БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F17C1/16 

Изобретение относится к емкостям для хранения газа под высоким давлением и может найти применение в газотопливном оборудовании автомобилей и авиации, бытовой газовой аппаратуре, газосварочных аппаратах, системах газонаполнения средств спасения, дыхательных аппаратах пожарных систем и аквалангах.

Известны конструкции баллонов высокого давления, представляющие собой сварную металлическую емкость с горловиной [1]
Их недостатком является большой вес, трудоемкость изготовления и необходимость применения сварки, которая является концентратором напряжений в конструкции и снижает прочностные свойства баллона.

Наиболее близка по технической сущности и достигаемому результату конструкция баллона высокого давления [2] включающая емкость из полимерного материала, металлические накладки с амортизирующими узлами, установленные с возможностью взаимодействия с торцами емкости, горловину, размещенную в соосных сквозных отверстиях, выполненных в торце емкости и в металлической накладке, прижимную гайку, установленную на горловине, армирующее волокно, пропитанное связующим материалом и намотанное на поверхность баллона. Армирующее волокно уложено на баллон несколькими слоями, часть из которых имеет спиральную форму (радиальная намотка) и воспринимают только радиальную нагрузку, а другие слои уложены почти параллельно оси баллона (планарная намотка) и воспринимают только осевую нагрузку.

Недостатком конструкции прототипа является применение двух форм намотки баллона армирующим волокном радиальной и планарной, которые полностью не перекрывают друг друга. В торцовых зонах баллона, где цилиндр переходит в сферу, существуют большие радиальные нагрузки, а радиальной намотки уже нет. Для их компенсации приходится увеличивать количество планарной намотки, а, так как волокно в планарной намотке укладывается под небольшими углами к оси баллона (примерно 5-10^о), то количество волокна существенно увеличивается и, в то же время, это волокно балластом лежит на цилиндрической части, почти не воспринимая радиальную нагрузку. Все это приводит к увеличению массы баллона.

Наличие двух типов намотки приводит также к тому, что в процессе эксплуатации происходит расслоение армирующего волокна по слоям, так как возникают большие сдвиговые деформации слоев, работающих в перпендикулярных направлениях, превосходящие деформационные возможности связующего. Это приводит к снижению циклической долговечности баллона.

Значительно увеличивают массу баллона амортизирующие узлы, которые предохраняют место соединения полимерной емкости с металлической накладкой от наружных осевых ударов по разряженному баллону, которые могут иметь место при его эксплуатации.

Кроме того, недостатком прототипа является его плохая устойчивость к циклическим нагрузкам, зарядка разрядка баллона и к изменениям температуры возникающих в процессе эксплуатации. В результате воздействия указанных факторов нарушается герметичность баллона в месте соединения полимерной емкости с металлической накладкой из-за плохой адгезии пластмассы к металлу и отсутствия подходящих клеев.

Цель изобретения устранение указанных недостатков.

Цель достигается тем, что в баллоне высокого давления, включающем емкость из полимерного материала с металлической горловиной, имеющей фланец и закрепленной на емкости посредством герметизирующей прокладки, одной стороной приклеенной к фланцу горловины, а другой приваренной к емкости, герметизирующая прокладка выполнена из полимерного материала, родственного полимеру, из которого изготовлена емкость, но имеющего хорошую адгезию к металлу (например, для полиэтилена таким материалом является его сополимер сэвилен), металлические полусферические накладки, одна из которых имеет центральное отверстие с отбортовкой и одевается на горловину, установлены на торцы емкости 4 плотно, без зазора прилегают к ней, прижимную шайбу, плотно устанавливаемую на отбортовку металлической накладки, фиксатор от проворота горловины относительно металлических накладок гайку, две полусферических упругих накладки, выполненных из полимерного материала с модулем упрупугости не превышающему модуля упругости материала емкости, имеющие центральное отверстие, на краю которого по внешней части имеется небольшой цилиндрический выступ, плотно, без зазора прилегающие к краям металлических накладок с заходом на сферическую часть емкости, двух ограничителей волокна, выполненных в виде стаканчиков, один из которых имеет центральное отверстие под горловину, с отбортовками по краю донышка и по краю стаканчика, устанавливаемых на цилиндрический выступ упругих накладок и армирующего волокна, пропитанного связующим материалом и намотанного на емкость по геодезическим линиям под углами от 50 до 62 градусов к оси баллона, фиксатор от проворота может быть выполнен в виде стопорной шайбы с внутренними выступами, входящими в продольные пазы горловины.

На фиг. 1 показан баллон высокого давления, внутреннее устройство; на фиг.2 верхняя часть баллона. включающая горловину, разрез.

Баллон содержит емкость из полимерного материала 1, средняя часть которой выполнена цилиндрической, а торцы в виде плавно сопряженных с цилиндром поверхностей вращения. На торце емкости 1 закреплена металлическая горловина 2, имеющая фланец 3, посредством герметизирующей прокладки 4, изготовленной из полимера, родственного полимеру емкости, но имеющего хорошую адгезию к металлическому фланцу горловины 3, которая одной стороной приклеена к фланцу горловины 3, а другой стороной приварена к емкости 1. На торцы емкости 1 плотно, без зазора установлены металлические полусферические накладки 5 и 6, на них установлены упругие накладки 7 и 8, имеющие центральное отверстие и цилиндрический выступ 9, на которые, в свою очередь, установлены ограничители волокна 10 и 11. Накладка 5 имеет центральное отверстие с отбортовкой 12. Поверхность баллона замотана армирующим волокном 13, пропитанным связующим материалом. Для повышения герметичности баллона герметизирующая прокладка 4 дополнительно сжата фланцем горловины 3 и металлической накладкой 5, через шайбу 14 и стопорную шайбу 15, посредством гайки 16. Стопорная шайба 15 является фиксирующим от проворота механизмом, имеет выступ 17, входящий в продольный паз 18 на горловине 2. Армирующее волокно 13 укладывается под углом 50-62^о к оси баллона на цилиндрической части, а после схода с цилиндрической части на поверхность упругих накладок 7 и 8 и ограничителей волокна 9 и 10 по геодезическим линиям.

Работа баллона осуществляется следующим образом.

При подаче давления в емкость 1 через горловину 2 возникающие нагрузки передаются на металлические накладки 5 и 6 и армирующее волокно 13. При этом необходимая прочность накладок 5 и 6 обеспечивается их толщиной, а армирующее волокно 13 воспринимает как радиальные, так и осевые нагрузки и удерживает от осевого перемещения накладки 5 и 6.

Отбортовка 12 в накладке 5 совместно с шайбой 14 восстанавливает прочность накладки 5 в месте, ослабленном отверстием.

Упругие накладки 7 и 8, выполненные из материала с модулем упругости не превышающим модуль упругости материала емкости 1, препятствуют возникновению больших контактных напряжений между краями накладок 5 и 6 и армирующим волокном 13. Благодаря этому при испытании баллона на прочность он разрушается безосколочно, по цилиндрической части.

Ограничители 10 и 11 служат для предотвращения отклонения армирующего волокна 13 от геодезических линий в процессе намотки баллона, попадания влаги на металлические накладки 5 и 6, а также от случайного отворачивания гайки 16 в процессе эксплуатации.

Сущность изобретения: баллон содержит емкость из полимерного материала, на торце емкости закреплена металлическая горловина, имеющая фланец, посредством герметизирующей прокладки, изготовленной из полимера, родственного полимеру емкости, но имеющего хорошую адгезию к металлическому фланцу горловины, которая одной стороной приклеена к фланцу горловины, а другой приварена к емкости. На торцы емкости плотно, без зазора установлены металлические полусферические накладки, на них установлены упругие накладки, на которые, в свою очередь, установлены ограничители волокна. Поверхность баллона замотана армирующим волокном, пропитанным связующим материалом. Герметизирующая прокладка дополнительно сжата фланцем горловины и металлической накладкой, через шайбу и стопорную шайбу, посредством гайки. Для исключения проворота накладки относительно горловины, при затяжке гайки стопорная шайба имеет выступ, входящий в продольный паз на горловине. При подаче давления в емкость через горловину, возникающие нагрузки передаются на металлические накладки и армирующее волокно. 2 ил.

Баллон высокого давления, включающий емкость из полимерного материала, в торце которой имеется металлическая горловина, металлические накладки, плотно прилегающие к торцам емкости, в одной из которых выполнено центральное отверстие под горловину, прижимная гайка и армирующее волокно, пропитанное связующим материалом и намотанное на поверхность емкости по геодезическим линиям, отличающийся тем, что горловина имеет фланец и герметизирующую прокладку, которая одной стороной приклеена к фланцу горловины, а другой стороной сварена с полимерной емкостью, одна из накладок имеет отверстие с отбортовкой и устанавливается на горловину емкости, снабженную фиксирующим механизмом от проворота относительно накладки, закрепляется шайбой и гайкой, на металлические накладки устанавливаются упругие накладки, изготовленные из материала, имеющего модуль упругости, не превышающий модуля упругости материала емкости, полностью закрывающие края металлических накладок и имеющие центральное отверстие с цилиндрическим выступом, на который устанавливаются ограничители, предотвращающие отклонение армирующего волокна от геодезических линий в районах торцов баллона и попадания влаги на металлические накладки.