Газовый баллон высокого давления Советский патент 1993 года по МПК F17C1/00 

i Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов, а именно к изготовлению сосу- J;OB высокого давления для хранения газа, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, например, в химической, нефтехимической или автомобильной промышленности.

Цель изобретения - обеспечение, равнопрочной структуры баллона и повышение механических характеристик узлов стыков- си торцовых и цилиндрических частей.

На фиг. 1 изображен предлагаемый баллон; на фиг. 2 - узел .стыковки цилиндрической и торцовой частей внутреннего ехнологического слоя; на фиг. 3 приведена

схема укладки промежуточных слоев в зоне стыковки технологической оболочки и торцовой крышки.

Газовый баллон высокого давления состоит из внутренней технологической оболочки 1, выполненной из полимерного композиционного материала, наружного силового слоя 2, выполненного также из полимерного композиционного материала, и герметизирующего слоя 3, например, на основе каучука.

Внутренняя технологическая оболочка 1 содержит цилиндрическую обечайку 4, торцовую крышку 5 с вмотанной полюсной (для центровки) вставкой 6 и торцевую

00 СА) 00 VJ

00

крышку 7 с вмотанной металлической горловиной 8.

Технологическая оболочка 1 используется в качестве оправки в процессе формирования верхней силовой оболочки. Так как, в процессе намотки силовых слоев армированного пластика создаются значительные контактные давления на технологическую оболочку, то последняя должна обладать соответствующей жесткостью и устойчивостью, а следовательно, и достаточной толщиной стенок и массой. Поэтому включение в работу технологической оболочки и максимальное использование ее прочности при восприятии и эксплуатационных нагрузок является важной экономической и технической задачей. Стыковка торцевых крышек 5 и 7 с цилиндрической обечайкой 4 осуществляется последовательным наложением симметрично стыку, промежуточных слоев 9 армированного пластика в виде нетканой ленты с изменяемой ступенчатой шириной.

Размеры первого промежуточного слоя, наложенного на стык методом намотки нетканой ленты, определяются конструктивными параметрами технологической оболочки. Расчеты показали, что касательные напряжения в зоне клеевого шва места контакта технологической оболочки и каждого из промежуточных слоев распределяются по определенному закону. Так для нашего случая в восприятии сдвиговых усилий участвует лишь только зона шва которая в 7 раз больше, чем толщина нетканой ленты из которой формирует промежуточный слой, не работает. То есть, если соотношение толщины и приращения ленты равное 7 . не выдерживается, то та часть приращения нетканой ленты, которая будет больше расчетной величины, обладая адгезией к поверхности технологической оболочки, усилий на сдвиг не воспринимает. Поэтому, для обеспечения равной прочности узла стыка на растяжение и на сдвиг поверхностям наложения промежуточных слоев, каждый верхний слой должен по ширине перекрывать нижележащий на величину, равную не менее 7 его толщин с обеих сторон, а общая толщина промежуточных слоев должна обеспечить сечения стыка растяжение равную прочности цилиндрической части технологической оболочки, как показано на фиг. 2. Указанное соотношение ширины и толщины слоев накладываемых в местах стыка, справедливо для армированных пластиков, у которых соотношение модулей деформаций волокнистого материала и отвержденной связующей матрицы близко к 10:1, что характерно для распространенных стеклопластиков на основе эпоксидных

и

связующих. Узел стыка указанной выше конструкции обеспечивает рациональное использование прочности армированного пластика и максимально возможное включе- 5 ние в работу технологической оболочки совместно с намотанной на нее силовой оболочкой.

Поскольку промежуточный слой 9, создаваемый для стыковки, является неотъем- лемой составной частью стенки баллона высокого давления, то и соотношение количества продольных и поперечных нитей в нетканой ленте при формовании каждого из промежуточных слоев необходимо рассчиты- 5 ватьи регулировать по определенной зависимости исходя из характера напряженного состояния стенки толстостенных оболочек 5.

Промежуточный слой состоит из нескольких слоев, формование которых произ- 0 водится методом намотки нетканой ленты на вращающиеся технологическую оболочку и торцевую крышку 5 или 7,

Намотка промежуточных слоев 9 осуществляется, неткаными лентами 10 по на- 5 ружнойповерхноститехнологическойоболочки 1.

Нетканая лента 10 представляет собой определенной сочетание продольных (пови- вочных) и поперечных (кормочных) нитей.

Обозначим через К отношение количе- 0 ства продольных нитей nz к количеству поперечных нитей nt.

35

V - Пг

(1)

Как известно радиальные напряжения в оболочке цилиндрической формы изменяются по толщине стенки по следующей зависимости:

Ot

t-3

где п - внутренний радиус оболочки (или наружный радиус оправки), являющийся ве- личиной постоянной;

Г2 - наружный радиус оболочки (изменя- ется от п до п+ б , где б-толщина стенки баллона). Р - внутреннее давление. Из формулы (2) видно, что радиальные напряжения в оболочке максимальны во внутреннем слое и уменьшаются с увеличе- нием толщины стенки. Прочность армирующего материала в конструкциях изготовленных методом намотки может быть использована с максимальной эффективностью при условии равного напряжения всех армирующих волокон по всей толщине оболочки.

Усилия возникающие от давления Р, воспринимаемые нитями ленты, можно регулировать в процессе формования изделия, изменяя величину К в соответствии с изменением о.

Так как необходимое количество поперечных нитей по условию их равнонапря- женности пропорционально действующим напряжениям о, то

7ti 012

3+3 23

где 0ц Р

3+3

рациональные напря3-3жения во внутреннем слое оболочки

23

Ot2

-радиальные напряже3-3ния во внешнем слое оболочки;

Так как осевые напряжения по толщине стенки оболочки не изменяются 5, то количество продольных нитей nt в течении всего процесса намотки принимаем постоянным, а регулировку требуемого армирования соотношения Кв нетканой ленте производим по слоям за счет поэтапного изменения количества поперечных нитей nt по следующей зависимости:

К -

nt

(r2+ rf)nz

таким образом, количество продольных нитей по слоям не изменяется т.е. nz const, а количество поперечных нитей в нижнем слое принимаем равным расчетному nt, тогда исходное значение соотношения обеих групп нитей в самой нетканой ленте, в первом слое - величина строго определенная. Дальнейшее изменение (уменьшение) количества поперечных нитей второго слоя по отношению к первому будет подчиняться зависимости:

2 г

nt2 -о--т n t1 (5) Г2 + П

Регулировка производится за счет послойного уменьшения количества поперечных нитей в нетканой ленте при постоянных скоростях вращения оправки и формирую5 щей нетканую ленту головки.

Таким образом, авторами предложена конструкция газового баллона высокого давления, изготавливаемого методр/л намотки нетканой ленты, которая позволяет

10 обеспечить однородную, равнопрочную структуру баллона в узлах стыковки торцевых и цилиндрических частей и дает возможность с максимальной эффективностью включить в работу технологический слой

15 (фальшоправку).

Формула изобретения

1. Газовый баллон высокого давления, 20 содержащий внутреннюю технологическую оболочку, наружный силовой слой, герметизирующий слой и горловины, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равнопрочной структуры баллона в узлах стыков- 25 ки торцовых и цилиндрических частей и максимального включения в работу технологической оболочки, он снабжен расположенными на технологической оболочке в зонах ее стыковки последовательно проме- 30 жуточными слоями армированного пластика с соотношением количества нитей продольного nz и поперечного nt армирова2 3 nt ния, равным К ------

причем

35(3+3)2

каждый верхний промежуточный слой по ширине превышает с каждой стороны нижележащий не менее, чем на семь его толщин, а общая толщина промежуточных слоев опре40 деляется из условия, равнопрочности с технологической оболочкой в осевом направлении, где n - внутренний радиус оболочки, а га - наружный радиус оболочки. 2. Баллон по п. 1, отличающийся

45 тем, что соотношение модулей деформаций в осевом направлении армирующего волокнистого материала и отвержденного связующего в пластике равно 10:1.

/53

9 5 6

Фиг.2

)