CN113334744A - 一种压力容器的纤维缠绕装置及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力容器的纤维缠绕装置及方法，所述装置包括压力容器夹紧装置、环向缠绕装置、螺旋缠绕装置和控制装置，压力容器夹紧装置带动压力容器内胆边移动边旋转穿过螺旋缠绕装置完成螺旋缠绕；然后压力容器内胆保持静止，环向缠绕装置移动穿过压力容器内胆完成环向缠绕，控制装置控制上述缠绕过程自动进行。本装置可实现整个纤维缠绕过程的自动化，同时提供了一种新型多束缠绕工艺，克服了单束缠绕的不良现象，在保证压力容器性能的前提下，降低了碳纤维材料的使用量，进而降低了压力容器的生产成本，提高了压力容器的储存压力与生产效率。

Description

一种压力容器的纤维缠绕装置及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种压力容器的纤维缠绕装置及生产方法。

背景技术

压力容器被广泛的应用于多个领域，比如工业、医疗、汽车等领域。以汽车领域为例，国家规划将氢能燃料电池汽车作为重点发展方向之一，而压力容器是氢能得到广泛普及的关键环节之一。目前，高压储氢容器主要分为III型容器（金属内胆）与IV型容器（树脂内胆），碳纤维作为主要承压层缠绕在容器外表面，同时保证容器的安全性能。在压力容器生产加工方面，主要以单束缠绕为主，该方法会造成纤维堆叠、交叉，缠绕不均匀，从而造成压力容器局部应力集中，严重制约了容器的安全性能，且整个生产流程不能实现完全自动化，生产效率低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种压力容器的纤维缠绕装置及该装置的生产方法。该装置及方法可实现压力容器纤维缠绕的全自动化，并且提供了一种新型的缠绕工艺，克服了单束缠绕的不良现象，在保证压力容器性能的前提下，降低了碳纤维材料的使用量，进而降低了压力容器的生产成本，提高了压力容器的储存压力与生产效率，真正实现了压力容器的连续性自动化生产，推动了压力容器的普及，进而大程度上推动氢能的普及。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种压力容器的纤维缠绕装置，包括压力容器夹紧装置、环向缠绕装置、螺旋缠绕装置和控制装置，所述环向缠绕装置和螺旋缠绕装置共线设置在轨道上，其中螺旋缠绕装置固定在轨道上，环向缠绕装置可沿轨道往复移动；

所述压力容器夹紧装置用于将待缠绕的压力容器内胆夹紧；

所述压力容器夹紧装置带动压力容器内胆边沿轨道移动边旋转穿过螺旋缠绕装置完成螺旋缠绕；然后压力容器内胆保持静止，所述环向缠绕装置移动穿过压力容器内胆完成环向缠绕，控制装置控制上述缠绕过程自动进行。

所述螺旋缠绕装置包括固定在轨道上的圆环，该圆环具有圆形的螺旋缠绕穿孔，所述螺旋缠绕穿孔的内壁上环绕圆周均匀分布有多个螺旋导丝头，所述压力容器内胆在压力容器夹紧装置带动下边移动边旋转穿过螺旋缠绕穿孔时，螺旋导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成螺旋状。

所述螺旋导丝头能够沿螺旋缠绕穿孔的轴向伸缩及螺旋缠绕穿孔的周向旋转；所述螺旋导丝头为扁口型，扁口的开口大小刚好满足单束纤维通过。

所述环向缠绕装置包括设置在轨道上并可沿轨道长度方向移动的圆环，该圆环具有圆形的环向缠绕穿孔，所述环向缠绕穿孔的圆周侧设置有环向导丝头，环向导丝头能够绕着环向缠绕穿孔的中心轴线旋转，环向缠绕装置移动时，环向缠绕穿孔穿过压力容器内胆，旋转的环向导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成环状。

所述环向缠绕装置还包括多个纤维筒，纤维筒沿着环向缠绕穿孔的圆周均匀分布并与环向导丝头位于不同的侧面，纤维筒为环向导丝头提供纤维。

所述夹紧装置包括两个夹紧端，两个夹紧端分别位于环向缠绕装置和螺旋缠绕装置的外侧并可沿着轨道移动；所述夹紧端包括可移动设置在轨道上的夹紧底座及设置在夹紧底座上的旋转轴，两个夹紧端的旋转轴相对设置并且与螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔及环向缠绕装置的环向缠绕穿孔同轴设置。

还包括内胆输送装置、待加工货架、成品货架和自动剪切装置，内胆输送装置将待缠绕的压力容器内胆从待加工货架上取下并输送至压力容器夹紧装置上进行缠绕作业，缠绕完成后内胆输送装置将完成缠绕作业的压力容器送至成品货架，压力容器内胆在完成纤维缠绕后自动剪切装置剪断纤维。

本发明还提供了上述纤维缠绕装置的生产方法，包括如下步骤：

1）内胆输送装置将压力容器内胆输送至压力容器夹紧装置两个夹紧端的中间，然后两个夹紧端相对运动将压力容器内胆夹紧，内胆输送装置撤回；

2）压力容器夹紧装置带动压力容器内胆边旋转边移动穿过螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔后完成压力容器内胆表面的第一层螺旋缠绕；

3）压力容器夹紧装置带动压力容器内胆往复运动以达到要求的螺旋缠绕层数；

4）完成螺旋缠绕后，压力容器夹紧装置和压力容器内胆停止运动，环向缠绕装置朝向压力容器内胆移动，环向缠绕穿孔穿过压力容器内胆完成第一层环向缠绕；

5）环向缠绕装置往复运动以达到要求的环向缠绕层数；

6）完成缠绕作业后，自动剪切装置剪断纤维；

7）内胆输送装置将缠绕完成的压力容器内胆送至成品架。

进一步的，上述方法还可以为在完成奇数层的螺旋缠绕时，进行环向缠绕，在环向缠绕完成偶数层后，继续进行螺旋缠绕，如此往复交替进行直至完成缠绕作业。

本发明还提供了上述生产方法生产的压力容器，其包括压力容器内胆，压力容器内胆的外表面从内之外依次设置有螺旋缠绕层和环向缠绕层或压力容器内胆的外表面依次交错设置有螺旋缠绕层和环向缠绕层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）本发明针对目前压力容器生产效率低，生产工艺中由于单束纤维缠绕造成的局部应力集中，以及自动化程度低，设计了一种压力容器的纤维缠绕装置，该装置可实现压力容器生产过程的完全自动化，且运用了多束纤维缠绕工艺，从而在很大程度上提高了压力容器的生产效率，解决了单束缠绕时，压力容器局部应力集中的现象，提高了容器的储存压力。

2）本发明所述纤维缠绕自动化生产工艺流程，原理简单，易实现，可以广泛地应用在压力容器生产领域，对国家重点发展方向——氢能的普及有着极为重要的推进作用，具有广阔的市场推广使用前景。

附图说明

下面结合附图做进一步的说明：

图1为本发明所述纤维缠绕装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述纤维缠绕装置另外一个角度的整体结构示意图；

图3为本发明所述纤维缠绕装置缠绕加工区的结构详图；

图4为本发明所述纤维缠绕装置在准备缠绕时的状态示意图；

图5为本发明所述纤维缠绕装置将压力容器内胆夹紧后的状态示意图；

图6为本发明所述纤维缠绕装置开始进行螺旋缠绕的状态示意图；

图7为本发明所述纤维缠绕装置完成第一层螺旋缠绕的状态示意图；

图8为本发明所述纤维缠绕装置完成螺旋缠绕的状态示意图；

图9为本发明所述纤维缠绕装置开始进行环向缠绕的状态示意图；

图10为本发明所述纤维缠绕装置完成第一层环向缠绕的状态示意图；

图11为本发明所述纤维缠绕装置完成环向缠绕的状态示意图；

图12为本发明所述纤维缠绕装置撤回压力容器内胆的状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例1提供了一种压力容器的纤维缠绕装置，如图1-2所示，该装置包括压力容器夹紧装置1、环向缠绕装置2、螺旋缠绕装置3、剪切装置4、控制装置5、内胆输送装置6、设备底座7、待加工货架8、成品货架9和纱架10。

设备底座7长度方向的一端为缠绕加工区，另外一端为取料出料区，其中，压力容器夹紧装置1、环向缠绕装置2、螺旋缠绕装置3、剪切装置4和控制装置5设置在设备底座7的缠绕加工区，用于完成压力容器内胆的纤维缠绕，内胆输送装置6设置在设备底座7上并可在缠绕加工区和取料取料区之间往复运动。设备底座7的取料出料区外侧设置有待加工货架8和成品货架9，待加工货架8上设置有待缠绕的压力容器内胆，内胆输送装置6将待加工货架8上的待缠绕压力容器内胆取下并输送到缠绕加工区进行纤维缠绕加工，纤维缠绕加工完成后的压力容器通过内胆输送装置6回送至成品货架9，控制装置5控制整个加工过程实现纤维缠绕的自动化生产。

纱架10就设置在缠绕加工区的一侧，用于向纤维缠绕提供纤维。

具体的，如图3所述，设备底座7上设置有沿着设备底座7长度方向延伸的轨道70，环向缠绕装置2和螺旋缠绕装置3间隔一定距离设置在轨道上。其中螺旋缠绕装置3固定在轨道上，环向缠绕装置2可沿轨道往复移动。

螺旋缠绕装置包括固定在轨道上的立板30或圆环，立板或圆环上设置有圆形的螺旋缠绕穿孔31，所述螺旋缠绕穿孔31的内壁上环绕圆周均匀分布有多个螺旋导丝头32。所述螺旋导丝头32能够沿螺旋缠绕穿孔的轴向伸缩及螺旋缠绕穿孔的周向旋转；在初始状态时，各束纤维穿过螺旋导丝头32，汇集到一侧的夹紧装置，然后在压力容器内胆进行移动与转动时，通过与导丝头的伸缩与旋转相互配合，完成螺旋缠绕。螺旋导丝头平均、紧密分布，可保证压力容器在缠绕过程中纤维会平均分布在容器表面，而不发生交叉、堆叠，该螺旋导丝头为扁口型，开口大小刚好满足单束纤维安装其中，从而保证在缠绕过程中，纤维束在导丝头中不发生变形；该螺旋导丝头可实现沿轴向伸缩、周向旋转两个运动副，由于压力容器瓶体与瓶口的直径大小不同，所以导丝头须满足可轴向伸缩运动；纤维为扁平状，在缠绕瓶体时，为保证单位纤维缠绕面积最大化，须以扁平面进行缠绕，而当从瓶体到瓶口过度，并缠绕瓶口时，瓶口直径逐渐减小，为避免纤维产生堆叠，导丝头须旋转一定角度，减小单位纤维缠绕面积。导丝头的分布数量，须保证在其伸出到最大位移时，与相邻的导丝头不发生碰撞。

环向缠绕装置包括设置在轨道上并可沿轨道长度方向移动的立板20或圆环，立板或圆环上设置有圆形的环向缠绕穿孔21，在立板20的一侧环绕环向缠绕穿孔21的圆周设置有多个纤维筒22，立板的另外一侧设置有环向导丝头，纤维筒将纤维供应至环向导丝头。

压力容器夹紧装置1包括两个夹紧端11，两个夹紧端11分别位于环向缠绕装置2和螺旋缠绕装置3的外侧并可沿着轨道70移动；夹紧端11包括可移动设置在轨道上的夹紧底座及设置在夹紧底座上的旋转轴12，两个夹紧端的旋转轴12相对设置并且与螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔31及环向缠绕装置的环向缠绕穿孔21同轴设置。

压力容器夹紧装置1将待缠绕的压力容器内胆夹紧并带动压力容器内胆100边沿轨道移动边旋转穿过螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔，螺旋导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成螺旋状；完成螺旋缠绕后，压力容器内胆保持静止，环向缠绕装置2移动，环向缠绕穿孔穿过压力容器内胆，旋转的环向导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成环状。控制装置控制上述缠绕过程自动进行。

其具体过程缠绕过程如图4- 12所示。

首先，如图4-5所示，内胆输送装置6进行平面运动，移动到压力容器内胆100下方，进行提升运动，将压力容器内胆100从内胆架中撑起，然后进行平面运动，将其从待加工货架中取出，然后沿着设备底座的轨道进行移动，待移动到两个压力容器夹紧装置1中间部位时，内胆输送装置6进行平面兼升降运动，从而满足压力容器内胆100与压力容器夹紧装置1同轴心设置，然后压力容器夹紧装置的夹紧端沿着轨道进行移动，以实现对压力容器内胆100的夹紧操作，防止内胆沿着轴向移动，同时，在环向方向上，压力容器夹紧装置1与压力容器内胆100之间有相互约束，使得压力容器夹紧装置在环向旋转时可以带动压力容器内胆100进行环向转动。待压力容器夹紧装置1固定好压力容器内胆100后，内胆输送装置6进行升降与平面运动，实现撤回操作。

接着进行螺旋缠绕作业，如图6-8所示，压力容器夹紧装置带动压力容器内胆做环向转动与沿着设备底座的轨道进行移动，螺旋缠绕装置开始运动，进行螺旋缠绕，首先进行缠绕的内胆部分是瓶口位置，由于瓶口位置的内径要小于瓶身且在不断变化，为保证螺旋缠绕时纤维的均匀排布，不发生堆叠，所以在缠绕瓶口部分时，导丝头在不断进行旋转与伸缩，从而实现均匀缠绕的目的，当由瓶口过度到瓶身位置时，瓶身内径大，为保证纤维用量最小化、相邻纤维缝隙最小化以及纤维缠绕均匀化，导丝头转动到平面位置对内胆进行缠绕，待缠绕到瓶身与瓶口的过度位置时，导丝头再次进行转动与伸缩，完成另外一端瓶口的缠绕，从而完成了内胆第一层的纤维缠绕，压力容器夹紧装置带动内胆沿着轨道进行往复运动，与螺旋缠绕装置的导丝头伸缩与旋转运动相互配合，从而可达到压力容器要求缠绕层数；由于螺旋缠绕装置导丝头在缠绕时，压力容器夹紧装置带动内胆时沿着周向进行旋转的，所以缠绕在内胆表面的纤维纤维呈现螺旋状分布，螺旋缠绕可以避免纤维间在缠绕时出现滑移现象，提高压力容器的轴向强度。在完成螺旋缠绕后，压力容器夹紧装置与内胆停止运动。

接着进行环向缠绕作业，如图9-11所示，剪切装置将环向缠绕纤维夹持并运送到容器表面，环向缠绕装置沿着轨道移动，导丝头带动纤维进行环向运动，从而保证纤维环向缠绕在内胆表面，环向缠绕装置移动的速度，须保证缠绕在内胆表面相邻的纤维之间缝隙最小。环向缠绕由内胆的一端向另一端进行缠绕，然后返回，从而往复运动，达到要求的缠绕层数，实现对内胆的环向缠绕。环向缠绕主要为了保证压力容器周向强度。待完成周向缠绕后，自动剪切装置自动寻径，找到缠绕完成时纤维位置，对其进行夹紧剪断操作。

接着如图12所示，内胆输送装置再次沿着轨道进行运动，并进行升降与平面运动，将缠绕完成的压力容器撑起，压力容器夹紧装置撤回，内胆输送装置通过运动将缠绕完成的压力容器送回到成品货架上，从而完成了纤维缠绕压力容器自动化生产流程，该流程中所有设备的运动与运动间的配合，以及数据的采集由控制系统完成。

按照上述方法制成的压力容器，包括压力容器内胆，压力容器内胆的外表面从内之外依次设置有螺旋缠绕层和环向缠绕层，螺旋缠绕层为纤维在内胆表面螺旋分布，螺旋分布可以防止纤维的滑移，提高纤维缠绕质量。

压力容器内胆的外表面还可以使依次交错设置的螺旋缠绕层和环向缠绕层，其方法如下：根据工艺需要，可能会进行螺旋与环向交错缠绕的方式，由于环向缠绕装置位于螺旋缠绕装置的一侧，当螺旋缠绕进行到奇数层时（奇数层可保证环向缠绕与螺旋缠绕不发生干涉），螺旋缠绕装置的纤维束聚集在压力容器的另一侧，环向缠绕装置进行环向缠绕，待环向缠绕装置缠绕所需的偶数层后（偶数层可保证后续的螺旋缠绕运动不发生干涉），自动剪切装置将环向缠绕的纤维进行剪断；接着进行螺旋缠绕的纤维缠绕运动，以上方式可实现螺旋缠绕与环向缠绕交错进行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力容器的纤维缠绕装置，包括压力容器夹紧装置、环向缠绕装置、螺旋缠绕装置和控制装置，其特征在于：

所述环向缠绕装置和螺旋缠绕装置共线设置在轨道上，其中螺旋缠绕装置固定在轨道上，环向缠绕装置可沿轨道往复移动；

所述压力容器夹紧装置用于将待缠绕的压力容器内胆夹紧；

所述压力容器夹紧装置带动压力容器内胆边沿轨道移动边旋转穿过螺旋缠绕装置完成螺旋缠绕；然后压力容器内胆保持静止，所述环向缠绕装置移动穿过压力容器内胆完成环向缠绕，控制装置控制上述缠绕过程自动进行。

2.如权利要求1所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，所述螺旋缠绕装置包括固定在轨道上的圆环，该圆环具有圆形的螺旋缠绕穿孔，所述螺旋缠绕穿孔的内壁上环绕圆周均匀分布有多个螺旋导丝头，所述压力容器内胆在压力容器夹紧装置带动下边移动边旋转穿过螺旋缠绕穿孔时，螺旋导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成螺旋状。

3.如权利要求2所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，所述螺旋导丝头能够沿螺旋缠绕穿孔的轴向伸缩及螺旋缠绕穿孔的周向旋转；所述螺旋导丝头为扁口型，扁口的开口大小刚好满足单束纤维通过。

4.如权利要求2所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，所述环向缠绕装置包括设置在轨道上并可沿轨道长度方向移动的圆环，该圆环具有圆形的环向缠绕穿孔，所述环向缠绕穿孔的圆周侧设置有环向导丝头，环向导丝头能够绕着环向缠绕穿孔的中心轴线旋转，环向缠绕装置移动时，环向缠绕穿孔穿过压力容器内胆，旋转的环向导丝头中的纤维在压力容器内胆表面缠绕成环状。

5.如权利要求4所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，所述环向缠绕装置还包括多个纤维筒，纤维筒沿着环向缠绕穿孔的圆周均匀分布并与环向导丝头位于不同的侧面，纤维筒为环向导丝头提供纤维。

6.如权利要求4所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，所述夹紧装置包括两个夹紧端，两个夹紧端分别位于环向缠绕装置和螺旋缠绕装置的外侧并可沿着轨道移动；所述夹紧端包括可移动设置在轨道上的夹紧底座及设置在夹紧底座上的旋转轴，两个夹紧端的旋转轴相对设置并且与螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔及环向缠绕装置的环向缠绕穿孔同轴设置。

7.如权利要求6所述的一种压力容器的纤维缠绕装置，其特征在于，还包括内胆输送装置、待加工货架、成品货架和自动剪切装置，内胆输送装置将待缠绕的压力容器内胆从待加工货架上取下并输送至压力容器夹紧装置上进行缠绕作业，缠绕完成后内胆输送装置将完成缠绕作业的压力容器送至成品货架，压力容器内胆在完成纤维缠绕后自动剪切装置剪断纤维。

8.一种权利要求7所述纤维缠绕装置的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）内胆输送装置将压力容器内胆输送至压力容器夹紧装置两个夹紧端的中间，然后两个夹紧端相对运动将压力容器内胆夹紧，内胆输送装置撤回；

2）压力容器夹紧装置带动压力容器内胆边旋转边移动穿过螺旋缠绕装置的螺旋缠绕穿孔后完成压力容器内胆表面的第一层螺旋缠绕；

3）压力容器夹紧装置带动压力容器内胆往复运动以达到要求的螺旋缠绕层数；

4）完成螺旋缠绕后，压力容器夹紧装置和压力容器内胆停止运动，环向缠绕装置朝向压力容器内胆移动，环向缠绕穿孔穿过压力容器内胆完成第一层环向缠绕；

5）环向缠绕装置往复运动以达到要求的环向缠绕层数；

6）完成缠绕作业后，自动剪切装置剪断纤维；

7）内胆输送装置将缠绕完成的压力容器内胆送至成品架。

9.如权利要求8所述的生产方法，其特征在于，在完成奇数层的螺旋缠绕时，进行环向缠绕，在环向缠绕完成偶数层后，继续进行螺旋缠绕，如此往复交替进行直至完成缠绕作业。

10.一种权利要求9所述方法生产的压力容器，其特征在于，包括压力容器内胆，压力容器内胆的外表面从内之外依次设置有螺旋缠绕层和环向缠绕层或压力容器内胆的外表面依次交错设置有螺旋缠绕层和环向缠绕层。

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