CN113686220B - 刚柔复合防爆罐 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种刚柔复合防爆罐，具有防爆能力强、安全系数高的特点；且能够抑制火焰，避免***时火焰的泄露。包括：顶盖、外壳体、夹层填充体、内壳体、底部吸能层、底部填充体、底部缓冲层以及底部支撑；外壳体为两端开口的筒形结构，内壳体为顶部开口，底部通过半球形壳体封闭的筒形结构；外壳体同轴套装在内壳体外部，底部与底部支撑的球形面相贯连接；夹层填充体填充在外壳体与内壳体柱形段之间的环形夹层内；顶盖用于封闭外壳体顶部开口；底部吸能层设置在内壳体内部柱形段和半球形段的连接处；底部吸能层与内壳体半球形段包络的空间内填充底部填充体；底部缓冲层设置在外壳体内部，由外壳体、内壳体半球形段以及底部支撑所包络的空间内。
Description
技术领域
本发明涉及一种防爆罐，具体涉及一种刚柔复合防爆罐，属于防护装备技术领域。
背景技术
***是一种能量高速释放的过程，其对于防爆装备防护要求极高。当前防爆装备一般原理主要有吸能式、阻挡式和复合式。
吸能式防爆：基于吸能式防爆原理的防爆结构一般主要采用复合材料、泡沫铝、液体等易变形材料组成，利用***后材料本身发生较大变形或者发生相态变化，将***危害转化为无害的动能，达到防护的效果。其优点是质量轻、二次伤害低；缺点是容易有飞溅物，需要在一定的安全距离内。
阻挡式防爆：基于阻挡式防爆原理的防爆结构一般为刚性金属、混凝土等不易变形的材料组成，***后能够将冲击波阻隔，达到防护的效果。其优点是无飞溅，能够完全将***物阻隔在一处；缺点是一般重量较大，过量***条件下可能存在二次伤害。
复合式防爆：复合式防爆结构一般是在内层设置吸能式结构，外层设置阻挡式结构，这样既能够通过内层吸收***能力，减弱对外层结构的冲击作用，外层结构一般为硬质结构，可以将***后产生的碎片及吸能结构整体大变形约束在总体结构内部。也有部分是采用内层刚性结构，外层复合增强结构，如内层采用金属钢，外层采用喷涂聚合物或者纤维缠绕结构，从而增加整体结构抗力。典型的结构如ZL 201810815781.8提出的，采用齿啮结构，内层采用高强度钢，外层缠绕纤维材料，该方案顶部填充多层的泡沫铝结构能够具有良好的吸能效果，但是此种结构在***后顶盖不易打开，因为冲击波压缩泡沫铝后，挤压侧壁，容易出现锁死的现象。此外，由于其本身不带有抑制火焰的结构，在***瞬间，会有火焰的泄露。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种刚柔复合防爆罐，具有防爆能力强、安全系数高的特点；且能够抑制火焰，避免***时火焰的泄露。
所述的刚柔复合防爆罐包括：顶盖、外壳体、夹层填充体、内壳体、底部吸能层、底部填充体、底部缓冲层以及底部支撑；
所述外壳体为两端开口的筒形结构，所述内壳体为顶部开口，底部通过半球形壳体封闭的筒形结构；所述底部支撑为半球形结构；
所述内壳体底部的球形面与所述底部支撑的球形面相对；所述外壳体同轴套装在内壳体外部，底部与所述底部支撑的球形面相贯连接；
所述夹层填充体填充在所述外壳体与内壳体柱形段之间的环形夹层内；
所述顶盖用于封闭所述外壳体顶部开口；
所述底部吸能层设置在所述内壳体内部柱形段和半球形段的连接处；所述底部吸能层与所述内壳体半球形段包络的空间内填充底部填充体；
所述底部缓冲层设置在所述外壳体内部，由所述外壳体、内壳体半球形段以及底部支撑所包络的空间内。
作为本发明的一种优选方式：所述顶盖包括：顶板、顶部夹层、隔板、外包板、低密泡沫铝、曲面板、高密度泡沫铝以及液体层；
所述顶板采用高强度钢制成，通过齿啮合的形式与所述外壳体相连；
所述顶部下端连接有隔板，所述隔板与所述顶板之间设置顶部夹层，所述顶部夹层采用泡沫填充的负泊松比结构；
所述隔板下方为由外包板包络而成的倒置的锥台形空间，锥台形空间的下端开口通过液体层封闭；
在由隔板、外包板以及液体层包围而成的锥台形空间内设置曲面板，所述曲面板外凸的弧形面朝下，在所述曲面板与所述隔板之间的部分填充高密度泡沫铝，曲面板两侧与外包板以及液体层之间的部分填充低密度泡沫铝；
所述高密度泡沫铝采用闭孔式泡沫铝；
所述低密度泡沫铝采用开孔式的泡沫铝。
作为本发明的一种优选方式：所述顶板上表面设置有把手。
作为本发明的一种优选方式：所述顶部夹层为二维的内凹六边形蜂窝结构，采用硬质聚氨酯泡沫体填充后形成的负泊松比结构。
作为本发明的一种优选方式：所述外壳体包括：外壳超弹性层、外壳上体、焊接加强层以及外壳主体；
所述外壳主体上方连接外壳上体，所述外壳上体用于和顶板啮合；在所述外壳主体与所述外壳上体的连接处设置焊接加强层；最后在外壳上体以及外壳主体所形成的整体的外部设置外壳超弹性层。
作为本发明的一种优选方式：所述外壳超弹性层采用上厚下薄的变壁厚结构。
作为本发明的一种优选方式：所述夹层填充体填充小球，填充小球紧密排列填满所述外壳体与内壳体之间的空间；所述填充小球为注塑多腔室球体结构。
作为本发明的一种优选方式：所述内壳体为多层结构，其从内向外依次为：内壳体内层、夹心层、内壳外层和内壳超弹性层；在所述内壳体内层、的内圆周面上还设置有加强筋；
所述内壳外层采用韧性钢材；所述夹心层采用纤维缠绕结构；所述内壳体内层采用硬质脆性钢材。
作为本发明的一种优选方式：所述底部吸能层包括：底层盖体、底层填充体、底层吸能体以及底层外壳；
所述底层盖体和底层外壳均为PE纤维薄膜材料，用于封装底层吸能体；所述底层吸能体为多孔纤维复合板，其每个孔内填充底层填充体，底层填充体为采用聚醚TPU薄膜封装的防爆液体。
作为本发明的一种优选方式：所述底层填充体为填充在内壳体半球形段内填充多孔的球体结构的高密度硬质聚氨酯球体。
作为本发明的一种优选方式：所述底层填充体中采用梯度密度的填充方式，从下往上填充的球体的密度递减或从下往上填充球体的填充密度递减。
作为本发明的一种优选方式：所述底部支撑包括半球形壳体的底部结构层、设置在半球形的底部结构层内表面的加强筋层以及设置在底部结构层外表面的底部超弹性层。
有益效果：
(1)顶盖中设置具有负泊松比结构的夹层，在***后使顶盖易打开，并能够通过顶盖中的底部液体层达到灭火和吸收冲击波的作用。
(2)外壳体和内壳体之间设置夹层填充体，夹层填充体采用注塑多腔室球体结构，使得该防爆罐防爆性能更强，同时价格低廉。
(3)设置底部吸能层，在***时冲击波冲破底层盖体，加速并打散底层吸能体中的防爆液体，同时通过底层吸能体的开孔的结构进入到底层填充体中，进一步增强了该防爆罐防爆性能。
(4)底部支撑采用半球形结构，应力分布均匀，能够避免结构碎裂。
(5)底部缓冲层在冲击作用下发生压缩，能够有效的吸收能量，同时能够减震降噪。
附图说明
图1为本发明的复合防爆罐的总体结构示意图；
图2为顶盖的结构示意图；
图3为顶部夹层所采用的负泊松比结构示意图；
图4为外层壳体示意图；
图5为夹层填充体的结构示意图；
图6为内层壳体示意图；
图7为底部吸能层示意图；
图8为底部支撑层示意图。
其中：1-顶盖，2-外壳体，3-夹层填充体，4-内壳体，5-底部吸能层，6-底部填充体，7-底部缓冲层，8-底部支撑；
1.1-顶板，1.2-把手，1.3-顶部夹层，1.4-隔板，1.5-外包板，1.6-低密度泡沫铝，1.7-曲面板，1.8-高密度泡沫铝，1.9-液体层；
2.1-外壳超弹性层，2.2-外壳上体，2.3-焊接加强层，2.4-外壳主体；
4.1-内壳超弹性层，4.2-内壳外层，4.3-夹心层1，4.4-内壳体内层，4.5-加强筋；
5.1-底层盖体，5.2-底层填充体，5.3-底层吸能体，5.4-底层外壳；
8.1-加强筋层，8.2-底部结构层，8.3-底部超弹性层
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种刚柔复合防爆罐，具有防爆能力强、安全系数高的特点。
如图1所示，该刚柔复合防爆罐包括：顶盖1、外壳体2、夹层填充体3、内壳体4、底部吸能层5、底部填充体6、底部缓冲层7以及底部支撑8。
其中外壳体2为两端开口的筒形结构，内壳体4为顶部开口，底部通过半球形壳体封闭的筒形结构(即内壳体4包括柱形段和半球形段)；内壳体4底部通过底部缓冲层7与半球形的底部支撑8相连，其中内壳体4底部的球形面与底部支撑8的球形面相对；外壳体2同轴套装在内壳体4以及底部缓冲层7外部，外壳体2底部与底部支撑8的球形面相贯连接。外壳体2与内壳体4之间具有设定间隙，形成环形夹层，用于填充夹层填充体3，由此形成该复合防爆罐的罐体。顶盖1盖装在罐体顶部，封闭罐体顶部开口；底部吸能层5设置在内壳体4内部柱形段和半球形段的连接处，底部吸能层5与内壳体4半球形段包络的空间内填充底部填充体6。
具体的：
如图2所示，顶盖1包括：顶板1.1、把手1.2、顶部夹层1.3、隔板1.4、外包板1.5、低密泡沫铝1.6、曲面板1.7、高密度泡沫铝1.8以及液体层1.9。顶盖1采用上宽下窄的锥台形结构，并且具有负泊松比结构的夹层，在***后易打开，并能够通过底部液体层1.9达到灭火和吸收冲击波的作用。
顶板1.1采用高强度钢制成，钢强度≥1200Mpa，能够抵抗较大变形，顶板1.1通过齿啮合的形式与外壳体2相连。顶板1.1上表面设置有把手1.2。顶部1.1下端连接有隔板1.4，隔板1.4与顶板1.1之间具有间隙，用于设置顶部夹层1.3。隔板1.4采用高强的PE纤维层压板，PE纤维层压板低密度且具有较强的抗拉强度，能够在冲击作用下发生大变形。
隔板1.4与顶板1.1之间的顶部夹层1.3采用泡沫填充的负泊松比结构；进一步泡沫填充负的负泊松比结构采用如图3所示的二维的内凹六边形蜂窝结构，采用硬质聚氨酯泡沫体填充。负泊松比蜂窝主体在面外方向受到***冲击作用时，由于结构的负泊松比效应，蜂窝结构向面内收缩，从多个方向压缩填充的聚氨酯泡沫吸能***冲击能量，从而能够快速吸收***冲击能量。此外填充的聚氨酯泡沫硬化后将与蜂窝胞元相互作用，使胞元避免出现屈曲、褶皱等多种变形模式进一步吸收***冲击能量。相比于普通蜂窝结构以及泡沫填充结构，在相同面密度下，泡沫填充负泊松比结构具有更高的能量吸收能力。
隔板1.4下方为由外包板1.5包络而成的倒置的锥台形空间，锥台形空间的下端开口通过液体层1.9封闭；在由隔板1.4、外包板1.5以及液体层1.9包围而成的锥台形空间内设置曲面板1.7，曲面板1.7为高强度弧形膜片，其外凸的弧形面朝下，曲面板1.7开口端的尺寸与隔板1.4尺寸一致，由此将锥台形空间分为三部分；其中隔板1.4与曲面板1.7之间的部分填充高密度泡沫铝1.8，曲面板1.7两侧与外包板1.5以及液体层1.9之间的部分填充低密度泡沫铝1.6；高密度泡沫铝1.8采用闭孔式泡沫铝，能够在曲面板1.7压缩下，发生大变形，由于闭孔泡沫铝内部有多个腔室的胞元，胞元结构挤压，压实的过程能够吸收大量能量。低密度泡沫铝1.6采用开孔式的泡沫铝，开孔式的结构，能够将***冲击波结构的峰面打散，形成多个小型波峰面，从而降低入射到高强度膜片中的冲击波压力峰值。而曲面板1.7的弧形面可以将冲击波能量整体加载在高密度泡沫铝1.8上，同时由于本身为弧面结构，具有较好的抗冲击性能。
设置在顶盖1最底部的液体层1.9在***冲击波作用下能够破碎，同时削弱冲击波，***冲击波将液体打散后，可以加快火焰的熄灭。同时其后方为开孔式的泡沫铝结构(即低密度泡沫铝1.6)，液体打散后进入开孔式泡沫铝结构中，与泡沫铝结构碰撞，吸收大量的能量。
如图4所示，外壳体2包括：外壳超弹性层2.1、外壳上体2.2、焊接加强层2.3以及外壳主体2.4。其中外壳主体2.4上方连接外壳上体2.2，外壳上体2.2用于和顶板1.1啮合；在外壳主体2.4与外壳上体2.2的连接处设置焊接加强层2.3；最后在外壳上体2.2以及外壳主体2.4所形成的整体的外部设置外壳超弹性层2.1；外壳超弹性层2.1采用喷涂聚脲形成。进一步外壳超弹性层2.1可采用变壁厚的结构，考虑到顶部冲击波压力较大，在从顶部起至1/3高度位置处采用较厚的喷涂，其余部分厚度较薄。进一步，顶部起至1/3高度位置处外壳超弹性层2.1的厚度为6mm，其余部分外壳超弹性层2.1的厚度为4mm，且较厚部分和较薄部分均匀过渡。
夹层填充体3采用如图5所示的填充小球，填充小球紧密排列填满外壳体2与内壳体4之间的空间。填充小球为注塑多腔室球体结构，球体材料基于改性尼龙，通过增加碳纤维增强强度，通过增加阻燃剂增加阻燃效果。采用小球填充的方式，一方面可以填充异形结构中，相对于泡沫铝结构，其具有较低的密度，加工难度小，同时防爆性能更强，相对于其他非金属泡沫结构，具有良好的强度，且无需采用定制模具进行发泡，节约了成本。填充小球可采用专利ZL201410421570.8中的非金属防爆球。
如图6所示，内壳体4为多层结构，其从内向外依次为：内壳体内层4.4、夹心层4.3、内壳外层4.2和内壳超弹性层4.1；此外，在内壳体内层4.4的内圆周面上还设置有加强筋4.5。其中内壳超弹性层4.1采用喷涂聚脲形成，进一步可采用变壁厚的结构，考虑到其中间部分变形较大，在中间处采用厚度较厚的喷涂，其余部分厚度较薄。进一步，中间处壁厚为6mm，其余为4mm，过渡处要求均匀。内壳外层4.2采用韧性钢材，其断裂伸长率大于等于30％；夹心层4.3采用纤维缠绕结构，进一步，纤维采用PE、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或多种混合。内壳体内层4.4采用硬质脆性钢材，进一步可采用30CrMnSiA，35CrMnSiA、40CrMnSiA等高强度脆性钢材。内壳体内层4.4的脆性钢在***载荷作用下会沿着加筋的方向碎裂，从而吸收一定的能量，同时夹心层4.3的纤维缠绕的结构，保证碎片剪切纤维，造成纤维断裂，从而衰减破片动能，保证碎片不与内壳体外层4.2刚性接触。加强筋4.5包括沿高度方向均匀间隔排列的环形加强筋以及沿周向均匀间隔排列的纵向加强筋。
如图7所示，底部吸能层5为设置在内壳体4内部柱形段和半球形段连接处的具有设定厚度的圆形板；包括：底层盖体5.1、底层填充体5.2、底层吸能体5.3以及底层外壳5.4；其中底层盖体5.1和底层外壳5.4均为PE纤维薄膜材料，主要是封装底层吸能体5.3。底层外壳5.4为顶部开口底部封闭的空心结构，其内部设置底层吸能体5.3，底层吸能体5.3为多孔纤维复合板，其每个孔内填充底层填充体5.2，底层填充体5.2为采用聚醚TPU薄膜封装的防爆液体；底层盖体5.1盖装在底层外壳5.4顶部开口端，从而封装其内部的底层吸能体5.3。在***时冲击波冲破底层盖体5.1，加速并打散底层吸能体5.3TPU中的防爆液体，同时通过底层吸能体5.3的开孔的结构进入到底层填充体6中。进一步，底层吸能体5.3可以调整位置，当***的外包装尺寸较高，而***量较小的情况下，可以调整底部球体的数量，从而改变***的位置。进一步，底层填充体5.2的直径为20mm，底层吸能体5.3上的开孔面积为其整体面积的30％。
在内壳体4半球形段内填充多孔的球体结构的高密度硬质聚氨酯球体，形成底层填充体6；进一步的，可采用填充梯度密度的球体结构(即填充的球体的密度呈梯度分布)，底部填充的球体的密度较高(0.4g/cm3),顶部填充的球体的密度低(0.1g/cm3)；或填充密度呈梯度分布，底部填充直径大小为5mm～10mm球体，顶部填充10mm～30mm球体结构。采用多孔的球体结构的高密度硬质聚氨酯球体进行填充形成一种多腔室的结构(空气就相当于腔室)。在冲击波波阵面过来时，由于存在不同的密度，冲击波波阵面会打散成多个波正面，并在空隙和泡沫介质中传播，而结构本身破碎吸收大量能量，从而减少了冲击波传入到内壳体4中的能量。
底部支撑8为半球形结构，其球面侧与内壳体4的球面端相对，平面侧支撑在地面上；如图8所示，底部支撑8包括半球形壳体的底部结构层8.2、设置在半球形的底部结构层8.2内表面的加强筋层8.1以及设置在底部结构层8.2外表面的底部超弹性层8.3，加强筋层8.1采用栅格网状结构，能够减少冲击作用。底部支撑8采用半球形结构，应力分布均匀，能够避免结构碎裂。外壳体2的下端与底部支撑8的外表面相贯连接。
底部缓冲层7为设置在外壳体2内部，由外壳体2、内壳体4半球形段以及底部支撑8所包络的空间内；底部缓冲层7为闭孔聚氨酯弹性体；底部缓冲层7在冲击作用下发生压缩，能够有效的吸收能量，同时能够减震降噪。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.刚柔复合防爆罐，其特征在于：包括：顶盖（1）、外壳体（2）、夹层填充体（3）、内壳体（4）、底部吸能层（5）、底部填充体（6）、底部缓冲层（7）以及底部支撑（8）；
所述外壳体（2）为两端开口的筒形结构，所述内壳体（4）为顶部开口，底部通过半球形壳体封闭的筒形结构；所述底部支撑（8）为半球形结构；
所述内壳体（4）底部的球形面与所述底部支撑（8）的球形面相对；所述外壳体（2）同轴套装在内壳体（4）外部，底部与所述底部支撑（8）的球形面相贯连接；
所述夹层填充体（3）填充在所述外壳体（2）与内壳体（4）柱形段之间的环形夹层内；
所述顶盖（1）用于封闭所述外壳体（2）的顶部开口；
所述底部吸能层（5）设置在所述内壳体（4）内部柱形段和半球形段的连接处；所述底部吸能层（5）与所述内壳体（4）半球形段包络的空间内填充底部填充体（6）；
所述底部缓冲层（7）设置在所述外壳体（2）内部，由所述外壳体（2）、内壳体（4）半球形段以及底部支撑（8）所包络的空间内；
所述顶盖（1）包括：顶板（1.1）、顶部夹层（1.3）、隔板（1.4）、外包板（1.5）、低密度泡沫铝（1.6）、曲面板（1.7）、高密度泡沫铝（1.8）以及液体层（1.9）；
所述顶板（1.1）采用高强度钢制成，通过齿啮合的形式与所述外壳体（2）相连；
所述顶板（1.1）下端连接有隔板（1.4），所述隔板（1.4）与所述顶板（1.1）之间设置顶部夹层（1.3），所述顶部夹层（1.3）为采用泡沫填充的负泊松比结构；
所述隔板（1.4）下方为由外包板（1.5）包络而成的倒置的锥台形空间，锥台形空间的下端开口通过液体层（1.9）封闭；
在由隔板（1.4）、外包板（1.5）以及液体层（1.9）包围而成的锥台形空间内设置曲面板（1.7），所述曲面板（1.7）外凸的弧形面朝下，在所述曲面板（1.7）与所述隔板（1.4）之间的部分填充高密度泡沫铝（1.8），曲面板（1.7）两侧与外包板（1.5）以及液体层（1.9）之间的部分填充低密度泡沫铝（1.6）；
所述高密度泡沫铝（1.8）采用闭孔式泡沫铝；
所述低密度泡沫铝（1.6）采用开孔式的泡沫铝。
2.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述顶板（1.1）上表面设置有把手（1.2）。
3.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述顶部夹层（1.3）为二维的内凹六边形蜂窝结构，采用硬质聚氨酯泡沫体填充后形成的负泊松比结构。
4.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述外壳体（2）包括：外壳超弹性层（2.1）、外壳上体（2.2）、焊接加强层（2.3）以及外壳主体（2.4）；
所述外壳主体（2.4）上方连接外壳上体（2.2），所述外壳上体（2.2）用于和顶板（1.1）啮合；在所述外壳主体（2.4）与所述外壳上体（2.2）的连接处设置焊接加强层（2.3）；最后在外壳上体（2.2）以及外壳主体（2.4）所形成的整体的外部设置外壳超弹性层（2.1）。
5.如权利要求4所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述外壳超弹性层（2.1）采用上厚下薄的变壁厚结构。
6.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述夹层填充体（3）为填充小球，填充小球紧密排列填满所述外壳体（2）与内壳体（4）之间的空间；所述填充小球为注塑多腔室球体结构。
7.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述内壳体（4）为多层结构，其从内向外依次为：内壳体内层（4.4）、夹心层（4.3）、内壳外层（4.2）和内壳超弹性层（4.1）；在所述内壳体内层（4.4）的内圆周面上还设置有加强筋（4.5）；
所述内壳外层（4.2）采用韧性钢材；所述夹心层（4.3）采用纤维缠绕结构；所述内壳体内层（4.4）采用硬质脆性钢材。
8.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述底部吸能层（5）包括：底层盖体（5.1）、底层填充体（5.2）、底层吸能体（5.3）以及底层外壳（5.4）；
所述底层盖体（5.1）和底层外壳（5.4）均为PE纤维薄膜材料，用于封装底层吸能体（5.3）；所述底层吸能体（5.3）为多孔纤维复合板，其每个孔内填充底层填充体（5.2），底层填充体（5.2）为采用聚醚TPU薄膜封装的防爆液体。
9.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述底部填充体（6）为填充在内壳体（4）半球形段内的高密度硬质聚氨酯球体，所述高密度硬质聚氨酯球体为多孔的球体结构。
10.如权利要求9所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述底部填充体（6）中采用梯度密度的填充方式，从下往上填充的球体的密度递减或从下往上填充球体的填充密度递减。
11.如权利要求1所述的刚柔复合防爆罐，其特征在于：所述底部支撑（8）包括半球形壳体的底部结构层（8.2）、设置在半球形的底部结构层（8.2）内表面的加强筋层（8.1）以及设置在底部结构层（8.2）外表面的底部超弹性层（8.3）。
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