CN107541832B - 碳铝复合材料综框 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳铝复合材料综框，包括综丝以及由两个横向元件和两个侧向支撑件组成的矩形框架，在矩形框架的内腔中设有2条均平行于横向元件的安装轨道，在2条安装轨道之间安装综丝，所述综丝垂直于安装轨道；在横向元件的外表面设置加固层组件，所述加固层组件由依次层层叠设在横向元件外表面的4～10层的碳纤维预浸料层组成，所述碳纤维预浸料层由碳纤维预浸料缠绕而成。本发明的碳铝复合材料综框具有高比刚度、良好的耐疲劳性能。

Description

碳铝复合材料综框

技术领域

本发明涉及用于织机的综框结构，特别涉及到碳纤维复合材料与铝合金材料一体化的新型结构综框及横向元件的制作方法。

背景技术

随着织机车速不断提高，织机幅宽增加，综框受到增大的应力，经常会发生综框断裂和散架，需要经常更换，降低了工作效率，增加了生产成本，因此需要不断提升综框性能。从减重及提升刚度和耐疲劳的角度出发，综框材质从最初的木质发展到铁质，再到如今常用的铝合金以及性能更加优越的复合材料：CN104024500A和CN103510235B提出了在综框提供一种增强结构轴杆，但目前织机的高速化、宽幅化已经进展到必须制作幅宽的长度方向超过4000mm的制品，伴随着宽幅化所带来的负荷增加，仅仅增加1/2根CFRP轴杆已经无法满足更高的强度与刚度需求，不断添加CFRP轴杆不但增加实际成本，同时结构更加复杂；CN102864551A提出了一种喷气织机镁合金综框的制备方法，具有比强度、比刚度高的特点，避免综框与织机发送共振，但镁合金材料的成本过高，仅少量设备能采用；CN101235569A公开了一种I型截面的综框杆，该元件包含两个侧面的带，而该带与综框的连接方式采用胶接会过分依赖结构胶的性能。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种刚度性能佳的碳铝复合材料综框。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳铝复合材料综框，包括综丝以及由两个横向元件和两个侧向支撑件组成的矩形框架，在矩形框架的内腔中设有2条均平行于横向元件的安装轨道，在2条安装轨道之间安装综丝，综丝垂直于安装轨道；

在横向元件的外表面设置加固层组件)，所述加固层组件由依次层层叠设在横向元件外表面的4～10层(较佳为6～8层)的碳纤维预浸料层组成，所述碳纤维预浸料层由碳纤维预浸料缠绕而成。

备注说明：可采用包覆热压、模压或者热压罐工艺将芯材和碳纤维预浸料压制成型，即，实现在横向元件的外表面设置加固层组件。

作为本发明的碳铝复合材料综框的改进：在位于最外层的碳纤维预浸料层的表面设置热收缩薄膜层；利用加热后的热收缩薄膜层的热收缩为碳纤维预浸料层提供压力，使碳纤维预浸料固化成型，从而实现将由碳纤维预浸料层组成的加固层组件固定于横向元件的外表面。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：加固层组件由依次层层叠设在横向元件外表面的6层碳纤维预浸料层组成；所述由内至外的6层碳纤维预浸料层，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料纤维方向相对于安装轨道而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/90°/0°。如图3所述。

备注说明：碳纤维预浸料纤维方向与安装轨道(13)平行的方向，即为0°方向。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：加固层组件由依次层层叠设在横向元件外表面的8层碳纤维预浸料层组成；所述由内至外的8层碳纤维预浸料层组成，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料纤维方向相对于安装轨道而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/0°/0°/90°/0°。如图4所述。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：所述横向元件包括板条和构件；所述构件中设置有至少一个空腔，空腔中设置有填充元件；所述构件一端设置与安装轨道配合使用的板条，板条上设置有凸型的领部；所述构件、板条和领部外表面设置有加固层组件。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：所述构件中设置有互不相通的空腔一、空腔二和空腔三，空腔一、空腔二和空腔三中的至少一个设置有填充元件。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：所述横向元件包括中空的型材；所述型材中设置有至少一个型材空腔，型材空腔中设置有填充元件；所述型材外表面设置有加固层组件；所述型材一端设置有与安装轨道配合使用的凹形的综框承轨。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：所述型材中设置有型材空腔一、型材空腔二和型材空腔三，型材空腔一、型材空腔二和型材空腔三中至少有一个设置有填充元件。

作为本发明的碳铝复合材料综框的进一步改进：填充元件为玻璃纤维增强聚氨酯。

本发明的技术优势是：

本发明的碳铝复合材料综框具有高比刚度、良好的耐疲劳性能。

本发明中的综框相比于具有加固型材的综框，可以相当大程度地提升产品的比刚度及比强度，以便允许高速纺织或纵向具有相对大尺寸的综框进行纺织；由碳纤维布包裹芯材的一体成型结构，相比于添加轴杆的方式而言整体稳定性更高，从而赋予了综框更优良的耐疲劳性能，解决了非一体成型碳铝综框由胶接带来的脱胶和成本增加的问题；另外内腔中的填充元件可以极大地提升减振吸音性能，且材料成本不高，一体化结构易于生产或制造。

具体而言：

本发明的加固层的增加工艺，以铝合金芯材作为芯模，采用全包覆卷绕工艺，包覆碳纤维预浸料后，通过在外层增加热收缩薄膜的技术来提供成型压力，避免采用抽真空等外部加压工艺带来成本的增加。采用抽真空工艺需要增加真空膜、三通、黄胶等辅料，既增加了加工的步骤和操作时间，又增加了原材料成本；

因为包覆了碳纤维预浸料，原铝合金芯材的外尺寸减少了，这样既提高了强度和刚度，又减轻了重量；

采用本发明特设的铺层工艺，能达到最佳的增强效果。

本发明实际使用过程中，当织机高速运行时，综框因交替升降运动而承受拉、压载荷。根据实验测试，碳纤维复合材料的弹性模量约为200GPa，而铝合金的弹性模量约为72GPa。本发明采用一体成型全包覆结构，在综框的提升和下降过程中，位于综框内侧面12和外侧面16的碳纤维复合材料将发挥材料高弹性模量的优势，赋予综框优良的刚度和强度；而单面添加轴杆的综框结构，由于未增强端铝合金的弹性模量较低，容易引起破坏失效。

碳纤维复合材料的疲劳强度高于铝合金。在交变应力作用下，金属材料的疲劳极限仅为静荷强度的30％～40％。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70％～80％，并在破坏前有变形显著的征兆，因为碳纤维复合材料综框具有优异的耐疲劳性能。

本发明中的综框采用碳纤维布包裹芯材的全包覆结构属于典型的箱型结构，而添加轴杆的结构相似于工字梁结构，就整体稳定性而言，箱型结构明显优于工字梁结构。

本发明中可以根据客户需求在内腔中采用泡沫填充元件，由于泡沫内有大量的小空腔，声波每进入一层泡沫空腔，能量都会被消耗，因为，该结构具有很好的隔声性，可以极大地提升减振吸音性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的碳铝复合材料综框的结构示意图；

图2是碳纤维预浸料的纤维方向相对于安装轨道13而言的铺层角度的示意图；从上至下分别为0°、45°、-45°、90°；

图3是纤维铺层方向：0°、0°、45°、-45°、90°、0°的示意图；

图4是纤维铺层方向：0°、0°、45°、-45°、0°、0°、90°、0°的示意图；

图5为图1中横向元件11的结构示意图；

图6为图5中横向元件11在A方向的结构示意图；

图7为图1中横向元件11的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一种碳铝复合材料综框，如图1-3所示，包括综丝15以及由两个横向元件11和两个侧向支撑件14组成的矩形框架1，在矩形框架1的内腔中设有2条均平行于横向元件11的安装轨道13，在2条安装轨道13之间安装综丝15，综丝15垂直于安装轨道13。具体如下：

两个横向元件11包括上部横向元件和下部横向元件，两个侧向支撑件14包括左侧侧向支撑件和右侧侧向支撑件。两个横向元件11的互相面对的表面称为内侧面12，横向元件11上与内侧面12相对的表面被称作外侧面16。横向元件11在内侧面12设置有安装轨道13，两个安装轨道13之间设置有综丝15。

横向元件11包括板条26和中空的构件27，构件27中设置有至少一个空腔(一般设置空腔一23、空腔二24和空腔三25，共三个空腔)，至少一个空腔中设置有填充元件28，构件27外表面设置有加固层22，构件27一端设置有与安装轨道13配合使用的板条26，板条26上设置有领部21。构件27与板条26一体成型。

整个横向元件11作为芯材，芯材一般为铝合金型材，多采用材料综合性能较好的6063铝合金矩形型材。

填充元件28可使用聚氨酯硬泡体、聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫和酚醛泡沫等，一般地选用聚氨酯硬泡沫可改善现有综框横梁的减振吸音性能，并能有限地提升部分强度和刚度，若无需此部分的减振吸音性能功能，可以不在空腔一23、空腔二24和空腔三25中设置填充元件28。填充元件28可在表面涂覆结构胶再填充入空腔一23、空腔二24和空腔三25中，进一步加强填充元件28与构件27的结合牢固性能。

在整个由板条26、领部21、和中空的构件27构成的横向元件11的外表面设置加固层组件22，加固层组件22由依次层层叠设在横向元件11外表面的6层碳纤维预浸料层组成，碳纤维预浸料层由碳纤维预浸料缠绕而成。碳纤维预浸料的面密度为150g/m²。

具体如下：

加固层组件22由依次层层叠设在横向元件11外表面的6层碳纤维预浸料层组成；所述由内至外的6层碳纤维预浸料层(厚度约为1mm左右)，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料纤维方向相对于安装轨道13而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/90°/0°。

备注说明：碳纤维预浸料纤维方向与安装轨道13平行的方向，即为0°方向。如图2所述。

可采用包覆热压、模压或者热压罐工艺将芯材(横向元件11)和纤维(碳纤维预浸料)压制成型，但不限于此三种工艺成型。例如，包覆热压为：在位于最外层的碳纤维预浸料层的表面依次铺设脱模布和热收缩薄膜，然后放入工业烘箱进行加温固化(将铺设碳纤维布预浸料的芯材放入工业烘箱进行加温固化)，产品成型后脱模(即，去除脱模布和热收缩薄膜)。即，利用加热后的热收缩薄膜层的热收缩，从而实现将由碳纤维预浸料层组成的加固层组件22牢固的固定于横向元件11的外表面。在本发明中，要求达到热收缩薄膜热收缩时，能对碳纤维预浸料层产生0.01～0.05MPa的压力。

本发明的纤维布和芯材全包围的一体成型方式兼具化学和物理粘结作用，比插入轴杆的形式更加牢固。在0.01～0.05MPa外力条件下加固层组件22也不会与横向元件11相分离。

上述加工完成后的横向元件11，形成碳层-铝合金-聚氨酯硬泡体三明治夹芯结构，能够极大地提升整体结构刚度、强度和耐疲劳性能。

安装轨道13固定在设置了加固层组件22后的领部21上。

备注说明：热收缩薄膜(例如为尼龙)的固化温度一般为120℃左右，而填充元件28(例如玻璃纤维增强聚氨酯)的耐温性能达到200℃，所以填充元件28不会变形。

实施例2、将实施例1中的加固层组件22作如下更改：

加固层组件22由依次层层叠设在横向元件11外表面的8层碳纤维预浸料层组成，所述由内至外的8层碳纤维预浸料层，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料的纤维方向相对于安装轨道13而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/0°/0°/90°/0°。

其余等同于实施例1。

对比例1、将实施例2中的由内至外的8层碳纤维预浸料层，每层碳纤维预浸料层中的条状的碳纤维预浸料在缠绕时相对于安装轨道13而言的角度分别如下表1所示；其余等同于实施例2。

对比例2、取消实施例2的加固层组件22；其余等同于实施例2。

实验一、上述案例所得的碳铝复合材料综框的拉压强度、剪切强度的性能对比数据如下表1所述。

表1

实施例3、综框，改变其横向元件11，其余等同于实施例1，如图4所示。

横向元件11包括中空的型材35，型材35中设置有至少一个型材空腔(一般设置型材空腔一31、型材空腔二32和型材空腔三33，共三个型材空腔)，至少一个型材空腔中设置有填充元件28，型材35外表面设置有型材加固层34；型材35一端设置有与安装轨道13配合使用的凹形的综框承轨36，综框承轨36中设有凹槽37，安装轨道13固定在综框承轨36有凹槽37。综框承轨36与型材35一体化成型。

实施例3中的横向元件11的综框承轨36比实施例1中的横向元件11的领部21固定安装轨道13的效果要好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例方案的范围。

Claims (7)

1.碳铝复合材料综框，包括综丝(15)以及由两个横向元件(11)和两个侧向支撑件(14)组成的矩形框架(1)，在矩形框架(1)的内腔中设有2条均平行于横向元件(11)的安装轨道(13)，在2条安装轨道(13)之间安装综丝(15)，所述综丝(15)垂直于安装轨道(13)；其特征在于：

在横向元件(11)的外表面设置加固层组件(22)，所述加固层组件(22)由依次层层叠设在横向元件(11)外表面的4～10层的碳纤维预浸料层组成，所述碳纤维预浸料层由碳纤维预浸料缠绕而成；

加固层组件(22)由依次层层叠设在横向元件(11)外表面的6层碳纤维预浸料层组成；由内至外的6层碳纤维预浸料层，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料纤维方向相对于安装轨道(13)而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/90°/0°；

或者，加固层组件(22)由依次层层叠设在横向元件(11)外表面的8层碳纤维预浸料层组成；由内至外的8层碳纤维预浸料层，每层碳纤维预浸料层的碳纤维预浸料纤维方向相对于安装轨道(13)而言的铺层角度分别为0°/0°/45°/-45°/0°/0°/90°/0°。

2.根据权利要求1所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：

在位于最外层的碳纤维预浸料层的表面设置热收缩薄膜层；利用加热后的热收缩薄膜层的热收缩为碳纤维预浸料层提供压力，使碳纤维预浸料固化成型，从而实现将由碳纤维预浸料层组成的加固层组件(22)固定于横向元件(11)的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：所述横向元件(11)包括板条(26)和构件(27)；所述构件(27)中设置有至少一个空腔，空腔中设置有填充元件(28)；所述构件(27)一端设置与安装轨道(13)配合使用的板条(26)，板条(26)上设置有凸型的领部(21)；所述构件(27)、板条(26)和领部(21)外表面设置有加固层组件(22)。

4.根据权利要求3所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：所述构件(27)中设置有互不相通的空腔一(23)、空腔二(24)和空腔三(25)，空腔一(23)、空腔二(24)和空腔三(25)中的至少一个设置有填充元件(28)。

5.根据权利要求4所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：

所述横向元件(11)包括中空的型材(35)；所述型材(35)中设置有至少一个型材空腔，型材空腔中设置有填充元件(28)；所述型材(35)外表面设置有加固层组件(22)；所述型材(35)一端设置有与安装轨道(13)配合使用的凹形的综框承轨(36)。

6.根据权利要求5所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：所述型材(35)中设置有型材空腔一(31)、型材空腔二(32)和型材空腔三(33)，型材空腔一(31)、型材空腔二(32)和型材空腔三(33)中至少有一个设置有填充元件(28)。

7.根据权利要求3所述的碳铝复合材料综框，其特征在于：填充元件(28)为玻璃纤维增强聚氨酯。

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