RU2620134C2

RU2620134C2 - Method of manufacturing of hp metal-plastic bottle

Info

Publication number: RU2620134C2
Application number: RU2015137821A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Халиманович; Фёдор Константинович Синьковский; Леонид Михайлович Бородин; Геннадий Иванович Овечкин; Михаил Иванович Синиченко; Виталий Гавриилович Воловиков
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-05-23
Also published as: RU2015137821A

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: method comprises: manufacturing a metallic liner of the bottoms of the upper and lower hemispherical shape with a uniform thickness of their walls and their connection hermetic weld edges on their periphery, on which the container carried evenly spaced mounting elements with holes; production of high-pressure tube equipped with a filling neck, and sealed it by welding the connection with the cylinder liner; thermal treatment of the metal liner; manufacturing the outer shell of the reinforcing belt reinforcing composite material by wet annular tension winding strands or ribbons of reinforcing material impregnated with a binder; drying and curing operation of the hardening reinforcing skin; autofrettage operation.

EFFECT: increase the reliability in the operation of the cylinder, reducing weight and power consumption for its production.

3 dwg

Description

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при производстве сосудов (баков, баллонов) высокого давления с применением композиционных материалов, предназначенных для хранения рабочих тел (например, ксенона), в газообразном или жидком состоянии в составе космического аппарата (КА) для его систем ориентации или коррекции с реактивными двигателями.The invention relates to general mechanical engineering and can be used in the manufacture of pressure vessels (tanks, cylinders) using composite materials designed to store working bodies (for example, xenon) in a gaseous or liquid state in a spacecraft (SC) for its systems orientation or correction with jet engines.

Известно изобретение «Ёмкость из композиционного материала» (патент РФ на изобретение №2237210), в котором раскрыт способ изготовления бака высокого давления, который включает изготовление установленных в полостных отверстиях оболочки фланцев, состоящих из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки; узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой), который выполняется вдвинутым внутрь корпуса и соединяется с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки, при этом срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.The invention is known “Capacity from a composite material” (RF patent for the invention No. 2237210), which discloses a method of manufacturing a pressure tank, which includes the manufacture of flanges installed in the cavity openings of the shell, consisting of a support pen on which the plastic of the power shell is laid; the junction of the container with other structural elements (nozzle or cover), which is drawn inward into the housing and connected to the inner surface of the support pen of the flange using a conical shell, while the middle surface of the conical shell intersects the surface of the support pen of the flange in a circle whose radius is greater than the radius of the pole holes of the plastic shell.

Применяемый способ изготовления емкости технологически сложен, не позволяет изготовить лейнер бака высокого давления сварочным швом при одновременном герметичном соединении силовых элементов конструкции в жесткую ферму повышенной прочности и надежности, при снижении массы бака и энергетических затрат на его изготовление при выполнении сварочных работ.The applied method of manufacturing a container is technologically complicated, it does not allow to manufacture a high pressure tank liner with a welded seam while simultaneously tightly connecting the structural elements to a rigid truss of increased strength and reliability, while reducing the tank mass and energy costs for its manufacture during welding.

Известен «Способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления и металлопластиковый баллон» (патент РФ на изобретение №2310120). В указанном способе изготовления металлический лейнер баллона, имеющий цилиндрическую часть и днища, изготавливают в виде цельного кокона с цилиндрической частью лейнера, которую формируют до заданных размеров методом холодной ротационной вытяжки с обеспечением в зонах перехода к днищам с обеих сторон утолщения, после чего металлический лейнер подвергают термической обработке для обеспечения требуемых механических свойств во всех его сечениях, затем наружную поверхность цилиндрической части лейнера покрывают антикоррозионным покрытием, на цилиндрической поверхности лейнера с антикоррозионным покрытием создают упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки нитей армирующего материала, сформированных в ленту и пропитанных связующим, причем намотку ленты на цилиндрическую часть лейнера осуществляют с натяжением и перекрытием каждого витка ленты.The well-known "Method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinder and metal-plastic cylinder" (RF patent for the invention No. 2310120). In this manufacturing method, a metal cylinder liner having a cylindrical part and bottoms is made in the form of a solid cocoon with a cylindrical part of the liner, which is formed to a predetermined size by the method of cold rotational drawing, providing in the transition zones to the bottoms on both sides of the thickening, after which the metal liner is subjected heat treatment to ensure the required mechanical properties in all its sections, then the outer surface of the cylindrical part of the liner is coated with an anti-corrosion coating By hitting, on the cylindrical surface of the liner with a corrosion-resistant coating, a reinforcing reinforcing sheath is made of composite material by the method of wet ring winding of threads of reinforcing material formed into a tape and impregnated with a binder, and the tape is wound on the cylindrical part of the liner with tension and overlap of each turn of the tape.

Недостаток указанного способа изготовления баллона высокого давления заключается в том, что с точки зрения обеспечения прочности и надежности бака не рационально затрачена масса металла на его изготовление, так как форма лейнера выполнена не сферической, а с цилиндрической частью, которую формируют до заданных размеров методом холодной ротационной вытяжки с обеспечением в зонах перехода к днищам с обеих сторон с утолщениями (в виде двух шпангоутов). Кроме того, дополнительные массовые затраты на цилиндрическую часть лейнера требуются для повышения прочности и ее надежности, так как в цилиндрической оболочке возникают увеличенные локальные моменты сил в условиях кавитационно-турбулентного воздействия на нее изнутри массы жидкости (рабочего тела) при внешних механических нагрузках при выведении КА на орбиту по кривой (эллиптической) орбите, а также при транспортировке КА с завода-изготовителя на космодром (автомобилем, железной дорогой, самолетом). Наибольшие локальные моменты сил на цилиндрическую часть баллона возникают на торцевые его участки, так как плечи моментов для этого случая имеют большую длину. Например, если цилиндрический бак вращать вокруг поперечной оси, проходящей через его центральную часть, то наибольшие моменты сил будут создаваться на торцевые участки баллона. Если вращать шарообразный лейнер с жидкостью, то моменты сил, действующие на него со стороны жидкости, практически сводятся к нулю, так как они равномерно распределяются по касательным окружностям сферической оболочки, при этом дополнительных затрат массы материала, из которого изготавливается шарообразный лейнер, практически не требуется.The disadvantage of this method of manufacturing a high-pressure cylinder is that, from the point of view of ensuring the strength and reliability of the tank, the mass of metal was not rationally spent on its manufacture, since the shape of the liner is not spherical, but with a cylindrical part, which is formed to the specified size by the cold rotational method hoods with provision in the areas of transition to the bottoms on both sides with thickenings (in the form of two frames). In addition, additional mass costs for the cylindrical part of the liner are required to increase strength and its reliability, since increased local moments of forces arise in the cylindrical shell under conditions of cavitation-turbulent action on it from the inside of the liquid mass (working fluid) under external mechanical loads during spacecraft launch into orbit along a curve (elliptical) orbit, as well as during transportation of the spacecraft from the manufacturer to the cosmodrome (car, rail, plane). The greatest local moments of forces on the cylindrical part of the cylinder arise on its end sections, since the shoulders of the moments for this case have a large length. For example, if a cylindrical tank is rotated around a transverse axis passing through its central part, then the greatest moments of force will be created on the end sections of the container. If you rotate a spherical liner with a liquid, then the moments of force acting on it from the liquid side are practically reduced to zero, since they are evenly distributed along the tangent circles of the spherical shell, while the additional cost of the mass of material from which the spherical liner is made is practically not required .

В качестве прототипа выбран «Способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления» (Решение о выдаче патента на изобретение от 16.07.2014. Заявка №2013132452. Дата подачи заявки 12.07.2013), включающий изготовление металлического лейнера, имеющего нижнее и верхнее днища; термическую обработку металлического лейнера; нанесение антикоррозионного покрытия на внешнюю поверхность металлического лейнера; изготовление внешней упрочняющей армирующей оболочки из ленточного композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки нитей армирующего материала, сформированных в ленту и пропитанных связующим, причем намотка ленты осуществляется с натяжением; операции сушки и полимеризации упрочняющей армирующей оболочки; операцию автофреттажа. Лейнер изготавливают в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера выполнены одинаковой толщины; внешнюю упрочняющую армирующую оболочку выполняют по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки лейнера, при этом ленты образуют петли посредством намотки на жесткое технологическое разборное съемное кольцо, которое предварительно неподвижно устанавливают относительно баллона в плоскости соединения днищ с последующим удалением после создания элементов крепления; петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляют попарно при помощи пластин в одной точке с равномерным натяжением, при этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием.As a prototype, the “Method of manufacturing a high pressure metal-plastic balloon” (Decision on the grant of a patent for an invention dated 07/16/2014. Application No. 20133132452. Date of filing an application 12.07.2013), including the manufacture of a metal liner having lower and upper bottoms; heat treatment of a metal liner; applying a corrosion-resistant coating to the outer surface of the metal liner; the manufacture of an external reinforcing reinforcing shell from a tape composite material by the method of wet ring winding of threads of reinforcing material formed into a tape and impregnated with a binder, and the tape is wound with tension; drying and polymerization operations of a reinforcing reinforcing shell; autofretting operation. The liner is made in the form of an ellipsoid formed by connecting the two bottoms together, while the walls of the liner are made of the same thickness; an external reinforcing reinforcing shell is performed over the entire outer surface of the liner with fastening elements of the metal-plastic container structure, which are made with the same tape during winding of the liner reinforcing shell, while the tape form loops by winding on a rigid technological collapsible removable ring, which is previously fixed relative to a cylinder in the plane of connection of the bottoms, followed by removal after the creation of fasteners; hinges uniformly placed outside the perimeter of the bottom connection are fastened in pairs with the help of plates at the same point with uniform tension, while all plates are equally spaced from the cylinder and are made with a hole.

Недостаток прототипа заключается в том, что он не обеспечивает изготовление баллона высокого давления с достаточно высокой надежностью при эксплуатации, так как лейнер изготавливают в виде эллипсоида, по прочности уступающего прочности сферической оболочке с такой же толщиной стенок в условиях воздействия на внутреннюю поверхность баллона большой массы кавитационно-турбулизованной жидкости (рабочего тела) при ударно вибрационных нагрузках в условиях выведения КА на орбиту ракетой-носителем и при транспортировке КА с завода-изготовителя на космодром. Кроме того, эксплуатационные характеристики баллона снижены также по причине изготовления элементов крепления баллона в виде пластин с отверстиями, каждая из которых расположена в отдельности на некотором расстоянии от лейнера посредством ленточных петель, изготовленных из армирующих пропитанных связующим композиционных лент, и не закреплена на лейнере жестко. Так как такое крепление узлов к лейнеру не является достаточно жестким, то в условиях выведения КА на орбиту возникают неравномерные механические нагрузки на лейнер, что снижает его прочностные характеристики и надежность баллона в целом, делает необходимым изготавливать стенки лейнера более толстыми, а значит и более тяжелыми. Дополнительное снижение надежности баллона происходит от сложности работ при перестановке баллона с мест наземных испытаний на КА из-за нежестких связей элементов крепления с баллоном, применение при этом специального технологического оборудования, в том числе по регулировке равномерного натяжения всех элементов крепления.The disadvantage of the prototype is that it does not provide the manufacture of a high-pressure cylinder with a sufficiently high reliability during operation, since the liner is made in the form of an ellipsoid, inferior in strength to the strength of a spherical shell with the same wall thickness under conditions of cavitation with a large mass -turbulated fluid (working fluid) under shock vibration loads under conditions of launching the spacecraft into orbit by the launch vehicle and during transportation of the spacecraft from the factory tela to the spaceport. In addition, the operational characteristics of the cylinder are also reduced due to the manufacture of cylinder fastening elements in the form of plates with holes, each of which is located separately at a certain distance from the liner by means of tape loops made of reinforcing composite impregnated with binder composite tapes, and is not rigidly fixed to the liner. Since such attachment of nodes to the liner is not rigid enough, uneven mechanical loads on the liner arise when the spacecraft is put into orbit, which reduces its strength characteristics and the reliability of the balloon as a whole, makes it necessary to make the liner walls thicker, and therefore heavier . An additional decrease in the reliability of the cylinder comes from the complexity of the work when moving the cylinder from the ground test to the spacecraft due to non-rigid connections of the fastening elements to the cylinder, the use of special technological equipment, including the adjustment of the uniform tension of all fastening elements.

Задачей изобретения является обеспечение повышения надежности баллона при эксплуатации.The objective of the invention is to provide increased reliability of the cylinder during operation.

Задача решена за счет того, что в способе изготовления металлопластикового баллона высокого давления выполняют следующие операции: изготавливают металлический лейнер из верхнего и нижнего днищ с одинаковой толщиной стенок полусферической формы с отогнутыми наружу краями, на которых устанавливают верхний и нижний шпангоуты с выступающими наружу равномерно расположенными участками с зазором между ними по высоте и с вертикально-соосными одинаковыми отверстиями в них; между шпангоутами по периметру зажимают отогнутые наружу края днищ лейнера и соединяют их между собой и со шпангоутами одним наружным сварочным швом по периметру; перед выполнением указанного наружного сварочного шва осуществляют изготовление и герметичное соединение с лейнером сваркой трубки высокого давления; в каждый зазор устанавливают металлическую шайбу с отверстием, вертикально-соосным отверстиям в выступах шпангоутов; соединяют края выступов шпангоутов и шайбы снаружи сваркой; проводят термическую обработку металлического лейнера; изготавливают внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки с натяжением нитей или лент армирующего материала, пропитанных связующим; проводят сушку и полимеризацию упрочняющей армирующей оболочки; проводят операцию автофреттажа.The problem is solved due to the fact that in the method of manufacturing a high pressure metal-plastic cylinder, the following operations are performed: a metal liner is made from the upper and lower bottoms with the same hemispherical wall thickness with the edges bent outward, on which the upper and lower frames with uniformly protruding sections protruding outward with a gap between them in height and with vertically coaxial identical holes in them; between the frames around the perimeter clamp the outwardly curved edges of the bottoms of the liner and connect them together and with the frames with one external weld along the perimeter; before performing the specified external weld, the manufacture and tight connection with the liner by welding a high pressure tube; in each gap, a metal washer is installed with a hole, vertically coaxial holes in the protrusions of the frames; connect the edges of the protrusions of the frames and washers outside by welding; conduct heat treatment of a metal liner; an external reinforcing reinforcing sheath is made from a tape composite material by the method of wet ring winding with tension of threads or ribbons of the reinforcing material impregnated with a binder; drying and polymerizing the reinforcing reinforcing sheath; carry out an autofretting operation.

Предложенный способ изготовления бака высокого давления поясняется чертежами.The proposed method of manufacturing a pressure tank is illustrated by drawings.

На фиг. 1 - бак высокого давления (общий вид сбоку и сверху).In FIG. 1 - high pressure tank (general view from the side and top).

На фиг. 2 - разрез А-А (сварочное соединение днищ посредством верхнего и нижнего шпангоутов, крепежный узел с отверстием для болта).In FIG. 2 - section A-A (welding connection of the bottoms by means of the upper and lower frames, mounting unit with a hole for the bolt).

На фиг. 3 - разрез Б-Б (соединение трубки высокого давления с полостью бака).In FIG. 3 - section BB (connection of the high pressure tube with the cavity of the tank).

Предложенный способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления включает изготовление металлического лейнера из верхнего и нижнего днищ 1,2 с одинаковой толщиной стенок, герметично соединяют их края 3, 4; выполняют равномерно расположенные элементы крепления баллона 5; проводят термическую обработку металлического лейнера; изготавливают внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 6 из ленточного композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки с натяжением нитей или лент 7 армирующего материала, пропитанных связующим; проводят сушку и полимеризацию упрочняющей армирующей оболочки; проводят операцию автофреттажа.The proposed method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinder includes the manufacture of a metal liner from the upper and lower bottoms 1.2 with the same wall thickness, hermetically connect their edges 3, 4; perform evenly spaced attachment elements of the cylinder 5; conduct heat treatment of a metal liner; an external reinforcing reinforcing sheath 6 is made of a tape composite material by wet ring winding with tension of threads or ribbons 7 of a reinforcing material impregnated with a binder; drying and polymerizing the reinforcing reinforcing sheath; carry out an autofretting operation.

В предложенном способе днища 1, 2 изготавливают полусферической формы с отогнутыми наружу краями 3, 4, на которых устанавливают верхний и нижний шпангоуты 8, 9 с выступающими наружу равномерно расположенными участками 10, 11 с зазором 12 между ними по высоте и с вертикально-соосными одинаковыми отверстиями 13, 14 в них; между шпангоутами по периметру зажимают отогнутые наружу края 3, 4 днищ 1, 2 лейнера и соединяют их между собой и со шпангоутами 8, 9 одним наружным сварочным швом 15 по периметру; перед выполнением указанного наружного сварочного шва 15 осуществляют изготовление и герметичное соединение с лейнером сваркой 16 трубки высокого давления 17 (это позволило повысить надежность баллона при его эксплуатации); в каждый зазор 12 устанавливают металлическую шайбу 18 с отверстием 19, вертикально-соосным отверстиям 13, 14 в выступах 10, 11 шпангоутов 8, 9; соединяют края выступов 10, 11 шпангоутов 8, 9 и шайбы 18 снаружи сваркой 20 (это позволило дополнительно повысить надежность баллона путем повышения прочности монолитности всей металлической конструкции баллона, снижения локальных перегрузок на лейнер в условиях ударных и вибрационных нагрузок при выведении КА на рабочую орбиту ракетой-носителем).In the proposed method, the bottoms 1, 2 are made hemispherical in shape with the edges 3, 4 bent outwards, on which the upper and lower frames 8, 9 with uniformly protruding sections 10, 11 protruding outward with a clearance 12 between them in height and with vertically coaxial identical holes 13, 14 in them; between the frames around the perimeter clamp the outwardly curved edges 3, 4 of the bottoms 1, 2 of the liner and connect them together and with the frames 8, 9 with one external weld seam 15 around the perimeter; before performing the specified external welding seam 15, manufacture and tight connection with the liner by welding 16 high-pressure pipes 17 are performed (this made it possible to increase the reliability of the cylinder during its operation); in each gap 12, a metal washer 18 is installed with an opening 19, vertically coaxial holes 13, 14 in the protrusions 10, 11 of the frames 8, 9; they connect the edges of the protrusions 10, 11 of the frames 8, 9 and the washer 18 from the outside by welding 20 (this made it possible to further increase the reliability of the cylinder by increasing the solidity of the entire metal structure of the container, reducing local overloads on the liner under shock and vibration loads when the spacecraft is launched into a working orbit by a rocket -carrier).

Далее, как и в прототипе, производят изготовление внешней упрочняющей армирующей оболочки 6 из ленточного композиционного материала методом мокрой кольцевой намотки с натяжением нитей или лент 7 армирующего материала, пропитанных связующим; операцию сушки и полимеризации упрочняющей армирующей оболочки 6; операцию автофреттажа.Further, as in the prototype, the manufacture of an external reinforcing reinforcing sheath 6 is made of tape composite material by wet ring winding with tension of threads or ribbons 7 of reinforcing material impregnated with a binder; the drying and polymerization operation of the reinforcing reinforcing shell 6; autofretting operation.

В результате изготовления металлопластикового баллона, согласно описанному способу, повышается надежность за счет того, что лейнер выполняют из цельных полусферических оболочек, так как изготовленная таким образом сферическая оболочка обеспечивает наибольшую прочность по сравнению с другими формами оболочек с одинаковыми толщинами при воздействии на них изнутри кавитационно-турбулизованной массы жидкости (рабочего тела) при внешних механических нагрузках в условиях выведения КА на орбиту и при транспортировке его с завода-изготовителя на космодром. Упрощается работа с баллоном в наземных условиях за счет наличия в нем равномерно расположенных элементов крепления 5 и тем самым дополнительно обеспечивается надежность баллона.As a result of manufacturing a metal-plastic balloon, according to the described method, reliability is increased due to the fact that the liner is made of solid hemispherical shells, since a spherical shell made in this way provides the greatest strength compared to other forms of shells with the same thickness when exposed to cavitation a turbulent mass of liquid (working fluid) under external mechanical loads under the conditions of SC launch into orbit and during transportation from the manufacturing plant tela to the spaceport. The work with the cylinder is simplified in ground conditions due to the presence of uniformly located fastening elements 5 in it, and thereby the reliability of the cylinder is additionally ensured.

В настоящее время предложенное решение находится на стадии подготовки к выпуску конструкторской документации по нему.Currently, the proposed solution is in preparation for the release of design documentation for it.

Claims

A method of manufacturing a metal-plastic high-pressure cylinder, in which a metal liner is made from the upper and lower bottoms with the same wall thickness, hermetically connect their edges; perform uniformly located cylinder attachment elements; conduct heat treatment of a metal liner; an external reinforcing reinforcing sheath is made from a tape composite material by the method of wet ring winding with tension of threads or ribbons of the reinforcing material impregnated with a binder; drying and polymerizing the reinforcing reinforcing sheath; carry out an autofretting operation, characterized in that the bottoms are made hemispherical with outward-curved edges, on which upper and lower frames are installed with uniformly protruding outwards protruding outwards with a height gap between them and with identical vertically coaxial holes in them; between the frames around the perimeter clamp the outwardly curved edges of the bottoms of the liner and connect them together and with the frames with one external weld along the perimeter; before performing the specified external weld, the manufacture and tight connection with the liner by welding a high pressure tube; in each gap, a metal washer is installed with a hole, vertically coaxial holes in the protrusions of the frames; connect the edges of the protrusions of the frames and washers outside by welding.