预埋FBG传感器的CFRP受电弓上框架成型工艺研究_王艳娟.pdf

复合材料科学与工程：.预埋 传感器的 受电弓上框架成型工艺研究王艳娟，丁国平，余 熠（.武汉理工大学 机电工程学院，武汉；.武汉理工大学 数字制造湖北省重点实验室，武汉；.武汉理工大学 先进材料制造装备与技术研究院，武汉）摘要：本文设计了一种预埋 传感器的 受电弓上框架，以某铝合金受电弓上框架的形状和结构尺寸为参考，受电弓上框架采用全碳纤维复合材料，在保证装配尺寸不变的前提下，对结构进行了优化设计。同时结合复合材料成型工艺的特点，对其进行了铺层设计和成型工艺研究。为获取 受电弓上框架在服役过程中的层间应变信息，根据其设计结构及铺层方案，在制作过程中预埋一定数量的 传感器，确定了 传感器的布局方式。并对 受电弓上框架预埋 传感器的预埋方式和光纤引出保护方式进行研究，选择用塑料套管对表面引出的光纤进行保护，防止光纤损坏。关键词：受电弓上框架；预埋 传感器；成型工艺；光纤引出保护中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，；.，）：，：；收稿日期：作者简介：王艳娟（），女，硕士研究生，主要从事碳纤维复合材料、光纤传感方面的研究。通讯作者：丁国平（），女，博导，教授，主要从事碳纤维复合材料、光纤传感方面的研究，.。前 言受电弓是电力机车一个至关重要的部件，可将电流从直接接触的接触网引入机车，提供车内电力设备运行需要的电力。在机车运行中，由于受到疲劳应力、环境应力的影响，铝合金上框架承载结构件易开裂，缩短了上框架的使用寿命并带来了安全隐患。碳纤维增强复合材料（，）是由碳纤维和树脂混合而成的具有新性能的 年第 期预埋 传感器的 受电弓上框架成型工艺研究材料。与金属材料相比，具有比模量高、比强度高、比密度小、可设计性强等优异性能，且可一体成型，减少了连接、装配工序，实现了产品轻量化，性能参数如表 所示。本文拟采用全碳纤维复合材料替代铝合金材料设计开发受电弓上框架，增加与电网的接触稳定性，延长使用寿命。表 碳纤维复合材料与铝合金材料性能比较 材料密度（）拉伸强度 拉伸模量 比强度（）比模量（）铝合金 环氧 但是碳纤维复合材料结构极易在加工、装配及服役过程中受到低能量冲击产生层间损伤，损伤的复合材料结构在外载荷作用下，会发生分层扩展，从而导致结构提前破坏，使其承载能力大大下降。光纤布拉格光栅（，）传感技术作为先进的光测传感技术，其工作原理是通过波长调制机制实现多种物理量分布式、大容量动态检测。在碳纤维复合材料受电弓上框架内预埋一定数量的 传感器获取应变信息，可实现上框架在服役期间全程监测。由此可知，预埋 传感器于 受电弓上框架内部具有较大意义，因此对预埋 传感器的 上框架成型工艺研究就显得尤为重要。常用的碳纤维复合材料结构件的成型工艺有高温固化炉成型、热压罐成型、纤维缠绕成型、模压成型等。受电弓上框架作为受电弓的关键部件，上框架起着支承弓头重量、传递向上压力、保证受电弓工作高度的作用，且需要长期工作在受限空间中经受燃弧、电磁干扰、辐射等因素的影响及反复的升降弓操作，因此对受电弓上框架几何外形尺寸有较高的要求；且 受电弓上框架结构较为复杂，在制备过程中需要预埋一定数量的 传感器。综合考虑，使用模压成型和固化炉固化成型两种成型工艺，即在铺设一定层数预浸料模压成型后，预埋 传感器，待铺设到最终尺寸后使用固化炉高温固化成型。受电弓上框架的结构设计.上框架整体结构设计 受电弓上框架主要由旋转支座、变截面管、连接支座和顶管等组成，受电弓部件连接处预制有金属件，全碳纤维结构方案如图 所示。受电弓上框架结构较复杂，一体成型难以实现。本文将碳纤维受电弓上框架分解为 部分分别进行成型，再将各部分进行胶接，对连接处外表面进行包纱局部补强处理，优势在于：可以降低模具的尺寸，降低成型的操作难度，成型效率高，便于批量化生产。图 受电弓上框架结构示意图.全碳纤维受电弓上框架的旋转支座、变截面管、连接支座以及顶管等部件均由碳纤维复合材料制作，在连接支座和旋转支座上开长圆孔，导线从两侧的变截面管内部穿过从而实现导电功能。受电弓上框架采用全碳纤维复合材料，在保证装配尺寸不变的前提下，对结构进行了优化设计。例如铝合金结构的受电弓上框架肘接接头处应力较大，本文设计的 结构减小了接头处悬臂尺寸，改进结构如图 所示。图 肘接接头.上框架铺层方案设计本文制作的 上框架选用的是 和 单向预浸料，其主要成分是 级的 碳纤维和 阻燃型环氧树脂，环氧树脂满足轨道交通最新 的阻燃要求。表 为预浸料的材料属性。年 月复合材料科学与工程表 单向预浸料材料属性 参数数值参数数值 （）（）（）（）（）表中：、分别为三个主方向上的弹性模量；、分别为、方向上的泊松比；、分别为、平面内的剪切模量；、分别为、平面内的剪切强度；为纤维纵向拉伸断裂韧性；为纤维横向拉伸断裂韧性；为纤维纵向压缩断裂韧性；为纤维横向压缩断裂韧性；为密度。根据碳纤维常用的铺层原则，选用、以及 四种角度，受电弓上框架的基础铺层为，共 层。根据成型工艺及研究内容的考虑，层碳布为.，层碳布为.，总壁厚为 。受电弓上框架的成型工艺与制备过程.上框架成型工艺的选择本文采用单向预浸料制作受电弓上框架，使用模压成型和固化炉固化成型两种成型工艺。首先铺设 层预浸料，进行模压成型后，在 层和 层的 预浸料之间预埋 传感器，待铺设到最终尺寸后使用 缠带工艺进行固化炉高温固化最终成型。碳纤维复合材料受电弓上框架由于存在助板、支座等复杂结构，选择外部钢模、内部气袋的模压成型。模压成型工艺选择定向铺设模压成型，其工艺流程如图 所示。图 模压成型工艺流程图.模压成型工艺参数如表 所示，上框架整体为管状结构，因形状结构比较复杂，故各部件组装是在一个预制的料壳中进行。每次模压成型前，都要对模具进行预热。只有将模具预热到一定温度，才方便将料坯放入模具中。表 模压成型工艺参数 步骤气压 时间 成型温度 以旋转支座模压成型为例，旋转支座成型模具及模压成型现场图分别如图、图 所示。图 旋转支座成型模.图 旋转支座模压成型现场图.年第 期预埋 传感器的 受电弓上框架成型工艺研究.上框架制备过程受电弓上框架以碳纤维预浸料为主要原材料，经裁剪、模具制作、卷料、固化成型、整理、胶合、包纱等工序加工而成，制备流程如图 所示。图 受电弓上框架制备流程图.进行制备时，首先使用剪裁机裁剪预浸料，按照铺层方案铺贴 层后放入预热的模具内，采用平板硫化机模压固化成型，固化后冷却取出并进行表面处理；然后继续铺设碳纤维预浸料，并在铺设过程中预埋 传感器，当所有铺层铺设完毕后，在结构件的最外层缠绕 层 带，保证构件在固化过程中各铺层间的紧密性，放入高温固化炉固化成型；最后将各部件进行胶接组装，且为增强胶接区域的强度，在胶接区域进行包纱，以保证连接的整体性和进一步补强。上框架连接的部位预制有金属件，金属件与碳纤维主体一体成型，金属件起到攻丝、耐磨和更高尺寸精度的作用。金属件在卷料时即预埋到碳纤维料坯中，然后再在模具中一体加热、加压成型，可以实现金属件与碳纤维主体之间的物理形阻，从而进一步防止金属件被拔脱，使两者之间的连接更牢靠；同时金属件配合部位要预留后期整体加工时的余量，以便更好地保证尺寸精度。以旋转支座为例，金属件与碳纤维主体部分构成如表 所示。表 旋转支座部件构成 部件部件名称材质部件数量图示组合体旋转支座旋转支座主体碳纤维 衬套 衬套 衬套 衬套 受电弓上框架的旋转支座、变截面管、连接支座、顶管等部件分别成型后，将各部分使用上框架胶合治具固定，采用常温固化双组分环氧结构胶进行胶合，胶合时配合面要充分粗化，抹胶要充分，保证有胶溢出。整体胶合后的 受电弓上框架部件结合处分别留有.深、长的包纱位，采用 织物预浸料手糊阻燃环氧树脂的方式，在外面包裹 层 碳纤维织物并在常温状态下成型，包裹前包纱部位要进行充分粗化。包纱完成后，包纱部位用 带缠绕固定，在室温静置 进行固化。制备的预埋 传感器的 受电弓上框架示意图如图 所示。图 预埋 传感器的 受电弓上框架.预埋 传感器的引出及保护工艺本文通过预埋在层间的 传感器来获取 上框架内部的应变信息。预埋于 受电弓上框架内部的 传感器通过光纤将其信号传送至光纤光栅解调仪，预埋光栅时，应当使用直尺和记号笔对上框架需粘贴光栅的点位进行标记，将光栅串拉直后轻轻按压在埋入位置上，利用预浸料自身黏性对光栅进行固定。预浸料在成型固化过程中会流出多余的树脂，光纤在引出过程中易受折或信号严重失真，因此需 年 月复合材料科学与工程要对光纤进行保护。由于塑料套管具有较好的弹性和伸缩性，复合材料结构件在成型过程中，保护套管受压而变成扁平状，不易引起损伤，且在引出后遇到弯折区域光纤也不会折断，故使用光纤塑料保护套管对光纤进行保护。埋于预浸料铺层中的光栅串部分无需保护，仅需保护预浸料外的部分。重要的是：第一，为避免光纤在固化过程中被折断，将一小段保护套管埋于预浸料；第二，为避免成型结束后表面处理时光纤被折断，需在光纤保护套管上涂脱模剂，如图 所示（实际上光栅串及保护套管远细于图中所示，对 受电弓上框架机械性能影响很小）。图 受电弓光栅串埋入示意图.本文采用表面引出方式，考虑到 受电弓上框架分部分成型，各部分成型后端口处需与其他部分胶合，不便于光栅的引出，且光栅串埋在 层（均为 铺层）之间，较靠近表层，最终在表层用小刀挑开一个直径略大于光纤直径的圆孔，将光纤引出，优点是降低了操作难度，提高了存活率。成型完成后，将 受电弓上框架内预埋的 传感器接入光纤解调仪，检查 传感器信号是否良好，如图 所示。图 检测预埋 传感器信号.在 受电弓上框架内共预埋 串光栅串，一根光纤串联 个栅，经检测，预埋的 个 传感器信号良好，存活率为。结 论（）本文设计了一种预埋 传感器的 受电弓上框架，与铝合金结构受电弓上框架相比较，全碳纤维上框架进行了一些结构优化设计，有效避免了铝合金受电弓上框架承载结构件开裂情况，增加了与电网的接触稳定性，延长了使用寿命，且实现了上框架的轻量化。（）通过模压成型和固化炉成型工艺制备预埋 传感器的 受电弓上框架，在上框架表面开直径略大于光纤直径的小孔，将光纤引出，并使用塑料套管对其进行保护。使用光纤信号解调仪对 受电弓上框架内预埋的 传感器进行信号检测，预埋的 个传感器信号均正常。本文采用此种光纤引出保护方法预埋的 传感器存活率为。参考文献 陈明国，冯叶，孙云嵩 高速受电弓上框架裂纹故障分析与改进 机车电传动，（）：李林，刘晓波，臧猛，等 碳纤维复合材料受电弓杆件设计及工艺分析 电力机车与城轨车辆，（）：白金花 受电弓可靠性分析与研究 机械研究与应用，（）：，：，（）：沈观林，胡更开，刘彬 复合材料力学 第 版 北京：清华大学出版社，江大志，鞠苏，张鉴炜，等 复合材料结构轻量化方法及技术玻璃钢 复合材料，（）：许可 载货汽车复合材料传动轴轻量化设计 长春：吉林大学，：，（）：蒋园园 光纤光栅传感器应用于复合材料损伤监测的研究武汉：武汉理工大学，：，（）：，：，：史璐 埋入式光纤光栅复合材料结构冲击监测研究 南京：南京航空航天大学，朱欣如 复合材料起落架结构设计与优化分析 哈尔滨：哈尔滨工业大学，张建国，岳金，宋春生，等 碳纤维复合材料螺旋桨铺层角度研究 武汉理工大学学报（信息与管理工程版），（）：年第 期