книги / Светопрозрачные конструкции. (Результаты исследований)

вания. При изготовлении секций ребра-арки верхней и нижней оболочек склеивают между собой. Наличие в конструкции секций вертикальных ребер позволяет зна­ чительно увеличить несущую способность элементов, лик­ видировать «мостик холода» по стыку, обеспечить на­ дежную герметизацию стыка по торцам элементов. Опор­ ные площадки секций расположены по коротким сторонам. Торцовые секции опираются по трем сторо-

Рис. 4. Двухслойный купол из органического стекла

нам. Секции к несущим элементам крепят шурупами, располагаемыми в специальных шайбах из полимерных материалов, приклеенных к опорным плоскостям. Пос­ ле установки шурупов шайбы закрывают колпачками из полиэтилена, что исключает возможность проникновения воды через отверстия для шурупов. Секции панели со­ единяют между собой накладками, которые крепят по концам шурупами к опорной раме. Между секциями прокладывают профили из губчатой морозостойкой ре­ зины.

Конструкции зенитных фонарей точечного типа мон­ тируют на железобетонных плитах покрытия, имеющих специальные световые проемы. В зависимости от требуе­ мого уровня естественного освещения количество свето­

41

вых проемов в плитах длиной 6 м может быть одно или два, а в плитах длиной 12 м — два или четыре. Для уве­ личения световой активности зенитных фонарей боковые грани стаканов выполняют наклонными. Поэтому раз­ меры проемов в плитах несколько превышают размеры стакана по верхнему периметру. Светопропускающими элементами зенитных фонарей точечного типа являются купола, состоящие из двух оболочек разной кривизны, склеенных друг с другом по контуру (рис. 4). По пери­ метру куполов устраивают специальный бортик для от­ вода атмосферных осадков. Купола крепят к опорной раме шурупами. Для герметизации купола устанавлива­ ют на прокладки из пористой резины.

В ЦНИИПромзданий проведены исследования проч­ ностных и теплотехнических свойств светопропускаю­ щих элементов зенитных фонарей из органического стекла, а также отработана технология их изготовле­ ния.

Технология изготовления. Изделия светотехническо­ го назначения из термопластичных материалов до по­ следнего времени изготавливали в основном двумя спо­ собами — комбинированным вакуум-формованием с предварительной оттяжкой листа прессформой и пневмо­ формованием — методом свободного выдувания. Эти способы не позволяют выполнять опорные элементы изде­ лий криволинейного профиля. В ЦНИИПромзданий раз­ работан оригинальный способ изготовления светопропу­ скающих элементов, который в отличие от ранее извест­ ных позволяет получать крупногабаритные криволиней­ ные изделия с несущими и опорными элементами сложно­ го профиля.

Сущность разработанного способа состоит в том, что заготовку из органического стекла закрепляют при фор­

по двум свободным сторонам, штампование зайраин из­ делия и раздув заготовки (для нижних оболочек послед­ няя операция не требуется). Применение указанного спо­ соба позволяет получить экономию материала благодаря ликвидации зажимных кромок но двум сторонам и све­ сти к минимуму последующую обработку изделия. Спо­ соб обеспечивает получение изделий с оптически неис­ каженной поверхностью.

42

При освоении технологии изготовления эксперимен­ тальных конструкций из органического стекла оснастка для формования была выполнена из дерева с мелково­ локнистой структурой. Нижнюю раму через уплотняю­ щую прокладку устанавливали на подъемный стол, верх­ нюю— закрепляли на специальных направляющих, обес­ печивающих вертикальное возвратно-поступательное движение с помощью гидравлического домкрата.

Экспериментальные конструкции изготавливали на вакуум-формовочной машине модели KuVF, реконстру­ ированной для получения крупногабаритных элементов.

При отработке технологических параметров отдель­ ных операций были изучены теплофизические свойства органического стекла, оптимальные температуры формо­ вания изделий, зависимость времени нагревания от тем­ пературы излучателей и их расположения относитель­ но плоскости листа, методы повышения эффективно­ сти нагревателей за счет применения отражающих эк­ ранов.

Выполненные исследовательские работы позволили определить оптимальные условия формования элементов и дать практические рекомендации по изготовлению све­ топрозрачных конструкций.

Подготовка заготовок к формованию. Раскрой ли­ стов производили циркулярными пилами со скоростью резания 600—900 мм/мин. До установки заготовок в за­ жимную раму удаляли с их поверхностей оклеенную бу­ магу. Остатки клея с поверхностей заготовок смывали теплой водой с добавлением небольшого количества мо­ ющих средств, после чего стекло протирали насухо мяг­ кой тканью. При нагреве до температуры формования органическое стекло дает усадку до 2,5—3% от первона­ чальной длины, поэтому размеры заготовок были соот­ ветственно увеличены по сравнению с размерами готово­ го изделия.

Большое значение для получения изделий заданных геометрических размеров имеет надежное закрепление заготовок при формовании. Узел крепления заготовок на формовочной машине типа KuVF состоит из двух за­ жимных рам, одна из которых неподвижно укрепляется на станине, а другая может поворачиваться на шарнирах относительно первой. По верхней плоскости нижней рамы наклеено резиновое уплотнение, позволяющее обеспе­ чить герметизацию соединения при формовании.

43

Нагревание заготовок органического стекла — наибо­ лее продолжительная операция при формовании и в ко­ нечном итоге определяет производительность формовоч­ ных машин.

Наиболее характерными состояниями органического стекла являются:

- а) стеклообразное, определяющее граничную темпе­ ратуру эксплуатации конструкции;

Рис. 5. Зависимость предела прочности при растяжении 1 и разрывного удлинения 2 орга­ нического стекла от температуры при нагре­ вании

б) высокоэластичное, определяющее пределы темпе­ ратур формования;

в) пластичное, характеризующее температуру теку­ чести и возможной деструкции материала.

Для органического стекла марки ПА высокоэластич­ ное состояние наблюдается в пределах от 120 до 150°.

Температура листовой заготовки в момент формова­ ния оказывает влияние на величину внутренних напря­ жений в готовом изделии, степень вытяжки и разнотолщинность стенок по сечению (рис. 5). Как видно из рис. 5, при температуре органического стекла в пределах 115—120° С можно получить наибольшую вытяжку ма­ териала при минимальных усилиях. Однако для достиже­ ния оптимальных условий формования температуру ор­

достаточно высокую прочность и сохраняет необходимую

44

эластичность при понижении температуры в процессе формования.

Один из распространенных источников нагрева ли­ стов до температуры формования — инфракрасные излу­ чатели. Формовочная машина была оборудована двумя передвижными нагревателями, позволяющими произво­ дить односторонний нагрев заготовок. Спирали сопро­ тивления нагревателей, расположенные в керамических трубках, позволяли обеспечить равномерную темпера­ туру излучающей поверхности. Нагреватели оборудова­ ны устройством индивидуального включения, позволяю­ щим регулировать температуру на отдельных участках. Удельная мощность нагревателей при максимальном напряжении составляла 2—2,5 вт/см2.

Длительность и интенсивность нагревания является функцией тепловых констант материала. На основе экс­ периментальных данных установлено, что для нагревания органического стекла до температуры формования необ­ ходимо 1—1,5 мин на 1 мм толщины при удельной мощ­ ности нагревателей 2—2,5 вт/см2.

Существенное влияние на время и равномерность на­ гревания листов оказывает расположение нагревателей относительно плоскости листа. Инфракрасные нагревате­ ли формовочной машины имели специальные приспособ­ ления для регулирования расстояния между источника­ ми излучения и плоскостью заготовки. При определении оптимальных условий нагревания приходилось учиты­ вать, что слишком близкое расположение источников тепла вызывает местный перегрев отдельных участков листа. Увеличение расстояния между листом и источни­ ком тепла позволяет достигнуть более равномерного рас­ пределения температуры как по площади, так и по тол­ щине заготовки, но одновременно приводит к увеличе­ нию времени нагрева, что в конечном итоге снижает производительность формовочной машины. Данные экс­ периментальных исследований показывают, что при на­ гревании заготовок толщиной 3— 6 мм можно принимать расстояние от радиационных источников тепла до плос­ кости нагреваемого листа от 150 до 2 0 0 мм.

Другим фактором, существенно влияющим на время нагрева заготовки, является температура поверхностей нагревателей. Распределение излучаемой энергии по спектру зависит от температуры. При температурах до 600° С тепловое излучение состоит в основном из инфра­

45

красных лучей. С повышением температуры дол/я лучей видимой и ультрафиолетовой областей спектра быстро возрастает. Поэтому не следует стремиться к чрезмерно­ му повышению температуры нагревателей из-за возмож­ ного поверхностного перегрева заготовок.

Равномерная температура нагревателей — недоста­ точное условие для получения равномерного температур-

Рис. 6. Средние температуры на поверхностях листа из орга­ нического стекла в процессе нагревания инфракрасными излу­ чателями

1 — верхняя плоскость; 2 — нижняя плоскость

ного поля по плоскости листа, так как крайние области листа нагреваются медленнее центральных, что является следствием конвективных теплопотерь в окружающую среду. Для защиты от конвективных теплопотерь ис­ пользованы отражательные экраны из полированного листового алюминия, установленные по периметру за­ жимных рам, что значительно повысило эффективность нагревателей и позволило получить более равномерное температурное поле на поверхности листа.

Для более эффективного использования инфракрас­ ных излучателей в процессе отработки технологии изго­ товления светопрозрачных элементов по плоскости подъемного стола был смонтирован отражательный эк­ ран из листового алюминия, в результате чего сократи­ лось время нагрева и получилось более равномерное рас­ пределение температуры по толщине заготовки (рис. 6 ).

Формование светопропускающих элементов склады­ вается из двух операций — механического штампования

46

ну kB можно принимать от 0,75 до 0,85, время, необхо­ димое на установку и закрепление заготовки, составля­ ет 1,5—2 мин, время непосредственного формования зависйт от толщины листа и в среднем составляет от 1 до 2 мин, время, необходимое на съем готового изделия, не превышает 1 мин.

Большая часть времени в процессе формования из­ делия затрачивается на операции по нагреванию заго­ товки и охлаждению изделия. При оптимальных режи­ мах время, необходимое на нагрев листа толщиной 5 мм, составляет около 7 мин, а листа толщиной 4 мм —

5 мин.

Статические испытания. Целью статических испыта­ ний было определение напряжений и деформаций свето­ пропускающих элементов зенитных фонарей при различ­ ных способах загружения и методов совершенствования разработанных конструктивных решений. Испытания светопропускающих элементов производили на специаль­ но изготовленном стенде. Для удобства наблюдения за конструкциями во время испытания в центре стенда бы­ ло устроено отверстие размером 800X800 мм. Верти­ кальные перемещения и деформации измеряли прогибомерами системы ЛИСИ с ценой деления основной шкалы

.0,01 мм, установленными на специальном приспособле­ нии над светопропускающим элементом.

Первоначально опытные конструкции•загружали су­ хим кварцевым песком. После того как толщина засып­ ки в верхней точке составляла 10 см, нагрузку повышали с помощью металлических грузов. На каждой ступени (в 20 кГ/м2) нагрузку выдерживали в течение 10 мин, после чего производили отсчет по прогибомерам. Резуль­ таты измерений позволили определить величину и харак­ тер прогиба купола в зависимости от нагрузки (рис. 8 ). При повышении нагрузки до 240 кГ/м2 деформация верхней оболочки купола составила 0,7 мм, при увеличе­ нии нагрузки до 260 кГ/м2 прогиб верхней оболочки воз­ рос до 3 мм, что объясняется местной потерей устойчи­ вости. При повышении нагрузки до 300 кГ[м2 величина прогиба изменилась незначительно.

Учитывая, что в натурных условиях возможно несим­ метричное загружение, было проведено испытание купо­ ла на распределенную нагрузку, приложенную на поло­ вине его поверхности. Как видно из графика, при нагруз­ ке в 300 кГ/м2 максимальный прогиб составил 1,36 мм.

При испытании на сосредоточенную нагрузку купол загружали на площадке размером 0,2 мг. Для этой цели на поверхности купола устанавливали деревянную рам­ ку размером 40x50 см, нижняя плоскость которой выпол­ нена в соответствии с очертанием плоскости купола. Между рамкой и куполом прокладывалась пористая ре-

Рис. 8. Прогибы купола при загружении

ком. Сверху устанавливали распределительный щит, на который укладывали металлические грузы. Нагрузка была доведена до 300 кг, величина прогиба при этом со­ ставила 2,1 мм.

Рядовую криволинейную секцию зенитного фонаря панельного типа испытывали на том же стенде, что и купол. Секция была оперта по двум сторонам и закреп­ лена на опорах шурупами. Деформации верхней и ниж­

50