CN116398803A - 轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气瓶结构及加工技术领域，公开了一种轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法，包括内胆、设于内胆外壁上的碳纤维复合层，以及设于碳纤维复合层外表面上的玻璃纤维保护层；所述内胆采用钢板拉深成型工艺制成，且所述内胆为单边收口成型；所述碳纤维复合层包括缠绕角度呈第一预设角度的螺旋缠绕层和缠绕角度呈第二预设角度的环向缠绕层。本发明提供的气瓶性能稳定且重量较轻，便于制造，能够有效降低制造及运输成本，实现气瓶的轻量化和低成本化。

Description

轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法

技术领域

本发明涉及气瓶结构及加工技术领域，具体涉及一种轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法。

背景技术

货物运输是现代运输主要方式之一，也是构成陆上货物运输的两个基本运输方式之一。它在整个运输领域中占有重要的地位，并发挥着愈来愈重要的作用。货物运输由于受气候和自然条件影响较小，且运输能力及单车装载量大，在运输的经常性上占据了优势。

卡车作为大量使用的陆路货运交通汽车，随着其数量的不断增加，在市场上燃油供应量有限的条件下，卡车的货运成本不断增加。为降低货运成本，运输成本更低的货运卡车成为目前市场的主要需求，而天然气(CNG)卡车正符合了这样的市场需求，尤其对于在新疆等天然气丰富(车用天然气不到2元/立方)的地区进行长途货运的天然气卡车，其运输成本相比于传统的柴油卡车每年可节省20多万元，并且，其尾气排放更为环保，更具环保效益。

然而，天然气卡车作为以天然气为燃料的一种气体燃料重型汽车，其运行时需要大量的天然气以保证其运输续航能力；而天然气的持续供应需要在其车身上携带着数个大容量气瓶(压缩天然气储罐)，这些气瓶的设置为天然气卡车增加了许多附重，对车辆的承载能力提升存在一定影响；气瓶本身较大的自重也使得天然气卡车实际装载的天然气量相对较少，续航能力难以提升。为进一步优化天然气卡车的承载、续航及经济性，气瓶的轻量化和低成本化是有效手段之一。但如何降低气瓶自重和气瓶成本仍是目前亟需解决的问题。

此外，在气瓶本身的运输中，由于单辆卡车可装载的货物重量有限，在现有的天然气气瓶运输中，气瓶自重往往占据了单次货物装载重量的较大部分，这也导致现有气瓶的自运输成本较高。

发明内容

本发明意在提供一种轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法，气瓶性能稳定且重量较轻，便于制造，能够有效降低制造及运输成本，实现气瓶的轻量化和低成本化。

为达到上述目的，本发明提供的基础方案为：

方案一

轻量化碳纤维全缠绕气瓶，包括内胆和设于内胆外壁上的碳纤维复合层；所述内胆采用钢板拉深成型工艺制成，且所述内胆为单边收口成型；所述碳纤维复合层包括缠绕角度呈第一预设角度的螺旋缠绕层和缠绕角度呈第二预设角度的环向缠绕层。

进一步，所述第一预设角度为8°—15°。

进一步，所述第二预设角度为85°—90°。

进一步，所述内胆包括依次设置的瓶口部、上封头部、筒身部和下封头部；所述螺旋缠绕层缠绕设置于内胆上；所述环向缠绕层缠绕设置于筒身部。

进一步，还包括设于碳纤维复合层外表面上的玻璃纤维保护层；所述玻璃纤维保护层环向缠绕于筒身部。

进一步，所述筒身部的壁厚为3.7mm—4.3mm。

进一步，所述下封头部的底面上设置有尾塞；所述尾塞包括一体制成的上连接部和下连接部；所述上连接部中心处开设有螺纹孔；所述下连接部底面为圆形弧面。

方案二

轻量化碳纤维全缠绕气瓶的制作方法，用于制作如方案一所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶；包括以下步骤：

步骤1：选用钢板作为坯料；采用拉深成型工艺将坯料拉深成杯形体；

步骤2：对杯形体进行热旋压收口，得到单头设瓶口的内胆；

步骤3：在内胆上缠绕设置碳纤维复合层；在碳纤维复合层上缠绕设置玻璃纤维保护层。

进一步，在步骤2中，还包括，在内胆的下封头部的底面上粘接尾塞；所述尾塞的下连接部底面与下封头部底面贴合。

本发明的工作原理及优点在于：

首先，本方案的内胆为由钢板拉深成型并经单边热旋压收口而制成的钢制内胆，整体壁厚分布均匀，气瓶质量稳定；并采用单边收口，进一步减小了内胆壁厚，特别是筒身部的壁厚减小至3.7mm—4.3mm，并可保证将壁厚波动控制在0.6mm内，生产质量较高，制造效率较高。相较于常规的通过对钢管两端收口成形而得到的双头内胆，受其工艺限制，其制造时壁厚波动较大(大于等于1mm)且筒身壁厚往往大于10mm，双头的设置也使得其上封头部和下封头部的壁厚都不均匀，整体内胆较重。本方案则通过工艺改良和结构改进有效优化了内胆质量，在同等容量条件下，本方案的壁厚分布更均匀，结构性能更稳定，内胆重量更轻，能够大幅降低运输成本。

其次，本方案在减小并均匀内胆壁厚的同时，还能够保证内胆的承压能力充分达标。本方案对碳纤维复合层和玻璃纤维保护层的缠绕方式做了细致限定。将碳纤维复合层分设为螺旋缠绕层和环向缠绕层，并特别限定了各自的缠绕角度和缠绕区域，在此缠绕条件下，本方案能够以相较于常规缠绕时更少的缠绕材料，辅助内胆达到更优的承压性能；能够进一步减轻气瓶重量的同时，还节省了碳纤维复合层用料，能够大幅降低生产成本。此外，尾塞的设置配合以单边瓶口，使得内胆两端便于连接工装等以获得支撑，方便流水线生产，有助于提升气瓶的生产效率。

附图说明

图1为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的整体结构示意图；

图2为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的图1中的I处结构的放大示意图；

图3为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的瓶口部结构示意图；

图4为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的下封头部结构示意图；

图5为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的螺旋缠绕层的缠绕方式示意图；

图6为本发明轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法实施例的环向缠绕层的缠绕方式示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：内胆1、瓶口部2、瓶口21、瓶口螺纹22、上封头部3、筒身部4、下封头部5、尾塞6、上连接部61、下连接部62、螺旋缠绕层7、环向缠绕层8、玻璃纤维保护层9。

实施例基本如附图1所示：轻量化碳纤维全缠绕气瓶，包括内胆1、设于内胆1外壁上的碳纤维复合层，以及设于碳纤维复合层外表面上的玻璃纤维保护层9。

所述内胆1采用钢板拉深成型工艺制成，且所述内胆1为单边收口成型。所述内胆1包括依次设置的瓶口部2、上封头部3、筒身部4和下封头部5；其中，瓶口部2的瓶口21内壁处设置有瓶口螺纹22，用于在气瓶生产过程中连接定位工装，以便于气瓶加工，还用于在气瓶使用时连接瓶阀，便于组装，如附图3所示。上封头部3的壁厚大于筒身部4的壁厚，且上封头部3自靠近瓶口21处到靠近筒身处的壁厚大小呈递减趋势，此结构条件下，上封头部3壁厚变化均匀，与筒身部4壁厚衔接均匀，且可保证瓶口21处的强度足够。所述筒身部4的壁厚为3.7mm—4.3mm。筒身壁厚较薄，壁厚波动控制在0.6mm内，整体内胆1壁厚分布均匀，结构质量更稳定；内胆1的整体质量较轻，轻量化效果较好，运输成本较低。

如附图2所示，所述碳纤维复合层包括缠绕角度呈第一预设角度的螺旋缠绕层7和缠绕角度呈第二预设角度的环向缠绕层8。其中，碳纤维复合层的材料为高性能碳纤维浸渍环氧树脂。螺旋缠绕层7缠绕设置于内胆1上；环向缠绕层8缠绕设置于筒身部4。且螺旋缠绕层7与内胆1直接接触；环向缠绕层8缠绕在螺旋缠绕层7上。具体地，所述第一预设角度为8°—15°；所述第二预设角度为85°—90°；螺旋缠绕层7和环向缠绕层8的单条缠绕的宽度控制在28-36mm范围内。玻璃纤维保护层9环向缠绕于筒身部4。其中，玻璃纤维保护层9的材料为玻璃纤维浸渍环氧树脂；缠绕方式与碳纤维复合层的环向缠绕层8相同。此结构条件下，内胆1的轴向强度和周向强度均得到增强，可保证气瓶的承压性能满足标准要求；玻璃纤维保护层9的设置可较好地保护碳纤维复合层，保证碳纤维复合层能够稳定分担压力。

如附图4所示，所述下封头部5的底面上设置有尾塞6；所述尾塞6包括一体制成的上连接部61和下连接部62；所述上连接部61中心处开设有螺纹孔；所述下连接部62底面为圆形弧面。具体地，下连接部62的底面与内胆1下封头部5的底面相贴合。

本实施例还提供一种轻量化碳纤维全缠绕气瓶的制作方法，用于制作如上述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶；包括以下步骤：

步骤1：选用钢板作为坯料；采用拉深成型工艺将坯料拉深成杯形体。

具体地，本实施例中，采用大吨位压力机进行三次冷拉深成型，并在第一次拉深和第二次拉深工序之间以及第二次拉深和第三次拉深工序之间采用退火工艺和表面处理工艺对拉深后的坯料进行处理。且拉深速度控制为95～120mm/min。

并且在退火时，坯料加热温度设定为805±10℃，随炉降温，时间28～32min。在表面处理工艺中，表面处理按酸洗、磷化和皂化三个步骤进行；所述酸洗步骤中，采用质量百分比为26％的硫酸溶液，缓蚀剂质量浓度0.45g/L，溶液温度50～60℃，酸洗时间20～18min；所述磷化步骤中，采用锌系磷化液，总酸度25～30滴，游离酸度3～7滴，磷化温度65～80℃，磷化时间28～32min；所述皂化步骤中，采用脂肪酸皂化液，质量浓度86g/L，游离碱<0.3％，温度35～45℃，时间10～12min。

步骤2：对杯形体进行热旋压收口，得到单头设瓶口21的内胆1。且在热旋压收口时，设定的加热温度为1157—1160℃。

在上述工艺条件下，得到的内胆1的下封头部5壁厚较薄且厚度分布均匀。内胆1的上封头部3的壁厚大于筒身部4的壁厚，且上封头部3自靠近瓶口21处到靠近筒身处的壁厚大小呈递减趋势，筒身部4壁厚的厚度分布均匀且厚度控制为3.7mm—4.3mm，整体内胆1壁厚均匀，结构质量稳定，重量较轻。

具体地，还对内胆1进行热处理，本实施例中，采用的热处理操作包括金属淬火处理和回火热处理，可使得钢质内胆1的材料拉伸强度达到950MPa，能够充分满足气瓶的承压标准要求。

还包括，在内胆1的下封头部5的底面上粘接尾塞6；所述尾塞6的下连接部62底面与下封头部5底面贴合。具体地，采用耐高温的高强度胶水粘接尾塞6下连接部62与下封头部5底面。

步骤3：在内胆1上缠绕设置碳纤维复合层；在碳纤维复合层上缠绕设置玻璃纤维保护层9。

具体地，在进行缠绕前，可通过瓶口部2的瓶口21和下封头部5粘接的尾塞6，采用工装与瓶口21及尾塞6的螺纹配合，将内胆1两端托起，以便于在内胆1进行缠绕操作。如附图5所示，在缠绕设置碳纤维复合层时，先设置螺旋缠绕层7，且该层自瓶口部2与上封头部3衔接的R角处开始螺旋缠绕至尾塞6处，并将尾塞6的下连接部62、上封头部3、筒身部4和下封头部5均覆盖包裹，能够大幅增强内胆1的轴向强度。并且，螺旋缠绕层7的单条缠绕的宽度控制在28-36mm范围内，在此特殊的尺寸设置下，能够保证在缠绕时，R角处、上封头部3的瓶肩转折处、下封头部5的底部转折处的各条螺旋缠绕层材料衔接过渡流畅且包裹紧密；相较于直接用大宽度材料包裹，虽然大宽度材料的缠绕步骤减少，各条缠绕材料的接缝更少，看似拥有更好的承压性能和效率，但是实际上，大宽度材料与存在弧度的内胆1的贴合度并不佳，对于弧度区域的包裹易于出现缠绕材料边缘处凸起，需要重叠缠绕，实际耗材较多，承压性能不佳；而本方案则进行特定宽度下的缠绕，可能的材料重叠区域可控制得更小，材料贴合度更高，能够最大化碳纤维复合层材料效用，保证充分发挥承压性能并减少材料用量。此外，配合以尾塞6和瓶口21，将内胆1两端托起以进行缠绕，能够保证本方案的缠绕效率足够。

然后设置环向缠绕层8；且该层自上封头部3与筒身部4的连接处开始环向缠绕至筒身部4与下封头部5的连接处，将整个筒身部4覆盖包裹，能够大幅增强内胆1的周向强度，如附图6所示。

进一步地，再在碳纤维复合层上缠绕设置玻璃纤维保护层9；且该层同样自上封头部3与筒身部4的连接处开始环向缠绕至筒身部4与下封头部5的连接处，能够有效防护碳纤维复合层；保证碳纤维复合层稳定承压。

在实际应用中，内胆1的瓶口21可与瓶阀相连接，压缩天然气从瓶阀加压压入内胆1内部，直至压力达到气瓶的工作压力20MPa。此过程中，内胆1受压膨胀发生弹性变形，将压力传递给内胆1外表面的碳纤维复合层，内胆1和碳纤维复合层的材料一起承受20MPa的内压，起到储存高压天然气的作用。同时，玻璃纤维保护层9持续保护碳纤维复合层，保证气瓶整体承压稳定。

本方案所提供的气瓶，在容量为260L的条件下，本方案所提供的单只气瓶重量低至126Kg,其重量相较于同容量的普通气瓶，降低了10％。相应的，在采用卡车等运输此类气瓶组时，对于整车的重量增加较小，单车能够承载更多的气瓶，能够运输更大量的压缩天然气，有助于大幅降低运输成本。并且，对于CNG卡车(天然气卡车)而言，本方案所提供的气瓶对车辆的附重较小，CNG卡车能够轻松携带更多的气瓶，拥有更长的续航里程；气瓶的生产成本较低，相应地也可进一步降低CNG卡车的配置成本，进一步提升CNG卡车的经济性。本气瓶的应用可有效推动CNG卡车的发展，促进节能减排。

本实施例提供的一种轻量化碳纤维全缠绕气瓶及制作方法，内胆1为由钢板拉深成型并经单边热旋压收口而制成的钢制内胆1并采用单边收口，整体壁厚分布均匀，气瓶质量稳定；内胆1壁厚较小，特别是筒身部4的壁厚减小至3.7mm—4.3mm，并可保证将壁厚波动控制在0.6mm内(常规气瓶生产中的壁厚波动至少在1mm以上)，生产质量较高，制造效率更高(本实施例中可达3min/只的最佳制造效率)。并且，在减小并均匀内胆1壁厚的同时，还能够保证内胆1的承压能力充分达标。

特别的是，通过碳纤维复合层和玻璃纤维保护层9的缠绕方式的细致限定，能够以相较于常规缠绕时更少的缠绕材料，辅助内胆1达到更优的承压性能；在内胆1壁厚减小的情况下，能够进一步减轻气瓶重量的同时，保障了整体气瓶的承压性能绝对达标，节省了碳纤维复合层用料。此外，本方案之所以能够节省缠绕材料，还在于通过特定工艺设置使得对内胆1的壁厚控制得十分均匀，内胆1本身的各区域内壁强度分布均匀且强度波动相对于常规气瓶更小，对于碳纤维复合层而言，其缠绕均匀度也能够得到对应提升，有助于精简碳纤维复合层用量；并且，碳纤维复合层的材料为高性能碳纤维浸渍环氧树脂，其材料性能表现相较于常规碳纤维材料更优，能够高效发挥碳纤维复合层的承压效应。并且，因为碳纤维复合层的用量和内胆1的材料用量是得到减少的，即便采用更优的碳纤维材料，本方案的生产成本仍保持较低，气瓶成本相较于常规的同容量气瓶降低了20％。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，包括内胆和设于内胆外壁上的碳纤维复合层；所述内胆采用钢板拉深成型工艺制成，且所述内胆为单边收口成型；所述碳纤维复合层包括缠绕角度呈第一预设角度的螺旋缠绕层和缠绕角度呈第二预设角度的环向缠绕层。

2.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，所述第一预设角度为8°—15°。

3.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，所述第二预设角度为85°—90°。

4.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，所述内胆包括依次设置的瓶口部、上封头部、筒身部和下封头部；所述螺旋缠绕层缠绕设置于内胆上；所述环向缠绕层缠绕设置于筒身部。

5.根据权利要求4所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，还包括设于碳纤维复合层外表面上的玻璃纤维保护层；所述玻璃纤维保护层环向缠绕于筒身部。

6.根据权利要求4所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，所述筒身部的壁厚为3.7mm—4.3mm。

7.根据权利要求4所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于，所述下封头部的底面上设置有尾塞；所述尾塞包括一体制成的上连接部和下连接部；所述上连接部中心处开设有螺纹孔；所述下连接部底面为圆形弧面。

8.轻量化碳纤维全缠绕气瓶的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1-7任一项所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶；包括以下步骤：

步骤1：选用钢板作为坯料；采用拉深成型工艺将坯料拉深成杯形体；

步骤2：对杯形体进行热旋压收口，得到单头设瓶口的内胆；

步骤3：在内胆上缠绕设置碳纤维复合层；在碳纤维复合层上缠绕设置玻璃纤维保护层。

9.根据权利要求8所述的轻量化碳纤维全缠绕气瓶的制作方法，其特征在于，在步骤2中，还包括，在内胆的下封头部的底面上粘接尾塞；所述尾塞的下连接部底面与下封头部底面贴合。

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