечения прочности, которая подска­зана расчетом, интуицией или опытом.

Тот же результат можно получить за счет изменения формы сечения; в отличие от покуп­ного профиля, имеющего постоянное сечение ПСБ, ширину фланца легко сделать переменной в соответствии с предъявляе­мыми требованиями. На рис. 2 показаны пути совершенствова­ния конструкции простого коробчатого сечения.

Поддержание в процессе формования

Детали рангоута чрезвычайно чувствительны к искривлению в процессе формования и их необходимо поддерживать, по­скольку они остаются эластичными до полимеризации. Любое небольшое искривление детали может оказаться необратимым. Даже на легкой детали, лежащей на верстаке, под действием ее собственной массы могут образоваться впадины или выпукло­сти либо однобокая конусность.

Подобные явления менее веро­ятны, если деталь во время полимеризации подвешена верти­кально.

Деталь следует подвешивать, например, к дереву или высокому строению. Для поддержания приемлемой температуры деталь можно поместить в просторную полиэтиленовую трубу, установив электронагреватель в ее нижней части. Доступ к вер­тикально подвешенной детали затруднен. Значительно удобнее изготовлять длинную деталь из коротких секций, соединяемых затем с помощью прочного отформованного бандажа или стыко­вой накладки. В конструкции следует предусматривать соответ­ствующую канавку, чтобы поверхности участков могли быть за­деланы заподлицо с обеспечением избыточной толщины в местах крепления приспособлений.

Читайте также: Небалластные кили судов из стеклопластиков

Сохранить прямолинейность и избежать впадин и искривле­ний можно, пропустив через середину детали туго натянутую проволоку наподобие рояльной струны или пруток. Установлен­ные с действительным натягом посредством стяжек они обеспе­чат неподвижность участков поверхности и поддержат деталь одинаково с обоих концов. Однако под действием собственной массы она может прогибаться. Если промежуточная опора неиз­бежна при использовании сердечника, рангоут следует формо­вать из секций, поддерживая его на неформуемом участке или в местах, где отверждение закончилось. Это позволит избежать отметок, а возможно, и впадин; причем в случае мягкого сер­дечника эти впадины и искривления могут быть глубокими. Предпочтительнее формовать один или два слоя за один прием и при этом часто перемещать подпорки, чтобы конструкция оставалась сбалансированной.

По общепринятому мнению, начинать формование нужно с одного конца. Максимальная массовая нагрузка и провисание будут всегда посредине. Очевидное преимущество такого приема состоит в возможности поддержания середины сразу после ее отверждения. Подпорки можно передвигать от центра к периферии для поддержания каждого участка по мере от­верждения.

Деталь должна быть отформована за один прием за исклю­чением тех случаев, когда она изготовляется из секций. Благо­даря применению медленно твердеющих смол деталь отвержда­ется полностью практически одновременно. Если отверждение нижних слоев закончится раньше, чем наружных, любое пере­мещение или плохое поддержание могут стать причиной отвер­ждения внутренних слоев в искривленном состоянии детали, а это уже будет неисправимо. Начатую работу следует продол­жать до полного отверждения детали или части ее. Допустимо изготовлять несколько слоев за один раз и отверждать их, на при этом необходимо обеспечить правильное поддержание каж­дого слоя при отверждении. Эта операция может оказаться до­вольно сложной.

Углеродные волокна

Гибкость стеклопластика в пять-десять раз больше по сравне­нию с алюминием. Эта гибкость должна преодолеваться уста­новкой усиленного такелажа или увеличением сечения, причем то и другое создают дополнительное сопротивление ветровой нагрузке, хотя масса может оставаться почти такой же.

Углеродные волокна используются для придания мачтам по­вышенной жесткости. Низкомодульное графитовое волокно не может служить в качестве армирующего материала, так как не обладает достоинствами даже стеклопластика среднего каче­ства. Только высокомодульные углеродные волокна значительно превосходят их, но и их прочность при растяжении лишь соизме­рима с прочностью качественного стеклопластика (базой для сравнения большинства характеристик являются формованные конструкции с эпоксидной матрицей). Преимущество их заклю­чается в высокой жесткости, приближающейся к жесткости стали. Однако высокое значение модуля упругости и прочность не сочетаются в материале. Необходимо тщательно исследовать свойства применяемых волокон. Крупным недостатком углерод­ных волокон является высокая их стоимость, составляющая от 20 до 100 фунтов стерлингов за 1 кг.

Углеродные волокна следует укладывать в тех местах, где это обеспечит наибольший эффект. Поскольку при изгибе только наружная поверхность мачты испытывает максимальные напря­жения (в отличие от внутренней), она и должна явиться райо­ном укладки высокомодульных углеродных волокон на всем протяжении до вершины мачты.

Все описанные здесь принципы следует опробовать примени­тельно к собственным нуждам, отчетливо сознавая, что прием­лемое для одного может оказаться непригодным для другого.