一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料的制作方法

1.本发明涉及机器人防爆技术领域，特别涉及一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料。


背景技术：

2.随着社会的发展，机器人逐渐走入我们生活的方方面面，如，货物运输、搜救以及井下检测等，从而代替人工在高危环境下工作，而这些环境多为高温、高压等特殊环境，这就需要为机器人提供，一种能够适应现场特殊环境的防护外壳；
3.现有的井下作业，只能通过人工完成，而由于矿井内部容易出现爆炸危险，因此会给工作人员带来一定的安全隐患；
4.目前，现有技术针对隔爆外壳采用的技术方案为钢结构件。该技术的缺点为：
5.(1)常规的钢结构屈服强度不会超过345mpa；
6.(2)大型结构采用焊接型式，有焊接缺陷；
7.(3)重量重，对于移动设备能耗高，对于电池供电设备，续航时间短，为此，我们提出一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料，可以有效解决背景技术中的问题。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
10.一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料，由以下比例的原料组成：
11.纤维纺编织物：52-65％；
12.树脂：38-43％；
13.石墨粉：1-3％。
14.优选的，所述纤维纺编织物包含碳纤维纺织物以及玻璃纤维纺织物，其中，玻璃纤维纺织物采用高强玻璃纤维。
15.优选的，所述纤维纺编织布中碳纤维纺织物与玻璃纤维纺织物比例为5:3。
16.优选的，所述树脂采用环氧树脂。
17.优选的，一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：
18.下料：按照顺序对纤维编织物做编码标识，放置于干燥密闭环境中；
19.铺层：将纤维编织物铺设到中；
20.注胶：对模具底部注胶，模具顶部抽气，树脂完全浸渍纤维为止；
21.固化：将注胶后的模具送入烤箱，控温固化；
22.脱模。
23.优选的，所述铺层过程中，相邻两组纤维编织物之间的按照0
°
、
±
45
°
以及90
°
交替
对称铺设。
24.优选的，所述铺层过程中，纤维编织物的剪口均需错开对接，且错开距离不得低于50mm。
25.优选的，所述注胶过程中，先在中铺设脱模及导流辅料，并在对角线方向布置胶管。
26.优选的，所述固化过程中，控温固化包括以下步骤：
27.(1)、先升温至38-42℃，并保温1.6-2.1h；
28.(2)、再升温至76-83℃保温5.8-6.3h。
29.优选的，该制备方法还包括以下步骤：
30.检验：依据图纸检验外形尺寸，并依据图纸进行机加工，钻孔锥丝及开槽；
31.喷漆；
32.检验入库：依据图纸进行检验，检验完毕后入库。
33.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
34.一是，材料成型方便，较钢结构焊接工艺生产快速；
35.二是，成型后质量一致性好，不会出现类似于钢结构焊接的人为生产过程出现的缺陷；
36.三是，外壳的质量可降低一半以上；
37.四是，材料较钢结构件，质量轻，强度高，可设计性好，耐热冲击，耐腐蚀，吸振性好；
38.五是，性能可以在一个很宽的范围内变化，通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺层方向及树脂基体设计出各种强度指标、弹性模量以及阻燃性能要求的产品；
39.六是，成型工艺适合于不同的结构和形状的产品。
附图说明
40.图1为本发明一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料制备方法的整体结构流程图；
41.图2为本发明一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料中纤维铺层测试图；
42.图3为本发明一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料中下壳体铺层样条弯曲图；
43.图4为本发明一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料中上壳体铺层样条弯曲图；
44.图5为本发明一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料中壳体1:1铺层样条弯曲失效试验。
具体实施方式
45.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
46.一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料，由以下比例的原料组成：
47.纤维纺编织物：52-65％，所述纤维纺编织物包含碳纤维纺织物以及玻璃纤维纺织
物，其中，玻璃纤维纺织物采用高强玻璃纤维，纤维纺编织布中碳纤维纺织物与玻璃纤维纺织物比例为5:3；
48.树脂：38-43％，所述树脂采用环氧树脂；
49.石墨粉：1-3％。
50.一种井下危险气体巡检机器人用防爆外壳材料的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：
51.下料：按照顺序对纤维编织物做编码标识，放置于干燥密闭环境中；
52.铺层：将纤维编织物铺设到中，相邻两组纤维编织物之间的按照0
°
、
±
45
°
以及90
°
交替对称铺设(即铺设时，第一层纤维编织物设置为0
°
，铺设第二层纤维编织物时，向左旋转45
°
，接着第三层纤维编织物，向右旋转45
°
，同理第四层纤维编织物旋转90
°
，依次比上一层纤维编织物旋转45
°
铺设)，纤维编织物的剪口均需错开对接，且错开距离不得低于50mm；铺设时，采用交替铺设的方式铺设，即由下到上依次交替铺设碳纤维纺织物和玻璃纤维纺织物。最终碳纤维纺织物位于最外层，即以碳纤维纺织物结尾
53.注胶：对模具底部注胶，模具顶部抽气，树脂完全浸渍纤维为止，先在中铺设脱模及导流辅料，并在对角线方向布置胶管；
54.固化：将注胶后的模具送入烤箱，控温固化，控温固化包括以下步骤：
55.(1)、先升温至38-42℃，并保温1.6-2.1h；
56.(2)、再升温至76-83℃保温5.8-6.3h；
57.脱模：
58.检验：依据图纸检验外形尺寸，并依据图纸进行机加工，钻孔锥丝及开槽；
59.喷漆；
60.检验入库：依据图纸进行检验，检验完毕后入库。
61.材料检验：
62.防爆壳强度设计思路主要来源于蔡-胡强度理论，复合材料是由多层纤维组成的，在一定的载荷条件下不会同时发生破坏情况，壳体某个最薄弱地方的最外层首先发生破坏后，本体仍能继续承载，随着进一步的增加载荷，破坏逐层延伸，直至最终破坏。依据此破坏机理，提炼防爆壳体的设计思路如下：通过改变壳体局部截面尺寸调整壳体的刚度分布，具体措施是各面交汇处以及法兰位置相对各面明显加厚，让壳体最薄弱的位置出现在平面区域，这样超载损伤区域的位置便可预期了。然后重点校核薄弱点的强度，以达到整体力学性能均满足使用要求的目标，大大减小试验的工作量。
63.电气爆炸时，内部压力增加，壳体各平面受力后弯曲变形，平面区域的最大变形处表层的纤维拉应力是最大的，若超出外层纤维层的抗拉强度则会出现外层纤维断裂情况，随着载荷的进一步提高，断裂层逐步向内延伸，直至完全断裂，图4中的四条曲线从左到右依次为曲线1、曲线2、曲线3以及曲线4。
64.热性能：碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气(惰性气体保护下)，2000℃仍有强度，液氮下也不脆断。碳纤维复合材料的导热性能好。导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为0.04cal/(s*cm*℃)；垂直纤维方向的导热系数为0.002cal/(s*cm*℃)。碳纤维复合材料的线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维复合材料有收缩的趋势，尺寸稳定好，耐疲劳性好。
65.耐腐蚀性：碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。
66.老化检测：经过检测，弯曲强度热重点斜法温度指数为143，根据计算所得热寿命方程对该材料进行推算，在使用温度为110℃时，其使用寿命可达50年。
67.碳纤维复合材料不像硅基纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射等特性。
68.图5中铺层样条弯曲失效试参数：
69.样条尺寸160mm*15mm*10.5mm铺层方式与壳体铺层一致
70.图3中c：为碳纤维；b；为玻璃纤维。
71.实施例
72.1)碳纤维
73.碳纤维是由有机纤维(如粘胶纤维、聚丙烯晴纤维或沥青基纤维)在保护气体下热处理碳化成为含碳量90％～100％的纤维。由碳纤维制成的碳纤维复合材料具有拉伸强度高、密度小、比强度和比模量高的特点。
74.碳纤维复合材料的耐高低温性能也很好，在隔绝空气(惰性气体保护下)，2000℃仍有强度，液氮下也不脆断。碳纤维复合材料沿纤维轴向的导热系数为0.04cal/(s*cm*℃)，垂直纤维方向的导热系数为0.002cal/(s*cm*℃)，故碳纤维复合材料的导热性能也较好。
75.一般酸碱对碳纤维复合材料的作用很小，具有良好的耐腐蚀性。
76.碳纤维复合材料不会潮湿环境中发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射等特性。
77.碳纤维复合材料的可设计性强，纤维增强复合材料显着特点是高比强度和高比刚度，性能可以在一个很宽的范围内变化，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向及树脂基体设计出各种强度指标、弹性模量以及阻燃性能要求的产品，同时纤维增强复合材料的成型工艺适合于不同的结构和形状的产品，在保证复杂部件成型的同时，性能保持不变，形状可灵活设计。
78.因碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有轻质高强、可设计性好、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，故国内外已在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。
79.碳纤维材料为中复神鹰产的t300级碳纱，其主要技术参数如表1。
[0080][0081]
表1
[0082]
防爆壳承受压力时壳体的各个面以弯曲变形为主，故此主要测试纤维层合板样条的弯曲强度指标进行分析，按照设计好的纤维铺层制作样条并进行了测试，结果如图2所示。
[0083]
从图2所示，测试结果可以看出，碳纤维复合材料样条的弯曲强度在500mpa以上，碳素结构钢q235-a的弯曲强度为215mpa，优质碳素结构钢45#钢的弯曲强度在450mpa左右，由此可见碳纤维复合材料的强度优势还是比较明显的。
[0084]
2)高强玻纤(s玻纤)
[0085]
高强玻璃纤维强度和无碱e玻璃纤维相比，拉伸强度提高了30-40％,弹性模量提高16-20％，耐温提高100-150℃，其增强材料制品的耐疲劳特性提高近10倍，而且高强度玻璃纤维的断裂伸长量大，抗冲击性能好，并具有耐老化、耐腐蚀性能好，树脂浸透性能好的特点。玻纤织物使用的纱线主要参数如表2：
[0086]
牌号hs2拉伸强度(mpa)4100拉伸模量(gpa)87-91断裂伸长率(％)5.3
[0087]
表2
[0088]
(3)环氧树脂
[0089]
环氧树脂是分子结构中含有两个以上环氧基团的有机高分子聚合物的统称，是一种热固性材料，可与多种类型固化剂交联反应形成具有三向网状结构、不溶、不熔的高聚物，具有优良的物理机械性能、电绝缘性能、耐药品性能和粘结性能。可以作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料以直接或间接使用。飞机、航天器中的复合材料、大规模集成电路的封装材料、发电机的绝缘材料、钢铁和木材的涂料、机械土木建筑用的胶粘剂、乃至食品罐头内壁涂层和金属抗蚀电泳涂装等都大量使用环氧树脂。影响环氧树脂基体产品使用的温度指标为热变形温度hdt，该指标决定了树脂基体产品的长期允许工作温度，长期处于热变形温度下，树脂的强度会降低、模量降低、抗蠕变特性变差，影响产品使用寿命。短时小幅度超出热变形温度，待降至常温后树脂性能指标可恢复。
[0090]
(4)导电石墨粉
[0091]
石墨粉质软，黑灰色，有油腻感，比重为1.9～2.3。在隔绝氧气条件下，其熔点在
3000℃以上，是最耐温的矿物之一。石墨粉的化学性质比较稳定，常温下不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。导电石墨粉作为石墨粉的一种，是碳的形态之一，为层型结构，层中每个碳原子以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子形成三个等距离的键，未参与杂化的spz轨道还有一个孤电子，与石墨层的方向垂直，每个碳原子的spz轨道的孤电子相互重叠(肩并肩)，形成离域π键，这些离域电子在整个碳原子平面内自由移动，故石墨在平行于片层地方向上有良好的导电性。导电石墨粉的主要技术参数如表3：
[0092]
电阻率(ω.cm)10-3
空气中耐热性(℃)450熔点(℃)3250粒子形状片状平均粒度(μm)1-2粒度分布(μm)d
10
《0.5,d
50
《1,d
90
《3密度(g/cm3)2.2表观密度(g/cm3)0.15-0.18固定碳(％)99.9吸油量g/100g50水分(％)0.3灰分(％)0.1水悬浮液ph6.5-7.5
[0093]
表3
[0094]
防爆壳工艺流程
[0095]
1.下料
[0096]
按照设计好的铺层顺序和角度裁剪纤维织物，做好布标编码标识，放置于干燥密闭环境中。
[0097]
2.铺层
[0098]
按照0
°
/
±
45
°
/90
°
交替对称铺层，主壳体壁厚为11mm，其他分腔体壁厚为9mm，法兰面为27mm。铺层过程最大限度减小剪口数量，所有剪口均需错开对接，错开距离不得低于50mm。
[0099]
3.注胶
[0100]
铺设脱模及导流辅料，对角线方向布置胶管，采用底部注胶、顶部抽气方式，按照计算好的胶水用量进行灌注，直到树脂完全浸渍纤维为止。
[0101]
4.固化
[0102]
将灌注完的预制件送入烤箱，预升温40℃保温2h，然后升温至80℃保温6h，固化过程中时常观察，避免出现真空袋漏气情况发生。
[0103]
5.脱模
[0104]
利用工具撬别脱模口，严禁使用用锋利和尖锐的工具，注意不要划伤型腔及产品表面。
[0105]
6.检验
[0106]
依据图纸检验外形尺寸。
[0107]
7.机加
[0108]
依据图纸进行机加工，钻孔锥丝及开槽。
[0109]
8喷漆
[0110]
依据客户要求进行底漆、面漆喷涂。
[0111]
9.检验入库
[0112]
依据图纸进行检验，检验完毕后入库。
[0113]
防爆壳的铺层采用正交编制纤维织物为原材料，0
°
/90
°
交替对称铺层，面内模拟各向同性。防爆壳综合宏观力学性能表如下：
[0114]
防爆壳样条宏观力学参数表4：
[0115][0116][0117]
表4
[0118]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。