国外掌握碳纤维复合材料液压缸核心技术的是哪几家?

【i说说】国外掌握碳纤维复合材料液压缸核心技术的是哪几家?

前段时间,发了篇:【i资讯】一种应用在工程机械上的碳纤维复合材料液压缸,是利勃海尔的产品,小伙伴们比较感兴趣。之前听说过Parker也有碳纤维相关的产品,那国外主要还有谁家有这种产品嘞~于是乎,查了查资料,和小伙伴们一起分享下~

1、德国派克汉尼汾公司 (ParkerHannifin)
德国派克汉尼汾公司(ParkerHannifin)研制出不同结构类型和轻量化水平的复合材料液压缸,命名为Lightraulics,多项性能数据达到或超越传统金属液压缸,其中某型号液压缸较传统液压缸质量减轻65%以上。

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派克汉尼汾公司在第九届国际流体动力会议(IFK)面向轻量化场景的高压全复合材料液压缸,采用“功能分离”的概念设计,将缸筒分为3个部分:集成复合材料耐磨层的内衬、全碳外部缸筒、嵌入式金属配件,如图2(a)所示。

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为了验证全碳纤维复合材料液压缸的性能,根据行业标准,对不同尺寸、组件和整机进行了一系列实验,样件如图2(b)所示。
加压至127.2MPa时,出现泄漏的情况,为标准测试压力的3.35倍疲劳测试结果显示当循环180万次后,仍能继续正常工作,表现出比传统液压缸更优异的水平;抵抗外部强度测试(跌落测试和碰撞测试)中部结构性损伤出现;样件在2~38MPa的随机压力冲击下循环60万次后,仍能通过压力测试。
可知,各项指标均满足标准要求。

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基于上述设计,派克已经开发了完整的Lightraulics系列产品,和铝合金、钢制液压缸相比质量大幅度减轻的基础上,爆裂和疲劳强度都大幅度提高,对比如表1所示。

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目前市场在售的派克Lightraulics系列液压缸中,含全碳纤维复合材料缸筒主要有两种:LightraulicsC-和LightraulicsT-系列。其中C-系列复合材料液压缸,与标准的钢制液压缸相比,质量减轻最高可达60%。独特的复合材料轻质设计可以承载轴向负载,而无需采用任何金属筒、衬垫或拉杆。工作压力为38MPa,测试压力57MPa,在38MPa下测试了50万个循环,未出现泄漏和纤维破损现象,C-系列剖视图和实物图如图2(c)所示。

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工作压力38MPa,活塞直径0.2m,活塞杆直径0.125m,行程1.6m的LightraulicsC-系列液压缸减重效果显著,同等规格的铝制、钢制液压缸的质量分别比复合材料液压缸重40%、60%。与LightraulicsC-系列不同的是,T-系列利用拉杆来承载轴向负荷,而非碳纤维外筒,配合高抛光度的复合材料内衬,减重效果可达50%,如图2(d)所示。该系列液压缸适用于大行程场合,行程长度最大可达3m工作压力可达38MPa,测试压力可达57MPa,额定疲劳寿命为25万次工作循环,最大活塞速度0.3m/s,工作温度范围–20~80℃。

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派克LightraulicsS-/A-系列缸筒,以薄壁钢或铝作为内衬层,并使用强化纤维复合材料加以包裹,与标准的钢制液压缸相比,质量减轻高达45%。金属内衬层用作扩展屏蔽层,承载轴向与径向载荷。强化碳纤维复合材料层为金属衬层提供支撑,承载径向载荷,如图4(a)所示。

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该系列液压缸适用于高压、大负载场合,工作压力最高可达70MPa,活塞直径高达0.25m,行程长度可达3m,耐用温度范围为−20~80℃。图4(a)为A-系列液压缸,以铝合金为衬层,缸筒内径0.21m,行程0.55m,可输出1480kN的力,其质量仅为248kg。
 
2、德国赫伯特.汉臣公司(Hänchen
2015年,德国赫伯特.汉臣公司在德国汉诺威工业展上,展示了三款基于高性能碳纤维增强复合材料(High-carbonfiberreinforcedpolymer,H-CFRP)的轻量化液压缸,并因此摘得德国Esslingen地区2015年度创新大奖桂冠。

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德国汉臣公司开发的一种碳纤维增强塑料和其它组分制成的高耐用性高级复合材料H-CFRP,并利用该种混合型复材设计、生产圆筒形部件,通过搭配和不搭配金属组件的方式生产碳纤维液压缸,其中全复合材料缸筒的液压缸如图2(i)所示。H-CFRP可用于表面极其光滑和有严格公差要求的零件。
该材料所具备的各项特性使之成为制造液压缸的理想材料,与钢相比,H-CFRP材料的质量明显更轻,活塞杆在其中的运动速度更快,使该种液压缸的能耗降低50%。制造碳纤维液压缸的过程中,汉臣公司相继开发了许多新技术来实现H-CFRP材料与其他金属组件的结合。

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产品性能主要有以下几点:

(1)重量轻,降低了60%~ 70%。

(2)没有磁性,在有些领域,不需要担心静电。

(3)不需要担心腐蚀。原来在海水里面工作的话,只能采用不锈钢、或者镀陶瓷,其实镀陶瓷成本也很高,而且用一段时间陶瓷会脱落。而如果采用碳纤维的话,腐蚀问题也可以解决。

(4)高低温稳定性。研发这个产品的时候,做了很多测试,尤其是高低温的稳定性测试,现在碳纤维油缸可以做到-40~80℃的范围。

(5)抗弯矩强度。对比不锈钢及碳钢,碳纤维油缸的抗弯强度以及高温抗弯度都更好。

(6)更节能。因为重量减轻这么多,这样在高频的时候,就可以节省很多动载,整个油源的整个能耗就小很多了。

目前这个碳纤维液压缸只能做到缸径200mm,行程1500mm,力40吨,温度范围 -40℃~ 80℃。

 
3、Polygon公司

Poligon公司已量产成型的筒状缸用聚合物材料−PolySlide,如图所示,成分不详。但其样本显示,该系列疲劳性能优于钢,例如在约2.1MPa压力下进行液压脉冲测试,PolySlide材料的样品缸可达520万次,等规格的钢质样品则只有90万次;PolySlide的散热特性优于凝胶且对唇形密封件的磨损作用也较弱。

Poligon针对缸筒与端盖的材质差异设计出了“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。

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小编说:

碳纤维液压缸目前国外已经比较成熟,国内处在样机阶段。看到资料,除了液压缸有用碳纤维材料的,油箱也有碳纤维的,并用在了某高机动雷达液压泵站上。

最近小米汽车也是很火,最新款小米 SU7 Ultra的车顶、后视镜、尾翼等多处应用了碳纤维材料,这不禁让俺想到,小米已经开始大量应用碳纤维材料了,那价格不得给打下来呀…

随着碳纤维材料的量产和普及化,液压相关产品应用碳纤维材料也将是一个趋势~不知有没有感受到一丝丝新技术新产品的机会噻~

留个小问题:为什么液压产品也要用碳纤维材料呢?以及碳纤维液压产品还有哪些?欢迎小伙伴们留言说一说哦~

摘录参考资料:

[1]徐兵, 纵怀志, 张军辉, 等. 碳纤维复合材料液压缸研究现状与发展趋势 [J]. 复合材料学报, 2022, 39(2): 446-459.(主要摘录)

[2]胡业发,邱浩,张锦光,等.泵车液压缸的轻量化设计与研究[J].数字制造科学,2023,21(02):92-97.

[3]尹俊亚,全鑫宇,吴东.碳纤维液压油箱结构及散热设计[J].电子机械工程,2023,39(02):32-36.DOI:10.19659/j.issn.1008-5300.2023.02.008.

[4]洪锦放,张雄军,袁金,等.碳纤维复合材料液压缸筒体研究进展[J].机床与液压,2023,51(10):197-202.

[5]张婷婷.汉臣液压新品介绍——据汉臣(上海)液压设备有限公司专家习青锋报告整理[J].液压气动与密封,2018,38(08):94-98.

 

今晚(02.07星期五)有直播,欢迎来互动交流~

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