CN103074731B - 高性能纤维绳索的端头结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高性能纤维绳索的端头结构及其制造方法，该高性能纤维绳索的端头结构包括高性能纤维绳索的主体部分，以及由该主体部分的至少一端一体编织出来的连接接头，并在该高性能纤维绳索的连接接头上复合有基体材料，所述的基体材料是树脂、金属、碳或者陶瓷。此种结构形式的高性能纤维绳索的端头结构，连接性能优良、可靠。

Description

高性能纤维绳索的端头结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高性能纤维绳索的连接接头、连接结构与制造方法。

背景技术

传统绳索由金属、化纤或天然纤维制成，其制作、连接简单方便，是日常生活、工农业生产中最常用的材料形式之一，在现代建筑中也非常常见，如悬索桥中的悬索、张拉结构中用到的拉索等等。

绳索应用中，重要的是连接问题。一般金属绳索通过卡扣形成环眼，纤维绳索则可以直接打结，或编织成环眼，再通过环眼实现连接。

但上述绳索或者重量大，或者刚度、强度较低，或者耐高温、耐光或紫外老化性能差，或者蠕变性能差。

以碳纤维为代表的高性能纤维，如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维等，具有高比刚度、高比强度、耐温、耐老化、耐腐蚀、蠕变性能好等诸多优势，是制作高性能绳索的理想材料，也是一些特殊结构中的重要材料。但这样的纤维在绳索制作及其应用方面研究的并不充分，目前在先进结构中的应用还很少。

用碳纤维等高性能纤维制作的高性能绳索不仅可以替代已有的绳索用于各种先进结构，同时其具有的柔韧性也给应用带来了诸多便利，如方便收卷、运输和安装等。

众所周知，以碳纤维为代表的高性能纤维，在实际应用中，基本上是通过与其它种类的基体材料复合而制成复合材料的，这样的先进材料已经在航空航天、风电产业、石油钻井、汽车及运动休闲领域大量应用，甚至成为了所生产的产品的先进性的主要标志。在由高性能纤维复合材料制成的结构中，由于高性能纤维不是以纤维的形式出现，而是复合成了向钢铁一样坚韧的复合材料，因此在其结构件的连接技术上，可以采用工程上结构常用的连接方式，如粘接、铆接、螺栓连接等。

一般常用的绳索制作方式有绞股和二维编织、机织等。其中二维编织绳索具有无捻、受力均匀、承载性能好等特点，是绳索常用的制造形式，其连接方式通常是在绳索端头编织成环眼，通过环眼与其它结构件相连接。但是，多数高性能纤维虽然适合于纺织和编织，但由于其本身的高刚性，很容易折断和损伤，所以不适合于像打结、编织环眼等连接方式，否则会引起纤维严重的损伤，导致绳索性能急剧下降，这是目前影响其应用的主要障碍。

发明内容

为了解决高性能纤维绳索制作过程中和使用过程中带来的种种缺陷和问题，本发明提出了高性能纤维绳索的端头结构及其制造方法，以期从根本上解决高性能纤维绳索制作、使用中遇到的各种问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高性能纤维绳索的端头结构，其特征在于：其包括高性能纤维绳索的主体部分，以及由该主体部分的至少一端一体编织出来的连接接头。

所述的高性能纤维绳索的端头结构，该连接接头是编织扁片，该编织扁片的截面尺寸相对主体部分更扁更宽。

所述的高性能纤维绳索的端头结构，在该编织扁片上一体编织有至少一个编织孔。

所述的高性能纤维绳索的端头结构，该连接接头是编织锥形管。

所述的高性能纤维绳索的端头结构，该碳纤维绳索的主体部分和连接接头全部是三维编织物，或者全部是二维编织物，或者分别是二维编织物和三维编织物。

所述的高性能纤维绳索的端头结构，该高性能纤维绳索的连接接头上复合有基体材料，所述的基体材料是树脂、金属、碳或者陶瓷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纤维绳索的端头结构的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、编织出碳纤维绳索的主体部分；

步骤2、在该碳纤维绳索的主体部分的至少一端，通过变截面编织方法，在不减少纱线数量的情况下，直接编织出用于连接的连接接头；

步骤3、在所述的连接接头上复合基体材料，所述的基体材料是树脂、金属、碳或陶瓷，从而形成复合材料连接接头。

所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，步骤2中所述的连接接头是编织扁片，该编织扁片的截面尺寸相对主体部分更扁更宽。

所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，步骤2中，在编织上述编织扁片的过程中，还在该编织扁片上编织出至少一个编织孔。

所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，步骤2中所述的连接接头是编织锥形管，该编织锥形管的编织方法是：在需要编织连接接头之处置入一个锥形模芯，接着在该绳索的端头围绕锥形模芯进行管体编织，由于锥形模芯的成型作用，最终在绳索主体的端部一体编织出锥形连接管。

所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，在连接接头与绳索的主体部分相接处，采用加纱编织的方式实现端头结构的加强。

与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：该连接接头为一体结构，连接性能优良、可靠。

附图说明

图1A、图1B分别是矩形截面编织纤维绳索的主体部分以及一体编织有扁片形式连接接头的立体示意图；

图1C、图1D分别是编织矩形截面纤维绳索主体以及编织该绳索扁片形式编织扁片所采用的编织平台示意图；

图2A、图2B分别是圆形截面纤维绳索的主体部分及其一体编织有扁片形式连接接头的立体示意图；

图3A、图3B、图3C分别是编织孔形式的连接接头的编织过程示意图；

图3D是编织孔形式的连接接头采用软式连接的示意图；

图4A是编织圆锥管形式的连接接头的编织方法示意图；

图4B是编织圆锥管形式的连接接头的立体示意图；

图4C是编织棱锥管形式的连接接头的立体示意图；

图5A是编织扁片形式的连接接头的连接结构示意图；

图5B是编织孔形式的连接接头的螺栓连接结构示意图；

图5C是编织孔形式的连接接头的粘接+螺栓连接结构示意图；

图6A、图6B、图6C分别是编织锥形管形式的连接接头的几种连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图描述一种用三维编织方法制作高性能纤维绳索的端头结构的过程如下：

步骤1、如图1A、图2A所示，用三维编织方法制作矩形截面或圆形截面的碳纤维绳索的主体部分10。

步骤2、在碳纤维绳索的主体部分10的至少一端，通过三维编织的变截面编织方法，在不减少纱线数量的情况下，直接编织出用于连接的连接接头，所述的连接接头可以是但不限于：编织扁片21、带编织孔的编织扁片22或者编织锥形管23。

步骤2中所述的编织扁片21形式的连接接头，如图1B所示，是在绳索主体的端部一体编织出截面尺寸相对更扁更宽的编织扁片21。

举例来说，矩形截面的绳索主体部分10采用如图1C所示的4×4编织平台，编织纱线总数为20根，在需要编织连接接头的时候，停止绳索主体部分10的编织，并将编织该绳索主体部分10的编织纱锭转入到如图1D所示的2×6编织平台继续编织扁片21形式的连接接头部分，由于编织纱线的总数仍为20根，这样编织出来的编织扁片21与绳索主体部分10是一体结构。

圆形截面的碳纤维绳索的编织扁片21形状如图2B所示，编织过程同矩形截面类似，不予赘述。

步骤2中所述的带编织孔的编织扁片22形式的连接接头，其结构如图3D所示，是在绳索主体的端部一体编织出至少一个孔221，较佳的情况下，是先在绳索主体的端部一体编织出截面尺寸相对更扁更宽的编织扁片21，再在该编织扁片21上编织出至少一个孔221。

当所述的孔221的直径较大时，其具体编织方法如下：首先，如图3A所示，在绳索主体的端部一体编织出的截面尺寸相对更扁更宽的编织扁片21；并且，在编织过程中，在需要编织孔221的地方，根据孔221的大小和方向要求，插入与孔221同等大小的模芯222；接着，在编织到与模芯222发生干涉的起始位置D后，即如图3B所示，在模芯222两侧分别按照单独的编织方式进行编织；如图3C所示，待编织到与模芯222不再发生干涉的位置E后，再将两侧单独编织的两部分合并成一个整体进行编织，直至完成余下的绳索端部或编织扁片21的编织，即可形成编织孔221形式的连接接头。这样编织出来的孔221内缘具有封边。

当所述的孔221的直径较小时，在编织扁片21上编织孔的过程中，在编织到与模芯222发生干涉的位置，也可以不改变编织路径，直接绕过模芯222进行一体编织。这样编织出来的孔221内缘就没有封边。

所述的编织孔221可用于软式连接(如图3D)或者供挂钩穿过形成连接。

步骤2中所述的编织锥形管23形式的连接接头，其结构如图4A、图4B所示，是在绳索主体的端部一体编织出锥形连接管。

以编织圆锥形管形式的连接接头为例，其编织方法是：当需要编织连接接头时，将编织该绳索主体部分10的编织纱锭转入环形编织平台上，然后如图4A所示，在需要编织连接接头之处置入一个圆锥形模芯231，接着在该绳索的端头围绕圆锥形模芯222进行管体编织，由于圆锥形模芯231的成型作用，最终在绳索主体部分10的端部一体编织出圆锥形连接管，如图4B所示。

若要编织棱锥形管形式的连接接头，只要将编织该绳索主体部分10的编织纱锭转入口形编织平台上，同时将圆锥形模芯231替换为棱锥形模芯，接着在该绳索的端头围绕棱锥形模芯进行管体编织，即可得到棱锥形管形式的连接接头，如图4C所示。

上述锥形管，从主体部分10往连接接头一端的管径可以是渐扩的，也可以是渐缩的。

经过上述步骤2，该绳索已经具备初步的连接性能，但要进一步提高其连接性能，还需要接着进行下述步骤3。

步骤3、在所述的连接接头上复合基体材料，从而形成复合材料连接接头。

所述的基体材料可以是树脂，也可以是金属、碳、陶瓷或其它基体材料。

以复合树脂基体材料的方式为例，其优选采用RTM(Resin TransferMolding，树脂传递模塑成型)方式，也可以采用浸渍、浇铸等方式，这都是成熟的工艺，故其具体过程在此不予赘述。

至此，用三维编织方法一体编织并经过复合的高性能纤维绳索的端头结构已经制作完成。以碳纤维编织绳索为例，这种带有复合材料一体化接头的绳索具有强度大、刚度大、连接效率高的优点，并具有优良的抗疲劳和蠕变性能，还耐腐蚀、耐高温、可方便收卷、便于运输携带，特别适用于各种建筑结构、飞行器结构、高温、腐蚀性环境等。

编织扁片21形式的连接接头，除了直接通过粘结剂31与片状体40进行粘接连接(如图5A所示)以外，也可以钻孔后采用铆接或螺栓连接等连接形式，或者连接性能更强的粘接+铆接、粘接+螺栓连接等形式。

编织孔形式的连接接头可以直接与绳索形成捆绑连接或者与钩形物体钩挂相连(如图3D所示)，更进一步，还可以进行常规形式的机械连接，如粘接(如图5B所示)、铆接或者螺栓连接(如图5B所示)，也可以采用粘接+铆接或者粘接+螺栓连接(如图5C所示)，以便进一步提高绳索的连接效率，提高绳索的性能利用率。

至于棱锥管和圆锥管形式的连接接头，当将其制成复合材料连接接头后，可以采用嵌入锥形扣件30中的连接形式(如图6A所示)。为提高连接效率性能，还可以进一步采用树脂等基体材料粘接剂31直接在该锥管与该锥形扣件30的相邻锥面上形成粘接的连接形式(如图6B所示)，则连接效率会更高。当然，为了防止锥管形式的连接接头发生变形，应当在该锥管形式的连接接头内塞入锥形的填充物32，保证连接效果。

所述的绳索主体部分10为空心的话，还可以将连接接头制成收缩的锥管形式，如图6C所示，该种形式的连接接头在用于连接时，在锥管内置入锥形填充物32，两条实心绳索34分上下分别夹合在该锥形内芯的外表面与该锥管内表面之间，如此，当连接接头承受拉力时，绳索中的拉力通过渐缩形式的锥形连接端头将载荷作用在内插的锥形填充物32的锥形表面上。

为了进一步提高连接接头的性能，还可以在连接接头与绳索主体部分10的端头相接处，采用加纱编织的方式实现端头部分的加强，使连接效率更高。

另外，绳索主体部分10和端头部分可以全部使用三维编织方式进行编织，也可以全部采用二维编织方式进行编织，还可以分别使用二维和三维编织方式进行编织。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高性能纤维绳索的端头结构，其特征在于：其包括高性能纤维绳索的主体部分，以及由该主体部分的至少一端一体编织出来的连接接头，该高性能纤维绳索的主体部分和连接接头全部是三维编织物，该高性能纤维绳索的连接接头上复合有基体材料，所述的基体材料是树脂、金属、碳或者陶瓷；该高性能纤维是碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维或氮化硅纤维。

2.根据权利要求1所述的高性能纤维绳索的端头结构，其特征在于：该连接接头是编织扁片，该编织扁片的截面尺寸相对主体部分更扁更宽。

3.根据权利要求2所述的高性能纤维绳索的端头结构，其特征在于：在该编织扁片上一体编织有至少一个编织孔。

4.根据权利要求1所述的高性能纤维绳索的端头结构，其特征在于：该连接接头是编织锥形管。

5.一种碳纤维绳索的端头结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、编织出碳纤维绳索的主体部分；

步骤2、在该碳纤维绳索的主体部分的至少一端，通过变截面编织方法，在不减少纱线数量的情况下，直接编织出用于连接的连接接头；

步骤3、在所述的连接接头上复合基体材料，所述的基体材料是树脂、金属、碳或陶瓷，从而形成复合材料连接接头。

6.根据权利要求5所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，其特征在于，步骤2中所述的连接接头是编织扁片，该编织扁片的截面尺寸相对主体部分更扁更宽。

7.根据权利要求6所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，其特征在于，步骤2中，在编织上述编织扁片的过程中，还在该编织扁片上编织出至少一个编织孔。

8.根据权利要求5所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，其特征在于，步骤2中所述的连接接头是编织锥形管，该编织锥形管的编织方法是：在需要编织连接接头之处置入一个锥形模芯，接着在该绳索的端头围绕锥形模芯进行管体编织，由于锥形模芯的成型作用，最终在绳索主体的端部一体编织出锥形连接管。

9.根据权利要求5所述的碳纤维绳索的端头结构的制造方法，其特征在于，在连接接头与绳索的主体部分相接处，采用加纱编织的方式实现端头结构的加强。

Images