Балон комбінований

Реферат: Балон комбінований містить металевий рівнотовщинний корпус у вигляді зварених в стик циліндричної обичайки і напівсферичних днищ та зовнішню, потовщену на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, оболонку у вигляді скріплених полімерним з'єднувачем витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, що охоплює циліндричну частину корпусу. Для запобігання утворення осколків при руйнуванні внаслідок циклічного навантаження балона внутрішнім тиском співвідношення товщин зовнішньої оболонки між потовщеннями і обичайки має становити 0,90…0,98 зворотного добутку співвідношення модулів пружності матеріалів витків і обичайки на коефіцієнт заповнення витками оболонки. UA 111268 C2 (12) UA 111268 C2 UA 111268 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до конструкцій балонів тиску і може бути застосований при виготовленні балонів для автомобілів, літальних апаратів, транспортування та використання стиснутих газів тощо. Відомий балон із безшовної труби, який включає циліндричну і опуклі днищеві частини (ГОСТ 949-73 Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на 19,6 МПа. Технические условия и ГОСТ 12247-80 Баллоны стальные бесшовные большого объема для газов на 31,4 и 39,2 МПа). Він характеризується невисоким співвідношенням місткості до маси, що зумовлено великою товщиною днищевих і підвищеною нерівномірністю товщини циліндричної частин. Відомі балони, які містять обичайку і опуклі днища металевого корпуса, зокрема звареного в стик без підсилення (потовщення) або з пластичним деформуванням швів, та зовнішню оболонку у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу (високоміцного дроту, неметалевих волокон тощо), скріплених між собою і корпусом з'єднувачем - патенти України № 18874 Бюл. № 1, 2000 p., № 82000 Бюл. № 21, 2007 p., патент РФ № 2169880, F17C 1/00, 1/06, B21D 51/16, 51/24. Наведені балони є аналогами. Відомий балон комбінований, який містить металевий корпус у вигляді зварених між собою циліндричної обичайки і опуклих днищ, зокрема із листової сталі, та зовнішню оболонку у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, що охоплює циліндричну частину корпуса та прилеглі до неї ділянки опуклостей днищ, де зовнішня оболонка потовщена на 5-50 % - патент України № 44793, Бюл. № 3, 2002 p., F17C 1/00. Цей балон прийнято як найбільш близький за суттю та ознаками до запропонованого балона аналог. Недоліком відомої конструкції балона комбінованого є небезпека утворення і розлітання навкруги осколків у випадках руйнування днища або передчасне руйнування циліндричної обичайки металевого рівнотовщинного корпуса під дією змінного внутрішнього тиску в балоні. В основу винаходу поставлена задача удосконалити балон комбінований визначенням оптимального співвідношення товщин зовнішньої оболонки та обичайки корпуса, при якому запобігається розлітання осколків під час руйнування металевого корпуса при циклічному навантаженні внутрішнім тиском і зберігається висока роботоспроможність балона. Суть винаходу полягає в тому, що балон комбінований, який містить металевий рівнотовщинний корпус у вигляді зварених в стик циліндричної обичайки і напівсферичних днищ та зовнішню, потовщену на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, оболонку у вигляді скріплених полімерним з'єднувачем витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, що охоплює циліндричну частину корпуса, згідно з винаходом співвідношення товщин зовнішньої оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного добутку співвідношення модулів пружності матеріалів витків і обичайки на коефіцієнт заповнення витками оболонки. Співвідношення товщин оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного коефіцієнта заповнення оболонки витками суцільного перерізу з однакового з обичайкою металу або 0,90…0,98 співвідношення модулів пружності матеріалів обичайки і оболонки, витки якої виконані з неметалевого матеріалу несуцільного перерізу. Зовнішня оболонка підсилює, більше в місцях її потовщення, циліндричну частину металевого корпуса, знижуючи у ній кільцеві напруження к від дії внутрішнього тиску в балоні, 45 які у відсутності оболонки перевищують напруження у напівсферичних днищах дн у 2 рази. В умовах змінного навантаження металевий корпус зазнає втомного руйнування, крихкого на завершальній стадії. При к  дн руйнуванню підлягає днище з небезпекою розлітання 50 навкруги осколків. Дотримання к  дн зумовлює безосколкове руйнування найнапруженішої частини обичайки між потовщеннями зовнішньої оболонки. Запобігання руйнування днища під дією внутрішнього тиску у запропонованому балоні комбінованому при збереженні високої його роботоспроможності досягається, якщо к  101105 , ,  дн . Це забезпечується дотриманням співвідношення товщин оболонки Sоб і обичайки Sк як 0,90…0,98 зворотного добутку співвідношення модулів пружності матеріалів Eв Eк Kз витків і обичайки на коефіцієнт заповнення витками оболонки Sоб Eк 1  (0,90 0,98 )  Sк Eв K з або 0,90…0,98 співвідношення модулів пружності матеріалів обичайки і оболонки, витки якої виконано з неметалевого матеріалу несуцільного перерізу 1 UA 111268 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Sоб E  (0,90  0,98 ) к Sк Eоб . При цьому втомному руйнуванню під дією змінного внутрішнього тиску піддається обичайка, охоплення якої зовнішньою оболонкою стримує утворення і виключає розлітання навкруги осколків. Недосягнення нижньої межі рекомендованого співвідношення товщин наведених складових балона комбінованого зумовлює невиправдане перенапруження  ( к  105 ) ,  дн обичайки та необхідність відповідного зниження робочого тиску. Верхню межу к  101 , співвідношення їх товщин, коли  дн , установлено для унеможливлення руйнування днища в разі можливої відмінності властивостей металу обичайки і днищ внаслідок неоднакових їх попередніх обробок. Підсилення циліндричної частини металевого корпуса зовнішньою оболонкою виконується переважно кільцевими витками довгомірного матеріалу, а скріплення їх полімерним з'єднувачем забезпечує монолітність оболонки, запобігає розпушуванню та сповзанню витків при змінному навантаженні. Крім того, полімерний з'єднувач ізолює кільцеві витки оболонки від безпосереднього негативного зовнішнього впливу (механічного, атмосферного тощо). Незадовільне змочування витків довгомірного металу суцільного перерізу (дроту, стрічки тощо) рідкою полімерною сумішшю і невелика адгезія після полімеризації, що призводять до порушення зчеплення, та велика різниця (1…2 порядки) модулів пружності металу і з'єднувача визначають підсилення корпуса практично тільки кільцевими витками з урахуванням заповнення ними оболонки. Витки оболонки з неметалевого матеріалу (ровінгу, жгута, стрічки тощо) складаються з волокон надмалого перерізу. Їх добре просочення і міцне зчеплення полімерним з'єднувачем призводить до утворення суцільної неметалевої оболонки з модулем пружності Eоб , вплив якого на підсилення циліндричної частини металевого корпуса подібний до впливу добутку модуля пружності металу витків Eв , і коефіцієнта заповнення K з ними оболонки. Модуль пружності конкретної неметалевої оболонки визначають механічними випробуваннями. Запропонований балон наведено на кресленні. Він містить металевий рівнотовщинний корпус А, що складається зі зварених між собою в стик циліндричної обичайки 1 і напівсферичних днищ 2. Принаймні по всій циліндричній частині корпус охоплено зовнішньою, потовщеною на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, оболонкою Б у вигляді кільцевих витків довгомірного матеріалу компактного перерізу 3, скріплених полімерним з'єднувачем 4. Співвідношення товщин оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного добутку співвідношення модулів пружності матеріалів витків і обичайки на Sоб E 1  (0,90 0,98 ) к  Eв K з . Співвідношення товщин коефіцієнт заповнення витками оболонки Sк оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного коефіцієнту заповнення оболонки витками суцільного перерізу з однакового з обичайкою металу Sоб 1  (0,90 0,98 ) Sк K з та 0,90…0,98 співвідношення модулів пружності матеріалів обичайки і оболонки, витки якої виконані з неметалевого матеріалу несуцільного перерізу Sоб E  (0,90  0,98 ) к Sк Eоб . Під дією внутрішнього тиску в металевому корпусі балона комбінованого виникають розтягові напруження. Сприймаючи частину навантаження, зовнішня оболонка сприяє Pd Pd к     EK  E  2 Sk  Sоб в з  2 Sk  Sоб об     Eк  Eк  у циліндричній    зменшенню кільцевих напружень Pd 4Sк (де: P - тиск газу у балоні в частині корпуса при незмінності напружень у днищах МПа, d - внутрішній діаметр корпуса в мм). При цьому рекомендованому співвідношенні товщин зовнішньої оболонки і обичайки співвідношення напружень у обичайці к та днищах дн дн  2 UA 111268 C2 5 10 15 становить 1,01…1,05. Це зумовлює уникнення руйнування днищ і запобігає утворенню і розлітанню навкруги осколків при втомному руйнуванні обичайки між потовщеннями зовнішньої оболонки при змінному навантаженні балона. Запропоновані технічні рішення забезпечують необхідний напружений стан, підвищують безпеку експлуатації балона та зменшують витрати матеріалів на формування зовнішньої оболонки при збереженні високої роботоспроможності балона. Прикладом запропонованої конструкції є балон комбінований місткістю 50 л, внутрішнім діаметром 205 мм, довжиною 1,62 м для використання природного газу як пального робочим max тиском 19,6 МПа ( дн  334,8 МПа ) . Його корпус складається із циліндричної звальцьованої обичайки та напівсферичних штампованих днищ з циліндричними відбортовками шириною 15 мм із сталі товщиною 3 мм з модулем пружності Eк  200 ГПа, які з'єднані аргонодуговим зварюванням вольфрамовим електродом в стик без підсилення (потовщення) поздовжнього і кільцевих швів. На циліндричній частині корпуса виконано оболонку з потовщеннями 2 мм на прилеглих до опуклостей днищ ділянках шириною 150 мм намотуванням склоровінгу, органоволокна (кевлара), дротів сталевого і титанового  0,8 мм (коефіцієнт заповнення K з  0,7 ), витки яких скріплено заполімеризованою епоксидною смолою. Варіанти виконання балона наведено в таблиці. Варіанти 1…5 стосуються запропонованої конструкції, у яких Sоб E 1 Sоб E  (0,90 0,98 ) к   (0,90  0,98 ) к Eв K з або Sк Eоб між потовщеннями співвідношенням Sк к  101105 , , оболонки відповідає  дн . Варіанти 6 та 7 є позамежними. 20 Таблиця Варіант Матеріал витків Sоб , мм балона оболонки Sоб Sк Eв (Eоб ) , ГПа Склоровінг Сталь Титан Кевлар Склоровінг Склоровінг Склоровінг 3,27 1,37 2,43 2,37 3,00 3,33 2,83 (60) 200 110 (80) (60) (60) (60) 1 2 3 4 5 6 7 9,8 4,1 7,3 6,9 9,0 10,0 8,5 Eк EвK з Sоб / Sк Eк / EвK з  Eк    E   об  (3,33) 1,43 2,60 (2,30) (3,33) (3,33) (3,33)  Sоб / Sк  E /E  к об (0,98) 0,96 0,94 (0,92) (0,90) (1,00) (0,85)     МПа к  дн 338,2 342,2 345,8 348,8 352,5 334,8 362,0 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,00 1,08 max , к ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Балон комбінований, який містить металевий рівнотовщинний корпус у вигляді зварених в стик циліндричної обичайки і напівсферичних днищ та зовнішню, потовщену на прилеглих до опуклостей днищ ділянках, оболонку у вигляді скріплених полімерним з'єднувачем витків довгомірного матеріалу компактного перерізу, що охоплює циліндричну частину корпусу, який відрізняється тим, що співвідношення товщин зовнішньої оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного добутку співвідношення модулів пружності матеріалів витків і обичайки на коефіцієнт заповнення витками оболонки. 2. Балон за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення товщин оболонки між потовщеннями і обичайки становить 0,90…0,98 зворотного коефіцієнта заповнення оболонки витками суцільного перерізу з однакового з обичайкою металу. 3. Балон за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення товщин оболонки між потовщеннями і корпусом становить 0,90…0,98 співвідношення модулів пружності матеріалів обичайки і оболонки, витки якої виконані з неметалевого матеріалу несуцільного перерізу. 3 UA 111268 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4