專利名稱：車用壓縮天然氣全復(fù)合材料氣瓶及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車用壓縮天然氣氣瓶及其制造方法，特別是一種全復(fù)合材料氣瓶及制造方法。
車用壓縮天然氣氣瓶是一種以天然氣作動力燃料的汽車配套產(chǎn)品。目前，國內(nèi)此類氣瓶僅限于鋼質(zhì)氣瓶，它是以氧氣瓶為基礎(chǔ)發(fā)展過來的，其材料為鋼質(zhì)，自身質(zhì)量大(容積50升，約65Kg)，而且形狀尺寸大(φ229×1500)，不利于多種車輛上安裝使用和天然氣能源的開發(fā)利用。國外此類氣瓶的品種有鋼質(zhì)、環(huán)向纏繞復(fù)合材料的鋼氣瓶。鋼瓶、環(huán)向纏繞復(fù)合材料的鋼瓶自身重大，使用在大型車輛上，與其車體重、載物重比較，氣瓶重微不足道，但使用在小型車輛上，特別是小轎車、出租車，氣瓶重就會影響車體重心的分布，并與載物重相比，氣瓶重量就占取了一定的載物重，要減少氣瓶的自重，氣瓶就得制造的小一些，相應(yīng)地，氣瓶容積減少，氣瓶充氣量減少，車行駛的路程就會減少。
本發(fā)明的目的在于提供一種輕質(zhì)、耐用且成本較低的全復(fù)合材料氣瓶。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述氣瓶的制造方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明包括塑料內(nèi)膽、纏繞在塑料內(nèi)膽外的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層及包覆在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層外表面的保護(hù)層及分別接在塑料內(nèi)膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭。
上述氣瓶的制造方法，包括下列步驟1.金屬法蘭的設(shè)計加工；2.塑料內(nèi)膽的滾制；3.連續(xù)纖維浸中溫固化的環(huán)氧樹脂膠，濕法纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層；4.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的中溫固化；5.氣瓶外保護(hù)層的覆制。
在塑料內(nèi)膽滾制后，在內(nèi)膽封頭外表面或內(nèi)膽外表面可粘貼橡膠層。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2為本發(fā)明的塑料內(nèi)膽和金屬接嘴法蘭鑲嵌連接的局部剖視圖；圖3為本發(fā)明的塑料內(nèi)膽通過螺紋與金屬法蘭相接的內(nèi)膽局部剖視圖；圖4為本發(fā)明的塑料內(nèi)膽通過螺紋與金屬法蘭相接的局部剖視圖。
參見附圖1，本實施例包括塑料內(nèi)膽3、纏繞在塑料內(nèi)膽外的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4、包覆在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4外表面的氣瓶保護(hù)層5、分別接在塑料內(nèi)膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭1，金屬接嘴法蘭1的中心軸線與塑料內(nèi)膽3的中心軸線重合。
為了減緩塑料內(nèi)膽3與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4界面間的剪切應(yīng)力，防止挫動，提高氣瓶內(nèi)膽的疲勞壽命，塑料內(nèi)膽3在纏繞外層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4前，在其整個范圍內(nèi)或其封頭局部范圍內(nèi)粘貼一層剪切模量較高的橡膠層2，厚度為0.5-2mm之間。
氣瓶外表面保護(hù)層5可以采用兩種形式一種為聚胺脂體系的涂層，另一種為纏繞一層碳纖維的復(fù)合材料層。這兩種材料都能防火，防潮，防酸、堿、鹽，防靜電，保證氣瓶在各種正常工作的條件下的安全使用。
塑料內(nèi)膽3采用滾塑法成型時，其封頭型面可以是標(biāo)準(zhǔn)橢球面、三心園型面、等張力封頭型面或球型面。為了內(nèi)膽3滾塑成型的模具制造方便和有利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4纏繞成型方便，本實施例采用標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭。
參見附圖2、3、4，金屬接嘴法蘭1與塑料內(nèi)膽3的連接有兩種方式一種是在塑料內(nèi)膽3成型過程中，把金屬接嘴法蘭1直接鑲嵌在內(nèi)膽3的封頭上，如圖2所示。另一種方式是在滾塑內(nèi)膽3時，在兩端封頭上，預(yù)制出外凸的螺紋柱，如圖3所示，再把加工好的金屬接嘴法蘭1通過螺紋連接在一起，如圖4所示。以上兩種方式的連接保證了塑料內(nèi)膽3的氣密性和連接的牢固性。
由于金屬與塑料的彈性模量相差較大，兩種材料結(jié)合處鋼度不連續(xù)，因此，在設(shè)計金屬接嘴法蘭1時，考慮內(nèi)膽3在受內(nèi)壓后封頭的應(yīng)力分布，保證應(yīng)力平緩過渡及成品氣瓶在受內(nèi)高壓下，金屬接嘴法蘭1不被擠壓脫出，因此金屬接嘴法蘭1的肩寬比設(shè)計在1.5-2mm之間。金屬接嘴法蘭1的肩部外型面與封頭外型面曲線方程一致，其內(nèi)型面為從頸根到肩寬邊緣的厚度逐漸減薄。
為了保證氣瓶的疲勞壽命大于10000次，本發(fā)明在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層4的設(shè)計上，采用了以網(wǎng)格理論的強度設(shè)計為主，有限元應(yīng)力分析和疲勞分析為輔的綜合設(shè)計方法。在滿足靜強度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元的應(yīng)力分析，計算工作壓強下各點應(yīng)力分部和大小，再與材料失效時的應(yīng)力相比，比值取為δ，定義為應(yīng)力比值。根據(jù)應(yīng)力比的大小和疲勞曲線查出疲勞壽命，若哪部位的疲勞壽命不足10000次，那么通過增加該部位的復(fù)合材料鋼度，減少變形，降低應(yīng)力，提高疲勞壽命。
制造氣瓶時，首先加工金屬法蘭1，材質(zhì)為45鋼，調(diào)質(zhì)處理；再利用滾塑工藝滾制塑料內(nèi)膽3，其厚度為1-7mm，在滾制過程中，把金屬法蘭1直接鑲嵌在內(nèi)膽3兩封頭端部，或在兩封頭端部滾制出柱狀螺紋，把加工好的金屬法蘭1通過科凸螺紋連接在一起；然后在外表面或整個內(nèi)膽3外表面粘貼橡膠層，其厚度為0.5-2mm；之后將連續(xù)纖維(玻纖、芳綸、碳纖維或混雜纖維)浸在中溫(60°～90°)固化環(huán)氧樹脂膠中，濕法纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層；將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層中溫(60°～90°)固化成型，再在氣瓶外纏繞一層碳纖維的復(fù)合材料保護(hù)層，或涂上聚胺脂體系的保護(hù)層。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1.采用低密度、高性能的非金屬材料-塑料作為內(nèi)膽，以低密度、高性能的復(fù)合材料作結(jié)構(gòu)層，氣瓶外包覆有保護(hù)層的全復(fù)合材料氣瓶，所以氣瓶本身質(zhì)量輕(重約35Kg)、耐用且內(nèi)膽制造工藝簡單，一次成型，降低了生產(chǎn)成本。
2.本發(fā)明在制造上采用了環(huán)氧樹脂、中溫固化配方，濕法纏繞成型工藝。環(huán)氧樹脂性能優(yōu)良，價格便宜；中溫固化，節(jié)約能源；濕法纏繞與干法纏繞相比，減少了一道工序，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
3.本發(fā)明的氣密性好且靜強度和疲勞強度高。當(dāng)進(jìn)行水壓疲勞試驗時，在疲勞次數(shù)10000后，氣密性完好，檢壓至設(shè)計爆破壓強的85％，保壓5分鐘，無異常。
權(quán)利要求
1.一種車用壓縮天然氣全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于它包括塑料內(nèi)膽、纏繞在塑料內(nèi)膽外的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層、包覆在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層外表面的保護(hù)層及分別接在塑料內(nèi)膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于還包括在塑料內(nèi)膽和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層之間或塑料內(nèi)膽兩端封頭與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層局部范圍內(nèi)粘貼的一層剪切模量較高的橡膠層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于橡膠層的厚度為0.5-2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于氣瓶外表面保護(hù)層為聚胺脂體系的涂層或纏繞一層碳纖維的復(fù)合材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于塑料內(nèi)膽封頭型面是標(biāo)準(zhǔn)橢球型面或三心園型面或等張力型面或球型面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于塑料內(nèi)膽的壁厚為1-7mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于塑料內(nèi)膽兩端封頭出氣口處與金屬接嘴法蘭直接鑲嵌在一起或通過螺紋連接在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶，其特征在于金屬接嘴法蘭的肩寬比在1.5-2mm之間，其外型面與塑料內(nèi)膽封頭外型面曲線方程一致，其內(nèi)型面為從頸根到肩寬邊緣的厚度逐漸減薄。
9.一種制造權(quán)利要求1所述的全復(fù)合材料氣瓶的方法，其特征在于包括下列步驟1.金屬法蘭的設(shè)計加工；2.塑料內(nèi)膽的滾制；3.連續(xù)纖維浸中溫固化的環(huán)氧樹脂膠，濕法纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層；4.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的中溫固化；5.氣瓶外保護(hù)層的覆制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的全復(fù)合材料氣瓶的制造方法，其特征在于在塑料內(nèi)膽滾制后，在內(nèi)膽封頭外表面或內(nèi)膽外表面粘貼一層橡膠層。
全文摘要
一種車用壓縮天然氣全復(fù)合材料氣瓶包括塑料內(nèi)膽、纏繞在塑料內(nèi)膽外的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層及包覆在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層外表面的保護(hù)層及分別接在塑料內(nèi)膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭;制造上述氣瓶的方法依次步驟是金屬法蘭的加工、塑料內(nèi)膽的滾制、連續(xù)纖維浸中溫固化環(huán)氧樹脂膠,濕法纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層;中溫固化成型復(fù)合材料外表面保護(hù)層的覆制。本發(fā)明本身質(zhì)量輕(重約35Kg)、耐用、氣密性好,靜強度和疲勞強度高,且制造工藝簡單,生產(chǎn)效率高,成本低。
文檔編號F17C1/00GK1196462SQ9710391
公開日1998年10月21日 申請日期1997年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者屈永強, 張康助, 蔣欽榮, 劉文會 申請人:中國航天工業(yè)總公司第四研究院第四十三研究所