ЗАЩИТНО-ДЕМПФИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ ВОЗДУШНЫМ ТРАНСПОРТОМ
PROTECTIVE DAMPING SYSTEM FOR AIR TRANSPORTATION

Область техники
Данное техническое решение относится к защитным устройствам от радиоактивного заражения. Область применения - обеспечение безопасности при транспортировании контейнеров, в том числе, предназначенных для транспортирования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций всеми видами транспорта, включая воздушный.
Предшествующий уровень техники
Принцип работы защитно-демпфирующей системы (ЗДС), предназначенной для гашения однократных ударных нагрузок, действующих на транспортный упаковочный комплект (ТУК) в аварийных условиях, как правило, основан на потере устойчивости конструкции за пределами упругости. К таким демпферам относятся оболочечные или балочные конструкции с различными профилями из металлов. Сотовые конструкции, пенометаллические материалы, древесина, пенополистирол и т.д. работают на том же принципе - при ударе происходит последовательная потеря устойчивости (складывание) сот. Они находят широкое применение, в частности, в конструкциях упаковок для опасных грузов сравнительно небольших габаритов и масс. Для массивных длинномерных конструкций ТУК эти варианты не подходят, так как имеют малые жесткость и предельную нагрузку и не обеспечивают необходимый рабочий ход демпфера, что требует недопустимого увеличения габаритов и массы конструкции ЗДС и ТУК вцелом. Это подтверждается в работах: «Пеноалюминий и сотовые конструкции как альтернатива древесине в транспортных контейнерах для отработавшего ядерного топлива», авторы: Комаров С.В., Ивашкин А.И., журнал Русский инженер №2(33), 2012; «Обоснование возможности транспортирования облученных тепло-выделяющих сборок исследовательских реакторов воздушным транспортом: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук», автор Комарове. C.В., 2014.
Известно устройство, на которое получен патент РФ на полезную модель №114739 «Демпферное устройство контейнера для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива» МПК: F16F 7/00, G21F 5/00, B65D 81/02; приоритет: 03.10.2011; опубликовано: 10.04.2012; авторы: Васильев А.С., Романов А.В., Шегельман И.Р., Гуськов В.Д. (RU); патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет» (RU).
Демпферное устройство контейнера для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива, включающее металлическую оболочку со слоями из деревянных демпфирующих элементов, отличающееся тем, что между слоями из деревянных демпфирующих элементов расположен, по меньшей мере, один дополнительный демпфирующий слой, выполненный из металлических элементов, при этом каждый из них имеет трубчатое сечение.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: металлическая оболочка со слоями, между слоями демпфирующих элементов расположен дополнительный демпфирующий слой, выполненный из металлических элементов трубчатого сечения.
Недостатком данного демпферного устройства контейнера является то, что оно не обеспечивает снижение динамических ударных нагрузок при авиационной аварии до уровня, позволяющего сохранить герметичность ТУК, согласно требованиям Правил безопасности при транспортировании радиоактивных материалов НП-053-16, предъявляемым к ТУК для перевозки ОЯТ воздушным транспортом.
В качестве прототипа выбран патент на изобретение РФ №2581648 «Транспортно-упаковочный комплект для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива» МПК: G21F 5/00; приоритет: 12.01.2015; опубликовано: 20.04.2016; авторы: Бондарев А.В., Долбищев С.Ф., Кожаев Л.Н., Куканов С.С., Маслов Е.Е., Романов В.И (RU); патентообладатель: Федеральное Государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (RU).
Транспортно-упаковочный комплект для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива, включающий контейнер, на торцах которого установлены съемные противоударные демпферы, каждый выполнен в виде набора, состоящего по меньшей мере из двух колец, установленных перед торцом контейнера, отличающийся тем, что кольца соединены между собой концентричными цилиндрами, контейнер представляет собой двухкорпусную конструкцию, в которой каждый из корпусов выполнен в виде стакана с герметично установленной крышкой, при этом крышка внутреннего корпуса обращена к днищу внешнего корпуса, имеющего торцовые кольца, на которых установлен боковой демпфер, представляющий собой цилиндр с продольными ребрами, на торцах которых симметрично закреплены цилиндрические обечайки, выходящие за их пределы, частично охватывающие боковую поверхность торцевых съемных противоударных демпферов и снабженные дисками, соединенными между собой продольными ребрами, на каждом боковом демпфере закреплен второй торцовый съемный противоударный демпфер, охватывающий первый и представляющий собой коаксиально расположенные цилиндры, демпфер выполнен в виде цилиндра.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: съемные противоударные демпферы в виде набора, по меньшей мере, из двух колец, кольца соединены между собой концентричными цилиндрами, демпфер выполнен в виде цилиндра, противоударные демпферы и снабжены дисками, соединенными между собой.
К недостаткам прототипа можно отнести то, что все съемные противоударные демпферы выполнены целиком из титанового сплава, что сильно удорожает конструкцию, так как стоимость титанового сплава в два раза выше стоимости нержавеющей стали. А так же недостатком конструкции данного демпфера является технологическая сложность сварки титанового сплава.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание более экономичной, технологичной, с уменьшенной массой защитно-демпфирующей системы для транспортных контейнеров с сохранением прочностных свойств.
Технический результат заключается в уменьшении стоимости материала для каркаса и демпфирующих элементов, упрощении режима сварки, использование материала с уменьшенным удельным весом для демпфирующих элементов, использование расчетного количества и конструкции демпфирующих элементов и их ориентация в объеме демпфера.
Для снижения веса любой конструкции одним из приемов является применение материала с меньшим удельным весом. Однако это может привести к уменьшению прочностных характеристик и увеличению габаритов конструкции. Что бы этого избежать требуется разработать многослойную ячеистую конструкцию.
Технический результат достигается тем, что защитно-демпфирующая система транспортного упаковочного контейнера для транспортирования отработавшего ядерного топлива состоящая из набора колец, соединенных между собой концентричными цилиндрами, дисками, согласно изобретению система снабжена металлическим кожухом. Внутри торцевой части кожуха плотно расположены несколько слоев демпфирующих элементов, разделенных между собой дисками. Внутри цилиндрической части кожуха плотно расположены несколько слоев демпфирующих элементов, разделенных между собой цилиндрами. Внутри конической части кожуха плотно расположены несколько слоев демпфирующих элементов, разделенных между собой коническими обечайками. Каждый демпфирующий элемент составлен из двух труб, вставленных друг в друга. При этом наружная труба изготовлена из стали, а внутренняя труба изготовлена из углепластика.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата - в уменьшение стоимости материала для каркаса и демпфирующих элементов, упрощение режима сварки, выбор материала с уменьшенным удельным весом для демпфирующих элементов, использование расчетного количества и конструкции демпфирующих элементов и их ориентация в объеме демпфера. Это позволяет решить задачу создания более экономичной, технологичной, с уменьшенной массой защитно-демпфирующей системы для транспортных контейнеров с сохранением прочностных свойств.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого устройства. Это позволяет устройству расширить свои функциональные возможности и обеспечить решение задачи уменьшения массы ЗДС, его стоимости, с сохранением прочностных характеристик.
Расширенная функция, обеспечиваемая известными отличительными признаками, и получение неожиданного результата от использования этих признаков в совокупности с другими признаками, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 показан внешний вид ЗДС.
На фиг. 2 показан фронтальный разрез ЗДС.
На фиг. 3 показан вид сверху без кожуха на торцевую часть ЗДС.
На фиг. 4 показан вид снизу без кольца на ЗДС.
На фиг. 5 показан демпфирующий элемент (ДЭ).
На фиг. 6 показана силовая характеристика ДЭ.
На фиг. 7 показана силовая характеристика ДЭ в относительном виде.
Варианты осуществления изобретения
Защитно-демпфирующую систему закрепляют на ТУК для транспортирования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) всеми видами транспорта, в том числе воздушным транспортом.
Как показано на фиг. 1, ЗДС имеет внутреннюю цилиндрическую обечайку 1, на которой закреплены торцевая часть 2, цилиндрическая часть 3 и коническая часть 4, покрытые сверху стальным кожухом 5.
Как показано на фиг. 2, торцевая часть 2 ЗДС состоит из семи дисков 6. Внутри торцевой части 2 кожуха 5 в семи слоях 7 плотно и вертикально расположены ДЭ 8, оси симметрии которых параллельны продольной оси ЗДС. Каждый слой 7 отделен от соседнего слоя диском 6. Расположение ДЭ 8 в одном слое 7 показано на фиг. 3.
Как показано на фиг. 2, цилиндрическая часть 3 ЗДС состоит из двух колец 9, неразъемно соединенных между собой шестью концентричными цилиндрами 10. Внутри цилиндрической части 3 кожуха 5 в семи слоях 11 плотно и радиально расположены ДЭ 12. Каждый слой 11 отделен от соседнего слоя цилиндром 10. Расположение ДЭ 12 в цилиндрической части 3 показано на фиг. 4.
Как показано на фиг. 2, коническая часть 4 ЗДС состоит из четырех конических обечаек 13. Внутри конической части 4 кожуха 5 в пяти слоях 14 плотно и под углом 45° к оси ЗДС закреплены ДЭ 15. Каждый слой 14 отделен от соседнего слоя конической обечайкой 13.
В конструкции ЗДС цилиндрическая обечайка 1, кольца 9, цилиндры 10, диски 6, конические обечайки 13 и стальной кожух 5 (фиг. 2) сварены в единый многослойный каркас, в котором уложены и закреплены слои ДЭ 8, 12, 15. ДЭ внутри каркаса ЗДС ориентированы таким образом, чтобы их торцевая часть была направлена в сторону предполагаемого удара, и они работали на продольное сжатие. Это позволяет повысить прочностные свойства ЗДС.
По сравнению с прототипом, где вся конструкция сварена из титанового сплава, в предлагаемом решении каркас ЗДС выполнен из сваренных между собой стальных элементов. Это позволяет получить технический результат - уменьшение стоимости материала для каркаса и ДЭ, упрощение режима сварки. Многослойная ячеистая конструкция, образующая каркас конструкции ЗДС, выполнена целиком из стали, как наиболее свариваемого материала, что обеспечивает ее технологичность. Это дает решение задачи - создание более экономичной, технологичной защитно-демпфирующей системы.
Как показано на фиг. 5, каждый ДЭ 8, 12, 15 составлен из двух труб 16 и 17 с разными диаметрами. ДЭ 8, 12, 15 выполнены с использованием труб, как более жестких по сравнению с другими профильными элементами (соты, уголки и др.). Труба с меньшим диаметром 16 вставлена в трубу с большим диаметром 17. Труба 16 выполнена из углепластика. Труба 17 выполнена из стали.
Применение углепластика в конструкции ДЭ обосновано, в первую очередь, тем, что он обладает высокими прочностными показателями: его механические характеристики выше, чем у стали. В то же время углепластик является легким: его плотность в 5 раз меньше, чем у стали. Недостатком углепластика является хрупкость. Поэтому для изготовления ДЭ используют наружную трубу 17 из стали, которая в момент столкновения при разрушении трубы 16 из углепластика сможет удержать ее в рамках конструкции, благодаря чему разрушенные части трубы 16 из углепластика будут продолжать амортизировать нагрузку.
Это позволяет получить технический результат - выбор материала с уменьшенным удельным весом для демпфирующих элементов. Это дает решение задачи - создание ЗДС с уменьшенной массой. Применение углепластика в составе ДЭ уменьшает массу ЗДС с сохранением прочностных характеристик.
Геометрические параметры ДЭ 8, 12, 15 выбирают из условия потери устойчивости ДЭ при сжатии за пределами упругости, согласно теории устойчивости оболочек средней длины.
Количество слоев 7,11, 14 демпфирующих элементов 8, 12, 15 и толщины стенок и радиусы труб 16, 17 рассчитывают из условия снижения действующих интенсивных механических нагрузок на ОЯТ до безопасных уровней для ТУК типа «С». Согласно требованиям Правил безопасности при транспортировании радиоактивных материалов НП-053-16, предъявляемым к ТУК для перевозки ОЯТ воздушным транспортом, ТУК должен выдерживать соударение с преградой с сохранением герметичности на скорости V=90 м/с.
ДЭ
По результатам эмпирических исследований была получена кривая Р(Δ), представленная на фиг. 6. График показывает, что силовая характеристика ДЭ близка к характеристике идеального демпфера, то есть обеспечивает максимальное снижение перегрузки при минимальном смещении. Изменение наклона кривой Р(Δ), соответствующее достижению предельной силы Р, определяют преимущественно потерей устойчивости за пределами упругого поведения материала трубы из углепластика.
ДЭ
Работа (А) по деформированию одного ДЭ определяют как интеграл его силовой характеристики (фиг. 6), которую вычисляют как площадь под кривой Р(Δ), где Р - сила, действующая на ДЭ, Δ - изменение высоты ДЭ при воздействии силы Р (продольное смещение ДЭ).
Кривая Р(Δ), представленная на фиг. 6, получена эмпирическим путем для ДЭ с параметрами:
Н=100 мм (высота ДЭ);
h=2 мм (толщина трубы из стали);
ср
R=49 мм (радиус срединной поверхности трубы из стали);
h=8 мм (толщина трубы из углепластика),
ср
R=43 мм (радиус срединной поверхности трубы из углепластика).
Количество (z) ДЭ 8 в одном слое 7 определяют конструктивно исходя из условия плотного заполнения торцевой поверхности ТУК, соответствующей диску 6.
Количество слоев (n) торцевой части 2 ЗДС определяют по формуле:
ЗДС
где А - работа деформирования ЗДС;
ДЭ
А - работа деформирования одного ДЭ.
ЗДС
Величина А определяется из энергетического условия:
ЗДС
А=ΔК
где ΔК - часть кинетической энергии ТУК, которую требуется погасить.
Величина ΔК оценивается по формуле:
ТУК
где m - масса ТУК;
V - скорость подлета ТУК к преграде, согласно требованиям Правил безопасности при транспортировании радиоактивных материалов НП-053-16, предъявляемым к ТУК для перевозки ОЯТ воздушным транспортом;
0
V - скорость подлета ТУК к преграде, при которой ее герметичность сохраняется, которая является характеристикой конкретного ТУК.
ДЭ 8, 12, 15 ориентированы внутри каркаса 5 ЗДС таким образом, чтобы они работали преимущественно на продольное сжатие. Это позволяет повысить прочностные свойства ЗДС.
Аналогично рассчитывают параметры цилиндрической части 3 и конической части 4 ЗДС. В них возможно использование ДЭ с другими параметрами, которые можно определить по приведенным выше формулам и графику силовой характеристики ДЭ в относительном виде, представленном на фиг. 7.
cp
т
Для расчета силовой характеристики по демпфированию одного ДЭ с другими параметрами используют теорию устойчивости оболочек средней длины. Используя формулу P=2πRhσ получают график (фиг. 7) действующей силы по демпфированию одного ДЭ в относительном виде, где:
Р - действующая сила;
ср
R - радиус срединной поверхности трубы из углепластика;
h - толщина трубы из углепластика;
т
σ - предел текучести углепластика.
Результаты приведены на фиг. 7.
cp
т
Изменение высоты ДЭ (Δ) по отношению к его исходной высоте (Н) - по оси абсцисс графика. По оси ординат - отношение действующей силы (Р) к произведению радиуса срединной поверхности трубы (R), толщины трубы (h), и предела текучести используемого материала углепластика (σ).
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не были обнаружены аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем существенным признакам данного изобретения. Это подтверждает, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».
Промышленная применимость
Данное изобретение может быть использовано для обеспечения безопасности при транспортировании контейнеров, в том числе, предназначенных для транспортирования ОЯТ атомных электростанций всеми видами транспорта, включая воздушный. Были проведены расчеты предложенной защитно-демпфирующей системы и экспериментальные исследования механических свойств углепластика при статическом и динамическом сжатии. Это доказывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.