Балон

Винахід відноситься до конструкцій комбінованих балонів тиску і може бути використано при виготовленні легких балонів для автомобілів, літаючих апаратів, перевезення стиснутих газів тощо. Відомо балон, що складається із герметичної металічної обечайки, яка з'єднана з еліптичними чи сферичними денцями і охоплена зовнішньою оболонкою, котра виконана із композиційного матеріалу та закріплена кінцями до денець з допомогою прижимних та стискуючих кілець (авт. свід. СРСР № 1601183 кл. F17С 1/00 – аналог). За прототип прийнято відомий балон, що складається із герметичного корпусу у вигляді циліндра з сферичними чи еліптичними денцями та зовнішньої, щільноохоплюючої циліндр корпуса, оболонки в вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу (балон, що має обечайку, яка з'єднана з сферичними чи еліптичними денцями і охоплена, в тому числі з обтискуванням, зовнішньою оболонкою у вигляді кільцевих витків дроту) – рішення НДЦПЕ від 27.11.96 про видачу патенту на винахід по заявці № 95094171 від 18.09.95. При роботі балону, що виготовлений із різних матеріалів оболонки і корпусу без створення в циліндрі останнього напружень стискання, одні конструктивні елементи можуть бути недовантажені, інші перевантажені, що призводить до зниження роботоспроможності балону. В основу винаходу поставлено завдання удосконалити балон зміненням сполучень матеріалів і їх властивостей, що підвищує роботоспроможність, експлуатаційну надійність балону, сприяє зменшенню маси m і масово-об'ємного показника m/v. Сутність винаходу полягає в тому, що в балоні, який складається із герметичного корпусу у вигляді циліндра з сферичними чи еліптичними денцями та зовнішньої, щільноохоплюючої циліндр корпусу, оболонки у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, згідно з винаходом, зовнішня оболонка і циліндр корпуса виконані з матеріалів із співвідношенням міцностей не меншим за співвідношення модулів пружності, а співвідношення товщин стінок цих елементів становить 1,1-10 æ δм δ з Е з Е вн ö з ç м , çδ δ ,Е , Е ÷ ÷ з ø – співвідношення міцностей вн зворотного співвідношення модулів їх пружності è вн вн (границь міцностей), товщин стінок, модулів пружності та зворотне співвідношення модулів пружності зовнішньої оболонки і циліндру корпусу. Зовнішня оболонка підсилює корпус по циліндру. Дотримання співвідношення товщин стінок оболонки і циліндричної частини корпусу в межах 1,1-10 зворотного співвідношення модулів пружності матеріалів æ δз ç çδ è вн = (1,1 - 10) Е вн ö ÷ ÷ ø Ез дозволяє досягти приблизної рівності кільцевих кільцевих витків оболонки і корпусу і поздовжніх напружень розтягування в корпусі при заповненості оболонки витками матеріалу компактного розрізу в межах 0,1-0,9. При менших співвідношеннях товщин стінок кільцеві напруження в корпусі більші за поздовжні, тобто підсилення корпусу зовнішньою оболонкою завідома є недостатнім. Більш високе за рекомендоване співвідношення товщин призводить до перевитрат матеріалу зовнішньої оболонки і, як наслідок, до збільшення маси балону. Слід зауважити, що проміжки між витками сприяють виникненню згинаючих зусиль в циліндричній частині корпусу, напруження від яких при заповненості меншій за 0,1 важко нейтралізувати; заповненість більша за 0,9 практично не досягається. Співвідношення міцностей матеріалів кільцевих витків оболонки і корпусу не нижче за пряме æ δм Е ö з ç м ³ з ÷ çδ Е вн ÷ ø забезпечує меншу вірогідність руйнування оболонки, співвідношення моделей пружності їх è вн чим корпусу. В противному випадку оболонка руйнується раніше за корпус, тобто міцність її є недостатньою. Матеріали компактного перерізу характеризуються дуже високою міцністю, що полегшує досягнення необхідних співвідношень міцностей оболонки і корпусу. Рекомендовані співвідношення міцностей і товщин стінок конструктивних елементів дозволяють досягти рівноімовірності поздовжного і поперечного руйнування корпусу балону та оболонки, домогтися раціонального використання матеріалів з урахуванням їх властивостей, підвищити роботоспроможність і експлуатаційну надійність, зменшити масу ж і масово-об'ємний показник m/v балону. Запропонований балон наведено на фігурі. Він має герметичний зварний чи безшовний корпус у вигляді циліндра 1 із сферичними чи еліптичними денцями 2. Корпус щільно охоплено по циліндричній частині зовнішньою оболонкою 2 у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу. Співвідношення товщин стінок оболонки і циліндричної частини корпусу становить 1,1-10 зворотного співвідношення модулів пружності цих матеріалів, тобто прямого співвідношення матеріалів корпуса і æ ç ç δз çδ ç вн ç è = 1,1 - 0 Е з = (1,1 - 10) Евн Ез ö ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ø при Е вн оболонки заповненості оболонки в межах 0,1-0,9 і дотриманні співвідношення міцностей матеріалів витків і корпуса не нижчого за співвідношення модулей пружності æ δм з ç м çδ è вн ³ ö ÷ Е вн ÷ ø. Ез Матеріалами корпусу та витків можуть бути різні метали і сплави, полімери та інші неметали; довгомірний матеріал компактного перерізу застосовується у вигляді волокна, дроту, стрічки, штаби, нитки тощо. Під дією внутрішнього тиску в балоні виникають напруження розтягування, кільцеві значення яких в циліндрі корпуса при відсутності зовнішньої оболонки перевищують поздовжні напруження та напруження в денцевих частинах корпуса. Зовнішня оболонка частково сприймає на себе тільки кільцеві навантаження, завдяки чому зменшуються кільцеві напруження в циліндричній частині корпусу без змінений інших напружень. Зменшенню кільцевих напружень сприяє збільшення товщини стінки оболонки, заповненості її витками. Підвищення модуля пружності матеріалу витків призводить до збільшення напружень в них і зменшення кільцевих напружень в корпусі. В таблиці наведено варіанти балонів із матеріалів різних видів, міцностей, модулів пружності; вони відрізняються між собою товщинами стінок корпусу і зовнішньої оболонки та наповненостю останньої кільцевими витками. Вмістимість балонів на тиск до 20МПа становить 50л. Варіанти балонів 1,4-7 стосуються запропонованої конструкції, із них варіант 1 є граничним. Запропоновані балони мають коефіцієнти запасу міцності однакові для різних частин корпусу і підвищені у зовнішньої оболонки. В запропонованій конструкції балону раціонально використано матеріали різних пружностей та міцностей, що забезпечує високу роботоспроможність та експлуатаційну надійність, особливо при багаторазових навантаженнях. Балон характеризується невеликою масою ж і масооб'ємним показником m/v, прийняті значення яких досягаються навіть при великій щільності матеріалів компактного розрізу. Корпус № Матеріал Напруження МіцМіцМодуль Товщи- кіль- поздоність, ність пружна цеві, вжні, Матеріал м м витків δз δ вн , ності стінки МПа МПа , Е , ГПа δвн, мм МПа вн МПа 1. Сталь 950 200 3,0 350 2. –“– –“– –“– –“– –“– 368 3. –“– –“– –“– –“– –“– 427 4. –“– –“– –“– –“– –“– 352 5. –“– –“– –“– –“– –“– 350 6. –“– –“– –“– –“– –“– 350 60 2,6 404 404 –“– –“– 404 Стрічка сталева –“– Дріт титановий Волокно скляне Волокно вуглецеве Лу-3 Дріт вольфрамовий Дріт сталевий –“– 352 404 Скло1100 пластик 8. –“– –“– 7. Таблиця Зовнішня оболонка Питома НапруТовМодуль вага ження щина пруж- матеЗапову стінки неність ності ріалу, витках, Ез, ГПа δз ρ, , мм МПа кг/дм3 1050 200 7,9 3,3 0,9 352 1300 200 7,9 3,0 0,9 368 1800 110 4,5 5,0 0,7 235 2500 110 2,5 9,0 0,6 194 2500 250 1,7 4,8 0,5 437 3000 390 19,3 5,1 0,3 682 3800 200 7,9 1,3 0,6 1345 2500 200 –“– –“– –“– 1345 Таблиця (продовження) № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Співвідношення Модулів Товщин Міцностей пружності стінок м Ез δз Е вн δз м Е вн Ез δ вн δ вн 1,0 1,0 1,10 1,11 1,0 1,0 1,00 1,58 0,55 1,82 1,67 1,89 0,55 1,82 2,83 2,63 1,25 0,80 1,60 2,63 1,95 0,51 2,57 3,16 3,33 0,3 0,50 3,45 3,33 0,3 0,50 2,08 Коефіцієнт запасу міцності Корпусу Поздовжні напруження 2,71 –“– –“– –“– –“– –“– 2,72 2,72 Загальна Маса товщина балону стінки m,кг Кільцеві напруження балону, мм Оболонки 2,70 2,58 2,22 2,70 2,71 2,71 2,72 2,72 2,78 4,07 7,66 12,63 5,71 4,40 2,82 1,86 6,3 6,0 8,0 12,0 7,8 8,1 4,3 4,3 46,45 44,47 39,50 36,65 28,72 52,23 11,03 –“– m/v, кг/л 0,93 0,89 0,79 0,75 0,57 1,04 0,21 –“–