CN217441359U - 一种补强底托及缠绕气瓶 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种补强底托及缠绕气瓶，主要采用的技术方案为：一种补强底托，用在缠绕气瓶上，其中，补强底托包括盘体和尾座；其中，盘体具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，盘体的第一侧的表面为凹面；盘体的第二侧的表面为凸面；盘体的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上；尾座设置在盘体的第二侧；其中，尾座上开设有第一沉孔；其中，第一沉孔和缠绕机的顶锥适配。其中，补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。本实用新型的补强底托不仅能提高缠绕气瓶的耐压性能，而且在缠绕气瓶内胆时，还能作为辅助工装使缠绕操作方便快捷；进一步地，在相同强度要求下，使缠绕气瓶整体的重量更轻。

Description

一种补强底托及缠绕气瓶

技术领域

本实用新型涉及一种碳纤维复合材料应用技术领域，特别是涉及一种补强底托及缠绕气瓶。

背景技术

碳纤维缠绕气瓶是近几年发展起来的一种新材料气瓶，其采用碳纤维作为主要的承载层，与钢质气瓶相比，具有重量轻、使用时间长、耐腐蚀、安全性能优良和使用寿命长等优点。

对于T型碳纤维缠绕气瓶，其一端为瓶口，另一端为封闭瓶底。其中，在进行碳纤维缠绕气瓶内胆时，需将气瓶内胆固定在缠绕机的工位上，瓶口连接接轴夹持在三爪卡盘上，而封闭瓶底需要设计与缠绕机的顶锥相匹配的顶锥沉孔，以保证气瓶内胆同轴旋转，严格垂直于缠绕机丝嘴的进纱方向。另外，T型碳纤维缠绕气瓶的下封头属于气瓶的薄弱部位，通常采用增厚下封头部位的内胆厚度或贴片补强的方式以提高其耐压强度。

综上，针对碳纤维缠绕气瓶技术，目前还没有一种既具有封头补强作用、又能作为缠绕工艺辅助工装的一体化设计的补强结构。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种补强底托及缠绕气瓶，主要目的在于不仅能提高缠绕气瓶的耐压性能，而且在缠绕气瓶内胆时，能使缠绕操作方便快捷。

为达到上述目的，本实用新型主要提供如下技术方案：

一方面，本实用新型的实施例提供一种补强底托，用在缠绕气瓶上，其中，所述补强底托包括：

盘体，所述盘体具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，所述盘体的第一侧的表面为凹面；所述盘体的第二侧的表面为凸面；所述盘体的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上；

尾座，所述尾座设置在所述盘体的第二侧；其中，所述尾座上开设有第一沉孔；其中，所述第一沉孔和缠绕机的顶锥适配。

优选的，所述盘体的第一侧上开设有第二沉孔；其中，所述第二沉孔与气瓶内胆的下封头上的连接块适配；优选的，所述第二沉孔位于所述盘体的中心位置处；优选的，所述第二沉孔为方形沉孔；进一步优选的，所述方形沉孔的边长为10-15mm(即，方形的边长)、深度为6-10mm。

优选的，所述盘体为圆形，且所述盘体的厚度由中心向边缘渐变式减小；进一步优选的，所述盘体的直径为70-100mm、中心处的深度为3-14mm、中心处的厚度为2-3mm、边缘处的厚度为0.5-1mm。

优选的，所述尾座设置在所述盘体的第二侧的中心位置处。

优选的，所述尾座为圆柱形，优选的，所述尾座的直径为25-30mm、长度为16-20mm。

优选的，所述第一沉孔开设在所述尾座的远离所述盘体的一端上；优选的，所述第一沉孔的轴线与所述尾座的轴线位于同一直线上，

优选的，所述第一沉孔为圆锥形沉孔；其中，所述圆锥形沉孔的大端为所述第一沉孔的孔口；优选的，所述第一沉孔的深度为5-8mm、所述第一沉孔的孔口直径为5-8mm。

优选的，所述补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。优选的，优选的，在所述补强底托中，最外层的碳纤维为纹理碳纤维，其余层为交替排布的环向方向碳纤维层、径向方向碳纤维层；优选的，所述补强底托的盘体和尾座为一体式结构(即，补强底托为一体式结构)。

优选的，所述补强底托的材质为铝合金；优选的，所述补强底托为一体式结构。

另一方面，本实用新型实施例提供一种缠绕气瓶，其中，所述缠绕气瓶包括：

补强内胆，所述补强内胆包括气瓶内胆和补强底托；其中，所述补强底托贴合在所述气瓶内胆的下封头上；其中，所述补强底托为上述任一项所述的补强底托；

缠绕层，所述缠绕层缠绕在所述补强内胆的表面上。

优选的，所述气瓶内胆的下封头的中心位置处设置有连接块；其中，所述补强底托的盘体上的第二沉孔与所述连接块连接。进一步优选的，所述连接块为方形块；其中，所述方形块的边长为10-15mm(在此，边长指的是方形形状的边长)，长度为6-10mm；

优选的，所述气瓶内胆的材质为6061铝合金。

优选的，所述缠绕气瓶为T型缠绕气瓶。

优选的，所述气瓶内胆包括筒体、与位于筒体一端的上封头及位于筒体另一端的下封头；其中，所述上封头上开设有瓶口；优选的，所述气瓶内胆的公称外径为135-140mm、总长度为510-520mm、筒体的长度为 410-430mm、上封头的高度40-50mm、下封头的高度为40-50mm；进一步优选的，瓶口的长度为22mm、瓶口的外径为31.5mm。

优选的，所述气瓶内胆的外表面涂覆有防电腐蚀涂层；优选的，所述防电腐蚀涂层的材质为聚氨酯清漆、环氧树脂漆、UV漆中的任一种。

优选的，所述缠绕层包括碳纤维缠绕层，其中，所述碳纤维缠绕层缠绕在所述补强内胆的表面上；优选的，所述碳纤维缠绕层的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料；优选的，所述碳纤维缠绕层包括碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层；进一步优选的，所述碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层交替排布；进一步优选的，所述碳纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°；进一步优选的，所述碳纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°；其中，所述缠绕角度为缠绕纤维的走向与缠绕气瓶的筒身轴线的夹角。

优选的，所述缠绕层还包括玻璃纤维缠绕层；其中，所述玻璃纤维缠绕层缠绕在所述碳纤维缠绕层之外；优选的，所述玻璃纤维缠绕层的材质为以环氧树脂为基体、玻璃纤维为增强体的玻璃纤维复合材料；优选的，所述玻璃纤维缠绕层包括玻璃纤维环向缠绕层和玻璃纤维螺旋缠绕层；优选的，所述玻璃纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°；优选的，所述玻璃纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°。

与现有技术相比，本实用新型的补强底托及缠绕气瓶至少具有下列有益效果：

本实用新型实施例提供的补强底托，一方面通过使盘体的第一侧的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上，以对缠绕气瓶的下封头部位起到补强的作用，从而提高缠绕气瓶的耐压性能；另一方面，通过在盘体的第二侧上设置尾座，且在尾座上开设与缠绕机的顶锥适配的第一沉孔，这样在对气瓶内胆进行缠绕时，只需将补强底托贴合在气瓶内胆的下封头上，然后将补强底托上的第一沉孔与缠绕机的顶锥配合即可，从而实现快速上装，方便缠绕工艺的进行。因此，本实施例提供的补强底托不仅能提高缠绕气瓶的耐压性能，而且在缠绕气瓶内胆时，能作为辅助工装使缠绕操作方便快捷。

进一步地，本实用新型实施例提供的补强底托在盘体上的第一侧上开设第二沉孔，以使第二沉孔与气瓶内胆的下封头上的连接块适配，从而使盘体能紧贴在气瓶内胆的下封头上。

进一步地，本实用新型实施例提供的补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料，这样设置，一方面，由于碳纤维复合材料的质量轻，强度大，从而可以保证缠绕气瓶的下封头部位的强度，且在相同强度要求下，其重量更轻，从而可以使缠绕气瓶整体的重量更轻；另一方面，补强底托的材质与缠绕气瓶的缠绕材料体系相同，可以达到很好的界面相容性。

另一方面，本实用新型提供一种缠绕气瓶，通过将补强底托贴合在气瓶内胆的下封头上，从而起到对下封头的补强作用，提高缠绕气瓶的承压能力；进一步地，由于补强底托为碳纤维复合材料材质，从而在相同强度要求下，重量会更轻。因此，本实用新型实施例提供的缠绕气瓶具有强度优异、重量轻的优点。

本实用新型实施例提供的缠绕气瓶通过结构优化(如，设计补强底托等)、缠绕线性的设计，使得缠绕气瓶的径向方向和轴向方向的材料趋近于等强度，使得各方向材料的性能能充分发挥作用，进而达到在同等工作压力下，缠绕气瓶的重量最轻的目的。以容积为6.8L，工作压力30MPa的缠绕气瓶为例，目前市面上碳纤维缠绕气瓶每支重量多在4.8公斤左右，而本实用新型结构的缠绕气瓶的重量为4.6公斤左右，有效减重5％左右，并且满足呼吸器用复合气瓶的的标准要求。重量的降低可提升作业人员的使用舒适性，提高作业效率，为抗灾抢险提供更大的便利。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的实施例提供的一种补强底托的正面结构透视图；

图2本实用新型的实施例提供的一种补强底托的侧面结构透视图；

图3是本实用新型的实施例提供的一种补强底托的预浸料铺贴方式示意图；

图4是本实用新型的实施例提供的缠绕气瓶的结构示意图；

图5是本实用新型的实施例提供的缠绕气瓶制备时，在进行缠绕过程的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

一方面，本实施例提供一种补强底托，用在缠绕气瓶上，如图1和图2 所示，其中，补强底托包括盘体31和尾座32；其中，盘体31具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，盘体31的第一侧的表面为凹面；盘体31的第二侧的表面为凸面；盘体31的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上。尾座32设置在盘体31的第二侧；其中，尾座32上开设有第一沉孔321；其中，第一沉孔321和缠绕机的顶锥适配。

本实施例提供的补强底托，一方面通过使盘体31的第一侧的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上，以对缠绕气瓶的下封头部位起到补强的作用，从而提高缠绕气瓶的耐压性能；另一方面，通过在盘体31的第二侧上设置尾座32，且在尾座32上开设与缠绕机的顶锥适配的第一沉孔321，在对气瓶内胆进行缠绕时，只需将补强底托贴合在气瓶内胆的下封头，然后，如图5所示将补强底托上的第一沉孔321与缠绕机的顶锥6配合即可，从而实现快速上装，方便缠绕工艺的进行。因此，本实施例提供的补强底托不仅能提高缠绕气瓶的耐压性能，而且在缠绕气瓶内胆时，能作为辅助工装使缠绕操作方便快捷。

实施例2

较佳地，本实施例提供一种补强底托，在上一实施例的基础上，如图1 和图2所示，本实施例进一步进行如下设计：

盘体31的第一侧上开设有第二沉孔311；其中，第二沉孔311与气瓶内胆的下封头上的连接块适配，以使盘体31能紧贴在气瓶内胆的下封头上。

较佳地，第二沉孔311位于盘体31的中心位置处(相应的，连接块位于气瓶内胆的下封头的中心位置处)；其中，第二沉孔311为方形沉孔；较佳地，方形沉孔的边长为10-15mm(在此的边长指的是方形的边长)、深度为6-10mm。较佳地，第二沉孔311的中心与盘体31的圆心重合。

本实施例提供的补强底托进一步在盘体31的第一侧上开设第二沉孔 311，以使第二沉孔311与气瓶内胆的下封头上的连接块适配，从而使盘体 31能紧贴在气瓶内胆的下封头上。

实施例3

较佳地，本实施例提供一种补强底托，在上述任一实施例的基础上，如图1和图2所示，本实施例进一步进行如下设计：

盘体31为圆形，优选为圆形浅盘(圆形薄壁浅盘)；其中，所述盘体的厚度由中心向边缘渐变式减小；在此，本实施例将盘体31设置成厚度由中心向边缘渐变式减小的结构。上述设置，一方面，能尽量保持气瓶内胆的下封头和补强底托的曲面过渡，补强底托的边缘较薄，为了和气瓶内胆的下封头贴合，以使缠绕纤维在此处不会出现台阶、架空的情况，从而保证了缠绕气瓶的强度；另一方面，补强底托的中间厚度较厚，是为了确保缠绕气瓶的强度和方便加工。

较佳地，所述盘体的直径为70-100mm、中心处的深度为3-14mm、中心处的厚度为2-3mm、边缘处的厚度为0.5-1mm。

实施例4

较佳地，本实施例提供一种补强底托，在上述任一实施例的基础上，如图1和图2所示，本实施例进一步对尾座32进行如下设计：

尾座32设置在盘体31的第二侧的中心位置处。尾座32为圆柱形，较佳地，尾座32的直径为25-30mm、长度为16-20mm。

第一沉孔321开设在尾座32的远离盘体31的一端上；较佳地，所述第一沉孔321的轴线与尾座32的轴线位于同一直线上。

第一沉孔321为圆锥形沉孔；较佳地，圆锥形沉孔的大端为第一沉孔 321的孔口；优选的，圆锥形沉孔的深度为5-8mm、圆锥形沉孔的大端的直径为5-8mm。

实施例5

较佳地，本实施例提供一种补强底托，在上述任一实施例的基础上，如图2和图3所示，本实施例进一步进行如下设计：

补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。较佳地，在补强底托中，最外层的碳纤维为纹理碳纤维(优选为3K 纹理碳纤维)；其余层中的每一层的碳纤维为单向碳纤维；且其余层的碳纤维按着环向方向、径向方向交替排布。如图3所示，最外层的碳纤维为3K 纹理碳纤维33层，其余层包括环向方向碳纤维层35、径向方向碳纤维层 34；其中，环向方向碳纤维层35、径向方向碳纤维层34交替排布。

较佳地，补强底托的盘体和尾座为一体式结构(即，补强底托为一体式结构)。

在此，本实施例提供的补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料，这样设置，一方面，由于碳纤维复合材料的质量轻，强度大，从而可以保证缠绕气瓶的下封头部位的强度，且在相同强度要求下，其重量更轻，从而可以使缠绕气瓶整体的重量更轻；另一方面，补强底托的材质与缠绕气瓶的缠绕材料体系相同，从而可以达到很好的界面相容性。

另外，关于上述实施例提供的补强底托，本实施例进一步还提供了补强底托的制备方法，具体如下：

步骤一：根据所设计的补强底托的结构特点，加工对模；然后，清洗模具，并涂覆脱模剂，烘干备用。

步骤二：制备碳纤维预浸料，然后将其进行修剪，并按照一定的方式和次序铺贴于模具的阴模内；其中，最外层采用3k纹理的碳纤维预浸料，其他层采用单向预浸料，然后合上阳模。

其中，碳纤维预浸料的制备方法是：采用湿法缠绕工艺，碳纤维经浸胶槽后，按照环向方式缠绕在覆有离型材料的模具轴上制得。

其中，碳纤维预浸料的铺贴方式为环向方向、径向方向交替铺贴。

其中，碳纤维预浸料为碳纤维与环氧树脂胶液组成的预浸料。

步骤三：将铺料后的模具放入热压机的台面上，施加一定的压力，并加热使树脂固化，制成补强底托的坯体。

固化的温度依次为：90℃(固化1-3h)、120℃(固化1-3h)、160℃(固化1-3h)；其中，成型压力为5-10MPa。

步骤四：固化完成后，自然冷却至室温脱模，将补强底托的坯体取出，将毛边去除，整体打磨，得到补强底托。

实施例6

另一方面，本实施例提供一种缠绕气瓶，其中，如图4所示，本实施例的缠绕气瓶包括补强内胆和缠绕层；其中，补强内胆包括气瓶内胆1和补强底托3；其中，补强底托3贴合在气瓶内胆1的下封头12上；其中，补强底托3为上述任一实施例所述的补强底托。缠绕层缠绕在补强内胆的表面上。

在此，本实施例提供的缠绕气瓶，通过将补强底托3贴合在气瓶内胆1 的下封头12上，从而起到对下封头12的补强作用，从而提高缠绕气瓶的承压能力；进一步地，由于补强底托3的材质为碳纤维复合材料，具有强度高质量轻的优点，从而在相同强度要求的条件下，缠绕气瓶的重量会更轻。因此，本实施例提供的缠绕气瓶具有强度优异、重量轻的优点。

另外，缠绕层进一步可以增加气瓶内胆1和补强底托3之间的贴合力，使补强底托3紧紧地贴合在气瓶内胆1上。

较佳地，如图1、图2及图4所示，气瓶内胆1的下封头12的中心位置处设置有连接块121；其中，补强底托3的盘体31上的第二沉孔311与连接块121连接；通过这样设置能进一步提高补强底托3与下封头12的贴合力。进一步优选的，连接块121为方形块；其中，方形块的边长为10-15mm、长度为6-10mm。

较佳地，气瓶内胆1的材质为6061铝合金。

较佳地，缠绕气瓶为T型缠绕气瓶。

较佳地，本实施例进一步将气瓶内胆1设计成如下结构：气瓶内胆1 包括筒体11、位于筒体一端的上封头13及位于筒体另一端的下封头12；其中，上封头13上开设有瓶口131；下封头12为封闭结构。上封头、下封头均设置成椭圆形曲面结构。

较佳地，气瓶内胆1的公称外径为135-140mm、总长度为510-520mm、筒体11的长度为410-430mm、上封头13的高度40-50mm、下封头12的高度为40-50mm；进一步的，瓶口131的长度为22mm、瓶口131的外径为31.5mm。另外，筒体11与上封头13、下封头12之间圆滑过渡，上封头13的曲面尾部、肩部132与瓶口131之间光滑无缝连接。较佳地，瓶口131为内螺纹密封结构，螺纹尺寸为M18×1.5-6H。

较佳地，气瓶内胆1的外表面涂覆有防电腐蚀涂层14；较佳地，防电腐蚀涂层14的材质为聚氨酯清漆、环氧树脂漆、UV漆中的任一种。

较佳地，本实施例进一步对缠绕层进行如下设计：缠绕层包括碳纤维缠绕层2，其中，所述碳纤维缠绕层2缠绕在补强内胆的表面上。碳纤维缠绕层2的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。其中，碳纤维缠绕层2包括碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层。碳纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°。碳纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°。

进一步地，缠绕层还包括玻璃纤维缠绕层4；其中，玻璃纤维缠绕层4 缠绕在碳纤维缠绕层2之外。其中，玻璃纤维缠绕层4的材质为以环氧树脂为基体、玻璃纤维为增强体的玻璃纤维复合材料。其中，玻璃纤维缠绕层包括玻璃纤维环向缠绕层和玻璃纤维螺旋缠绕层。其中，玻璃纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°。玻璃纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°。

综上，本实施例提供的缠绕气瓶通过上述的结构优化(如，设计补强底托等)、缠绕线性的设计，使得缠绕气瓶的径向方向和轴向方向的材料趋近于等强度，使得各方向材料的性能能充分发挥作用，进而达到在同等工作压力下，缠绕气瓶的重量最轻的目的。以容积为6.8L，工作压力30MPa 的缠绕气瓶为例，目前市面上碳纤维缠绕气瓶每支重量多在4.8公斤左右，而本实用新型结构的缠绕气瓶的重量4.6公斤左右，有效减重5％左右，并且满足呼吸器用复合气瓶的的标准要求。重量的降低可提升作业人员的使用舒适性，提高作业效率，为抗灾抢险提供更大的便利。

另外，如图1、图2、图4和图5所示，本实施例还提供一种缠绕气瓶的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一：在气瓶内胆1(铝合金内胆)的外表面刷一层防电腐蚀涂层 14；将气瓶内胆1的瓶口131连上接轴工装，将气瓶内胆1的下接头12上的连接块121与补强底托3上的第二沉孔311匹配安装，缠绕机的顶锥6 与补强底托3的第一沉孔321匹配安装，使气瓶内胆1与补强底托3整体形成的补强内胆固定于缠绕机工位上(参见图5所示)。

步骤二：将碳纤维丝束经过纱架、浸胶槽、张力辊、导丝嘴后，进入补强内胆表面。

步骤三：按照配方比例配制混合树脂胶液，混合均匀后倒入胶槽中，调节好张力辊的位置。

步骤四：在缠绕设备计算机控制系统上进行缠绕参数设定，包括内胆参数、纱片宽度、丝束数、缠绕起止点、缠绕角度、缠绕层数、缠绕顺序、缠绕速度，然后开始缠绕，完成碳纤维缠绕层。

其中，碳纤维缠绕层由碳纤维与环氧树脂胶液组成，按照环向缠绕与螺旋缠绕交替铺设的顺序缠绕在补强内胆的外面。其中，缠绕丝束数为1-3 束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为10-20°之间。

步骤五：将玻璃纤维丝束替换碳纤维丝束，设定新的缠绕参数，包括内胆参数、纱片宽度、丝束数、缠绕起止点、缠绕角度、缠绕层数、缠绕顺序、缠绕速度，然后开始缠绕，完成玻璃纤维缠绕层。

其中，玻璃纤维缠绕层由玻璃纤维与环氧树脂胶液组成，按照先螺旋缠绕再环向缠绕的顺序缠绕。其中，缠绕丝束数为1-4束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为10-20°之间。

步骤六：将缠绕好的气瓶从缠绕机上卸下，放置于旋转固化炉中，设定旋转速度为15-30r/min，调节固化参数，固化温度依次为在90℃(固化 1-3小时)、120℃(固化1-3小时)、150-160℃(固化1-3小时)。

步骤七：将固化后的气瓶从固化炉中取出，得到缠绕气瓶。

下面通过具体实验实施例进一步对本实用新型进行说明如下：

实验实施例1

本实验实施例制备一种补强底托、缠绕气瓶，具体如下：

第一、制备补强底托

补强底托的结构设计：补强底托的结构如实施例1-实施例5所述；其中，如图1、图2所示，补强底托包括盘体31和设置在盘体31的第二侧上的尾座32；盘体31为圆形，且盘体31的直径为70mm，中心深度为3mm，中心厚度2mm，边缘厚度为0.5mm。盘体31的厚度由中心向边缘渐变式减小。第二沉孔311为方形沉孔，边长为10mm，深度为6mm。尾座32为圆柱形，其直径为25mm，长度为16mm。第一沉孔321为圆锥形沉孔，其中心轴线与尾座32的中心轴线共轴，位于尾座32的远离盘体31的一端上，第一沉孔的深度为5mm，第一沉孔的孔口为圆锥大端，且孔口直径为5mm。

具体制备步骤如下：

1)根据补强底托的上述结构特点加工对模，清洗模具，并涂覆脱模剂，烘干备用。

2)制备碳纤维预浸料，然后将其进行修剪，并按照一定的方式和次序铺贴于模具的阴模内，最外层采用3k纹理的碳纤维预浸料，其他层采用单向预浸料，然后合上阳模。

碳纤维预浸料的制备方法采用湿法缠绕工艺，碳纤维经浸胶槽后，按照环向方式缠绕在覆有离型材料的模具轴上制得，碳纤维预浸料的铺贴方式为环向方向，径向方向交替铺贴。

3)将模具放入热压机的台面上，施加一定的压力，并加热使树脂固化，制成补强底托的坯体。

其中，固化的温度为90℃(固化1h)、120℃(固化2h)、160℃(固化 3h)；成型压力为5MPa。

4)固化完成后，自然冷却至室温脱模，将补强底托的坯体取出，将毛边去除，整体打磨，得到补强底托。

第二、制备缠绕气瓶

如图4所示，缠绕气瓶的结构设计如下：缠绕气瓶包括气瓶内胆1、补强底托3及缠绕层；补强底托3为上一步骤制备的补强底托；补强底托贴合在气瓶内胆1的下封头12上，与气瓶内胆1组合成补强内胆。气瓶内胆 1的表面涂覆有防电腐蚀涂层14；补强内胆的表面上依次缠绕有碳纤维缠绕层2和玻璃纤维缠绕层4。其中，气瓶内胆1的材质为6061铝合金。气瓶内胆1包括筒体11、位于筒体1一端的上封头13、位于筒体1另一端的下封头12，上封头13的中心位置处设有瓶口131，下封头12的中心位置处设有连接块121(方形块)，筒体11与上封头13、下封头12圆滑过渡。上封头13的曲面尾部、肩部132与瓶口131光滑无缝连接。气瓶内胆的公称外径为138mm，总体长度515mm，筒体的长度420mm；上封头、下封头的高度45mm；瓶口长度为22mm，外径为31.5mm；瓶口为内螺纹密封结构，螺纹尺寸为M18×1.5-6H；连接块的边长为10mm，长度为6mm。

具体制备步骤如下：

1)在气瓶内胆的表面刷一层防电腐蚀涂层(防电腐蚀涂层的材质为聚氨酯清漆)；将气瓶内胆的瓶口连上接轴工装，将气瓶内胆下接头上的连接块与补强底托上的第二沉孔匹配安装，缠绕机的顶锥与补强底托的第一沉孔匹配安装，使气瓶内胆与补强底托整体形成的补强内胆固定于缠绕机工位上。

2)将碳纤维丝束经过纱架、浸胶槽、张力辊、导丝嘴后，进入铝合金内胆表面。

3)按照配方比例配制混合树脂胶液，混合均匀后倒入胶槽中，调节好张力辊的位置。

4)在缠绕设备计算机控制系统上进行缠绕参数设定，包括内胆参数、纱片宽度、丝束数、缠绕起止点、缠绕角度、缠绕层数、缠绕顺序、缠绕速度，然后开始缠绕，完成碳纤维缠绕层。

其中，碳纤维缠绕层由碳纤维与环氧树脂胶液组成，按照环向缠绕与螺旋缠绕交替铺设的顺序缠绕在气瓶内胆的表面。

其中，缠绕丝束数为1束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为13°。

具体缠绕规律为：(90°/90°/90°/90°/90°/13°/13°)₄/90°；其中，5层环向缠绕90°、2层螺旋缠绕13°，交替缠绕4个循环，然后再缠1层环向缠绕90°。

5)将玻璃纤维丝束替换碳纤维丝束，设定新的缠绕参数，包括内胆参数、纱片宽度、丝束数、缠绕起止点、缠绕角度、缠绕层数、缠绕顺序、缠绕速度，然后开始缠绕，完成玻璃纤维缠绕层。

所述玻璃纤维缠绕层由玻璃纤维与环氧树脂胶液组成，按照先螺旋缠绕再环向缠绕的顺序缠绕。

其中，缠绕丝束数为2束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为15°。具体缠绕规律为15°/15°/90°/90°，2层螺旋缠绕15°， 2层环向缠绕90°。

6)将缠绕好的气瓶从缠绕机上卸下，放置于旋转固化炉中，设定旋转速度为15r/min，调节固化参数，固化温度依次为90℃(固化1小时)、120℃ (固化1.5小时)、150℃(固化3小时)。

7)将固化后的气瓶从固化炉中取出，得到缠绕气瓶。其中，该缠绕气瓶可作为高压储氢气瓶。

本实验实施例制备的缠绕气瓶的容积为6.8L、工作压力为30MPa、缠绕气瓶的重量为4.55公斤。

实验实施例2

本实验实施例制备一种补强底托、缠绕气瓶，具体如下：

第一、制备补强底托

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备补强底托步骤的区别在于：

盘体的直径为80mm，中心深度为6mm，中心厚度2.5mm，边缘厚度为 0.8mm。第二沉孔的边长为12mm，深度为7mm。尾座的直径为28mm，长度为 20mm。第一沉孔的深度为6mm，孔口直径为6mm。

固化的温度依次为：90℃(固化2h)、120℃(固化1h)、160℃(固化 3h)；成型压力为8MPa。

其他步骤及参数与实验实施例1一致

第二、制备缠绕气瓶

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备缠绕气瓶步骤的区别在于：

气瓶内胆的公称外径为138mm，总体长度515mm，筒体的长度420mm；上封头、下封头的高度为45mm；瓶口长度为22mm，外径为31.5mm；瓶口为内螺纹密封结构，螺纹尺寸为M18×1.5-6H；连接块的边长为12mm，长度为7mm。

防电腐蚀涂层的材料为环氧树脂漆；

碳纤维缠绕丝束数为2束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为13°。

具体缠绕规律为(90°/90°/90°/90°/13°/13°)₄/90°/₅；其中， 4层环向缠绕90°，2层螺旋缠绕13°，交替缠绕4个循环，然后再缠5 层环向缠绕90°。

玻璃纤维缠绕丝束数为2束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为15°。具体缠绕规律为15°/15°/90°/90°，2层螺旋缠绕 15°，2层环向缠绕90°。

在固化步骤中：固化旋转速度为30r/min，固化温度依次为：90℃(固化2小时)、120℃(固化2小时)，150℃(固化3小时)。

本实验实施例制备的缠绕气瓶的容积为6.8L。工作压力为30MPa，缠绕气瓶的重量为4.65kg。

实验实施例3

本实验实施例制备一种补强底托、缠绕气瓶，具体如下：

第一、制备补强底托

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备补强底托步骤的区别在于：

盘体的直径为100mm、中心深度为14mm，中心厚度3mm，边缘厚度为 1mm。第二沉孔的边长为15mm，深度为10mm。尾座的直径为30mm，长度为 20mm。第一沉孔的深度为8mm，孔口直径为8mm。

加热固化的温度依次：90℃(固化1h)、120℃(固化2h)、160℃(固化2h)；成型压力为10MPa。

其他步骤及参数与实验实施例1一致

第二、制备缠绕气瓶

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备缠绕气瓶步骤的区别在于：

气瓶内胆的公称外径为138mm，总体长度515mm，筒体的长度420mm；上封头、下封头的高度为45mm；瓶口长度为22mm，外径为31.5mm；瓶口为内螺纹密封结构，螺纹尺寸为M18×1.5-6H；连接块的边长为15mm，长度为10mm。

防电腐蚀涂层的材质为UV漆；

碳纤维缠绕丝束数为3束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为13°。具体缠绕规律为(90°/90°/90°/13°/13°)₅/90°/₆；其中，3层环向缠绕90°，2层螺旋缠绕13°，交替缠绕5个循环，然后再缠6层环向缠绕90°。

玻璃纤维缠绕丝束数为4束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为15°。具体缠绕规律为15°/15°/90°/90°，2层螺旋缠绕 15°，2层环向缠绕90°。

在固化步骤中：固化旋转速度为20r/min；固化温度依次为：90℃(固化1.5小时)、120℃(固化2小时)，150℃(固化2小时)。

本实验实施例制备的缠绕气瓶的容积为6.8L。工作压力为30MPa，缠绕气瓶的重量为4.56公斤。

实验实施例4

本实验实施例制备一种补强底托、缠绕气瓶，具体如下：

第一、制备补强底托

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备补强底托步骤的区别在于：

盘体的直径为90mm、中心深度为10mm，中心厚度3mm，边缘厚度为0.5mm。第二沉孔的边长为13mm，深度为8mm。尾座的直径为30mm，长度为 20mm。第一沉孔的深度为6mm，孔口直径为5mm。

加热固化的温度依次为：90℃(固化2h)、120℃(固化2h)、160℃(固化2h)；成型压力为9MPa。

其他步骤及参数与实验实施例1一致

第二、制备缠绕气瓶

在该步骤中，本实验实施例与实验实施例1中的制备缠绕气瓶步骤的区别在于：

气瓶内胆的公称外径为138mm，总体长度515mm，筒体的长度420mm；上封头、下封头的高度为45mm；瓶口长度为22mm，外径为31.5mm；瓶口为内螺纹密封结构，螺纹尺寸为M18×1.5-6H；连接块的边长为13mm，长度为8mm。

碳纤维缠绕丝束数为2束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为13°。具体缠绕规律为(90°/90°/90°/90°/13°/13°)₅/90° /₁；其中，4层环向缠绕90°，2层螺旋缠绕13°，交替缠绕5个循环，然后再缠1层环向缠绕90°。

玻璃纤维缠绕丝束数为2束，环向缠绕的缠绕角度为90°，螺旋缠绕的缠绕角为15°。具体缠绕规律为15°/15°/90°/90°，2层螺旋缠绕 15°，2层环向缠绕90°。

在固化步骤中：固化旋转速度为25r/min，固化温度依次为90℃(固化2小时)、120℃(固化1小时)，150℃(固化2.5小时)。

本实验实施例制备的缠绕气瓶的容积为6.8L。工作压力为30MPa，缠绕气瓶的重量为4.58公斤。

综上，本实用新型实施例提供的一种补强底托及缠绕气瓶，一方面，本实用新型结合两方面需求(下封头需要补强、缠绕时需与缠绕机的顶锥配合)，设计了补强底托，材料采用碳纤维复合材料，其与缠绕气瓶的缠绕材料体系相同，可以达到很好的界面相容性，且补强底托的碳纤维铺层角度与顺序根据受力情况进行针对性设计，结构可以完美贴合气瓶内胆的下封头，可实现快速上装，方便缠绕工艺的进行。另外碳纤维材质的补强底托，在相同强度要求下，其重量更轻，可以使气瓶整体重量更轻。再一方面，本实用新型实施例提供的缠绕气瓶具有重量轻，承压能力高、容重比大、耐腐蚀、安全性好等特点；以容积6.8L，公称工作压力30MPa呼吸气瓶为例，可实现瓶重约4.6kg左右，比现有技术有效减重约5％。另外，重量的降低可提升作业人员的使用舒适性，提高作业效率，为抗灾抢险提供更大的便利。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (39)

1.一种补强底托，用在缠绕气瓶上，其特征在于，所述补强底托包括：

盘体，所述盘体具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，所述盘体的第一侧的表面为凹面；所述盘体的第二侧的表面为凸面；所述盘体的凹面用于贴合在气瓶内胆的下封头上；

尾座，所述尾座设置在所述盘体的第二侧；其中，所述尾座上开设有第一沉孔；其中，所述第一沉孔和缠绕机的顶锥适配。

2.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，所述盘体的第一侧上开设有第二沉孔；其中，所述第二沉孔与气瓶内胆的下封头上的连接块适配。

3.根据权利要求2所述的补强底托，其特征在于，

所述第二沉孔位于所述盘体的中心位置处。

4.根据权利要求2所述的补强底托，其特征在于，

所述第二沉孔为方形沉孔。

5.根据权利要求4所述的补强底托，其特征在于，

所述方形沉孔的边长为10-15mm、深度为6-10mm。

6.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，所述盘体为圆形，且所述盘体的厚度由中心向边缘渐变式减小。

7.根据权利要求6所述的补强底托，其特征在于，

所述盘体的直径为70-100mm、中心处的深度为3-14mm、中心处的厚度为2-3mm、边缘处的厚度为0.5-1mm。

8.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，

所述尾座设置在所述盘体的第二侧的中心位置处。

9.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，

所述尾座为圆柱形。

10.根据权利要求9所述的补强底托，其特征在于，

所述尾座的直径为25-30mm、长度为16-20mm。

11.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，

所述第一沉孔开设在所述尾座的远离所述盘体的一端上。

12.根据权利要求11所述的补强底托，其特征在于，

所述第一沉孔的轴线与所述尾座的轴线位于同一直线上。

13.根据权利要求1所述的补强底托，其特征在于，

所述第一沉孔为圆锥形沉孔；其中，所述圆锥形沉孔的大端为所述第一沉孔的孔口。

14.根据权利要求13所述的补强底托，其特征在于，

所述第一沉孔的深度为5-8mm、所述第一沉孔的孔口直径为5-8mm。

15.根据权利要求1-14任一项所述的补强底托，其特征在于，所述补强底托的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。

16.根据权利要求15所述的补强底托，其特征在于，

在所述补强底托中，最外层的碳纤维为纹理碳纤维，其余层为交替排布的环向方向碳纤维层、径向方向碳纤维层。

17.根据权利要求15所述的补强底托，其特征在于，所述补强底托一体式结构。

18.根据权利要求1-14任一项所述的补强底托，其特征在于，

所述补强底托的材质为铝合金。

19.根据权利要求18所述的补强底托，其特征在于，

所述补强底托为一体式结构。

20.一种缠绕气瓶，其特征在于，所述缠绕气瓶包括：

补强内胆，所述补强内胆包括气瓶内胆和补强底托；其中，所述补强底托贴合在所述气瓶内胆的下封头上；其中，所述补强底托为权利要求1-19任一项所述的补强底托；

缠绕层，所述缠绕层缠绕在所述补强内胆的表面上。

21.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述气瓶内胆的下封头的中心位置处设置有连接块；其中，所述补强底托的盘体上的第二沉孔与所述连接块连接。

22.根据权利要求21所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述连接块为方形块；其中，所述方形块的边长为10-15mm、长度为6-10mm。

23.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述气瓶内胆的材质为6061铝合金。

24.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述缠绕气瓶为T型缠绕气瓶。

25.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述气瓶内胆包括筒体、位于筒体一端的上封头及位于筒体另一端的下封头；其中，所述上封头上开设有瓶口。

26.根据权利要求25所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述气瓶内胆的公称外径为135-140mm、总长度为510-520mm、筒体的长度为410-430mm、上封头的高度40-50mm、下封头的高度为40-50mm。

27.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述气瓶内胆的外表面涂覆有防电腐蚀涂层。

28.根据权利要求27所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述防电腐蚀涂层的材质为聚氨酯清漆、环氧树脂漆、UV漆中的任一种。

29.根据权利要求20所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述缠绕层包括碳纤维缠绕层，其中，所述碳纤维缠绕层缠绕在所述补强内胆的表面上。

30.根据权利要求29所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述碳纤维缠绕层的材质为以环氧树脂为基体、碳纤维为增强体的碳纤维复合材料。

31.根据权利要求29所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述碳纤维缠绕层包括碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层。

32.根据权利要求31所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层交替排布。

33.根据权利要求32所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述碳纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°。

34.根据权利要求32所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述碳纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°；其中，所述缠绕角度为缠绕纤维的走向与缠绕气瓶的筒身轴线的夹角。

35.根据权利要求29所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述缠绕层还包括玻璃纤维缠绕层；其中，所述玻璃纤维缠绕层缠绕在所述碳纤维缠绕层之外。

36.根据权利要求35所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述玻璃纤维缠绕层的材质为以环氧树脂为基体、玻璃纤维为增强体的玻璃纤维复合材料。

37.根据权利要求35所述的缠绕气瓶，其特征在于，

所述玻璃纤维缠绕层包括玻璃纤维环向缠绕层和玻璃纤维螺旋缠绕层。

38.根据权利要求35所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述玻璃纤维环向缠绕层的缠绕角度为90°。

39.根据权利要求38所述的缠绕气瓶，其特征在于，所述玻璃纤维螺旋缠绕层的缠绕角度为10-20°。

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