CC BY
103
678.067: 621.763 (075,8)
КОМПОЗИТНЫЙ ТОРОВЫЙ БАЛЛОН ДЛЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОЙ СХЕМОЙ
АРМИРОВАНИЯ СИЛОВОЙ ОБОЛОЧКИ
Д-р техн. наук. проф. MA. КОМКОВ, сту<). Ч.Н. ТХЛНЬ
Рас см отрывается д вусл о иная m ор ов œi a юл очка с продольно-поперечна ù сх ем о й армирования. Получены уравнения, определяющие напряжения а нитях продольного и поперечного ее слоев, с учетам ширины наматываемой ленты. Представлены результаты испытаний, характер и место разрушения стеклопластикошш оболочки торового баллона, приведены 'экспериментальные и расчетные значения относительных деформаций оболочки в зависимости от величины внутреннего дарения.
Tw о-1 ayer torus s hall with ihe wedge-reed svstem of reinjorceme/it is examinée/. The équations cletermining voltages in longitudinal and tr ans ver se oj its filaments sections taking into account tape width were obtained\ Test results\ as well as char acier and a t rouh/e spot of a glass-fiber she/l in a torus container are présentai, experimental and design values of strains in a shell depending on quant i ty of interior pressure are given
Композитные и металлокомпозитные хоровые баллоны для дыхательных аппаратов относятся к новым перспективным баллонам высокого давления. Они удачно компонуются в дыхательных аппаратах различного назначения, обладают хорошими массовыми характеристиками, имеют большие возможности для дальнейшего совершенствования и организации серийного производства.
В настоящее время потребности мирового рынка в баллонах для дыхательных аппаратов всех типов [1] составляет 350 ООО штук в год. В основном это стальные, металлокомпозитные или полимерно-композитные 2-х...9-ти литровые цилиндрические баллоны массой 2,5... 12,0 кг, эксплуатируемые при давлениях 20...24 или 30 МПа. В то же время эргономические испытания дыхательных аппаратов с баллонами торовой формы на спине человека (подъем по лестницам, перемещения ползком, прохождение люков, водных стоков, разбор завалов) показали значительные их преимущества по сравнению с цилиндрическими аналогами.
Равные по объему торовые баллоны имеют меньший диаметр сечения, чем цилиндрические, для них не требуется спинная крепежная пластина и поэтому они меньше выступают наружу от спины человека, а для регулятора давления не требуется защитный колпак, так как регулятор размещается в центре тора (баранки). При этом у человека освобождается (разгружается) плечевой пояс и обеспечивается более устойчивое положение баллона на спине, повышается маневренность в ограниченном пространстве.
Хотя замена цилиндрических баллонов на равновеликие композитные и металлокомпозитные торовые баллоны дает значительные эргономические преимущества и выгоды, а также снижение веса аппарата, для зарубежных производителей [I] в настоящее время остаются еще не решенными задачи проектирования и технология намотки композитных торовых баллонов с требуемыми параметрами.
В то же время теоретические и экспериментальные исследования по созданию композитных торов в МГТУ им. Н.Э. Баумана проводятся сравнительно давно. Получены положительные результаты как в вопросах проектирования [2—4] и конструирования [5, 6], так и в разработке технологии и средств изготовления намоткой [5, 7, 8] композитных торовых баллонов (рис. 1) на торонамоточном станке (рис. 2) оригинальной конструкции [9, 10].
2006
№3
. >/.V •. . .. •.
Рис. I. Стекло пластиковый торовыП баллон, изготовленный спиральной намоткой нитей
Рис. 2. Общий вид торонамоточного станка СНТ-2А с кольцевой шпулей.Намотка нитей на торовую оправку
Разработанная технология, спроектированное оборудование и оснастка позволяют изготовить намоткой из композиционных и комбинированных материалов опытные и натурные образцы торовых баллонов, сравнительные характеристики которых представлены в таблице [8].
Анализ результатов исследований показывает, что замена металлического торового баллона на аналогичный металлокопозитный (сталь + эпоксидный углепластик) дает экономию массы в 1,9 раза. Еще больший технический эффект достигается при использовании в качестве материала герметика полимерных пленок [11]. В этом случае стеклопластиковые торо-вые баллоны имеют в 3,25...3,75 раза больший параметр конструктивного совершенства И^, чем стальные торовые баллоны одинаковых объемов и геометрических размеров.
Однако процесс изготовления композитных торов спиральной намоткой с применением песчано-полимерных одноразовых оправок [5, 8] весьма трудоемок, а процесс изготовления металлокомпозитных торовых баллонов — дорогостоящий. Поэтому в основу создания технологичных, легких и недорогих полимерно-композитных торовых баллонов положено два принципа их проектирования и изготовления.
№3
2006
Таблица
Характеристики торовых баллонов, испытанных внутренним давлением
Параметры баллонов Материал Силовая оболочка торовых баллонов
металлическая комбинированная стеклопластиковая
сталь Х18Н1 ОТ Х18Н10Т + УКН-300 ВМ-1+ ЭДТ-10 ВМ-1+ ЭДТ-10
ц=гя/го 0,65 0,63 0,6 0,67
Апах, ММ 480 482 403 485
¿/сехи мм 82 82/88 76/82 85
Уоб, ДМ"* 6,7 6,9 4,8 6,8
мм 1,0 1,0 0,72 * 0,75 *
1гк0, мм — 1,66 0,93 1,64
Мм, кг — 1,01 0,63 1Д7
МСд, кг 2,05 3,11 1,01 1,62
Рргъ МПа 9,3 25,5 24,0 25,2
кДж/кг 31,0 60,0 183,0 145,0
И^д, кДж/кг 30,4 58,6 114,0 105,0
* —толщина слоя герметика из намотанного термопласта; ]Уо6 = Р,УЛ-У^ /Моб — параметр конструктивного совершенства силовой оболочки; 1¥сд — то же сосуда давления; УкН-300 и ВМ-1 — соответственно марка углеродного и стеклянного волокна; ЭДТ-10 -марка эпоксидного связующего; \х — относительное отверстие тора.
1. Применение в конструкции баллона эластичной герметизирующей оболочки-лей-нера (резина, полимер), обеспечивающей полную реализацию прочности однонаправленного КМ, например, стеклопластика.
2. Исключение из технологического процесса намотки использования одноразовых удаляемых песчано-полимерных оправок, что существенно сокращает трудоемкость и цикл изготовления силовой композитной оболочки торового баллона.
Предлагается альтернативная работе [7] конструкция и технология изготовления торового баллона с двухслойной стеклопластиковой силовой оболочкой (СО), которая наматывается за две операции. Сначала на многоразовые металлические оправки наматываются элементы внутреннего продольного слоя СО, а после отверждения связующего и сборки продольного слоя с герметизирующей оболочкой на него, как на неудаляемую оправку, на торонамоточном станке наматывается поперечный слой СО торового баллона.
Рассмотрим композитный торовый баллон, силовая оболочка которого изготовлена одновременной намоткой продольных и поперечных лент [12] шириной и Г,. Чтобы торовая оболочка с продольно-поперечной (ПП) схемой армирования полностью воспринимала нагрузку от внутреннего давления, продольный слой должен располагаться
№3
2006
между герметизирующей оболочкой и поперечным слоем (рис. 3) или между двумя поперечными слоями. Для создания композитного торового баллона с ГШ схемой армирования необходимо определить напряженное состояние и толщину слоев силовой торовой оболочки (рис. 4) с учетом ширины [13] наматываемой ленты.
Рис. 3. Схема намотки слоев композитной оболочки торового баллона: / — нити (лента) поперечного слоя, 2 — нити (лента) продольного слоя, 3 — герметизирующая оболочка-лейиер, 4 — песчано-полимерная
оправка
Рис.4, Расчетная схема круговой торовой оболочки с ПП схемой армирования: /
2 — продольный слой
поперечный слой,
№3
2006
Под действием внутреннего давления Р в круговой торовой оболочке радиуса /? возникают меридиональные N1 и окружные усилия /У2. Учитывая, что второй главный радиус кривизны тора Л2 = га/сова, для определения сил в круговой торовой оболочке получим
PR
/ ~ , _____N
V
2а + cos а а + cos а
(i)
/
PR
N2=a2ah2a= —
(2)
где а — угловая координата или широта тора; ra = R (а + cosa) — текущим радиус вращения оболочки; a = cJR —геометрический параметр кругового тора; а1ц и ст2и —-напряжение в нитях поперечного и продольного слоев на широте а; Л1а и h2a — соответственно толщины слоев оболочки.
Из уравнения (2) следует, что расчетная толщина продольного слоя оболочки, без учета ширины наматываемой ленты, постоянна и равна
/ / V
К = 1г2а =■
2^]
(3)
где Р - давление разрушения; [стк2] — допустимое напряжение на растяжение однонаправленного КМ в продольном слое.
Толщина поперечного слоя намотки изменяется вдоль меридиана тора. Из условия непрерывности намотки в поперечном направлении: raha = const, можем записать
rn , а +1
к = /г,„ —= Л
1 Ma '40 '"10
ra а + cos a
(4)
где йш, г0 — соответственно толщина слоя намотки и радиус вращения оболочки при угле а = 0. Подставив значения для к1а из (4) в уравнение (1), найдем напряжение, действующее в нитях поперечного слоя без учета влияния продольного слоя
= 1«
PR (2a + cos a) 2 hl0(a +1)
(5)
Напряжения (5) достигают своего максимума при а = 0, следовательно, расчетная
толщина поперечного слоя намотки в этой точке будет
2,0 2[с , ](а + 1)
(б)
где [ак|] — допустимое напряжение на растяжение однонаправленного КМ в поперечном слое на большом экваторе тора при угле а = 0.
Подставив значения для начальной толщины /?10 из (6) в (4), найдем переменную
толщину поперечной намотки
_ 2я + 1
\
la
V I гг ,
KUV" ' —
2[akl]l ci + cosa
(7)
Однако под давлением, после растрескивания связующего, когда слои торовой оболочки перестают работать совместно как единое целое, каждый виток ленты поперечного слоя будет удерживаться в равновесии за счет напряжения межслойного сдвига, создающего дополнительную силу, действующую на продольный слой. На внутренней сторо-
2006
№3
не тора при углах а > л/2 поперечный слой должен еще воспринимать и отрывные силы витков ленты продольного слоя.
В соответствии со сказанным и из рассмотрения рис. 4 суммарная сила действующая на поперечный слой с учетом влияния продольного слоя на внешней стороне тора в диапазоне углов: 0 < а < я/2, будет
\л
W V = tffu Л,а = Ni + N'x = N> + М,
j
i
R
\
\
/
sina,
(8)
и
)
где
сила межслойного сдвига в поперечном направлении за счет влияния сил
продольного слоя.
Подставив значения N. и из (1), (2) и гц = R (а + qosol) в (8), получим*.
= Кt
pr
i
/
2а + cos a + sin a ^
4
a + cosa
(9)
7
После подстановки h{a из (7) в (9) с учетом (б), найдем
V Pmft( 2rt + cosa + sina
ОТ = -J-
I и.
2/7
JU
V
а +1
х r J 2« + cos a + sin a
= tCTJ
J
\
2a +1
(10)
На внутренней стороне тора в диапазоне углов: п/2 < а < п, суммарная сила
действующая на поперечный слой, будет
A'.v = сг„ л>« = + + Л?,
2" = N. + N2
R
\
sina - N,
)
\
r
(JL
cosa,
(id
j
где N:f>
сила, действующая в поперечном слое за счет отрывных сил витков ленты
продольного слоя в нормальном направлении. Подставив значения /V, и N. из уравнений (Г) и (2) в зависимость (11) и учитывая (7) и (6), получим
a
V
Р R
L _ ра J
tu
( 1
Ii
10
la -f-sina а +1
\
/
i®.,]
f 2a +sina ^
\
2a +I
(12)
/
Анализируя (10) и (12) замечаем, что напряжение в нитях поперечного слоя а^ достигают своего максимума при а-я/4. Приравняв в (10) при а = я/4 максимальные напряжения ст^ пределу прочности однонаправленного КМ на растяжение сг11К, найдем допустимое (расчетное) напряжение на растяжение в поперечном слое на большом экваторе тора при а = 0
/
faja-
О
а
вк
2а+ 1
\
V
2а + 1,414 j
(13)
Напряжение в нитях продольного слоя с учетом ширины наматываемой ленты зависит от места их расположения на торовой поверхности, т. е. от радиуса вращения оболочки га = R (д + собоО.
Рассмотрим положение ленты (рис. 5) на широте тора от угла а = алв до угла а = алв + Да, где Аа = /,//? = 2т - угловая ширина ленты. Длина крайних витков нитей в ленте
Д(8 =2к R {а + cosct.lh), Дш = 2 я R [ а + cos( a + 2т],
а текущая длина витка нитей с координатой a
№3
2006
Da =27ttf(fl + cosot), алв <а<а .
(15)
Da = 2;г£
Рис. 5. Положение натянутой ленты продольного слоя на поверхности кругового тора
(к определению деформации ленты продольного слоя)
При намотке с натяжением нити ленты растягиваются неравномерно с увеличением степени деформирования от правого края ленты до левого (14), поэтому относительная деформация нити на левом краю ленты будет
£ = —-^ =---1 (16)
0Пр а + со3(а;ш + 2т)
а текущее значение относительной деформации нитей по ширине ленты в диапазоне углов алв <а<апп с учетом (15), определяется формулой
»I ^ I 1| *
8 (а) = ~= fl + cosa__i
Интегрируя уравнение (17) в диапазоне углов алв < а < а (рис
(17)
деформации
гке на шиюоте тога ос = а
л в
ГА
-им 1 Г / х, sin(°L, +2x)-smami а
ет =— вт(а)<г/а = —^-----1. (18)
Да * 2% а + costo + 2т)| ¿z + cosía-. + 2т)
tt:Th
Под действием внутреннего давления Р нити ленты будут растягиваться вплоть до разрушения. Считаем, что закон деформирования нитей продольного слоя от давления (рис. 6) такой же, как и при намотке (17). Найдем среднее реализуемое значение относительной деформации нитей по ширине ленты в момент разрушения крайней из них
е," =8 ~8 + б"\
2к к л в т '
где ек — относительная разрушающая деформация однонаправленного КМ.
мз
2006
6
Рис. 6. Закон деформирования ленты продольного слоя на поверхности тора: а — при намотке на торовую
оболочку, б —- под действием внутреннего разрушающего давления
Подставив в равенство (19) значения елц из (16) и еГ из (18), найдем среднее реализуемое напряжение в продольной ленте шириной /2 = 2 т /?, уложенной на широте тора
а = а
ли
—Л
СТ2и ~ £2К
а
со5а + [5П7а-5т(а + 2т)]/2т
вк
а +С05
(а + 2т)
Е - ал
2а
(20)
где Ек — модуль упругости однонаправленного КМ. Из анализа выражения (20) следует, что средние напряжение ап1а в нитях ленты продольного слоя постоянной толщины достигают своего минимального значения при а = я/2.
Приравняв напряжения ст^ в (20) при а = я/2 допустимому значению напряжения на растяжение [ак2] и считая угловую ширину ленты 2 т малым углом, найдем расчетное (разрушающее) напряжение однонаправленного КМ в продольном слое на вершине тора
1-е05 2т 2т (а -2т) '
(21)
Подставив значение [ак3] из (21) в (3), определим необходимую (расчетную) толщину продольного слоя А2 = 1г2а.
Были проведены испытания торового баллона с максимальным диаметром 403 мм и диаметром сечения 83 мм (рис. 8). Стеклопластиковая торовая оболочка ( а = 4) изготовлена одновременной намоткой продольного и поперечного слоев (два + три). Ширина и толщина наматываемых лент, набранных из 10 нитей с линейной плотностью Текс - 14,4мг/м, составляли: гп = 2мм, /;л = 0,055 мм. Механические характеристики однонаправленного СП по результатам испытаний кольцевых образцов-свидетелей: авк = 1620 МПа, Е = 58...60 ГПа, £к = (2,3 ± 0,1) %. Торовые баллоны разрушились при
АУМАНА
мьпиоиа
№3
2006
давлениях Р = 4,12 и 3,75 МПа. При этом реализация прочности однонаправленного СП в продольном слое на вершине торовой оболочки (а = тс/2) составила 61,5%.
При испытаниях торового баллона измерялись относительные деформации в поперечном и продольном направлениях с помощью тензодатчиков КБ-10-20011. Результаты измерений на трех ступенях нагружения торовой оболочки давлением 1,0 МПа, 2,0 МПа и давлением 3,0 МПа представлены на рис. 7, а и рис. 7, б в сравнении с рассчитанными кривыми, полученным по выше найденным уравнениям. Экспериментальные значения относительных деформаций е, и е2а в достаточной мере отражают вид и степень изме-
1.4
е-,. %
1,8
1.2
1 .
0.8
0.6
0,4 .
0.2
1.6
1.4
1.2
1
0.0
0.6
0,4 .
0.2
О
180
180
а)
а, град
а, град
б)
Рис. 7. Относительные деформации поперечного (а) и продольного (б) слоев торового баллона с ПП схемой армирования композитной оболочки под давлением: У — давление в оболочке 1,0 МПа; 2 — давление в
оболочке 2,0 МПа; 3 — давление в оболочке 3,0 МПа; — расчетные кривые;
О — экспериментальные значения оболочки № 1; [] — экспериментальные значения оболочки № 2
нения расчетных кривых вдоль меридиана тора. Общий вид и характер разрушения торового баллона представлены на рис. 8. Как и следовало ожидать, торовые оболочки с продольно поперечной схемой армирования разрушались вблизи вершины тора в районе
углов а
фотографии
деформац
жений) и характер разрушения торового баллона показали, что метод определения напряжений в композитной торовой оболочке с продольно-поперечной схемой армирования по выражениям (10), (12) и (20) является удовлетворительным.
№3
2006
Г7;. У'
? , Л.
,. т/
A*äPTV«'•• V-. • • : « : г.:-jm ;/ f.•. . .
Рис. 8. Общий вид и характер разрушения торового баллона с ПП схемой армирования: а — на большом
экваторе тора при а - 0; б — на вершине тора при а ~ я/2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cook J., С h a m b e г s J. Toroidal pressure vessels for breathing apparatus. Paris, 19- International Conference SAMPE Europe, April 1098, Pp. 125—132.
2. Нехорош и x Г. E., Комков М. А,, М у л ю г и и a М. В. Влияние различных схем намотки на весовые характеристики трубопроводов //Применение пластмасс в машиностроении. — 1976. — № 15. — С. 33—39.
3. Комков М. А., Ш и ш а ц к и й В. А. Анализ массы комбинированной торовой оболочки кругового сечения // Применение пластмасс в машиностроении. — 1981. — № 18. — С. 92—100.
4. Комков М.А. Проектирование конструкции и технологии изготовления намоткой из композиционных материалов оболочек торовых сосудов давления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». — 2004. — № 3. — С. 5 1—65.
5. Сосуды давления из композиционных материалов в конструкциях Л А / И.М. Буланов, М.А. Комков, В.М. Кузнецов, В.И. Смыслов. — М.: ЦНИИ информации, 1985. — 308с.
6. К о м к о в М. А., Б у л а н о в И. М. Определение конструктивно-технических параметров оболочек, намотанных из композиционных материалов: Учебное пособие. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1992. — 84 с.
7. Буланов И. М.Дом ков М.А. Изготовление конструкций метолом намотки. Оборудование, режимы, оснастка: Учебное пособие. — М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1987. — 40 с.
8. Комков М. А. Определение конструктивных и технологических параметров намотки композитных баллонов торовой формы. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. — 24 с.
9. A.c. №825439 СССР, МКИ 53 0 В 65. Устройство для оплетки изделий торовой формы /А.К. Добровольский, В.М. Кузнецов, М.А. Комков и др. // Б.И. — 1981. — № 16.
10. Патент № 2243091 РФ, В 28В 21/00 Устройство для изготовления изделий торообразиой формы / В.И. Кол-ганов, A.B. Колганов, М.А. Комков // Б.И. — 2004. — № 36.
М.Буланов И. М., Комков М. А. Применение жестких полимерных пленок в криогенных топливных системах аэрокосмической техники // Вестник МГТУ, Машиностроение. — 1992. — № L — С. 14—24.
12. A.c. №876475 СССР, МКИ 53 0 В 29. Способ намотки торовых оболочек из композиционно-волокнистого материала / Б.Н. Крутиков, В.Н. Кузнецов, М.А. Комков и др. // Б.И. — 198 1. — № 40.
□ .Комков М, А., Б у л а н о в И. М., Ш и ш а ц к и й В. А. Выбор ширины однонаправленных лент для плотной намотки торовых оболочек // Применение пластмасс в машиностроении. — 1986. — № 21. — С. 55—63.
