CN114919161B - 一种ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，步骤为：在预处理的内胆表面粘贴沿环向和纵向的应变测量传感器；将内胆固定于缠绕设备上，连接应变测量系统，应变测量仪器固定于缠绕轴上；开启应变测量系统并清零，按产品实际张力制度施加初始张力，在内胆上缠绕1层环向纤维，缠绕完后应变值为负值，开启充压阀向内胆充压直至其应变值恢复至0，记录此时充压压力P0；按实际缠绕铺层顺序和张力制度，缠绕环向层和纵向层啊，在环向缠绕中每缠绕2~6层环向层，开启充压使环向应变值变为0，在纵向缠绕中每缠绕4~8层纵向层并确认纵向应变值＞0时开启充压使环向应变值变为0，记录每次充压后充压压力和缠绕层数；缠绕完后按得到的数据设计充压压力。
Description
技术领域
本发明属于高压气瓶技术领域，具体的说是一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法。
背景技术
氢燃料电池汽车是氢能源最重要的应用场景，也是新能源汽车的一个重要发展方向，我国已规划在2025年实现氢燃料电池汽车保有量10万量，2030-2035年实现氢燃料电池汽车保有量达到100万量。高压储氢瓶作为氢燃料电池汽车必可不少的关键部件，在未来蕴含巨大的市场规模。我国目前批量制造和应用的储氢瓶为Ⅲ型瓶，而国外已实现Ⅳ型瓶的技术成熟和应用。相较于Ⅲ型瓶，Ⅳ型瓶具有疲劳性能好、储氢密度高和成本低等优势，国内正在积极布局和快速推进开发。
Ⅳ型瓶由于采用塑料内胆，其缠绕成型的难度增大，主因是缠绕过程中需要对纤维施加张力，而塑料内胆的刚度小，在纤维缠绕过程中内胆极容易变形和坍塌，导致内胆破坏或缠绕无法顺利记性。为了解决塑料内胆刚度小的问题，往往在缠绕成型过程中对内胆内部充入一定的压力，以提高内胆的刚度，满足缠绕成型的要求。充压压力作为Ⅳ型瓶的关键工艺参数，若设计不合理，会造成缠绕无法实施或缠绕效果不佳，降低气瓶的性能。目前，针对Ⅳ型瓶缠绕充压压力的设计，暂未见有具体的方法，往往依据经验进行设计，并进行大量的试缠和性能试验，反复进行调整优化，耗时费力，并增加了研发难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，可以实现对充压压力进行快速设计，并提高充压压力设计的合理性和可靠性，缩短Ⅳ型瓶的缠绕工艺调试时间，提升Ⅳ型瓶的缠绕成型质量。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，包括以下步骤：
步骤一、对塑料内胆表面进行预处理，提高塑料内胆与粘接剂的结合力；
步骤二、在塑料内胆表面分别粘贴沿环向和纵向设置的应变测量传感器，环向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身中部区域，纵向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身和封头，应变测量传感器粘贴后在其表面涂抹密封胶，对其进行保护；
步骤三、将粘贴过应变测量传感器的塑料内胆连接可充气式缠绕轴，并固定于缠绕设备上，连接应变测量系统，梳理并固定测量线路于一端，将应变测量仪器固定于缠绕轴上，开启应变测试电脑，调试应变测量系统，确认旋转状态下应变测量传感器全部正常；
步骤四、开启应变测量系统，并进行清零操作，按照产品的实际张力制度施加初始张力，在塑料内胆上面先缠绕1层环向纤维，缠绕结束后，观察环向应变的测试结果，应变值应为负值，剔除明显异常或损坏的应变结果，开启充压阀，通过充压装置向塑料内胆内部进行缓慢充压，直至环向应变值重新恢复至0，关闭充压装置并保压，确定应变值不变化后，记录此时的充压压力P0；
步骤五、按照实际的缠绕铺层顺序和张力制度，继续缠绕环向层和纵向层，按照步骤四方法进行操作，在环向缠绕过程中每缠绕2～6层环向层，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，在纵向缠绕过程中每缠绕4～8层纵向层，并确认满足纵向应变值＞0的条件下，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，记录每次充压后的充压压力和此时的缠绕层数；
步骤六、全部缠绕结束后，按照得到的数据设计充压压力，塑料内胆的初始充压压力按照步骤四中得到的P0进行设计，充压压力的梯度变化按照步骤五中所得到数据进行设计，保证充压压力在缠绕前达到要求值，分别给出缠绕层数和此时的充压压力值。
进一步的，步骤一中的预处理，包括但不限于对塑料内胆表面进行打磨、高温火焰或低温等离子表面处理。
进一步的，所述应变测量系统为电阻式应变测量系统或光纤光栅式应变测量系统，所述应变测量传感器为电阻式应变片或光纤布拉格光栅传感器。
进一步的，所述应变测量系统选用无线应变测量系统，所述应变测量仪器通过磁吸或其他方式固定于缠绕轴上，在缠绕时应变测量仪器随工件旋转，并通过无线信号将应变数据发射到应变测试电脑上。
进一步的，环向设置的应变测量传感器沿圆周均匀布置在筒身中间区域，数量为4～8个。
进一步的，环向设置的应变测量传感器的数量为6个。
进一步的，纵向设置的应变测量传感器根据气瓶长度均布粘贴在塑料内胆筒身，粘贴数量不小于3个，其中1个位于筒身中间位置，且与环向设置的应变测量传感器错开设置。
进一步的，所述充压装置配置有减压阀和压力表，压力表精度不低于0.01MPa。
进一步的，步骤四和步骤五中对塑料内胆内部实施充压时，充压速率应不大于0.002MPa/S，压力每增加0.01MPa，保压≥10S。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，采用应变反馈调节来进行内部充压压力的设计，通过保证内部充压产生的拉伸应变与缠绕张力产生的压缩应变平衡，确定充压压力制度。本发明中的方法可以实现一次性完成充压压力的设计，快速直观，避免充压压力设计的盲目性和随机性，通过本方法得到的内胆充压压力制度，设计的合理性和可靠性大大提升，可以有效避免内胆局部变形、内胆坍塌等影响气瓶性能的问题发生，缠绕实施的效果较好。
具体实施方式
一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，包括以下步骤：
步骤一、对塑料内胆表面进行打磨，提高塑料内胆表面粗糙度；或者对塑料内胆表面进行高温火焰、低温等离子等表面处理技术，显著增加塑料内胆的表面活性，提高塑料内胆与粘接剂的结合力；
步骤二、在塑料内胆表面分别粘贴沿环向和纵向设置的应变测量传感器，环向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身中部区域，纵向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身和封头，应变测量传感器粘贴后在其表面涂抹密封胶，对其进行保护；
步骤三、将粘贴过应变测量传感器的塑料内胆连接可充气式缠绕轴，并固定于缠绕设备上，连接应变测量系统，梳理并固定测量线路于一端，将应变测量仪器固定于缠绕轴上，开启应变测试电脑，调试应变测量系统，确认旋转状态下应变测量传感器全部正常；
步骤四、开启应变测量系统，并进行清零操作，按照产品的实际张力制度，施加初始张力，在塑料内胆上面先缠绕1层环向纤维，缠绕结束后，观察环向应变的测试结果，应变值应为负值，剔除明显异常或损坏的应变结果，开启充压阀，通过充压装置，向塑料内胆内部进行缓慢充压，直至环向应变值重新恢复至0，关闭充压装置并保压，确定应变值不变化后，记录此时的充压压力P0；
步骤五、按照实际的缠绕铺层顺序和张力制度，继续缠绕环向层和纵向层，按照步骤四方法进行操作，在环向缠绕过程中每缠绕2～6层环向层，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，在纵向缠绕过程中每缠绕4～8层纵向层，并确认满足纵向应变值＞0的条件下，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，记录每次充压后的充压压力和此时的缠绕层数；
步骤六、全部缠绕结束后，按照得到的数据设计充压压力，塑料内胆的初始充压压力按照步骤四中得到的P0进行设计，充压压力的梯度变化按照步骤五中所得到数据进行设计，保证充压压力在缠绕前达到要求值，分别给出缠绕层数和此时的充压压力值。
进一步的，所述应变测量系统为电阻式应变测量系统或光纤光栅式应变测量系统，所述应变测量传感器为电阻式应变片或光纤布拉格光栅传感器。
进一步的，所述应变测量系统选用无线应变测量系统，所述应变测量仪器通过磁吸或其他方式固定于缠绕轴上，在缠绕时应变测量仪器随工件旋转，并通过无线信号将应变数据发射到应变测试电脑上。
进一步的，环向设置的应变测量传感器沿圆周均匀布置在筒身中间区域，数量为4～8个。
进一步的，环向设置的应变测量传感器的数量为6个。
进一步的，纵向设置的应变测量传感器根据气瓶长度均布粘贴在塑料内胆筒身，粘贴数量不小于3个，其中1个位于筒身中间位置，且与环向设置的应变测量传感器错开设置。
进一步的，所述充压装置配置有减压阀和压力表，压力表精度不低于0.01MPa。
进一步的，步骤四和步骤五中对塑料内胆内部实施充压时，充压速率不大于0.002MPa/S，压力每增加0.01MPa，保压≥10S。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本发明提供了一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，包括以下步骤：
步骤1：使用砂纸对塑料内胆表面进行打磨处理，提高塑料内胆表面粗糙度；
步骤2：使用结构胶，在内胆筒身中间位置沿圆周一圈，粘贴6个环向方向的应变片，每隔60°粘贴1个，并在筒身沿长度方向均布粘贴3个纵向方向的应变片，其中1个纵向应变片位于筒身中间，并与环向应变片错开，应变片粘贴后在其表面涂抹密封硅胶，对应变片进行保护；
步骤3：将粘贴过应变测量传感器的内胆连接可充气式缠绕轴，并固定于缠绕设备上，连接无线应变测量系统，梳理并固定测量线路于一端，通过磁吸将应变测量仪器完全固定于缠绕轴上，保证应变测量仪器同气瓶同步旋转，开启应变测试电脑，调试应变测量系统，确认旋转状态下应变测量传感器全部正常；
步骤4：开启应变测量系统，并进行清零操作，施加单团30N的初始张力，在内胆上面缠绕1层环向纤维，观察6个环向应变测量值，应变值全部为负值，开启充压阀，通过充压装置，向内胆内部进行缓慢充压，充压速率控制在0.002MPa/S以下，每升高0.01MPa，保压10S，观察应变值，当充压至0.06MPa时，环向应变值恢复至0的附近。
步骤5：按照环/8层-纵/4层-环/4层-纵/4层-环/4层的铺层顺序继续进行缠绕，在环向缠绕过程中根据实际情况每缠绕4层环向层，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，在纵向缠绕过程中根据实际情况每缠绕4层纵向层，并确认满足纵向应变值＞0的条件下，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，记录每次充压后的充压压力和此时的缠绕层数，如表1：
表1
| 缠绕层数 | 充压压力 |
| 4层环 | 0.11MPa |
| 8层环 | 0.16MPa |
| 8层环+4层纵 | 0.18MPa |
| 8层环+4层纵+4层环 | 0.22MPa |
| 8层环+4层纵+4层环+4层纵 | 0.24MPa |
| 8层环+4层纵+4层环+4层纵+4层环 | 0.27MPa |
步骤6：全部缠绕结束后，按照得到的数据设计充压压力，内胆的初始充压压力按照步骤4中得到数据设计，充压压力的梯度变化按照步骤5中所得到数据进行分析和设计，最终设计得到的内部充压压力制度如表2，应该指出本发明表2中给出的充压压力为该层缠绕结束后进行充压应该达到的压力。
表2
| 缠绕层数 | 充压压力 |
| 缠绕前 | 0.06MPa |
| 4层环 | 0.11MPa |
| 8层环 | 0.16MPa |
| 8层环+4层纵 | 0.18MPa |
| 8层环+4层纵+4层环 | 0.22MPa |
| 8层环+4层纵+4层环+4层纵 | 0.24MPa |
| 8层环+4层纵+4层环+4层纵+4层环 | 0.27MPa |
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，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只是说明本发明的原理，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 (9)
1.一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、对塑料内胆表面进行预处理，提高塑料内胆与粘接剂的结合力；
步骤二、在塑料内胆表面分别粘贴沿环向和纵向设置的应变测量传感器，环向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身中部区域，纵向设置的应变测量传感器粘贴于塑料内胆筒身和封头，应变测量传感器粘贴后在其表面涂抹密封胶，对其进行保护；
步骤三、将粘贴过应变测量传感器的塑料内胆连接可充气式缠绕轴，并固定于缠绕设备上，连接应变测量系统，梳理并固定测量线路于一端，将应变测量仪器固定于缠绕轴上，开启应变测试电脑，调试应变测量系统，确认旋转状态下应变测量传感器全部正常；
步骤四、开启应变测量系统，并进行清零操作，按照产品的实际张力制度施加初始张力，在塑料内胆上面先缠绕1层环向纤维，缠绕结束后，观察环向应变的测试结果，应变值应为负值，剔除明显异常或损坏的应变结果，开启充压阀，通过充压装置向塑料内胆内部进行缓慢充压，直至环向应变值重新恢复至0，关闭充压装置并保压，确定应变值不变化后，记录此时的充压压力P0；
步骤五、按照实际的缠绕铺层顺序和张力制度，继续缠绕环向层和纵向层，按照步骤四方法进行操作，在环向缠绕过程中每缠绕2～6层环向层，开启充压，使环向应变值重新恢复为0，在纵向缠绕过程中每缠绕4～8层纵向层，并确认满足纵向应变值＞0的条件下，开启充～压，使环向应变值重新恢复为0，记录每次充压后的充压压力和此时的缠绕层数；
步骤六、全部缠绕结束后，按照得到的数据设计充压压力，塑料内胆的初始充压压力按照步骤四中得到的P0进行设计，充压压力的梯度变化按照步骤五中所得到数据进行设计，保证充压压力在缠绕前达到要求值，分别给出缠绕层数和此时的充压压力值。
2.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：步骤一中的预处理，包括但不限于对塑料内胆表面进行打磨、高温火焰或低温等离子表面处理。
3.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：所述应变测量系统为电阻式应变测量系统或光纤光栅式应变测量系统，所述应变测量传感器为电阻式应变片或光纤布拉格光栅传感器。
4.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：所述应变测量系统选用无线应变测量系统，所述应变测量仪器通过磁吸或其他方式固定于缠绕轴上，在缠绕时应变测量仪器随工件旋转，并通过无线信号将应变数据发射到应变测试电脑上。
5.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：环向设置的应变测量传感器沿圆周均匀布置在筒身中间区域，数量为4～8个。
6.根据权利要求5所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：环向设置的应变测量传感器的数量为6个。
7.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：纵向设置的应变测量传感器根据气瓶长度均布粘贴在塑料内胆筒身，粘贴数量不小于3个，其中1个位于筒身中间位置，且与环向设置的应变测量传感器错开设置。
8.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：所述充压装置配置有减压阀和压力表，压力表精度不低于0.01MPa。
9.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型瓶缠绕成型内部充压压力设计方法，其特征在于：步骤四和步骤五中对塑料内胆内部实施充压时，充压速率不大于0.002MPa/S，压力每增加0.01MPa，保压≥10S。
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