СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ БАЛЛОНОВ В ПАКЕТ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ПОД ДАВЛЕНИЕМ И МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ БАЛЛОН ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ORGANISING CYLINDERS INTO A PACKAGE FOR STORING AND TRANSPORTING PRESSURISED PROCESS MEDIA AND METAL COMPOSITE CYLINDER FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемая группа изобретений относится к машиностроению, в частности к металлокомпозитным баллонам высокого давления, а также к технологиям организации газовых баллонов в пакет (кассету), обеспечивающим погрузку на транспортное средство (далее - ТС), последующее закрепление, транспортировку, хранение и разгрузку газовых баллонов, и может быть использована в газобаллонных установках передвижных автомобильных газовых заправщиков (далее - ПАГЗ).
Известны следующие газовые баллоны высокого давления и варианты организации газовых баллонов в кассеты для хранения и транспортировки технологических сред под давлением.
Известен металлокомпозитный баллон высокого давления, предназначенный для ПАГЗов при вертикальной установке с фиксацией за горловину (патент РФ на полезную модель № 180975, опубл. 02.07.2018 г.), содержащий внутренний металлический лейнер с цилиндрической частью, днищами и горловинами, внешнюю силовую оболочку из композита и выполненные на горловинах дополнительные кольцевые подмотки из композита, плотно прилегающие к силовой оболочке с одной стороны и с плоской поверхностью - с другой. Дополнительные подмотки выполнены диаметром не менее 120-130 мм на части длины горловин. Длина свободных от намотки частей горловин от их торцов составляет не более 15 мм. Баллон снабжен установленными на свободных от намотки частях горловин втулками из упругого материала с фланцами толщиной не более 5 мм и диаметрами, равными диаметру дополнительных кольцевых подмоток. Толщина стенки втулок из упругого материала составляет не более 5 мм. горловин втулками из упругого материала с фланцами толщиной не более 5 мм и диаметрами, равными диаметру дополнительных кольцевых подмоток. Толщина стенки втулок из упругого материала составляет не более 5 мм.
Недостаток вышеуказанного баллона состоит в том, что для организованного хранения и перевозки в ПАГЗе такие баллоны требуют дополнительных металлоконструкций для сборки баллонов в кассету, для чего необходимы конструктивные силовые элементы, преимущественно металлические, вследствие этого уменьшается масса перевозимого полезного груза - компримированного природного газа (далее - КПГ), что в целом ухудшает технические характеристики ПАГЗа, как ТС.
Из уровня техники известна кассета для транспортировки газовых баллонов в горизонтальном положении (патент РФ на полезную модель №159348, опубл. 10.02.2016 г. ), содержащая средства крепления газовых баллонов, каркас, образованный параллельными стенками с отверстиями и элементами, соединяющими стенки между собой. Поверхности отверстий предназначены для опирания газовых баллонов, а размер отверстий обеспечивает свободное прохождение через них корпуса газового баллона. Стенки установлены так, что поверхности отверстий служат опорой для корпуса газового баллона. С наружной стороны стенки оснащены индивидуальными средствами крепления газового баллона.
Однако недостатком кассеты для транспортировки газовых баллонов по вышеуказанному патенту РФ №159348 является то, что крепление каждого газового баллона в кассете осуществляют с помощью съемных полухомутов, которые устанавливают сверху на корпус газового баллона и соединяют болтовыми соединениями с установленными на стенках полухомутами. Баллоны удерживаются от продольных перемещений силами трения, зависящими от многих факторов, например, от фактического усилия затяжки хомутов, от шероховатости поверхностей, от наличия смазки или влаги между контактирующими поверхностями. Таким образом конструкция кассеты не обеспечивает высокую надежность крепления размещенных в ней газовых баллонов, и при определенных условиях возможны продольные перемещения баллонов в кассете. Другим недостатком является увеличение поперечных габаритов кассеты вследствие того, что между смежными опорными отверстиями в стенках каркаса кассеты требуется обеспечить значительные расстояния (перемычки) для обеспечения условий прочности последней. Так как для перевозки грузов по дорогам общего пользования действуют определенные ограничения по габаритам (как по ширине, так и по высоте), то возникает дополнительное ограничение по количеству баллонов, которое можно разместить на борту ТС, что в ряде случаев не позволит использовать доступную грузоподъемность ТС.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для крепления газовых баллонов на ТС (патент РФ на полезную модель №152275, опубл. 20.05.2015 г. ), выполненное в виде жесткой рамной конструкции из стандартных профилей, содержащее элементы крепления баллонов, ложементы, опору-надрамник в виде балок, расположенных вдоль рамы, основания из горизонтальных поперечных балок, горизонтальных продольных балок, съемных вертикальных и горизонтальных планок, вертикальных стоек, крестообразных растяжек, по меньшей мере двух крестовин со стержнями, а также по меньшей мере двух упоров, расположенных на горизонтальных стержнях. Основание крестовины выполнено в виде креста со скругленными внутренними углами, поверхность которых снабжена прокладками и повторяет форму баллонов. Упоры выполнены в форме призмы с основанием в виде трапеции, боковые грани которых снабжены прокладками. Растяжка крепится к вертикальным стойкам в передней части основания. Вертикальные стойки и горизонтальные продольные балки содержат, как минимум, два ложемента в виде прямоугольных дугообразных накладок, повторяющих форму газового баллона. Вертикальные и горизонтальные планки выполнены, как минимум, с двумя фигурными вырезами, повторяющими форму баллона.
Недостатками устройства, принятого за прототип, являются сложная конструкция устройства, низкие эксплуатационные свойства, так как конструкция устройства предусматривает возможность установки только четырех газовых баллонов в газобаллонную установку ПАГЗа, что требует его частой заправки, а большая масса конструкции устройства, основу которой составляют несущие элементы - горизонтальные поперечные балки, начинает конкурировать за грузоподъемность ТС с массой газовых баллонов. Общий вес устройства для крепления газовых баллонов на ТС становится существенным препятствием для его передвижения по дорогам. Еще одним недостатком вышеописанной конструкции является высокая конструктивная сложность и связанные с ней проблемы обеспечения условий равномерного распределения усилий по поверхности элементов конструкции устройства и внешней поверхности закрепляемого баллона вследствие погрешности формы и расположения опорных поверхностей элементов устройства, возникающих при изготовлении. Также при транспортировке такого устройства от транспортных вертикальных перегрузок, действующих на баллоны возникает поперечная распирающая нагрузка на вертикальные балки вследствие отклонения от номинального характера сопряжения внешней образующей баллона и криволинейных дугообразных элементов устройства. Таким образом, на эффективность силовой схемы устройства существенно влияет точность изготовления рамной конструкции устройства и ее опорных элементов.
Задачами, на решение которых направлена заявляемая группа изобретений, является сокращение габаритных размеров газобаллонной установки ТС, обеспечение наиболее полного использования грузоподъемности ТС для перевозки полезного груза - КПГ, и, как следствие, повышение эффективности, надежности и промышленной безопасности ТС, баллонов газобаллонной установки ТС допустимой массы с разрешенными габаритными размерами, а также максимальное исключение дополнительных несущих конструкций, путем передачи этих функций конструктивным элементам баллонов.
Технический результат достигается тем, что в способе организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением, при котором баллоны укладывают друг на друга рядами, формируя пакет баллонов, новым является то, что используют специальные баллоны, каждый из которых имеет не менее двух шпангоутов квадратного сечения, пакет баллонов скрепляют с помощью связующих рамок, которые располагают в плоскостях шпангоутов, причем количество связующих рамок выбирают равным количеству шпангоутов на баллоне, а для исключения продольных перемещений баллонов относительно друг друга между всеми смежными баллонами размещают закладные элементы и помещают их в соответствующие пазы шпангоутов; закладные элементы верхнего и нижнего рядов баллонов скрепляют известным способом с верхним и нижним элементами связующих рамок.
Металлокомпозитный баллон для организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением (далее - металлокомпозитный баллон), содержит металлический лейнер и внешнюю композитную оболочку. В поперечных сечениях металлокомпозитного баллона выполнены не менее двух шпангоутов квадратного сечения. В каждом из углов всех шпангоутов выполнены пазы для расположения в них закладных элементов таким образом, что пазы четырех смежных баллонов образуют общую полость. Шпангоуты располагаются в точках, обеспечивающих минимальную деформацию газового баллона от силы собственного веса.
Заявка относится к группе изобретений, связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел. Единство изобретения соблюдено по следующему основанию:
- одно техническое решение предназначено для осуществления другого (устройство для осуществления способа в целом или одного из его действий).
Объект по п. 1 формулы относится к способу в целом, а объект по п. 5 формулы относится к металлокомпозитному баллону, которое предназначено для осуществления способа по п. 1 в целом.
Таким образом, требование единства изобретения соблюдено, заявляемые технические решения (2 объекта) образуют единый изобретательский замысел и соответствуют всем критериям, предъявляемым к изобретению.
Заявляемая группа изобретений поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показано устройство металлокомпозитного баллона, оснащенного шпангоутами, на фиг. 2 показан шпангоут, на фиг. 3 показано устройство пазов для расположения в них закладных элементов, на фиг. 4-5 показаны этапы организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением, на фиг. 6 показан вид сверху схемы организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением.
На вышеуказанных фигурах цифрами обозначены элементы:
1 - газовый баллон;
2 - шпангоут;
3 - пазы шпангоута;
4 - закладные элементы;
5 - металлический лейнер;
6 - композитная (внешняя) оболочка;
7 - продольный размер пазов шпангоута;
8 - поперечный размер пазов шпангоута;
9 - нижний элемент связующей рамки;
10 - верхний элемент связующей рамки;
11 - профильные элементы связующей рамки;
12 - стяжное устройство;
- такелажные точки.
Предлагаемый способ организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением с помощью металлокомпозитного баллона для его осуществления реализуется следующим образом. Газовые баллоны 1, каждый из которых имеет не менее двух силовых шпангоутов 2 квадратного сечения с треугольными выемками под закладные элементы 4 по каждому из углов шпангоутов 2, укладывают друг на друга рядами, формируя пакет баллонов. Баллоны 1 между собой фиксируют от продольных перемещений относительно друг друга с помощью закладных элементов 4, которые размещают между всеми смежными баллонами 1 и помещают их в соответствующие пазы шпангоутов 3, реализуя наиболее надежный принцип кинематического замыкания, при котором перемещение баллонов 1 возможно только при разрушении конструктивных элементов. Пакет баллонов скрепляют с помощью связующих рамок, которые располагают в плоскостях шпангоутов. Количество связующих рамок выбирают равным количеству шпангоутов 2 на баллоне 1. Закладные элементы 4 верхнего и нижнего рядов баллонов скрепляют известным способом с верхними и нижними элементами связующих рамок, например, приваривают. Поперечные перемещения баллонов 1 по вертикальной и горизонтальной осям исключают путем кинематического замыкания с помощью связующих рамок по всем четырем сторонам пакета баллонов. Такелажные точки 13 для закрепления пакета баллонов на объекте применения: на фундаменте, на ТС и т. п., и для осуществления погрузочно-разгрузочных операций располагают на каждой из связующих рамок.
Одним из вариантов конструктивного выполнения связующей рамки являются балки, которые используют в качестве сторон связующей рамки.
Горизонтальные (нижний 9 и верхний 10 элементы связующей рамки) и боковые балки (профильные элементы связующей рамки 11), выполненные, например, из швеллера располагают по каждой стороне пакета баллонов.
Количество балок (элементов связующей рамки) выбирают равным количеству сторон пакета, а смежные концы балок стягивают между собой стяжными устройствами 12, например, талрепами. Другим вариантом исполнения связующей рамки является гибкая лента, которой опоясывают стороны пакета баллонов и натягивают ее таким образом, чтобы усилие натяжения было достаточным для удерживания баллонов 1, или стягивают по четырем сторонам другим известным способом.
В заявляемом способе баллоны 1 в пакет объединяют с помощью связующих рамок, каждую из которой организовывают из ограничивающих элементов - четырех балок, как описано выше, смежные концы которых соединяют между собой стяжными устройствами 12, например, талрепами таким образом, чтобы зазор межу шпангоутами 2 и каждым элементом рамки был нулевым или минимально возможным для исключения вибраций, нежелательных перемещений и транспортных перегрузок. Связующие рамки обеспечивают плотность упаковки пакета баллонов. Вследствие погрешности изготовления фактические размеры каждого из шпангоутов выполнены с отклонением от номинальных значений в пределах установленного поля допуска на его изготовление, поэтому для обеспечения равных условий заневоливания баллонов в пакете и для исключения возможности их взаимного перемещения в плоскости шпангоутов, вызванного разницей фактических значений размеров шпангоутов любого из баллонов, входящих в состав пакета, между связующими рамками и пакетом баллонов применяют эластичную прокладку, например, из резины.
Металлокомпозитный баллон, с помощью которого осуществляют способ организации баллонов в пакет для хранения и транспортировки технологических сред под давлением, состоит из тонкостенной оболочки - металлического лейнера 5, служащего для обеспечения свойств
герметичности газового баллона 1 и композитной несущей оболочки 6, выполненной из высокопрочного волокна, например, стекловолокна, углеволокна и т.п. В состав газового баллона 1, работающего под давлением, интегрирован силовой элемент - шпангоут 2, который способен воспринимать нагрузки. Таким образом, дополнительные несущие металлоконструкции для сборки газовых баллонов в пакет в газобаллонной установке исключают, достигая при этом уменьшения ее массы, так как газовый баллон, оснащенный дополнительными конструктивными элементами (шпангоутами 2), становится самонесущим элементом и воспринимает возникающие транспортные нагрузки.
В поперечных сечениях газового баллона 1 выполнены не менее двух шпангоутов 2 квадратного сечения, служащих для бескаркасной компоновки газовых баллонов 1 в единый блок - пакет баллонов газобаллонной установки ТС, предназначенный для хранения и транспортировки баллонов с технологическими средами под давлением. Все шпангоуты 2 одинаково ориентированы относительно продольной оси баллона в угловом отношении. Шпангоуты 2 используются в качестве ребер жесткости и располагаются снаружи газового баллона 1. Шпангоуты 2 предусмотрены в единой конструкции с внешней композитной оболочкой 6 на газовом баллоне 1. Шпангоуты 2 располагаются в точках, обеспечивающих минимальную деформацию газового баллона 1 от силы собственного веса и веса компримированного природного газа в газовом баллоне 1. Эти точки определяются известным способом (например, см. Межецкий Г.Д. Сопротивление материалов: Учебник / Г.Д. Межецкий, Г.Г. Загребин, Н.Н. Решетник; под общ. Ред. Г.Д. Межецкого, Г.Г. Загребина. - 5-е изд., - М. 2016.).
3
3
Размеры шпангоута 2 максимально близки к габаритам самого газового баллона 1. Разница обусловлена точностью изготовления внешней несущей оболочки 6 баллона. Например, газовый баллон 1 диаметром 418 мм оборудован квадратными шпангоутами 2 с размером стороны 424 мм. Шпангоуты 2 незначительно увеличивают габаритный размер баллона 1 по высоте и ширине - на 3 мм с каждой стороны. Обычно размеры баллонов точно не согласуются с размерами транспортируемого их ТС, поэтому по длине платформы ТС, остается свободное пространство, например, 3456 мм в длину, что обеспечивает свободный суммарный объем 20,95 м (V=2,462 м * 2,462 м * 3,456 м=20,95 м), поэтому увеличение габаритных размеров пакетабаллонов помещается в конструктивные зазоры и не оказывает влияния нагабаритные размеры самого ТС.
Такой силовой элемент, как шпангоут 2, позволяет организовать бескаркасный вариант сборки пакета баллонов, а также собрать любое количество баллонов 1 в пакет, например, 36 баллонов, то есть укладывают 6 рядов по 6 баллонов в каждом, без существенного увеличения габаритных размеров пакета баллонов газобаллонной установки, длина, высота и ширина которой приблизительно равна сумме геометрических размеров этих баллонов. После оснащения шпангоутами 2 газового баллона 1 его масса также, как и габаритные размеры, вырастает незначительно, например, масса газового баллона 1 равна 250 кг, а масса газового баллона 1 вместе со шпангоутом 2-251 кг, то есть изменение массы составляет 0,4%.
В каждом из углов всех шпангоутов 2 выполнены пазы 3 треугольного сечения с срезанными углами для расположения в них стальных закладных элементов, например, шпонок, исключающих взаимные продольные перемещения газовых баллонов 1 относительно друг друга. Пазы закладных элементов могут быть выполнены любой удобной для изготовления формы, а пазы четырех смежных баллонов образуют общую полость. Связывание газовых баллонов 1 в общий пакет обеспечивается закладными элементами 4, которые входят в соответствующие пазы 3 в углах шпангоутов 2 всех смежных газовых баллонов 1. Паз 3 может быть вырезан, например, под углом в 45 градусов на станке.
Продольный и поперечный размеры пазов 7 и 8 шпангоута 2 определяются конструктивно с учетом прочностных характеристик материала шпангоута 2. Шпангоуты 2 могут быть выполнены из композитного материала, аналогичного материалу внешней оболочки 6. Также шпангоуты 2 могут быть выполнены из материала аналогичного лейнеру 5 или из металла с физическими свойствами, обеспечивающими прочность и жесткость пакета баллонов. Если шпангоут 2 выполнен из металла и не составляет единого целого с металлическим лейнером баллона, то на внешней оболочке 6 выполняются валики (на фигурах не показаны), фиксирующие шпангоут 2 в осевом направлении. Валики выполнены из материала аналогичного композитной оболочке 6.