碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒體研究進展

　　

　　碳纖維復(fù)合材料作為輕量化技術(shù)的關(guān)鍵材料之一，是以碳纖維作為主要增強體，與聚合物基體一起組成輕質(zhì)、高強材料，與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有卓越的機械性能、更高的抗腐蝕性能，目前它在輕量化領(lǐng)域已有取代傳統(tǒng)材料趨勢。截至2020年為止，碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)量接近17萬噸。隨著大批量碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的出現(xiàn)，復(fù)合材料工藝日趨成熟，為實現(xiàn)輕量化液壓缸制造提供了基礎(chǔ)。

　　

　　針對傳統(tǒng)液壓缸 (金屬材料) 向碳纖維復(fù)合材料液壓缸轉(zhuǎn)變，本文作者從碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面出發(fā)，闡述國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒體設(shè)計研究現(xiàn)狀，表明碳纖維液壓缸筒體設(shè)計參數(shù)對液壓缸性能的影響; 其后通過對纏繞成型制作液壓缸筒體技術(shù)綜述，說明工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律; 最后對復(fù)合材料液壓缸缸體、液壓缸設(shè)計參數(shù)如何影響液壓缸性能，及纏繞成型工藝參數(shù)對液壓缸制造發(fā)展的指導(dǎo)進行了展望。

　　

　　1.碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒研究現(xiàn)狀

　　

　　液壓缸作為液壓系統(tǒng)的核心零件之一，其作用舉足輕重，傳統(tǒng)液壓缸主要是由缸頭、缸蓋、缸筒、活塞、活塞桿以及密封件組合而成，如圖1所示。

　　

　　

　　

　　現(xiàn)階段，液壓缸筒體主要由全金屬制造而成，國內(nèi)外已有許多研究成果，而在液壓缸產(chǎn)業(yè)不斷升級過程中，輕量化液壓缸方向映入研究者的眼中。液壓缸筒體采用碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬材料是升級的一種有效方式，其余部件仍主要使用金屬材料。目前碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒體結(jié)構(gòu)主要有2種: 一種是在加工好的金屬材料內(nèi)襯外進行纖維鋪放成型; 另一種是在成型好的碳纖維復(fù)合材料筒體內(nèi)表面噴涂涂層。

　　

　　1. 1 金屬內(nèi)襯復(fù)合材料液壓缸筒體

　　

　　整體采用金屬材質(zhì)的液壓缸，其質(zhì)量一直保持在一個非常高的位置。通過采用碳纖維復(fù)合材料制造筒體承載層，金屬內(nèi)襯材料作為耐磨、防油滲層，液壓缸能夠極大地減少質(zhì)量。帶有金屬內(nèi)襯的液壓缸筒體

　　

　　如圖 2 ( a) 所示。基于上述結(jié)構(gòu)，1985 年，日本萱場工業(yè)研制出只能承受 7 MPa 正常壓力的碳纖維液壓缸筒體，隨后將管 道 與 筒 體 一 體 成 型， 其 耐 壓 力 提 高 到14MPa。2013 年，派克公司就可以供貨碳纖維復(fù)合材料液壓缸，其工作壓 力可達30MPa，質(zhì)量減少60%，幾款超輕液壓缸如圖2(b)所示，其中圖2(b)右下角所示液壓缸為Lightraulics S－系列，工作壓力可達70MPa，質(zhì)量為248kg。H?nchen公司在2015年自主研發(fā)了金屬材料與CFK 碳纖維增強合成的材料，稱之為H－CFK，利用該材料制造了碳纖維液壓缸如圖2(c) 所示。Polygon公司研發(fā)出了碳纖維復(fù)合材料液壓缸產(chǎn)品－Polyside，如圖2(d)所 示，該液壓缸能在300psig ( 約2MPa) 壓力下，脈沖次數(shù)可達520萬次; 針對缸筒與缸蓋材質(zhì)的不同，設(shè)計出了“捕獲式”裝配、壓 力裝配、內(nèi)嵌型裝配、復(fù)合桿裝配、連接桿裝配等方式。

　　

　

　　

　　國內(nèi)左美燕對液壓缸輕量化進行了開發(fā)，不同于采用合金材料27SiMn，而是采用20MnTiB合金為缸筒內(nèi)襯，以纏繞工藝制作碳纖維復(fù)合材料筒體，但是并未見產(chǎn)品實物。哈玻院的孟玲宇等制造帶有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料液壓缸，如圖2(e)所示，筒體的金屬內(nèi)襯先由機加工而成，通過纏繞工藝將復(fù)合材料與之結(jié)合，內(nèi)襯采用珩磨保證內(nèi)表面光潔度。與理論上金屬液壓

　　

　　缸相比，質(zhì)量減輕了 45%，但其具體性能參數(shù)并未見詳細報道。

　　

　　汪志南等從材料鋪層角度方面研究，對復(fù)合材料液壓缸結(jié)構(gòu)進行了開發(fā)，金屬內(nèi)襯式筒體結(jié)構(gòu)同樣被提出，構(gòu)建筒體的力學(xué)模型，利用ABAQUS有限元軟件對筒體進行強度校核，分析表明: 金屬內(nèi)襯碳纖維筒體減重可以達到45. 8%，增加環(huán)向鋪層可以有效提高缸筒內(nèi)壓承載能力。

　　

　　浙大張軍輝團隊提出的具有聯(lián)接結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料缸筒，其特點是有一端可以拆卸，方便更換; 其原型機缸內(nèi)徑為50mm，缸桿直徑為28mm，缸長度為745mm，最大工作壓力可達37. 5MPa，結(jié)構(gòu)如圖2(f)所示。

　　

　　意大利布雷西亞大學(xué)的 SOLAZZI 教授及其團隊針對起重設(shè)備上的液壓缸進行了一系列研究:

　　

　　(1) 針對由鋁合金內(nèi)襯及復(fù)合材料筒體制成高壓液壓缸進行可行性研究，對復(fù)合材料液壓缸進行分析，對比傳統(tǒng)鋼材液壓缸，其減重高達80%以上，但其液壓缸承載層為玻璃纖維復(fù)合材料制成，僅用應(yīng)變儀測得缸筒外表面應(yīng)變，并且密封性能也無法得知。

　　

　　(2)在其后的研究中以最大工作壓力為約束目標，對起重設(shè)計液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)液壓缸設(shè)計尺寸。

　　

　　(3) 從選材( 結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、鋁合金和復(fù)合材料)到結(jié)構(gòu)(可伸縮式液壓缸)分析，質(zhì)量減重96%，早在2010年，布雷西亞大學(xué)就對伸縮式液壓缸可能發(fā)生失穩(wěn)而進行屈曲試驗分析。

　　

　　(4) 采用鋁合金(7075 T6)與碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料設(shè)計出液壓缸，從理論上進行有限元分析，圖3所示為碳纖維筒體剖視圖。

　　

　

　　

　　(5) 經(jīng)過相關(guān)研究后，對不同材料液壓缸疲勞性能進行測試，結(jié)果表明: 復(fù)合材料液壓缸靜態(tài)疲勞性能與標準鋼制成的液壓缸靜態(tài)疲勞性能相當(dāng)。康科迪亞復(fù)合材料中心機械與工業(yè)工程系ＲOUHI等提出變剛度的復(fù)合材料液壓缸筒體，如圖4所示，理論上與準各向同性缸體相比，屈服強度提升28%，實際測試后，其剛度提升了18.5%。上述研究中盡管從結(jié)構(gòu)設(shè)計、部分實物試驗等方面進行了研究，但許多研究仍處于理論研究階段，需要實物及相關(guān)試驗對比。

　　

　　

　　

　　

　　

　　1. 2 涂層內(nèi)襯復(fù)合材料液壓缸筒體

　　

　　金屬內(nèi)襯與復(fù)合材料一體作為缸體是目前碳纖維液壓缸設(shè)計的常用方式之一，但是液壓缸使用時，由于材料的力學(xué)性能不同和長期往復(fù)使用，會導(dǎo)致材料之間出現(xiàn)臨界失效應(yīng)力。為此， SCHOLZ 和KＲOLL采用改性后加入納米Al2O3和SiO2的環(huán)氧膠來替代金屬內(nèi)襯層，如圖5所示。當(dāng)在頻率為0. 4Hz、初始壓力為35MPa的條件下，循環(huán)工作超5000次后，表面粗糙度由1. 5μm下降到0. 29μm，其優(yōu)異的耐磨性及耐化學(xué)性使液壓缸工作壽命得到提升。

　　

　　1. 3 全復(fù)合材料液壓缸筒體

　　

　　

　　

　　武漢理工大學(xué)周祖德等提及一種全復(fù)材的液壓缸專利，沒有實物圖進行對比，性能參數(shù)也未見報道。

　　

　　李正鳳揭示出一體成型液壓缸存在無法修理、易報廢等問題，提出可更換復(fù)合材料液壓缸，但其密封性能有待測試、承壓能力受限。弗羅茨瓦夫理工大學(xué)LUBECKI團隊研制的液壓缸樣機如圖6所示，在2008年LUBECKI曾就復(fù)合材料液壓問題進行討論，討論內(nèi)容主要涉及液壓缸由金屬到全復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變，采用復(fù)材替代金屬后其密封性能及摩擦副的變化。

　　

　　國內(nèi)外研究者均對碳纖維復(fù)合材料液壓缸進行設(shè)計分析，表明當(dāng)前液壓缸由金屬材料向碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)變的可行性。在此基礎(chǔ)之上，仍然需要進行大量的工藝試驗驗證諸如密封、疲勞、泄漏、沖擊等性能。

　　

　　2 碳纖維復(fù)合材料液壓缸筒體制造工藝

　　

　　2. 1 纖維纏繞成型工藝

　　

　　復(fù)合材料制造成型工藝主要有: 手糊成型、模壓成型、ＲTM成型和纏繞成型等。目前機械化程度相對較高的是纏繞成型。對于復(fù)合材料液壓缸筒體，其產(chǎn)品形狀接近圓柱形，制造方式一般是通過纖維纏繞成型工藝完成。纏繞成型工藝分為纖維纏繞和布帶纏繞2類:

　　

　　（1) 纖維纏繞。纖維纏繞成型工藝是將連續(xù)纖維 ( 碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等) 按設(shè)計線型纏繞在芯模上，按照設(shè)計角度，繞到所需厚度后，再固化、脫模得到制品。纖維纏繞有濕法和干法 2 種: 濕法纏繞是在纏繞前使用樹脂浸潤纖維后在芯模上連續(xù)地纏繞，形成纖維纏繞的復(fù)合材料結(jié)構(gòu); 干法是將浸膠后的纖維加熱預(yù)固化，收卷上盤待用，纏繞時再加熱軟化纏繞到芯模上。

　　

　　(2) 布帶纏繞。布帶纏繞成型工藝所用的預(yù)浸帶通常在臥式浸膠機上進行制備，膠液一般是一定濃度的樹脂酒精溶液，碳纖維布 ( 或玻璃布等) 經(jīng)熱處理爐后，通過浸膠槽浸漬膠液，浸漬時間因織物厚度不同而有所差別，通過牽引速度來控制浸漬時間，然后經(jīng)烘干爐烘干，使浸膠布達到一定質(zhì)量指標，最后裁減、卷盤。成型工藝上與纖維干法纏繞成型類似，預(yù)浸帶在加熱和施加張力的條件下，按設(shè)計線性纏到芯模上，纏到設(shè)計厚度后，裝入真空袋，真空固化成坯，抽真空、固化成型，固化過程需用熱壓罐提供溫度和壓力，最后再機加工外形輪廓。對比纖維纏繞成型工藝，布帶纏繞的纖維織物可以是平紋、斜紋、緞紋、人字紋等形式，或者是定向纖維帶、專用針織帶，以滿足纏繞工藝的特殊要求。纏繞制品還具有材質(zhì)均勻、強度高、質(zhì)量穩(wěn)定、內(nèi)型面尺寸精確等優(yōu)點。所以液壓缸制造過程當(dāng)中，纏繞成型工藝是影響制造液壓缸的主要因素。纏繞成型過程當(dāng)中纏繞張力和纏繞角度對產(chǎn)品性能影響較大，針對這一問題，已經(jīng)有學(xué)者進行了研究，具體如下。南京工業(yè)大學(xué)的陳亮等人研究了纏繞張力和纏繞角度對于筒體性能的影響，纏繞張力在30～100內(nèi)，無論纏繞角度為±55°、±75°還是90°，其拉伸強度均與纏繞張力呈二次關(guān)系，拉伸強度也在90°纏繞時最大。航天材料及工藝研究所林松等人研究纏繞張力(50～ 90 N)對帶金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的影響，結(jié)果表明，不同張力下，其拉伸強度也同樣呈現(xiàn)二次關(guān)系，其疲勞性能也與纏繞張力有關(guān)。寧波曙翔張雄軍團隊也分析過制造成型過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)－結(jié)構(gòu)性能的耦合關(guān)系，仿真研究揭示纏繞設(shè)計參數(shù)與工藝參數(shù)對液壓缸尺寸精度和力學(xué)性能的影響規(guī)律。NASEVA等研究纏繞成型中角度對所制成的管材力學(xué)性能的影響，以10°、45°和90°的纏繞角度進行了試驗，發(fā)現(xiàn)拉伸強度與纏繞角度關(guān)系較大，其中以90°纏繞拉伸強度最大。MEＲTINY等的研究也曾指明不同角度纏繞方式結(jié)合所制成產(chǎn)品性能最優(yōu)異。GENG等從理論分析不同纏繞角成型的碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料筒體，以Tsai－Wu準則為基礎(chǔ)，找到了最優(yōu)纏繞角序列。試驗結(jié)果說明: 纏繞角度變化過小會導(dǎo)致整個筒體強度不均勻，對于厚的碳纖維筒體而言，無論怎么改變纏繞角度都不能得到強度均勻的產(chǎn)品。從以上研究可以看出，纏繞張力對產(chǎn)品性能有一定的影響，張力過小時，纏繞過程中纖維與樹脂界面結(jié)合疏松，與內(nèi)襯界面性能弱化，多余的樹脂會造成富樹脂層; 張力過大會導(dǎo)致纖維受損。因此，在纏繞過程中選擇合適的張力是制造產(chǎn)品的關(guān)鍵因素之一。而纏繞角度及比例需根據(jù)產(chǎn)品實際情況進行確定。

　　

　　2. 2 拉擠成型工藝

　　

　　拉擠成型工藝是連續(xù)生產(chǎn)線性復(fù)合材料制品的一種工藝方法，以樹脂作為基體材料，纖維、織物作為增強材料，在外力的牽引下，過導(dǎo)紗器和預(yù)成型模后，經(jīng)過樹脂浸漬、預(yù)成型、熱模固化、定長切割，最后形成連續(xù)型規(guī)整截面制品的工藝過程。拉擠成型是已知復(fù)合材料成型工藝中纖維含量最高的，因此產(chǎn)品具有拉伸強度高(可以和同規(guī)格鋼鐵的拉伸性能相媲美) 、長度任意定、耐腐蝕、表面效果好、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點。基于拉擠成型工藝，法國凡爾賽大學(xué)系統(tǒng)工程實驗室的ELASSWAD等，以膝關(guān)節(jié)為例，制作了碳

　　

　　纖維復(fù)合材料缸筒，首先利用遺傳算法對碳纖維液壓缸參數(shù)進行了優(yōu)化，隨后利用優(yōu)化后的參數(shù)進行制造，選用的纖維角度為0°、35°、90°，活塞桿只使用0°，整體結(jié)構(gòu)包括拉桿式和膠接式。

　　

　　3 復(fù)合材料液壓缸未來方向

　　

　　無論是從產(chǎn)品性能質(zhì)量還是可持續(xù)發(fā)展的角度看，液壓缸設(shè)備輕量化技術(shù)是未來的主要發(fā)展方向。文中指出從設(shè)計液壓缸結(jié)構(gòu)出發(fā)，理論計算結(jié)果基本滿足液壓缸力學(xué)性能，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與金屬部件連接裝配時，會出現(xiàn)裝配失準、部件的可替換等問題。為了克服以上這些問題，后續(xù)研究方向可以概括為以下幾點:

　　

　　(1) 裝配及標準化。復(fù)合材料液壓缸筒體在與其他部件裝配之前，需要進行精磨，保證各個部件配合公差; 另外無論國內(nèi)還是國外每個公司所生產(chǎn)的配合件都沒有統(tǒng)一標準，因此復(fù)合材料液壓缸部件標準化是產(chǎn)品可替換的前提。

　　

　　(2) 制造技術(shù)。纏繞工藝成型作為筒體成型常用方式，其技術(shù)中各個參數(shù)對于產(chǎn)品制造的影響是顯著的，但是如何利用各個參數(shù)來綜合評價液壓缸性能，這是后續(xù)應(yīng)該繼續(xù)研究的方向。

　　

　　4 結(jié)論

　　

　　文中從復(fù)合材料液壓缸結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹國內(nèi)外金屬內(nèi)襯式液壓缸筒體、非金屬內(nèi)襯式液壓缸筒體及全復(fù)材液壓缸筒體的特點，概括了液壓缸筒體輕量化研究現(xiàn)狀，隨后闡述了液壓缸筒體制造工藝主流為纏繞成型，說明工藝參數(shù)對于產(chǎn)品的影響，最后展望了復(fù)合材料液壓缸進一步的發(fā)展方向。國內(nèi)外復(fù)合材料液壓缸筒體研究發(fā)展歷程說明:復(fù)合材料液壓缸輕量化技術(shù)潛力高、可設(shè)計性強，金屬內(nèi)襯式液壓缸筒體是目前研究最多的結(jié)構(gòu)方式，已有的研究表明金屬內(nèi)襯的厚度減薄，復(fù)合材料筒體質(zhì)量能夠進一步減輕。另外，隨著新材料的發(fā)展，內(nèi)襯可以被非金屬材料替代，這些將進一步輔助復(fù)合材料液壓缸的發(fā)展。