ГАЗОСТАТ ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА Российский патент 2023 года по МПК B30B12/00 B22F3/15 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к оборудованию для обработки дискретных или сплошных материалов воздействием высоких давлений и температур.

Предлагаемое изобретение, в котором станина газостата заменена на платформу с балластом большой массы, является новым техническим решением, не имеющем аналогов в мировой практике.

В современной технике используется пресс-газостат, конструкция которого состоит из станины прямоугольной формы, внутри которой размещается герметичный сосуд (камера), в котором производят обработку деталей методом холодного или горячего изостатического прессования (ГИП), путем создания в нем сверхвысокого давления (вплоть до 5000 атм.) инертного газа или жидкости, приложенного либо непосредственно к обрабатываемому объекту, либо к поверхностям капсулы, наполненной порошком.

Изобретенный в середине 20 века, сначала небольшой по размерам газостат, сегодня уже достиг внушительных габаритов и массы, что позволяет, в самых крупных его версиях, обрабатывать заготовки диаметром до 2 и длиной до 4 метров. Поскольку технический прогресс не стоит на месте, порождая все новые машины-гиганты с большими размерами частей, нуждающихся в газостатической обработке деталей, то закономерно, что это должно привести к увеличению спроса на все более мощные и тяжелые газостаты. Поэтому уже сейчас инженерам-конструкторам необходимо задуматься о проектировании газостата с внутренним диаметром рабочей камеры в 10-12 метров, что неизбежно приведет к резкому увеличению массы станины и всей установки в целом. Действительно, при пятикратном росте размеров аппарата, его масса увеличится в кубе и достигнет стократного значения. И поскольку камера газостата, вместе со станиной, изготавливается из дорогостоящей высокопрочной стали, все это очень сильно увеличит его стоимость, которая может достигнуть сотни миллионов долларов. Вот поэтому очень важно заменить сталь на другой, более дешевый, материал, или придумать иной способ противостоять громадному давлению, давящему на крышки камеры газостата.

Для этой цели можно применить одну интересную идею, а именно, для противодействия силы, действующей на верхнюю крышку камеры газостата, использовать передвижную платформу с балластом большой массы. При этом для камеры, с внутренним диаметром 12 и давлением 2000 атм., ее величина составит более 2 млн т. Но при разработки газостата, лучше сразу ориентироваться на будущие потребности машиностроения, и, работая на опережение, довести размеры камеры до 30-40 метров, а давление до 3000-5000 атм. Но в этом случае резко возрастет масса балласта, достигнув значений в 20-50 млн т. Таким образом получится не просто сверхтяжелая платформа, а самая настоящая искусственная гора размерами в сотни метров, которая по массе и объему во много раз превзойдет знаменитую пирамиду Хеопса, а ее цена достигнет миллиарды долларов, если для строительства использовать дорогой железобетон.

И что бы как-то снизить ее стоимость, можно в качестве материала, вместо бетона, использовать натуральный камень базальт, добытый в ближайшей каменоломне; но и это будет дорогим вариантом. Поэтому, в идеале, лучше всего построить камеру газостата, при наличии горного массива большой высоты, непосредственно в самой горе, прорубив к ее центру тоннель и создав в его конце полость, наподобие пещеры. Это позволит на порядок уменьшить цену пресса-газостата и снизить себестоимость обработки деталей в нем до разумных пределов. Но все же, не смотря на очевидное преимущество, такое размещение камеры в неподвижной горе, также не лишено своих недостатков, понять которые можно, только оценив достоинства варианта с подвижной платформой.

Но прежде всего необходимо разобраться с какими проблемами придется столкнуться инженерам и какие задачи им придется решать, при разработке такого гигантского искусственного сооружения.

Для начала нужно определиться с массой грузовой платформы, которая может колебаться от 10 млн т. в минимальном варианте и доходить до 100 млн т. в своем пределе. Можно задать ее значение сразу, а можно поступить по другому: построить базовый вариант массой 10-20 млн.т, а уже потом, в течение нескольких десятилетий, постепенно достраивать грузовую платформу, доводя ее массу до 50, а может даже и до 100 млн т. Такое разнесенное во времени строительство позволит значительно сократить нагрузку на бюджет страны и фантастический проект воплотить в реальность. Правда такой вариант сильно усложнит технологию ее постройки, но все равно может с лихвой себя оправдать.

Второй показатель грузовой платформы - это ее форма и пропорции: отношение высоты к ширине, от которых и будет зависеть действующие на нее нагрузки, определяя тем самым ее конструкцию.

Поскольку платформа служит для передачи усилия от всей массы балласта к ее нижнему геометрическому центру, где расположена крышка камеры газостата, то помимо сил сжатия она будет испытывать изгибающие нагрузки, величина которых будет определяться ее формой и пропорциями, которые могут быть уже заданными и иметь форму полушария или куба, или могут быть произвольными, с формой в виде цилиндра, конуса, пирамиды, пропорции которых необходимо задавать при проектировании сооружения. С точки зрения сопромата, минимальные напряжения изгиба в теле платформы будут, если она вытянута в высоту, а ее основание имеет форму круга. Поэтому наилучшей геометрической формой для нее будет удлиненный цилиндр, похуже будет конус, далее идет куб, полушарие, и замыкает список - пирамида, у которой изгибающие нагрузки, при равной массе всех перечисленных тел, будут максимальными.

Казалось бы, что форма грузовой платформы в виде цилиндра уже предопределена рациональными причинами и законами механики, но с точки зрения промышленного дизайна, наиболее привлекательной для нее геометрией будет все же пирамида, с пропорциями 1:1, или немного вытянутой по горизонтали. Не случайно ведь великие сооружения древности имели пирамидальную форму Поэтому в качестве основного варианта для грузовой платформы предлагаемого изобретения была выбрана именно четырехугольная пирамида, только не целая, а усеченная, с закругленными углами, общей массой около 20 млн т, объемом 8000000 м³ и размерами основания 300 на 300 метров, при высоте в 200 м, и верхней площадкой со сторонами 100 на 100 метров. Все эти параметры пирамиды справедливы при средней плотности ее материала 2,5 т\м³.

При этом, из-за наличия изгибающих напряжений в теле платформы-пирамиды, которые плохо переносят каменные материалы, необходимо принимать специальные меры для увеличения ее прочности. Поэтому, при строительстве ее из каменных блоков, выложенных цементным раствором, их необходимо дополнительно соединять шрифтами, и прокладывать между ними стальную арматуру. А в случае использования бетона, вместо арматуры можно использовать волокна из высокопрочных материалов.

Из-за чрезвычайно высокой массы всего сооружения, фундамент, на котором покоится пирамида, должен быть сверхмощным и особопрочным, и, изготовленный из бетона, он получился бы очень дорогим. Поэтому лучшим вариантом строительства грузовой платформы будет ее размещение в месте выхода на поверхность скальных пород, что позволит не только снизить стоимость фундамента, но и уменьшить толщину и массу камеры газостата, поскольку часть нагрузки с ее стенок будет передаваться горным породам.

Однако существует вариант, при котором нагрузку на фундамент можно значительно сократить и использовать для его строительства обычные грунты. Для этого его площадь необходимо увеличить в несколько раз, а саму пирамиду постоянно передвигать с места на место по его поверхности, тем самым как бы "размазывая" ее вес на большую площадь, что позволит уменьшить нагрузку на фундамент в целом, сократив, тем самым, его толщину и стоимость.

И тут возникнет закономерный вопрос: а как же перемещать такую махину? Очевидно, что толкать ее должны колеса с зубчатым или винтовым зацеплением, а для ликвидации трения, под ее днищем необходимо создать воздушную подушку. Для этого пирамиду оснащают мощной компрессорной установкой, и по всему ее периметру, в нижней части, устанавливают экран, который будет выполнять туже функцию, что и гибкое ограждение у судна на воздушной подушке. Конструктивно он будет состоять из отдельных металлических щитов, усиленных ребрами жесткости, способных скользить, как относительно друг друга, так и по поверхности пирамиды, и при этом плотно к ней прилегать. Высота этих щитов будет зависеть от амплитуды прогиба краев пирамиды, которая обратно пропорциональна жесткости ее конструкции. В случае, если бы она была абсолютной, то зазор между поверхностью фундамента и основанием пирамиды, был бы минимальным, и тогда вместо щитов можно было бы ограничиться эластичной прокладкой высотой в несколько сантиметров. На практике же, под действием избыточного давления воздуха, амплитуда прогиба может достигать величины в десятки сантиметров. И это еще не все. Если платформу надвинуть на крышку камеры газостата и сбросить давление воздуха, то края пирамиды, под собственной тяжестью, опять прогнутся, но уже не вверх, а вниз, с амплитудой еще большей, чем раньше. И поэтому, чтобы пирамида всей своей массой опиралась только на крышку, а ее края не касались фундамента, необходимо будет между ее центром и крышкой камеры установить промежуточную стальную плиту, толщиной превышающей величину прогиба. Но на практике это не так просто сделать, как кажется на первый взгляд Поэтому будет лучше, если в конструкции пирамиды предусмотреть установку внутри нее, в ее центре, короткого гидроцилиндра, поршень которого способен двигаться вниз, и после сброса воздуха, переносить вес платформы на крышку камеры газостата, тем самым, заменяя собой промежуточную плиту.

Таким образом, если сложить обе величины прогиба краев пирамиды, то, вероятно, в сумме они превысят один метр, и поэтому, с учетом необходимого запаса, амплитуду перемещения щитов необходимо задать метра в полтора, а их высоту взять еще больше - 4-5 метров.

В дополнение к воздушному ограждению пирамида должна иметь еще мощную компрессорную установку, способную под высоким давлением в 22 атм. заканчивать воздух под ее днище. Если задать высоту висения платформы (зазор между щитами и фундаментом) в 1 мм, то подводимая мощность к компрессорам должна составлять 1240 МВт. В качестве их привода, вместо электрических, лучше взять газотурбинные двигатели (ГТД), с прямым приводом на вентиляторы, что позволит избежать двойного преобразования энергии и неизбежных при этом потерь. А разместить компрессоры с ГТД лучше всего в нижней части пирамиды, равномерно распределив их по всему ее периметру, и предусмотрев воздуховоды под ее днище.

А рядом с платформой-пирамидой, по ее бокам, на одном уровне с фундаментом, должны быть проложены широкие стальные рельсы с продольными пазами-зубьями, если в качестве движителя выбрано колесо-шестеренка, или с винтовой резьбой, если в качестве движителя выбран шнекороторный его тип, имеющий большую площадь зацепления и значит способный развивать большее усилие, чем зубчатое колесо, и поэтому быстрее разгоняющий грузовую платформу.

В отличие от классического газостата, имеющего всего одну камеру высокого давления (ВД), рассчитанную на заданные значения давления и температуры, в предлагаемой установке гравитационного типа, будет несколько камер различного назначения (с разным диаметром и давлением), что значительно расширит область ее применение.

По своему расположению камеры ВД могут быть полностью независимые, разнесенные на расстояние в десятки и сотни метров, и зависимые, вставленные друг в друга, подобно матрешке, но с плотным расположением. Есть еще и промежуточный, полузависимый вариант, когда одна камера вставлена в другую, но при этом между ними имеется технологический зазор.

Из всех вариантов самый интересный будет второй, с зависимым расположением камер, идея которого заключается в использовании стенок предыдущей, большей по размерам, камеры для противодействия давления в следующей, меньшей по размерам, камере, что позволит уменьшить толщину стенок последней, и сэкономить на материале из которого она сделана. Но на практике воплощение этой идеи столкнется с рядом трудностей, о которых будет сказано ниже.

Воплотить эту идею можно двумя способами.

Пусть имеется камера ВД с максимально большим внутренним диаметром, и ставится задача на ее основе создать другую, с меньшим диаметром, но с большим давлением. Если просто увеличивать толщину стенок камеры, то окажется, что прирост давления в ней будет значительно опережать сокращение горизонтальной площади камеры, что в итоге создаст усилие на ее крышку, превышающее вес платформы с балластом. (Тут надо добавить, что процесс увеличения давления на крышку камеры будет происходить нелинейно, и достигнув максимума, начнет падать, пока не сравняется с исходным значением). Понятно, что такой способ, из-за ограниченной массы противовеса-пирамиды, не годится для создания увеличенного давления в камере, и поэтому для практических целей не пригоден. Правильнее все же сказать, что он ограниченно годен, при условии, что давление в камере будет несколько меньше расчетного. Но тогда материал, из которого изготовлена камера, будет не до конца нагружен, т.е. его прочностные свойства не будут полностью использованы, что приведет к снижению рентабельности описанного способа.

А по второму способу внутрь большей камеры помещается другая камера, меньшего диаметра, с тонкими стенками, не способными противостоять расчетному давлению, и между ними размещается промежуточный слой материала в форме кольца, но не целого, а разделенного на несколько фрагментов, и работающего исключительно на сжатие. В этом случае давление в малой камере будет расти обратно пропорционально ее диаметру, а горизонтальная площадь будет уменьшаться в квадратичной зависимости, и поэтому усилие на крышку камеры будет линейно падать, что приведет к не полному использованию массы балласта. Как не трудно заметить: вышеописанный (второй) способ, по своему результату, противоположен первому. Из этого следует вывод, что должен существовать некий промежуточный вариант, при котором, изменение параметров камеры (давления и размеров), не привело бы к колебанию массы балласта грузовой платформы в ту или иную сторону. Очевидно, что этот промежуточный вариант аналогичен первому, только материал малой камеры необходимо заменить на другой, с худшими характеристиками, но более дешевый и, желательно, более легкий, и тогда он полностью себя оправдает.

Конструкция составной камеры любого из вариантов (зависимого и полузависимого), в порядке уменьшения их размеров, будет выглядеть так.

Вначале внутри фундамента изготавливают первичную цилиндрическую камеру из железобетона, на дно которой помещают круглую платформу, выполняющей функцию поршня, которая способна, под давлением воды или воздуха, подниматься вверх до самого края (на уровне с фундаментом). И после того как она поднимется на нее необходимо будет надвинуть (вместе с нижней крышкой) первую и самую большую камеру, имеющую форму полого стального цилиндра с наружным\внутренним диаметром 74 на 70 м (из расчета внутренних напряжений - 100 кгс\мм²), высотой до 100 м, рассчитанной на давление 500 атм. и предназначенной для испытания мини-подлодок с глубиной погружения 3-4 км. После этого поршень-платформа, вместе с камерой, опустится на дно бетонного цилиндра, где и останется до конца срока службы.

Кроме мини-подлодок для исследования мирового океана, в частности, Марианской впадины, широко применяются глубоководные батискафы с глубиной погружения до 11 км. Они имеют меньшие габариты и поэтому для них вполне подойдет стальная камера с наружным/внутренним диаметром - 46 на 40 м для полузависимого варианта, или 70 на 40 для зависимого варианта, высотой до 100 м, рассчитанная на давление 1500 атм. Устанавливают ее точно также как и первую камеру: с использованием поршня-платформы, но только меньшего диаметра

Эту же камеру можно было бы приспособить для обработки деталей с высоким давлением и температурой, как это принято делать в газостатах. Но из-за недостаточного давления в 1500 атм. придется для этих целей предусмотреть установку 3 по счету камеры с наружным/внутренним диаметром 36 на 28 м (для полузависимого варианта), рассчитанную на давление газа в 3000 атм.

Из-за большого внутреннего диаметра она хорошо подходит для обработки гигантских по размеру заготовок, что на практике будет происходить достаточно редко. А для обработки средних по размеру заготовок такую большую камеру использовать не целесообразно, поскольку в этом случае придется затрачивать много лишней энергии на сжатие и нагрев газа. Вот поэтому, специально для этого случая, придется предусмотреть установку уже 4 по счету камеры высотой 20-30 м с внутренним диаметром 10 м и наружным 13 м (для полузависимого варианта), если давление в ней не будет превышать 3000 атм. Но для специальных технологических операций может потребоваться гораздо большее давление, чем может дать обычный газостат. Поэтому лучше сразу сделать наружный диаметр камеры максимально возможным - 28 м с давлением в 15-18 тысяч атм.

В конечном итоге гравитационный газостат, с передвижной платформой-пирамидой, будет выглядеть так.

На фундаменте, в виде мощной бетонной или каменной полосы, шириной 320 м и длиной 1,5-2 км будет располагаться собственно пирамида, а на одном уровне с фундаментом, по центру полосы - несколько камер ВД с интервалом примерно в 200-250 м. Возле каждой из них должно находиться сопутствующие оборудование, необходимое для их функционирования. Например, камеры газостата должны иметь емкость с запасом инертного газа, компрессоры ВД и нагревательное оборудование. А для переноса деталей и заготовок, а также тяжелых верхних крышек камер, на площадке должен находиться мощный мостовой кран. Для передвижения платформы-пирамиды по краям полосы, по всей ее длине, должны быть смонтированы стальные зубчатые рельсы.

А работать сверхмощная гравитационная установка, на примере газовой камеры, будет так.

После загрузки заготовки в одну из камер газостата и ее герметизации, на платформе-пирамиде включат компрессор, и она перейдет в режим висения на воздушной подушке. Далее пирамида начнет передвигаться на нужную камеру, пока их центры не совпадут. После этого она остановится, выключит компрессор, перенеся свой вес на крышку камеры газостата. После этого в нее, под высоким давлением и температурой, закачают инертный газ и заготовка будет подвергнута горячему прессованию в соответствии с техническим регламентом. После окончания процесса обработки порядок действий будет происходить в обратной последовательности.

Техническим результатом изобретения является:

1) Возможность использования для других целей, не связанных с технологией ГИП, в частности для испытания корпуса атомной субмарины на прочность в одной из камер ВД.

2) Возможность обрабатывать заготовки очень больших размеров в камерах, высота (глубина) которых может быть практически любой, а диаметр доходить до размеров грузовой платформы-пирамиды.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к оборудованию для обработки дискретных или сплошных материалов воздействием высоких давлений и температур. Газостат содержит фундамент в виде полосы, по бокам которой расположены рельсы, а по центру внутри фундамента размещены вертикальные камеры. Каждая камера выполнена в форме полого металлического цилиндра, имеет оборудование для создания давления и температуры газа и сверху герметично закрыта крышкой. Верх крышки расположен на уровне с фундаментом. На полосе установлена грузовая платформа в форме усеченной пирамиды. Платформа имеет возможность перемещения посредством установленных по ее бокам зубчатых колес или шнекороторных движителей, расположенных в зацеплении с выполненными на рельсах, соответственно, пазами-зубьями или винтовой резьбой. Предусмотрена компрессорная установка для создания под днищем пирамиды воздушной подушки. По периметру платформы расположено герметичное ограждение в виде прилегающих друг к другу металлических щитов, имеющих возможность скольжения относительно друг друга. В результате обеспечивается возможность обработки изделий большой массы и габаритов.

Газостат гравитационного типа, характеризующийся тем, что он содержит фундамент в виде полосы, по бокам которой расположены рельсы, а по центру внутри фундамента размещены вертикальные камеры в виде полого металлического цилиндра, каждая из которых имеет оборудование для создания давления и температуры газа и сверху герметично закрыта крышкой, верх которой расположен на уровне с фундаментом, грузовую платформу в форме усеченной пирамиды, установленную на полосе с возможностью перемещения посредством установленных по ее бокам зубчатых колес или шнекороторных движителей, расположенных в зацеплении с выполненными на рельсах, соответственно, пазами-зубьями или винтовой резьбой, компрессорную установку для создания под днищем пирамиды воздушной подушки, и расположенное по ее периметру герметичное ограждение в виде прилегающих друг к другу металлических щитов, имеющих возможность скольжения относительно друг друга.