УСТРОЙСТВО ВЕРТИКАЛЬНОГО КРЕПЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ В ПЕРЕДВИЖНЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫХ УСТАНОВКАХ
DEVICE FOR VERTICAL FIXING CYLINDERS IN MOBILE GAS-CYLINDER INSTALLATIONS

Изобретение используется в машиностроении, в частности при изготовлении передвижных газобаллонных установок, в том числе в передвижных автомобильных газовых заправщиках (ПАГЗ), с вертикальным расположением баллонов и креплением их за горловины.
Известна передвижная установка для транспортирования и хранения газа (патент РФ 2183571), содержащая пакет горизонтально расположенных длинномерных сосудов высокого давления жестко закрепленных с одной стороны в ложементах с элементами фиксации, с другой - в ложементах с элементами фиксации, с возможностью перемещения в пределах радиального зазора. Недостатками такого устройства для крепления баллонов является то, что в этом случае:
- на наружной поверхности баллонов необходимо выполнить бурты, что усложняет их конструкцию;
- использованные приспособления для фиксации баллонов не обеспечивают плотной укладки баллонов в газобаллонной установке.
Поэтому такое устройство не годится для крепления баллонов при их вертикальном расположении в газобаллонной установке с достижением плотной укладки баллонов.
Известен модуль для хранения и транспортировки газа (патент RU 2315227), содержащий контейнер с размещенными в нем горизонтально расположенными баллонами. Баллоны снабжены кольцевыми выступами, которыми они контактируют друг с другом. Наружная поверхность баллонов, включая выступы, покрыта слоем пористого упругого материала, который при сжатии компенсирует увеличение диаметра баллонов при повышении в них давления. Баллоны зафиксированы в контейнере пенобетоном.
Недостатками такого устройства крепления баллонов является то, что в этом случае:
- на наружной поверхности баллонов необходимо выполнять бурты, что усложняет их конструкцию;
- при заполнении баллонов газом и их опорожнении происходит циклическое изменение размеров баллонов по длине, в результате чего будет происходить разрушение фиксирующего материала и в конечном итоге выход из строя модуля, поскольку изменение размеров по длине будет значительно больше, чем по диаметру.
Поэтому, несмотря на плотную укладку баллонов в газобаллонной установке, такое крепление их для вертикальной установки не годится.
Известно устройство для крепления на судне группы баллонов высокого давления, устанавливаемых вертикально (авторское свидетельство SU 1054196). Нижние концы баллонов, выполненные в виде заглушек со сферическими опорными поверхностями, опираются на упоры. Баллоны в вертикальном положении фиксируются за цилиндрическую часть жесткими рамками прямоугольной формы, имеющие центральные круглые вырезы. Рамки с помощью бугельных элементов закреплены к вертикальной стенке.
Недостатками этого устройства являются:
- сложность конструкции крепления;
- невозможность создания газобаллонной установки с максимально плотным размещением баллонов.
Известен способ крепления газовых баллонов в вертикальном положении (авторское свидетельство 313047). При этом вертикально устанавливаемые баллоны попарно охватываются гибким шнуром.
Баллоны в этом случае могут быть размещены в газобаллонной установке достаточно плотно.
Недостатком такого способа является недостаточная надежность крепления баллонов в передвижных газобаллонных установках.
Известно устройство для крепления вертикально устанавливаемых баллонов за нижнюю и верхнюю горловины, свободные от композиционного материала, в передвижных газобаллонных установках фирмы X-Perion (аспекты проектирования фирмы X-Perion).
В этом случае используются баллоны КПГ-4 с неметаллическими лейнерами. Такой способ крепления позволяет создать газобаллонную установку с максимально плотным размещением баллонов. Ряд баллонов нижними днищами опирается на нижнюю поперечную балку и каждый баллон относительно ее фиксируется за горловину, свободную от композиционного материала. При этом нижняя горловина с резьбовым концом вводятся в соответствующее отверстие в нижней поперечной балке и баллон неподвижно фиксируется резьбовой гайкой. Верхняя горловина каждого баллона, свободная от композиционного материала, размещена в индивидуальном устройстве для каждого баллона на верхней поперечной балке, позволяющем удерживать баллон в строго вертикальном положении и компенсировать допуск на длину баллона, а также увеличение длины его за счет увеличения давления газа, повышения температуры газа при заправке и повышения температуры окружающей среды.
Нижняя и верхняя поперечные балки неподвижно закреплены соответственно на нижних и верхних продольных балках в каркасе газобаллонной установки.
Газобаллонная установка в зависимости от вместимости комплектуется соответствующим количеством рядов баллонов.
Основным недостатком этого устройства является его низкая надежность. Это связано с тем, что на лейнеры из пластика при изготовлении баллонов устанавливают металлические закладные элементы, которые фиксируются на лейнерах при намотке композиционным материалом. В процессе эксплуатации газобаллонной установки все вертикальные и поперечные нагрузки воспринимаются этими закладными элементами, что со временем может привести к ослаблению соединения их с лейнерами и преждевременному выходу баллонов из строя.
Прототипом, наиболее близким к предлагаемому изобретению, является устройство для закрепления вертикально расположенных металлокомпозитных баллонов КПГ-3 за горловины баллонов в газобаллонной установке, разработанной Luxfer. В этом случае для повышения надежности значительно усложнена конструкция баллонов. Лейнеры изготавливаются из алюминиевого сплава. На горловинах выполняют не только внутреннюю резьбу с уплотняемыми поверхностями, но и наружную. На наружную резьбу наворачивают стальные втулки с фигурными фланцами, которые заматывают композиционным материалом. На нижних горловинах баллонов стальные втулки снабжены наружной резьбой, за которую баллоны неподвижно фиксируется на нижней поперечной балке специальными гайками так же, как и в газобаллонной установке X-Perion.
Основным недостатком этого устройства является дороговизна газобаллонной установки, обусловленная сложностью конструкции и технологии изготовления баллонов.
Поскольку основную стоимость газобаллонной установки составляет стоимость баллонов, то это автоматически приводит к удорожанию газобаллонной установки.
Задачей изобретения является создание простого надежного устройства для закрепления металлокомпозиционных баллонов с лейнерами из алюминиевого сплава при их вертикальном расположении с максимально плотным размещением в передвижных газобаллонных установках для упрощения конструкции, технологии изготовления и снижения стоимости баллонов, и, следовательно, снижения стоимости газобаллонных установок.
Поставленная задача решается тем, что отверстия нижних поперечных балок снабжены фланцевыми втулками из упругого материала. В них размещены нижние горловины баллонов, свободные от композиционного материала, с опорой их днищ на нижние поперечные балки через фланцы этих втулок.
Втулки из упругого материала смягчают воздействие силовых нагрузок (вертикальных и поперечных) на композиционный материал нижних днищ и нижние горловины баллонов.
Верхние поперечные балки снабжены резьбовыми отверстиями, соосными отверстиям нижних поперечных балок, в резьбовых отверстиях размещены резьбовые кольцевые фиксаторы с контргайками, в отверстиях фиксаторов установлены фланцевые втулки, аналогичные фланцевым втулкам нижних поперечных балок, для размещения верхних горловин баллонов, свободных от композиционного материала, с опорой днищ верхних горловин на верхние поперечные балки через фланцы этих втулок, металлические шайбы и торцы фиксаторов.
Резьбовые кольцевые фиксаторы на верхних поперечных балках позволяют выбрать допуски на длину баллонов при установке их в газобаллонной установке.
Контргайки резьбовых кольцевых фиксаторов позволяют неподвижно зафиксировать после установки баллонов положение фиксаторов.
Металлические шайбы между торцами резьбовых кольцевых фиксаторов и фланцами втулок предохраняют последние от износа под действием нагрузок.
Втулки из упругого материала на верхних поперечных балках смягчают воздействие силовых нагрузок на композиционный материал верхних днищ и верхние горловины баллонов.
Все это обеспечивает надежную работоспособность устройства.
Поставленная задача решается также тем, что верхние продольные балки снабжены симметрично расположенными относительно оси газобаллонной установки колонками с резьбовыми концами, оси которых расположены в одной плоскости с осями отверстий нижних и верхних поперечных балок, при этом на колонках с возможностью вертикальных перемещений установлены верхние поперечные балки с направляющими втулками, между торцами направляющих втулок и гайками на резьбовых концах колонок размещены упругие элементы с нажимными шайбами, а для фиксации баллонов от провертывания как минимум каждая пара баллонов на цилиндрической части зафиксирована ленточными хомутами с резиновыми прокладками.
Упругие элементы на колонках при их поджатии гайками обеспечивают прижатие верхних поперечных балок к верхним продольным балкам с усилием, достаточным для надежной фиксации баллонов в газобаллонной установке при ее движении.
Поставленная задача решается также тем, что фланцевые втулки выполнены, например, из полиуретана. Упругие элементы на колонках выполнены в виде набора тарельчатых пружин.
Поставленная задача решается также тем, что усилие предварительного нагружения каждого упругого элемента в ряду баллонов составляет не менее mg/2, где m - суммарная масса баллонов в ряду с газом, g - ускорение свободного падения.
Это обеспечивает высокую надежность фиксации баллонов в передвижных газобаллонных установках.
Поставленная задача решается также тем, что верхняя поперечная балка выполнена с возможностью фиксации двух рядов баллонов, при этом на верхних продольных балках размещены четыре колонки с резьбовыми концами в одной плоскости с осями отверстий нижних поперечных балок.
Это упрощает конструкцию передвижных газобаллонных установок.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.
Устройство на фиг. 1 и фиг. 2 содержит две нижние и две верхние продольные балки 1 и 2, жестко закрепленные в каркасе газобаллонной установки.
К нижним продольным балкам 1 прикреплены нижние поперечные балки 3 с отверстиями под фланцевые втулки 4 из упругого материала, например, полиуретана. Отверстия на нижних поперечных балках выполнены с учетом максимально плотного размещения баллонов в ряду. Нижние горловины 5 баллонов 6, свободные от композиционного материала, размещены в отверстиях фланцевых втулок 4. Баллоны 6 нижними днищами опираются через фланцы втулок 4 на нижние поперечные балки 3.
В верхних поперечных балках 7 выполнены резьбовые отверстия 8 соосно отверстиям в нижних поперечных балках 3.
В резьбовых отверстиях 8 размещены резьбовые кольцевые фиксаторы 9, в отверстиях которых установлены, как и в нижних поперечных балках 3, фланцевые втулки 4 из упругого материала. Во втулках размещены верхние горловины 10, свободные от композиционного материала, баллонов 6.
Верхние днища баллонов 6 через фланцы втулок 4, шайбы 11 и торцы кольцевых резьбовых фиксаторов 9 опираются на верхние поперечные балки 7. Кольцевые резьбовые фиксаторы 9 контрятся гайками 12.
На верхних продольных балках 2 симметрично относительно оси газобаллонной установки неподвижно установлены направляющие колонки 13 с резьбовыми концами. В верхних поперечных балках 7 выполнены отверстия под колонки 13. Балки 7 с направляющими втулками 14 установлены на колонках 13 с возможностью перемещения в вертикальном направлении при отсутствии перемещений в поперечных направлениях. Между верхней плоскостью направляющих втулок 14, нажимными шайбами 15 и гайками 16 на резьбовых концах колонок 13 размещены упругие элементы 17, например, в виде набора тарельчатых пружин.
В нижней цилиндрической части баллонов 6 каждая пара баллонов в ряду зафиксирована ленточными хомутами 18 с резиновыми прокладками 19.
Сборку газобаллонной установки с использованием предлагаемого устройства осуществляют следующим образом.
К нижним продольным балкам 1 неподвижно крепят нижние поперечные балки 3. В отверстия балок 3 устанавливают фланцевые втулки 4. Устанавливают ряд баллонов на нижние поперечные балки 3, при этом горловины 5 баллонов 6, свободные от композиционного материала, вводят в отверстия фланцевых втулок 4.
В резьбовые отверстия 8 на верхних поперечных балках 7 вворачивают фиксаторы 9 так, чтобы их нижние торцы были заподлицо с нижними поверхностями резьбовых отверстий на верхних поперечных балках 7. На горловины 10 баллонов, свободные от композиционного материала, устанавливают втулки 4 с шайбами 11. Верхние поперечные балки 7 с направляющими втулками 14 устанавливают на колонки 13 с опорой на верхние продольные балки 2, фиксируя баллоны в вертикальном положении втулками 4 и резьбовыми кольцевыми фиксаторами 9. На направляющие втулки 14 на колонках 13 устанавливают упругие элементы 17, шайбы 15 и гайки 16.
Гайками 16 равномерно нагружают упругие элементы 17 усилием mg/2 из условия надежной фиксации баллонов 6 при перемещении газобаллонной установки, где m - масса баллонов в ряду с газом, g - ускорение свободного падения. Вворачивая резьбовые кольцевые фиксаторы 9 в резьбовые отверстия на верхних поперечных балках 7 шайбами 11 и фланцами втулок 4, фиксируют баллоны от вертикальных перемещений, выбирая зазоры, связанные с допусками на длину баллонов. После этого резьбовые кольцевые фиксаторы 9 контрят гайками 12.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
При заполнении баллонов газом по мере увеличения давления в них они упруго деформируются. При этом длина их увеличивается. Увеличение длины может происходить также за счет повышения температуры газа или окружающей среды. Это изменение длины баллонов в каждом ряду передается на верхние поперечные балки 7.
Балки 7 с направляющими втулками 14 перемещаются на колонках 13 вверх и дополнительно сжимают упругие элементы 17. Таким образом, при надежной фиксации баллонов в газобаллонной установке, обеспечиваются условия для компенсации приращений длины баллонов при заполнении их газом за счет сжатия упругих элементов 17.
При уменьшении давления газа в баллонах, а также температуры газа их длина уменьшается и упругие элементы 17 возвращают верхние поперечные балки 7 в исходное положение с сохранением надежной фиксации баллонов.
Предлагаемое устройство крепления вертикально устанавливаемых баллонов в газобаллонных установках позволяет просто компенсировать за счет дополнительного сжатия упругих элементов увеличение длины баллонов от повышения давления газа и температуры.
Предлагаемое устройство крепления баллонов с максимально плотным размещением позволяет значительно упростить конструкцию баллонов КПГ-3, снизить их стоимость и, следовательно, удешевить передвижные газобаллонные установки при условии надежной фиксации баллонов в них.