一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶和缠绕方法

技术领域

本发明涉及储氢瓶技术领域，尤其涉及一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶和缠绕方法。

背景技术

我国现有储氢瓶，主要为35MPa三型瓶。三型瓶采用铝合金为内胆，具有重量轻、储氢密度高等优点，但由于金属氢脆效应随储氢压力升高更显著，直接沿用现有三型瓶技术路线升级空间受到限制。采用塑料内胆缠绕的70MPa四型瓶，具有耐腐蚀、重量轻、强度高、单位质量储氢密度高、循环寿命长且成本低的特点，是目前储氢瓶的发展方向，具有良好的发展前景。

随着科学技术的不断推进，我国车载高压气态储氢也会逐步向四型储氢瓶过度，高压塑料内胆缠绕的70MPa四型储氢瓶安全性是人们关注的重中之重。对于商用车领域中，储氢需求较大，需要容积更大的储氢瓶。考虑安装空间限制，长度直径比较大的储氢瓶是最佳方案。但是气瓶长度较长的情况下，其侧壁抗径向冲击的能力将下降，加厚缠绕层则将降低气瓶的储气效率。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶和缠绕方法，用以解决储氢瓶长度较长的情况下，侧壁抗径向冲击能力下降，而加厚缠绕层则降低气瓶的储气效率的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶，包括塑料内胆、缠绕轴、碳纤缠绕层、轴向增强预制件和预制件端帽；

所述轴向增强预制件为管状或拱形瓦状，每个储氢瓶设有4根轴向增强预制件，4根轴向增强预制件由所述预制件端帽对称固定在所述碳纤缠绕层的外侧。

进一步地，所述增强塑料内胆缠绕储氢瓶还包括增强预制件垫，所述增强预制件垫位于所述碳纤缠绕层的外侧，包围所述轴向增强预制件。

进一步地，所述塑料内胆包括接口，所述接口的轴线与所述塑料内胆的轴线共轴。

进一步地，所述缠绕轴套接在所述接口外，所述缠绕轴包括柱部和檐部。

进一步地，所述柱部的中间设有通孔，所述通孔为螺纹孔，所述柱部的横截面为正六边形。

进一步地，所述檐部位于所述塑料内胆的穹顶状弧面处，所述檐部与所述塑料内胆之间设有氢隔离垫。

进一步地，所述碳纤缠绕层缠绕在所述塑料内胆和所述缠绕轴外。

进一步地，所述预制件端帽的内表面形状与缠绕了碳纤缠绕层之后的缠绕轴的肩部形状对应，所述预制件端帽的外表面为方形。

进一步地，所述增强塑料内胆缠绕储氢瓶还包括保护纤维缠绕层，所述保护纤维缠绕层缠绕在预制件端帽、碳纤缠绕层和轴向增强预制件外。

进一步地，所述预制件端帽的侧面设有凹槽和螺纹孔。

进一步地，所述增强塑料内胆缠绕储氢瓶还包括连接装置，所述连接装置包括连接板和第一凸块，连接板的一侧设有多个第二凸块，连接装置的第一凸块和第二凸块能够插入多个储氢瓶的预制件端帽的侧面的凹槽内。

一种上述技术方案所述的增强塑料内胆缠绕储氢瓶的缠绕方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在塑料内胆的两端接口外套接缠绕轴；

S2.缠绕碳纤缠绕层：

S3.对碳纤缠绕层进行加热固化；

S4.安装轴向增强预制件和增强预制件垫并缠绕保护纤维缠绕层。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的增强塑料内胆缠绕储氢瓶的轴向增强预制件位于碳纤缠绕层外侧，不会影响储氢瓶本身的内部受力结构，其位置位于储氢瓶外接正方形内对称的四个角部的空余空间，在不增大储氢瓶安装空间要求的条件下，增强了加长储氢瓶抗弯折冲击的能力。

(2)本发明的增强塑料内胆缠绕储氢瓶的塑料内胆有两个接口，用于安装缠绕轴，设置两个接口比单接口在缠绕过程中更容易确定主轴，减少缠绕跳动，提高缠绕均匀性，在最终使用过程中可以选择任意出口，将另一出口使用阻头堵死。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的增强塑料内胆缠绕储氢瓶的剖视图；

图2为本发明实施例的增强塑料内胆缠绕储氢瓶的侧视图；

图3为本发明实施例的增强预制件垫的示意图；

图4为本发明的储氢瓶组合固定的示意图。

附图标记：

1-塑料内胆，11-接口，2-缠绕轴，21-柱部，211-孔，22-檐部，3-氢隔离垫，4-碳纤缠绕层，5-轴向增强预制件，6-预制件端帽，61-侧面，62-连接装置，7-保护纤维缠绕层，8-增强预制件垫。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1至图3所示，公开了一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶，包括塑料内胆1、缠绕轴2、氢隔离垫3、碳纤缠绕层4、轴向增强预制件5、预制件端帽6和保护纤维缠绕层7。

塑料内胆1为储氢瓶的主体，塑料内胆1的主体为圆柱形，圆柱的长度和直径比在3:1-6:1之间。塑料内胆1的两端为穹顶状弧面，在两侧弧面顶端设有接口11，接口11的轴线与塑料内胆1的轴线共轴，接口11可以是通孔或盲孔，优选地，塑料内胆1一端的接口11为通孔，另一端的接口11为盲孔。接口11用于安装缠绕轴2，从而使得在缠绕碳纤缠绕层4时，夹具能够固定在缠绕轴2上，保证碳纤缠绕层4与塑料内胆1同轴。

塑料内胆1的弧面设有卡槽(图中未示出)，缠绕轴2相应的部位设有卡块，卡槽与缠绕轴2的卡块卡和，用于安装和定位缠绕轴2。缠绕轴2安装在接口11的外部，缠绕轴的材质为6061铝合金、奥氏不锈钢S31603等延展性好、抗腐蚀能力强的材料。缠绕轴2包括柱部21和檐部22，柱部21为横截面为多边形的柱形，优选地，柱部21的横截面为正六边形。柱部21的中间设有孔211，孔211为螺纹孔，用于安装储氢瓶的控制和测量装置，如压力表、阀门等。柱部21的横截面为正六边形的结构使得储氢瓶在缠绕碳纤缠绕层4时，便于缠绕机夹持。柱部21与塑料内胆1的接口11套接。檐部22位于塑料内胆1的穹顶状弧面处，檐部22的内表面形状与塑料内胆1的穹顶状弧面形状相同，从而使得檐部22能够紧贴塑料内胆1的穹顶状弧面。

檐部22与塑料内胆1之间设有氢隔离垫3，氢隔离垫3为环形的垫圈，压在缠绕轴2和塑料内胆1之间，氢隔离垫3能够防止塑料内胆1内的高压氢气通过缠绕轴2和塑料内胆1之间产生漏气。氢隔离垫3的材质是硅橡胶、氟硅橡胶、氟碳橡胶、三元乙丙橡胶或氢化丁腈橡胶等。

碳纤缠绕层4缠绕在塑料内胆1和缠绕轴2以外，碳纤缠绕层4由碳纤维或碳纤维束和树脂构成。碳纤缠绕层4包括交替铺层的环向缠绕层和纵向缠绕层。环向缠绕层绕塑料内胆1的圆周方向缠绕，纵向缠绕层与塑料内胆1的轴具有10°至45°的夹角，通过交替缠绕使得碳纤维在塑料内胆1和缠绕轴2的肩部均匀分布，并在缠绕轴2附近进行堆积加强。碳纤缠绕层4的缠绕路径、衔接点根据缠绕理论和有限元仿真确定，具体地，首先采用网格理论、复合材料经典层合板理论等缠绕理论计算出储氢瓶缠绕层的厚度、缠绕角度，然后用Abaqus、Ansys等有限元仿真软件建立包含缠绕层的储氢瓶的模型，在仿真软件中模拟储氢瓶的受理情况，验证计算得到的储氢瓶的缠绕层是否满足使用需求。碳纤维缠绕时需施加预应力，在缠绕过程中由缠绕机对纤维施加预应力，并在缠绕过程中保持预紧力稳定。

缠绕完成后的罐体置于加热炉固化，在预热过程中碳纤缠绕层4中的树脂在预应力作用下填补纤维间的空隙，然后将罐体加热至树脂固化温度，使树脂发生永久性固化，最后冷却成型。固化能够排除纤缠绕层4的气泡、填充纤缠绕层4内的间隙，使得纤缠绕层4形成完整的整体，避免漏气，同时，提高纤缠绕层4的强度。

为进一步增加储氢瓶的抗冲击能力，碳纤缠绕层4外设有轴向增强预制件5。轴向增强预制件5为管状或拱形瓦状，每个储氢瓶设有4根轴向增强预制件5，4根轴向增强预制件5由预制件端帽6对称固定在碳纤缠绕层4的外侧。4根轴向增强预制件5的外接正方形不大于碳纤缠绕层4的外接正方形，从而在不增大储氢瓶安装空间要求的条件下，增强了加长储氢瓶抗弯折冲击的能力。

预制件端帽6设在储氢瓶的两端，用于固定轴向增强预制件5。预制件端帽6的内表面形状与缠绕了碳纤缠绕层4之后的缠绕轴2的肩部形状对应，预制件端帽6的外表面为方形，优选地，方形表面设有卡槽，用于支撑和限制保护纤维缠绕层7。预制件端帽6的中间开孔，孔的形状与缠绕轴2的柱部21的形状对应，从而预制件端帽6安装完成后，柱部11能够从预制件端帽6伸出，方便安装储氢瓶的控制和测量装置。保护纤维缠绕层7缠绕在预制件端帽6、碳纤缠绕层4和轴向增强预制件5外，保护纤维缠绕层7由功能纤维或纤维束和树脂构成，纤维缠绕方向分为纵向缠绕和端部缠绕。保护纤维缠绕层7的功能纤维束可采用凯夫拉纤维、玄武岩纤维或玻纤等，功能纤维可以是一种纤维也可以是多种纤维，根据需要混合使用。保护纤维缠绕层7能够进一步固定轴向增强预制件5，同时，增加储氢瓶的耐磨性和隔热性。保护纤维缠绕层7缠绕完成后，储氢瓶的外形整体为长方体。

进一步地，为了增大碳纤缠绕层4和轴向增强预制件5的接触面积，分散冲击，并改善保护层的缠绕支撑，本实施例的增强塑料内胆缠绕储氢瓶还包括增强预制件垫8。增强预制件垫8位于碳纤缠绕层4的外侧，包围轴向增强预制件5，每个轴向增强预制件5在长度方向上设置一个或多个增强预制件垫8。增强预制件垫8位于碳纤缠绕层4的外接正方形的范围以内，在不增大储氢瓶安装空间要求的条件下，保证轴向增强预制件5的定位准确性，同时增强了加长储氢瓶抗弯折冲击的能力。

进一步地，如图4所示，本实施例的增强塑料内胆缠绕储氢瓶还包括连接装置62。连接结构可以是卡口、铰链等，用于储氢瓶在运输工具上的安装及运输时多个储氢瓶的组合与固定。作为本实施例的一个具体实例，连接装置62包括连接板和第一凸块，连接板的一侧设有多个第二凸块，连接板上设有通孔。预制件端帽6的侧面61设有凹槽，连接装置62的第一凸块和第二凸块能够插入多个储氢瓶的预制件端帽6的侧面61的凹槽内，插入后，用锁紧装置(如，螺栓)将连接板和侧面61锁紧，从而连接多个储氢瓶，方便同时运输多个储氢瓶，防止运输过程中，多个储氢瓶之间发生相对位移。

实施例2

本发明的一个实施例，公开了一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶的缠绕方法，包括以下步骤：

S1.在塑料内胆1的两端接口11外套接缠绕轴2：

安装缠绕轴2之前，先在塑料内胆1的两端安装氢隔离垫3，然后将缠绕轴2套装在接口11上，通过粘接剂固定塑料内胆1和缠绕轴2。防止缠绕轴2在缠绕中转动或发生位移。缠绕轴2和塑料内胆1的接口11为过盈配合，保证缠绕轴2与塑料内胆1同轴。

S2.缠绕碳纤缠绕层4：

使用缠绕机固定两端的缠绕轴2，将塑料内胆1密封并加压，使得塑料内胆1能够在缠绕碳纤缠绕层4时为碳纤缠绕层4提供支撑。加压完成后在缠绕轴2及塑料内胆1的外部缠绕碳纤缠绕层4。可基于湿式或使用热固窄幅预浸带、热固预浸纱进行缠绕，缠绕分为沿塑料内胆1的圆柱面圆周方向的缠绕层和沿罐体主轴的轴向缠绕层。为了覆盖储氢瓶的整个圆柱体，且保证缠绕的纤维均匀，轴向缠绕时与主轴具有一定的角度，角度的变化范围为10°至45°，具体的缠绕角度由储氢瓶的长度和直径决定。缠绕角度从内层到外层依次增大或减小。通过交替缠绕达到碳纤维在塑料内胆1和缠绕轴2肩部的均匀分布，并在缠绕轴附近进行堆积加强。缠绕路径、衔接点根据缠绕理论和有限元仿真确定。在纤维缠绕过程中缠绕机对纤维或预浸带施加预先拉力，并在缠绕过程保持预紧力稳定。

S3.对碳纤缠绕层4进行加热固化：

将缠绕后的罐体置于加热炉固化，通过预热使得树脂在预应力作用下填补纤维间的空隙，然后加热至树脂固化温度使数值发生永久性固化，最后冷却成型。

S4.安装轴向增强预制件5、增强预制件垫8并缠绕保护纤维缠绕层7：

安装轴向增强预制件5和增强预制件垫8，然后安装预制件端帽6，将轴向增强预制件5固定。安装完成后，根据预制件端帽6上预留的凹槽缠绕保护纤维缠绕层7，保护纤维缠绕层7的功能纤维为玄武岩纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维等中的一种或多种的组合，缠绕完成后对保护纤维缠绕层7的树脂进行固化，增强罐体的防火、环境耐受性能。

进一步地，为了方便同时运输多个储氢瓶，防止运输过程中，多个储氢瓶之间发生相对位移，本实施例还包括：

S5.多个储氢瓶的组合与固定：

将多个储氢瓶叠放，先在下层的储氢瓶的预制件端帽6的上表面的凹槽内安装第一凸块，然后将上层的储氢瓶叠放在下层储氢瓶上，放置时，使得上层储氢瓶的预制件端帽6的下表面的凹槽卡在第二凸块上，从而限制上层储氢瓶和下层储氢瓶间的相互位置。放置完成后，将连接装置62的第二凸块卡在上、下层储氢瓶的预制件端帽6的侧面61的凹槽内，然后用锁紧装置(如，螺栓)将连接装置62和侧面61锁紧，从而连接多个储氢瓶。

综上所述，本发明实施例提供的一种增强塑料内胆缠绕储氢瓶和缠绕方法，储氢瓶设有轴向增强预制件，且轴向增强预制件位于碳纤缠绕层外侧，不会影响储氢瓶本身的内部受力结构，其位置位于储氢瓶外接正方形内对称的四个角部的空余空间，在不增大储氢瓶安装空间要求的条件下，增强了加长储氢瓶抗弯折冲击的能力。进一步地，在轴向增强预制件5的周围设有增强预制件垫8，增强预制件垫8位于碳纤缠绕层4的外接正方形的范围以内，在不增大储氢瓶安装空间要求的条件下，增大碳纤缠绕层4和轴向增强预制件5的接触面积，分散冲击，并改善保护层的缠绕支撑，同时增强了加长储氢瓶抗弯折冲击的能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。