复合材料套筒和液压缸的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种套筒，具体地，涉及一种复合材料套筒及增强型的复合材料液压 缸。
【背景技术】
[0002] 在增强型复合材料液压缸的设计中，复合纤维材料与金属部件之间的连接结构是 设计难点。现有技术中，通常有销钉连接、粘结连接以及一体成型三种方式。其中，销钉或螺 栓连接需要在复合材料层上设置孔洞，从而破坏纤维及其性能，粘结连接方式则难以保障 连接强度。
[0003] 在一体成型方式中，则是通过纤维在金属部件上往复缠绕以使得复合材料层与金 属部件形成为一体结构。例如，在专利公开文献CN103527549A中提供了一种复合材料筒管 及制造方法，其中的缸筒即采用纤维和金属件一体成型方式。如图1所示，在筒管100的两端 部内孔中嵌套两个金属连接环200,耐磨内衬300位于两个金属连接环200之间。连接环200 设有内螺纹，连接环200的一端与耐磨内衬300的连接处设有过渡锥面201，另一端采用圆弧 过渡面202。筒管100还包括周向增强纤维，周向增强纤维以筒管100的两端为极点进行连续 往返缠绕包裹两个连接环200。
[0004] 在金属部件的外周面上螺旋缠绕的纤维必须满足纤维位置的稳定性要求，即缠绕 路径需沿测地线行进，使得缠绕后的纤维能够在金属部件上稳定附着、不打滑，因此需要对 纤维的螺旋缠绕角进行优化设计。此外在金属部件的截面增大处，更应考虑纤维缠绕的位 置稳定性条件。如图1中的过渡锥面201部分，采用锥面设计时，缠绕的纤维容易在锥面上出 现滑线，绷紧的纤维层不能牢靠附着在锥面上，甚至与锥面之间产生径向分离。这种附着不 牢靠或径向分离需要采用粘结剂进行补救，或导致局部出现粘接剂堆积、纤维分布不均匀 等缺陷。因此在对变径筒体进行纤维缠绕时，需要对纤维缠绕角、结构形状等进行优化设 计，以提高整体结构性能。
[0005] 此外，在一体成型方式中还需要考虑工艺可行性和节约性。例如，为实现一体成 型，应优先考虑纤维在筒体两端的回绕设计，而非采用在端部切除、打断纤维的方式，否则 将严重降低复合材料层的承载性能。在图1中，圆弧过渡面202的面积是否能够实现纤维在 该处的回绕，能否利用现有的缠绕设备实现，均存有一定疑问。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种复合材料套筒及应用了该 复合材料套筒的液压缸，该套筒外周面的复合材料层贴合紧密，尤其在变径过渡部分，使得 套筒结构性能稳定、可靠。
[0007] 为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种复合材料套筒，包括筒体和 复合材料层，该复合材料层由复合材料纤维至少在筒体的外周部沿轴向往复螺旋缠绕而 成，筒体包括同轴设置且依次连接的小直径筒段、过渡连接段和大直径筒段，过渡连接段的 外周面作为过渡连接环面连接于小直径筒段的外周面与大直径筒段的端部周缘之间，过渡 连接环面形成为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够贴合于过渡连接环面上。
[0008] 优选地，形成复合材料层的每根复合材料纤维在小直径筒段和大直径筒段的外周 面上均呈螺旋状缠绕，每根复合材料纤维在小直径筒段的外周面上形成为第一螺旋线且在 大直径筒段的外周面上形成为第二螺旋线，第一螺旋线与第二螺旋线之间通过直线段相 连，直线段为第一螺旋线的第一螺线终点的切线，该切线延伸至大直径筒段的外周面上的 第二螺线始点；
[0009] 其中，由切线状的直线段环绕小直径筒段和大直径筒段的中心轴线旋转而成的环 面与过渡连接环面吻合。
[0010] 优选地，过渡连接环面包括内凹圆弧状的母线，母线与中心轴线处于过渡连接环 面的同一轴截面上，母线的第一母线端点与第一螺线终点均位于小直径筒段的同一端面外 周缘上，母线的第二母线端点为第二螺线始点；
[0011] 其中，以第一母线端点在中心轴线上的径向投影点为坐标零点，中心轴线为X轴， 第一母线端点与径向投影点之间的径向为y轴，则母线的曲线方程为：
其中^为小直径筒段的半径，α为复合材料纤维在小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角。
[0012] 优选地，母线沿中心轴线的轴向长度为
[0013] 优选地，大直径筒段的端部周缘形成有圆弧倒角，使得过渡连接环面与大直径筒 段的外周面之间形成弧面光滑过渡。
[0014]优选地，复合材料纤维在小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角为α的范围为30°~ 60。。
[0015] 娜也，复合材料纤维在大直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角_足： 其中^为大直径筒段的半径。
[0016] 优选地，小直径筒段的外端面和/或大直径筒段的外端面均形成为向外隆起的弧 形面，复合材料纤维在两个外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成复合材料层；
[0017] 并且，小直径筒段的外端面和大直径筒段的外端面均伸出有环形止口，覆盖在外 端面上的复合材料层的端部能够抵靠于环形止口的外周面上。
[0018] 根据本发明的另一个方面，提供了一种液压缸，包括缸底和上述的复合材料套筒， 该复合材料套筒中的小直径筒段作为液压缸的缸筒的内衬筒，大直径筒段作为液压缸的筒 形缸盖，内衬筒的底端与缸底相连，内衬筒的头端与筒形缸盖相连，复合材料层延伸至缸底 的外周部上，以使缸底、内衬筒和筒形缸盖一体成型。
[0019] 优选地，筒形缸盖的缸盖外端面和缸底的缸底外端面均形成为向外隆起的弧形 面，复合材料纤维在缸盖外端面和缸底外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成复合材料 层。
[0020] 优选地，液压缸还包括FBG传感器，该FBG传感器粘贴于内衬筒的外周部上并从缸 底外端面引出。
[0021] 优选地，缸底的外周部和筒形缸盖的内周部分别形成有止口凹槽，内衬筒的两端 分别轴向插入以抵接相应的止口凹槽。
[0022]根据上述技术方案，在本发明的复合材料套筒和液压缸中，对套筒的变径过渡部 分的形状、结构和纤维缠绕角等进行了优化设计，过渡连接环面优化为内凹的弧形环面，使 得复合材料层能够更紧密地贴合于该过渡连接环面上，尤其是过渡连接环面的两端，纤维 缠绕后在过渡连接环面的两端不易产生翘起、甚至径向抬升而脱离过渡连接环面，也不易 出现纤维滑线问题，改善了套筒和液压缸的结构性能，更稳定、可靠。
[0023]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0024]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0025] 图1是现有技术中的一种复合材料筒管的结构示意图；
[0026] 图2为根据本发明的优选实施方式的液压缸的剖视图；
[0027] 图3为图2中的Dl圈处的局部放大示意图；
[0028]图4为图2中的D2圈处的局部放大示意图；
[0029] 图5为图2中的D3圈处的局部放大示意图；
[0030] 图6为根据本发明的优选实施方式