CN113847484A - 一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管及其制备方法，包括挠性管体以及设置在挠性管体上、下方的端口接口法兰，所述挠性管体由多个空间棱锥形结构单元组成，每个空间棱锥形结构单元由金属丝基本单元和橡胶单元聚合物层组成，用以呈现零负泊松比力学性能。本发明采用双相复合的材料形式，既保留金属骨架优越的力学性能，又保证挠性接管拥有足够的刚度和强度，解决了现有技术中挠性接管不耐高温、高压、高速等工况。此外，本装置采用特殊的空间棱锥形结构，使得带金属丝基本单元的金属丝网骨架层呈现零/负泊松比的力学性能，提升管件抗冲击、减振降噪、位移补偿等方面的综合性能。

Description

一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管及其制备方法。

背景技术

随着机械装备高性能的发展，尤其是管路系统减振降噪、耐高压、抗大变形等技术需求，挠性接管的使用频率日益增高，对其的综合力学性能和安全可靠性要求越来越高。现有的挠性接管主要有三类，即真空橡胶管、塑料管和波纹管。这三类挠性接管在高温、高压、大载荷冲击条件下，工作寿命往往低于额定寿命，难以满足技术要求。

现有的金属波纹管为使得其具有一定柔度和弹性，一般壁厚较薄，导致整体的刚度和强度降低。因此在强冲击载荷条件下，金属波纹管的受载能力低，容易造成零件失效。相对的，提升金属波纹管的壁厚，就会降低金属波纹管柔度和弹性。

传统的真空橡胶管及塑料管的制作工艺简单，拥有一定位移补偿的能力。但是由于本身制作材料强度低，导致这类挠性管的使用场所受限制，如在高压高温管道体系中挠性低，位移补偿和减振表现不理想。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管及其制备方法，提升管件抗冲击、减振降噪和位移补充的综合性能，适用于各类复杂的工作条件，同时具有零/负泊松比力学特性，还能减小载荷带来的形变影响。

本发明是这样构成的，它包括挠性管体以及设置在挠性管体上、下方的端口接口法兰，所述挠性管体由多个空间棱锥形结构单元组成，每个空间棱锥形结构单元由金属丝基本单元和橡胶单元聚合物层组成，用以呈现零负泊松比力学性能。

进一步的，多个空间棱锥形结构单元由金属丝网骨架层和橡胶聚合物层构成，所述金属丝网骨架层由多个金属丝基本单元构成，所述橡胶聚合物层由多个橡胶单元聚合物层组成。

进一步的，所述金属丝基本单元包括至少两根金属丝，两根金属丝中部交叉设置并呈棱锥形，橡胶单元聚合物层包裹住两根金属丝并呈内部为空腔的棱锥形。

进一步的，所述金属丝网骨架层采用金属丝编网装置制成，所述金属丝编网装置包括由上至下依次设置的上限位单元、多个立柱和下限位单元，多个立柱包括外立柱和内立柱，多个内立柱呈圆周分布且间隔设置，多个外立柱呈圆周分布且间隔设置，所述内立柱与外立柱错位设置。

进一步的，所述外立柱沿外立柱长度方向设有多个外孔，所述内立柱沿内立柱长度方向设有多个内孔，外孔和内孔上穿设有可拆卸的定位环，用以金属丝按照一定规律依次缠绕编制成多个金属丝基本单元。

进一步的，所述上限位单元上方设置有上端盖，所述下限位单元下方设置有下端盖。

进一步的，所述上限位单元中部与下限位单元中部之间设置有中心轴。

进一步的，所述上限位单元下表面、下限位单元上表面均设置有环槽，所述环槽外圈边缘设有多个外弧形孔，所述环槽内圈边缘设有多个内弧形孔，所述环槽内安装有固定压环。

进一步的，所述挠性管体由在金属丝网骨架层内外安装组合模具后灌入橡胶聚合物硫化而成，所述组合模具包括外组合模具和内组合模具，所述外模具组合内部设置有多个棱锥腔；所述内组合模具中部穿设有支撑柱，所述内组合模具外部设置有多个棱锥体。

进一步的，所述外组合模具外部设置有卡扣，所述外组合模具由多个外模具拼接环绕成空心圆柱形；所述内组合模具由内模具A、内模具B、内模具C、内模具D和内模具E组成。

进一步的，一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管的制备方法，包括步骤如下：（1）装配好金属丝编网装置，并通过金属丝编网装置上编织多个金属丝基本单元，制成金属丝网骨架层；（2）金属丝网骨架层上、下端焊接端口接口法兰；（3）将外组合模具套在金属丝网骨架层外部，通过卡扣固定柱外组合模具；（4）将内组合模具安装在金属丝网骨架层内部，并在内组合模具中部穿入支撑柱进行定位；（5）组合模具内部通入橡胶聚合物硫化成型，将多个金属丝基本单元包裹起来，形成挠性管体；（6）挠性管体制作完成后，卸下卡扣，将外组合模具脱离挠性管体；（7）取出支撑柱，先拆除内模具E，然后按照顺时针方向撤出内模具A、内模具B、内模具C、内模具D。

进一步的，在步骤（1）中，金属丝编网装置装配时，首先在上限位单元、下限位单元上安装好固定压环，在下限位单元下方安装下端盖，然后将支柱、中心轴按照下限位单元上表面的预设位置孔位插入，再将上限位单元安装在支柱上方，最后在上限位单元上方安装上端盖。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本装置采用特殊的空间棱锥形结构单元按圆周方向阵列组合而成，能够呈现零/负泊松比力学性能，增强整体抗冲击和位移补偿的能力，相比传统的挠性接管有更长的工作寿命。

（2）本装置的金属丝网骨架层的制备可以根据不同的工作载荷，调整金属丝基本单元在支柱上外孔、内孔的定位以及位置，改变棱锥形的角度、长度大小大小，使双相复合后的挠性管体展现不同的泊松比，更好的适应复杂多样的工作环境。

（3）本发明采用双相复合的形式，挠性管体结构分为金属丝网骨架层和橡胶聚合物表层。这样的形式可以保证金属骨架复合挠性接管在拥有较高柔度和弹性的前提下，同时拥有高强度和高刚度的力学性能，使其能在高温、高压、大变形工况下，提升抵抗损伤、延长使用寿命、位移补偿、耐疲劳、高强度等方面的多功能特性。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例金属丝编网装置结构示意图；

图3为本发明实施例组合模具和挠性管体爆炸图；

图4为本发明实施例空间棱锥形结构单元结构示意图；

图5为本发明实施例金属丝基本单元结构示意图；

图6为本发明实施例金属丝网骨架层局部示意图；

图7为本发明实施例上限位单元或下限位单元结构示意图；

图8为本发明实施例固定环与立柱结构示意图；

图9为本发明实施例内组合模具俯视图；

图中：1-端口接口法兰；2-挠性管体；3-金属丝网骨架层；4-金属丝编网装置；41-上限位单元；42-立柱；421-外立柱；4211-外孔；422-内立柱；4221-内孔；43-上端盖；44-下端盖；45-中心轴；46-环槽；47-外弧形孔；48-内弧形孔；49-下限位单元；5-空间棱锥形结构单元；51-金属丝基本单元；511-金属丝，52-橡胶单元聚合物层；6-固定压环；7-外组合模具；71-棱锥腔；72-卡扣；8-内组合模具；81-棱锥体；82-内模具A；83-内模具B；84-内模具C；85-内模具D；86-内模具E；9-支撑柱；10-定位环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：参照附图1-9所示，一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，包括挠性管体2以及设置在挠性管体上、下方的端口接口法兰1，所述挠性管体是由多个按照圆周方向阵列的空间棱锥形结构单元5构成，每个空间棱锥形结构单元5由金属丝基本单元51和橡胶单元聚合物层52硫化而成，橡胶单元聚合物层的形状为空心无底的空间棱锥形，用以呈现零负泊松比力学性能。

上述的多个空间棱锥形结构单元由金属丝网骨架3和橡胶聚合物层构成，所述金属丝网骨架层4由多个金属丝基本单元51构成，所述橡胶聚合物层由多个橡胶单元聚合物层52组成。

金属丝网骨架层编制完成以后，在其上下端焊接好端口接口法兰，然后在金属丝网骨架层部分内外安装组合模具，再灌入橡胶聚合物硫化成橡胶聚合物层，从而制成挠性管体。

在本实施例中，所述金属丝基本单元51包括至少两根金属丝511，两根金属丝中部交叠设置在一起并呈棱锥形，橡胶单元聚合物层包裹住两根金属丝并呈内部为空腔的棱锥形。

在本实施例中，所述金属丝网骨架层采用金属丝编网装置4制成；

所述金属丝编网装置包括由上至下依次设置的上限位单元41、多个立柱42和下限位单元49，多个立柱包括外立柱421和内立柱422，多个内立柱呈圆周分布且间隔设置，多个外立柱呈圆周分布且间隔设置，所述内立柱与外立柱错位设置。

在本实施例中，所述外立柱沿外立柱长度方向设有多个外孔4211，所述内立柱沿内立柱长度方向设有多个内孔4221，外孔和内孔上穿设有可拆卸的定位环10；先在相应的内孔和外孔内穿好定位环，再用金属丝按照一定规律依次穿过定位环缠绕编制成金属丝网骨架层，金属丝网骨架层编制完成以后，将金属丝网骨架层内相邻的金属丝基本单元固定好，取下定位环即可。

通过改变外立柱、内立柱的位置和外孔、内孔来决定空间棱锥形结构单元的角度、长度大小，从而改变金属丝网骨架层的泊松比效果。

在本实施例中，所述上限位单元上方设置有上端盖43，所述下限位单元下方设置有下端盖44。

上端盖通过螺栓连接在上限位单元，下端盖通过螺栓连接在下限位单元。

在本实施例中，所述上限位单元中部与下限位单元中部之间设置有中心轴45。

下限位单元通过设置在中心轴底端的方形定位，上限位单元根据中心轴上的轴肩进行定位。

在本实施例中，为了方便加工孔位，所述上限位单元下表面、下限位单元上表面均设置有环槽46，所述环槽外圈边缘设有多个外弧形孔47，所述环槽内圈边缘设有多个内弧形孔48，所述环槽内安装有固定压环6；固定压环通过螺栓固定在环槽内。

将固定压环安装至下限位单元、上限位单以后，将立柱置于外弧形孔和内弧形孔内，对立柱圆周方向进行限位，保证支柱在预设位置安装。

为了对外立柱和内立柱的圆周方向进行限位，所述外立柱和内立柱原本为圆柱体，将圆柱体竖向切掉一部分，同时分别适配外弧形孔和内弧形孔，从而达到限制外立柱、内立柱转动。同时，通过上端盖和下端盖限制外支柱、内支柱上下移动；通过上限位单元和下限位单元的内弧形孔、外弧形孔来对立柱进行位置定位。

金属丝编网装置装配时，首先在上限位单元、下限位单元上安装好固定压环，在下限位单元下方安装下端盖，然后将支柱、中心轴按照下限位单元上表面的预设位置孔位插入，再将上限位单元安装在支柱上方，最后在上限位单元上方安装上端盖。

当采用金属丝编网装置编制金属丝骨架芯层时，选定两根相邻的内外支柱作为起始，利用外支柱的第一个孔进行固定金属丝，然后依次在内外支柱上间隔一个孔进行缠绕，再用另外的金属丝穿过孔作为定位环进行打结固定，编制完这一列后再进行周向编制，直至回到第一根外支柱，在起始孔进行固定。

在本实施例中，制备时，金属丝网骨架层完成后，将端口接口法兰焊接在其上方和下方，通过在金属丝网骨架层内外安装组合模具，再进行橡胶聚合物的灌入，最终形成挠性管件；外部连接时，只需通过螺栓和端口接口法兰进行连接使用。

实施例2：在实施例1的基础上，本实施例中，所述挠性管体由在金属丝网骨架层内外安装组合模具后灌入橡胶聚合物硫化而成，所述组合模具包括外组合模具7和内组合模具8，所述外模具组合内部设置有多个棱锥腔71；所述内组合模具中部穿设有支撑柱9，所述内组合模具外部设置有多个棱锥体81。

金属丝基本单元位于棱锥腔与棱锥体之间，通过橡胶聚合物硫化成型完成挠性接管的双相复合。

本实施例中，所述外组合模具外部设置有卡扣72，所述外组合模具由多个外模具拼接环绕成空心圆柱形；所述内组合模具8由内模具A82、内模具B83、内模具C84、内模具D85和内模具E86组成。

在本实施例中，组合模具使用时，金属丝网骨架层外部通过卡扣固定柱外组合模具，金属丝网骨架层内部穿入内组合模具，内组合模具的中间穿入支撑柱；拆卸组合模具时，先卸下卡扣，将外组合模具脱离挠性管体，再推出支撑柱，最后先撤出内模具E，其它内模具（内模具A、内模具B、内模具C、内模具D）按照顺时针方向撤出。

在本实施例中，制备挠性管体时：（1）在金属丝编网装置上编织多个金属丝基本单元，制成金属丝网骨架层；（2）金属丝网骨架层上、下端焊接端口接口法兰；（3）将外组合模具套在金属丝网骨架层外部，通过卡扣固定柱外组合模具；（4）将内组合模具安装在金属丝网骨架层内部，并在内组合模具中部穿入支撑柱进行定位；（5）组合模具内部通入橡胶聚合物硫化成型，将多个金属丝基本单元包裹起来，形成挠性管体；（6）挠性管体制作完成后，卸下卡扣，将外组合模具脱离挠性管体；（7）取出支撑柱，先拆除内模具E，然后按照顺时针方向撤出内模具A、内模具B、内模具C、内模具D。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，包括挠性管体以及设置在挠性管体上、下方的端口接口法兰，所述挠性管体由多个空间棱锥形结构单元组成，每个空间棱锥形结构单元由金属丝基本单元和橡胶单元聚合物层组成，用以呈现零负泊松比力学性能。

2.根据权利要求1所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，多个空间棱锥形结构单元由金属丝网骨架层和橡胶聚合物层构成，所述金属丝网骨架层由多个金属丝基本单元构成，所述橡胶聚合物层由多个橡胶单元聚合物层组成。

3.根据权利要求1所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述金属丝基本单元包括至少两根金属丝，两根金属丝中部交叉设置并呈棱锥形，橡胶单元聚合物层包裹住两根金属丝并呈内部为空腔的棱锥形。

4.根据权利要求1所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述金属丝网骨架层采用金属丝编网装置制成，所述金属丝编网装置包括由上至下依次设置的上限位单元、多个立柱和下限位单元，多个立柱包括外立柱和内立柱，多个内立柱呈圆周分布且间隔设置，多个外立柱呈圆周分布且间隔设置，所述内立柱与外立柱错位设置。

5.根据权利要求4所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述外立柱沿外立柱长度方向设有多个外孔，所述内立柱沿内立柱长度方向设有多个内孔，外孔和内孔上穿设有可拆卸的定位环，用以金属丝按照一定规律依次缠绕编制成多个金属丝基本单元。

6.根据权利要求4所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述上限位单元上方设置有上端盖，所述下限位单元下方设置有下端盖。

7.根据权利要求4所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述上限位单元中部与下限位单元中部之间设置有中心轴；所述上限位单元下表面、下限位单元上表面均设置有环槽，所述环槽外圈边缘设有多个外弧形孔，所述环槽内圈边缘设有多个内弧形孔，所述环槽内安装有固定压环。

8.根据权利要求1所述的一种零负泊松比金属骨架复合挠性接管，其特征在于，所述挠性管体由在金属丝网骨架层内外安装组合模具后灌入橡胶聚合物硫化而成，所述组合模具包括外组合模具和内组合模具，所述外模具组合内部设置有多个棱锥腔；所述内组合模具中部穿设有支撑柱，所述内组合模具外部设置有多个棱锥体；所述外组合模具外部设置有卡扣，所述外组合模具由多个外模具拼接环绕成空心圆柱形；所述内组合模具由内模具A、内模具B、内模具C、内模具D和内模具E组成。

9.一种利用如权利要求8所述的零负泊松比金属骨架复合挠性接管的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：（1）装配好金属丝编网装置，并通过金属丝编网装置上编织多个金属丝基本单元，制成金属丝网骨架层；（2）金属丝网骨架层上、下端焊接端口接口法兰；（3）将外组合模具套在金属丝网骨架层外部，通过卡扣固定柱外组合模具；（4）将内组合模具安装在金属丝网骨架层内部，并在内组合模具中部穿入支撑柱进行定位；（5）组合模具内部通入橡胶聚合物硫化成型，将多个金属丝基本单元包裹起来，形成挠性管体；（6）挠性管体制作完成后，卸下卡扣，将外组合模具脱离挠性管体；（7）取出支撑柱，先拆除内模具E，然后按照顺时针方向撤出内模具A、内模具B、内模具C、内模具D。

10.一种利用如权利要求9所述的零负泊松比金属骨架复合挠性接管的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，金属丝编网装置装配时，首先在上限位单元、下限位单元上安装好固定压环，在下限位单元下方安装下端盖，然后将支柱、中心轴按照下限位单元上表面的预设位置孔位插入，再将上限位单元安装在支柱上方，最后在上限位单元上方安装上端盖。

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