ГЕРМЕТИЧНЫЙ ГОРЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ ПОЛИМЕРНО-КОМПОЗИТНОГО СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции горлового элемента (втулки) полимерно-композитного сосуда высокого давления (ПКСВД), и может быть использована при изготовлении сосудов высокого давления из композиционных материалов.
ПКСВД являются более легкими и более устойчивыми к агрессивным средам по сравнению с металлическими и металло-композитными сосудами высокого давления. Применение легких сосудов высокого давления особенно актуально в качестве топливных баков летательных аппаратов и автомобильной техники, работающих на газовом топливе, а также при транспортировке и хранении сжиженных углеводородных газов [Резолюция семинара «Перевод транспорта на газомоторное топливо: проблемы и перспективы» / НИУ ВШЭ - 2013. - С. 16; В.В. Воробей, В.Б. Маркин. Основы проектирование и технология сверхлегких композитных баллонов высокого давления: монография / - Барнаул: АлтГТУ, 2014; Торлова А.С., Пикалов Е.С. Обзор технологии ротационного формования изделий из полимерных материалов [Электронный ресурс] / Материалы конференции «Студенческий научный форум» - Режим доступа: www.scienceforum.ru/2018/3175/5377].
В связи с тем, что ПКСВД занимают огромный сектор различных направлений хозяйственной деятельности, все конструктивные элементы ПКСВД требуют максимальной проработки технологичности изготовления и обеспечения безопасности при эксплуатации.
Конструктивной особенностью ПК СВД является то, что он состоит из герметичной оболочки (полимерного лейнера), наружной силовой армирующей оболочки и вставных закладных металлических элементов, выполняющих роль штуцеров для присоединения запорной арматуры и других элементов, необходимых для эксплуатации сосуда высокого давления.
При этом место соединения закладных элементов с лейнером выполняется различными способами, которые сложно организовать на производствах и которые не обеспечивают надежность соединения закладного металлического штуцера с полимерным материалом.
Из уровня техники известен способ изготовления сосуда высокого давления [Пат. РФ №2315228], включающий изготовление внутренней герметизирующей оболочки, внешней силовой оболочки намоткой армирующих нитей на внутреннюю оболочку и полимеризацию оболочки, отличающийся тем, что перед изготовлением внутренней герметизирующей сферической оболочки без швов методом ротационного формования из полимерного материала предварительно изготавливают устанавливаемые в форму для ротационного формования штуцера, на обеих поверхностях закладной части которых выполняют канавки, а на внутренней поверхности со стороны выходного отверстия штуцеров - кольцевой выступ, затем внутреннюю герметизирующую оболочку закрепляют с возможностью вращения консольно за один штуцер, намотку на нее сухих армирующих нитей начинают вести вплотную к штуцерам посредством вращения оболочки и нитеукладчика, огибающего свободный штуцер оболочки, после завершения намотки первого слоя многократно повторяют послойную намотку оболочки, причем в каждом слое поворачивают ось вращения оболочки относительно оси вращения нитеукладчика на угол не менее 2°, при этом количество витков намотки и толщину каждого слоя в последующих слоях уменьшают, пропитку армирующих нитей связующим ведут в вакууме, а полимеризацию связующего ведут при температуре ниже температуры размягчения материала внутренней оболочки.
Недостатком этого способа является то, что необходимо изготавливать сложные металлоемкие специализированные закладные штуцера, производить их установку при ротационном формовании, в последующем необходимо контролировать их качество изготовления. Как известно, при ротационном формовании сложно получить гарантированное обволакивание металлических закладных без высокого контроля качества входного материала [Торлова А.С., Пикалов Е.С. Обзор технологии ротационного формования изделий из полимерных материалов [Электронный ресурс] / Материалы конференции «Студенческий научный форум» - Режим доступа: www.scienceforum.ru/2018/3175/5377]. Кроме того, при эксплуатации закладные элементы, вплавленные в материал, имеют пониженный уровень адгезии полимера с металлом, что ускоряет усталостное разрушение узла соединения.
Из уровня техники известна емкость из композиционного материала [Пат. РФ №2438066], 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.
Недостатком этого изобретения является высокая степень сложности изготовления как изделия в целом, так и отдельных его элементов.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является изобретение [Пат. РФ №2507437]. Изобретение относится к втулке для баллона высокого давления и способу ее крепления к баллону. Втулка состоит из двух элементов, прикрепляемых друг к другу, которые могут быть объединены в единую конструкцию самого баллона, образованного из композитного материала, металлического сплава, синтетического материала, смол и армирующих волокон. Внутренний, извлекаемый элемент горловины представляет в его внутренней части гексагональное сквозное отверстие, тогда как верхняя часть представляет резьбу для крепления клапана или пробки; на верхней внешней части размещена резьба для соединения с внешним элементом, тогда как на нижней части имеет кольцеобразное гнездо для приема уплотнения в прямом контакте с сердцевиной. Подобное уплотнение обеспечено на внешнем элементе. Между двумя элементами на нижней части закреплена концевая часть сердцевины: далее эта сборка заключается снаружи во множество обматывающих слоев, изготовленных из армирующих волокон и синтетических смол.
Основным недостатком такого решения является сложность ориентирования втулки на сосуде давления при его сборке и обмотке. Так же горловая часть (втулка) представляет собой сложный элемент, требующий больших затрат при изготовлении. Металлический элемент, расположенный между сердцевиной и армирующей оболочкой при переменном давлении, вызванном наполнением и опорожнением баллона, неизбежно будет вступать в контакт с трением по поверхности, вследствие различной деформативности металла и пластика. При этом металлический элемент может повредить оболочки, вызвать их износ и нарушение герметичности.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание втулки для ПК СВД, обладающей высокой герметичностью и надежностью работы сосуда в процессе эксплуатации.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается втулка для ПК СВД, которая состоит из металлического штуцера, уплотнительных колец и полимерной шайбы, встраивается в сердцевину баллона (горловину полимерного лейнера, далее - лейнер), изготавливаемого ротационным методом, и закрепляется обмоткой волокнистым материалом, пропитанным связующим. В горловину лейнера устанавливается штуцер с уплотнительными резиновыми кольцами, закрепляется фиксирующая шайба, с одной стороны имеющая коническую форму, повторяющую форму конической части горловины лейнера, с другой стороны имеющая сектор овальной формы, продолжающий форму сосуда, после сборки которых производится намотка армирующего волокнистого материала, пропитанного связующим, с последующим отверждением при температуре ниже температуры размягчения материала лейнера.
Предлагаемое устройство поясняется фигурой 1.
Втулка для ПК СВД содержит полимерный лейнер 1 с установленным в нем металлическим штуцером 2 с уплотнительными резиновыми кольцами 3, который зафиксирован шайбой 4, удерживающей штуцер от прокручивания. Шайба 4 внутренней стороной плотно прилегает к конической части горловины лейнера, а снаружи имеет сектор овальной формы, продолжающей форму сосуда. Для фиксации шайбы на лейнер в сборе с шайбой и штуцером наматывается силовая оболочка 5 из композиционных материалов.
Полимерный лейнер 1 заданной конфигурации изготавливают известным методом ротационного формования. В горловину устанавливают металлический штуцер 2 с резиновыми кольцами 3 таким образом, чтобы уплотнительные кольца плотно прилегали к штуцеру и к горловине лейнера. После этого устанавливают (навинчивают) шайбу 4 до плотного контакта с лейнером. С противоположной стороны лейнера устанавливают известным способом опору, а при необходимости - симметрично устанавливают штуцер с шайбой как описано выше. Штуцер 2 и опора используются для закрепления лейнера в сборе на намоточном станке. Производят намотку внешней силовой оболочки 5 из пропитанных связующим армирующих нитей и полимеризацию оболочки при температуре ниже температуры размягчения материала лейнера.
Предлагаемый способ герметизации имеет ряд преимуществ по сравнению с технологией изготовления полимерного лейнера методом ротационного формования с закладным штуцером [Пат. РФ 139612; Игуменов М.С.Разработка технологии изготовления гибридного сосуда высокого давления методом ротационного формования из линейного полиэтилена с применением армирования: дис. канд. техн. Наук: 05.17.06 / СПб., 2015]. Нет необходимости устанавливать закладной элемент в формующую оболочку, снижается требование к гранулометрическому составу порошка из-за отсутствия сложно формуемых зон [Торлова А.С., Пикалов Е.С. Обзор технологии ротационного формования изделий из полимерных материалов [Электронный ресурс] / Материалы конференции «Студенческий научный форум» - Режим доступа: www.scienceforum.ru/2018/3175/5377], изготовление закладного элемента по сравнению с ближайшим аналогом [Пат. РФ №2507437] технологично и экономически целесообразно, так как диаметр металлического штуцера гораздо меньше по сравнению с ближайшим аналогом [Пат. РФ №2507437]. В отличие от аналогов с консольным закреплением, сосуд имеет опоры в двух точках, что обеспечивает технологичность при намотке силовой оболочки. Эластичные соединения полимерных частей и отсутствие прямого контакта металлической арматуры с отвержденной силовой оболочкой повышают циклическую выносливость изделия.
В промышленных условиях (ООО «Полимер», ООО «Бийский завод стеклопластиков», г. Бийск) были изготовлены полимерно-композитные сосуды объемом 25 литров, содержащие предложенные технические решения. Полимерные лейнеры для баллонов были изготовлены из ЛПЭНП методом ротационного формования, после установки металлического штуцера и шайбы согласно схеме (фиг 1), была осуществлена намотка силовой оболочки на основе стеклянного ровинга РБН 17-4800, пропитанного связующим ЭДИ, отверждение оболочки и гидроиспытания композитного баллона. Гидроиспытания показали, что разрушение баллона происходит в средней части путем разрыва стеклонитей, при этом горловина остается неповрежденной. Таким образом, проведенные исследования подтверждают отсутствие разрушений в месте соединения металлического штуцера и композитного баллона. Конструкция горлового элемента лейнера при воздействии внутреннего давления самоуплотняется за счет горловины, направленной внутрь лейнера (в отличие от аналогов, у которых горловина как правило направлена наружу).