CN101705961B - 一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料连接技术，具体涉及一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间通过胶接和机械连接相结合，机械连接包括销键连接和螺钉连接；主体结构与法兰的连接部位也可以通过纤维缠绕复合材料增厚。采本发明的连接方法，其胶接结构具有一定的变形能力，减少了连接部位的应力集中问题，胶接和机械连接相结合增加了连接部位的强度和抗变形能力，实现扭转、拉、压载荷的平稳传递，可有效解决缠绕成型复合材料传动轴的可靠性连接问题，推动复合材料作为传动轴主体结构材料在更广领域的应用。

Description

一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料连接技术，特别是一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法。
背景技术
缠绕成型复合材料传动轴广泛应用于工程机械、风力发电、机车和船舶推进装置等各个领域，复合材料传动轴与传统的金属传动轴相比重量轻，耐腐蚀，振动衰减大、噪声低，不导磁，免维护，应用于较长轴系时，可减少支撑轴承数量，同时还具有较强的位移补偿功能。复合材料传动轴在实际应用时，如何实现轴系扭转、拉、压载荷的平稳传递，复合材料传动轴缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间的连接结构设计至关重要。复合材料与金属之间的连接主要分为机械连接、胶接和混合连接三种类型，由于复合材料传动轴的承载较为复杂，采用某种单一连接方式通常难以保障传动轴长期稳定传递载荷的要求，例如风力发电用复合材料传动轴采用胶接方式与金属传动机构相连，长期使用后经常发生胶层破坏、脱落的现象。另外纤维缠绕复合材料材质较脆且各向异性，采取机械连接容易导致连接部位的应力集中，降低连接效率。因此就需要设计一种连接更可靠，操作简便，适合缠绕成型复合材料传动轴的连接方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，用于缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰连接装配时，降低连接部位的应力集中，增强连接部位的抗变形能力，实现轴系扭转、拉、压载荷的平稳传递的技术问题；本发明进一步解决的技术问题是解决缠绕成型复合材料传动轴的可靠性和稳定性连接问题，从而推动复合材料作为传动轴主体结构材料在工程机械、风力发电、机车和船舶推进装置等领域更为广泛的应用。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，特征在于：复合材料传动轴缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间通过胶接和机械连接相结合，机械连接包括销键连接和螺钉连接。胶接结构具有一定的韧性和变形补偿能力，不仅降低了连接部位应力集中的现象，同时胶接和机械连接并用的方式增强了连接部位的强度和抗变形能力，实现轴系扭转、拉、压载荷的平稳传递。
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，所述的缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰的连接部位通过纤维缠绕增厚，以达到局部补强和环向约束的作用。
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，所述的机械连接为销键连接，缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的连接部位设计为长方体键槽、圆柱体键槽或椭圆柱体键槽结构，连接销键设计数量为1～10个。
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，所述的机械连接为螺钉连接，缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的连接部位分别设计对应的连接孔，连接孔可以预先制作或配钻；连接孔加工方法可采用丝孔或过孔；连接孔结构可以是通孔或盲孔；连接螺钉数量为1～30个。
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，所述的缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间为销键连接时，胶接和销键连接并用的装配过程为：首先采用丙酮或其他有机溶剂清洗除去缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰粘接面的污物，对复合材料粘接面进行打磨，对金属粘接面进行喷砂，使之具有一定的粗糙度；之后将胶粘剂均匀涂覆在粘接面及金属销键表面，并控制胶粘剂的厚度和均匀性；最后将销键安装粘接到复合材料键槽内，将金属法兰按键槽方向与复合材料结构装配，并通过金属挡环与法兰螺钉连接方式锁紧销键。上述技术方案进一步具体的技术方案是：所述的缠绕成型复合材料传动轴主体结构与金属法兰胶接采用韧性环氧树脂结构胶粘剂，选用的胶粘剂应满足如下技术要求：室温下可操作时间大于60min；铝-铝剪切强度大于35MPa，湿热老化30天后剪切强度大于25MPa；铝-铝浮辊剥离强度大于5KN/m；固化制度为室温固化24h或85℃固化2h。
本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，所述的缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间为螺钉连接时，胶接和螺钉连接并用的装配过程为：首先采用丙酮或其它有机溶剂清洗除去缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的粘接面的污物，对粘接面进行打磨或喷砂使粘接表面得到一定的粗糙度；其次采用胶粘剂对缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的粘接面进行粘接，并控制胶粘剂的厚度和均匀性；然后采用钻孔、扩孔、铰孔等工序对缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰螺钉连接位置进行配钻；最后将胶粘剂均匀涂覆在销钉或螺钉以及孔侧壁上，借助外力将涂抹胶粘剂的销钉压入孔中或采用螺钉装入装配孔中。上述技术方案进一步具体的技术方案是：所述的缠绕成型复合材料传动轴主体结构与金属法兰胶接采用韧性环氧树脂结构胶粘剂，选用的胶粘剂应满足如下技术要求：室温下可操作时间大于60min；铝-铝剪切强度大于35MPa，湿热老化30天后剪切强度大于25MPa；铝-铝浮辊剥离强度大于5KN/m；固化制度为室温固化24h或85℃固化2h。
上述的技术方案也可以根据实际情况组合或者结合，从而达到更好的技术效果。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
采用本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，其胶接结构具有一定的变形补偿能力，不仅降低了连接部位应力集中的现象，同时胶接和机械连接并用的方式增强了连接部位的强度和抗变形能力，实现轴系扭转、拉、压载荷的平稳传递，可有效解决缠绕成型复合材料传动轴的可靠性连接问题，推动复合材料作为传动轴主体结构材料在更广领域的应用，具有显著的军事效益和经济效益。
附图说明
图1和图2是本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法中复合材料传动轴的销键连接和胶接连接结合示意图。
图3和图4是本发明的一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法中复合材料传动轴的螺钉连接和胶接连接结合示意图。
图中，1、复合材料传动轴；2、金属法兰；3、金属销键；4、连接螺钉；5和6、销键锁紧结构；7、轴系连接螺钉；8、复合材料与法兰连接螺钉。
具体实施方式
实施例1
某风力发电设备用复合材料传动轴总长600mm，由一段长480mm玻璃纤维增强树脂基复合材料中空管与两端金属法兰连接装配而成，复合材料管中间段外径235mm，壁厚15mm，轴与法兰连接段长95mm，原有产品采用胶接方式将复合材料轴与金属法兰连接，现采用如下连接方案。
(1)连接结构总体设计
该传动轴复合材料结构与两端金属法兰之间的连接采用本专利设计的销键连接和胶接方案实施，以保障推力和扭矩的平稳、可靠传递。
(2)缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间的连接结构设计
缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的连接部位设计为圆柱键槽结构，采用45钢圆柱销键连接。经过强度计算，设计采用2个Φ20mm×50mm金属销键连接，复合材料和法兰键槽均为Φ10mm，连接示意图如图1所示。
(3)缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间的连接装配
首先采用丙酮清洗、除去缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰粘接面的污物，复合材料粘接面采用120#砂纸打磨，对金属粘接面进行喷砂处理，使之具有一定的粗糙度；其次将北京航通州科技有限公司E-2019双组份环氧树脂结构胶粘剂均匀涂覆在粘接面及圆柱销键表面，并控制胶粘剂的厚度和均匀性；将销键放入复合材料键槽内，将金属法兰按键槽方向推入销键中，与复合材料结构装配，最后将金属档环与法兰上紧，锁紧销键。
(4)效果比较
采用本专利设计销键连接和胶接方案制作的风力发电设备用复合材料传动轴与原有产品相比，传动最大扭矩由原来的18kN·m提高至35kN·m，增大了产品的安全系数。原有产品在高寒地区使用1～2年后，由于胶粘剂在低温环境下韧性降低，部分产品连接部位发生脆性断裂，采用本专利设计的连接方式，可保证该产品正常使用5年以上。
实施例2
某船舶用复合材料中间轴总长1200mm，由一段长1100mm碳纤维增强树脂基复合材料中空管与两端金属法兰连接装配而成，复合材料管中间段外径280mm，壁厚18mm，轴与法兰连接段长95mm。原有设计复合材料轴与金属法兰采用螺钉机械连接，现采用如下连接方案。
(1)连接结构总体设计
该传动轴复合材料结构与两端金属法兰之间的连接采用本专利设计的螺钉连接和胶接方案实施，并对机械连接部位采取环向缠绕S4高强玻璃纤维复合材料进行局部补强，两端补强长度为120mm，壁厚23mm，以保障推力和扭矩的平稳、可靠传递。
(2)缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间的连接结构设计
缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的连接部位分别设计有对应的连接孔，连接孔采用丝孔，开孔位置距法兰连接段端部45mm处，连接段胶接、装配完毕后配钻。经过强度计算，设计采用3个Φ15mm×60mm金属螺钉连接，连接示意图如图2所示。
(3)缠绕成型复合材料传动轴主体结构与两端金属法兰之间的连接装配
首先采用丙酮除去缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的粘接面的污物，复合材料粘接面采用120#砂纸打磨，金属法兰粘接面进行喷砂处理，使粘接表面具有一定的粗糙度；其次北京航通州科技有限公司E-2019双组份环氧树脂结构胶粘剂对缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰的粘接面进行粘接，控制胶粘剂的厚度和均匀性；然后采用钻孔、扩孔、铰孔等工序对缠绕成型复合材料传动轴主体结构和金属法兰螺钉连接位置进行配钻；最后将胶粘剂均匀涂覆在螺钉以及孔侧壁上，借助外力将涂抹胶粘剂的螺钉旋入孔中。
(4)效果比较
采用本专利设计的螺钉连接和胶接方案制作的船舶用复合材料中间轴与原有设计相比，减少了复合材料与螺钉连接部位的应力集中，复合材料轴系传递扭矩由50kN·m提高至90kN·m，产品使用寿命由5年提高至8年，降低全寿命成本50％。

Claims (3)

1.一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，其特征在于：缠绕成型复合材料传动轴(1)主体结构与两端金属法兰(2)之间通过胶接和机械连接相结合，机械连接为销键连接；缠绕成型复合材料传动轴(1)主体结构与两端金属法兰(2)的连接部位通过纤维缠绕复合材料增厚；销键连接时胶接和销键连接并用的装配过程为：首先采用丙酮或其他有机溶剂清洗除去缠绕成型复合材料传动轴(1)主体结构和金属法兰(2)粘接面的污物，对复合材料粘接面进行打磨，对金属粘接面进行喷砂，使之具有一定的粗糙度；之后将胶粘剂均匀涂覆在粘接面及金属销键(3)表面，并控制胶粘剂的厚度和均匀性；最后将销键(3)安装粘接到复合材料键槽内，将金属法兰(2)按键槽方向与复合材料结构装配，并通过金属挡环与法兰螺钉连接方式锁紧销键。
2.根据权利要求1所述一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，其特征在于：缠绕成型复合材料传动轴(1)主体结构和金属法兰(2)的连接部位设计为长方体键槽、圆柱体键槽或椭圆柱体键槽结构，连接销键设计数量为1～10个。
3.根据权利要求1所述一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法，其特征在于：所述的缠绕成型复合材料传动轴(1)主体结构与金属法兰(2)胶接采用韧性环氧树脂结构胶粘剂，选用的胶粘剂应满足如下技术要求：室温下可操作时间大于60min；铝-铝剪切强度大于35MPa，湿热老化30天后剪切强度大于25MPa；铝-铝浮辊剥离强度大于5KN/m；固化制度为室温固化24h或85℃固化2h。
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