Комбінований балон тиску

Винахід відноситься до конструкцій багатошарових газових балонів з металу, скла й вуглепластиків, що використовуються в системах живлення двигунів автомобілів та інших видів транспорту. Ці балони при "заряджанні-випорожненні" стиснутим газом працюють в умовах циклічного навантаження від дії внутрішнього тиску порядку 20-25МПа. Питання надійності і технологічності виготовлення газових балонів для автотранспорту, зниження їхньої питомої маси і габаритів, як і раніше, залишається актуальною задачею. Один з підходів розв'язання цієї задачі застосування комбінованих балонів. Сполучення жорсткої металевої оболонки з намотуванням на неї високоміцних волокон (скляних, борних, вуглецевих), просочених епоксидним зв'язуючим, дозволяє знизити питому вагу комбінованих балонів у порівнянні зі сталевими балонами приблизно на 50%. Відомо комбінований балон, що виконується у вигляді багатошарової оболонки. Внутрішній шар такого балона являє собою металевий циліндр з еліптичними чи сферичними днищами, який посилюється із зовнішньої сторони декількома шарами волокнистого композиційного матеріалу (див. патент UA №53148 А кл. F17С1/00, 2003). Як прототип прийнятий комбінований балон тиску, що складається з внутрішньої пластмасової оболонки, склопластикового несучого циліндра з поперечною і поздовжньою орієнтацією шарів, відформованих деталей днищ зі склопластику з циліндричною частиною в місцях стику днища з циліндром (див. патент UA №15026 А кл. F17С1/04). При роботі зазначених комбінованих балонів через істотне розходження модулів пружності матеріалу одні шари оболонки, як правило, виявляються перевантаженими, інші недовантаженими. Крім того, склопластикові частини балона повинні мати додатковий захисний шар з високоміцного пластику або металу. Зазначені причини знижують надійність таких конструкцій, збільшують питому масу балонів і ускладнюють технологію їхнього виготовлення. Тому при створенні конструкцій полегшених газових балонів особлива увага приділяється вибору їх оптимальної геометричної форми, що дозволяє в сполученні із застосуванням нових композиційних матеріалів виключити можливість появи значних згинальних деформацій стінок балону і забезпечити умову їхньої рівноміцності. В основу винаходу поставлено завдання удосконалення конструкції багатошарового балона шляхом вибору оптимальної геометричної форми і раціонального сполучення фізико-механічних властивостей матеріалу окремих шарів, що дозволить створити умови рівноміцної роботи стінок балона по товщині, підвищити його працездатність, експлуатаційні показники і надійність. Поставлене завдання розв'зується тим, що в комбінованому балоні тиску, що містить вн утрішню поліетиленову оболонку, несучу склопластикову оболонку, яка має безпосередньо циліндричну частину і торцеві ділянки, де розташовані відформовані деталі сферичних днищ, згідно винаходу, циліндрична частина несучої склопластикової оболонки виконана у вигляді набору тороїдальних сегментів, підсилених у місцях стику сегментів шпангоутами з вуглепластика, і захищена із внутрішньої сторони поліетиленовою оболонкою, а з зовнішньої сталевою обшивкою, що має також циліндричну частину і торцеві ділянки зі сферичними днищами, що контактують, у свою чергу, з відформованими днищами сферичної форми несучої склопластикової оболонки. Використання комбінованого балону тиску конструкції, що заявляється у сукупності з всіма істотними ознаками, дозволяє помітно зменшити величину колових і поздовжніх напружень, шляхом заміни циліндричної частини балона набором тороїдальних сегментів. Як відомо, при дії внутрішнього тиску в циліндричних оболонках виникають розтягувальні напруження, максимальні з який спрямовані по коловій координаті. У випадку безмоментного стану величина колових напружень у два рази більше поздовжніх. Крім того, при виборі оптимального кута армування окремих шарів складеної тороїдальної оболонки вдається досягти виконання умов рівноміцної роботи матеріалу розглянутої конструкції. Жорсткість складеної тороїдальної оболонки в радіальному напрямку забезпечується застосуванням підсилюючих шпангоутів з вуглепластика в місцях стику сегментів. Зазначені шпангоути практично виключають появу нормальних переміщень вздовж екватора окремих тороїдальних сегментів. Деформативність несучої склопластикової оболонки в поздовжньому напрямку усувається жорсткою вздовж осі балона сталевою захисною обшивкою. Застосування внутрішньої поліетиленової оболонки дозволяє при виготовленні склопластикових складених тороїдальних оболонок використовувати широко відомий і добре зарекомендований себе метод намотування. Таким чином, несуча склопластикова конструкція виявляється ізольованою з усі х боків від попадання вологи на її поверхню, що сприяє збільшенню ресурсу роботи балона. На кресленні (фіг.) зображений розріз комбінованого балона в поздовжньому напрямку. Комбінований балон тиску містить внутрішню поліетиленову оболонку 1, несучу склопластикову оболонку 2, циліндрична частина якої виконана у вигляді набору тороїдальних сегментів 3. У торцевих ділянках несучої склопластикової оболонки 2 розташовані відформовані деталі сферичних днищ 4. Тороїдальні сегменти 3 підсилені в місцях їхнього стику шпангоутами 5, виконаними з вуглепластика. Крім того, несуча склопластикова оболонка 2 захищена з внутрішньої сторони поліетиленовою оболонкою 1, а з зовнішньої - сталевою обшивкою 6, що складається з циліндричної оболонки 7 і сферичних днищ 8, які контактують з відформованими сферичними днищами 4 несучої склопластикової оболонки 2. Деталі склопластикових днищ 4 виготовляють методом формування - шляхом укладання склотканини, попередньо просоченої епоксидною смолою, на матриці з наступним обпресуванням і термообробкою. Відформовані деталі днищ 4 з'єднуються разом з поліетиленовою оболонкою 1. Виготовлення несучої склопластикової оболонки 2 і вуглепластикових шпангоутів 5 здійснюється методом сухого намотування волокном в коловому напрямку на оправку. В якості оправки використовується поліетиленова оболонка 1 разом з відформованими днищами 4. Це істотно спрощує те хнологію виготовлення таких конструкцій. Крім того, застосування сталевої захисної обшивки 6, яка виконує не тільки огороджуючі функції, а ще й забезпечує жорсткість балона в поздовжньому напрямку, дозволить значно підвищити експлуатаційну надійність балона, а також знизити його питому масу.