碳纤维复合材料液压缸筒体研究进展

　　

　　碳纤维复合材料作为轻量化技术的关键材料之一，是以碳纤维作为主要增强体，与聚合物基体一起组成轻质、高强材料，与传统金属材料相比，具有卓越的机械性能、更高的抗腐蚀性能，目前它在轻量化领域已有取代传统材料趋势。截至2020年为止，碳纤维复合材料产量接近17万吨。随着大批量碳纤维复合材料产品的出现，复合材料工艺日趋成熟，为实现轻量化液压缸制造提供了基础。

　　

　　针对传统液压缸 (金属材料) 向碳纤维复合材料液压缸转变，本文作者从碳纤维复合材料液压缸筒体结构设计方面出发，阐述国内外碳纤维复合材料液压缸筒体设计研究现状，表明碳纤维液压缸筒体设计参数对液压缸性能的影响; 其后通过对缠绕成型制作液压缸筒体技术综述，说明工艺参数对产品性能的影响规律; 最后对复合材料液压缸缸体、液压缸设计参数如何影响液压缸性能，及缠绕成型工艺参数对液压缸制造发展的指导进行了展望。

　　

　　1.碳纤维复合材料液压缸筒研究现状

　　

　　液压缸作为液压系统的核心零件之一，其作用举足轻重，传统液压缸主要是由缸头、缸盖、缸筒、活塞、活塞杆以及密封件组合而成，如图1所示。

　　

　　

　　

　　现阶段，液压缸筒体主要由全金属制造而成，国内外已有许多研究成果，而在液压缸产业不断升级过程中，轻量化液压缸方向映入研究者的眼中。液压缸筒体采用碳纤维复合材料替代传统金属材料是升级的一种有效方式，其余部件仍主要使用金属材料。目前碳纤维复合材料液压缸筒体结构主要有2种: 一种是在加工好的金属材料内衬外进行纤维铺放成型; 另一种是在成型好的碳纤维复合材料筒体内表面喷涂涂层。

　　

　　1. 1 金属内衬复合材料液压缸筒体

　　

　　整体采用金属材质的液压缸，其质量一直保持在一个非常高的位置。通过采用碳纤维复合材料制造筒体承载层，金属内衬材料作为耐磨、防油渗层，液压缸能够极大地减少质量。带有金属内衬的液压缸筒体

　　

　　如图 2 ( a) 所示。基于上述结构，1985 年，日本萱场工业研制出只能承受 7 MPa 正常压力的碳纤维液压缸筒体，随后将管 道 与 筒 体 一 体 成 型， 其 耐 压 力 提 高 到14MPa。2013 年，派克公司就可以供货碳纤维复合材料液压缸，其工作压 力可达30MPa，质量减少60%，几款超轻液压缸如图2(b)所示，其中图2(b)右下角所示液压缸为Lightraulics S－系列，工作压力可达70MPa，质量为248kg。H?nchen公司在2015年自主研发了金属材料与CFK 碳纤维增强合成的材料，称之为H－CFK，利用该材料制造了碳纤维液压缸如图2(c) 所示。Polygon公司研发出了碳纤维复合材料液压缸产品－Polyside，如图2(d)所 示，该液压缸能在300psig ( 约2MPa) 压力下，脉冲次数可达520万次; 针对缸筒与缸盖材质的不同，设计出了“捕获式”装配、压 力装配、内嵌型装配、复合杆装配、连接杆装配等方式。

　　

　

　　

　　国内左美燕对液压缸轻量化进行了开发，不同于采用合金材料27SiMn，而是采用20MnTiB合金为缸筒内衬，以缠绕工艺制作碳纤维复合材料筒体，但是并未见产品实物。哈玻院的孟玲宇等制造带有金属内衬的复合材料液压缸，如图2(e)所示，筒体的金属内衬先由机加工而成，通过缠绕工艺将复合材料与之结合，内衬采用珩磨保证内表面光洁度。与理论上金属液压

　　

　　缸相比，质量减轻了 45%，但其具体性能参数并未见详细报道。

　　

　　汪志南等从材料铺层角度方面研究，对复合材料液压缸结构进行了开发，金属内衬式筒体结构同样被提出，构建筒体的力学模型，利用ABAQUS有限元软件对筒体进行强度校核，分析表明: 金属内衬碳纤维筒体减重可以达到45. 8%，增加环向铺层可以有效提高缸筒内压承载能力。

　　

　　浙大张军辉团队提出的具有联接结构的碳纤维复合材料缸筒，其特点是有一端可以拆卸，方便更换; 其原型机缸内径为50mm，缸杆直径为28mm，缸长度为745mm，最大工作压力可达37. 5MPa，结构如图2(f)所示。

　　

　　意大利布雷西亚大学的 SOLAZZI 教授及其团队针对起重设备上的液压缸进行了一系列研究:

　　

　　(1) 针对由铝合金内衬及复合材料筒体制成高压液压缸进行可行性研究，对复合材料液压缸进行分析，对比传统钢材液压缸，其减重高达80%以上，但其液压缸承载层为玻璃纤维复合材料制成，仅用应变仪测得缸筒外表面应变，并且密封性能也无法得知。

　　

　　(2)在其后的研究中以最大工作压力为约束目标，对起重设计液压缸结构尺寸参数进行优化，得到最优液压缸设计尺寸。

　　

　　(3) 从选材( 结构钢、不锈钢、铝合金和复合材料)到结构(可伸缩式液压缸)分析，质量减重96%，早在2010年，布雷西亚大学就对伸缩式液压缸可能发生失稳而进行屈曲试验分析。

　　

　　(4) 采用铝合金(7075 T6)与碳纤维环氧树脂复合材料设计出液压缸，从理论上进行有限元分析，图3所示为碳纤维筒体剖视图。

　　

　

　　

　　(5) 经过相关研究后，对不同材料液压缸疲劳性能进行测试，结果表明: 复合材料液压缸静态疲劳性能与标准钢制成的液压缸静态疲劳性能相当。康科迪亚复合材料中心机械与工业工程系ＲOUHI等提出变刚度的复合材料液压缸筒体，如图4所示，理论上与准各向同性缸体相比，屈服强度提升28%，实际测试后，其刚度提升了18.5%。上述研究中尽管从结构设计、部分实物试验等方面进行了研究，但许多研究仍处于理论研究阶段，需要实物及相关试验对比。

　　

　　

　　

　　

　　

　　1. 2 涂层内衬复合材料液压缸筒体

　　

　　金属内衬与复合材料一体作为缸体是目前碳纤维液压缸设计的常用方式之一，但是液压缸使用时，由于材料的力学性能不同和长期往复使用，会导致材料之间出现临界失效应力。为此， SCHOLZ 和KＲOLL采用改性后加入纳米Al2O3和SiO2的环氧胶来替代金属内衬层，如图5所示。当在频率为0. 4Hz、初始压力为35MPa的条件下，循环工作超5000次后，表面粗糙度由1. 5μm下降到0. 29μm，其优异的耐磨性及耐化学性使液压缸工作寿命得到提升。

　　

　　1. 3 全复合材料液压缸筒体

　　

　　

　　

　　武汉理工大学周祖德等提及一种全复材的液压缸专利，没有实物图进行对比，性能参数也未见报道。

　　

　　李正凤揭示出一体成型液压缸存在无法修理、易报废等问题，提出可更换复合材料液压缸，但其密封性能有待测试、承压能力受限。弗罗茨瓦夫理工大学LUBECKI团队研制的液压缸样机如图6所示，在2008年LUBECKI曾就复合材料液压问题进行讨论，讨论内容主要涉及液压缸由金属到全复合材料的转变，采用复材替代金属后其密封性能及摩擦副的变化。

　　

　　国内外研究者均对碳纤维复合材料液压缸进行设计分析，表明当前液压缸由金属材料向碳纤维复合材料转变的可行性。在此基础之上，仍然需要进行大量的工艺试验验证诸如密封、疲劳、泄漏、冲击等性能。

　　

　　2 碳纤维复合材料液压缸筒体制造工艺

　　

　　2. 1 纤维缠绕成型工艺

　　

　　复合材料制造成型工艺主要有: 手糊成型、模压成型、ＲTM成型和缠绕成型等。目前机械化程度相对较高的是缠绕成型。对于复合材料液压缸筒体，其产品形状接近圆柱形，制造方式一般是通过纤维缠绕成型工艺完成。缠绕成型工艺分为纤维缠绕和布带缠绕2类:

　　

　　（1) 纤维缠绕。纤维缠绕成型工艺是将连续纤维 ( 碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等) 按设计线型缠绕在芯模上，按照设计角度，绕到所需厚度后，再固化、脱模得到制品。纤维缠绕有湿法和干法 2 种: 湿法缠绕是在缠绕前使用树脂浸润纤维后在芯模上连续地缠绕，形成纤维缠绕的复合材料结构; 干法是将浸胶后的纤维加热预固化，收卷上盘待用，缠绕时再加热软化缠绕到芯模上。

　　

　　(2) 布带缠绕。布带缠绕成型工艺所用的预浸带通常在卧式浸胶机上进行制备，胶液一般是一定浓度的树脂酒精溶液，碳纤维布 ( 或玻璃布等) 经热处理炉后，通过浸胶槽浸渍胶液，浸渍时间因织物厚度不同而有所差别，通过牵引速度来控制浸渍时间，然后经烘干炉烘干，使浸胶布达到一定质量指标，最后裁减、卷盘。成型工艺上与纤维干法缠绕成型类似，预浸带在加热和施加张力的条件下，按设计线性缠到芯模上，缠到设计厚度后，装入真空袋，真空固化成坯，抽真空、固化成型，固化过程需用热压罐提供温度和压力，最后再机加工外形轮廓。对比纤维缠绕成型工艺，布带缠绕的纤维织物可以是平纹、斜纹、缎纹、人字纹等形式，或者是定向纤维带、专用针织带，以满足缠绕工艺的特殊要求。缠绕制品还具有材质均匀、强度高、质量稳定、内型面尺寸精确等优点。所以液压缸制造过程当中，缠绕成型工艺是影响制造液压缸的主要因素。缠绕成型过程当中缠绕张力和缠绕角度对产品性能影响较大，针对这一问题，已经有学者进行了研究，具体如下。南京工业大学的陈亮等人研究了缠绕张力和缠绕角度对于筒体性能的影响，缠绕张力在30～100内，无论缠绕角度为±55°、±75°还是90°，其拉伸强度均与缠绕张力呈二次关系，拉伸强度也在90°缠绕时最大。航天材料及工艺研究所林松等人研究缠绕张力(50～ 90 N)对带金属内衬复合材料气瓶的影响，结果表明，不同张力下，其拉伸强度也同样呈现二次关系，其疲劳性能也与缠绕张力有关。宁波曙翔张雄军团队也分析过制造成型过程的关键工艺参数－结构性能的耦合关系，仿真研究揭示缠绕设计参数与工艺参数对液压缸尺寸精度和力学性能的影响规律。NASEVA等研究缠绕成型中角度对所制成的管材力学性能的影响，以10°、45°和90°的缠绕角度进行了试验，发现拉伸强度与缠绕角度关系较大，其中以90°缠绕拉伸强度最大。MEＲTINY等的研究也曾指明不同角度缠绕方式结合所制成产品性能最优异。GENG等从理论分析不同缠绕角成型的碳纤维和玻璃纤维复合材料筒体，以Tsai－Wu准则为基础，找到了最优缠绕角序列。试验结果说明: 缠绕角度变化过小会导致整个筒体强度不均匀，对于厚的碳纤维筒体而言，无论怎么改变缠绕角度都不能得到强度均匀的产品。从以上研究可以看出，缠绕张力对产品性能有一定的影响，张力过小时，缠绕过程中纤维与树脂界面结合疏松，与内衬界面性能弱化，多余的树脂会造成富树脂层; 张力过大会导致纤维受损。因此，在缠绕过程中选择合适的张力是制造产品的关键因素之一。而缠绕角度及比例需根据产品实际情况进行确定。

　　

　　2. 2 拉挤成型工艺

　　

　　拉挤成型工艺是连续生产线性复合材料制品的一种工艺方法，以树脂作为基体材料，纤维、织物作为增强材料，在外力的牵引下，过导纱器和预成型模后，经过树脂浸渍、预成型、热模固化、定长切割，最后形成连续型规整截面制品的工艺过程。拉挤成型是已知复合材料成型工艺中纤维含量最高的，因此产品具有拉伸强度高(可以和同规格钢铁的拉伸性能相媲美) 、长度任意定、耐腐蚀、表面效果好、导热系数低等特点。基于拉挤成型工艺，法国凡尔赛大学系统工程实验室的ELASSWAD等，以膝关节为例，制作了碳

　　

　　纤维复合材料缸筒，首先利用遗传算法对碳纤维液压缸参数进行了优化，随后利用优化后的参数进行制造，选用的纤维角度为0°、35°、90°，活塞杆只使用0°，整体结构包括拉杆式和胶接式。

　　

　　3 复合材料液压缸未来方向

　　

　　无论是从产品性能质量还是可持续发展的角度看，液压缸设备轻量化技术是未来的主要发展方向。文中指出从设计液压缸结构出发，理论计算结果基本满足液压缸力学性能，当碳纤维复合材料与金属部件连接装配时，会出现装配失准、部件的可替换等问题。为了克服以上这些问题，后续研究方向可以概括为以下几点:

　　

　　(1) 装配及标准化。复合材料液压缸筒体在与其他部件装配之前，需要进行精磨，保证各个部件配合公差; 另外无论国内还是国外每个公司所生产的配合件都没有统一标准，因此复合材料液压缸部件标准化是产品可替换的前提。

　　

　　(2) 制造技术。缠绕工艺成型作为筒体成型常用方式，其技术中各个参数对于产品制造的影响是显着的，但是如何利用各个参数来综合评价液压缸性能，这是后续应该继续研究的方向。

　　

　　4 结论

　　

　　文中从复合材料液压缸结构出发，介绍国内外金属内衬式液压缸筒体、非金属内衬式液压缸筒体及全复材液压缸筒体的特点，概括了液压缸筒体轻量化研究现状，随后阐述了液压缸筒体制造工艺主流为缠绕成型，说明工艺参数对于产品的影响，最后展望了复合材料液压缸进一步的发展方向。国内外复合材料液压缸筒体研究发展历程说明:复合材料液压缸轻量化技术潜力高、可设计性强，金属内衬式液压缸筒体是目前研究最多的结构方式，已有的研究表明金属内衬的厚度减薄，复合材料筒体质量能够进一步减轻。另外，随着新材料的发展，内衬可以被非金属材料替代，这些将进一步辅助复合材料液压缸的发展。