CN110220106B - 一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无缝连接复合材料压力容器结构技术领域，具体为一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法，包括内衬，内衬包括两个对称设置的左封头和右封头以及位于左封头和右封头之间的筒体，左封头和右封头均具有封头直边，封头直边的外端外壁开设有密封槽，密封槽内设置有密封元件，封头直边的根部开设有端面槽，左封头和右封头的外表面轴线方向设置有封头接管。本发明结构简单，使用方便，可有效的提高材料利用率，进一步减轻压力容器重量，提高压力容器可靠性；可以代替焊缝实现封头与筒体在内压条件下轴向方向连续性；封头与筒体能够承受高压液体以及高压气体的能力。
Description
技术领域
本发明涉及无缝连接复合材料压力容器结构技术领域，具体为一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法。
背景技术
轻量化压力容器可用于具有较高内压等级的储存容器(例如，气体存储容器和液体存储容器)，被广泛地应用于化工、航空航天以及新能源汽车用燃料储罐等领域。随着工业与国防装备不断进步，复合材料压力容器正在向着大尺寸，高参数化以及轻量化等方向发展，这对材料、结构以及高效的制备工艺提出了越来越高的要求。复合材料缠绕金属内衬压力容器作为轻量化压力容器发展的主要方向，受到各领域专家的广泛关注。
现有的复合材料缠绕金属内衬压力容器，其金属内衬往往采用旋压和焊接等方法制造，例如小型和壁厚较薄的内衬往往采用模压和旋压成型工艺，而较大的内衬则采用卷制和焊接成型工艺，其中，对于模压和旋压成型工艺，内衬的壁厚单一无法进行局部补强，并需要对封头接管部位进行再加工，而焊接成型往往由于焊接缺陷的存在降低了内衬的损伤容限，鉴于此，我们提出一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法，以解决上述背景技术中提出的内衬的壁厚单一无法进行局部补强，并需要对封头接管部位进行再加工，而焊接成型往往由于焊接缺陷的存在降低了内衬的损伤容限等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法，压力容器包括内衬，所述内衬包括两个对称设置的左封头和右封头以及位于所述左封头和右封头之间的筒体，所述左封头和右封头均具有封头直边，所述封头直边的外端外壁开设有密封槽，所述密封槽内设置有密封元件，所述封头直边的根部开设有端面槽，所述左封头和右封头的外表面轴线方向设置有封头接管，靠近所述左封头一侧的封头接管外壁设置有左旋螺纹，靠近所述右封头一侧的封头接管外壁设置有右旋螺纹。
作为优选，所述左封头与相邻的封头接管为一体成型结构，所述右封头与相邻的封头接管为一体成型结构。
作为优选，所述筒体的端部具有内倒角，且所述筒体的端部外径小于筒身部位的外径。
作为优选，所述筒体的两端嵌入端面槽中，并与密封元件过盈配合。
作为优选，所述左封头、右封头和筒体的外表面设置有过渡层，所述筒体的外部依次设置有第一工艺层和第二工艺层，所述第一工艺层为环向缠绕纤维，所述第二工艺层为纵向缠绕纤维。
作为优选，所述筒体的筒身外径等于所述左封头和所述右封头的最大外径。
作为优选，所述筒体的筒身外径小于所述左封头和所述右封头的最大外径。
辅助工装包括螺纹杆，两个所述封头接管的外部分别螺纹连接有左旋异径螺母和右旋异径螺母，所述螺纹杆的两端分别穿过左封头和右封头且与所述封头接管之间为间隙配合，所述螺纹杆的两端分别与左旋异径螺母和右旋异径螺母螺纹连接，所述左旋异径螺母和右旋异径螺母的外端均设置有内外螺纹螺母，所述内外螺纹螺母的内外壁分别设置有内螺纹和外螺纹，两个所述内外螺纹螺母的外部分别螺纹连接有左支撑杆和右支撑杆。
作为优选，所述左旋异径螺母与所述左封头一侧的封头接管通过左旋螺纹配合，所述左旋异径螺母与螺纹杆配合的螺纹为右旋的螺纹，所述右旋异径螺母、内外螺纹螺母和左支撑杆和右支撑杆的外螺纹均为右旋的螺纹，所述螺纹杆分别与两端的左旋异径螺母、右旋异径螺母和内外螺纹螺母螺纹配合。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构简单，使用方便，封头与筒体相互独立，封头与筒体的厚度设计自由，可有效的提高材料利用率，进一步减轻压力容器重量，提高压力容器可靠性；纵向缠绕纤维可以代替焊缝实现封头与筒体在内压条件下轴向方向连续性；封头与筒体能够承受高压液体以及高压气体的能力；并且，本发明提出的辅助成型工装通过双螺母锁紧原理，在纤维缠绕张力的作用下，两侧异径螺母可以为两端封头提供相同方向和相同大小的扭矩，两端封头不会发生相对运动，因此，该装置适用于较薄壳体复合材料压力容器及复合材料压力管道的成型，本发明具有很大的实用价值，便于推广。
附图说明
图1为本发明中无缝连接复合材料压力容器结构的整体结构示意图；
图2为本发明中无缝连接复合材料压力容器结构的辅助成型工装的整体结构示意图之一；
图3为本发明的安装示意图之一；
图4为本发明的安装示意图之二；
图5为本发明的安装示意图之三；
图6为本发明的安装示意图之四；
图7为本发明中复合材料压力容器结构的辅助成型工装的整体结构示意图之二。
图中：1、左封头；2、右封头；3、筒体；4、端面槽；5、密封元件；6、密封槽；7、左旋螺纹；8、右旋螺纹；9、封头接管；10、封头直边；11、左旋异径螺母；12、右旋异径螺母；13、调节垫片；14、螺纹杆；15、内外螺纹螺母；16、外螺纹；17、内螺纹；18、垫片；19、左支撑杆；20、右支撑杆；21、过渡层；22、第一工艺层；23、第二工艺层；24、第一锥形封头主体；25、第二锥形封头主体；26、左旋型螺纹；27、轴向接管；28、圆锥面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
一种无缝连接复合材料压力容器，如图1所示，包括内衬，内衬包括两个对称设置的左封头1和右封头2以及位于左封头1和右封头2之间的筒体3，左封头1和右封头2均具有封头直边10，封头直边10的外端外壁开设有密封槽6，密封槽6内设置有密封元件5，密封槽6用于安装密封元件，保证密封效果，封头直边10的根部开设有端面槽4，用于限制筒体3的端部因膨胀变形导致泄漏失效，左封头1和右封头2的外表面轴线方向设置有封头接管9，靠近左封头1一侧的封头接管9外壁设置有左旋螺纹7，靠近右封头2一侧的封头接管9外壁设置有右旋螺纹8，便于进行安装和拆卸。
具体的，密封元件5为含有挡圈的气体及液体自适应性主动密封圈，为孔用密封和起径向密封作用的密封圈或含有挡圈的孔用组合密封圈。
进一步的，封头与筒体3之间采用无焊缝连接技术，保证连接紧密，封头与筒体3可以实现不等厚设计，封头与筒体3可以采用不同材料，密封元件5采用自适应主动密封技术，保证密封效果。
进一步的，左封头1与相邻的封头接管9为一体成型结构，右封头2与相邻的封头接管9为一体成型结构，保证结构强度高，不易损坏。
进一步的，筒体3的端部具有内倒角，且筒体3的端部外径小于筒身部位的外径，便于进行安装使用。
进一步的，筒体3的两端嵌入端面槽4中，并与密封元件5过盈配合。保证连接紧密。
进一步的，左封头1、右封头2和筒体3的外表面设置有过渡层21，筒体3的外部依次设置有第一工艺层22和第二工艺层23，第一工艺层22为环向缠绕纤维，第二工艺层23为纵向缠绕纤维，能够对左封头1、右封头2和筒体3进行防护。
进一步的，过渡层21包括表面活化层和具有高剪切模量的粘接层，第一工艺层22和第二工艺层23为由纤维缠绕机相对于内衬轴线一定角度通过纤维丝交叉缠绕于内衬外表面而形成，第一工艺层22包括相对于筒体3的表面圆周定向的纤维，第二工艺层23包括相对于筒体3表面轴向定向的纤维和环向定向的纤维，纤维包括玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维及其类似物。
进一步的，筒体3的筒身外径等于或小于左封头1和右封头2的最大外径，能够避免筒体3的外壁与外界磨损。
实施例2
如图2所示，本发明在实施例1的基础上提供了一种用于无缝连接复合材料压力容器的辅助工装，包括螺纹杆14，用于支撑和传递扭矩，两个封头接管9的外部分别螺纹连接有左旋异径螺母11和右旋异径螺母12，左旋异径螺母11代表缠绕支撑端，右旋异径螺母12代表缠绕系统扭矩提供端，左旋异径螺母11和右旋异径螺母12与封头接管9之间添加适当厚度的调节垫片13并压紧配合，保证密封效果，螺纹杆14的两端分别穿过左封头1和右封头2且与封头接管9之间为间隙配合，螺纹杆14的两端分别与左旋异径螺母11和右旋异径螺母12螺纹连接，左旋异径螺母11和右旋异径螺母12的外端均设置有内外螺纹螺母15，内外螺纹螺母15的内外壁分别设置有内螺纹17和外螺纹16，两个内外螺纹螺母15的外部分别螺纹连接有左支撑杆19和右支撑杆20，用于传递缠绕机提供的扭矩和承受系统自重引起的弯矩，内外螺纹螺母15与左旋异径螺母11和右旋异径螺母12之间均通过垫片18压紧配合。
具体的，左旋异径螺母11与左封头1一侧的封头接管9通过左旋螺纹7配合，左旋异径螺母11与螺纹杆14配合的螺纹为右旋的螺纹，右旋异径螺母12、内外螺纹螺母15和左支撑杆19和右支撑杆20的外螺纹均为右旋的螺纹，螺纹杆14分别与两端的左旋异径螺母11、右旋异径螺母12和内外螺纹螺母15螺纹配合。
值得说明的是，内外螺纹螺母15、左旋异径螺母11和右旋异径螺母12与垫片18之间通过双螺母锁紧原理，在纤维缠绕张力的作用下，两侧左旋异径螺母11和右旋异径螺母12可以为两端封头提供相同方向和相同大小的扭矩，两端封头不会发生相对运动。缠绕机主轴提供的扭矩Ttotal等于纤维缠绕张力相对轴线引起的扭矩T1和支撑端摩擦阻力引起的扭矩T2之和，即Ttotal＝T1+T2。
本实施例的无缝连接复合材料压力容器的辅助工装在使用时，按如下步骤：
步骤一：将密封元件5装入封头直边10形成的密封槽6中。
步骤二：将薄壁的筒体3的端部装入封头直边10根部的端面槽4中，筒体3与密封元件5过盈接触，初步形成内衬。
步骤三：在步骤一形成的内衬外表面部位涂覆过渡层21。
步骤四：在步骤二形成的内衬端部部位，按顺序安装辅助成型工装。
步骤五：利用纤维缠绕的方式在内衬的外表面形成第一工艺层22和第二工艺层23。
实施例3
本发明在实施例1的基础上还提供了一种用于复合材料压力容器结构的辅助成型工装，如图7所示，包括具有轴向接管27的第一锥形封头主体24和第二锥形封头主体25，在第一锥形封头主体24和第二锥形封头主体25的外表面形成的圆锥面28；与圆锥面28相互配合的薄壁筒件3；与螺纹杆14和第一锥形封头主体24和第二锥形封头主体25的轴向接管27进行螺纹配合的两种左旋异径螺母11和右旋异径螺母12，其中左代表缠绕支撑端，右代表缠绕系统扭矩提供端，左旋异径螺母11和右旋异径螺母12与轴向接管27之间添加适当厚度的调节垫片13并压紧配合，将螺纹杆14通过螺纹配合的方式穿过左旋异径螺母11和右旋异径螺母12，再将内外螺纹螺母15与螺纹杆14进行螺纹配合，其中，内外螺纹螺母15与左旋异径螺母11和右旋异径螺母12之间通过垫片18压紧配合，最后将支撑杆19、20与内外螺纹螺母15通过螺纹配合。
左旋异径螺母11与第一锥形封头主体24配合的螺纹为左旋型螺纹26，与螺纹杆14配合的螺纹为右旋螺纹的右旋异径螺母12，右旋异径螺母12，内外螺纹螺母15、左支撑杆19、右支撑杆20以及第二锥形封头主体25的接管外螺纹都为右旋螺纹。
螺纹杆14贯穿第一锥形封头主体24和第二锥形封头主体25，且与第一锥形封头主体24和第二锥形封头主体25之间为间隙配合，螺纹杆14分别与左旋异径螺母11、右旋异径螺母12和内外螺纹螺母15进行螺纹配合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种使用辅助工装制作无缝连接复合材料压力容器的方法，其特征在于：
压力容器包括内衬，所述内衬包括两个对称设置的左封头(1)和右封头(2)以及位于所述左封头(1)和右封头(2)之间的筒体(3)，所述左封头(1)和右封头(2)均具有封头直边(10)，所述封头直边(10)的外端外壁开设有密封槽(6)，所述密封槽(6)内设置有密封元件(5)，所述封头直边(10)的根部开设有端面槽(4)，所述左封头(1)和右封头(2)的外表面轴线方向设置有封头接管(9)，靠近所述左封头(1)一侧的封头接管(9)外壁设置有左旋螺纹(7)，靠近所述右封头(2)一侧的封头接管(9)外壁设置有右旋螺纹(8)；所述左封头(1)与相邻的封头接管(9)为一体成型结构，所述右封头(2)与相邻的封头接管(9)为一体成型结构；所述筒体(3)的端部具有内倒角，且所述筒体(3)的端部外径小于筒身部位的外径；所述筒体(3)的两端嵌入端面槽(4)中，并与密封元件(5)过盈配合；所述左封头(1)、右封头(2)和筒体(3)的外表面设置有过渡层(21)，所述筒体(3)的外部依次设置有第一工艺层(22)和第二工艺层(23)，所述第一工艺层(22)为环向缠绕纤维，所述第二工艺层(23)为纵向缠绕纤维；所述筒体(3)的筒身外径等于所述左封头(1)和所述右封头(2)的最大外径；所述筒体(3)的筒身外径小于所述左封头(1)和所述右封头(2)的最大外径；
辅助工装包括螺纹杆(14)，两个所述封头接管(9)的外部分别螺纹连接有左旋异径螺母(11)和右旋异径螺母(12)，所述螺纹杆(14)的两端分别穿过左封头(1)和右封头(2)且与所述封头接管(9)之间为间隙配合，所述螺纹杆(14)的两端分别与左旋异径螺母(11)和右旋异径螺母(12)螺纹连接，所述左旋异径螺母(11)和右旋异径螺母(12)的外端均设置有内外螺纹螺母(15)，所述内外螺纹螺母(15)的内外壁分别设置有内螺纹(17)和外螺纹(16)，两个所述内外螺纹螺母(15)的外部分别螺纹连接有左支撑杆(19)和右支撑杆(20)；所述左旋异径螺母(11)与所述左封头(1)一侧的封头接管(9)通过左旋螺纹(7)配合，所述左旋异径螺母(11)与螺纹杆(14)配合的螺纹为右旋的螺纹，所述右旋异径螺母(12)、内外螺纹螺母(15)和左支撑杆(19)和右支撑杆(20)的外螺纹均为右旋的螺纹，所述螺纹杆(14)分别与两端的左旋异径螺母(11)、右旋异径螺母(12)和内外螺纹螺母(15)螺纹配合；
在使用时，按如下步骤：步骤一：将密封元件(5)装入封头直边(10)形成的密封槽(6)中；步骤二：将薄壁的筒体(3)的端部装入封头直边(10)根部的端面槽(4)中，筒体(3)与密封元件(5)过盈接触，初步形成内衬；步骤三：在步骤一形成的内衬外表面部位涂覆过渡层(21),且使得过渡层(21)包括表面活化层和具有高剪切模量的粘接层，第一工艺层(22)和第二工艺层(23)为由纤维缠绕机相对于内衬轴线一定角度通过纤维丝交叉缠绕于内衬外表面而形成，第一工艺层(22)包括相对于筒体(3)的表面圆周定向的纤维，第二工艺层(23)包括相对于筒体(3)表面轴向定向的纤维和环向定向的纤维；步骤四：在步骤二形成的内衬端部部位，按顺序安装辅助成型工装；步骤五：利用纤维缠绕的方式在内衬的外表面形成第一工艺层(22)和第二工艺层(23)。
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