Металлопластиковый баллон давления

 

(19) RU (11) 2002160 С1 (51) 5 F17C1 06 Г16Л12 00

Комитет Российской Федерации по патентам и тонарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ . М ®®м

ТЕИТЮ- TEXO×ÅÉß

К ПАТЕНТУ

БИБЛИОТЕКА (2g) 5006379/02 (22) 03.0991 (46) ЗОБО.93 Бюл. Мя 39 — 40 (71) Научно-производственное предприятие "Темп" (72) Свободов А.Н„Попова ЛА; Рыбаков B.С„.

Капустин АИ„. Журавлев В.Н. Стеценко А.И„

Маренков EA„ Селифанов В.В. (73) Научно-производственное предприятие Темп" (54) МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫЙ БАЛЛОН ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: баллоны, работающие под давлением газообразных сред. Сущность изобретения: баллон содержит бесшовную металлическую оболочку, упрочненную намотанным на ее цилиндрическую часть полимерным композиционным материалом. При этом толщина стенки цилиндричес— кой части металлической оболочки выбирается такой, чтобы действующие при циклическом нагружеии- окружные напряжения были равны =(0.46 — 0.63)о, а толщина армирующей обод 02 почки составляет S =(0.9 — 14)S, где о. — дейпл пл а ствующие в металле окружные напряжения; о. ог условный предел текучести металла; S, S — толщина армирующей и металлической оболочке со— ответственно, Конструкция баллона обеспечивает улучшение массогабаритных.характеристик и экс— ппуатационную надежность. 1 ил. 3 табл.

2002160

20

35

Изобретение относится к области создания баллонов, работающих под давлением газообразных сред, и может быть использовано на автотранспорте, работающем на сжатом природном газе, а также в других областях, связанных с применением сжатых газов.

В настоящее время известны различные конструкции баллонов давления, содержащие металлическую оболочку, усиленную снаружи полимерным композиционным материалом (ПКМ). Отечественными аналогами заявляемого технического решения являются металлопластиковые баллоны.

Аналогичные конструктивные решения приведены в патентах Великобритании

М 2128312, ФРГ ММ 2516395, 31036046, а также в докладе Паттерсона и др, Облегченные композиционные баллоны высокого давления, предназначенные для коммерческого использования. Основной задачей, решаемой при создании металлопластиковых баллонов-аналогов. являлось снижение

Nx AIaccbl, Частные вопросы касались разработки технологических приемов изготовления металлической и армирующей оболочек, а также повышения технических характеристик баллонов, их эксплуатационных и потребительских качеств.

Известным производителем баллонов для сжатого газа является итальянская фирма Faber, которой разработан ряд типов баллонов, емкостью 22 —...80, 1. Сварной с кованнь|ми днищами и цилиндрической намоткой ПКМ.

2. С тонкостенной сварной оболочкой и намоткой челночного типа.

3. С пластиковой оболочкой и намоткой челночного типа.

4. С цельной равностенной металлической оболочкой и намоткой по цилиндрической части.

Баллоны фирмы Faber имеют следующие недостатки: баллоны со сварной металлической оболочкой менее надежны в эксплуатации; намотка челночного типа несоизмерима по времени с операциями изготовления металлической оболочки и снижает производительность изготовления баллонов; пластиковая оболочка не может обеспечить требуемую герметичность газового баллона.

Конструкция баллона с равностенной металлической оболочкой и цилиндрической намоткой лишена перечисленных недостатков, является наиболее близкой к заявляемому объекту по технической сущности и выбрана за прототип.

Как следует из описания прототипа, при изготовлении баллона использована кольцевая намотка ПКМ. Известно, что ПКМ, полученные кольцевой намоткой, имеют повышенную склонность к трещинообразованию. В металлопластической конструкции склонность к образованию трещин усугубляется разномодул ьностью контактирующих материалов металла и ПКМ.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных характеристик и обеспечение эксплуатационной надежности баллонов при нагружении рабочим давлением не менее 40000 циклов в соответствии с требованиями зарубежных стандартов.

Для достижения указанных целей металлопластиковый баллон, состоящий из стальной бесшовной оболочки, усиленной по цилиндрической части полимерным композиционным материалом, имеет следующие отличия от прототипа:

1, Толщина цилиндрической части металлической оболочки выбирается такой, чтобы действующие при циклическом нагружении окружные напряжения (îg) были равны (Jg=(0,46 — 0,63) оо2, где 0о — условный предел текучести металла

2, Толщина армирующей оболочки из полимерного композиционного материала должна быть равной

Snn.=(0.9 — 1,4)Ям, где Ям — толщина металлической оболочки в цилиндрической части

На фиг. 1 изображен предлагаемый металлопластиковый баллон. разрез, где показано: (1 — стальная бесшовная оболочка; 2— армирующая оболочка из ПКМ).

Оценка эффективности баллонов проводилась по значению массы единицы объема (m/v), которая у прототипа не более — 0,7 кг/л.

На фиг. 2 а, б приведены зависимости удельной массы (2а) и количества циклов нагружения рабочим давлением (2б) от величины(0о/ аког) действующих в металлической оболочке окружных напряжений, отнесенных к его условному пределу текучести для баллона с наружным диаметром 253 мм и длиной 910 мм. Условный предел текучести металла 120 кгс/мм, рабочее давление

200 кгс/см при коэффициенте запаса прочности 2,6. Из приведенных на фиг. 2а и в табл. 1 данных видно, что при окружных напряжениях. удовлетворяющих условию

og=(0,46-0,63) сои показатель (m/v) лежит в пределах 0,69 — 0,51, При значении rjg<0,46 0 показатель (m/v)>0,7, т,е. хуже чем у прототи.па.

Верхний предел окружных напряжений со=0,63 cod ограничен требуемым количеством циклов нагружения рабочим давлени2002160 приведены значения разрушающего давления при различной толщине оболочки из

ПКМ.

На фиг. 3 показан характер разрушения

5 баллона, имеющего S„=t, f S, на фиг. 4—

$пл=1,65SM.

В табл. 3 в качестве примеров реализации приведены основные технические характеристики металлопластиковых бал10 ланов предлагаемой конструкции различных типоразмеров, Испытания показали, что металлопластиковые баллоны обеспечивают 40 тыс циклов нагружения давлением 200 кгс/см

15 без потери несущей способности. ем, который, как сказано выше, составляет

40000. При оц>0,63 айаг резко снижается работоспособность баллона в условиях циклического нагружения (фиг. 2б, табл. 1).

В баллоне предлагаемой конструкции, имеющем толщину стенки металлической оболочки, обеспечивающую значение показателя (m/v)=0,69 — 0,51, толщина оболочки из ПКМ составляет Son=0,9-1,4 SM, Минимальная величина отношения $пл/$м=0,9 ограничена требуемым запасом прочности конструкции, при котором давление разрушения Рррр должно быть не менее

520 кгс/см (Рразр=2,6 Рраб=2,6 200).

Увеличение толщины оболочки из ПКМ

S>n>1,45S приводит к изменению характера разрушения баллона, а именно к отрыву днищ, что недопустимо с точки зрения безопасной эксплуатации баллона. B табл. 2 (56) Григорьев E.Ã. и др. Газобаллонные автомобили, М.: Машиностроение, 1989, с. 100, Таблица 1 гп/v, кг/л ац/гтог

$пл, MM

S<, мм

М, тыс. циклов (У9, кгс/мм

m, кг

V, Ë

Таблица 2

67

0.25

0.33

0,42

0,46

0.50

0,56

0,58

0,63

0,67

0,75

7,5

4,0

3,7

3,5

2,95

2,80

2.50

2,30

2.0

3,54

3.54

3,54

3,54

3.54

3,54

3,54

3.54 3,54

3,54

45,08

34,27

26.24

24,64

23,58

20,66

19,87

18,28

17,23

15,65

35,4

35,6

35,6

35.6

35,6

35,8

35.7

35,8

35,8

35,8

1,27

0,96

0.73

0,69

0,66

0.58

0,55

0,51

0,48

0,44

>100

>100

>100

72

42

2002160

Таблица 3

Формул а изобретения

МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫЙ БАЛЛОН

ДАВЛЕНИЯ. содержащий бесшовную металлическую оболочку, упрочненную намотанным на цилиндрическую часть полимерным композиционным материалом, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик и эксплуатационной надежности в условиях циклического нагружения, соотношение толщины оболочки из llKM и металлической оболочки составляет 0,9 - 1,4, а толщина стенки цилиндрической части металлической оболочки выполнена из расчета по уровню окружных напряжений, равных (0,46 — 0;63)op2, где по2 - условный предел текучести металла.

2002160 кг

f,ß,0

Об

07

foo

e5

Фиг.2а

Фиг.2 б ор б /

2002160

Составитель Л.Оськина

Техред M.Moðãåíòàë Корректор M,Ïeòðoâà

Редактор С.Кулакова

Заказ 3167

Тираж Подписное

НПО"Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж т", r. жгород, ул. агарина, 101