当前位置: 首页最新公告 》 车载氢系统核心零部件设计开发 -70Mpa高压氢气集成车用电磁阀

车载氢系统核心零部件设计开发 -70Mpa高压氢气集成车用电磁阀

发布日期:2021-08-19        新闻来源:网络

林垚  20206月

 

  要:汽车作为当今社会不可缺少的重要产物,已经深入到各家各户。但随着科学技术发的发展及化石能源的消耗殆尽,人们越来越注重寻找一种新型且环保的能源来替代传统的化石能源。氢能源作为最有可能替代石油的一种新型能源越来越被关注。作为氢能源汽车中连接气瓶和管路的车用电磁阀开发也逐渐成为各大汽车生产厂家的重点研究对象。文章从针对车载高压氢气集成车用电磁阀的设计、工艺、检验等角度详细阐述产品结构原理,密封原理及生产制造过程。

关键词:氢系统车用电磁阀、氢气相容性、阀门工艺

 

1.技术领域

本发明涉及高压氢气集成瓶阀的技术领域,尤其涉及一种适用于70MPa高压氢气集成瓶阀。

 

2.背景技术

[1]随着当今石油、天然气、煤炭等化石能源的消耗,人们迫在眉睫的需要寻找一种可替代且环保的能源来满足日益增长的能源需求。氢能源目前是比较合适的选择,国内外对氢能源以及氢能源汽车的研究从十几年前开始启动。欧洲和日本等地在对氢能源研究方面已经积累了不少经验。我国在虽然在这方面起步较其他国家较晚,但随着国家对氢能行业的重视,氢能的发展得到突飞猛进的成效。 

[2]近几年我国在氢能汽车研发领域取得重大突破,部分自主品牌的车企也成功开发出氢能燃料电池汽车性能样车。氢能源汽车采用轻质的铝合金内胆气瓶来储存氢气。储氢气瓶的体积小,而且具有爆炸的风险,高压氢气集成瓶阀安装于燃料电池汽车储氢气瓶,用于控制储氢气瓶中氢气的开断,作为储氢系统的关键部件,密切影响着储氢系统的安全性和稳定性。

从氢燃料电池汽车的安全性、轻量化、低成本考虑、减少泄漏点,车用电磁阀所附带的功能越多,则燃料电池前端管路所需要的阀门及管件越少。高集成化瓶阀是整车最优的方案

目前仅有35MPa高压氢气集成电磁阀,且功能不够完善,无法满足70MPa燃料电池汽车的使用需求。70MPa高压氢气介质对集成电磁阀的密封性能、安全可靠性具有极大考验,对结构设计要求高,目前还缺少一款集成度高、功能完善、性能强的集成车用电磁阀。

 

3.方案描述

70MPa高压氢气集成电磁阀,包括瓶阀本体、分别安装在瓶阀本体顶部的手动截止阀和先导式电磁阀、分别安装在所述瓶阀本体底部的电磁阀主阀和过滤溢流阀,所述手动截止阀、所述电磁阀主阀、所述过滤溢流阀在所述瓶阀本体内依次相连通,其中,所述瓶阀本体中设有依次相连通的主路通道、支路通道一和支路通道二,所述手动截止阀设置在所述主路通道内,所述手动截止阀用于控制所述主路通道和所述支路通道一之间的连通状态;所述电磁阀主阀设置在所述支路通道一内,所述电磁阀主阀用于控制支路通道一的连通状态,所述先导式电磁阀通过气体管路与所述电磁阀主阀相连通,所述气体管路与所述支路通道一相并联,所述过滤溢流阀设置在所述支路通道二内;所述瓶阀本体顶部设有TPRD泄放装置,所述TPRD泄放装置设置在贯穿所述瓶阀本体的泄放通道内。

集成瓶阀功能及工作原理如图1所示,集成了先导式电磁阀、TPRD、手动截止阀、应急泄放阀、过滤器、溢流阀和温度传感器。

 

1 瓶阀PID工作原理

3.1 主要设计参数

 

1  主要设计参数

工作压力

15°C下700bar

最大压力

875 bar

最小压力

5bar

开启时间(达到全流量)

10毫秒(典型工况)

关闭时间(达到全流量)

80毫秒(典型工况)

电磁阀开启电压

12V

温度范围

-40°C ~ +85 °C

工作介质

符合ISO14687标准的纯净氢气

设计寿命

15

3.2 主要材料

3.2.1壳体材料

基于该电磁阀主要应用于氢气介质,要承载70MPa氢气的工作压力及210MPa水压测试,瓶阀壳体采用牌号为6061的铝合金,[3]热处理等级为T6,该材料具有:加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。阀门工作

铝合金材料化学成分和力学性能表2规定。

检验方法按GB/T 228执行

3.2.2 材料金相分析及化学元素测定

由于市场上铝合金材料品质层次不齐,因此品质不好的材料会导致“氢脆”现象发生,因此在研发阶段通过对几种品牌的材料进行光谱化学元素分析,确定最适合的材料。

研发阶段选择了4种品牌的材料,材料元素分析如表3:

3材料化学元素成分

 

3.2.3 密封材料

软密封材料:软密封材料主要指橡胶类密封O圈,首选三元乙丙,备选氢化丁腈橡胶和氟胶

4 密封圈材料及性能参数

指标

EPDM三元乙丙

氢化丁腈

氟胶

耐温范围

-60~+300

-40~+220

-40~+260

回弹率(%)

50~80

5~65

20~40

永久变形(%)

-

+7~+20

+5~+30

硬密封材料:硬密封主要用于工作单向阀、电磁阀芯堵头。

其他材料:

1)PVDF聚偏氟乙烯,又名钢氟龙。工作温度在-60+150之间。

2)PEEK聚醚醚酮:由于普通硬质密封材料对氢气的兼容性以及密封性存在缺陷,因此在如此高压的环境下选择一种具有耐温,耐腐蚀,并且具有一定润滑性的材料尤为重要。PEEK起初是运用在大部分航空航天领域,但是随着对材料的熟悉和加工性能的了解,所以在车载电磁阀中运用此材料作为首选。

3.3 密封材料氢气相容性研究

由于氢气分子微小,普通橡胶件在氢气环境中长时间浸泡会产生氢气渗入的情况,导致密封件膨胀,因此对密封件进行相容性试验尤为重要。

首先针对市场上多种密封件材料的工况进行筛选,将试验样块置于高压容器中,保持168小时,过程中保证压力容器不泄露。试验装置如图2所示。

 

 

经过相容性浸泡后,对橡胶圈内径和线径进行测量,需要满足质量变化和体积变化小于5%要求。如图3所示。

 

与此同时,为了验证实际氢气渗透量,可以将试验后的橡胶圈放置于干净的纯水中,观察是否有气泡从橡胶圈表面渗出。如图5所示。
 

4 气泡试验

4.主要零部件设计

由于该阀门的原理是通电磁线圈通电产生吸力来打开电磁阀阀芯,所以对电磁阀的拉力和磁性等性能作为非常重要的考量指标,在设计前期需要针对电磁力进行设计计算并且选用适合长期在氢气环境中使用的电磁材料。

电磁阀衔铁芯和导磁端盖材料为导磁不锈钢,该材料特点为易加工、剩磁小。

4.1 电磁阀拉力计算

1)使用条件:

工作电压:12V/DC

线圈圈数:1000T

室温条件下(25)线圈电阻:12欧姆

工作环境温度: -40~+85

适用气体:氢气

正常工作压力: 700bar

2)这是一个螺管式电磁铁,为了方便电磁力计算,其结构简化如下:

其中

L=4.16cm,为螺线管总长;

N=1.2cm,为衔铁端面到螺线管线圈上端距离;

M=1.29cm,静铁芯端面到螺线管线圈下端面距离;  

A为衔铁与静铁芯端面间距离,当线圈未通电时,A为最大值,等于0.05cm;r=0.45cm,为衔铁半径

则螺线管电磁铁的电磁力可由下式求得:

I为电流,W为线圈匝数,g为单位长度磁导,F的单位为公斤

由于直流装甲螺管式电磁铁的外磁轭为圆筒形,中柱衔铁为圆柱形(如下图):

6 铁芯与线圈的外径

其中r=0.45cm,为衔铁半径;  R=0.7cm,为外壳外半径;

单位长度磁导g计算如下:……(2)

3)70MPa瓶阀,线圈开启时的电流I为1安培,线圈匝数W为1000匝;

L=4.16cmN=1.2cmA=0.05cmr=0.45cm及公式(2)结果代入公式(1得:

电磁阀开启力:F吸=16.36公斤=160.33N

4)计算电磁阀芯受压力:F压

线圈未通电时衔铁上的硬密封头通过70MPa高压气体及弹簧作用在先导孔(孔径为0.3mm)上,将先导孔密封

高压气体产生的作用力F1为

 

F吸>F1

结论:电磁阀在吸力上余量较大,所以在弹簧设计上可设计多种强度,并选择最优的,即能够完全抗剩磁,又能够保证最低打开电压,且具备耐用性的弹簧。

4.2 PRD熔栓阀

考虑到氢气的特性,国家法规规定在所有的氢气瓶阀上必须安装PRD装置,即温度熔断保护装置。使得阀门在110℃的温度下,熔断装置可迅速将气瓶内氢气迅速释放并扩散到大气中,防止氢气聚集而引发爆炸。

熔栓阀设计前需先确定最小排气孔的孔径,根据国家关于PRD安全泄放量标准进入以下计算:

Ws — 气瓶安全泄放量,kg/h;

P  — 泄放压力(绝压)。对爆破片装置,为设计爆破压力;对易熔塞装置,为在其动作温度下所装介质的饱和蒸汽压力;对安全泄压阀,为额定泄放压力,MPa;

M  — 瓶内所装介质的摩尔质量,kg/kmol;

V  — 气瓶的容积,m³;

C  — 气体特性系数;

Z  — 气体在绝对压力P、绝对温度T时的压缩系数;

Wr — 安全泄压装置的额定排量,kg/h;

K  — 泄压装置的泄放系数;

A   — 泄压装置的最小泄放面积,mm2;

T  — 泄放压力下介质的绝对温度,K;

k  — 气体绝热指数。

盛装压缩气体、高压液化气体的气瓶,安全泄放量应不小于下式的计算值:

式中的V,除长管拖车气瓶外均可取气瓶的公称容积或实测容积(容积小于12L的应取12L)泄压装置的额定排量按下式计算:

公式中的泄放系数K与泄压装置的类型、结构有关,一般选用0.6,或由泄压装置制造单位实测确定。

气体特性系数C是气体绝热指数k的函数

对于具有不同绝热指数k值的各种气体,其特性系数见表8。

4 不同k值的气体特性系数C值

k

1.00

1.02

1.04

1.06

1.08

1.10

1.12

1.14

1.16

C

315

318

320

322

324

327

329

331

333

k

1.18

1.20

1.22

1.24

1.26

1.28

1.30

1.32

1.34

C

335

337

339

341

343

345

347

349

351

k

1.36

1.38

1.40

1.42

1.44

1.46

1.48

1.50

1.52

C

352

354

356

358

359

361

363

364

366

k

1.54

1.56

1.58

1.60

1.62

1.64

1.66

1.68

1.70

C

368

369

371

372

374

376

377

379

380

k

2.00

2.20

2.50

 

 

 

 

 

 

C

400

412

428

 

 

 

 

 

 

 

气瓶上装设的安全泄压装置的额定排量Wr不应小于气瓶的安全泄放量Ws。规定在两端封头上都应装设安全泄压装置的气瓶,泄压装置的额定排量只按一端的排量计算。

通过以上公式,将数据代入,瓶阀公称压力为70MPa,常用气瓶容积为52L得:

计算泄放面积:A

氢气的绝热指数取1.4则由表8得出C=356

K一般取0.6 、P=87.5MPa、Wr取Ws的值,T=383.15K,Z=1.29代入得

 

 

5.主要零部件加工工艺

5.1粗加工

本次加工的阀体,原材料毛坯是一个长方体,最终要加工的外观形状是一个长方体和圆柱的组合体,粗加工的过程需要切除大部分的材料,得到一个基本的外观轮廓。

将毛坯用四爪卡盘夹紧在车床上,装配好硬质合金刀具,因为硬质合金刀的耐热性和耐磨性都非常好适用于高速切削。车床主轴的转速为:n=1000*60*v/(πD)≈65r/min,其中,v是切削速度,选取0.5m/s。

进给量是根据工件加工要求确定的,粗车时,选取0.20.3mm/r。

5.2加工深孔

深孔一般是指孔的长度与孔的直径比大于5的孔。[4]这些孔中,有的要求加工精度和表面质量较高,而且有的被加工材料的切削加工性较差,常常成为生产中一大难题。因为钻深孔冷却和排屑都有一定的困难,所以即使工件材料钻孔直径与钻一般孔相同,其切削用量应选择小一些。钻深孔的时候必须经常退出排屑,否则会因铁屑堵塞而使钻头“咬死”或折断。同时配合专门设计的深孔定位工装,在加工精度上可以起到一定的辅助作用。通过以下措施来保证深孔加工可靠性,图7是该阀门的深孔图示:

  1. 与此同时定制专用定制深孔刀具,控制机床进给速率。
  2. 适当降低进给和主轴钻速,防止钻头断裂。
  3. 选用适当切削液。


 

7 阀体深孔

 

   

5.3螺纹加工与检验

在加工阀体的过程中,加工螺纹采用的是数控车装车床。随着加工工艺技术和设备的提升,对于一般的螺纹加工都配有相应的螺纹刀具。关键工艺在于选择合适不同材质的成型螺纹刀具以及控制车削的进给速率。螺纹加工好后如何对螺纹进行检验尤其重要,除了传统的螺纹通规止规的检验外,对牙型的检验也非常必要。因为在实际运用中发现,即使经过通止规检验过的螺纹,在实际使用过程中任会发生卡死,咬死的现象。导致这种现象的主要原因就是螺纹牙型的问题。因此在生产后对产品进行抽样检验牙型显微投影。如图8所示。

  1. 表面处理

由于阀门本身采用铝合金材质,理论上铝合金本身耐腐蚀能力很强。但是该产品是用在燃料电池汽车上,所以使用工况也比较恶劣。遂要考虑材料表面处理对耐腐蚀能力的提升。因此基于综合考虑在产品外层做硬质阳极氧化,在材料本身表面生成10-15微米的氧化膜,用于隔绝外界干扰。因为产品安装在燃料汽车气瓶端,使用工况与汽车使用工况相同,产品表面阳极氧化膜厚对耐腐蚀能力有重要影响,所以在研发产品阶段也对阳极氧化膜厚进行了实践测量。如图9所示。

 


 

9 膜层厚度测量SEM照片

 

总结:

本文从设计理论和生产工艺方面对70Mpa车用电磁阀进行了设计开发的阐述,从中可以了解到该阀关键零部件的大致原理以及设计思路。

 

 

 

 

 

 

 

参考文献:

[1] 《非均相光催化的原子转移自由基加成反应及衍生大环的合成和自组装研究》,毛亮亮, 2019-06-01,中国科学院大学.

[2] 《氢能源动力汽车》,学术网文,百度百科.

[3] 《钎焊薄型铝合金板翅式散热器热处理工艺研究》,陈犇,2015-06-1,贵州大学.

[4] 《深孔加工》,学术网文,2008-04-20,百度百科.

返回