要應(yīng)對臂架受力情況的復(fù)雜多變，就需要研發(fā)出可滿足工程機(jī)械裝備制造需求的“既抗拉又抗壓”的碳纖維復(fù)合材料。這，是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是極具挑戰(zhàn)力的難點(diǎn)。

“泵車是工程機(jī)械中極為典型的超長柔性多關(guān)節(jié)臂架類裝備。今天大家看到的這臺泵車展臂，最大長度可達(dá)63米，是四橋底盤上可實(shí)現(xiàn)的極限臂長。這主要得益于碳纖維臂架技術(shù)優(yōu)異的輕量化能力。”11月26日，在長沙召開的“中聯(lián)重科新能源裝備及碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)發(fā)布會”上，中聯(lián)重科研究院技術(shù)研究中心(以下簡稱中聯(lián)重科)副主任劉延斌，介紹了首次公開亮相的我國首款國產(chǎn)化碳纖維臂架泵車。

“兩級混合”設(shè)計(jì)成就碳纖維復(fù)合材料“鋼”性

這臺國產(chǎn)化碳纖維臂架泵車采用了中聯(lián)重科歷經(jīng)10年自主研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料。該材料設(shè)計(jì)—計(jì)算—制造—測試成套技術(shù)的研發(fā)成功，助力我國實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料從原材料、裝備、設(shè)計(jì)計(jì)算方法到工藝制造等全鏈條的國產(chǎn)化;打破國外技術(shù)壟斷的同時(shí)，大幅降低了工程機(jī)械領(lǐng)域以碳纖維材料制造的主承力結(jié)構(gòu)件的價(jià)格成本，助力這類新型高性能材料的商用落地。

新裝備開發(fā)，材料先行。上世紀(jì)以來，以碳纖維復(fù)合材料為代表的輕量化材料，支撐了航空航天裝備飛速發(fā)展。到本世紀(jì)，隨著技術(shù)的成熟，碳纖維復(fù)合材料逐漸在交通、能源、工業(yè)等民用領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

不過，相較于碳纖維材料常用于的航空航天領(lǐng)域，其用于工程裝備制造，技術(shù)難度和復(fù)雜性更甚。通常，衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)等在空中運(yùn)行，處于相對穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)。但工程施工中，具多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的碳纖維細(xì)長臂架，需在空中完成各類施工所需的操作動作，運(yùn)動狀態(tài)和受力情況復(fù)雜多變?？善祭w維是一種“抗拉(伸)不抗壓(力)”的材料。要應(yīng)對臂架受力情況的復(fù)雜多變，就需要研發(fā)出可滿足工程機(jī)械裝備制造需求的“既抗拉又抗壓”的碳纖維復(fù)合材料。這，是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是極具挑戰(zhàn)力的難點(diǎn)。

早在2011年，中聯(lián)重科便開始研究以碳纖維材料制造臂架。但碳纖維材料“抗拉不抗壓”的難題，也同樣困擾了他們。不斷地研究與實(shí)驗(yàn)，中聯(lián)重科碳纖維材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于創(chuàng)新性地提出了“兩級混合”設(shè)計(jì)。即對臂架端部采用高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)和臂體部分碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配式混合;對臂體部分，采用碳纖維復(fù)合材料和高強(qiáng)鋼板疊層式的半金屬化混合，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料抗拉、抗壓的“雙抗”性能。這樣的“操作”后，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)便具備了鋼材同樣的成型和加工性能。

“我們設(shè)計(jì)制造的碳纖維復(fù)材—高強(qiáng)鋼混合結(jié)構(gòu)臂架，經(jīng)過最嚴(yán)格的疲勞考核驗(yàn)證，4米縮尺臂架試驗(yàn)用過的樣件超過100件，臂架總成考核的時(shí)間超過15000小時(shí)，整機(jī)也經(jīng)過了長達(dá)一年的工地工業(yè)性考核。上述驗(yàn)證表明，混合結(jié)構(gòu)臂架的壽命達(dá)到了高強(qiáng)鋼臂架的2倍。”劉延斌說。

成套技術(shù)有望帶來工程機(jī)械行業(yè)“輕”革命

“2008年起，我們就開始探索和形成以高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)、制造臂架的輕量化技術(shù)和動力節(jié)能技術(shù)。2014年，我們?nèi)鎲恿艘孕虏牧?、新工藝、新方法為核心的綠色化技術(shù)研究與應(yīng)用，并且把碳纖維作為繼高強(qiáng)鋼之后的下一代新材料攻關(guān)重點(diǎn)。今天很欣喜的是，我們成功了。”中聯(lián)重科副總裁、總工程師付玲說。

事實(shí)上，碳纖維復(fù)合材料原創(chuàng)新技術(shù)除了臂架兩級混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了基于臂架兩級混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自研的臂架制造工藝而建立的“混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫”，并給出了計(jì)算誤差小于10%的“碳纖維復(fù)材—金屬混合臂架精準(zhǔn)計(jì)算方法”。

針對泵車使用過程中可能出現(xiàn)的臂架異常損傷，團(tuán)隊(duì)還提出并建立了成套修復(fù)方法。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在結(jié)構(gòu)中嵌入磨損失效感知元件，在碳纖維臂架的“骨頭”中裝上“感知神經(jīng)”，助力碳纖維臂架修復(fù)。

“通過成套技術(shù)，我們制造的碳纖維復(fù)合材料臂架，可顯著提高整機(jī)輕量化水平。以今天亮相的國產(chǎn)化碳纖維泵車臂架為例，相對鋼材料臂架，輕量化可達(dá)35%。”劉延斌說。

中國工程院院士黃伯云稱，碳纖維材料與工程機(jī)械裝備的結(jié)合，有望為工程建筑裝備帶來“輕”革命，傳感元件與復(fù)合材料融合，則有望給新材料帶來“智”的飛躍。這種碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)，有望拓寬碳纖維材料的民用領(lǐng)域，也有望助力新材料在工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展。