БАЛЛОН Российский патент 2001 года по МПК F17C1/00 F17C1/06 B21D51/24 

Изобретение относится к конструкциям комбинированных баллонов давления и может быть использовано при изготовлении легких баллонов для автомобилей, летательных аппаратов, перевозки сжатых газов.

Известен стальной баллон из бесшовной трубы, включающий цилиндрическую и донные части /"Баллоны стальные малого и среднего объемов для газов на P_g ≅ 19,6 МПа /200 кгс/см²/. Гост 949-73/-аналог. Трудности производства тонкостенных труб из высокопрочных сталей обусловливают то, что эти баллоны обладают относительно большими и неравномерными толщинами цилиндрической части. Донные части баллонов, выполненные закаткой, дополнительно утолщены неоправданно с конструктивной точки зрения. Это вызывает увеличение массы баллона и отношение ее к объему.

Известен баллон, содержащий герметичную металлическую гофрированную обечайку, соединенную с эллиптическими или сферическими днищами и охваченную наружной оболочкой, выполненной из композиционного материала и закрепленной концевыми участками к днищам с помощью прижимных и упорных колец /авт. свидетельство СССР N 1601189, кл. F 17 C 1/00/ - прототип.

Нахлесточные соединения обечайки с днищами являются недостаточно прочными, и по ним могут происходить разрушения баллона, особенно при циклических нагружениях. Вследствие низкого модуля упругости композиционного материала имеет место недогружение оболочки под действием внутреннего давления и обечайка проявляет склонность к разрушению задолго до исчерпания запаса прочности оболочки. Композиционный материал на порядок дороже стали, а формирование оболочки из него достаточно сложно, трудоемко и требует применения дефицитных компонентов.

Задачей изобретения является усовершенствование баллона путем улучшения соединений обечайки с днищами, изменения конструкции и материала оболочки, оптимизации толщин, создания необходимых предварительных напряжений в баллоне, что позволяет повысить его работоспособность, увеличить вместимость V, уменьшить массу m и показатель m/V, упростить технологию изготовления, снизить стоимость.

Указанная задача достигается тем, что в баллоне, содержащем металлическую обечайку, соединенную со сферическими или эллиптическими днищами и охваченную наружной оболочкой, стальные обечайка и днища сварены встык без усиления швов, а оболочка выполнена толщиной, не превышающей 1,5 толщины обечайки, в виде кольцевых витков стальной проволоки прочностью не менее прочности обечайки. Более совершенными является баллон, прочность проволоки которого составляет 1,1-15,0 прочности обечайки и в обечайке которого созданы напряжения сжатия, не превышающие 0,5 расчетного напряжения от рабочего давления.

Сварные стыковые соединения без усилений /утолщений/ швов обладают высокой прочностью при циклических нагружениях и обеспечивают герметичность корпуса. Они просты в выполнении. Это позволяет изготавливать обечайку и днища из листового проката, который выпускается в значительно более широких пределах размерного и марочного сортаментов, более высоких точности и прочности, чем бесшовные трубы. Наружная оболочка в виде кольцевых витков проволоки усиливает обечайку в продольном сечении, а равенство модулей упругости стальных обечайки и проволоки обеспечивает равномерное их нагружение под действием внутреннего давления, благодаря чему достигается более высокая эффективность усиления, чем в прототипе. Дополнительное усиление происходит при создании в обечайке предварительных напряжений сжатия в сочетании с применением более прочной проволоки. Это позволяет повысить рабочее давление, вместимость баллона, уменьшить толщину его стенки, массу, отношение массы к объему m/V.

Изготовление оболочки из проволоки проще, чем из композиционного материала, и весь баллон может быть выполнен из относительно недорогих недефицитных сталей, что обеспечивает снижение в 1,4-1,7 раза стоимости его по сравнению с прототипом.

Усиливающее действие оболочки возрастает с увеличением ее толщин. При плотном прилегании друг к другу витков проволоки оболочки толщиной, равной 1,3 толщины обечайки, достигается равенство напряжений в продольном и поперечном сечениях обечайки, проволоке и днищах. С учетом неплотности прилегания витков проволоки, которая может достигать 10-15%, максимальная толщина оболочки составит 1,5 толщины обечайки. Дальнейшее увеличение толщины оболочки является избыточным, т.к. напряжение в продольном сечении становится ниже, чем в поперечном сечении и днищах, работоспособность баллона практически не повышается, а происходит только увеличение его массы и стоимости. Выполнение оболочки из проволоки, менее прочной, чем обечайка, не целесообразно вследствие склонности к более раннему разрушению и необходимости дополнительного увеличения толщины оболочки. Более прочная проволока повышает запас прочности оболочки.

Предварительные сжимающие напряжения в обечайке созданы путем обжатия оболочкой. Для компенсации возникающих при этом растягивающих напряжений в проволоке прочность последней должна быть увеличена по сравнению с прочностью обечайки в 1,1 - 15,0 раз. Ниже приведенных значений прочности проволоку применять не целесообразно вследствие перенапряжения ее под рабочим давлении при допустимых колебаниях прочности 10%. Более высокое отношение прочностей не возможно, т. к. максимальная прочность стальных проволок составляет 5300-5550 МПа, минимальная прочность стали, используемой для корпусов баллонов, 370-400 МПа, а максимальное их отношение -
Оптимальное конструктивное решение баллона обеспечивает равновероятность разрушения его во всех сечениях под действием внутреннего давления, что в первом приближении достигается равенством коэффициента запаса прочности. Повышение предварительных напряжений сжатия вызывает повышение запаса прочности обечайки. Максимальное сжимающее напряжение, при котором можно достичь равенства коэффициентов запаса прочности обечайки /в поперечном и продольных сечениях/, днищ и проволоки, составляет ~ 0,5 расчетного напряжения от рабочего давления. Большие обжатия нецелесообразны ввиду нежелательного уменьшения коэффициента запаса прочности проволоки ниже коэффициента запаса прочности корпуса и опасности преждевременного разрушения оболочки, а за ней - обечайки.

На чертеже показан предложенный баллон. Он содержит герметичный корпус, состоящий из стальных обечайки 1 и сферических или эллиптических днищ 2. Сварная или бесшовная обечайка сварена с днищами. Сварные соединения 3 выполнены стыковыми без усилия /утолщения/ швов. По всей цилиндрической части корпус охвачен оболочкой 4 толщиной, не превышающей 1,5 толщины обечайки, в виде кольцевых витков стальной проволоки, прочность которой не менее прочности обечайки. Если оболочка выполнена из проволоки прочностью, составляющей 1,1 - 15,0 прочности обечайки, то в последней целесообразно создать сжимающие напряжения, не превышающие 0,5 расчетного растягивающего напряжения от рабочего давления.

Под действием рабочего внутреннего давления в баллоне возникают растягивающие напряжения, которые обычно в продольном сечении обечайки 1 выше, чем в поперечном сечении и днищах 2. Оболочка 4, воспринимая на себя часть нагрузки, способствует снижению напряжений в продольном сечении обечайки 1, особенно с увеличением толщины. В поперечном сечении оболочка 4 не испытывает нагружения и не оказывает усиливающего воздействия на обечайку 1. Поэтому при увеличении толщины оболочки до 1,3 толщины обечайки при плотном прилегании друг к другу витков проволоки или до 1,5 толщины обечайки при неплотности прилегания до 10-15% в продольном сечении обечайки и в проволоке напряжения сжимаются до уровня в поперечном ее сечении. При дальнейшем увеличении толщины оболочки напряжения в продольном сечении обечайки и в проволоке становятся ниже, чем в поперечном сечении и днищах, т.е. последние становятся более слабыми элементами баллона, а толщина оболочки избыточной.

С подачей внутреннего давления при наличии в обечайке предварительно созданных напряжений сжатия происходит вычитание их из растягивающих напряжений; при этом в проволоке напряжения от натяжения и внутреннего давления суммируются.

В таблице приведены различные варианты баллонов под давлением до 20 МПа с разными значениями σвп

_р/σвк, δ_об/δ_к и σ_сж/σ_p. Обечайка длиной 860 мм и сферические днища предложенных баллонов изготовлены из листовых легированных и углеродистых сталей. Они соединены аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом встык без усиления швов. Цилиндрические части баллонов /кроме аналогов вар. 12, 13/ охвачены оболочкой без натяжения /вар.1-5 и прототипы 10, 11/ и с натяжением /вар.6-9/. Варианты 1, 2, 6-8 относится к предложенной конструкции баллонов, варианты 3-5, 9 имеют запредельные значения конструктивных параметров и напряжений. Прототипы и аналоги приведены для сравнения.

Предложенная конструкция баллона отличается более рациональным использованием материалов /меньшая разность прочностей и коэффициентов запаса прочности в различных сечениях и элементах/. Поэтому толщина, масса и m/V предложенного баллона в несколько раз меньше, чем у аналога. По сравнению с прототипом толщины оболочки и обечайки баллона предложенной конструкции также меньше; стоимость этих баллонов в 1,4 - 1,7 раза ниже. Обжатие обечайки оболочкой, выполненной в виде кольцевых витков проволоки, позволяет добиться более низких значений массы и m/V предложенного баллона, чем у прототипа.

Изобретение относится к конструкциям комбинированных баллонов давления и может быть использовано при изготовлении легких баллонов для автомобилей, летательных аппаратов, перевозки сжатых газов. Задача изобретения - усовершенствование баллона путем улучшения соединений обечайки с днищами, изменения конструкции и материала наружной оболочки, оптимизации толщин обечайки и оболочки, создания необходимых предварительных напряжений, что позволяет повысить его работоспособность, увеличить вместимость, уменьшить массу и отношение ее к объему, упростить технологию изготовления и снизить стоимость. Баллон содержит стальную обечайку и сферические или цилиндрические днища, сваренные встык без усиления швов. Обечайка охвачена оболочкой, выполненной в виде кольцевых витков стальной проволоки, прочность которой достигает 15 прочностей обечайки. Толщина оболочки может достигать 1,5 толщины обечайки. В обечайке созданы напряжения сжатия до 0,5 расчетного напряжения от рабочего давления. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Баллон, содержащий металлическую обечайку, соединенную со сферическими или эллиптическими днищами и охваченную наружной оболочкой, отличающийся тем, что стальные обечайки и днища сварены встык без усиления швов, а оболочка выполнена толщиной, не превышающей 1,5 толщины обечайки, в виде кольцевых витков стальной проволоки прочностью не менее прочности обечайки. 2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что прочность проволоки составляет 1,1 - 15,0 прочности обечайки и в обечайке созданы напряжения сжатия, не превышающие 0,50 расчетного напряжения от рабочего давления баллона.