CN101029707A - 车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强cng气瓶和制造方法 - Google Patents
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Abstract
车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶和制造方法涉及车用压力容器。针对现有ZL03134797.5专利技术，存在着预埋有变形协调层、分层固化，其结构和制造方法复杂，成本高等不足。而提出一种结构及制造方法简单，在瓶底3和瓶口1的两圆弧之间的圆筒外壁环向有缠绕层2，将浸渍液态树脂的连续纤维在一定张力下缠绕，然后通过加热使树脂固化的增强CNG气瓶。具有重量轻、容量比高、疲劳寿命高等特点，更适合于轿车、乘用车的使用需求。
Description
一、技术领域
本发明涉及车用压力容器，尤其是一种车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶和制造方法。
二、背景技术
世界各国政府特别重视燃气汽车的发展，发展燃气汽车，就需要燃气汽车的装备：高压气瓶，即车用CNG气瓶，车用瓶的工作压力为20MPa。目前车用CNG气瓶的类型主要分为两大类：一钢质气瓶；另一类为复合材料气瓶——全缠绕的铝内衬CNG气瓶；全缠绕的塑料内衬CNG气瓶和内衬纤维复合材料增强CNG气瓶。
钢质气瓶是应用较早且应用较为广泛的一种气瓶，从钢质气瓶的制造工艺又可分为冲拔瓶和管制瓶，其优点是制作工艺简单，价格低，但也有容重高、易腐蚀、安全性差等缺点。全缠绕的铝内衬CNG气瓶的价格高，不易推广应用；全缠绕的塑料内衬CNG气瓶的安全性不稳定，目前较少应用，同时制造工艺复杂等不足之处。在专利申请号为03134797.5，公开了“一种纤维缠绕复合材料压力容器及制造方法”专利技术，采用了全缠绕结构、内衬与纤维缠绕复合材料之间有变形协调层、纤维复合材料在内衬上以纵向及环向交替缠绕、复合材料纤维缠绕层的层与层之间预埋有变形协调层、分层固化，其结构和制造方法复杂，成本高等不足之处。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种结构及制造方法简单，在瓶底与瓶口的两圆弧之间的气瓶圆筒外壁上有缠绕层，将浸渍液态树脂的连续纤维在一定张力下按照预先设定好的线型铺覆到金属内衬上，然后通过加热使树脂固化的增强CNG气瓶。
本发明的目的所采用技术方案是，其结构，由气瓶和缠绕层组成，气瓶的瓶底与瓶口的两圆弧之间的圆筒外壁环向有缠绕层。
本发明，气瓶材料为30CrMo或35CrMo，钢内衬直径D为Φ273mm-Φ406mm，长度L为990mm-12000mm，钢内衬管的厚度δ2为4.5mm-9.5mm。
本发明，缠绕层采用玻璃纤维，或碳纤维，或玻璃纤维/碳纤维复合纤维；缠绕层厚度δ1为2.5mm-9.5mm。
本发明，制造方法步骤如下：
a.安装气瓶钢内衬：将气瓶钢内衬安装在缠绕机机架安装工位上；
b.配制固化树脂：按重量比将CYD127环氧树脂∶甲基四氢苯酐(MeTHPA)∶N，N-二甲基苄胺(BDMA)＝100∶85∶1，将配制好的固化树脂放入缠绕机的树脂存放器内；
c.缠绕准备：将玻璃纤维，或碳纤维，或玻璃纤维/碳纤维复合纤维，使三团(束)纤维分别通过树脂存放器并让纤维浸渍液态树脂后，再通过缠绕机的牵引架将其环绕气瓶钢内衬并打结固定；
d.缠绕：缠绕机使气瓶钢内衬旋转将浸渍液态树脂的纤维环向缠绕在气瓶钢内衬上，纤维环向缠绕的角度为80°-90°、缠绕张力为30-120N/团、纤维缠绕层的厚度为2.5mm-9.5mm，环向缠绕范围为气瓶的瓶底与瓶口的两圆弧之间的圆筒外壁环向；
e.固化：将缠绕后气瓶从缠绕机机架装到连续式固化炉上，机架装的缠绕气瓶的旋转工装推到固化炉内，启动固化炉，固化温度140℃±3℃-75℃±3℃，时间260分钟±2分钟；
f.水压试验：对气瓶称重后，再加水后称重，对受试瓶装好后进行自紧、水压升压、保压试验，同时对气瓶水压后气瓶总重、总进水量，并计算气瓶残余变形率，水压后实际容积，试验参数：气瓶自紧压力33-38MPa，保压时间1分钟，气瓶水压试验压力25-45MPa，保压时间1分钟，气瓶残余变形率≤5％为合格；
g.包装入库：将经水压施加自紧应力合格的气瓶包装入库。
本发明，纤维缠绕复合材料压力容器是由浸渍树脂后的纤维在内衬上进行一层层的连续缠绕制得的。在缠绕过程中施加一定的张力能够使内胆处于压缩应力状态，从而提高容器的疲劳性能。同时，在缠绕张力作用下，后缠上去的纤维层都对先缠上去的纤维层产生径向压力，迫使径向产生压缩变形，从而使内层纤维变松。如果采用恒定的缠绕张力，使制品纤维层产生内松外紧现象，从而使内外层纤维初应力产生很大的差异。
在缠绕过程中，缠绕张力是一个关键工艺参数，它与制品的性能密切相关。简单递减张力的方法也只是考虑缠绕过程中纤维应力变化，不能综合考虑内衬刚度、固化应力等的影响，导致复合材料层沿壁厚方向应力分布不均，降低容器的强度和疲劳性能。采用逐层递减的张力制度，虽然后缠上去的纤维层对先缠上去的纤维层仍有削减初张力的作用，但可使后一层和前一层削减后的张力相同。于是，便可实现从内到外的全部缠绕层具有相同初张力，使纤维缠绕复合材料压力容器制品强度和性能得到提高。
其结构简单，充分发挥纤维具有的高强度特性，增强车用气瓶壳体在内衬处于弹性阶段承担内压能力，提高车用CNG气瓶的疲劳性能和使用安全性，性能可靠，重量轻等特点。更适合于轿车、乘用车的使用需求，也符合汽车轻量的发展趋势，是车用天燃气CNG气瓶的发展方向。
四、附图说明
下面结合附图进一步说明本发明。
附图是本发明剖视结构示意图。
图中：1-瓶口 2-缠绕层 3-瓶底 4-气瓶
五、具体实施方式
如附图所示，，由气瓶4和缠绕层2组成，其气瓶4的瓶底3与瓶口1的两圆弧之间的圆筒外壁环向有缠绕层2。气瓶4材料为30CrMo或35CrMo。缠绕层2采用玻璃纤维，或碳纤维，或玻璃纤维/碳纤维复合纤维，缠绕层2厚度δ1为2.5mm-9.5mm。
制造方法实施例：将30CrMo材料制成气瓶安装在美国BOLENZ &SCHAFER公司的三轴专用缠绕机机架内衬工位上，按重量比配制的CYD127环氧树脂∶甲基四氢苯酐(MeTHPA)∶N，N-二甲基苄胺(BDMA)＝100∶85∶1，将配制好的固化树脂放入缠绕机的树脂存放器内，将日本东丽T700SC-12K和东邦UT500-12K碳纤维；使三团(束)纤维分别通过树脂存放器并让纤维浸渍液态树脂后，再通过缠绕机的牵引架将其环绕钢内衬并打结固定，缠绕机使气瓶钢内衬旋转将浸渍液态树脂的纤维环向缠绕在钢内衬上，纤维环向缠绕的角度为80°、缠绕张力为60N/团、碳纤维缠绕层的厚度为5mm、环向缠绕在气瓶的瓶底和瓶口的两圆弧之间的圆筒外壁环向，将缠绕后气瓶从缠绕机架装到连续式固化炉上，机架装的缠绕气瓶的旋转工装推到固化炉内，选择相应的固化程序、启动固化炉，固化设备(如爱协林设备公司生产的专用链条步固化炉)为专用链条步固化炉，分3个温区，长度比为7∶7∶6，整根固化炉链条步进速度一致，气瓶在3个温区的运行时间为7∶7∶6，固化工艺参数见下表，
| 第1温区 | 第2温区 | 第3温区 |
| 110℃±3℃，90±2分钟 | 140℃±3℃，90±2分钟 | 75℃±3℃，78±2分钟 |
将固化后的制品放入水压试验机中进行水压施加自紧应力，如在济南试验机厂生产的水压试验上，按顺序记录好气瓶号，进行气瓶称重、加水后称重，做好记录，受试瓶装好后进行自紧、水压升压、保压，记录好气瓶水压后气瓶总重、总进水量，计算气瓶残余变形率、水压后实际容积。工艺参数：气瓶自紧压力33-38MPa，保压时间1分钟；气瓶水压试验压力25-45MPa，保压时间1分钟，气瓶残余变形率≤5％为合格。试验过程中准确记录水压试验压力、保压时间，气瓶容积全变形值和气瓶容积残余变形值，最后将经水压施加自紧层力合格的气瓶包装入库。
Claims (4)
1、一种车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶，由气瓶(4)和缠绕层(2)组成，其特征是气瓶(4)的瓶底(3)与瓶口(1)的两圆弧之间的圆筒外壁环向有缠绕层(2)。
2、根据权利要求1所述的一种车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶，其特征是气瓶(4)材料为30CrMo或35CrMo，钢内衬直径D为Φ273mm-Φ406mm；长度L为990mm-12000mm；钢内衬管的厚度δ2为4.mm-9.5mm。
3、根据权利要求1所述的一种车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶，其特征是缠绕层(2)采用玻璃纤维，或碳纤维，或玻璃纤维/碳纤维复合纤维；缠绕层(2)厚度δ1为2.5mm-9.5mm。
4、一种车用钢内衬纤维材料环向缠绕层增强CNG气瓶制造方法，其特征是制造方法步骤如下：
a.安装气瓶钢内衬：将气瓶钢内衬安装在缠绕机机架安装工位上；
b.配制固化树脂：按重量比将CYD127环氧树脂∶甲基四氢苯酐(MeTHPA)∶N，N-二甲基苄胺(BDMA)＝100∶85∶1，将配制好的固化树脂放入缠绕机的树脂存放器内；
c.缠绕准备：将玻璃纤维，或碳纤维，或玻璃纤维/碳纤维复合纤维，使三团(束)纤维分别通过树脂存放器并让纤维浸渍液态树脂后，再通过缠绕机的牵引架将其环绕气瓶钢内衬并打结固定；
d.缠绕：缠绕机使气瓶钢内衬旋转将浸渍液态树脂的纤维环向缠绕在气瓶钢内衬上，纤维环向缠绕的角度为80°-90°、缠绕张力为30-120N/团、纤维缠绕层的厚度为2.5mm-9.5mm，环向缠绕范围为气瓶的瓶底与瓶口的两圆弧之间的圆筒外壁环向；
e.固化：将缠绕后气瓶从缠绕机机架装到连续式固化炉上，机架装的缠绕气瓶的旋转工装推到固化炉内，启动固化炉，固化温度140℃±3℃-75℃±3℃，时间260分钟±2分钟；
f.水压试验：对气瓶称重后，再加水后称重，对受试瓶装好后进行自紧、水压升压、保压试验，同时对气瓶水压后气瓶总重、总进水量，并计算气瓶残余变形率，水压后实际容积，试验参数：气瓶自紧压力33-38MPa，保压时间1分钟，气瓶水压试验压力25-45MPa，保压时间1分钟，气瓶残余变形率≤5％为合格；
g.包装入库：将经水压施加自紧应力合格的气瓶包装入库。
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| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: CHINA AUTOMOTIVE ENGINEERING RESEARCH INSTITUTE Free format text: FORMER NAME: CHONGQING AUTOMOBILE RESEARCH INSTITUTE |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 400039 Chongqing Jiulongpo Chen Ping Tian Cun in No. 101 Patentee after: CHINA AUTOMOTIVE ENGINEERING Research Institute Address before: 400039 Chongqing Jiulongpo Chen Ping Tian Cun in No. 101 Patentee before: Chongqing Automobile Research Institute |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: CHINA AUTOMOTIVE ENGINEERING RESEARCH INSTITUTE CO Free format text: FORMER NAME: CHINA AUTOMOTIVE ENGINEERING RESEARCH INSTITUTE |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 400039 Chongqing Jiulongpo Chen Ping Tian Cun in No. 101 Patentee after: China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd. Address before: 400039 Chongqing Jiulongpo Chen Ping Tian Cun in No. 101 Patentee before: China Automotive Engineering Research Institute |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 401122 Chongqing district by the North District of Chongqing Jin Avenue, No. 9 Patentee after: China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd. Address before: 400039 Chongqing Jiulongpo Chen Ping Tian Cun in No. 101 Patentee before: China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd. |