Безосколочный баллон давления
INFLATABLE PRESSURE TANK

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях баллонов давления как аккумуляторов газовых сред для дыхательных аппаратов и других агрегатов автомобильной, авиационной, космической и любых других устройств использующих емкости сжатых газов.
Одна из распространенных конструкций баллонов давления представляет собой внутренний металлический лейнер с наружной силовой оболочкой из композиционного материала, выполненной намоткой пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с образованием системы кольцевых и спиральных слоев.
Известна оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащая цилиндрическую часть и выпуклые днища, образованная комбинацией кольцевых, на цилиндрической части, и спиральных слоев на основе лент, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим (RU 2526999 от 30.07.2013 МПК F17C 1/06 (2006.01)).
Известен металлопластиковый баллон высокого давления, содержащий металлический лейнер и внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала (RU 2554699 от 19.08.2013 МПК F17C 1/06 (2006.01), F16J 12/00 (2006.01)).
Известен металлопластиковый баллон высокого давления и способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления, содержащий внешнюю силовую пластиковую оболочку и внутренний металлический герметичный лейнер (RU 2187746 от 06.09.2000 МПК F17C 1/06 (2000.01)).
Недостатком конструкций баллонов давления по всем рассмотренным патентом является их травмоопасность при разрушении. Подобные конструкции обычно, с целью обеспечения высокой массовой эффективности, проектируются из условия равнопрочности оболочки (Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 143 с.) и, теоретически, при достижении расчетного давления должны разрушаться полностью. На практике баллоны разрушаются на разлетающиеся в разные стороны композитные и металлические части. Такое разрушение опасно по своему поражающему воздействию для окружающих людей, технического персонала и оборудования. Конструкции с таким характером разрушения не рекомендуются (запрещены) к использованию (ГОСТ Р ИСО 11439-2010. Газовые баллоны. Баллоны высокого давления для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива).
Конструкция баллона давления по патенту RU 2554699 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка простого по конструкции и безопасного в эксплуатации баллона давления с обеспечением повышенной безопасности и надежности в эксплуатации.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении безопасности эксплуатации баллона давления за счет использования программируемого процесса разрушения, в расширении области применимости за счет исключения поражающей возможности конструкции.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в безосколочном баллоне давления, состоящем из цилиндрической части и выпуклых днищ, содержащем наружную силовую оболочку из композиционных материалов, образованную комбинацией кольцевых, на цилиндрической части, и спиральных слоев на основе лент из скрепленных полимерным связующим непрерывного однонаправленного армирующего материала в виде нитей или жгутов, и внутренний герметизирующий металлический лейнер согласно изобретению силовая оболочка содержит дополнительные, как минимум, по одному спиральному и кольцевому слою, последний из которых выполнен в виде двух отдельных кольцевых поясов, расположенных на расстоянии (0,2-1,2)D друг от друга, где D - диаметр цилиндрической части, и доходящих до торцев цилиндрической части, причем в частных случаях выполнения изобретения, все или часть слоев выполнены лентами из разнородных по своим физико-механическим характеристикам непрерывных однонаправленных нитей и/или жгутов, дополнительный спиральный слой выполнен совместно с основными спиральными слоями за счет распределения составляющих его жгутов или нитей по основным спиральным слоям.
Отличительными от прототипа признаками безосколочного баллона давления являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- наличие дополнительных, как минимум, по одному спиральному и кольцевому слою,
- дополнительный кольцевой слой выполнен в виде двух отдельных кольцевых поясов, расположенных на расстоянии (0,2-1,2)D друг от друга, где D - диаметр цилиндрической части, и доходящих до торцев цилиндрической части;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- все или часть слоев выполнены лентами из разнородных по своим физико-механическим характеристикам непрерывных однонаправленных нитей и/или жгутов,
- дополнительный спиральный слой выполнен совместно с основными спиральными слоями за счет распределения составляющих его жгутов или нитей по основным спиральным слоям.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Безосколочный характер разрушения баллона давления обеспечивается образованием при расчетном давлении ряда распределенных по окружности в локальной зоне продольных (по оси баллона) трещин (разрывов) и отсутствию поперечных трещин, что исключает возможность разрыва материала лейнера на отдельные части. Такое разрушение обеспечивается за счет создания возможности деформироваться материалу лейнера в окружном направлении до предельных пластических деформаций, а в осевом направлении деформироваться незначительно.
При введении в конструкцию баллона дополнительных кольцевых и спиральных слоев запас прочности в кольцевом и осевом направлениях повышается, за исключением зоны между поясами, где запас прочности в кольцевом направлении остается исходным.
При достижении расчетного давления кольцевые слои в зоне между поясами разрушаются и лейнер начинает пластически раздуваться в кольцевом направлении с образованием кольцевого бурта, вплоть до того момента, когда пластические деформации достигнут своего предельного значения и материал начнет рваться по направлениям действия максимальных деформаций - окружным деформациям с образованием ориентированных в осевом направлении трещин. Спиральные слои не препятствуют такому деформированию, т.к. при разрушении кольцевых слоев спиральные слои разрушается по связующему и превращаются в зоне между поясами в систему не связанных между собой отдельных нитей, не обеспечивающих прочности и жесткости в кольцевом направлении.
При этом осевые деформации материала лейнера остаются ниже предельных т.к. в замкнутом баллоне при действии внутреннего давления осевые погонные нагрузки в два раза меньше чем кольцевые, а дополнительные спиральные слои еще больше их уменьшают по сравнению с расчетным значением.
Предельные деформации в осевом направлении могут также возникать в виде изгибных деформаций на перегибах при локальном деформировании лейнера в кольцевом направлении. Для исключения такой возможности необходимо, чтобы радиус изгиба был больше критического, с учетом используемой толщины лейнера, т.к. чем больше толщина, тем больше деформации изгиба при одном и том же радиусе.
Для обеспечения такой картины деформирования - пластического раздутия с безопасными радиусами изгиба, необходима определенная осевая длина лейнера, которая складывается из высоты двух боковых сторон бурта, верхней горизонтальной стороны и длин изгибов, т.к. периметр осевого сечения бурта в момент разрушения при предельных пластических деформаций лейнера, практически равен исходному расстоянию между поясами из-за незначительных осевых деформаций.
Ограничение осевых деформаций исключает возможность разрушения в поперечном направлении с образованием отдельных частей (кусков) лейнера. При образовании продольных трещин рабочая среда стравливается без разлета отдельных частей. Кроме того весь процесс разрушения происходит как бы в сетке (оплетке) из сплошных нитей спиральных слоев.
Для лейнеров обычно используются металлы с большим пределом упругопластических деформаций: сталь с пределом деформаций 40-50%, сплавы алюминия с пределом деформаций 10-15%.
Высота боковых стенок определяется из величины предельных пластических деформаций - если, например, лейнер должен раздуться до деформаций 40%, то боковая стенка должна быть длиной (высотой) 0,4D/2.
В результате экспериментальных исследований с баллонами существующего ходового ассортимента и материалами лейнеров получено, что расстояние между поясами для гарантированного разрушения по описанной схеме без разделения на части должно быть не менее 0,2D и не более 1,2D, в зависимости от используемого материала и толщины лейнера (для известного бытового и промышленного ассортимента баллонов и материалов лейнера).
Максимальное значение расстояния между поясами казалось бы не должно иметь ограничений, но это не совсем так. При увеличении расстояния между поясами увеличивается приращение объема баллона за счет образования кольцевого бурта, что может привести к падению давления ниже критического, прежде чем пластические окружные деформации материала лейнера достигнут предельных значений и лейнер начнет разрушаться. Лейнер раздуется, но не разрушится, а останется под давлением. Такое состояние опасно своей непредсказуемостью момента разрушения и работать с ним в таком состоянии опасно. Поэтому лишняя длина просвета вредна и опасна.
Эффективность конструкции может быть повышена за счет (частные случаи исполнения).
- использования во всех или части слоев лент из разнородных по своим физико-механическим характеристикам непрерывных однонаправленных нитей и/или жгутов.
- выполнения дополнительных спиральных слоев совместно с основными спиральными слоями за счет распределения составляющих их жгутов или нитей по основным спиральным слоям.
Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид заявленного безосколочного баллона давления, на фиг. 2 - сечение стенки баллона с расположением слоев в зоне промежутка между поясами дополнительных кольцевых слоев, на фиг. 3 - вид баллона давления после разрушения с образовавшимся кольцевым буртом и осевыми трещинами в результате запредельных кольцевых пластических деформаций материала лейнера.
Безосколочный баллон давления 1, состоит из цилиндрической части 2 и выпуклых днищ 3 и содержит наружную силовую оболочку 4 из композиционных материалов и внутренний герметизирующий металлический лейнер 9. Силовая оболочка 4 образована комбинацией кольцевых 5, на цилиндрической части, и спиральных 6 слоев на основе лент 7 и 8 для кольцевых и спиральных слоев соответственно, из скрепленного полимерным связующим непрерывного однонаправленного армирующего материала в виде нитей или жгутов и содержит дополнительные кольцевой 10 и спиральный 11 слой. Дополнительный кольцевой слой выполнен в виде двух отдельных кольцевых поясов, расположенных на расстоянии (0,2-1,2)D друг от друга, где D - диаметр цилиндрической части, и доходящих до торцев цилиндрической части.
На фиг. 3 показано характер разрушения баллона в виде продольных трещин 12 в материале лейнера, при достижении кольцевых пластических деформаций их предельной величины в зоне между двумя поясами дополнительного кольцевого слоя
Экспериментальная проверка подтвердила высокую эффективность и надежность предложенной конструкции.