Металлокомпозитний балон тиску

 

Винахід відноситься до галузі газової апаратури, а саме до металлокомпозитним балонів високого тиску, які використовуються, зокрема, в портативних кисневих дихальних апаратах альпіністів, рятувальників, в переносних виробах кріогенної і протипожежної техніки, системах газозабезпечення, автомобільної промисловості та інших галузях.

Випускаються в даний час металокомпозитні балони високого тиску містять внутрішню тонкостінну металеву герметичну оболонку - льойнер - і зовнішню силову оболонку з композиційного матеріалу, утворену намотуванням на поверхню лейнера джгутів високомодульного волокна (наприклад, вуглеволокна), просоченого сполучною.

Серед вимог, що пред'являються до газових балонів високого тиску, пріоритетними є: зниження питомої матеріаломісткості балона, яка визначається відношенням маси балона до його об'єму, і забезпечення високого ресурсу по числу циклів навантаження при безпечної експлуатації балона.

У відповідності з діючою нормативною документацією крім зазначених вище вимог, додатково пред'являються такі вимоги, як збереження його працездатності і надійності після падіння�численні приклади створення балонів тиску з використанням металевого лейнера з різних сплавів (див., наприклад, патенти US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567).

Однак дані конструкції не повністю забезпечують вирішення задачі надійності конструкції при локальних механічних впливах.

Відомі приклади створення композитних балонів тиску з використанням спеціальних шарів різних матеріалів (див., наприклад, патенти ЄР 1156266, WO 2006076029, WO 2004020544, WO 1982001580, US 6230922, US 5004120, US 5476189), реалізація яких дозволяє частково вирішити задачу стійкості балона до локального впливу.

Прототипом запропонованого конструктивного рішення виконання балона є рішення за патентом US 5476189, 03.12.1993. У даному рішенні в якості елемента конструкції, що використовується для гасіння ударів, застосовуються додаткові пружні шари, виконані з в'язкопружного матеріалу, наприклад гуми.

Балон являє собою конструкцію, що містить всередині тонкостінний металевий льойнер і зовнішню оболонку з високоміцного високомодульного композиційного матеріалу, поверх якої намотана оболонка з іншого низькомодульного композиційного матеріалу. Для перерозподілу сили удару (збільшення площадки контакту) між композитними оболонками �татком відомого рішення є те, що при ударі по оболонці балона в даних конструкціях не відбувається гасіння удару з позиції зменшення локальної сили, діючої на силову оболонку балона, а перетворюється лише локальна контактна майданчик, що дозволяє частково вирішувати поставлене завдання.

В основу цього винаходу покладено завдання створити металопластиковий балон високого тиску, конструкція якого забезпечує його працездатність при заданих рівнях локальних динамічних впливів, які виникають при його падінні з певної висоти чи ударі предметом з певною енергією удару, і тим самим підвищити ресурс балона.

Технічним результатом запропонованого винаходу є забезпечення гасіння частини енергії удару за рахунок жорсткого профільного каркаса і гасіння частини енергії удару за рахунок демпфуючого пристрою, який перерозподіляє майданчик контакту з силовою оболонкою.

Технічний результат досягається тим, що металлокомпозитний балон тиску містить тонкостінний замкнутий герметизуючий металевий льойнер, силову оболонку з композитного матеріалу, утворену комбінацією груп шарів високомодульних ниток армуючого матеріалу, ориеню групою шарів з низькомодульних ниток армуючого матеріалу, при цьому на частині поверхні, щонайменше, одного з днищ між групою шарів високомодульних армуючих матеріалів силовий оболонки і групою шарів низькомодульного армуючого матеріалу захисної оболонки встановлений енергопоглинаючий гаситель ударів, складається зі скріплених між собою жорсткого профільного каркаса з боку захисної оболонки і демпфуючого пристрою з боку силовий оболонки.

Профільний каркас гасителя ударів може бути виконаний у вигляді оболонки у формі частини еліпсоїда обертання з кривизною, більше кривизни поверхні силовий оболонки.

Профільний каркас гасителя ударів може бути виконаний у вигляді системи пересічних оболонок, розташованих рядами з утворенням западин в місці їх з'єднання.

Профільний каркас гасителя ударів може бути виконаний у вигляді профільної ребристою пружної оболонки.

Профільний каркас гасителя ударів в місцях контакту з силовою оболонкою може бути виконаний у вигляді корони, на пелюстках якої закріплено демпфіруючі пристрій.

Демпфіруючі пристрій гасителя ударів може бути виконано у вигляді амортизаційного блоку, що складається з раскрепленних шарів балістичної м'якої тканинної підкладки�им покриттям, шарів нізкоплотного в'язкопружного матеріалу (наприклад, пінополіуретану або гуми) і покривного шару з еластичного вологонепроникного матеріалу з боку силовий оболонки.

Шари балістичної м'якої підкладки демпфуючого пристрою можуть бути виконані з набору раскрепленних між собою демпфуючих стрічок високоміцного матеріалу, встановлених та закріплених по хорді перерізу еліпсоїдної оболонки каркаса, утворюють многоконечную зіркоподібну конфігурацію, або шари м'якої тканинної підкладки із сухих високоміцних (арамідних волокон закріплені на профільному каркасі по пелюсткам корони допомогою поперечних прорізів у формують шарах тканини.

На фіг.1 показаний загальний вигляд балона.

На фіг.2 показаний загальний вигляд частині дна балона з гасителем ударів.

На фіг.3 показана схема конструкції гасителя ударів.

На фіг.4-6 показані конструктивні форми виконання каркаса гасителя ударів.

На фіг.7-8 показана схема з'єднання конструкції гасителя ударів з демпфуючим пристроєм із сухих високоміцних волокон і закріпленим покривним шаром на каркасі.

На фіг.9 показаний варіант схеми виконання демпфуючого пристрою із сухих високоміцних волокон.

<раллон тиску містить тонкостінний замкнутий герметизуючий металевий льойнер 1, силову оболонку 2 з композитного матеріалу, утворену комбінацією груп шарів високомодульних ниток армуючого матеріалу, орієнтованих в спіральних і окружних напрямках, і захисну оболонку 3 з композитного матеріалу, утворену групою шарів з низькомодульних ниток армуючого матеріалу.

Як правило, найбільш небезпечною зоною при ударі або падінні балона є зони днищ, де утворюють їхні оболонки мають малу товщину і подвійну кривизну і тим самим є конструктивно жорсткими з позиції удару. Циліндрична частина балона має одну з кривизн поверхні нульову, що дозволяє їй локально деформуватися без істотних напружень в матеріалі силовий оболонки. Тому, як правило, при падінні або локальному ударі доцільна захист тільки днищ силовий оболонки балона.

Для виконання такої функції в оболонці балона між оболонками 2 і 3 встановлюється енергопоглинаючий гаситель ударів 4, що складається з каркаса 5, демпфуючого пристрою 6 з внутрішнім покривним шаром 7 матеріалу. Демпфіруючі пристрій 6 виконано у вигляді амортизаційного блоку, що складається з окремих шарів 9 пружного матеріалу (наприклад, гуми) і раскрепленних верств 10 бал�жит покривний шар 7 з еластичного матеріалу, встановлений з боку силовий оболонки 2 і жорстко скріплений з каркасом 5 гасителя ударів 4. Шари 10 балістичної м'якої тканинної підкладки із сухих високоміцних волокон також жорстко скріплені з каркасом 5 гасителя ударів 4. Покривний шар 7 одночасно виконує технологічну функцію запобігання проникнення рідкої смоли при виготовленні балона в блок шарів демпфуючого пристрою гасителя ударів і повинен бути виконаний з еластичного вологонепроникного матеріалу.

Принциповою відмінністю даної конструкції від рішення по прототипу є те, що гаситель ударів є енергопоглинаючим.

Функціонування даної конструкції відбувається наступним чином. У момент зіткнення ударника з поверхнею балона (або падаючого балона з контактною поверхнею) контактна сила викликає прогин низькомодульних шарів оболонки 3 і каркаса 5 поглинача удару 4. В силу наявності жорсткості конструкції, що складається з низькомодульних шарів оболонки 3 і каркаса 5 поглинача удару 4, а також подвійної кривизни утворює їх поверхні відбувається поглинання частини енергії удару у вигляді потенційної енергії деформації даної шаруватої конструкції. Величина цієї погл�інструкції відбувається стиснення шарів 9, 10 матеріалів демпфуючого пристрою 6 і передача частини навантаження на силову оболонку 2 і льойнер 1 балона. При цьому, в силу наявності жорсткості на стиск в шарах 10 демпфуючого пристрою 6 поглинача удару 4, також відбувається поглинання деякої частини енергії удару, а за рахунок стисливості в'язкопружного матеріалу одночасно розмазування (збільшення) контактної майданчики на поверхні силовий оболонки 2. Тим самим повна енергія удару частково поглинається каркасом 5 і шарами 10 матеріалу демпфуючого пристрою 6 поглинача ударів 4, а частина енергії удару передається на силову оболонку 2 балони на велику площу контакту, ніж вихідна площа в момент початку контакту. При цьому частину, що залишилася енергія викликає деформацію силовий оболонки 2 і лейнера 1 у вигляді прогину на деякій локальної поверхні від дії виникає контактного тиску в зоні сполучення демпфуючого пристрою 6 і силовий оболонки 2, інша частина її перерозподіляється на демпфіруючі пристрій 6. В силу того, що демпфіруючі пристрій 6 поглинача ударів 4 виконано у вигляді амортизаційного блоку, що складається з раскрепленних шарів балістичної м'якої тканинної підкладки із сухих висо�вздовж своїх напрямків і додатково поглинають другу частину енергії удару, припадає на силову оболонку 2. Таким чином, за рахунок поглинання частини повної енергії удару поглиначем ударів значно знижується навантаження, що припадає на силову оболонку 2 і льойнер 1. Варіюючи конструктивними параметрами поглинача ударів можна управляти деформативністю силовий оболонки і тим самим забезпечувати надійність конструкції балона в цілому.

В якості критерію оцінки ефективності конструкції доцільно приймати положення: в зоні удару на внутрішній твердій оболонці не повинно бути пошкоджень і її прогин повинен перебувати в заданих межах.

Умова енергетичного балансу системи при ударі може бути представлено у вигляді:

К-W1-W2-W3-K2=0,

де До - нормальна складова кінетичної енергії удару;

W1- енергія, що витрачається на стиснення амортизаційного блоку демпфуючого пристрою поглинача ударів;

W2- енергія, що витрачається на згинальну деформацію силовий оболонки і лейнера балона;

W3- енергія, що витрачається на згинальну деформацію зовнішніх шарів 2 і каркаса поглинача ударів;

К - кінетична енергія руху всіх частин конструкції в зоні удару.

Виходячи з привед в першому наближенні для визначення зусиль F, припадають на силову оболонку, можна одержати такий вираз:

.

Тут: F - контактна сила; h1, h2 - товщини демпфуючого пристрою і відповідно оболонки і каркаса сумарно; к1, к2 - приведена кривизна оболонки в зоні контакту; Es - приведений модуль пружності матеріалу оболонки з урахуванням матеріалу каркаса; h1 - приведена товщина шарів демпфуючого пристрою; S, Θ - параметри, що характеризують властивості матеріалів демпфіруючого пристрою.

Перший доданок у правій частині враховує енергію контактного стиснення демпфуючого пристрою поглинача ударів, друге - енергію вигину каркаса поглинача ударів і силовий оболонки.

Величина осредненного контактного тиску, що припадає на силову оболонку, при цьому визначається з співвідношення

q=0.6F/π(2/h)(k1+k2).

Аналізуючи дані співвідношення, можна відзначити, що ефективність розглянутої конструкції залежить від наступних конструктивних і матеріалознавчих параметрів: форми оболонки (вірніше від співвідношення геометричних кривизн розглянутої оболонки), співвідношення товщин шарів демпфуючого пристрою і оболонок, співвідношення модулів пружності і прочностЋбор деякого оптимального конструктивного рішення, забезпечує при заданому значенні прогину жорсткої оболонки мінімальний вага конструкції з забезпеченням непробиваемости при заданій кінетичної енергії удару.

Оцінюючи чисельні результати, проведені за окремими варіантами конструктивного виконання модельних зразків, можна відзначити наступне:

- для збільшення ефективності роботи захисних шарів 10 демпфуючого пристрою 6 доцільно збільшення їх товщини, не вдаючись до істотного збільшення потужності армування (загальної кількості ниток), що поглинається при цьому енергія пропорційна (h/a)з, де h - товщина м'яких шарів; а - напівширина зони контакту ударника і м'якою захисту; з - деяка константа для використовуваного матеріалу;

- збільшення згинальної жорсткості каркаса 5 приводить до зменшення динамічного прогину і збільшення контактних зусиль взаємодії, в результаті - до збільшення напружень в матеріалі конструкції каркасу;

- зменшення сумарної товщини стінки оболонки каркаса 5 призводить до збільшення прогину, але, при цьому, зменшуються контактні зусилля і, відповідно, напруги в матеріалі і силовий оболонці;

- істотне збільшення товщини стінки силовий оболонки 2 змінює �ї оболонці поглинання енергії відбувається за рахунок її прочностного руйнування (зокрема зрізу шарів матеріалу);

- введення в стінку силовий оболонки 2 роздільних шарів (шарів з нульовими характеристиками жорсткості), для додання їй гнучкості (зменшення згинальної жорсткості), якісно не змінює результатів контактної взаємодії;

- введення в стінку силовий оболонки 2 шарів для збільшення згинальної жорсткості призводить до збільшення контактних тисків і напружень в оболонці;

- введення в стінку силовий оболонки 2 шарів для збільшення наседающей маси якісно змінює результати контактної взаємодії;

- зміна параметрів удару (зокрема кута зустрічі, швидкості і маси ударника) якісно не змінює загальну картину поведінки конструкцій модельних зразків, а позначаються лише на величині прогину;

- зміна геометрії оболонки 2 (зокрема, R1, R2) якісно не змінює загальну картину поведінки конструкцій модельних зразків, а позначаються лише на величині прогину;

- за жесткостним параметрами і виникає при контактному взаємодії тиску найбільш ефективними є конструктивні схеми оболонки у вигляді тонкої багатошарової оболонки з високою мембранної жорсткістю.

Наведені міркування дозволяють проводити раціональний вибір кон�ія каркаса 5 гасителя ударів 4, які дозволяють оптимізувати масові характеристики конструкції. Як випливає з даних креслень, оболонка каркаса 5 може бути виконана як гладкою, так і ребристою з різними схемами розташування підкріплюють ребер.

Для реалізації конструкції демпфуючого пристрою в якості групи 10 балістичної м'якої тканинної підкладки доцільно використовувати м'які тканини із сухих високоміцних волокон, вкритих антиадгезійним гидроолеофобним покриттям. Використання таких шарів дозволяє істотно підвищити поглинання частини енергії удару з-за високої міцності і деформативності останніх. В якості матеріалів для таких шарів доцільно використовувати стековолокна або арамідні волокна. Дані матеріали і дозволяють варіювати розмірами демфирующего пристрою за рахунок зміни технологічних параметрів структури тканин.

Істотним є те, що шари 10 матеріалу із сухих високоміцних волокон повинні бути скріплені з каркасом 5 або знаходяться в просторі між каркасом 5 і скріпленим з ним покривають шаром 7. На фіг.7, 8 представлено варіант виконання поглинача ударів з скріпленим покривним шаром 7, підтримує матеріал 10 з суѰ розміщені у вигляді набору раскрепленних між собою демпфуючих стрічок високоміцного матеріалу, встановлених і закріплених по хорді перерізу еліпсоїдної оболонки каркаса, утворюють многоконечную зіркоподібну конфігурацію. Такий варіант конструкції представлений на фіг.9.

При істотній жорсткості покривного шару на розтяг можливий варіант виконання поглинача ударів без використання із сухих високоміцних волокон. Такий варіант конструкції представлений на фіг.10. Можливий варіант виконання, коли функцію покривного шару виконує в'язкопружних матеріал демпфуючого шару 9. Такий варіант конструкції представлений на фіг.11.

Таким чином, виконуючи конструкцію балона за наведеною схемою, забезпечується гарантований захист силовий оболонки і лейнера балона від впливів ударів на балон і виключається їх вплив на працездатність конструкції балона в цілому.

З створенням запропонованого пристрою з'явилася реальна можливість використовувати посудини високого тиску з різних матеріалів з використанням зварної тонкостінної металевої внутрішньої оболонки - лейнера. Виготовлення та випробування посудин високого тиску з запропонованим лейнером для їх герметизації підтвердили їх високу надійність та ефективність. Технічний результатем для конкретних виробів.

Зараз за цією схемою розроблено ряд конструкцій балонів для використання в різних областях і для різних газів. Проводиться їх технологічна та експериментальна відпрацювання.

1. Металлокомпозитний балон тиску, що характеризується тим, що містить тонкостінний замкнутий герметизуючий металевий льойнер, силову оболонку з композитного матеріалу, утворену комбінацією груп шарів високомодульних ниток армуючого матеріалу, орієнтованих в спіральних і окружних напрямках, і захисну оболонку з композитного матеріалу, утворену групою шарів з низькомодульних ниток армуючого матеріалу, при цьому на частині поверхні, щонайменше, одного з днищ між групою шарів високомодульних армуючих матеріалів силовий оболонки і групою шарів низькомодульного армуючого матеріалу захисної оболонки встановлений енергопоглинаючий гаситель ударів, складається зі скріплених між собою жорсткого профільного каркаса з боку захисної оболонки і демпфуючого пристрою з боку силовий оболонки.

2. Балон по п.1, в якому профільний каркас гасителя ударів виконаний у вигляді оболонки у формі частини еліпсоїда обертання з кривизною виконаний у вигляді системи пересічних оболонок, розташованих рядами з утворенням западин в місці їх з'єднання.

4. Балон по п.1, в якому профільний каркас гасителя ударів виконаний у вигляді профільної ребристою пружної оболонки.

5. Балон по п.1, в якому профільний каркас гасителя ударів в місцях контакту з силовою оболонкою виконаний у вигляді корони, на пелюстках якої закріплено демпфіруючі пристрій.

6. Балон по п.1, в якому демпфіруючі пристрій гасителя ударів виконано у вигляді амортизаційного блоку, що складається з раскрепленних шарів балістичної м'якої тканинної підкладки із сухих високоміцних (наприклад, скляних або арамідних волокон покритих антиадгезійним гидроолеофобним покриттям, верств нізкоплотного в'язкопружного матеріалу (наприклад, пінополіуретану або гуми) і покривного шару з еластичного волого-непроникного матеріалу з боку силовий оболонки.

7. Балон за п.6, який відрізняється тим, що шари балістичної м'якої підкладки демпфуючого пристрою виконані з набору раскрепленних між собою демпфуючих стрічок високоміцного матеріалу встановлених і закріплених по хорді перерізу еліпсоїдної оболонки каркаса, утворюють багато кінцеву зіркоподібну конфігурацію, або шари м�ткам корони допомогою поперечних прорізів у формують шарах тканини.



 

Схожі патенти:

Спосіб виготовлення балона високого тиску і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі газової апаратури і може бути використане у газової, авіаційної, суднобудівної, автомобільної і суміжних з ними галузях промисловості, де застосовуються композитні балони високого тиску (ВД), наповнені стисненим або зрідженим газом

Корпус високого тиску

Винахід відноситься до несучих корпусним конструкцій, що функціонують в умовах знакозмінних осьових навантажень, крутних та згинальних моментів, а також високого внутрішнього та/або зовнішнього тиску

Композиційний балон високого тиску

Винахід відноситься до балонів для зберігання і транспортування газів і рідин під тиском

Спосіб виготовлення балона

Винахід відноситься до області резервуарів високого тиску

Балон високого тиску

Винахід відноситься до машинобудування і може бути використане при виготовленні балонів високого тиску рідин і газів, у тому числі газових балонів для автомобільного транспорту і в модулях стаціонарних систем пожежогасіння

Корпус для високого тиску з композиційних матеріалів

Винахід відноситься до армованим різнополюсним оболонок із композиційних матеріалів для високого тиску, які використовуються в якості несучих корпусних конструкцій для забезпечення надійного функціонування в умовах впливу високого внутрішнього тиску та інших внутрішніх чинників робочої середовища

Композитний балон високого тиску

Винахід відноситься до пристроїв для зберігання і транспортування стислих газів під тиском, зокрема до балонів для зберігання кисню, водню, природного газу та інших газів, і може бути використане в різних галузях промисловості, на транспорті та на інших об'єктах народного господарства, де застосовується стислий, зріджений газ

Спосіб виготовлення посудини високого тиску

Винахід відноситься до машинобудування, до створення способу виготовлення посудин високого тиску і великого обсягу

Спосіб виготовлення балона високого тиску і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі газової апаратури і може бути використане у газової, авіаційної, суднобудівної, автомобільної і суміжних з ними галузях промисловості, де застосовуються композитні балони високого тиску (ВД), наповнені стисненим або зрідженим газом

Посудини високого тиску з сильфоном

Винахід відноситься до судин високого тиску з сильфоном

Стенд для гідравлічних випробувань ємностей великого обсягу і високого тиску на циклічну довговічність

Винахід відноситься до області гідравлічних систем, а саме до гідравлічним випробувальних стендів, і може знайти застосування при випробуваннях на циклічну довговічність всіляких гідравлічних і пневматичних ємностей, зокрема балонів високого тиску для стисненого природного газу, а також ємностей великого обсягу і високого тиску, наприклад, ємностей для зберігання і перевезення стисненого природного газу морським і ж/д транспортом, кисневих ємностей, залізничних цистерн та інших ємностей

Ущільнена конструкція ємності високого тиску

Винахід відноситься до ущільнювальної конструкції ємності високого тиску

Балон високого тиску (варіанти) та спосіб його виготовлення (варіанти)

Винахід відноситься до галузі газової апаратури і може бути використане у газової, авіаційної, суднобудівної, автомобільної і суміжних з ними галузях промисловості, де застосовуються композитні і металеві балони високого тиску (ВД), наповнені стисненим або зрідженим газом

Посудина для зберігання і перевезення небезпечних вантажів

Винахід відноситься до галузі виготовлення посудин високого тиску

Посудини високого тиску

Винахід відноситься до пристроїв, що функціонують під високим тиском

Спосіб виготовлення лейнера і льойнер з алюмінієвого сплаву

Винахід відноситься до області обробки металів тиском і може бути використане при виготовленні посудин високого тиску
Up!