СТЕКЛОПЛАСТИКОВАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА Российский патент 1998 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в стеклопластиковых трубах-оболочках в химической и металлургической промышленности, строительных конструкциях, колодцах и других сооружениях.

Известна стеклопластиковая труба-оболочка, содержащая несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости, выполненные из стеклотканей и полимерного связующего, и внешние силовые кронштейны [1].

Указанная стеклопластиковая труба-оболочка имеет определенные преимущества при создании строительных конструкций, однако в ней сложно решаются вопросы совмещения жестких прессованных элементов с кольцевыми ребрами жесткости, прессованные элементы в местах перерезания требуют компенсации их жесткости за счет введения дополнительных кольцевых слоев стеклопластика, что увеличивает вес конструкции, без усиления зон ослабления резко снижается прочность и надежность изделия.

Для повышения жесткости и прочности стеклопластиковой трубы-оболочки нашли применение жесткие металлические кольца с торцевыми кольцевыми выступами, охватывающие торцы труб [2].

Недостатком данной конструкции стеклопластиковой трубы-оболочки является сложность сопряжения без зазора торцове труб со стыкуемым металлическим кольцом по криволинейной торцевой поверхности, что влияет на неравномерность распределения нагрузки, снижает жесткость, прочность и надежность изделия в целом.

Известна стеклопластиковая труба-оболочка, содержащая несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости и внешние силовые кронштейны [3]. Труба-оболочка обладает аналогичными недостатками, вопросы передачи в ней внецентренных нагрузок не решены.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является стеклопластиковая труба-оболочка, содержащая несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости, выполненные из стеклотканей с расположением нитей основы в окружном и нитей утка в аксиальном направлениях, и внешние силовые кронштейны [4].

В данной конструкции стеклопластиковой трубы-оболочки решена задача обеспечения взаимодействия силовых кронштейнов с опорными кольцевыми ребрами жесткости, но не рассмотрены вопросы дальнейшего снижения массы конструкции с учетом влияния на работу опорных кольцевых поясов самой оболочки.

Основной задачей разработки является создание стеклопластиковой трубы-оболочки такой конструкции, которая позволяла бы эффективно воспринимать внецентренные нагрузки, приложенные к внешним силовым кронштейнам, с учетом влияния жесткости и прочности несущих слоев без введения дополнительного армирования.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации изобретения, является создание стеклопластиковой трубы-оболочки с наименьшей массой, обладающей повышенной жесткостью и прочностью.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет перераспределения нитей утка и основы в несущих слоях и нитей основы и утка в опорных кольцевых ребрах жесткости и установления нового их объемного соотношения за счет увеличения доли аксиальных нитей в несущих слоях и окружных нитей в опорных кольцевых ребрах жесткости.

Для этого в стеклопластиковой трубе-оболочке, содержащей несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости, выполненные из стеклонитей с расположением нитей основы в окружном и нитей утка в аксиальном направлениях и полимерного связующего, и внешние силовые кронштейны, ее несущие силовые слои выполнены в объемном соотношении нитей утка в аксиальном и нитей основы в окружном направлениях 2 : 1 - 1,25 : 1 при объемном соотношении нитей основы и утка опорных кольцевых ребер жесткости 15 : 1 - 10 : 1.

Отличительными особенностями предложенного технического решения являются следующие признаки:
повышенное содержание нитей утка в несущих слоях, расположенными аксиально по сравнению с нитями основы, расположенных в окружном направлении, и повышенное содержание нитей основы в опорных кольцевых ребрах жесткости, расположенных в окружном направлении, по сравнению с нитями утка, расположенными в аксиальном направлении,
выполнение несущих слоев в объемном соотношении нитей утка в аксиальном направлении и нитей основы в окружном направлениях 2 : 1 - 1,25 : 1,
выполнение опорных кольцевых ребер жесткости в объемном соотношении нитей основы в окружном направлении и нитей утка в аксиальном направлении 15 : 1 - 10 : 1.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Увеличение доли аксиальных нитей несущих слоев позволяет в большей степени подключить стенку трубы-оболочки к работе опорных кольцевых ребер жесткости. Это влияние становится более ощутимым, если и опорные кольцевые ребра жесткости будут обладать еще большей жесткостью за счет повышения в них доли нитей основы в окружном направлении.

Выбранное соотношение нитей утка в аксиальном и нитей основы в окружном направлениях несущих слоев лимитируется жесткостными и прочностными параметрами с учетом возможностей тексильной и технологической переработки, при которых перекос нитей утка и основы достигается минимальный, что обеспечивает необходимую осевую и кольцевую жесткость и прочность несущих слоев стеклопластиковой трубы-оболочки.

Выбранное соотношение нитей основы в окружном и нитей утка в аксиальном направлениях опорных кольцевых ребер жесткости лимитируется соответственно для них жесткостными и прочностными параметрами с учетом исключения рассыпания нитей основы при переработке.

При объемном соотношении нитей утка и основы более чем 2 : 1 ухудшается текстильная переработка стеклонитей в ткань для несущих слоев, при объемном соотношении их меньше, чем 1,25 : 1, наблюдается перекос нитей утка при переработке стеклоткани в изделие, что снижает жесткостные и прочностные параметры несущих слоев.

При объемном соотношении нитей основы и утка более, чем 15 : 1, уменьшается доля нитей утка, которая необходима для связывания нитей основы, стеклопластик на основе такой ткани менее прочен при скручивании опорных кольцевых ребер жесткости и передаче нагрузки на оболочку, при объемном соотношении нитей основы и утка меньшем, чем 10 : 1, заметно уменьшение влияние оболочки на кольцевые ребра жесткости.

Кроме того, выбранные соотношения нитей в тканях для несущих слоев и для опорных кольцевых ребер жесткости позволяет варьировать их комбинацией, исходя из экономических соображений и возможностей производства изделий при применении простых и высокомодульных стекловолокон.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено. В традиционных технических решениях объемное соотношение нитей основы в стеклотканях для труб превалировало над объемным соотношением нитей утка в аксиальном направлении, влияние объемного соотношения нитей основы во взаимосвязи с опорными кольцевыми ребрами жесткости не учитывалось. Предложенное техническое решение позволяет задавать необходимую жесткость и прочность несущих слоев и опорных кольцевых ребер жесткости, учитывать их совместную работу и в рассмотренной совокупности признаков соответствует критерию "новизна".

Единая совокупность общих известных и новых существенных признаков в предложенной стеклопластиковой трубе-оболочке обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение создано без использования известных проектных решений и справочно-нормативных рекомендаций, является результатом опытно-конструкторской работы и творческого вклада, что свидетельствует о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен общий вид стеклопластиковой трубы-оболочки; на фиг. 2 - структура расположения нитей несущих слоев; на фиг.3 - структура расположения нитей опорных кольцевых ребер жесткости.

Стеклопластиковая труба-оболочка содержит несущие слои 1, опорные кольцевые ребра жесткости 2 и внешние силовые кронштейны 3, закрепленные на них крепежными элементами 4. Несущие слои 1 представляют собой отвержденный композиционный материал из стеклоткани с расположением нитей утка 5 в аксиальном и нитей основы 6 в окружном направлениях и полимерного связующего 7. Опорные кольцевые ребра жесткости 2 стеклопластиковой трубы-оболочки представляют собой отвержденный композиционный материал из стеклоткани с расположением нитей основы 8 в окружном и нитей утка 9 в аксиальном направлениях и полимерного связующего 7. Нити утка 5 в аксиальном и нити основы 6 в окружном направлениях несущих слоев 1 выполнены в объемном соотношении 2 : 1 - 1,25 : 1, нити основы 8 в окружном и нити утка 9 в аксиальном направлениях опорных кольцевых ребер жесткости 2 выполнены в объемном соотношении 15 : 1 - 10 : 1. Внешние силовые кронштейны 3, закрепленные на опорных кольцевых ребрах жесткости 2, выполнены из высокопрочной стали. Функционирование стеклопластиковой трубы-оболочки состоит в следующем.

При приложении аксиальных нагрузок на внешние силовые кронштейны 3 опорные кольцевые ребра жесткости 2 воспринимают радиальные и сдвиговое усилия, под действием которых опорные кольцевые ребра жесткости 2 упруго деформируют и включают в работу несущие слои 1, приходящие нагрузки на них эффективно распределяется и композиционный материал стеклопластиковой трубы-оболочки работает с наиболее полной нагрузкой и имеет высокий запас прочности и надежности.

Экспериментальные работы, проведенные со стеклопластиковыми трубами-оболочками с использованием нового технического решения, показали положительные результаты, такие трубы-оболочки обладают высокой эффективностью промышленным способом.

Таким образом, новое техническое решение соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Изобретение предназначено для использования в машиностроении. Труба-оболочка содержит несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости, выполненные из стеклотканей и полимерного связующего с расположением нитей основы в окружном и нитей утка в аксиальном направлениях и внешние силовые кронштейны. Несущие слои выполнены в объемном соотношении нитей утка в аксиальном и нитей основы в окружном направлениях 2 : 1 - 1,25 : 1 при объемном соотношении нитей основы и утка опорных кольцевых ребер жидкости 15 : 1 - 10 : 1. 3 ил.

Стеклопластиковая труба-оболочка, содержащая несущие слои, опорные кольцевые ребра жесткости, выполненные из стеклотканей и полимерного связующего с расположением нитей основы в окружном и нитей утка в аксиальном направлениях, и внешние силовые кронштейны, отличающаяся тем, что ее несущие слои выполнены в объемном соотношении нитей утка в аксиальном и нитей основы в окружном направлениях 2 : 1 - 1,25 : 1 при объемном соотношении нитей основы и утка опорных кольцевых ребер жесткости 15 : 1 - 10 : 1.