CN110594576A - 一种全缠绕储气瓶的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全缠绕储气瓶的加工方法，属于高压储气瓶技术领域，包括以下步骤：步骤一，通过冷冲压拉深方式制作内胆；先将铝材坯料拉深形成杯形体半成品，然后将杯形体半成品在强旋设备上强旋减薄，最后将减薄后的杯形体半成品在收口机上收口形成内胆；步骤二，在内胆的外表面全覆盖交叉缠绕至少两层碳纤维形成缠绕层；相邻两层碳纤维的缠绕方向不同。本发明这种加工方法加工出来的储气瓶解决了纤维缠绕不均的问题，使储气瓶的耐压能力更好。

Description

一种全缠绕储气瓶的加工方法
技术领域
本发明涉及高压储气瓶技术领域，具体涉及一种全缠绕储气瓶的加工方法。
背景技术
燃料电池，是一种通过燃烧燃料气体来将其他能量转化为电能的一种电池。燃料电池是一种清洁能源，也是当下环境保护越来越受重视的情况下，用以解决能源污染的有效途径之一。
燃料电池，一般包括用来进行燃料气体存储的储气瓶。燃料电池的续航能力，直接跟储气瓶的气体储存能力相关。因此，为了增加燃料电池的续航能力，往往需要从提高储气瓶的气体储存能力进行研究。
目前，为了提高储气瓶的气体储存能力，通过在储气瓶的内胆外缠绕包裹纤维材料来增加整个储气瓶的耐压能力，进而提高整个储气瓶的气体容纳能力。为了保持储气瓶内胆的各个位置都能够达到设计要求的耐压能力，缠绕线在缠绕的时候一般都全面覆盖在内胆的外表面，我们称其为全缠绕。
然而，现在的储气瓶，其全缠绕普遍多角度、多方向缠绕，容易出现缠绕空隙，并且因此形成缠绕分布不均。
此外，采用金属纤维材料工艺复杂，纤维制造成本高、且金属纤维很难做到纳米级别。
发明内容
本发明意在提供一种全缠绕储气瓶的加工方法，以解决现在加工出来的储气瓶易出现纤维纱缠绕分布不均匀的情况。
一种全缠绕储气瓶的加工方法，包括以下步骤：
步骤一，通过冷冲压拉深方式制作内胆；先将铝材坯料拉深形成杯形体半成品，然后将杯形体半成品在强旋设备上强旋减薄，最后将减薄后的杯形体半成品在收口机上收口形成内胆；
步骤二，在内胆的外表面全覆盖交叉缠绕至少两层碳纤维形成缠绕层；相邻两层碳纤维的缠绕方向不同。
名词解释：
全覆盖：指除了瓶口端，内胆的其他部分的外表面都被缠绕覆盖。
本方案的优点在于：
本方案通过双层碳纤维交叉缠绕，使加工出来的储气瓶能够有效避免出现缠绕不均匀的情况，能够有效避免加工形成的全缠绕储气瓶各个位置缠绕层给内胆提供支撑力不均匀的情况，能够提升整个全缠绕储气瓶的耐压能力。
将铝材坯料通过拉深形成杯形体半成品，能够使加工形成的半成品环向壁厚均匀、纵向偏差小，有利于提高气瓶疲劳性能，使最后成型的内胆更安全。然后通过强旋设备进一步减薄杯形体半成品，使最后形成的内胆能够达到轻量化的目的，最后，将杯形体本成品的开口端收口，完成整个内胆的加工。
进一步，将全缠绕储气瓶半成品放入连续固化炉固化，固化完以后再在缠绕层外表面涂覆光固化树脂，然后放入光固化装置内经紫外线照射至固化完成，形成光固化树脂层。
在缠绕层的外表面上增加光固化树脂层，能够起到美观作用，同时提高气瓶耐候性。
进一步，在步骤二中，在形成缠绕层时先用碳纤维浸润环氧树脂形成碳纤维-环氧体系复合材料，然后将碳纤维-环氧体系复合材料在内胆外表面进行环向缠绕形成环向缠绕层，最后在环向缠绕层的外表面上用碳纤维-环氧体系复合材料进行螺旋缠绕形成螺旋缠绕层。
先缠绕一层环向缠绕层，再缠绕一层螺旋缠绕层，可以使每层碳纤维-环氧体系复合材料能够进行均匀分布，使最后形成的整个缠绕层能够均匀覆盖在内胆外表面，起到保护和增强的作用。而在缠绕之前，先将碳纤维用环氧树脂浸润，使其能够缠绕在内胆外表面形成缠绕层。
进一步，在完成碳纤维-环氧体系复合材料缠绕后，进行固化处理；将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温22至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
在不需要光固化树脂层的时候，直接对缠绕层进行固化处理，逐渐升温至固化完成后冷却。
进一步，强旋设备按照每分钟300-400毫米或者每分钟40-72毫米的速度进行强旋减薄，使杯形体半成品逐渐形成中间薄的结构。
无人机用储气瓶按照每分钟300-400毫米的速度进行强旋减薄，车用储气瓶按照每分钟40-72毫米的速度进行强旋减薄，使杯形体半成品形成中间薄的结构，使最后形成的内胆中间薄，从而减轻整个内胆的重量，达到轻量化的目的。
进一步，在收口过程中，按照每分钟1500-2000毫米的速度对减薄后的杯形体半成品的开口端进行收口，在收口过程中保持360-420℃的温度。
在此条件进行收口，能够不破坏材料性质的前提下，最快完成收口操作。
附图说明
图1为本发明实施例一加工形成的全缠绕储气瓶的结构示意图。
图2为本发明实施例三中加工形成的全缠绕储气瓶中的支撑座的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：轻质壳体10、内胆11、尾塞端封头21、尾塞端211、瓶口端封头22、瓶口端221、第一直径R1、第二直径R2、第三直径R3、第一轴长D1、第二轴长D2、第三轴长D3、封头深度H1、第二深度H2、第三深度H3、第一卡槽110、开口部120、第一卡板100、填充板200、支撑条b、第二卡板400、第二卡槽410。
实施例一
实施例一基本如附图1所示：全缠绕储气瓶，包括内胆11和紧贴并全覆盖内胆11上的轻质壳体10。轻质壳体10包括缠绕层和涂覆在缠绕层外表面的光固化树脂层。其中，光固化树脂层不是必须的，当没有光固化树脂层的时候，轻质壳体10就是缠绕层。其中，内胆11包括左边的尾塞端封头21和右边的瓶口端封头22。
尾塞端封头21的中心位置处焊接有向左伸出，穿过轻质壳体10的尾塞端211。尾塞端211与内胆11同轴，尾塞端211朝向外侧的方向上开有连接口，通过连接口能够使尾塞端211与其他固定结构连接，方便对内胆11或者整个全缠绕储气瓶的固定。
瓶口端封头22的中心位置处连通有向外伸出的管状瓶口端221。瓶口端221与内胆11和尾塞端211同轴。
内胆11轴线的中心点O为内胆筒体的重心，内胆11以过中心点O并垂直于轴线的横截面为分界面，内胆筒体部分从其两端向着分界面的壁厚逐渐地缓慢地减薄。封头(包括瓶口端封头22和尾塞端封头21)到内胆筒体之间的分别连接有瓶口端曲面和尾塞端曲面，瓶口端曲面和尾塞端曲面自身两个端部的距离相同，且分别称为瓶口端封头深度和尾塞端封头深度，两个封头深度都为H1。2*(H1+H2+H3)＝D1，D1为内胆11除去瓶口端221部分的轴线长度，称之为第一轴长D1。其中，第二深度H2和第三深度H3是内胆筒体分界面一端的近似分法，在此只是为了方便表示，实际上整个内胆筒体两端厚中间薄的过渡是十分均匀和缓慢的。
内胆筒体部分的内部平均直径为第一直径R1，内胆筒体部分的外部平均直径为第二直径R2，轻质壳体10与内胆筒体部分对应的结构外部的平均直径为第三直径R3，则内胆筒体部分的平均厚度为(R2-R1)/2≤1.5mm。
其中，第三圆筒的平均厚度(即H3长度内的内胆筒体壁平均厚度)要小于第二圆筒的平均厚度(即H2长度内的内胆筒体壁平均厚度)。其中，第三圆筒的壁厚最薄可以做到1.2mm。相比于现在储气瓶的壁厚通常在1.5mm以上，本方案生产出来的全缠绕储气瓶能够在保证内胆11质量变得更轻，有效容积更大，即单位重量储氢密度更高，本实施例中的单位重量储氢密度全部在7.5％以上。
轻质壳体10，为包裹在内胆11外表面，形成的与内胆11形状相匹配的结构。轻质壳体10与内胆11一样，同样具有尾塞端封头21和瓶口端封头22以及连接瓶口端封头22和尾塞端封头21之间的壳体筒体部分。本实施例中的轻质壳体10，采用按照一定规律缠绕的碳纤维-环氧体系复合材料缠绕后涂覆树脂而成。
内胆11的瓶口端封头22和尾塞端封头21外表面端部之间的距离为第二轴长D2，内胆11瓶口端封头22和尾塞端封头21的平均厚度为(D2-D1)/2。(D2-D1)/2≥1.5mm。
而轻质壳体10的瓶口端封头22和尾塞端封头21外表面端部之间的距离为第三轴长D3，轻质壳体10瓶口端封头22和尾塞端封头21的平均厚度为(D3-D2)/2。(D3-D2)/2≥1.5mm。
瓶口端封头22和尾塞端封头21距离第二圆筒的距离与即封头深度H1，为了使全缠绕储气瓶能够在相同有效容积的前提下，做到质量最轻，在制作内胆11时，使H1/R1≤0.3，当H1/R1＝0.3时，内胆11在容纳相同质量氢气的情况下，整个气瓶最轻。
全缠绕储气瓶的重容比大于0.28小于等于0.43。本实施例中，全缠绕储气瓶的重容比为0.292。相比于现有技术，本实施例的全缠绕储气瓶轻量化，重容比更小，更加有利于燃料电池的续航，有利于无人机等对燃料电池重量要求较为严格的应用环境使用。
本实施例中的缠绕层包括多层环向缠绕和螺旋缠绕交叉层叠的多层碳纤维。即下面一层的碳纤维为环向缠绕，则相邻的上面一层的碳纤维为螺旋缠绕，且每一层的缠绕方向相同。缠绕层中的每层碳纤维均匀分布在内胆筒体外部。内胆筒体部分受力最多，每层碳纤维都均匀缠绕，有助于对内胆筒体部分提供一致的增强和支撑。除了内胆筒体以外，瓶口端封头和尾塞端封头也采用环向缠绕和螺旋缠绕与内胆筒体一起进行缠绕，只是相比于内胆筒体的缠绕角度，在缠绕封头的时候，会因为曲面弯曲度而适当调整缠绕角度。
在缠绕碳纤维之前，需要将碳纤维浸润树脂，树脂可以是环氧、改性环氧、聚脂和乙烯类热固性树脂和聚乙烯、聚酰胺热塑性树脂，这样能够保证碳纤维在缠绕时的粘连性。本实施例中的碳纤维在浸润了环氧热固性树脂后形成了碳纤维-环氧体系复合材料后进行缠绕形成缠绕层。
具体实施过程如下：
首先，通过冷冲压拉深方式制作内胆11。
本实施例中采用铝制内胆：将圆柱体的铝板放置在拉深模具上，通过冲压机的冲头和拉深模具将铝板冲拔成杯形体半成品，杯形体半成品为包括尾塞端封头21和与尾塞端封头21一体成型的筒状结构。
在形成杯形体的时候，至少经过三次拉深，依次形成一次杯形体、二次杯形体和三次杯形体，当只有三此拉深工序的时候，三次杯形体就是通过冲头和拉深模具形成的杯形体半成品。经过多次拉深，使得到的杯形体半成品的筒状结构逐渐变成，同时，使壁厚逐渐减薄，满足轻量化的目的。
在进行拉深过程中，使冲头保持每秒25-40毫米的速度进行冲压。
将杯形体半成品放置在强旋设备上，将强旋设备按照每分钟300-400毫米的速度进行强旋减薄，使杯形体半成品的筒状结构能够逐渐减薄，逐渐形成中间薄的结构。
在筒状结构中各个部分的壁厚达到要求(即内胆11内胆筒体的平均厚度为(R2-R1)/2≤1.5mm)后，以旋压收口的方式，将减薄后的杯形体半成品放到收口机上，按照每分钟1500-2000毫米的速度对减薄后的杯形体半成品的开口端进行收口，在收口过程中保持360-420℃的温度，将杯形体半成品筒状结构的开口端加工成仅留下瓶口端221安装位置的瓶口端封头22，使内胆11形成两端分别带瓶口端封头22和尾塞端封头21的铝制内胆。
铝制内胆加工成型后，需进行热处理：将铝制内胆放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。
在铝制内胆加工成型后，在铝制内胆上用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的螺纹。
铝制内胆的瓶口端封头部分和尾塞端封头部分进行成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证瓶口端封头和尾塞端封头形状，确保内胆瓶口端封头和尾塞端封头的壁厚的一致性和稳定性。
铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。
然后，制作轻质壳体10。
先在内胆11上沿着内胆11外表面全覆盖地交叉缠绕碳纤维形成缠绕层：将在前面步骤中制作好的铝制内胆11，沿着其外壁，通过环向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成缠绕层，得到全缠绕储气瓶半成品。缠绕层的平均厚度为B1。
其中，缠绕层包括多层碳纤维层叠构成。碳纤维在缠绕之前，需要先浸润树脂，本实施例中浸润了环氧热固性树脂后形成了碳纤维-环氧体系复合材料后进行逐层缠绕形成缠绕层。
其中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆11的尾塞端封头21的端头位置焊接上外侧开口的尾塞端211，通过尾塞端211悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料预设一定的张力后通过环向和螺旋缠绕的方式先在内胆11外壁上缠绕环向均匀缠绕一层碳纤维-环氧体系复合材料，然后再在这层碳纤维上螺旋缠绕另外一层碳纤维，为了轻量化的目标，本实施例中仅缠绕两层碳纤维即可。
其中，环向缠绕，与储气瓶横截面的倾斜度为1-10°；螺旋缠绕与储气瓶纵截面的倾斜度为5-35°，两者缠绕方向不同，但每层都是均匀缠绕，能够尽量避免碳纤维缠绕不均匀的情况出现。储气瓶横截面，指的是穿过储气瓶中心并且轮廓呈椭圆形的截面；储气瓶纵截面，指的是穿过储气瓶中心并且轮廓呈圆形的截面。
紧接着，涂覆光固化树脂层：在全缠绕储气瓶半成品的缠绕层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的全缠绕储气瓶半成品放入光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。光固化树脂层的平均厚度为B2。
轻质壳体10的平均厚度为B1+B2，其中(R3-R2)/2≤B1+B2≤(D3-D2)/2。其中，1.2mm≤(R3-R2)/2≤1.5mm，1.5mm≤(D3-D2)/2≤2.0mm。
铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温22至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
实施例二
本实施例中，全缠绕储气瓶的重容比大于0.4小于等于0.5。本实施例中，全缠绕储气瓶的重容比为0.44。相比于现有技术，本实施例的全缠绕储气瓶轻量化，重容比更小，更加有利于燃料电池的续航，有利于车用燃料电池使用。
在拉深的时候，使冲头在80-120℃下将坯料拉深形成杯形体半成品，在每个拉深工序之间，需要对形成的一次杯形体、二次杯形体和三次杯形体进行退火处理。在强旋减薄的时候，强旋设备按照每分钟40-72毫米的速度对杯形体半成品进行减薄。
本方案来源于中国交通部的《基于新能源汽车用碳纤维全缠绕氢燃料储运设备的研发与应用》项目，有利于新能源汽车领域使用。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，全缠绕储气瓶在加工的时候配套加工有用来支撑放置全缠绕储气瓶的支撑座。众所周知，高压储气瓶的运输是一个十分关键的环节，直接制约着高压储气瓶的运用。因此，在加工全缠绕储气瓶的时候，为了更好地实现移动和运输，配套加工形成了可以配合使用的支撑座。
支撑座如图2所示，包括上下分布的第一卡板100和第二卡板400。第一卡板100和第二卡板400之间通过多个(本实施例中是两个)支撑条b连接，支撑条b和第一卡板100和第二卡板400之间采用焊接方式连接。第一卡板100呈“U”型结构，具有横向开口的第一卡槽110，通过第一卡槽110能够卡紧全缠绕储气瓶的内胆筒体。第一卡板100在靠近全缠绕储气瓶的位置具有两个开口部120，开口部120为柔性材质具有弹性，两个开口部120之间的距离小于全缠绕储气瓶的内胆筒体直径，第一卡槽110的直径大于等于全缠绕储气瓶内胆筒体直径，这样使全缠绕储气瓶在被第一卡槽110卡紧后，第一卡槽110的内壁能够紧贴全缠绕储气瓶，同时两个开口部120能够起到阻止全缠绕储气瓶从第一卡槽110脱落作用。
本实施例中，两个开口部120为焊接在第一卡板100开口端端部的橡胶块。
在第一卡槽110的槽底，即第一卡槽110的中间位置中开有缺口，在该缺口处螺钉安装有柔性的填充板，通过填充板能够调节第一卡槽110的槽深，进而能够调节第一卡槽110卡住全缠绕储气瓶的松紧度。
填充板200的外侧为弧形凹槽，使填充板200能够第一卡槽110形成完整的用来卡紧全缠绕储气瓶的卡紧结构。
本实施例中填充板200采用在钢板外面涂覆柔性的橡胶层制成，这样既能够保证填充板200的刚性，也能够保证填充板200在接触全缠绕储气瓶时避免产生碰撞划伤。
第二卡板400的中心位置开有和第一卡槽110同轴的第二卡槽410，第二卡槽410为圆形卡槽，用来卡住尾塞端封头21，同时可以供尾塞端211放入。
在第二卡板400的底面安装有至少三个具有脚踏的万向轮，通过万向轮方便移动支撑座进而移动卡接在支撑座上的全缠绕储气瓶。踩下脚踏，能够使万向轮停止转动，方便通过支撑座静置全缠绕储气瓶，方便在使用时将支撑座作为放置工具使用。万向轮，采用现有市面上售卖的万向轮，其结构在此不再赘述。
在加工全缠绕储气瓶的时候，当在形成缠绕层后，就可以通过现有工具测量储气瓶内胆筒体的直径和尾塞端封头中部的直径，在测定的结果基础上，增加二至五厘米的范围值，来确定第一卡槽110和第二卡槽410的直径。首先将一个厚钢板切割形成“U”型结构，确保第一卡槽110的直径在预设范围内，然后在第一卡槽110切割出缺口，在缺口的内侧上开螺钉连接的螺纹孔。“U”型结构的开口端的端部焊接完全覆盖该端部的两个开口部120，开口部120为块状结构的橡胶块。两个开口部120之间的距离小于第一卡槽110的直径。形成第一卡板100。在第一卡板100的底面上开供支撑条b伸入焊接的焊接槽。
然后通过切割打磨的方式制作出于切口形状相匹配的钢板，钢板上开有供螺钉穿过的螺纹孔。在钢板的外层涂覆具有弹性的橡胶层，留出螺纹孔，形成填充板200。通过长螺钉，依次穿过填充板200和缺口内侧壁的螺纹孔，将填充板200安装到第一卡板100中。
在第二卡板400的顶面上开有与第一卡板100上焊接槽对应的焊接槽。将支撑条b分别插入到第一卡板100和第二卡板400上的焊接槽中，进行焊接。
以上说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过冷冲压拉深方式制作内胆；先将铝材坯料拉深形成杯形体半成品，然后将杯形体半成品在强旋设备上强旋减薄，最后将减薄后的杯形体半成品在收口机上收口形成内胆；
步骤二，在内胆的外表面全覆盖交叉缠绕至少两层碳纤维形成缠绕层；相邻两层碳纤维的缠绕方向不同。
2.根据权利要求1所述的一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，将全缠绕储气瓶半成品放入连续固化炉固化，固化完以后再在缠绕层外表面涂覆光固化树脂，然后放入光固化装置内经紫外线照射至固化完成，形成光固化树脂层。
3.根据权利要求2所述的一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，在步骤二中，在形成缠绕层时先用碳纤维浸润环氧树脂形成碳纤维-环氧体系复合材料，然后将碳纤维-环氧体系复合材料在内胆外表面进行环向缠绕形成环向缠绕层，最后在环向缠绕层的外表面上用碳纤维-环氧体系复合材料进行螺旋缠绕形成螺旋缠绕层。
4.根据权利要求3所述的一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，在完成碳纤维-环氧体系复合材料缠绕后，进行固化处理；将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温22至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。
5.根据权利要求1所述的一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，强旋设备按照每分钟300-400毫米或者每分钟40-72毫米的速度进行强旋减薄，使杯形体半成品逐渐形成中间薄的结构。
6.根据权利要求4所述的一种全缠绕储气瓶的加工方法，其特征在于，在收口过程中，按照每分钟1500-2000毫米的速度对减薄后的杯形体半成品的开口端进行收口，在收口过程中保持360-420℃的温度。
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