专利名称：车用压缩天然气全复合材料气瓶及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种车用压缩天然气气瓶及其制造方法，特别是一种全复合材料气瓶及制造方法。
车用压缩天然气气瓶是一种以天然气作动力燃料的汽车配套产品。目前，国内此类气瓶仅限于钢质气瓶，它是以氧气瓶为基础发展过来的，其材料为钢质，自身质量大(容积50升，约65Kg)，而且形状尺寸大(φ229×1500)，不利于多种车辆上安装使用和天然气能源的开发利用。国外此类气瓶的品种有钢质、环向缠绕复合材料的钢气瓶。钢瓶、环向缠绕复合材料的钢瓶自身重大，使用在大型车辆上，与其车体重、载物重比较，气瓶重微不足道，但使用在小型车辆上，特别是小轿车、出租车，气瓶重就会影响车体重心的分布，并与载物重相比，气瓶重量就占取了一定的载物重，要减少气瓶的自重，气瓶就得制造的小一些，相应地，气瓶容积减少，气瓶充气量减少，车行驶的路程就会减少。
本发明的目的在于提供一种轻质、耐用且成本较低的全复合材料气瓶。
本发明的另一目的在于提供一种上述气瓶的制造方法。
本发明的目的是这样实现的本发明包括塑料内胆、缠绕在塑料内胆外的复合材料结构层及包覆在复合材料结构层外表面的保护层及分别接在塑料内胆两端封头出气口处的金属接嘴法兰。
上述气瓶的制造方法，包括下列步骤1.金属法兰的设计加工；2.塑料内胆的滚制；3.连续纤维浸中温固化的环氧树脂胶，湿法缠绕复合材料结构层；4.复合材料结构层的中温固化；5.气瓶外保护层的覆制。
在塑料内胆滚制后，在内胆封头外表面或内胆外表面可粘贴橡胶层。
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
图1为本发明的整体结构剖视图；图2为本发明的塑料内胆和金属接嘴法兰镶嵌连接的局部剖视图；图3为本发明的塑料内胆通过螺纹与金属法兰相接的内胆局部剖视图；图4为本发明的塑料内胆通过螺纹与金属法兰相接的局部剖视图。
参见附图1，本实施例包括塑料内胆3、缠绕在塑料内胆外的复合材料结构层4、包覆在复合材料结构层4外表面的气瓶保护层5、分别接在塑料内胆两端封头出气口处的金属接嘴法兰1，金属接嘴法兰1的中心轴线与塑料内胆3的中心轴线重合。
为了减缓塑料内胆3与复合材料结构层4界面间的剪切应力，防止挫动，提高气瓶内胆的疲劳寿命，塑料内胆3在缠绕外层复合材料结构层4前，在其整个范围内或其封头局部范围内粘贴一层剪切模量较高的橡胶层2，厚度为0.5-2mm之间。
气瓶外表面保护层5可以采用两种形式一种为聚胺脂体系的涂层，另一种为缠绕一层碳纤维的复合材料层。这两种材料都能防火，防潮，防酸、碱、盐，防静电，保证气瓶在各种正常工作的条件下的安全使用。
塑料内胆3采用滚塑法成型时，其封头型面可以是标准椭球面、三心园型面、等张力封头型面或球型面。为了内胆3滚塑成型的模具制造方便和有利用复合材料结构层4缠绕成型方便，本实施例采用标准椭球封头。
参见附图2、3、4，金属接嘴法兰1与塑料内胆3的连接有两种方式一种是在塑料内胆3成型过程中，把金属接嘴法兰1直接镶嵌在内胆3的封头上，如图2所示。另一种方式是在滚塑内胆3时，在两端封头上，预制出外凸的螺纹柱，如图3所示，再把加工好的金属接嘴法兰1通过螺纹连接在一起，如图4所示。以上两种方式的连接保证了塑料内胆3的气密性和连接的牢固性。
由于金属与塑料的弹性模量相差较大，两种材料结合处钢度不连续，因此，在设计金属接嘴法兰1时，考虑内胆3在受内压后封头的应力分布，保证应力平缓过渡及成品气瓶在受内高压下，金属接嘴法兰1不被挤压脱出，因此金属接嘴法兰1的肩宽比设计在1.5-2mm之间。金属接嘴法兰1的肩部外型面与封头外型面曲线方程一致，其内型面为从颈根到肩宽边缘的厚度逐渐减薄。
为了保证气瓶的疲劳寿命大于10000次，本发明在复合材料结构层4的设计上，采用了以网格理论的强度设计为主，有限元应力分析和疲劳分析为辅的综合设计方法。在满足静强度的基础上，进行有限元的应力分析，计算工作压强下各点应力分部和大小，再与材料失效时的应力相比，比值取为δ，定义为应力比值。根据应力比的大小和疲劳曲线查出疲劳寿命，若哪部位的疲劳寿命不足10000次，那么通过增加该部位的复合材料钢度，减少变形，降低应力，提高疲劳寿命。
制造气瓶时，首先加工金属法兰1，材质为45钢，调质处理；再利用滚塑工艺滚制塑料内胆3，其厚度为1-7mm，在滚制过程中，把金属法兰1直接镶嵌在内胆3两封头端部，或在两封头端部滚制出柱状螺纹，把加工好的金属法兰1通过科凸螺纹连接在一起；然后在外表面或整个内胆3外表面粘贴橡胶层，其厚度为0.5-2mm；之后将连续纤维(玻纤、芳纶、碳纤维或混杂纤维)浸在中温(60°～90°)固化环氧树脂胶中，湿法缠绕复合材料结构层；将复合材料结构层中温(60°～90°)固化成型，再在气瓶外缠绕一层碳纤维的复合材料保护层，或涂上聚胺脂体系的保护层。
本发明与现有技术相比具有如下优点1.采用低密度、高性能的非金属材料-塑料作为内胆，以低密度、高性能的复合材料作结构层，气瓶外包覆有保护层的全复合材料气瓶，所以气瓶本身质量轻(重约35Kg)、耐用且内胆制造工艺简单，一次成型，降低了生产成本。
2.本发明在制造上采用了环氧树脂、中温固化配方，湿法缠绕成型工艺。环氧树脂性能优良，价格便宜；中温固化，节约能源；湿法缠绕与干法缠绕相比，减少了一道工序，提高了生产效率，降低了生产成本。
3.本发明的气密性好且静强度和疲劳强度高。当进行水压疲劳试验时，在疲劳次数10000后，气密性完好，检压至设计爆破压强的85％，保压5分钟，无异常。
权利要求
1.一种车用压缩天然气全复合材料气瓶，其特征在于它包括塑料内胆、缠绕在塑料内胆外的复合材料结构层、包覆在复合材料结构层外表面的保护层及分别接在塑料内胆两端封头出气口处的金属接嘴法兰。
2.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于还包括在塑料内胆和复合材料结构层之间或塑料内胆两端封头与复合材料结构层局部范围内粘贴的一层剪切模量较高的橡胶层。
3.根据权利要求1或2所述的全复合材料气瓶，其特征在于橡胶层的厚度为0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于气瓶外表面保护层为聚胺脂体系的涂层或缠绕一层碳纤维的复合材料层。
5.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于塑料内胆封头型面是标准椭球型面或三心园型面或等张力型面或球型面。
6.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于塑料内胆的壁厚为1-7mm。
7.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于塑料内胆两端封头出气口处与金属接嘴法兰直接镶嵌在一起或通过螺纹连接在一起。
8.根据权利要求1所述的全复合材料气瓶，其特征在于金属接嘴法兰的肩宽比在1.5-2mm之间，其外型面与塑料内胆封头外型面曲线方程一致，其内型面为从颈根到肩宽边缘的厚度逐渐减薄。
9.一种制造权利要求1所述的全复合材料气瓶的方法，其特征在于包括下列步骤1.金属法兰的设计加工；2.塑料内胆的滚制；3.连续纤维浸中温固化的环氧树脂胶，湿法缠绕复合材料结构层；4.复合材料结构层的中温固化；5.气瓶外保护层的覆制。
10.根据权利要求9所述的全复合材料气瓶的制造方法，其特征在于在塑料内胆滚制后，在内胆封头外表面或内胆外表面粘贴一层橡胶层。
全文摘要
一种车用压缩天然气全复合材料气瓶包括塑料内胆、缠绕在塑料内胆外的复合材料结构层及包覆在复合材料结构层外表面的保护层及分别接在塑料内胆两端封头出气口处的金属接嘴法兰;制造上述气瓶的方法依次步骤是金属法兰的加工、塑料内胆的滚制、连续纤维浸中温固化环氧树脂胶,湿法缠绕复合材料结构层;中温固化成型复合材料外表面保护层的覆制。本发明本身质量轻(重约35Kg)、耐用、气密性好,静强度和疲劳强度高,且制造工艺简单,生产效率高,成本低。
文档编号F17C1/00GK1196462SQ9710391
公开日1998年10月21日 申请日期1997年4月15日 优先权日1997年4月15日
发明者屈永强, 张康助, 蒋钦荣, 刘文会 申请人:中国航天工业总公司第四研究院第四十三研究所