Автореферат (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления), страница 3

Анализируя последнее соотношение, нетрудно видеть, чтогеодезическая намотка реализуема только в случае, когда радиусы полюсныхотверстий одинаковы. Если же эти радиусы различны (рис. 10), условие (8),очевидно, не выполняется, и траектории укладки армирующих нитей на частибаллона будут отличаться от геодезических. Такую намотку принято называтьнегеодезической.Поскольку при негеодезической намотке армирующая нить удерживаетсяот соскальзывания с поверхности оправки благодаря силам трения, очевидно,существует минимальное значение коэффициента трения между нитью иповерхностью, обеспечивающее статическое равновесие нити.Рис. 10 Схема баллона давленияДля тангенса угла геодезического отклонения:tg  'r 2rr '' (r 2   2 )'21 r2(9)20Оптимальный угол армирования определяется из соотношения уравнениятраектории намотки:2 r 2   2 tg r 2  t 20'(10)где:  - угол охвата лентой из нитей оправки при одном возвратнопоступательном ходе раскладочной головки намоточного станка; - угол между нормалью к поверхности оправки n и нормалью ктраектории укладки нити v, называемый углом геодезического отклонения.r-радиус оболочкиt 20  r 20 2q 0 r0pпараметр,определяемыйсиловымиграничнымиусловиями по контуру полюсного отверстия.

Для днищ, замкнутых в вершинеили закрытых крышкой, q0 t0  r0pr0и t0  0 , а для свободного от нагрузки контура2;q0 - погонное осевое усилие, действующее на контуре полюсногоотверстия.Толщина спиральных слоев на экваторе днища рассчитывается поформуле:hСПА p a 2  r 2 0   2q 0 r0(11)2a cos 2  aгде : a - экваториальный радиус днища; p - величина внутреннегодавления; q 0 - осевое погонное усилие, распределенное по контуру полюсногоотверстия; r0 - радиус полюсного отверстия;  - допускаемое напряжение прирастяжении нити;  a - угол армирования на экваторе днища.Толщинакольцевыхслоевнацилиндрическойчастикорпусарассчитывается по формуле:hК pa 2  tg 2 a2(12)21Из толщины элементарного монослоя he определяется количествоспиральных и кольцевых слоев nСП и nК :nСП hСПАh, nK  Khehe(13)Определяются фактические толщины спиральных слоев на экваторе днищаи кольцевых слоев на цилиндрической части корпуса:h ф СПА  nСП he , h ф К  n К he(14).Напряжение в спиральном слое в произвольной точке меридиана днищаопределяется по формуле: СП pr.2hСП cos 2 (15)Напряжение в кольцевых слоях материала на цилиндрической частиоболочки корпуса определяется по формуле:pa   СП h ф СПА sin 2  aK .hфК(16)В рамках жесткостного расчета определяются деформации и перемещенияцилиндрической части баллона, деформативность которой существеннопревосходитдеформативностьднищ.Вначалевычисляютсяжесткостицилиндрической части по формулам:B11  Eh ф СПА cos 4  aB12  Eh ф СПА cos 2  a sin 2  a(17)B22  Eh ф СПА sin 4  a  Eh ф Kгде E - модуль упругостиОсевая и окружная относительные деформации цилиндрической части ε1 иε2 определяются по формулам: 1  pa0,5B22  B12B11B22  B 212B  0,5B12 2  pa 11,B11 B22  B 212где p -величина внутреннего давления.(18)22Впятойглавепроводитсяразработкатехнологииизготовлениясверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления БК-7 иБК-8.С учетом изложенных расчетно-теоретических результатов разработаныконструктивно-технологические решения и технология изготовления 2-х типовгерметичных баллонов давления БК-7 и БК-8 с общими характеристиками –объемом 7литров.Геометрические характеристики представлены на рис.

11Рис. 11 Геометрические характеристики баллона давленияPрабочее = 300 кг 2смPразрушения ≥780 кгсм 2Требования по цикличности – не менее 10000 циклов.Первый тип баллона – БК-7, изготовленный на основе цельнотянутоголейнера из стали 12Х3ГНМФБА. Технология изготовления лейнера (вырубка,штамповка, мехобработка, сварка и т.д.) разработана на базе технологиисуществующего серийного стального баллона БК-5. Силовая оболочкавыполнена из стеклоровинга РВМПН 19-1480-80 и связующего ЭД-22, схеманамотки: спиральный слой – два кольцевых слоя – спиральный слой – двакольцевых слоя – спиральный слой. Вес баллона- не более 5,5 кг.23Второй тип баллона - БК-8 изготовленного на основе цельносварноголейнера из тонкостенной нержавеющей стали 12ХН10Т. Толщина листа –0,1 - 0,5 мм.

Силовая оболочка выполнена из углепластика Торнелл Т-700 исвязующего ЭД-22, схема намотки X-II-X-II-X. Вес баллона - не более 3 кг.Типовая технология изготовления лейнера представлена на рис. 12.Рис. 12 Типовая технология изготовления лейнераДля намотки силовых оболочек баллонов спроектирован и изготовленспециальный станок WM2 (рис.

13):Основные параметры станка:Габариты: ширина х высота х глубина, мм2300 х 1300 х 2180Вес, кг825Наибольший диаметр изделия, мм350Наибольшая длина изделия, мм600Количество регулируемых координат3Наибольшая скорость намотки, м/с2Максимальное усилие натяжения, кг3Максимальный вес изделия, кг10Используемая электроэнергия400В/ 230В/ 50ГцУстановленная мощность, КВА524Рабочее давление в пневмосистеме, бар6±1Рис. 13 Намоточный станок WM-2Технологический процесс изготовления металлокомпозитных баллоновБК-7 и БК-8 является типовым и состоит из следующих операций:1. Комплектация основных материалов.2.

Входной контроль основных материалов.3. Подготовка намоточного станка WM2.800.4. Приготовление связующего.5. Намотка силовой оболочки.6. Отверждение силовой оболочки.7. Выходной контроль по параметру G - масса изделия (кг).При намотке тонкостенных силовых оболочек БК-8 используется рядрешений. Например, заполнение для повышения жесткости лейнера принамотке водой или воздухом.При создании облегченного комбинированного композитного баллона сцилиндрическим сверхтонким лейнером сварные швы герметизирующеголейнера выведены из зоны воздействия моментных напряжений, т.е. выведеныиз изотензоидной (сферической) части баллона в цилиндрическую часть, чтопозволилозначительноуменьшитьмассусконструированногобаллона25относительно баллонов аналогичного типа.

При этом толщина металлическогослоя δмет. и толщина композитного слоя δком. находятся в соотношенииδмет.=(0,1÷0,2) δком.Результаты отработки баллонов БК-7 и БК-8 приведены в табл.1 и нарис.14.Таблица 1Результаты испытаний баллона БК-7№ баллонаЛейнер,вес (кг)Число слоевКоличество жгутов1Давлениеразрушения (атм)3,2603 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц.

сл. - 120080723,0933 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 120079432,9403 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 120078643,4253 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 120081853,3333 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл . - 690кольц. сл. - 1200812_____//_________//_________//__________//__________//_____263,0753 спир.

сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 1200795273,0033 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 1200790283,3773 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 1200815293,3503 спир. сл. ,4 кольц. сл.спир. сл. - 690кольц. сл. - 120081326Рис. 14. Испытанные баллоны БК-7В табл. 2 и на рис. 15 результаты испытаний баллона БК-8.Таблица 2Результаты испытаний баллона БК-8№ баллонаЛейнер, вес (кг)11,45521,48531,43741,49451,517_____//__________//_____171,534181,497Число слоев3 спир. ,4 кольц. сл.3 спир. ,4 кольц.

сл.3 спир. ,4 кольц. сл.3 спир. ,4 кольц. сл.3 спир. ,4 кольц. сл._____//_____3 спир. ,4 кольц. сл.3 спир. ,4 кольц. сл.ДавлениеБаллон, вес (кг)разрушения (атм)7832,9857893,0237912,9948082,9878153,124_____//__________//_____8203,1078093,02527Рис. 15. Испытанный баллон БК-8РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Проведенподробныйанализиобобщенысуществующиеконструктивные схемы и технологические процессы непрерывной намоткибаллонов давления из полимерных композиционных материалов, приведеныварианты оборудования для намотки, что позволило выбрать конструктивнуюсхему сверхлегкого баллона - как комбинированного с металлическимлейнером и композитной силовой оболочкой – и наметить пути решения задачипо созданию серийного производства.2.

Разработана методика по созданию программ непрерывной намотки(программируемойметаллокомпозитныхукладкибесконечногобаллоноввысокогонаполнителя)сверхлегкихдавления.Исследованыопределяющие технологические параметры намотки нитью, позволяющиеразработать алгоритм расчета движения исполнительных органов намоточногостанка.