БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F16J12/00 F17C1/02 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения жидкостей и газов, в том числе газовых баллонов для автомобильного транспорта и в модулях стационарных систем пожаротушения.

Известны облегченные баллоны, позволяющие снизить массу баллонов за счет использования более высокопрочных и легких материалов, состоящие из тонкостенной внутренней оболочки баллона, включающей днища с горловинами, а также оплетки, и наружной поверхности из композиционных материалов, армированных стекловолокном, углеволокном и т.п.

Известен баллон высокого давления (см. описание к патенту России 2049955, МКИ⁶ F 17 C 1/00, опубл. БИ №34, 10.12.95 г.), состоящий из внутренней с кольцевым сварным швом оболочки с днищами горловины, по крайней мере, в одном днище, и наружной армирующей оплетки переменной толщины, при этом внутренняя оболочка выполнена из двух полубаллонов с равными геометрическими параметрами в виде стаканов с днищами, у которых цилиндрическая часть стаканов выполнена тонкостенной относительно днищ с утонением в направлении оси баллона, а свариваемые кромки стаканов утолщены внутрь баллона так, что их наружный диаметр, по крайней мере, меньше наружного диаметра тонкостенной цилиндрической части.

Недостатком этой конструкции баллона является нерациональное распределение напряжений в материале внутренней оболочки в местах переменной толщины на цилиндрической части, оказывающее большое влияние на надежность баллона в условиях циклического нагружения.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка конструкции баллона высокого давления, обеспечивающего эксплуатационную надежность и оптимизацию массогабаритных и прочностных характеристик баллона.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является минимизация массы баллона за счет повышения циклической прочности.

Указанный технический результат достигается тем, что в баллоне высокого давления, включающем герметизирующую оболочку и наружный силовой элемент, при этом герметизирующая оболочка выполнена из элементов, соединенных между собой неразъемным соединением, область неразъемного соединения элементов герметизирующей оболочки усилена дополнительным элементом, при этом высота Н и длина L дополнительного элемента связаны соотношением:

L=H/tgα;

где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента.

Кроме того, неразъемное соединение частей герметизирующей оболочки может быть выполнено при помощи сварки или пайки.

Кроме того, дополнительный элемент, усиливающий область неразъемного соединения, может быть выполнен в виде подмотки.

Кроме того, наружный силовой элемент может быть выполнен из композиционного материала, армированного стеклянным, и/или угольным, и/или арамидным, и/или борным, и/или полиамидным, и/или асбестовым, и/или джутовым, и/или хлопковым волокном, а элементы герметизирующей оболочки выполнены из стали или титанового сплава.

Кроме того, наружный силовой элемент может быть выполнен кольцевой, и/или спиральной, и/или полярной, и/или продольно-поперечной, и/или косослойной продольно-поперечной намоткой.

Для обеспечения качественного техпроцесса намотки наружной оплетки и, как следствие, высоких характеристик получаемого композита в зоне сварного шва предварительно накладывается кольцевая подмотка (фиг.1).

При этом длина L и высота Н подмотки связаны соотношением:

L=Н/tgα;

где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента.

Угол трения α зависит от вязкости и наличия связующего, качества поверхности, силы натяжения волокон материала при намотке и определяется из справочника или экспериментальным путем.

Заявленный баллон иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - конструкция баллона высокого давления; на фиг.2 - поперечное сечение области неразъемного соединения с усилительным элементом.

Баллон высокого давления включает герметизирующую оболочку 1, состоящую из элементов 2, соединенных между собой неразъемным (например, сварным или паяным) соединением 3, при этом область последнего усилена подмоткой дополнительным элементом 4 и наружным силовым элементом 5, который может быть выполнен кольцевой, и/или спиральной, и/или полярной намоткой стекловолокна, углеволокна и т.д.

Баллон высокого давления работает следующим образом. После изготовления баллона герметизирующая оболочка 1 и наружный силовой элемент 5 находятся в напряженном состоянии, в них имеются остаточные напряжения. В наружном силовом элементе 5 имеются остаточные растягивающие напряжения, а в герметизирующей оболочке 1 остаточные сжимающие. В процессе закачивания газа в баллон, по мере роста внутреннего давления, сжимающие напряжения герметизирующей оболочки 1 постепенно становятся равны нулю и переходят в растягивающие при рабочем давлении. При этом необходимо соблюдение следующих условий: остаточные напряжения в материале герметизирующей оболочки 1 должны быть равны по абсолютной величине напряжениям, возникающим в результате нагружения баллона рабочим давлением (рабочим напряжениям), т.е. цикл нагружения должен быть симметричным; рабочие напряжения должны быть меньше напряжений, характеризующих усталостные свойства материала, например предела усталости материала герметизирующей оболочки 1; рабочие напряжения, возникающие в материале наружного силового элемента 5, должны быть меньше напряжений, характеризующих усталостные свойства материала, например предела усталости материала последнего. Особенностью композиционного материала на основе стеклянных, угольных или иных волокон является практически линейная диаграмма деформирования вплоть до разрушения. По сравнению с конструкционными металлическими материалами поведение композиционного материала является упругим. Это дает возможность в процессе нагружения баллона внутренним давлением достичь без разрушения баллона такого напряженного состояния последнего, когда герметизирующая оболочка вступит в фазу пластических деформаций. После сброса давления герметизирующая оболочка, получавшая остаточные деформации, не сможет вернуться к своему первоначальному состоянию, а наружный силовой элемент из композиционного материала будет стремиться вернуться в исходное состояние, в результате чего на герметизирующую оболочку будут действовать сжимающие напряжения.

Баллон изготавливают следующим образом. Первоначально вырубают из листа заготовку и производят штамповку для получения элемента баллона, затем осуществляют сварку элементов и вваривание горловины, в результате чего получают внутреннюю герметизирующую оболочку баллона. Следующей операцией техпроцесса является термообработка полученной оболочки для снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, затем производят подмотку области сварного шва с соблюдением заданных размеров (L и Н), после чего производят сплошную, и/или спиральную, и/или полярную намотку герметизирующей оболочки до необходимой толщины. После отверждения связующего производят нагружение баллона расчетным внутренним давлением до возникновения в герметизирующей оболочке остаточных напряжений. Последним этапом техпроцесса являются испытания баллона на прочность и герметичность.

Таким образом, использование изобретения позволяет производить металлопластиковые баллоны высокого давления, обеспечивая максимальную циклическую прочность и минимальную массу баллона.

Баллон предназначен для хранения жидкостей и газов. Баллон включает герметизирующую оболочку и наружный силовой элемент, при этом герметизирующая оболочка выполнена из элементов, соединенных между собой неразъемным соединением, а область неразъемного соединения элементов герметизирующей оболочки усилена дополнительным элементом, при этом высота Н и длина L дополнительного элемента связаны соотношением: L=H/tgα, где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента. Технический результат - повышение надежности. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Баллон высокого давления, включающий герметизирующую оболочку и наружный силовой элемент, при этом герметизирующая оболочка выполнена из элементов, соединенных между собой неразъемным соединением, отличающийся тем, что область неразъемного соединения элементов герметизирующей оболочки усилена дополнительным элементом, при этом высота Н и длина L дополнительного элемента связаны соотношением:

L=H/tgα,

где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента.