композитный резьбовой соединительный элемент

Формула изобретения

1. Композитный резьбовой соединительный элемент, состоящий из скрепленных связующим пултрузионного стержня, выполненного на основе однонаправленных армирующих волокон, ориентированных вдоль его продольной оси, и наружной оболочки с резьбой, выполненной из материала на основе волокон, ориентированных, по меньшей мере, в двух направлениях относительно указанной оси стержня, отличающийся тем, что его сплошной или полый пултрузионный стержень по каждому месту резьбы на одном или обоих его концах снабжен кольцевым уступом цилиндрической, конической или ступенчато-конической формы, выполненным на длину предполагаемой резьбы и на глубину не менее ее высоты, наружная оболочка для каждого упомянутого места резьбы выполнена с ответной кольцевому уступу стержня геометрией из намоточных слоев тканого волокнистого армирующего материала, а резьба на ней выполнена нарезной.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что уступ конической или ступенчато-конической формы выполнен переменного диаметра, увеличивающегося в сторону торца стержня.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отношение длины резьбы к ее диаметру составляет от 1:1 до 10:1.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующих волокон пултрузионного стержня и тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки использованы неорганические или органические волокна или их комбинации.

5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что в качестве органических волокон использованы полимерные волокна, а в качестве неорганических - стеклянные, базальтовые или угольные.

6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что пултрузионный стержень и наружная оболочка выполнены на основе одинаковых или различных армирующих волокон.

7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки использована ткань полотняного, саржевого, ситцевого или сатинового переплетения в виде полотна или ленты или их комбинации.

8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что между слоями тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки размещены кольцевые слои из нитей, жгутов или прядей.

9. Элемент по п.1, отличающийся тем, что пултрузионный стержень и наружная оболочка выполнены на основе одинакового или различного термореактивного или термопластичного связующего.

10. Элемент по п.9, отличающийся тем, что в качестве термореактивного связующего использовано связующее на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной или полиуретановой смолы или их комбинации.

11. Элемент по п.1, отличающийся тем, что общее объемное содержание связующего в нем составляет 15-50%.

12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что поверхность кольцевого уступа пултрузионного стержня выполнена с рисками или канавками преимущественно кольцевого направления.

13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что пултрузионный стержень снаружи снабжен, по меньшей мере, одним слоем тканого волокнистого армирующего материала, аналогичного материалу наружной оболочки.

14. Элемент по п.1, отличающийся тем, что на пултрузионном стержне снаружи выполнены сплошные или прерывистые фасонные выступы.

15. Элемент по п.14, отличающийся тем, что выступы расположены вдоль или поперек его продольной оси или по винтовой линии.

16. Элемент по п.1, отличающийся тем, что снаружи он снабжен износостойким покрытием, преимущественно полиуретановым или фторопластовым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к соединительным элементам, в частности к композитным резьбовым соединительным элементам, основу которых составляют выполненные методом пултрузии и называемые пултрузионными сплошные или полые стержни из однонаправленных прямолинейных волокон, скрепленных полимерным связующим. Изобретение может быть использовано в машиностроении, горном деле, химии и других отраслях промышленности для соединения элементов конструкций.

Использование сравнительно дешевого (с точки зрения его производства) пултрузионного стержня в конструкции композитного резьбового соединительного элемента не получает широкого распространения ввиду непригодности такого стержня для непосредственной нарезки на нем резьбы: волокна ломаются, а зубья скалываются по смоле, но, более всего, ввиду того, что в зоне резьбы соединительный элемент на базе такого стержня не обладает необходимыми прочностями на скол и сдвиг.

Известен композитный резьбовой соединительный элемент, состоящий из скрепленных между собой связующим пултрузионного стержня из однонаправленных армирующих волокон, ориентированных вдоль его оси, и наружной оболочки с резьбой (РСТ заявка WO 89/00649 А1, МПК⁴ F16В 35/00, 19/06, В21Н 3/02, В21Н 3/08, опубл. 26.01.89).

Известный элемент выполнен из композита на основе термопластичного связующего. Резьба на нем выполнена не нарезная, а формованная. Такая резьба имеет сглаженные вершины и плавные контуры зубьев, что негативно сказывается на качестве соединения элементов конструкций и их работе, особенно, при нагрузках на скол и сдвиг, но даже такую резьбу нельзя образовать на пултрузионном стержне, выполненном из композита на основе термореактивного связующего.

Известен композитный резьбовой соединительный элемент в виде стержня с нарезной резьбой на обоих его концах, выполненного из композиционного материала на основе тканого волокнистого армирующего материала и жгутов или прядей из однонаправленных волокон (авт. свид. SU №1726856, МПК ⁵ F16В 35/00, опубл. 15.04.92, бюл. №14).

Известный элемент не является пултрузионным, хотя в зоне резьбы он содержит длинномерные однонаправленные волокна. Именно их обломки не обеспечивают необходимое качество резьбы на концах стержня.

Элемент по РСТ заявке WO 89/00649 является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на раскрытие которой направлено изобретение, является разработка простой, надежной и дешевой конструкции композитного резьбового соединительного элемента с нарезной резьбой на базе пултрузионного сплошного или полого стержня.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении надежности соединительного элемента за счет повышения прочности резьбы на скол и сдвиг и в снижении затрат на его производство.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в композитном резьбовом соединительном элементе, состоящем из скрепленных связующим пултрузионного стержня, выполненного на основе однонаправленных армирующих волокон, ориентированных вдоль его продольной оси, и наружной оболочки с резьбой, выполненной из материала на основе волокон, ориентированных, по меньшей мере, в двух направлениях относительно указанной оси стержня, согласно изобретению его сплошной или полый пултрузионный стержень по каждому месту резьбы на одном или обоих его концах снабжен кольцевым уступом цилиндрической, конической или ступенчато-конической формы, выполненным на длину предполагаемой резьбы и на глубину не менее ее высоты, наружная оболочка для каждого упомянутого места резьбы выполнена с ответной кольцевому уступу стержня геометрией из намоточных слоев тканого волокнистого армирующего материала, а резьба на ней выполнена нарезной.

В частных случаях исполнения изобретения кольцевой уступ конической или ступенчато-конической формы выполнен переменного диаметра, увеличивающегося в сторону торца стержня; отношение длины резьбы к ее диаметру составляет от 1:1 до 10:1; в качестве армирующих волокон пултрузионного стержня и тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки использованы неорганические или органические волокна или их комбинации; в качестве органических волокон использованы полимерные волокна, а в качестве неорганических - стеклянные, базальтовые или угольные; пултрузионный стержень и наружная оболочка выполнены на основе одинаковых или различных армирующих волокон; в качестве тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки использована ткань полотняного, саржевого, ситцевого или сатинового переплетения в виде полотна или ленты или их комбинации; между слоями тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки размещены кольцевые слои из нитей, жгутов или прядей; пултрузионный стержень и наружная оболочка выполнены на основе одинакового или различного термореактивного или термопластичного связующего; в качестве термореактивного связующего использовано связующее на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной или полиуретановой смолы или их комбинации; общее объемное содержание связующего в нем составляет 15-50%; поверхность кольцевого уступа пултрузионного стержня выполнена с рисками или канавками, преимущественно, кольцевого направления; пултрузионный стержень снаружи снабжен, по меньшей мере, одним слоем тканого волокнистого армирующего материала, аналогичного материалу наружной оболочки; на пултрузионном стержне снаружи выполнены сплошные или прерывистые фасонные выступы; выступы расположены вдоль или поперек его продольной оси или по винтовой линии; снаружи он снабжен износостойким покрытием, преимущественно полиуретановым или фторопластовым.

Отличительными от прототипа признаками заявленного элемента являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- снабжение сплошного или полого пултрузионного стержня по каждому месту резьбы на одном или обоих его концах кольцевым уступом,

- выполнение указанного кольцевого уступа цилиндрической, конической или ступенчато-конической формы,

- выполнение упомянутого уступа на длину предполагаемой резьбы и на глубину не менее ее высоты,

- выполнение наружной оболочки для каждого упомянутого места резьбы с ответной кольцевому уступу упомянутого стержня геометрией,

- выполнение указанной оболочки из намоточных слоев тканого волокнистого армирующего материала,

- выполнение резьбы на наружной оболочке нарезной;

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- выполнение кольцевого уступа конической или ступенчато-конической формы переменного диаметра, увеличивающегося в сторону торца стержня,

- отношение длины резьбы к ее диаметру, составляющее от 1:1 до 10:1,

- использование в качестве армирующих волокон пултрузионного стержня и тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки неорганических или органических волокон или их комбинации,

- использование в качестве органических волокон полимерных волокон, а в качестве неорганических - стеклянных, базальтовых или угольных,

- выполнение пултрузионного стержня и наружной оболочки на основе одинаковых или различных армирующих волокон,

- использование в качестве тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки ткани полотняного, саржевого, ситцевого или сатинового переплетения в виде полотна или ленты или их комбинации,

- размещение между слоями тканого волокнистого армирующего материала наружной оболочки кольцевых слоев из нитей, жгутов или прядей,

- выполнение пултрузионного стержня и наружной оболочки на основе одинакового или различного термореактивного или термопластичного связующего,

- использование в качестве термореактивного связующего связующего на основе полиэфирной, эпоксидной, винилэфирной или полиуретановой смолы или их комбинации,

- общее объемное содержание связующего в элементе, составляющее 15-50%,

- выполнение поверхности кольцевого уступа пултрузионного стержня с рисками или канавками, преимущественно, кольцевого направления,

- снабжение пултрузионного стержня снаружи, по меньшей мере, одним слоем тканого волокнистого армирующего материала, аналогичного материалу наружной оболочки,

- выполнение на пултрузионном стержне снаружи сплошных или прерывистых фасонных выступов,

- расположение указанных выступов вдоль или поперек продольной оси стержня или по винтовой линии,

- снабжение элемента снаружи износостойким покрытием, преимущественно полиуретановым или фторопластовым.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Заявленный элемент, в отличие от элемента по прототипу, более надежен благодаря тому, что его резьба, за счет отсутствия в ней ломких однонаправленных волокон, обладает повышенной прочностью на скол и сдвиг. Ее четкий нарезной контур обеспечивает высокое качество сцепления предложенного элемента с ответной резьбой соединяемого с ним элемента. Элемент по изобретению не требует для своего производства сложного оборудования, подготовительных работ по сборке и формированию резьбы. Он прост и дешев в изготовлении и надежен в работе.

В предложенном элементе в качестве его базы использован пултрузионный стержень, выполненный из композита на основе термопластичной или термореактивной смолы, органического или неорганического волокна, непригодный по вышеуказанным причинам для непосредственного выполнения на нем нарезной резьбы. Образование на стержне из однонаправленного материала по месту резьбы кольцевого уступа и размещение на нем наружной оболочки из многонаправленного материала (каким является тканый материал) и было решением проблемы. Результаты испытаний подтвердили высокое качество и надежность нарезной резьбы созданного элемента.

Форма кольцевого уступа на стержне обусловлена условиями будущей эксплуатации соединительного элемента: в менее жестких - цилиндрическая, в более жестких - коническая или ступенчато-коническая.

Заявленный элемент может быть выполнен с резьбой как на одном его конце, так и на обоих концах.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлен заявленный композитный резьбовой соединительный элемент со ступенчато-коническим кольцевым уступом, на фиг.2 - сечение по А-А фиг.1, на фиг.3 показаны другие варианты форм выполнения кольцевого уступа, на фиг.4 представлен заявленный композитный резьбовой соединительный элемент, вариант.

Композитный резьбовой соединительный элемент 1 (фиг.1) содержит полый пултрузионный стержень 2 с кольцевыми уступами 3, выполненными по предполагаемым местам размещения резьбы на всю ее длину и на глубину не менее ее высоты, наружную оболочку 4 с размещенной на ней нарезной резьбой 5.

Стержень 2 выполнен из эпоксидного стеклопластика на основе длинномерных однонаправленных, ориентированных вдоль его оси, стеклянных волокон 6 и эпоксидного термореактивного связующего 7 (фиг.2).

Уступы 3 имеют ступенчато-коническую форму, но они могут быть цилиндрической или конической формы (фиг.3).

Оболочка 4 выполнена из намоточных слоев 8 эпоксидного стеклопластика на основе стеклоткани полотняного переплетения (фиг.1).

Вариантом изобретения является композитный резьбовой соединительный элемент 9, представленный на фиг.4.

Элемент 9 содержит стержень 2 сплошного сечения, выполненный из винилэфирного органопластика на основе однонаправленных органических волокон.

Оболочка 4 элемента 9 выполнена из намоточных слоев винилэфирного органопластика на основе органоткани.

Композитный резьбовой соединительный элемент изготавливают следующим образом.

Методом пултрузии изготавливают стержень 2 необходимого полого или сплошного сечения. По месту предполагаемого размещения резьбы протачивают кольцевой уступ 3 и наматывают на него предварительно пропитанную связующим ткань до полной выборки его глубины с образованием оболочки 4. После полного отверждения связующего оболочки 4 нарезают резьбу 5.

Работа соединительного элемента.

При свинчивании предложенного элемента с элементом конструкции, имеющим ответную ему внутреннюю резьбу, его резьбовые витки испытывают нагрузки на скол, а в затянутом состоянии - нагрузки на сдвиг. Разрушающему воздействию обоих видов нагрузок противодействуют разнонаправленные (в окружном и осевом направлениях) волокна ткани, плотно уложенные по высоте резьбы.

Заявленный соединительный элемент изготавливают в промышленных условиях на оборудовании производства композитных изделий.