Расчетные значения характеристик бормагниевого КМ

Предел прочности в направ-лении волокон σв,МПа	Модуль упругости в направ-лении волокон Е1, ГПа	Модуль упругости поперек волокон Е2, ГПа	Коэффи-циент Пуассона вдоль волокон, ν 12	Коэффи-циент Пуассона поперек волокон, ν 21	Плот- ность, ρ, кг/м3
			0,264	0,207

 

Для определения экспериментальных значений механических свойств композиционного материала бормагний был проведен анализ возможных форм разрушения лопатки. В соответствии с этим были изготовлены серии различных образцов, позволяющих оценить прочность КМ с различной структурой. В частности, были изготовлены двухзамковые образцы; замки типа «ласточкин хвост» являются характерными для соединений лопатка–диск рабочих колес компрессоров. На этих образцах были смоделированы условия преобладающего действия и последующего разрушения от напряжений разных видов:

- растягивающих (разрушение по стержню образцов);

- сдвиговых (разрушение по замку);

- сжимающих (разрушение по замку).

По технологии, близкой к предполагаемой технологии изготовления модельной лопатки, были изготовлены специальные образцы, моделирующие профильную часть (перо) лопатки (рис. 10.20).

 

Рис. 10.20. Образцы из КМ для испытания на растяжение

 

На рис. 10.21 показан образец для испытания КМ на сдвиг (срез).

 

Рис. 10.21. Образец из КМ для испытания на сдвиг (срез)

 

Результаты испытания двухзамковых образцов приведены в табл. 10.3.

 

Таблица 10.3

Свойства КМ бормагний

 

Предел прочности на разрыв σвр,МПа	Предел прочности на сжатие σвс,МПа	Напряжение сдвига (среза) τс, МПа	Модуль упругости Е1, ГПа	Коэффициент Пуассона ν 21
вдоль волокон	попер. волокон
			97,6		0,227

 

 

Как следует из табл. 10.2 и 10.3, наблюдается удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов: модуль упругости и коэффициент Пуассона отличаются незначительно, экспериментальный предел прочности при растяжении составляет 77% от расчетного, что приемлемо. Удельная прочность КМ (отношение веса и прочности), определенная по результатам экспериментальных исследований, оказалась выше, чем у авиационного титанового сплава (0,257>0,223).

Образцы (рис.10.20), изготовленные по усовершенствованной технологии (неоднократное оксидирование и обработка порошком нитрида бора поверхностей пресс-формы, плавка сплава магния в нейтральной среде, специальное охлаждение пресс-формы и др.) и испытанные на разрыв, показали, что экспериментально полученный предел прочности составил в среднем 93% от расчетного.

В поисках более совершенного конструктивного решения и структуры КМ в зоне перехода пера лопатки в замок и оценки влияния подкрепляющих волокон в зону ожидаемого разрушения плоских образцов (рис. 10.21) были «вставлены» поперечные слои. Экспериментальными исследованиями подтвержден подкрепляющий эффект от поперечных слоев; при этом среднее значение предельных напряжений сдвига достигает значения 110 МПа.

В результате предварительных исследований прочностных характеристик составляющих композиционного материала, расчетного определения свойств КМ, отработки технологии получения КМ с различной структурой, теоретических исследований напряженно–деформированного состояния и выявления наиболее нагруженных частей на проектируемой трехмерной модели лопатки компрессора, экспериментальных исследований прочностных свойств натурных образцов из КМ и др. были изготовлены модельные образцы лопаток компрессора (рис. 10.22).

На рис. 10.22, а показаны зоны возникновения максимальных напряжений при колебании лопаток по первой (основной) форме изгибных колебаний (f» 426 Гц, тензометрический датчик №1) и по высокочастотной форме колебаний (f» 2688 Гц, датчик №2). Испытания на усталость моделей лопаток направляющего аппарата (НА) по основному тону проводились при нормальной температуре, на базе N =2×10⁷ циклов, при напряжениях 300, 310, 350 МПа.

 

№2

№1

 

	а		б

Рис.10.22. Модельные лопатки из КМ: а – лопатка направляющего аппарата; б – модель рабочей лопатки вентилятора

Динамические испытания по высокочастотной форме колебаний проводились при напряжениях в диапазоне 50 ¸ 140 МПа. На основании испытаний получены следующие результаты:

- обнаружена слабая «возбудимость» моделей лопаток; для настройки на заданные напряжения и амплитуды колебаний на свободном конце лопаток закреплялся специальный груз;

- все модели лопаток выдержали базовое число циклов (2×10⁷) без разрушения;

- ни в одном из испытаний разрушение по перу моделей лопаток в зоне действия максимальных вибронапряжений не произошло.

Применительно к рабочим лопаткам (рис. 10.22, б) выполнено исследование с целью проверки работоспособности переходной части перо-хвостовик под действием продольных усилий, возникающих в условиях нагружения рабочих лопаток центробежными силами. При этом менялось количество слоев волокон в переходной зоне перо–замок (как продольных, так и поперечных); экспериментировалась также термическая обработка моделей лопаток. Хвостовик (замок) лопатки закреплялся в специальные захваты, перо зажималось губками разрывной машины через ложементы. Результаты испытаний приведены в табл. 10.4.

 

Таблица 10.4