18L碳纤维缠绕气瓶的研制_刘平小

4． 1 外观差异较大 有 2 只气瓶外观与其他气瓶 比较差异较大。在缠绕之后、固化之前，其中 1 只放 置时间较长，未发现端部环向纤维掉落，固化后打磨 时发现尺寸偏小，采用碳纤维与加填料的树脂修补 固化，出现色差（ 图 2） ，影响了外观。由于该部分是 保护层，不影响产品性能，故没有重新修补。另 1 只 （ 图 3） 气瓶外观差异来自于碳纤维打磨和外表面的 树脂图刷等因素。打磨后表面粗糙程度不一致以及 使用的碳纤维本身呈淡黄色，基本都会出现淡黄色 的外观。
2． 2 缠绕层数的计算 由理论计算的纤维总厚度
并结合 18 L 碳纤维缠绕气瓶的尺寸指标，最终确定
复合材料层的总厚度为 5． 5 mm，根据设计的螺旋和
环向的单层厚度，确定最终缠绕层数的分布和数量，
结果： 环向 10 层，纵向（ 15°） 8 层，一共 18 层，结合
实际的操作过程对螺旋和环向的缠绕顺序和螺旋的
取 H = 765 mm。 1． 4 瓶体质量计算
G = ［（ π /4） （ Do2 － Di2 ） （ H － H1 ） + （ 2π /3） （ Do2 H1 － Di2 h1） ］ × 10 －6 ρ
式中，G———瓶体质量，单位 kg； Do———瓶体外径，188 mm； Di———瓶体内径，182 mm； H———瓶体高度，765 mm； H1 ———瓶体底部外高度，50． 9 mm； h1 ———瓶体底部外高度，44． 9 mm； ρ———铝合金密度，2． 71 × 103 kg / m3 。
LIU Ping-xiao，MA Xin，WANG Jian-hua，YU Feng-tao，SHI Hui-xing，YUAN Ling （ Naval Medical Ｒesearch Institute，Shanghai 200433，China）
［Abstract］ Objective To design and develop a carbon-fiber gas cylinder of 18 liters，which could provide breathing gas to a portable medical chamber in the first aid and transfer of casualties with diving diseases and pulmonary barotrauma． Methods The dimension，weight and layers of winding were determined，through the design of the winding method and the interior of the gas cylinder． Then a series of tests，such as water pressure test，fatigue test and demolition test were conducted to demonstrate that all the technical specifications were met． Ｒesults The capacity of the cylinder was 18． 1 L，weight 9． 86 kg，overall length 782 mm and outside diameter 201 mm． The pressure of water test was 30 MPa，which was maintained for 60 s． Ｒesidue distortion was ＜ 5% and the pressure for fatigue test for a succession of 1 500 times was 20 MPa，and actual demolition test pressure was 88． 4 MPa． Conclusion Ｒelated cylinder tests were conducted in accordance with corresponding criteria，and test results indicated that all the criteria specified in《the Safety Supervision Procedures of Gas Cylinders》were met．
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·论著·
18 L 碳纤维缠绕气瓶的研制
刘平小，马 新，王建华，于峰涛，史惠星，苑 玲
［摘要］ 目的 设计一种 18 L 碳纤维缠绕气瓶，专门用于在急救、转运潜水疾病、肺气压伤病员过程中，为便携式医疗
代入，得：
S
=
2
5 × 188
× 241 1． 3
+
5
=
2． 51（
mm）
取 S = 2． 6 mm。
1． 2 筒体内径
Di = Do － 2Sn
式中，Di———筒体内径，单位 mm；
Do———筒体外径，188 mm；
Sn———筒体名义壁厚，3 mm。
代入，得： Di = 188 － 2 × 3 = 182（ mm）
4 使用情况
首批生产气瓶 10 只，用于爆破试验和疲劳试验
的气瓶各 1 只，成品 8 只，在陆上联调试验和海上试
验过程中，发现存在以下问题。
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纤维复合材料，2007，24（ 1） ： 21-23． ［5］ 刘国权等． 高强碳纤维复合材料抗弹近似计算［J］． 纤维复合
环向缠绕层厚度
tf90
=
2
－
tg215 2
×
6 392 4 153． 6
= 1. 484（ mm）
取螺旋纤维缠绕层强度利用系数 K = 0． 7，可得
螺旋缠绕层的实际厚度和纤维总的厚度，螺旋缠绕层
实际厚度为 1． 178 mm，环向缠绕层厚度为 1． 484 mm，
纤维总厚度为 2． 662 mm。
加压舱提供呼吸气体。方法 通过气瓶内胆和缠绕设计，确定相应的尺寸、质量和缠绕层数，再通过水压试验、疲劳试验和爆
破试验验证其技术指标。结果 气瓶容积 18． 1 L，质量 9． 86 kg，长度 782 mm，外径 201 mm。水压试验压力 30 MPa、保压 60 s，
残余变形 ＜ 5% ； 疲劳试验压力 20 MPa，1 500 次； 实际爆破压力 88． 4 MPa。结论 根据相关标准进行气瓶试验，试验情况满足
［Key words］ Gas cylinder； Carbon fiber； Portable medical chamber
18 L 碳纤维缠绕气瓶是专门为便携式医疗加压 舱设计的一种气瓶，其特点是重量轻，耐磨损性好， 安全可靠。用于急救、转运潜水疾病、肺气压伤病员 过程中，提供呼吸气体［1］。便携式医疗加压舱最高 工作压力 0． 5 MPa，单次最长工作时间 300 min，非 工作状态可折叠存放，使用时可在较短的时间内展 开。根据其勤务功能，需要配设 3 个 18 L、20 MPa 压缩空气气瓶和 1 个 18 L、20 MPa 纯氧气瓶。主要 技术指标： 容积 ≥18 L，质量 ＜ 11 kg，工作压力 20
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 气瓶缠绕设计
根据内胆的技术要求，首先要进行强度和铺层设 计。原材料选用高强度碳纤维和环氧树脂［3］。通常气
［作者单 位］ 200433 上海，海军医学研究所 （ 刘平 小、于 峰 涛） ； 上海高压特种气瓶有限公司（ 史惠星、马新） ； 上海复合材料有限 公司（ 王建华、苑玲）
MPa，爆破 压 力 ＞ 60 MPa，长 度 ＜ 800 mm，外 径 ＜
205 mm。
1 气瓶内胆设计
根据 GB / T 11640-2001《铝合金无缝气瓶》进行
设计，气瓶内胆材料采用铝合金 6061。 1． 1 筒体设计壁厚［2］
S
=
Ph·Do 2σr0． 2 + Ph
1． 3
式中，S———筒体设计壁厚，单位： mm；
Ph———水压试验压力，5 MPa；
Do———筒体外径，188 mm；
σr0． 2 ———瓶体材料屈服应力，241 MPa。
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瓶的爆破压力设计为 3 倍于气瓶工作压力，即 60 MPa。
2． 1 螺旋缠绕层和环向缠绕层的厚度计算 根据
设计条件，由内胆半径、爆破压力、螺旋缠绕角和碳
纤维的许应用力，可分别计算出螺旋缠绕层和环向 缠绕层的理论厚度［4］。
螺旋缠绕层厚度
tfα
=
1 2cos215
×
6 392 4 153． 6
= 0. 8246（ mm）
kg，长度 782 mm，外径 201 mm，均 满 足 设 计 要 求。
根据 相 关 标 准 进 行 气 瓶 试 验，水 压 试 验 压 力 30
MPa、保压 60 s，残余变形 ＜ 5% ，疲劳试验压力 20 MPa，1 500 次； 实际爆破压力 88． 4 MPa［6］。试验情
况满足《气瓶安全监察规程》的要求。
［参考文献］
［1］ 陶恒 沂． 潜 水 医 学［M］． 上 海： 第 二 军 医 大 学 出 版 社，2001： 129-145．
［2］ GB 150． 3-2011，压力容器第三部分： 设计［S］． ［3］ 陈汝训． 纤维缠绕气瓶设计分析［J］． 固体火箭技术，2008，31
（ 6） ： 626-628． ［4］ 李小明，邱桂杰，刘锦霞． 某型复合材料气瓶的优化设计［J］．
《气瓶安全监察规程》的要求。
［关键词］ 缠绕气瓶； 碳纤维； 便携式医疗加压舱
［中图分类号］ Ｒ849
［文献标识码］ A ［DOI］ 10． 3969 / j． issn． 1009 － 0754． 2014． 02． 016
Development of carbon-fiber gas cylinder of 18 liters
取 Di = 182 mm
1． 3 瓶体高度( 见图 1)
图 1 18 L 碳纤维缠绕气瓶瓶体设计示意图
H = H1 + H2 + （ 4 / πDi2 ） × V － （ 2 /3） （ h1 + h2 ） 式中，H———瓶体高度，单位 mm；
H1 ———瓶体底部外高度，50． 9 mm； H2 ———瓶体头部外高度，80 mm； Di———筒体内径，182 mm； V———气瓶容积，18 × 106 mm3 ； h1 ———瓶体底部内高度，44． 9 mm； h2 ———瓶体头部内高度，44． 9 mm。 代入，得： H = 50． 9 + 80 + （ 4 / π × 1822 ） × 18 × 106 － （ 2 /3） × （ 44． 9 + 44． 9） = 762． 9（ mm）
缠绕角度作一定的调整。 2． 3 缠绕张力计算［5］ 缠绕张力可采用下述公式
计算：
T0
=
N r
·sin2
α
×
104
其中，N———触成形压力； r———模半径； α———缠
绕角。
实际最大缠绕张力控制为 30 N 左右，由内向外
逐层递减。
3 试验情况
经过实际测量，气瓶的容积 18． 1 L，质量 9． 86
图 2 气瓶色差 1
图 3 气瓶色差 2
4． 2 裂纹问题 由于打磨到纤维，出现应力释放后
的裂纹情况。
将该气瓶进行爆破试验，爆破压力 87． 6 MPa，超过 设计要求的 60 MPa，没有影响到产品性能。后续又 生产气瓶 100 多只，通过改进气瓶内胆工艺，采用进 口的比利时软件编制缠绕程序，采用实物内胆进行 调试，并对部分程序进行调整，使 18 L 碳纤维缠绕 气瓶的质量得到了较大的提高，使用方反应良好。