王玉玨, 張 強(qiáng), 張保勇, 馮 永, 付永志

(1.國家能源集團(tuán)雁寶能源, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000; 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

我國“貧油、少氣、相對富煤”的一次能源賦存特點(diǎn),決定了相當(dāng)長一段時間內(nèi)煤炭仍占據(jù)能源結(jié)構(gòu)的主體地位[1-2]。瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、火災(zāi)等災(zāi)害是后果十分嚴(yán)重的煤礦災(zāi)害,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和大量人員傷亡,且隨著礦井開采深度的逐漸增加,“三高一擾動”現(xiàn)象突出,煤礦災(zāi)害發(fā)生頻率、強(qiáng)度均呈上升趨勢,極大程度制約了煤炭資源安全高效開采[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),85%的遇難人員死因是吸入有毒有害氣體及窒息[5]。自救器是體積小、重量輕、便于攜帶的個人防護(hù)呼吸裝備,是煤礦工作人員爭取救援時間的關(guān)鍵手段。常用自救器主要分為化學(xué)氧、壓縮氧兩種。但相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)化學(xué)氧自救器存在溫度過高影響工作的問題[6-7],壓縮氧氣自救器存在重量過大的問題[8-9]。與市面上常用儲氧瓶相比,復(fù)合增強(qiáng)材料儲氧瓶具有力學(xué)性能強(qiáng)、抗疲勞性能好、生產(chǎn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。此外,部分學(xué)者通過有限元軟件研究獲得了沖擊條件下材料應(yīng)力變化情況[12-13]。

因此,筆者創(chuàng)新性地利用新型材料作為氧氣瓶內(nèi)襯減輕氣瓶重量,提出儲氧瓶-碳復(fù)合纖維材料相結(jié)合的構(gòu)筑形式,增強(qiáng)氣瓶主受力層的壓力載荷,設(shè)計(jì)了碳復(fù)合纖維儲氧瓶。在此基礎(chǔ)上,基于市場調(diào)查、試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的方法,開展了碳復(fù)合纖維儲氧瓶可靠性研究。

1 碳復(fù)合纖維儲氧瓶設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用比強(qiáng)度和比剛度更高的碳纖維纏繞氧氣瓶替代鋼制氣瓶。碳纖維纏繞儲氧瓶由鋁內(nèi)膽、復(fù)合增強(qiáng)纖維材料層等部分組成。鋁內(nèi)膽具有承壓和密封作用,復(fù)合增強(qiáng)纖維材料層具有提高儲氧瓶承壓能力的作用,儲氧瓶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維氣瓶結(jié)構(gòu)

1.2 材料選取

1.2.1 內(nèi)膽材料

儲氧瓶內(nèi)膽材料是影響儲氧瓶整體性能的重要因素。為此,采用熱處理的6061鋁合金進(jìn)行無焊縫內(nèi)膽的制作,內(nèi)膽具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金6061化學(xué)成分

1.2.2 纖維層材料

高性能的增強(qiáng)纖維材料是提高氣瓶結(jié)構(gòu)承載能力的有效途徑。為此,采用纖維層對內(nèi)膽進(jìn)行纏繞,保證儲氧瓶在高壓作用下有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。圖2為復(fù)合纖維增強(qiáng)材料電鏡掃描圖。

圖2 復(fù)合纖維增強(qiáng)材料電鏡掃描

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在考慮儲氧瓶內(nèi)膽外徑和爆破壓力的條件下,對儲氧瓶內(nèi)膽壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)。內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算公式為

式中:pb——爆破壓力,取8 MPa;

Do——內(nèi)膽外徑,取65 mm;

σb——內(nèi)膽熱處理后性能保證值,取242 MPa;

δ——設(shè)計(jì)壁厚,mm。

纖維纏繞厚度的相關(guān)計(jì)算公式分別為

σhoop=σζhoop,

σhel=σζhel,

式中:δhoop——環(huán)向纏繞厚度,mm;

δhel——縱向纏繞厚度,mm;

α——纏繞角,取12°;

σhoop——環(huán)向應(yīng)力,MPa;

σhel——縱向應(yīng)力,MPa;

R——內(nèi)膽半徑,取32.5 mm;

pc——復(fù)合層承受最小壓力,由GB/T 28053—2011《呼吸器用復(fù)合氣瓶》可取94 MPa;

σ——纖維公稱最小抗拉強(qiáng)度,取4 700 MPa;

ξhoop——環(huán)向轉(zhuǎn)化系數(shù),取0.5;

ξhel——縱向轉(zhuǎn)化系數(shù),取0.38。

材料剪切強(qiáng)度τm與螺紋剪切應(yīng)力的比值應(yīng)大于10。據(jù)此,開展瓶口螺紋的設(shè)計(jì)。螺紋剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為

Fw=pA,

式中:τn——內(nèi)螺紋的剪切應(yīng)力,MPa;

τw——外螺紋的剪切應(yīng)力,MPa;

Fw——最大軸向外載荷,N;

z——嚙合的螺紋牙數(shù);

An——內(nèi)螺紋牙的受剪面積,mm2;

Aw——外螺紋牙的受剪面積,mm2;

p——?dú)馄績?nèi)壓力,MPa;

A——瓶口內(nèi)螺紋開孔受壓面積,mm2;

dmin——外螺紋最小大徑,mm;

d2min——外螺紋最小中徑,mm;

P——螺紋的螺距,mm;

α——螺紋的牙型角,(°);

D1max——瓶口內(nèi)螺紋最大小徑,mm;

D2max——瓶口內(nèi)螺紋最大中徑,mm。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方法,儲氣瓶內(nèi)膽材料為6061鋁合金,纖維增強(qiáng)材料為碳纖維-T700,外保護(hù)層材料為玻璃纖維,瓶口螺紋規(guī)格M18×1.5,確定最終氣瓶參數(shù)如表2所示,其中,r為碳纖維纏繞儲氧瓶半徑,h為碳纖維纏繞儲氧瓶高度。

表2 碳纖維纏繞儲氧瓶參數(shù)

2 碳復(fù)合纖維儲氧瓶的可靠性

2.1 競品分析

市面上的ZYX45儲氧瓶為鋼制氧氣瓶,文中將熱處理的6061鋁合金無焊縫內(nèi)膽與碳復(fù)合纖維材料結(jié)合,提出碳復(fù)合纖維氧氣瓶,其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、承載性能好等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此,開展自救器儲氧鋼瓶競品分析。碳纖維纏繞氧氣瓶與鋼制氣瓶的關(guān)鍵參數(shù)如表3所示,其中,m為氣瓶質(zhì)量,V為氣瓶容積,pw為氣瓶工作壓力,Vg為儲氧氣量。

表3 氣瓶性能對比

由表3可知,碳纖維纏繞氧氣瓶與鋼制氣瓶相比,瓶重減小25.7%,工作壓力提高15.0%,儲氧氣量提高30.0%。

2.2 復(fù)合增強(qiáng)纖維材料理化性能

運(yùn)用臺式熱壓機(jī)、智能烘箱系統(tǒng)以及三軸加載實(shí)驗(yàn)裝置和三維變形分析系統(tǒng),開展了增強(qiáng)纖維材料理化性能和力學(xué)性質(zhì)的對比研究,通過開展增強(qiáng)纖維材料的理化性能試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn),對比優(yōu)選出具有較高承載能力的纖維材料。表4為增強(qiáng)纖維材料理化性能對比,其中,mF為單位面積重量,tg為凝膠時間,wrc為樹脂含量,wrf為樹脂流動度,w為揮發(fā)分含量。

表4 增強(qiáng)纖維材料理化性能對比

由表4可知,玻璃纖維抗拉強(qiáng)度、比強(qiáng)度、彈性模量和比模量與其他材料相比均較低,不符合現(xiàn)階段氣瓶應(yīng)用的要求。此外,碳纖維-T300和碳纖維-T700均具有高強(qiáng)度和高模量的力學(xué)性質(zhì),其中碳纖維-T700的力學(xué)性能優(yōu)于其他材料。

由表4還可以看出,玻璃纖維單位體積纖維質(zhì)量過高。碳纖維-T700與碳纖維-T300相比,單位體積纖維質(zhì)量更輕,樹脂含量和揮發(fā)分含量更低,而凝膠時間和樹脂流動度,對其穩(wěn)定成型無影響。

綜上,碳纖維-T700作為纖維增強(qiáng)材料,具有優(yōu)越于其他材料的物化性能,此外,選用玻璃纖維作為外部保護(hù)層,保護(hù)纖維主承力層避免外力損傷。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 性能測試

碳復(fù)合纖維材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度是影響碳纖維纏繞氧氣瓶力學(xué)性能的重要參數(shù)。為此,依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中D3039和D790中的測試方法中的“在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室大氣環(huán)境(23±3) ℃和(50±10)%相對濕度中儲存和試驗(yàn)”,在測試試驗(yàn)環(huán)境溫度22.0 ℃和環(huán)境相對濕度52.4%條件下,開展碳纖維纏繞氧氣瓶力學(xué)性能測試試驗(yàn)。表5為碳復(fù)合纖維氧氣瓶力學(xué)性能測試試驗(yàn)結(jié)果,其中,σL為拉伸強(qiáng)度,EL為拉伸模量,σc為彎曲強(qiáng)度,Ec為彎曲模量。

表5 碳纖維纏繞氧氣瓶力學(xué)性能測試試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,碳復(fù)合增強(qiáng)纖維材料的最小拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為760 MPa和822 MPa,最小拉伸模量和彎曲模量分別為61 GPa和58 GPa,符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039和ASTM D790中的規(guī)定。

2.3.2 數(shù)值模擬

為深入探究碳復(fù)合纖維氧氣瓶力學(xué)性能,采用數(shù)值模擬手段,開展了不同工況下碳復(fù)合纖維儲氧瓶力學(xué)性能數(shù)值模擬研究。

碳纖維纏繞氧氣瓶數(shù)值模擬中采用碳纖維-T700預(yù)浸料作為纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行鋪層,單層厚度為0.14 mm,碳纖維-T700環(huán)向纏繞10層,縱向纏繞7層,在其最外層鋪設(shè)一層玻璃纖維作為保護(hù)層,厚度為0.25 mm,具體材料參數(shù)的選取如表6所示。

表6 材料參數(shù)選取

利用HYPERWORKS軟件對碳纖維纏繞氧氣瓶進(jìn)行建模并分析,如圖3所示。

圖3 碳纖維纏繞儲氧瓶有限元模型

數(shù)值模擬步驟如下。

(1)模型建模選擇:采用抽中面建立二維殼單元的方式模擬。

(2)細(xì)化建模要求:緊固件采用一維單元模擬(CBAR桿單元或者CBEAM梁單元),主承力結(jié)構(gòu)采用三維立體單元。

(3)邊界條件約束方式:通過約束x、y、z三個方向的平動位移、轉(zhuǎn)動位移作為模型邊界條件。

(4)載荷施加:進(jìn)行工作載荷、爆破載荷、沖擊載荷的施加。

(5)結(jié)果計(jì)算分析提取:通過控制卡片,選取仿真分析輸出關(guān)鍵參數(shù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

按照上述數(shù)值模擬步驟,開展三種工況條件下碳復(fù)合纖維儲氧瓶力學(xué)性能數(shù)值模擬。工況1:由瓶內(nèi)向外施加工作壓力30 MPa工作載荷;工況2:由瓶內(nèi)向外施加爆破壓力102 MPa;工況3:向瓶身100 mm×100 mm區(qū)域施加300 N沖擊載荷。碳復(fù)合纖維儲氧瓶在不同工況下內(nèi)膽的應(yīng)力分布,如圖4～7所示。

圖4 零壓力下儲氧瓶應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,逐條驗(yàn)證GB28053—2011《呼吸器用復(fù)合氣瓶》中規(guī)定應(yīng)力要求:(1)內(nèi)膽屈服強(qiáng)度為262 MPa,零壓力下內(nèi)膽筒體壓應(yīng)力為229 MPa(圖4),157.2 MPa<229 MPa<248.9 MPa,符合規(guī)范要求。(2)在沖擊載荷300 N作用下,最大應(yīng)力8.7 MPa(圖5),8.7 MPa<157 MPa,符合規(guī)范要求。(3)30 MPa工作壓力下,內(nèi)膽最大拉應(yīng)力為22.9 MPa(圖6a),22.9 MPa<157.2 MPa,符合規(guī)范要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體部分(圖6b),符合規(guī)范要求。(4)由圖7可知,總應(yīng)力載荷1 168 MPa×15%=175.2 MPa,玻璃纖維層最大應(yīng)力102.1 MPa<175.2 MPa,符合規(guī)范要求。(5)由圖7a、圖6b可知,30 MPa工作壓力下最大應(yīng)力為343.6 MPa,爆破壓力下最大應(yīng)力為1 168 MPa,343.6 MPa<1 168 MPa×30%=350.4 MPa,符合規(guī)范要求。

圖5 沖擊應(yīng)力下儲氧瓶數(shù)值模擬

圖6 工作壓力下儲氧瓶數(shù)值模擬

圖7 爆破壓力下儲氧瓶數(shù)值模擬

綜上,不同工況下碳纖維纏繞氧氣瓶內(nèi)膽應(yīng)力分布結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

(1) 碳纖維纏繞氧氣瓶的瓶重為0.52 kg,工作壓力為23 MPa,儲氧氣量為104 L,與鋼制氣瓶相比,瓶重減小25.7%,工作壓力提高15.0%,儲氧氣量提高30.0%。

(2) 碳纖維T700的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、比模量和比強(qiáng)度優(yōu)于其他材料,且碳纖維-T700與碳纖維-T300相比,單位體積纖維質(zhì)量更輕,樹脂含量和揮發(fā)分含量更低。此外,碳復(fù)合纖維材料的最小拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為760 MPa和822 MPa,最小拉伸模量和彎曲模量分別為61 GPa和58 GPa。

(3) 不同工況下碳纖維纏繞氧氣瓶內(nèi)膽應(yīng)力分布結(jié)果均滿足規(guī)范要求,30 MPa工作壓力下最大應(yīng)力為343.6 MPa,爆破壓力下氣瓶最大應(yīng)力為1 168 MPa,300 N沖擊載荷作用下氣瓶最大應(yīng)力8.7 MPa。