本發(fā)明涉及一種具有集成聯(lián)接結(jié)構(gòu)的碳纖維—樹脂復(fù)合材料液壓缸缸筒。

背景技術(shù)：

液壓執(zhí)行器件的發(fā)展趨勢是輕量化和高功重比。傳統(tǒng)的金屬液壓缸一般采用金屬作為結(jié)構(gòu)材料；對重量要求特別苛刻的場合則一般采用纖維增強復(fù)合材料作為承載結(jié)構(gòu)。

碳纖維—樹脂復(fù)合材料比重遠(yuǎn)低于鋼材；碳纖維抗拉強度一般高于3500MPa，部分碳纖維材料抗拉強度可達(dá)4500MPa以上。這些特性使得碳纖維增強復(fù)合材料制造液壓缸具有較大優(yōu)勢。

目前已出現(xiàn)的采用碳纖維—樹脂復(fù)合材料制造的液壓缸，往往將碳纖維—樹脂復(fù)合材料運用于制造缸筒，具有的零件，如端蓋，則仍然采用金屬制造。而部分碳纖維—樹脂復(fù)合材料缸筒與端蓋的聯(lián)接則采用傳統(tǒng)的螺釘、銷釘、卡鍵等聯(lián)接，這些聯(lián)接方式需要在碳纖維—樹脂復(fù)合材料上進(jìn)行機(jī)加工，對碳纖維—樹脂復(fù)合材料的連續(xù)結(jié)構(gòu)造成破壞；部分碳纖維—樹脂復(fù)合材料缸筒與端蓋的聯(lián)接采用高剪切模量的黏合劑聯(lián)接，這存在一定脫膠的隱患。同時，目前已有的某些采用碳纖維—樹脂復(fù)合材料制造的液壓缸采用碳纖維全包覆方案，雖然避免了傳統(tǒng)聯(lián)接的削弱作用，但是卻使得缸筒喪失結(jié)構(gòu)獨立性，整個液壓缸筒一旦成型便不可拆卸，以致維修成本昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有集成聯(lián)接結(jié)構(gòu)的碳纖維—樹脂復(fù)合材料液壓缸缸筒設(shè)計方案，解決現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域全金屬缸筒質(zhì)量大、及相應(yīng)的液壓缸功重比不理想的問題；同時提出一種具有獨立結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料液壓缸缸筒設(shè)計，解決現(xiàn)有復(fù)合材料液壓缸維修成本高的問題；同時提供一種無須破壞碳纖維—樹脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性即可實現(xiàn)聯(lián)接的方案，解決現(xiàn)有復(fù)合材料液壓缸的聯(lián)接對承載結(jié)構(gòu)造成削弱的問題。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種具有集成聯(lián)接結(jié)構(gòu)的碳纖維—樹脂復(fù)合材料液壓缸缸筒，包括頭部聯(lián)接件、鉸接耳環(huán)、緊密纏繞層、缸筒外層、缸筒內(nèi)襯、缸底、密封圈；所述頭部聯(lián)接件、鉸接耳環(huán)、缸底、缸筒內(nèi)襯、密封圈共同構(gòu)成缸筒基礎(chǔ)組件；所述緊密纏繞層和缸筒外層是以碳纖維為增強材料、環(huán)氧樹脂為基體，纏繞在缸筒基礎(chǔ)組件外圍后固化成型；所述頭部聯(lián)接件、鉸接耳環(huán)、缸底、缸筒內(nèi)襯、密封圈在緊密纏繞層和缸筒外層的纏繞和固定作用下，共同集成為獨立的、可拆裝替換的缸筒。

進(jìn)一步地，所述的頭部聯(lián)接件與缸筒內(nèi)襯之間不存在傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)接：頭部聯(lián)接件與缸筒內(nèi)襯通過過渡配合后完成預(yù)定位后，以所述緊密纏繞層的纏繞固定作用，完成軸向和徑向定位；所述的缸底與缸筒內(nèi)襯之間也不存在傳統(tǒng)機(jī)械連接：缸底與缸筒內(nèi)襯通過過渡配合完成預(yù)定位后，以所述的緊密纏繞層的纏繞固定作用，完成軸向和徑向定位。

進(jìn)一步地，所述緊密纏繞層的最小內(nèi)徑小于頭部聯(lián)接件及缸底裝配段的最大直徑，即緊密纏繞層無法通過直接套裝完成與頭部聯(lián)接件、缸筒內(nèi)襯、缸底的裝配，須在頭部聯(lián)接件、缸筒內(nèi)襯、缸底外圍纏繞成型；所述緊密纏繞層外表面不存在任何階梯結(jié)構(gòu)，任意不同直徑段之間的過渡部分均為圓臺狀結(jié)構(gòu)；所述緊密纏繞層不存在任何去成型的機(jī)加工結(jié)構(gòu)。所述的缸筒外層與緊密纏繞層之間、緊密纏繞層與缸筒內(nèi)襯之間，均不存在氣隙。

進(jìn)一步地，所述鉸接耳環(huán)不與緊密纏繞層直接接觸；鉸接耳環(huán)與缸底完成預(yù)定位后，以所述缸筒外層的纏繞加固作用，完成鉸接耳環(huán)的軸向和徑向定位。

進(jìn)一步地，所述缸筒外層的最小內(nèi)徑小于緊密纏繞層裝配段的最大內(nèi)徑，即缸筒外層無法通過直接套裝完成與緊密纏繞層的裝配，須在緊密纏繞層外圍纏繞、固化成型；所述缸筒外層的內(nèi)表面及外表面均不存在任何階梯結(jié)構(gòu)，任意不同直徑段之間的過渡部分均為圓臺狀結(jié)構(gòu)；所述缸筒外層不存在任何通過去料成型的機(jī)加工結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述的缸底、頭部聯(lián)接件均采用機(jī)加工方式制出深度大于4mm的異形溝槽，溝底有效寬度大于10mm；此溝槽用于緊密纏繞層與頭部聯(lián)接件、缸底完成聯(lián)接。

進(jìn)一步地，所述的鉸接耳環(huán)，沿其圓周方向均加工有深度大于等于5mm、寬度大于等于20mm的溝槽，此溝槽即缸筒外層纏繞成型的定位結(jié)構(gòu)；所述的鉸接耳環(huán)內(nèi)部集成有球狀滑動軸承。

進(jìn)一步地，所述頭部聯(lián)接件采用機(jī)加工形式制出內(nèi)螺紋，且頭部聯(lián)接件的內(nèi)螺紋小徑尺寸大于缸筒內(nèi)襯的內(nèi)直徑，這樣的頭部聯(lián)接件既能夠方便地與液壓缸端蓋(不屬于本發(fā)明結(jié)構(gòu))實現(xiàn)聯(lián)接，又不阻礙活塞及密封組件的安裝。

進(jìn)一步地，所述缸筒內(nèi)襯任意一處橫截面均為同心圓，且內(nèi)徑、外徑均保持不變。

進(jìn)一步地，所述的密封圈內(nèi)徑大于缸筒內(nèi)襯外徑，即裝配條件下處于拉伸狀態(tài)；所述缸底及頭部聯(lián)接件上加工密封圈安裝槽，其槽底與缸底或頭部聯(lián)接件的外表面之間距離不小于5mm。

本發(fā)明的有益結(jié)果是：

1、本發(fā)明與現(xiàn)有金屬液壓缸相比具有重量輕、功重比高、抗腐蝕能力強等優(yōu)點：較相同規(guī)格、相同壓力等級的金屬液壓缸缸筒至少減重60％，液壓缸整體至少減重35％，相應(yīng)地，實際工程應(yīng)用中本缸筒可以降低能耗、提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)性；同時，由于液壓缸自身減輕，設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量減小，使系統(tǒng)動態(tài)特性有所改善。

2、本發(fā)明通過頭部聯(lián)接件、鉸接耳環(huán)和缸底的特殊結(jié)構(gòu)，使碳纖維連續(xù)纏繞得以實現(xiàn)，與采用與螺紋、螺栓、銷釘、卡鍵等破壞結(jié)構(gòu)完整性的連接方式相比，具有碳纖維增強相的連續(xù)性高、碳纖維—樹脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整的特點，充分發(fā)揮了碳纖維—樹脂復(fù)合材料的力學(xué)優(yōu)勢。

3、本發(fā)明的緊密纏繞層和缸筒外層的空間結(jié)構(gòu)均采用圓臺過渡取代階梯結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象和碳纖維樹脂復(fù)合材料的氣隙產(chǎn)生，增加了整體結(jié)構(gòu)的牢固性。

4、本發(fā)明缸筒組件具有可替換性，即頭部聯(lián)接件、缸底、缸筒內(nèi)襯、密封圈、缸筒外層、緊密纏繞層、鉸接耳環(huán)共七部分作為一個獨立整體結(jié)構(gòu)存在，維修時可在不破壞該獨立整體結(jié)構(gòu)及其他零部件的情況下進(jìn)行零件替換，使維修難度及成本較“全包覆式的復(fù)合材料液壓缸”均有所降低。

5、本發(fā)明將碳纖維—樹脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)緊貼金屬零件，即頭部聯(lián)接件、缸筒內(nèi)襯、缸底、鉸接耳環(huán)的特殊形狀的外表面，固化后上述結(jié)構(gòu)便牢牢集成為一體。碳纖維—樹脂復(fù)合材料的增強結(jié)構(gòu)發(fā)揮承載作用的同時也起到聯(lián)接的作用。碳纖維—樹脂復(fù)合材料不需機(jī)加工，最大限度地保持了結(jié)構(gòu)完整性，單位體積的承載能力高于機(jī)加工處理后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明液壓缸缸筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明液壓缸缸筒立體圖；

圖中，頭部聯(lián)接件1、缸筒外層2、密封圈3、緊密纏繞層4、缸筒內(nèi)襯5、缸底6、鉸接耳環(huán)7。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種具有集成聯(lián)接結(jié)構(gòu)的碳纖維—樹脂復(fù)合材料液壓缸缸筒與傳統(tǒng)液壓缸缸筒結(jié)構(gòu)相近，除缸筒外層2、緊密纏繞層4系復(fù)合材料制造，密封圈3依照國標(biāo)選擇相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件以外，其他零件均采用鋼制造。本發(fā)明缸筒包括頭部聯(lián)接件1、缸筒外層2、密封圈3、緊密纏繞層4、缸筒內(nèi)襯5、缸底6、鉸接耳環(huán)7；其中，頭部聯(lián)接件1、密封圈3、缸筒內(nèi)襯5、缸底6、鉸接耳環(huán)7，共同構(gòu)成缸筒基礎(chǔ)組件部分；所述缸筒外層2和緊密纏繞層4均是以抗拉強度≥4200MPa的高強度碳纖維為增強材料、環(huán)氧樹脂為基體，將碳纖維纏繞在缸筒基礎(chǔ)組件上成型的；所述頭部聯(lián)接件1、密封圈3、缸筒內(nèi)襯5、缸底6、鉸接耳環(huán)7在缸筒外層2和緊密纏繞層4的纏繞集成作用下，共同構(gòu)成獨立的、可拆裝替換的缸筒組件。本發(fā)明缸筒組件具有可替換性，作為一個獨立整體結(jié)構(gòu)存在，維修時可在不破壞該獨立整體結(jié)構(gòu)及其他零部件的情況下進(jìn)行零件替換，使維修難度及成本較“全包覆式的復(fù)合材料液壓缸”均有所降低。

在頭部聯(lián)接件1、缸底6外側(cè)運用機(jī)加工方式制出深度大于4mm、有效寬度大于10mm的異形溝槽，鉸接耳環(huán)7的圓周外側(cè)均加工有深度大于等于5mm、寬度大于等于20mm的溝槽，上述溝槽用于輔助碳纖維—樹脂復(fù)合材料制成的缸筒外層2、緊密纏繞層4的纏繞集成。具體的集成實現(xiàn)方式為：安裝有密封圈3的頭部聯(lián)接件1與缸筒內(nèi)襯5通過過渡配合后完成預(yù)定位后，以緊密纏繞層4的纏繞固定作用，完成軸向和徑向定位；安裝有密封圈3的缸底6與缸筒內(nèi)襯5之間通過過渡配合完成預(yù)定位后，以緊密纏繞層4的纏繞固定作用，完成軸向和徑向定位；鉸接耳環(huán)7與缸底6完成預(yù)定位后，以缸筒外層2的纏繞加固作用，完成鉸接耳環(huán)7的軸向和徑向定位。

所述缸筒內(nèi)襯5加工過程中除了內(nèi)表面進(jìn)行精磨、端部倒角之外，再無其他機(jī)加工工序。當(dāng)頭部聯(lián)接件1、缸底6、缸筒內(nèi)襯5機(jī)加工完成之后，須去除毛刺并清洗內(nèi)部雜物，頭部聯(lián)接件1與缸筒內(nèi)襯5過渡配合處采用封型圈3，缸底6與缸筒內(nèi)襯5過渡配合處采用密封圈3，確保安裝同軸度后方可纏繞碳纖維。

本發(fā)明液壓缸可應(yīng)用在以液壓油或水-乙二醇為流體介質(zhì)的液壓傳動、液壓控制設(shè)備中。

最后需要注意的是，上述說明只是本發(fā)明的一種具體應(yīng)用實例，可以根據(jù)需要，設(shè)計其他規(guī)格的液壓缸，顯然與本發(fā)明基本原理相同的其他應(yīng)用實例也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。