Диссертация (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления)

2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯГЛАВА I. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХМЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАЛЛОНОВ ДАВЛЕНИЯ1.1.Применение баллонов давления в различных отраслях промышленности1.2.Применение баллонов давления в ракетно-космической промышленностиГЛАВА II. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ НЕПРЕРЫВНОЙ НАМОТКИБАЛЛОНОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ2.1.Технологические способы и схемы намотки2.2.Технологические параметры процесса намотки2.3.Параметры процесса отверждения полимерного композиционногоматериала2.4.

Исходные материалы для изготовления сверхлегких баллонов высокогодавления2.5.Оборудование для намотки.ГЛАВА III. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАМОТКИОБОЛОЧЕК3.1.Определяющие технологические параметры метода намотки нитью.3.2.Некоторые соображения по расчету параметров исполнительных органовнамоточного станка3.3.Методика выбора параметров траектории исполнительных органов станка3.4.Особенности построения алгоритма расчета движения исполнительныхорганов станкаГЛАВА IV. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ ОБОЛОЧКИ КОРПУСАБАЛЛОНА (ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ), ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХАСПЕКТОВ НАМОТКИ4.1.Методика расчета оптимальных углов армирования и контуров днищ4.2.Методика расчета прочности и жесткости силовой оболочки корпуса4.3.Обеспечение процесса пропитки перемещающегося наполнителя (жгута,нити) в ванне со связующим. Расчет длины завершения пропитки34.4.Расчеты силовой оболочки и циклической прочности баллона БК-74.5.Расчеты силовой оболочки и соображения о циклической прочностибаллона БК-8ГЛАВА V.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХЛЕГКИХКОМБИНИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАЛЛОНОВДАВЛЕНИЯ5.1.Типы лейнеров и методика контроля толщины стенки5.2.Разработка типовой технологии изготовления металлокомпозитныхбаллонов давления типа БК-7 и БК-85.3.Описание технологии изготовления комбинированных баллонов давленияБК-7 и БК-85.4.Изготовление и испытание металлокомпозитного баллона БК-75.5.Изготовление и испытание металлокомпозитного баллона БК-85.6.Исследования микроструктурных и технологических параметровизготовления материалов стеклопластиковой и углепластиковой силовыхоболочек баллонов БК-7 и БК-85.7.Сравнительный анализ полученных результатовЗАКЛЮЧЕНИЕБиблиографический список4ВВЕДЕНИЕ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯАктуальность темыВ жидкостных ракетных двигателях и двигательных установкахприменяютсябаллонывысокогодавления,которыеслужатбортовымаккумулятором газов высокого давления, необходимых для обеспеченияработы жидкостного ракетного двигателя и двигательной установки, отмомента запуска, до его останова, в части обеспечения функционированияагрегатовпневмоавтоматики,турбонасосногоагрегата,атакжедляпредпусковой и послепусковой продувки полостей агрегатов и трубопроводовдвигателя.Эти баллоны представляют собой полые шары из сваренных друг сдругом полусфер.

Полусферы изготавливаются штамповкой. В полусферыввариваются штуцеры для заправки и выхода рабочего газа. Креплениебаллонов на двигатели производится с помощью охватывающих сферухомутов, или за штуцеры, или с помощью привариваемых к сферам крепежныхэлементов. Баллоны окрашиваются цветом, соответствующим наименованиюсодержащемуся в баллоне газу. Чертежное обозначение и порядковый номербаллона маркируется на его поверхности краской.На Рисунке 1 приведена принципиальная пневмогидравлическая схемажидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа из которойвидна необходимость использования баллонов высокого давления в целяхобеспечения работоспособности ЖРД, изготовленного по этой схеме.5Рисунок 1.

Схема двигательной установки с насосной системой подачитоплива без дожигания генераторного газа.1 – камера сгорания, 2 - бак окислителя, 3 – бак горючего, 4 – баллон сгазом, 5 – пусковой клапан, 6 – газовый редуктор давления, 7 – обратныйклапан, 8 – газогенератор, 9 – турбонасосный агрегат.Возможность целесообразности применения баллонов высокого давленияиз композиционных материалов была рассмотрена ОАО «КБ химавтоматики» в80 – е годы прошлого столетия в качестве альтернативы по массе стальномубаллону с V = 30 л, применяемого в качестве аккумулятора давления (Р=150кгс/см2) в двигателе 11Д122 для ракетно- космической системы «Энергия Буран».6По заданию ОАО КБХА в ЦНИИМВ (ныне ОАО «Композит») былоспроектировано и изготовлено несколько образцов из органопластика свнутренней резиновой оболочкой.

Баллон содержал один штуцер. Испытанияпоказали, что оболочка из органопластика при рабочем давлении растягиваетсяи эластичности внутренней резиновой оболочки оказывается не достаточно дляобеспечения герметичности баллона по гелию. Увеличение габаритов баллонапод давлением также вызывало проблемы с его закреплением на двигателе.Работы были прекращены в связи с закрытием темы «Энергия- Буран».Всовременнойракетно-космическойпромышленностишар-баллоны,вкоторых под большим давлением (от 220 до 340 кГс/кв. см) хранится гелий,используются для работы пневматических систем жидкостных ракетныхдвигателей. Эти изделия применяют в ракетах типа "Протон", "Ангара-1.2" и"Ангара-А5", в разгонных блоках "Бриз" и "Фрегат", а также в новомкислородно-водородном разгонном блоке, испытания которого должныначаться в 2015 году.Во всех фирмах, производящих баллоны высокого давления, по разномуподходят к выбору конструкции и технологии изготовления.

Поэтому вдиссертации поставлена задача обобщить существующий опыт и разработатьосновы проектирования и порядок технологических операций изготовлениясверхлегких металлокомпозитных баллонов давления (сверхлегкий баллон герметичная металлокомпозитная конструкция минимального веса).Цели и задачи исследованияПодробный анализ существующих методов намотки и исследованиеэтапов технологического процесса непрерывной намотки баллонов изкомпозиционных материалов, в том числе технологические способы и схемынамотки, технологические параметры процесса отверждения полимерногокомпозиционного материала, оборудования для намоткиИсследование определяющих технологических параметров намоткинитью, разработка рекомендации по расчету, выбору параметров траектории7намотки и алгоритмов расчета движения исполнительных органов станка.Разработка инженерной методики проектирования и расчета силовойоболочки корпуса сверхлегкого баллона на прочность и жесткость.Разработка комплекса методов проектированияконструкции итехнологии производства сверхлегких комбинированных металлокомпозитныхбаллонов высокого давления.Анализ результатов отработки стеклопластикового баллона БК-7 иуглепластикового баллона БК-8 с использованием различных конструкций итехнологий изготовления металлических лейнеров.Научная новизнаАнализ и обобщение существующих методов изготовления баллонов изполимерных композиционных материалов и разработка на основе полученныхрезультатов анализа технологии изготовления сверхлегких комбинированныхбаллонов высокого давления.Предложенорешениедлякомплексногометодапроектированиятехнологии производства сверхлегких комбинированных металлокомпозитныхбаллонов высокого давления.Теоретическая и практическая значимость проведенных результатовисследованияИзучениеиобобщениеимеющихсясведенийпроектированияиэксплуатации баллонов, а также основ технологии намотки баллонов изкомпозиционных материалов.Расчеты основных параметров метода намотки нитью с использованиемпрограммного комплекса, а так же при помощи ранее изученных теоретическихположений.Проектирование и расчет нагрузки разрушения металлокомпозитныхбаллонов при помощи программного комплекса.Экспериментальнаяпроцесса на производстве.реализацияразработанноготехнологического8Разработаны методы конструкторско-технологического проектированиясверхлегких баллонов давления для различных отраслей ракетно-космической,авиационной и др.

отраслей техники.Методология и методы исследованияВ работе использованы теоретические методы исследования. Решениязадач базируются на экспериментальных данных и известных теоретическихположениях технологии машиностроения, теоретической механики, теориисопротивления материалов и математического моделирования. Достоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсякорректностьюразработанныхматематических моделей, их адекватностью по известным критериям оценкиизучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальныхнаук, сходимостью полученных теоретических результатов с даннымиэкспериментаирезультатамипромышленнойэксплуатациисозданноготехнологического оборудования, а также с результатами исследований другихавторов.На защиту выносятсяАлгоритм расчета движения исполнительных органов намоточного станкапри изготовлении комбинированного облегченного баллона высокого давления.Инженерная методика проектирования и расчета силовой оболочкикорпуса баллона из полимерных композиционных материалов на прочность ижесткость.Комплексныйсверхлегкихметодпроектированиякомбинированныхтехнологииметаллокомпозитныхпроизводствабаллоноввысокогодавления.Степень достоверности работыРезультаты работы внедрены на ОАО ―Композит‖ в виде технологическойи проектно-конструкторской документации по разработке и созданию9сверхлегких и сверхпрочных баллонов давления (заключение экспертнойкомиссии о состоятельности ТП)Апробация результатов работы и публикацииРезультаты работы были изложены на:1.Доклад на XIII международном симпозиуме «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имениА.Г.

Горшкова, 2007 г.2.Доклад на XIV международном симпозиуме «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имениА.Г. Горшкова, 2008 г.3.Доклад на XV международном симпозиуме «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имениА.Г. Горшкова, 2009 г.По теме диссертации опубликованы две печатных работы в рецензируемомжурнале, входящем в перечень ВАК.10ГЛАВА 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХМЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАЛЛОНОВ ДАВЛЕНИЯбаллонов1.1.ПрименениедавлениявразличныхотрасляхпромышленностиПроведенный автором анализ истории использования баллонов высокогодавления [1, 5, 8, 10, 22, 30, 33, 47, 51, 63, 81, 82], показал, что уже в началеразвития техники выявилась необходимость в такихиспользования энергиибаллонах длясжатого воздуха в целях обеспечения торможенияжелезнодорожного подвижного состава.Необходимость использованияэнергии сжатых газов была востребована при изготовлении вооружения ивоеннойтехники,как,например,впервыхконструкцияхогнеметовиспользовалась энергия сжатого воздуха который накачивался насосом вспециальную емкость, с помощью которой огнемет выполнял свои боевыефункции.Сразвитием техники повышались требования к баллонам высокогодавления и, как показывает практика, они должны обеспечивать следующиепреимущества перед традиционными стальными баллонами [70]:- снижение массы в 1,5 – 2 раза;-повышенныепрочность,износоустойчивость,антикоррозионныесвойства, ударостойкость;-увеличеннуюбезопасность,аименно:высокуюстепеньвзрывобезопасности, отсутствие осколков при превышении допустимогодавления;- возможность применения с различными типами газов и удобствоэксплуатации.Всем этим требованиям соответствуют металлокомпозитные баллонывысокого давления.В настоящее время металлокомпозитные баллоны высокого давлениявостребованы в различных отраслях промышленности, а именно:11- в автомобильной отрасли для перевода автомобильного транспорта нагазовое топливо и, как следствие,создание сети газонаполнительныхкомпрессорных станций;- в атомной промышленности для хранения жидких радиоактивныхотходов и при работе в составе комбинированной энергетической установки,как источника аварийного питания включая атомные электростанции и другиеразличные службы;- в энергетической отрасли металлокомпозитные баллоны находятприменение в составе комбинированных энергоустановок, как источникаварийного питания для нужд малой энергетики;- в сельском хозяйстве естественно востребованы металлокомпозитныебаллоны для перевода на газ сельскохозяйственной техники, а также при работекомбинированных энергоустановок в составе биоэнергетическихсистемсельскохозяйственного назначения;- в нефтегазовой отрасли металлокомпозитные баллоны востребованы длятранспортировки газов, утилизации попутного нефтяного газа с применениемсвободнопоршневого двигателя, а также производства электроэнергии наместах добычи с использованием комбинированной энергетической установки,что снижает затраты на обеспечение всех видов работ в местах добычи,транспортировки и обслуживания нефте – и газопроводов;- в судостроительной промышленности металлокомпозитные баллонывысокого давления используются во многих технологических системахкораблейиподводныхлодок,атакже,естественно,востребованыконструкторами подводного снаряжения.