劉平小，馬 新，王建華，于峰濤，史惠星，苑 玲

18 L碳纖維纏繞氣瓶是專門為便攜式醫(yī)療加壓艙設(shè)計(jì)的一種氣瓶，其特點(diǎn)是重量輕，耐磨損性好，安全可靠。用于急救、轉(zhuǎn)運(yùn)潛水疾病、肺氣壓傷病員過(guò)程中，提供呼吸氣體［1］。便攜式醫(yī)療加壓艙最高工作壓力0.5 MPa，單次最長(zhǎng)工作時(shí)間300 min，非工作狀態(tài)可折疊存放，使用時(shí)可在較短的時(shí)間內(nèi)展開(kāi)。根據(jù)其勤務(wù)功能，需要配設(shè)3個(gè)18 L、20 MPa壓縮空氣氣瓶和1個(gè)18 L、20 MPa純氧氣瓶。主要技術(shù)指標(biāo):容積≥18 L，質(zhì)量 ＜11 kg，工作壓力20 MPa，爆破壓力 ＞60 MPa，長(zhǎng)度 ＜800 mm，外徑 ＜205 mm。

1 氣瓶?jī)?nèi)膽設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 11640-2001《鋁合金無(wú)縫氣瓶》進(jìn)行設(shè)計(jì)，氣瓶?jī)?nèi)膽材料采用鋁合金6061。

1.1 筒體設(shè)計(jì)壁厚［2］

式中，S——筒體設(shè)計(jì)壁厚，單位:mm;

Ph——水壓試驗(yàn)壓力，5 MPa;

Do——筒體外徑，188 mm;

σr0.2——瓶體材料屈服應(yīng)力，241 MPa。

代入，得:

取S=2.6 mm。

1.2 筒體內(nèi)徑

式中，Di——筒體內(nèi)徑，單位 mm;

Do——筒體外徑，188 mm;

Sn——筒體名義壁厚，3 mm。

代入，得:Di=188-2×3=182(mm)

取Di=182 mm

1.3 瓶體高度(見(jiàn)圖1)

圖1 18 L碳纖維纏繞氣瓶瓶體設(shè)計(jì)示意圖

H=H1+H2+(4/πDi2)× V-(2/3)(h1+h2)

式中，H——瓶體高度，單位mm;

H1——瓶體底部外高度，50.9 mm;

H2——瓶體頭部外高度，80 mm;

Di——筒體內(nèi)徑，182 mm;

V——?dú)馄咳莘e，18 ×106mm3;

h1——瓶體底部?jī)?nèi)高度，44.9 mm;

h2——瓶體頭部?jī)?nèi)高度，44.9 mm。

代入，得:H=50.9+80+(4/π ×1822)×18 ×106-(2/3)× (44.9+44.9)=762.9(mm)

取H=765 mm。

1.4 瓶體質(zhì)量計(jì)算

式中，G——瓶體質(zhì)量，單位kg;

Do——瓶體外徑，188 mm;

由圖7可以看出,在00:00～5:00之間,電動(dòng)汽車調(diào)制功率為零,SOC沒(méi)有變化。這是因?yàn)楣夥鼰o(wú)輸出,站內(nèi)負(fù)荷較少,負(fù)荷所需功率由儲(chǔ)能電池提供。

Di——瓶體內(nèi)徑，182 mm;

H——瓶體高度，765 mm;

H1——瓶體底部外高度，50.9 mm;

h1——瓶體底部外高度，44.9 mm;

ρ——鋁合金密度，2.71 ×103kg/m3。

代入，得:G=［(π/4)×(1882-1822)(765-50.9)+(2π/3)×(1882×50.9-1822×44.9)］×10-6×2.71=5.14(kg)

2 氣瓶纏繞設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)膽的技術(shù)要求，首先要進(jìn)行強(qiáng)度和鋪層設(shè)計(jì)。原材料選用高強(qiáng)度碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂［3］。通常氣瓶的爆破壓力設(shè)計(jì)為3倍于氣瓶工作壓力，即60 MPa。

2.1 螺旋纏繞層和環(huán)向纏繞層的厚度計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)條件，由內(nèi)膽半徑、爆破壓力、螺旋纏繞角和碳纖維的許應(yīng)用力，可分別計(jì)算出螺旋纏繞層和環(huán)向纏繞層的理論厚度［4］。

取螺旋纖維纏繞層強(qiáng)度利用系數(shù)K=0.7，可得螺旋纏繞層的實(shí)際厚度和纖維總的厚度，螺旋纏繞層實(shí)際厚度為1.178 mm，環(huán)向纏繞層厚度為1.484 mm，纖維總厚度為2.662 mm。

2.2 纏繞層數(shù)的計(jì)算 由理論計(jì)算的纖維總厚度并結(jié)合18 L碳纖維纏繞氣瓶的尺寸指標(biāo)，最終確定復(fù)合材料層的總厚度為5.5 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)的螺旋和環(huán)向的單層厚度，確定最終纏繞層數(shù)的分布和數(shù)量，結(jié)果:環(huán)向10層，縱向(15°)8層，一共18層，結(jié)合實(shí)際的操作過(guò)程對(duì)螺旋和環(huán)向的纏繞順序和螺旋的纏繞角度作一定的調(diào)整。

2.3 纏繞張力計(jì)算［5］纏繞張力可采用下述公式計(jì)算:

其中，N——觸成形壓力;r——模半徑;α——纏繞角。

實(shí)際最大纏繞張力控制為30 N左右，由內(nèi)向外逐層遞減。

3 試驗(yàn)情況

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，氣瓶的容積18.1 L，質(zhì)量9.86 kg，長(zhǎng)度782 mm，外徑201 mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣瓶試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力30 MPa、保壓60 s，殘余變形 ＜5%，疲勞試驗(yàn)壓力20 MPa，1 500 次;實(shí)際爆破壓力 88.4 MPa［6］。試驗(yàn)情況滿足《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的要求。

4 使用情況

首批生產(chǎn)氣瓶10只，用于爆破試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的氣瓶各1只，成品8只，在陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和海上試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。

4.1 外觀差異較大 有2只氣瓶外觀與其他氣瓶比較差異較大。在纏繞之后、固化之前，其中1只放置時(shí)間較長(zhǎng)，未發(fā)現(xiàn)端部環(huán)向纖維掉落，固化后打磨時(shí)發(fā)現(xiàn)尺寸偏小，采用碳纖維與加填料的樹(shù)脂修補(bǔ)固化，出現(xiàn)色差(圖2)，影響了外觀。由于該部分是保護(hù)層，不影響產(chǎn)品性能，故沒(méi)有重新修補(bǔ)。另1只(圖3)氣瓶外觀差異來(lái)自于碳纖維打磨和外表面的樹(shù)脂圖刷等因素。打磨后表面粗糙程度不一致以及使用的碳纖維本身呈淡黃色，基本都會(huì)出現(xiàn)淡黃色的外觀。

圖2 氣瓶色差1

圖3 氣瓶色差2

4.2 裂紋問(wèn)題 由于打磨到纖維，出現(xiàn)應(yīng)力釋放后的裂紋情況。將該氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)，爆破壓力87.6 MPa，超過(guò)設(shè)計(jì)要求的60 MPa，沒(méi)有影響到產(chǎn)品性能。后續(xù)又生產(chǎn)氣瓶100多只，通過(guò)改進(jìn)氣瓶?jī)?nèi)膽工藝，采用進(jìn)口的比利時(shí)軟件編制纏繞程序，采用實(shí)物內(nèi)膽進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)部分程序進(jìn)行調(diào)整，使18 L碳纖維纏繞氣瓶的質(zhì)量得到了較大的提高，使用方反應(yīng)良好。

［1］陶恒沂.潛水醫(yī)學(xué)［M］.上海:第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，2001:129-145.

［2］GB 150.3-2011，壓力容器第三部分:設(shè)計(jì)［S］.

［3］陳汝訓(xùn).纖維纏繞氣瓶設(shè)計(jì)分析［J］.固體火箭技術(shù)，2008，31(6):626-628.

［4］李小明，邱桂杰，劉錦霞.某型復(fù)合材料氣瓶的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.纖維復(fù)合材料，2007，24(1):21-23.

［5］劉國(guó)權(quán)等.高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料抗彈近似計(jì)算［J］.纖維復(fù)合材料，2001，6(1):12-14.

［6］郝澄.氣瓶充裝與安全［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013:88-126.