ЕМКОСТЬ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК F17C1/16 F17C1/06 F16J12/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления (далее емкости) из композиционного материала (КМ).

Известна конструкция емкости (корпуса ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ)) из КМ, имеющая пластиковую оболочку, получаемую намоткой [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил., страницы 19, 20, 39, 70, 133]. В полюсных отверстиях пластиковой оболочки установлены металлические стыковочные фланцы, к которым пристыкованы люки (передняя крышка, сопло), вдвинутые внутрь емкости. Основным недостатком таких конструкций является большая масса стыковочных фланцев. Это связано с тем, что в данном узле реализуется большой момент и перерезывающая сила, приходящие с одной стороны от пристыкованных люков, на которые действует внутреннее давление, а с другой стороны - от пера стыковочного фланца, которым он опирается на пластиковую оболочку.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является емкость из композиционного материала [Патент РФ №2237210], включающая в себя пластиковую оболочку и установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы. Фланцы содержат перо и узел соединения (стыковочный шпангоут со шпоночной канавкой), вдвинутый внутрь корпуса и соединенный с пером с помощью конической оболочки таким образом, что средняя поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки. Указанное техническое решение снижает момент и перерезывающую силу, действующие на перо фланца, позволяя снизить толщину пера и массу фланца. Недостатком рассматриваемой конструкции является то, что декларируемое полное отсутствие момента предполагает точное пересечение средней поверхности конической оболочки с центром приложения сил, приложенных к перу (центром давления пера). Однако носящие случайный характер (несистематические) погрешности технологических параметров намотки приведут к несовпадению фактического центра давления пера с его расчетным значением. При нагружении емкости внутренним давлением и соответствующей деформации пластиковой оболочки неизбежно (за счет значительного смещения центра давления пера) возникнет момент, приложенный к перу, а также возникнет неравномерность контактного давления на пластиковую оболочку из КМ. При нерациональном подборе соотношения жесткостей пластика и фланца наблюдается или внедрение вершины пера в пластик, или отход вершины пера от пластика. Указанные явления могут привести к нарушению целостности емкости. Сочленение пера с конической оболочкой противоречиво с точки зрения их взаимодействия. Обеспечение равномерного контактного давления на пластиковую оболочку из КМ требует, чтобы сочленение имело минимальную крутильную жесткость и соответственно минимальное сечение. Необходимость же обеспечения прочности и устойчивости конической оболочки, «утопленной» в полость емкости, требует выполнения сочленения достаточно массивным. Указанные проблемы обостряются при повышении относительного (по отношению к экватору) диаметра полюсного отверстия (и, соответственно, относительного диаметра люка) и увеличении рабочего давления внутри емкости. Условия компоновки изделий часто требуют повышать степень вдвинутости люка вовнутрь емкости с соответствующим увеличением относительного диаметра люка, однако ввиду перечисленных проблем обеспечение работоспособности емкости (с приемлемой массой конструкции), имеющей относительный диаметр полюсного отверстия выше 0,6-0,65, является трудноразрешимой задачей.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности, уменьшение массы конструкции емкости из композиционного материала, обеспечение возможности увеличения относительного диаметра люка и повышения рабочего давления.

Сущность изобретения заключается в том, что в емкости из композиционного материала, содержащей пластиковую оболочку, металлические фланцы, установленные в районе ее полюсных отверстий и имеющие перо, наружная поверхность которого через адгезионный подслой контактирует с внутренней поверхностью пластиковой оболочки, стыковочный шпангоут, соединенный с пером со стороны его внутренней поверхности и имеющий шпоночную канавку, люки, имеющие опорную поверхность, шпонки, установленные в шпоночную канавку и контактирующие с опорной поверхностью люка, узлы герметизации, по крайней мере, у одного из фланцев поверхность шпоночной канавки имеет форму части тора, образованной вращением образующей дуги окружности вокруг направляющей окружности, радиус которой превышает радиус полюсного отверстия пластиковой оболочки. Шпонки выполнены в виде секторов тела вращения, образованного конической обечайкой с соединенным с ней тором, сопряженным со шпоночной канавкой. Коническая обечайка контактирует с опорной поверхностью люка кромкой, выполненной на ее малом диаметре. Опорная поверхность люка может быть сопряжена с зубом, выполненным по незамкнутой окружности, разрыв в которой образует люковый паз. На находящемся напротив люкового паза участке внутренней поверхности пера может быть выполнен ответный паз, образующая поверхности которого является касательной к образующей дуге окружности торовой поверхности шпоночной канавки. Угол между опорной поверхностью люка и образующей поверхностью ответного паза больше или равен нулю. Шпонки контактируют друг с другом торцами, выполненными по плоскостям, которые могут проходить через ось вращения пластиковой оболочки. Одна из шпонок является замыкающей и может контактировать с соседними шпонками по двум параллельным друг другу торцам. Расстояние между торцами шпонок меньше длины люкового и ответного ему пазов. В районах сочленения конической обечайки с тором могут быть выполнены выборки. Фланец (фланцы) может быть снабжен технологическими зацепами, выполненными за одно целое с малым хвостовиком, крепящимся к перу.

Технический результат достигается тем, что:

- перо установлено на шарнире, предельно снижающем крутильную жесткость сочленения пера с конической обечайкой, «утопленной» в полость емкости. При этом функцию шарнира выполняет сочленение шпонок с пером по торовой поверхности;

- шарнир, коническая обечайка, соединяющая перо с люком и «утопленная» в полость корпуса, и элементы крепления люка объединены в единый узел - шпонки. Снижение номенклатуры деталей обеспечивает упрощение конструкции.

Повышение надежности обусловлено сведением к нулю момента между пером и шарнирно сочлененными с ним шпонками. Это не только снижает напряженно-деформированное состояние металлических деталей, но и обеспечивает минимальную неравномерность распределения контактного давления между пластиковой оболочкой и пером, т.е. существенно улучшает условия работы конструкции.

Улучшение условий работы конструкции обеспечивает возможность увеличения относительного диаметра люка и повышения рабочего давления.

Снижение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции (как металлических, так и пластика, сочлененного с пером) обеспечивает возможность снижения массы конструкции.

Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом:

на фиг.1 показан фрагмент продольного разреза емкости из композиционного материала в районе сопряжения пластиковой оболочки с фланцем и люком;

на фиг.2 показан вид А фиг.1.

Емкость из композиционного материала (КМ) содержит пластиковую оболочку 1, металлические фланцы, установленные в районе ее полюсных отверстий 2 (отверстий с радиусом R_пол). Металлический фланец имеет перо 3, наружная поверхность которого через адгезионный подслой контактирует с внутренней поверхностью пластиковой оболочки 1, и стыковочный шпангоут 4, соединенный с пером 3 со стороны его внутренней поверхности. Стыковочный шпангоут 4 имеет шпоночную канавку 5. По крайней мере, у одного из фланцев поверхность шпоночной канавки 5 имеет форму части тора, образованной вращением образующей дуги окружности радиусом r вокруг направляющей окружности, радиус R которой превышает радиус R_пол полюсного отверстия 2 пластиковой оболочки 1. Емкость из КМ содержит люки 6, имеющие опорную поверхность 7 и закрепленные на фланце посредством шпонок 8. Шпонки 8 установлены в шпоночную канавку 5 и контактируют с опорной поверхностью 7 люков 6. Узел 9 герметизации содержит связанное с фланцем кольцо, контактирующее с резиновыми шнурами 23, установленными на люке 6. Кольцо узла 9 герметизации выполнено либо за одно целое с фланцем, либо может быть с ним связанным эластичной перемычкой. Опорная поверхность 7 люка 6 сопряжена с зубом 10, выполненным по незамкнутой окружности, разрыв в которой образует люковый паз 11. На находящемся напротив люкового паза 11 участке внутренней поверхности пера 3 выполнен ответный паз 12. Образующая поверхности ответного паза 12 является касательной к образующей дуге окружности (с радиусом r) торовой поверхности шпоночной канавки 5. Угол между опорной поверхностью 7 люка 6 и образующей поверхностью ответного паза 12 больше или равен нулю, что сделано для возможности заведения шпонок 8 при сборке емкости (креплении люка 6). Шпонки 8 выполнены в виде секторов тела вращения, образованного конической обечайкой 13 с соединенным с ней тором 14, сопряженным со шпоночной канавкой 5. Коническая обечайка 13 контактирует с опорной поверхностью 7 люка 6 кромкой 15, выполненной на ее малом диаметре. Часть тора 14, обращенная к перу 3, является упорной, т.е. предназначенной для передачи усилия на перо 3. Другая часть тора 14, обращенная к внутренней полости емкости из КМ, существенных нагрузок при эксплуатации и работе изделия не испытывает. Эта часть требуется только для исключения осевого люфта люка 6 в ненагруженном состоянии. Соответственно, в районах сочленения конической обечайки 13 с тором 14 (т.е. в части тора 14, предназначенной только для предотвращения люфта) выполнены выборки 16, обеспечивающие уменьшение массы. Шпонки 8 контактируют друг с другом (см. фиг.2) торцами 17, выполненными по плоскостям, проходящим через ось вращения пластиковой оболочки. Одна из шпонок является замыкающей 18 и контактирует с соседними шпонками 8 по двум параллельным друг другу торцам 19. Расстояние между торцами 17, 19 шпонок 8, 18 меньше длины люкового 11 и ответного 12 ему пазов, что сделано для возможности заведения шпонок 8 при сборке емкости (креплении люка 6). Фланец (фланцы) снабжен технологическими зацепами 20, выполненными за одно целое с малым хвостовиком 21, крепящимся к перу 3. Зацепы 21 требуются для крепления технологических струбцин, обеспечивающих установку люка 6 при сборке емкости. Технологические струбцины обеспечивают осевое усилие на люк 6, требующееся для поджатия резиновых колец 23 узла 9 герметизации и преодоления сил трения. Фиксация замыкающей шпонки 18 осуществляется установленной в люковый паз 11 планкой 22.

Устройство работает следующим образом. При эксплуатации емкости из КМ при отсутствии внутреннего давления обеспечивается безлюфтовое соединение люка 6 с фланцем. Отсутствие осевого люфта обусловлено взаимодействием тора 14 со шпоночной канавкой 5. При работе емкости из КМ внутреннее давление в ее полости нагружает пластиковую оболочку 1 и одновременно стремится вытолкнуть люк 6 наружу. Возникающее при этом усилие от люка 6 передается через шпонки 8 и перо 3 на пластиковую оболочку 1. От сочетания нагрузок, возникающих при передаче усилия от люка к пластиковой оболочке 1, создается приложенный к перу 3 момент сил, стремящийся повернуть сечение пера 3 против (применительно к фиг.1) часовой стрелки. Сечение пера 3 совершает беспрепятственный поворот вокруг тора 14, являющегося шарниром, до положения, обеспечивающего минимальную неравномерность распределения контактного давления между пластиковой оболочкой 1 и пером 3. Когда перо 3 занимает указанное положение, напряжения внутри него имеют приемлемые значения ввиду того, что направление действия силы от шпонок 8 практически пересекает центр давления пера 3. Коническая обечайка 13 (шпонки 8) нагружены только осевой сжимающей силой (момент между конической обечайкой 13 и пером 3 отсутствует). Поворот пера 3 против часовой стрелки обеспечивает прижатие связанного с фланцем кольца узла 9 герметизации к контактирующим с ним резиновым шнурам 23, установленными на люке 6, обеспечивая надежную герметизацию при работе.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбрана емкость из композиционного материала [Патент РФ №2237210], заключается в повышении надежности, уменьшении массы конструкции емкости из композиционного материала, обеспечении возможности увеличения относительного диаметра люка и повышения рабочего давления.

Емкость предназначена для хранения и транспортировки текучей среды, находящейся под давлением. Емкость содержит пластиковую оболочку, металлические фланцы, установленные в районе ее полюсных отверстий и имеющие перо, наружная поверхность которого через адгезионный подслой контактирует с внутренней поверхностью пластиковой оболочки, стыковочный шпангоут, соединенный с пером со стороны его внутренней поверхности и имеющий шпоночную канавку, люки, имеющие опорную поверхность, шпонки, установленные в шпоночную канавку и контактирующие с опорной поверхностью люка, узлы герметизации, при этом, по крайней мере, у одного из фланцев поверхность шпоночной канавки имеет форму части тора, образованной вращением образующей дуги окружности вокруг направляющей окружности, радиус которой превышает радиус полюсного отверстия пластиковой оболочки, при этом шпонки выполнены в виде секторов тела вращения, образованного конической обечайкой с соединенным с ней тором, сопряженным со шпоночной канавкой, причем коническая обечайка контактирует с опорной поверхностью люка кромкой, выполненной на ее малом диаметре. Технический результат - повышение прочности баллона, снижение его веса и стоимости изготовления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Емкость из композиционного материала, содержащая пластиковую оболочку, металлические фланцы, установленные в районе ее полюсных отверстий и имеющие перо, наружная поверхность которого через адгезионный подслой контактирует с внутренней поверхностью пластиковой оболочки, стыковочный шпангоут, соединенный с пером со стороны его внутренней поверхности и имеющий шпоночную канавку, люки, имеющие опорную поверхность, шпонки, установленные в шпоночную канавку и контактирующие с опорной поверхностью люка, узлы герметизации, отличающаяся тем, что, по крайней мере, у одного из фланцев поверхность шпоночной канавки имеет форму части тора, образованной вращением образующей дуги окружности вокруг направляющей окружности, радиус которой превышает радиус полюсного отверстия пластиковой оболочки, при этом шпонки выполнены в виде секторов тела вращения, образованного конической обечайкой с соединенным с ней тором, сопряженным со шпоночной канавкой, причем коническая обечайка контактирует с опорной поверхностью люка кромкой, выполненной на ее малом диаметре.

2. Емкость из композиционного материала по п.1, отличающаяся тем, что опорная поверхность люка сопряжена с зубом, выполненным по незамкнутой окружности, разрыв в которой образует люковый паз, при этом на находящемся напротив люкового паза участке внутренней поверхности пера выполнен ответный паз, образующая поверхности которого является касательной к образующей дуге окружности торовой поверхности шпоночной канавки, а угол между опорной поверхностью люка и образующей поверхностью ответного паза больше или равен нулю.

3. Емкость из композиционного материала по п.1, отличающаяся тем, что шпонки контактируют друг с другом торцами, выполненными по плоскостям, проходящим через ось вращения пластиковой оболочки, а одна из шпонок является замыкающей и контактирует с соседними шпонками по двум параллельным друг другу торцам.

4. Емкость из композиционного материала по п.2, отличающаяся тем, что расстояние между торцами шпонок меньше длины люкового и ответного ему пазов.

5. Емкость из композиционного материала по п.1, отличающаяся тем, что в районах сочленения конической обечайки с тором выполнены выборки.

6. Емкость из композиционного материала по п.1, отличающаяся тем, что фланец (фланцы) снабжен технологическими зацепами, выполненными за одно целое с малым хвостовиком, крепящимся к перу.