RU2439425C2 - Metal composite pressure cylinder - Google Patents
Metal composite pressure cylinder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439425C2 RU2439425C2 RU2010103024/06A RU2010103024A RU2439425C2 RU 2439425 C2 RU2439425 C2 RU 2439425C2 RU 2010103024/06 A RU2010103024/06 A RU 2010103024/06A RU 2010103024 A RU2010103024 A RU 2010103024A RU 2439425 C2 RU2439425 C2 RU 2439425C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liner
- cylinder according
- annular
- bandage
- composite
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.The invention relates to the field of gas equipment, namely to metal composite high-pressure cylinders used, in particular, in portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers, in portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and other industries.
Эти баллоны (сосуды) предназначены для хранения и транспортировки текучей среды (жидкости или газа), находящейся под высоким давлением. Такие сосуды, как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления.These cylinders (vessels) are designed to store and transport a fluid (liquid or gas) under high pressure. Such vessels, as a rule, are subject to repeated cyclic high pressure loads.
В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу герметизирующей оболочки - лейнера, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из термопласта, алюминия или стали. В настоящее время наибольшее распространение получили баллоны с использованием металлических лейнеров, что определяется рядом преимуществ металлов перед пластиками.In cylinders of this type, in order to avoid fluid leakage or leakage, special importance is given to the material of the sealing shell - liner, which, depending on the type and nature of the fluid filling the vessel, is made of thermoplastic, aluminum or steel. Currently, cylinders using metal liners are most widely used, which is determined by a number of advantages of metals over plastics.
Выпускаемые в настоящее время металлокомпозитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера по различным траекториям жгутов высокопрочного или высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного полимерным связующим.Currently produced metal composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled metal hermetic shell - a liner and an external power shell of composite material formed by winding onto the surface of the liner along various paths of tows of high-strength or high-modulus fiber (for example, carbon fiber) impregnated with a polymer binder.
В соответствии с требованиями действующей нормативной документации помимо основного требования, предъявляемого к газовым баллонам высокого давления, снижения удельной материалоемкости баллона и обеспечения безопасной эксплуатации базовым является также требование обеспечения заданного ресурса использования баллона по числу циклов нагружения или заполнения. В отличие от других типов конструкций баллонов для конструкции металлокомпозитного баллона данное требование является определяющим в силу большой разнородности физико-механических свойств используемых материалов. Третьим, также определяющим требованием нормативной документации к баллонам, является требование надежного крепления горловинного штуцера баллона в композитной оболочке, обеспечивающего также многократные его нагружения крутящими моментами.In accordance with the requirements of the current regulatory documentation, in addition to the main requirement for high-pressure gas cylinders, to reduce the specific material consumption of the cylinder and to ensure safe operation, the basic requirement is to ensure the specified resource for using the cylinder by the number of loading or filling cycles. Unlike other types of cylinder designs for the construction of a metal composite cylinder, this requirement is crucial due to the great heterogeneity of the physicomechanical properties of the materials used. The third, also determining requirement of the normative documentation for the cylinders is the requirement of reliable fastening of the neck nozzle of the cylinder in the composite shell, which also provides its multiple loading with torques.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см., например, патенты US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922).Numerous examples are known of creating composite pressure cylinders using a metal liner made of various alloys (see, for example, US Pat. Nos. 5,494,188, US 5,538,680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922 )
Однако данные конструкции не полностью обеспечивают решение главных задач в конструкции баллона: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления соизмеримой или ниже чем у цельнометаллических баллонов.However, these designs do not fully provide the solution to the main problems in the design of the container: ensuring reliability with high cyclic loading of its high pressure at the lowest possible weight and manufacturing cost is comparable or lower than that of all-metal cylinders.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см., например, патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5,822,838, US 5918759, WO 03/029718), реализация которых позволяет частично решить задачу обеспечения большей цикличности нагружения его высоким давлением при весе ниже чем у цельнометаллических баллонов.Numerous examples are known of creating composite pressure cylinders using thin-walled metal liners made of various alloys (see, for example, patents US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5,822,838, US 5918759, WO 03/029718), the implementation of which partially solves the problem of providing greater cyclic loading of its high pressure with a weight lower than that of all-metal cylinders.
Известны многочисленные конструктивные решения исполнения металлокомпозитных баллонов с тонкостенными лейнерами, где различными способами предлагается совмещение деформаций материала лейнера и композитной оболочки.Numerous structural solutions are known for the execution of metal composite cylinders with thin-walled liners, where a combination of deformations of the liner material and the composite shell is proposed in various ways.
В конструкции по заявке RU №2001115743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0.2%) вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.In the design according to the application RU No. 20011115743 for a high-pressure metal-plastic container containing a composite shell and a thin-walled metal liner, the problem is solved in that the liner wall thickness and the thickness of the composite shell are selected from the condition that the main supporting element of the container is a composite shell and the material is metallic the liner at operating pressure is in the field of elastic deformation. The disadvantage of this solution is that due to the large difference in the values of the ultimate strain of fracture of the composite (up to 2%) and the strain of elasticity of the metal (0.2%), the weight of the structure and its cost are very high, which makes the cylinder of this design almost uncompetitive with metal analogues.
В конструкции баллона по патенту RU №2094695 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер.In the design of the container according to the patent RU No. 2094695, the use of a metal liner made with longitudinal and circular corrugations is proposed. In this case, the outer cavities of the longitudinal corrugations can be filled with elastic material. As an elastic material, an elastomer is used.
Недостатком отмеченного решения является то, что конструктивное выполнение в виде набора продольных и кольцевых гофр в лейнере поднимает общую изгибную жесткость лейнера, но не обеспечивает выполнения условий совместности деформаций в материале лейнера и материале композитной оболочки. В гофрах при циклических нагрузках возникают пластические деформации, приводящие к преждевременным разрушениям лейнера.The disadvantage of this solution is that the constructive implementation in the form of a set of longitudinal and annular corrugations in the liner raises the overall bending stiffness of the liner, but does not ensure that the conditions for compatibility of deformations in the liner material and the composite shell material are met. In the corrugations under cyclic loads, plastic deformations occur, leading to premature damage to the liner.
Прототипом к предлагаемому изобретению является решение по патенту RU 2358187 С2, 10.09.2008, где предлагается использовать гладкий тонкостенный металлический лейнер, а материал силовой композитной оболочки подбирать с заданным соотношениями к геометрии и материалу лейнера.The prototype of the present invention is the solution according to patent RU 2358187 C2, 09/10/2008, where it is proposed to use a smooth thin-walled metal liner, and select the material of the composite composite shell with the given ratios to the geometry and material of the liner.
Недостатками решения является то, что в качестве критериев проектирования баллонов здесь используется критерий обеспечения совместности деформирования разнородных материалов конструкции баллонов, но выполненные конструкции с предлагаемыми соотношениями размеров не обеспечивает требуемые ресурсы конструкции по циклическим нагрузкам.The disadvantages of the solution are that as criteria for the design of cylinders here, a criterion is used to ensure compatibility of the deformation of dissimilar materials of the design of the cylinders, but the designs made with the proposed size ratios do not provide the required design resources for cyclic loads.
Задачей изобретения является - для известного материала лейнера подобрать материал и схему армирования групп образующих слоев, обеспечивающих минимальный вес конструкции при действии ограничения на уровень пластических деформаций материала лейнера.The objective of the invention is - for a known material of the liner to select the material and the reinforcing scheme of the groups of forming layers that provide the minimum weight of the structure under the restriction on the level of plastic deformation of the material of the liner.
Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная конструкция баллона обеспечивает высокоэффективную работоспособность на любой заданный уровень циклического нагружения высоким давлением и крутящими моментами при минимальном весе и стоимости ее изготовления. Преимуществами данного решения является то, что конструкция баллона, выполненного по предлагаемому решению, обеспечивает требуемый ресурс эксплуатации баллона. Кроме того, в зависимости от используемых в ней материалов лейнера и силовой оболочки, реально видна возможность их применения для достижения эффективной конструкции. Возможность создавать в лейнере высокий уровень пластических деформаций приводит в конечном итоге к явлению малоцикловой усталости материала лейнера. Предложенная конструкция баллона обеспечивает требование надежного крепления горловинного штуцера баллона в композитной оболочке, обеспечивающего также многократные его нагружения крутящими моментами.The technical result of the invention lies in the fact that the proposed design of the cylinder provides high-performance for any given level of cyclic loading with high pressure and torque with minimal weight and the cost of its manufacture. The advantages of this solution is that the design of the cylinder, made according to the proposed solution, provides the required life of the cylinder. In addition, depending on the materials of the liner and the power shell used in it, the possibility of their application to achieve an effective design is actually visible. The ability to create a high level of plastic deformation in the liner ultimately leads to the phenomenon of low-cycle fatigue of the liner material. The proposed design of the cylinder provides the requirement for reliable fastening of the neck of the nozzle of the cylinder in a composite shell, which also provides its multiple loading with torques.
Технический результат достигается тем, что металлокомпозитный цилиндрический баллон содержит металлический цилиндрический лейнер с профильными днищами и горловинным фланцем со штуцером, закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки из композитного материала, образованной группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования, при этом комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера, удовлетворяющую условию:The technical result is achieved by the fact that the metal composite cylindrical container contains a metal cylindrical liner with profile bottoms and a neck flange with a fitting fixed in the pole hole of the power shell made of composite material formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions with different reinforcement powers, the combination of reinforcing power and distribution of groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its walls ki provides the strain rate at each point of the liner material, satisfying the condition:
где N - требуемое число циклов безотказной работы баллона, нагруженного рабочим давлением; σ - временное сопротивление; V - предельное поперечное сужение и Е - модуль упругости материала лейнера, при этом горловинный фланец лейнера снабжен кольцевым выступом, со стороны открытого торца штуцера, с внешним диаметром, большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов, так что между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж, выполненный из материала композитной оболочки, причем штуцер горловинного фланца зафиксирован в кольцевом бандаже с помощью проточек некруговой формы.where N is the required number of failure-free operation cycles of a cylinder loaded with working pressure; σ is the temporary resistance; V is the ultimate transverse narrowing and E is the elastic modulus of the liner material, while the neck of the liner is provided with an annular protrusion from the open end of the nozzle, with an external diameter greater than the sum of the diameter of the pole hole of the composite shell and two widths of the wound tape of the threads of reinforcing materials, so that between the outer surface of the composite shell and it formed a concentric annular cavity in which is placed with the filling of its entire volume an annular bandage made of composite shell material hi, and the throat flange fitting is fixed in the annular band with the help of grooves of a non-circular shape.
Отдельные группы слоев нитей армирующих материалов силовой оболочки, ориентированных в спиральных направлениях, являются частью материала кольцевого бандажа.Separate groups of layers of threads of the reinforcing materials of the power shell, oriented in spiral directions, are part of the material of the annular bandage.
Кольцевой бандаж может быть выполнен из материалов с большим модулем упругости, чем у материала силовой оболочки.The annular bandage can be made of materials with a greater modulus of elasticity than the material of the power shell.
Кольцевой бандаж может быть выполнен из разномодульных материалов с послойным распределением по диаметру бандажа.An annular bandage can be made of multimodular materials with a layered distribution over the diameter of the bandage.
Фиксирующие в кольцевом бандаже проточки могут иметь форму многогранника.The grooves fixing in the annular bandage may have the shape of a polyhedron.
Фиксирующие в кольцевом бандаже проточки могут иметь форму эллипса.The grooves securing in the annular band may be in the form of an ellipse.
На кольцевом выступе фланца может быть нанесена идентификационно-техническая информация.Identification and technical information may be applied to the annular protrusion of the flange.
Кольцевой выступ фланца может быть выполнен в виде отдельного кольца, жестко соединенного со штуцером фланца.The annular protrusion of the flange can be made in the form of a separate ring, rigidly connected to the fitting of the flange.
Внешняя поверхность горловинного фланца в зоне штуцера может быть выполнена с конусностью в сторону кольцевого выступа.The outer surface of the neck flange in the area of the fitting can be made with a taper towards the annular protrusion.
Днища силовой оболочки, образованные группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных направлениях, и цилиндрическая часть, образованная комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, могут быть совмещены по кольцевой деформации в зоне их сочленения.The bottoms of the power shell formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral directions and the cylindrical part formed by a combination of groups of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions can be aligned along the ring deformation in the zone of their joint.
На фиг.1 показан общий вид сосуда высокого давления. На фиг.2 - вариант закрепления полюсного фланца баллона. На фиг.3 показано сечение узла закрепления фланца баллона.Figure 1 shows a General view of the pressure vessel. Figure 2 - option of fixing the pole flange of the cylinder. Figure 3 shows a cross section of the attachment unit of the cylinder flange.
На фиг.4 - вариант закрепления полюсного фланца баллона.Figure 4 - option of fixing the pole flange of the cylinder.
Как известно, проектирование баллонов по всем действующим методикам строится на законах прочности при статическом нагружении с некоторыми поправками, учитывающими особенности используемого материала и конструкции. В качестве таких поправок выступают коэффициенты запаса прочности и безопасности.As you know, the design of cylinders according to all existing methods is based on the laws of strength under static loading with some amendments that take into account the characteristics of the material and design used. These corrections are safety factors and safety factors.
В то же время основные положения механики твердого тела говорят, что определяющие условия разрушения материала рассматриваемой конструкции баллона при статическом нагружении констатируют некоторую предельную поверхность, достижение которой соответствует моменту разрушения.At the same time, the basic principles of solid mechanics say that the defining conditions for the destruction of the material of the cylinder structure under consideration under static loading state a certain limiting surface, the achievement of which corresponds to the moment of destruction.
Вопрос о том, каким образом достигается эта поверхность, в существующих методиках не рассматривается. В то же время обеспечение желаемой безопасности при эксплуатации баллона связано с особенностями поведения используемых в конструкциях баллонов металлов и сплавов при циклических деформациях, так как она определяет так называемую усталость или историю нагружения конструкции.The question of how this surface is achieved is not considered in existing methods. At the same time, ensuring the desired safety during operation of the cylinder is associated with the behavior of the metals and alloys used in the construction of containers under cyclic deformations, since it determines the so-called fatigue or load history of the structure.
Усталость конструкции - процесс постепенного накопления повреждений в ее материале, обусловленный циклическим действием нагрузок. Именно усталость является основной причиной разрушения рассматриваемых конструкций баллонов или сосудов давления. Особенность усталостного разрушения состоит в том, что оно может иметь длительный инкубационный период, составляющий иногда годы эксплуатации изделия, в течение которого выявление признаков приближающегося разрушения затруднительно.Fatigue of a structure is the process of the gradual accumulation of damage in its material due to the cyclic action of loads. Fatigue is the main reason for the destruction of the considered designs of cylinders or pressure vessels. The peculiarity of fatigue fracture is that it can have a long incubation period, sometimes amounting to years of operation of the product, during which it is difficult to identify signs of impending fracture.
Таким образом, вследствие циклического и длительного нагружения конструкции баллона в металле лейнера накапливаются повреждения, которые проявляются по-разному, в различных диапазонах прикладываемых напряжений.Thus, due to the cyclic and prolonged loading of the cylinder structure, damage accumulates in the liner metal, which manifests itself in different ways, in different ranges of applied voltages.
Для получения эффективной конструкции очевидно, что необходимо более полно использовать высокие прочностные характеристики композиционного материала, то есть создавать в лейнере высокий уровень пластических деформаций, что приводит в конечном итоге к явлению малоцикловой усталости материала лейнера.To obtain an effective design, it is obvious that it is necessary to make better use of the high strength characteristics of the composite material, that is, to create a high level of plastic deformations in the liner, which ultimately leads to the phenomenon of low-cycle fatigue of the liner material.
Для малоцикловой усталости характерно появление пластических деформаций в макроскопических объемах материала лейнера в каждом цикле нагружения. Малоцикловая усталость возникает при максимальных напряжениях, превышающих предел текучести материала, и сопровождается знакопеременным пластическим деформированием объема материала, большого по сравнению с размерами структурных составляющих (зерен, пор, включений). Число циклов до образования заметной трещины зависит в основном от величины пластической деформации материала в каждом цикле и от способности материала сопротивляться малоцикловому разрушению. Поведение материала определяется здесь эффектом Баушингера, циклическим упрочнением или разупрочнением материала (т.е. изменением размеров и формы петли гистерезиса с увеличением числа циклов), а также остаточными напряжениями в конструкции, образующимися при несовместности пластических деформаций.Low-cycle fatigue is characterized by the appearance of plastic deformations in macroscopic volumes of the liner material in each loading cycle. Low-cycle fatigue occurs at maximum stresses exceeding the yield strength of the material and is accompanied by alternating plastic deformation of the volume of the material, which is large compared to the dimensions of the structural components (grains, pores, inclusions). The number of cycles before the formation of a noticeable crack depends mainly on the amount of plastic deformation of the material in each cycle and on the ability of the material to resist low-cycle fracture. The behavior of the material here is determined by the Bausinger effect, cyclic hardening or softening of the material (i.e., changing the size and shape of the hysteresis loop with an increase in the number of cycles), as well as residual stresses in the structure resulting from incompatibility of plastic deformations.
Основными характеристиками процесса пластического деформирования в точке тела при циклическом изменении нагрузки с периодом Т являются приращение пластической деформации за циклThe main characteristics of the process of plastic deformation at a point in the body during a cyclic load change with a period T are the increment of plastic deformation per cycle
(здесь εp - скорость пластической деформации, τ - время от начала цикла) и размах пластической деформации за цикл δεp=εp max-εp min (here ε p is the rate of plastic deformation, τ is the time from the beginning of the cycle) and the range of plastic deformation per cycle δε p = ε p max- ε p min
Приращения и размахи пластических деформаций, а также форма и размеры петли пластического гистерезиса различны в разных точках конструкции и в общем случае изменяются от цикла к циклу.The increments and ranges of plastic deformations, as well as the shape and dimensions of the plastic hysteresis loop, are different at different points in the structure and generally change from cycle to cycle.
Как правило, для конструкций баллонов при циклических нагружениях в материале лейнера возникают как пластические, так и упругие деформации.As a rule, for the construction of cylinders under cyclic loading, both plastic and elastic deformations occur in the liner material.
Для большого ряда металлов и сплавов в переходной области, когда следует учитывать как пластические, так и упругие деформации материала лейнера для описания зависимостей между числом циклов до разрушения Nf и амлитудой деформации области малоцикловой усталости, можно использовать экспериментальные аппроксимирующие функции вида:For a large number of metals and alloys in the transition region, when both plastic and elastic deformations of the liner material should be taken into account to describe the dependences between the number of cycles before fracture Nf and the strain amplitude of the low-cycle fatigue region, experimental approximating functions of the form can be used:
С учетом отмеченного выше задачу проектирования баллона можно свести к следующей постановке: для известного материала лейнера требуется подобрать материал и схему армирования групп образующих слоев, обеспечивающих минимальный вес конструкции при действии ограничения на уровень пластических деформаций материала лейнера, представляемого в виде условия 
Решение поставленной задачи может быть осуществлено следующим образом. При заданной нагрузке (например, испытательном внутреннем давлении) для принятого распределения групп слоев нитей, армирующих материалов и их мощностей, ориентированных в спиральных и окружных направлениях армирования в каждом сечении конструкции, по известным методикам рассчитываются ее деформации в окружном и меридиональном направлениях. По полученным данным с использованием соотношенияThe solution of the problem can be carried out as follows. For a given load (for example, test internal pressure) for the accepted distribution of the groups of layers of threads, reinforcing materials and their capacities oriented in spiral and circumferential directions of reinforcement in each section of the structure, its deformations in the circumferential and meridional directions are calculated by known methods. According to the data obtained using the ratio
рассчитывается интенсивность деформаций εi и интенсивность напряжений σi в материале лейнера.the strain intensity ε i and the stress intensity σ i in the liner material are calculated.
Далее, используя принцип единой кривой деформирования материала лейнера, для рассматриваемой конструкции величина интенсивности деформаций в лейнере сравнивается с ограничением εi≤εα. При достижении обеспечения данного ограничения получаемая конструкция удовлетворяет нормативным требованиям как по прочности, так и по ресурсу эксплуатации.Further, using the principle of a single curve of deformation of the liner material, for the structure under consideration, the magnitude of the strain intensity in the liner is compared with the restriction ε i ≤ ε α . Upon achieving this limitation, the resulting design satisfies the regulatory requirements both in terms of strength and service life.
Вариацией таких решений по распределению комбинации мощностей армирования и распределению групп слоев армирующего материала подбирается конструкция с минимальными весовыми параметрами. Таким образом, конструкция баллона, удовлетворяющая условию, что комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера меньше чемA variation of such decisions on the distribution of the combination of reinforcing capacities and the distribution of the groups of layers of the reinforcing material selects a structure with minimal weight parameters. Thus, the design of the container satisfying the condition that the combination of reinforcing power and distribution of the groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its wall provides a strain rate at each point of the liner material less than
где N - требуемое число циклов безотказной работы баллона, нагруженного рабочим давлением,where N is the required number of failure-free cycles of a cylinder loaded with working pressure,
σb - временное сопротивление,σ b - temporary resistance,
ψ - предельное поперечное сужение иψ is the limiting transverse narrowing and
Е - модуль упругости материала лейнера,E is the elastic modulus of the liner material,
является оптимальной конструкцией.is an optimal design.
С другой стороны, для обеспечения надежной работы данной конструкции, в зоне горловины баллона необходимо исполнение, обеспечивающее надежную работу узла крепления фланца.On the other hand, to ensure reliable operation of this design, in the area of the neck of the container, a design is required that ensures reliable operation of the flange attachment unit.
Решение такого исполнения представлено на фиг.1-4. Металлокомпозитный цилиндрический баллон содержит металлический цилиндрический лейнер 1 с профильными днищами и горловинным фланцем 3 со штуцером, закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки 2 из композитного материала, образованной группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования.The solution to this design is presented in figures 1-4. The metal composite cylindrical cylinder contains a
Комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера, удовлетворяющую условию:The combination of reinforcing power and distribution of groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its wall provides a strain rate at each point of the liner material that satisfies the condition:
где N - требуемое число циклов безотказной работы баллона, нагруженного рабочим давлением; σ - временное сопротивление; ψ - предельное поперечное сужение и Е - модуль упругости материала лейнера.where N is the required number of failure-free operation cycles of a cylinder loaded with working pressure; σ is the temporary resistance; ψ is the ultimate transverse narrowing and E is the elastic modulus of the liner material.
Горловинный фланец 3 лейнера снабжен кольцевым выступом 4 со стороны открытого торца штуцера с внешним диаметром, большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов, так что между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж 5, выполненный из материала композитной оболочки. Штуцер горловинного фланца 3 зафиксирован в кольцевом бандаже 5 с помощью проточек некруговой формы.The neck of the
Отдельные группы слоев нитей армирующих материалов силовой оболочки 2, ориентированных в спиральных направлениях, являются частью материала кольцевого бандажа. Кольцевой бандаж 5 может быть выполнен из материалов с большим модулем упругости, чем у материала силовой оболочки. Кольцевой бандаж 5 может быть выполнен из разномодульных материалов с послойным распределением по диаметру бандажа. Фиксирующие в кольцевом бандаже 5 проточки могут иметь форму многогранника или форму эллипса. На кольцевом выступе 4 фланца может быть нанесена идентификационно-техническая информация. Кольцевой выступ фланца может быть выполнен в виде отдельного кольца, жестко соединенного со штуцером фланца. Внешняя поверхность горловинного фланца 3 в зоне штуцера может быть выполнена с конусностью в сторону кольцевого выступа.Separate groups of layers of threads of the reinforcing materials of the
Днища силовой оболочки 2, образованные группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных направлениях, и цилиндрическая часть, образованная комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, могут быть совмещены по кольцевой деформации в зоне их сочленения.The bottoms of the
Функционирование предложенного решения происходит следующим образом. При изготовлении силовой оболочки методом намотки происходит образование утолщения в зоне полюсного отверстия. Как правило, диаметр данного утолщения равен сумме диаметра полюсного отверстия, в котором помешен штуцер фланца и двух ширин технологической ленты армирующего материала. Выше данного диаметра происходит плавное изменение толщины стенки силовой оболочки, вызванное непрерывностью процесса намотки. При деформировании оболочки без бандажа полюсное отверстие оболочки раскрывается и создает возможность свободного перемещения фланца. Введение бандажа позволяет управлять процессом деформирования оболочки в данной зоне и тем самым позволяет создавать надежное соединение оболочки и лейнера в полюсном отверстии. Кроме того, бандаж резко снижает напряжения, возникающие в патрубке фланца, что позволяет снижать вес конструкции фланца в целом. Выполнение бандажа из разнородных материалов 6-9 (см. фиг.4) с перевязкой с материалом композитной оболочки позволяет существенно расширить эффективность функционирования рассматриваемой конструкции.The functioning of the proposed solution is as follows. In the manufacture of a power shell by winding, a thickening occurs in the region of the pole hole. As a rule, the diameter of this thickening is equal to the sum of the diameter of the pole hole in which the fitting of the flange and the two widths of the technological tape of the reinforcing material are placed. Above this diameter, a smooth change in the wall thickness of the power shell occurs due to the continuity of the winding process. When the shell is deformed without a band, the pole hole of the shell opens and creates the possibility of free movement of the flange. The introduction of the bandage allows you to control the process of deformation of the shell in this area and thereby allows you to create a reliable connection between the shell and the liner in the pole hole. In addition, the bandage dramatically reduces the stresses arising in the flange pipe, which reduces the weight of the flange structure as a whole. The implementation of the bandage of heterogeneous materials 6-9 (see figure 4) with dressing with the material of the composite sheath can significantly expand the efficiency of the considered construction.
Функционирование баллона высокого давления заключается в наполнении его текучей средой (жидкостью или газом) до требуемого уровня давления, хранении, транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружение.The functioning of a high-pressure cylinder consists in filling it with a fluid (liquid or gas) to the required pressure level, storing, transporting, emptying, subsequent new filling, and spending the fluid, i.e. in the repetition of actions and operations with multiple cyclic loading.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать баллоны (сосуды) высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической внутренней оболочки-лейнера. Изготовление и испытание баллонов (сосудов) высокого давления с предложенным решением подтвердили их высокую надежность и эффективность в эксплуатации.With the creation of the proposed device, there was a real opportunity to use high-pressure cylinders (vessels) from different materials using a thin-walled metal inner liner shell. The manufacture and testing of high pressure cylinders (vessels) with the proposed solution confirmed their high reliability and operational efficiency.
Claims (11)
где N - число циклов безотказной работы баллона, нагруженного рабочим давлением; εа - амплитуда деформаций; σb - временное сопротивление; ψ - предельное поперечное сужение и Е - модуль упругости материала лейнера.2. The cylinder according to claim 1, characterized in that the combination of reinforcing power and distribution of the groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its wall provides a strain rate at each point of the liner material that satisfies the condition:
where N is the number of failure-free cycles of a cylinder loaded with working pressure; ε a is the strain amplitude; σ b - temporary resistance; ψ is the ultimate transverse narrowing and E is the elastic modulus of the liner material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010103024/06A RU2439425C2 (en) | 2010-02-01 | 2010-02-01 | Metal composite pressure cylinder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010103024/06A RU2439425C2 (en) | 2010-02-01 | 2010-02-01 | Metal composite pressure cylinder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439425C2 true RU2439425C2 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010103024/06A RU2439425C2 (en) | 2010-02-01 | 2010-02-01 | Metal composite pressure cylinder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439425C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2635009C1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Реал-Шторм" | High-pressure bottle |
| RU181359U1 (en) * | 2018-01-30 | 2018-07-11 | Акционерное общество "Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг" (АО "Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг") | METAL COMPOSITE HIGH PRESSURE CYLINDER |
| RU2703849C1 (en) * | 2019-01-15 | 2019-10-22 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "СИСТЕМЫ АРМИРОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ" (ООО "Сафит") | Explosion-proof metal composite pressure cylinder |
-
2010
- 2010-02-01 RU RU2010103024/06A patent/RU2439425C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2635009C1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Реал-Шторм" | High-pressure bottle |
| RU181359U1 (en) * | 2018-01-30 | 2018-07-11 | Акционерное общество "Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг" (АО "Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг") | METAL COMPOSITE HIGH PRESSURE CYLINDER |
| RU2703849C1 (en) * | 2019-01-15 | 2019-10-22 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "СИСТЕМЫ АРМИРОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ" (ООО "Сафит") | Explosion-proof metal composite pressure cylinder |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2011093737A1 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| JP5711154B2 (en) | Shear boss and shell interface element of pressure vessel | |
| US8474647B2 (en) | Metallic liner with metal end caps for a fiber wrapped gas tank | |
| US8453868B2 (en) | Gas cylinder | |
| EP3094914B1 (en) | High-pressure composite vessel and the method of manufacturing high-pressure composite vessel | |
| RU2393375C2 (en) | High pressure vessel | |
| RU2439425C2 (en) | Metal composite pressure cylinder | |
| KR20180094996A (en) | Pressure vessel dome exhaust | |
| RU2353851C1 (en) | High-pressure cylinder lining tube | |
| RU164656U1 (en) | CAPACITY OF POLYMER COMPOSITION MATERIAL | |
| NO176368B (en) | Bending-limiting device | |
| RU2560125C2 (en) | High-pressure cylinder | |
| WO2013162428A1 (en) | Vessel for compressed gas, liner and method of manufacturing vessel | |
| CN203273275U (en) | Steel wire winding structure high-pressure gas cylinder | |
| EP2716957B1 (en) | High-pressure vessel made of composite materials | |
| RU2393376C2 (en) | High pressure vessel | |
| CN104612053B (en) | Possesses the FRP muscle-steel Shu Zuhe hoist cable structure of warning function | |
| JP2004245348A (en) | Pressure container | |
| RU193002U1 (en) | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER | |
| RU2205328C1 (en) | Reinforced high internal pressure shell made from laminated composite material | |
| RU2765217C1 (en) | Metal composite cylinder for a breathing apparatus | |
| Gheshlaghi et al. | Analysis of composite pressure vessels | |
| RU96204U1 (en) | METAL COMPOSITE HIGH PRESSURE CYLINDER | |
| JP2022029208A (en) | General composite container | |
| RU2754572C1 (en) | High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160202 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20161210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180202 |