CN114623381B

CN114623381B - 一种高压大容量ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置

Info

Publication number: CN114623381B
Application number: CN202210300418.9A
Authority: CN
Inventors: 陈志平; 程智; 刘梦洁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: CN114623381A

Abstract

本发明公开了一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，包括BOSS结构、法兰直线轴承装置、阻尼垫片和阻尼轴套等。BOSS结构颈部外壁光滑、内孔设有键齿槽，通过颈部外壁与法兰直线轴承装置配合、颈部端面与阻尼垫片接触，允许并限制了BOSS结构在一定距离内的轴向移动；法兰直线轴承装置包括轴承套、轴承端板和轴承保持器，轴承端板设有花键轴，花键轴通过阻尼轴套与BOSS结构内孔的键齿槽配合，允许并限制了BOSS结构在一定角度内的周向转动。本发明利用阻尼垫片和阻尼轴套吸收、贮存BOSS结构小范围运动产生的能量，可降低Ⅳ型瓶BOSS结构与瓶体连接部位所受载荷，并在道路运输中起到减震缓冲作用，提高Ⅳ型储氢管束集装箱的安全性和服役寿命。

Description

一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置

技术领域

本发明涉及常温压缩气体贮运装备领域，具体涉及一种高压大容量IV型储氢瓶与集装箱的连接装置。

背景技术

高压氢气储运具有快捷灵活的特点，适合中短距离运输，对氢能的推广应用具有不可替代的作用。尤其是高压大容量Ⅳ型储氢管束集装箱道路运输，具有储氢压力高、质量储氢密度大、单次运输容量大、运输成本低等优势，是高压氢气运输的重要方式。

现有的储氢瓶与集装箱连接方式为固定连接，即通过储氢瓶两端BOSS结构上的外螺纹与法兰内螺纹联接，同时通过BOSS结构上的多边形凸台与法兰多边形槽口过盈配合或在螺纹联接处安加防转销钉来防止BOSS结构与法兰之间的转动；法兰与集装箱则为螺栓联接。这种连接方式将储氢瓶与集装箱完全固定，禁止二者间的相对运动，设计并应用于了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型瓶上。但是对于Ⅳ型瓶，由于瓶体塑料内胆为非金属，BOSS结构为金属，这种非金属和金属的连接不如Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型瓶金属瓶体和金属BOSS结构的连接牢固可靠。在这种连接下，Ⅳ型瓶完全固定在集装箱上，质量偏心、热胀冷缩、压力波动、道路运输等复杂工况下产生的载荷和形变都将完全传递到BOSS结构与瓶体的连接部位，破坏连接的可靠性，降低安全寿命，甚至导致连接和密封失效，引发氢气泄漏等严重安全事故。

此外，对于高压大容量Ⅳ型储氢瓶，由于塑胶内胆的热导率比金属内胆的小，从气体到瓶外壁的传热比Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型瓶慢，因此在充氢过程中Ⅳ型瓶温升较为明显且最终温度更高，加之目标压力高、大容量Ⅳ型瓶轴向较长，因此温升引起的绝对轴向膨胀量也更大，进一步导致BOSS结构与瓶体连接部位受到较大的载荷作用，影响其安全性。然而，国内外现有的Ⅳ型储氢管束集装箱在设计制造中并未考虑这一因素的影响。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置。本发明通过允许Ⅳ型瓶无阀门端小距离的轴向滑动，减小Ⅳ型瓶膨胀时BOSS结构与瓶体连接部位受到的轴向力，通过允许Ⅳ型瓶无阀门端小角度的周向转动，缓解Ⅳ型瓶转动时连接部位受到的扭矩。本发明可以减小集装箱中Ⅳ型储氢瓶轴向膨胀和周向转动时所受载荷，减轻Ⅳ型瓶在服役过程中的损伤，提高Ⅳ型瓶和管束集装箱的安全性和寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，包括BOSS结构、法兰直线轴承装置、支撑装置和阻尼装置，所述法兰直线轴承装置包括带法兰的轴承套、轴承端板和轴承保持器，所述支撑装置包括集装箱支撑板，所述阻尼装置包括阻尼垫片和阻尼轴套。所述BOSS结构肩部与Ⅳ型储氢瓶内胆通过滚塑或焊接连为一体，颈部与法兰直线轴承装置配合，颈部端面与阻尼垫片接触，BOSS结构可在法兰直线轴承装置内小距离轴向移动。所述轴承套和轴承端板中均设有法兰，轴承套法兰的一个侧面与轴承端板法兰进行螺钉联接，轴承套法兰的另一个侧面与所述集装箱支撑板进行螺栓联接；所述轴承套的内孔与轴承保持器过盈配合，所述轴承保持器内有滚珠；所述轴承端板上设有花键轴；所述阻尼垫片内部设有与花键轴配合的键齿槽；所述阻尼轴套为中空的花键状，内部与所述花键轴配合，外侧与所述BOSS结构内孔上的键齿槽配合，以限制BOSS结构小角度的周向转动。

优选地，所述BOSS结构的颈部外壁为光滑面，内孔为盲孔，颈部外壁与所述轴承保持器配合，且颈部端面与阻尼垫片保持接触，通过轴承保持器上的滚珠实现BOSS结构的轴向移动；在BOSS结构内孔上设有圆周均布的多个键齿槽，用于和阻尼轴套及轴承端板上的花键轴配合。

优选地，所述轴承端板的中心轴线上设有花键轴，花键轴上所设的花键为圆周均布的多个键齿，具体键数应根据花键轴的直径以及承载要求确定；所述阻尼垫片为圆筒状结构，内部设有与所述花键轴配合的键齿槽；所述阻尼轴套为中空的花键状，内部与所述花键轴配合。花键轴末端与阻尼垫片过盈配合，花键轴其余段与阻尼轴套过盈配合。所述BOSS结构内孔上的键齿槽通过阻尼轴套与轴承端板的花键间接配合。所述花键联接能够提高承载能力和导向性。

优选地，所述阻尼垫片和阻尼轴套均采用粘弹性材料，以耗散BOSS结构运动产生的能量并提供弹性支撑作用。所述阻尼垫片端面与BOSS结构颈部端面接触，当Ⅳ型瓶轴向膨胀时，BOSS结构挤压阻尼垫片，实现对BOSS结构小距离轴向移动的限制，并吸收瓶体轴向膨胀时的能量，缓解BOSS结构与瓶体连接部位所承受的轴向载荷；所述阻尼垫片的厚度要保证其有效弹性变形量不小于瓶体轴向膨胀量。

优选地，所述阻尼轴套与所述BOSS结构内孔上的键齿槽配合，当BOSS结构转动时挤压阻尼轴套，实现对BOSS结构小角度周向转动的限制，并吸收周向转动的能量，缓解BOSS结构与瓶体连接部位所承受的扭矩。

优选地，所述轴承套法兰四角共设有四个圆周均布的螺纹孔，所述螺纹孔为盲孔，其深度小于轴承套法兰厚度，所述轴承端板四角设有与之对应的通孔，二者通过螺钉联接实现固定。

优选地，所述集装箱支撑板左右两侧共设有六个支撑板通孔，所述轴承套法兰左右两侧设有与之对应的轴承套通孔，二者通过螺栓联接实现固定；所述集装箱支撑板中心设有圆孔，其直径等于轴承套外壁直径，并与之配合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过BOSS结构、直线轴承和阻尼垫片的配合，实现了BOSS结构在小距离内的轴向移动，能够释放瓶体膨胀产生的轴向位移，降低膨胀时BOSS结构和瓶体连接部位所受的轴向载荷，避免在轴向膨胀下产生挠曲变形，提高Ⅳ型储氢瓶的安全性；

(2)本发明通过轴承端板花键、BOSS结构内孔键齿槽和阻尼轴套的配合，实现了BOSS结构在小角度内的周向转动，能够有效减小BOSS结构和瓶体连接部位所受的扭矩，降低连接部位的损伤，提高使用寿命；

(3)本发明利用阻尼垫片和阻尼轴套的粘弹性，能够耗散一部分轴向移动或周向转动时的能量，又能够对BOSS结构提供轴向或周向的支撑和限位作用，还能够对储氢管束集装箱在道路运输中进行减震和缓冲保护，有效提高了Ⅳ型储氢瓶与集装箱连接的可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的BOSS结构和Ⅳ型瓶内胆连接示意图；

图3为本发明的BOSS结构示意图；

图4为本发明的法兰直线轴承装置示意图；

图5为本发明的轴承套和轴承保持器的配合示意图；

图6为本发明的BOSS结构、法兰直线轴承装置和阻尼轴套的配合示意图；

图7为本发明的阻尼装置示意图；

图8为轴承端板、阻尼垫片和阻尼轴套的配合示意图；

图9为本发明的内部连接示意图；

图10为图9中A处的放大图；

图11为本发明的轴承套和轴承端板连接的示意图；

图12为本发明中支撑装置和轴承套示意图；

图中：1、BOSS结构；101、颈部；102、肩部；103、颈部外壁；104、BOSS结构内孔；105、键齿槽；2、法兰直线轴承装置；21、轴承套；211、轴承套法兰；212、螺纹孔；213、轴承套通孔；214、轴承套内孔；215、轴承套外壁；22、轴承端板；221、端板法兰；222、花键轴；223、花键；224、端板通孔；23、轴承保持器；231、滚珠；24、螺钉；3、储氢瓶内胆；4、支撑装置；41、集装箱支撑板；411、支撑板通孔；412圆孔；42、螺栓；43、螺母；5、阻尼装置；51、阻尼垫片；52、阻尼轴套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明确，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要指出的是，以下所描述的具体实施例旨在解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-图12所示，本发明提供一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，包括BOSS结构1、法兰直线轴承装置2、支撑装置4和阻尼装置5。其中，法兰直线轴承装置2包括带法兰的轴承套21、轴承端板22、轴承保持器23和螺钉24；支撑装置4包括集装箱支撑板41、螺栓42和螺母43；阻尼装置5包括阻尼垫片51和阻尼轴套52。

如图1-图3和图9所示，BOSS结构1沿轴向划分为颈部101和肩部102，其中，肩部102与Ⅳ型储氢瓶内胆3通过滚塑或焊接连为一体；颈部101与法兰直线轴承装置2中的轴承保持器23配合，颈部101的端面与阻尼垫片51接触，BOSS结构1可在法兰直线轴承装置2内小距离轴向移动。

如图1和图4-图6所示，轴承套21和轴承端板22中均设有法兰，轴承套法兰211的一个侧面与轴承端板法兰221通过螺钉24实现固定连接，轴承套法兰211的另一个侧面与集装箱支撑板41通过螺栓42和螺母43实现固定连接；轴承套21通过轴承套内孔214与轴承保持器23过盈配合，轴承保持器23内设有滚珠231；轴承端板22上设有花键轴222，通过阻尼轴套52与BOSS结构内孔104上的键齿槽105配合，以限制BOSS结构1小角度的周向转动。

进一步地，如图2所示，BOSS结构1的颈部外壁103为光滑面，BOSS结构内孔104为盲孔，应用于Ⅳ型瓶的无阀门端。颈部外壁103与轴承保持器23配合，且颈部101端面与阻尼垫片51保持接触，通过轴承保持器23上的滚珠231实现BOSS结构1的轴向移动；BOSS结构内孔104上设有圆周均布的多个键齿槽105，用于和阻尼轴套52及花键轴222配合。

如图4和图6-图8所示，花键轴222位于轴承端板22的中心轴线上，花键轴上所设的花键223为圆周均布的多个键齿，具体键数应根据花键轴222的直径以及承载要求确定；阻尼垫片51为圆筒状结构，内部设有与花键轴222配合的键齿槽；阻尼轴套52为中空的花键状，内部与花键轴222配合；花键轴222末端与阻尼垫片51过盈配合，花键轴222其余段与阻尼轴套52过盈配合；BOSS结构内孔104上的键齿槽105通过阻尼轴套52与轴承端板22的花键223间接配合。BOSS结构1、轴承端板22和阻尼轴套52之间的花键联接能够提高本发明的承载能力和导向性。

进一步地，阻尼垫片51和阻尼轴套52均采用粘弹性材料，既能够耗散Ⅳ型瓶轴向或周向运动过程中产生的部分能量又能够对BOSS结构1提供弹性支撑和限位作用。结合图6、图9和图10，对柔性连接的工作原理进行说明。

轴向膨胀过程的工作原理：阻尼垫片51与BOSS结构1同轴心装配，且阻尼垫片51的端面与颈部101的端面保持接触，阻尼垫片51对Ⅳ型瓶提供一定的轴向支撑作用；当Ⅳ型瓶受热产生轴向膨胀时，BOSS结构1在轴承保持器23内轴向运动，同时挤压阻尼垫片51；阻尼垫片51受到BOSS结构1的轴向作用力后，产生滞后于应力的应变，一部分能量转化为热能而被损耗，另一部分能量则转化为弹性势能而被贮存，从而减小膨胀时BOSS结构1和瓶体连接部位所承受的轴向载荷；当Ⅳ型瓶温度下降、轴向回缩时，BOSS结构1逐渐回到原位置，阻尼垫片51也逐渐恢复到初始形状和位置；阻尼垫片51的厚度要保证其有效弹性变形量不小于瓶体轴向膨胀量。

周向转动过程的工作原理：阻尼轴套52通过过盈配合安装在花键轴222上，并与BOSS结构内孔104上的键齿槽105配合，从而实现BOSS结构1与花键轴222的间接配合；当Ⅳ型瓶周向转动时，BOSS结构1挤压阻尼轴套52，阻尼轴套52产生滞后于应力的应变，一部分能量转化为热能而被损耗，另一部分能量则转化为弹性势能而被贮存，从而减小周向转动时BOSS结构1和瓶体连接部位所承受的扭矩；随着BOSS结构1逐渐复位，扭矩逐渐减小，阻尼轴套52也逐渐恢复到初始形状和位置；阻尼轴套52的厚度应根据实际工况和管束集装箱参数进行设计和调整。

如图11所示，轴承套法兰211四角共设有四个圆周均布的螺纹孔212，螺纹孔212为盲孔，其深度小于轴承套法兰法兰211厚度，轴承端板法兰221四角设有与之对应的端板通孔224，二者通过螺钉24联接。

如图12所示，集装箱支撑板41左右两侧共设有六个支撑板通孔411，轴承套法兰211左右两侧设有与之对应的轴承套通孔213，二者通过螺栓42实现固定连接；集装箱支撑板41中心设有圆孔412，其直径等于轴承套外壁215直径，并与之配合。

以上详细描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用来限制本发明，凡在不脱离本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：包括BOSS结构（1）、法兰直线轴承装置（2）、支撑装置（4）和阻尼装置（5），所述法兰直线轴承装置（2）包括带法兰的轴承套（21）、轴承端板（22）和轴承保持器（23），所述支撑装置（4）包括集装箱支撑板（41），所述阻尼装置（5）包括阻尼垫片（51）和阻尼轴套（52）；所述BOSS结构（1）的肩部（102）与Ⅳ型储氢瓶内胆（3）通过滚塑或焊接连为一体，颈部（101）与法兰直线轴承装置（2）配合，颈部（101）端面与阻尼垫片（51）接触，所述BOSS结构（1）能够在法兰直线轴承装置（2）内轴向移动；所述轴承套（21）和轴承端板（22）中均设有法兰，轴承套法兰（211）的一个侧面与轴承端板法兰（221）联接，另一个侧面与所述集装箱支撑板（41）联接；轴承套内孔（214）与所述轴承保持器（23）过盈配合，所述轴承保持器（23）内有滚珠（231）；所述轴承端板（22）上设有花键轴（222）；所述阻尼垫片（51）内部设有与所述花键轴（222）配合的键齿槽；所述阻尼轴套（52）为中空的花键状，内部与所述花键轴（222）配合，外侧与所述BOSS结构内孔（104）上的键齿槽（105）配合；

所述阻尼垫片（51）和阻尼轴套（52）均采用粘弹性材料，以耗散BOSS结构（1）运动产生的能量并提供弹性支撑作用；所述阻尼垫片（51）端面与BOSS结构颈部（101）端面接触，当Ⅳ型储氢瓶轴向膨胀时，BOSS结构（1）挤压阻尼垫片（51），实现对BOSS结构（1）轴向移动的限制，并吸收瓶体轴向膨胀时的能量，缓解BOSS结构（1）与瓶体连接部位所承受的轴向载荷；所述阻尼垫片（51）的厚度要保证其有效弹性变形量不小于瓶体轴向膨胀量。

2.根据权利要求1所述的一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：所述BOSS结构（1）的颈部外壁（103）为光滑面，BOSS结构内孔（104）为盲孔，颈部外壁（103）与所述轴承保持器（23）配合，且颈部（101）端面与阻尼垫片（51）保持接触，通过轴承保持器（23）上的滚珠（231）实现BOSS结构（1）的轴向移动；在BOSS结构内孔（104）上设有圆周均布的多个键齿槽（105），用于和阻尼轴套（52）及轴承端板（22）上的花键轴（222）配合。

3.根据权利要求1所述的一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：所述轴承端板（22）的中心轴线上设有花键轴（222），所述花键轴（222）上所设的花键（223）为圆周均布的多个键齿，具体键数应根据花键轴的直径以及承载要求确定；所述阻尼垫片（51）为圆筒状结构，内部设有与所述花键轴（222）配合的键齿槽；所述花键轴（222）末端与阻尼垫片（51）过盈配合，花键轴（222）其余段与阻尼轴套（52）过盈配合；所述BOSS结构内孔（104）上的键齿槽（105）通过阻尼轴套（52）与轴承端板（22）的花键（223）间接配合。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：所述阻尼轴套（52）与所述BOSS结构内孔（104）上的键齿槽（105）配合，当BOSS结构（1）转动时挤压阻尼轴套（52），实现对BOSS结构（1）周向转动的限制，并吸收周向转动的能量，缓解BOSS结构（1）与瓶体连接部位所承受的扭矩。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：所述轴承套法兰（211）四角共设有四个圆周均布的螺纹孔（212），所述螺纹孔（212）为盲孔，所述轴承端板（22）四角设有与所述螺纹孔（212）对应的通孔（224），所述轴承套法兰（211）和所述轴承端板（22）通过螺钉（24）联接实现固定。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种高压大容量Ⅳ型储氢瓶与集装箱的连接装置，其特征在于：所述集装箱支撑板（41）左右两侧共设有六个支撑板通孔（411），所述轴承套法兰（211）左右两侧设有与所述支撑板通孔（411）对应的轴承套通孔（213），所述集装箱支撑板（41）和所述轴承套法兰（211）通过螺栓（42）联接实现固定；所述集装箱支撑板（41）中心设有圆孔（412），所述圆孔（412）直径等于轴承套外壁（215）直径，并与所述轴承套外壁（215）配合。