专利名称：具有加固结构的耐压液压软管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液压软管，尤其是涉及一种采用至少一组耐压丝线进行加固的具 有加固结构的耐压液压软管。
背景技术：
众所周知，在工业和非工业系统中，在各种操作条件，如弯曲、扭曲、挤压(榨压) 和牵拉条件下，柔性液压软管能够经受内高压或者外高压的压力，得到广泛的应用。现有技术中的液压软管，其在柔性材料制成的核心内管外围，设置有浸埋在弹性 材料(elastomeric)中的至少一组耐压材料，并在其上覆盖一层柔性材料。该核心内管或者其外围的材料成分可以是下列成分中的任意组合弹性材料，聚 合材料，或者是两种材料的交迭层。柔性软管的主要特性是柔韧性，因此，与刚性的金属管相比，柔性软管可以在相互 移动的物体之间提供柔性连接，而且安装简便。为了满足这些要求，柔性液压软管需要具备 以下的基本功能1、承受内部压力和/或承受结合有附加负载的外部压力；以及2、提供令人满意的柔韧性和密实度(在本说明书中，密实度被定义为制造具有给 定的内径和减小的外径的软管的能力)。减小液压软管的外径尺寸可以减小软管的惯性矩，提高柔韧性，减小软管与配件 的联结点的单位面积的应力，并且可以节省弹性材料和金属材料。为了使用较少的材料消耗而获得更为密实和柔韧的软管，并使其具有不变的或改 进的耐破度(burst strength)和脉冲耐压度(pul se pressure resi stance)，现有技术中 的设计生产方式是1)提高圆截面的加固钢丝的抗拉力，同时减小钢丝的直径；2)加大非圆截面的加固钢丝的横截面面积，同时减小钢丝的径向尺寸。运用这两种方式，发展出利用高强度、超高强度、极高强度的扁平截面钢丝进 行加固的方案，该扁平截面钢丝是利用滚压工艺由传统圆截面钢丝制成(如专利申请 W02005/108846A1)。然而，第一种方式受限于圆截面钢丝材料的物理特性。通常地，现有技术中所使用 的圆截面钢丝材料，由于物理特性的限制，抗拉力极限为3050 3350MPa，当抗拉力值高于 其上时，材料会产生严重脆裂，从而无法获得更好的抗拉性。这极大地限制了圆截面钢丝材 料作为液压软管加固材料在提高抗压性、密实度和柔韧性方面的发展，特别是在大、中尺寸 的液压软管方面的应用。不同地，专利申请W02005/108846A1公开了一种扁钢丝，有两个平行边和两个具 有自然曲率的圆边，其优点是，在具有相同性能的同时结构更加密实；该专利申请还声称， 通过将圆截面钢丝碾压成扁横截面钢丝，可得到更大的展延性，其抗脆裂性能得以加强。在该专利申请中还声称具有另一个优点是，这种扁平横截面钢丝用于螺旋缠绕型(spiraled)或编织型(braided)结构时，由于钢丝的接触面增大，其有助于减少圆截面钢 丝常有的“摩擦腐蚀(fretting)”磨损。但是，上述解决方案由于其截面几何结构高度不对称而存在着一些缺陷，这种扁 平横截面钢丝在用于螺旋缠绕型和编织型结构时，当其被缠绕到被加固物体时，不可以均 勻分布动态耐压荷载，引起挠度(弯曲压)、牵引度(张应力)和扭曲度(扭应力)的联合 作用，与现有的几何结构均勻的圆截面钢丝相比，造成局部负荷超出达10%。此外，还有一个缺陷在于，由于钢丝外轮廓的不连续性，在其扁平表面和圆表面之 间形成的过渡线(其成为加固钢丝之间的接触界面)上，特别是在编制型结构中，会产生比 圆横截面钢丝更为严重的缺口效应(notch effect) 0更进一步地，当扁平横截面钢丝没有被放置到相对于内管的正确位置上时，即，当 扁平表面不是垂直于软管直径，而是几乎平行于软管时，高度较小的钢丝和/或所出现的 过渡线成为磨损弹性内管的缺口，在短时间内造成软管的破损，引起漏油。如果扁钢丝被扭 转，这种效应会由于覆盖率减小而变得更加严重。所述覆盖率是指，加固钢丝的内表面面积和需要加固的液压软管的全部外表面面 积之间的比率。这种加固结构的几何结构的另一个缺陷在于，它基本上具有两个有利的设置方 式1、使扁平侧面平躺在所缠绕的元件上(垂直于管径)；2、使扁平侧面垂直于所缠绕的元件(平行于管径)。在存在扭转的情况下，仅有四种可能的定向方案，相互之间为90度，扭力被集中 在一个很短的长度内，从而在加固结构中引起高于圆截面钢丝的额外的应力。作为一种可替代的方案，美国专利US 6，390，141公开了一种液压软管，其声称的 液压软管通过一螺旋加固层进行加固，该螺旋加固层被缠绕在第一层弹性材料上，并插入 在第一层和第二层弹性层之间。根据该发明，有可能获得能够承受更大外部压力的液压软 管，高达^Mpa;比前述软管，该发明的液压软管的抗压力大幅度提高。这种液压软管采用 一层或者有限几层嵌入在弹性材料之间的金属丝加固，但其并不能适用于要求液压管路承 受高压或者中压的环境。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种具有加固结构的耐压液压软 管，其能够较好地承受内压和/或结合有附加负载的外压，并且具有更好的柔韧度和密实度。本发明的目的还在于，提供一种高强度钢丝制成的加强结构，其几何结构可以更 有效地利用空间，增加接触面而不影响其连续性，并且使得在各种使用条件下所造成的负 荷组合得到更有效地分配。本发明的目的还在于，提供一种具有加固结构的耐压液压软管，在不减少加固材 料的情况下，具有较小的加固钢丝总厚度，其不需要增加加固钢丝的总厚度来提高其抗压 性。为了实现本发明的目的，本发明的技术方案如下
一种具有加固结构的耐压液压软管，包括由第二柔性材料制成的内层软管，卷绕 在所述内层软管上的至少一组由第一耐压材料制成的丝线，和覆盖在所述丝线上的第三柔 性材料，其特征在于，所述至少一组由第一耐压材料制成的丝线至少确定一个加固层，所述 加固层至少覆盖所述内层软管的70%的外表面。优选地，所述丝线的横截面为具有圆角的大致正方形截面，所述大致正方形截面 的纵横比等于或大于0. 95，所述圆角的半径Rl足够小以使得丝线横截面相比于不具有圆 角的同样尺寸的正方形，被减小的面积小于20%。可替换地，所述丝线横截面的边为半径R2 > L*0. 6的圆弧边，所述丝线横截面的 圆角半径Rl < L*0. 5，其中，所述丝线横截面内接于边长为L的正方形。优选地，所述丝线横截面为大致八角形截面，所述大致八角形截面的相邻边以圆 角相接，该圆角的半径为R3 < L*0. 25，所述丝线横截面相比于不具有圆角的边长为L的正 方形，被减小的面积小于20%。优选地，所述加固层的层数可以是在2至6层之间，每个所述加固层覆盖所述内层 软管的75%至95%的外表面(第一层覆盖内层软管，第二层覆盖第一层，依此类推)。优选地，所述制成内层软管的第二柔性材料，可以是弹性材料，或者是聚合物材料 或者是两种材料的组合连续层。优选地，覆盖在所述丝线上的第三柔性材料，可以是弹性材料，或者是聚合物材料 或者是两种材料的组合连续层。优选地，所述第一耐压材料为耐压范围在2200MPa至3350Mpa之间的钢丝。其中，所述丝线可以以螺旋缠绕的方式设置，从而使所述耐压液压软管成为螺旋 缠绕型液压软管；或者所述丝线以编织的方式设置，从而使所述耐压液压软管成为编织型 液压软管。实施本发明的具有加固结构的耐压液压软管，可以为液压软管提供最佳的耐压性 能，而无论是外压力还是内压力，同时，由于加固结构的形状和加固结构的总厚度减小，本 发明的液压软管具有高度的柔性和密实度。而且，本发明所采用的丝线，无论其横截面形状 如何，都具有连续的表面，因而，抗静力和抗疲劳的性能得以提高。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明的具有加固结构的耐压液压软管进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图1为本发明的具有加固结构的耐压液压软管的一个实施例的结构示意图，示出 了螺旋缠绕型(spiraled)软管；图2为本发明的具有加固结构的耐压液压软管的另一个实施例的结构示意图，示 出了编织型(braided)软管；图3为用于本发明的具有加固结构的耐压液压软管的加固丝线的第一实现方式 的横截面示意图；图4为用于本发明的具有加固结构的耐压液压软管的加固丝线的第二实现方式 的横截面示意图5为用于本发明的具有加固结构的耐压液压软管的加固丝线的第三实现方式 的横截面示意图；图6为三种不同形状截面(圆形截面、具有圆角的大致正方形截面、扁平截面)的 加固丝线的在两个轴线方向上的比较示意图。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的一个实施例的螺旋缠绕型液压软管。该液压软管1包括 至少一组由第一材料制成的丝线2，较佳地，该组丝线2以耐压钢丝制成，卷绕到由第二材 料制成的软管3上，以增强其耐压性，所述第二材料可以是橡胶或塑料，或者是两者相层叠 或者复合的材料。所述丝线2确定的至少一层加固层4螺旋状地卷绕，覆盖内层软管3的外表面3a 的至少70%。通常，加固层4的层数为2-6层，每个加固层之上覆盖有第三柔性材料(中间 层)，这些加固层覆盖内层软管3的外表面3a的至少75-95%。每个加固层4相对于内层 软管3以同轴定位。螺旋缠绕型液压软管的制作工艺如下内层软管3被连续馈送入卷绕机 (spiraling machine)中，所述卷绕机包括有多个载体(或称平台)，每个载体载有锭子(16 到100个)，并绕待加固的软管转动。每个锭子(spindle)上装载着绕有一根或多根加固丝 的筒管(bobbin)。图2示出了根据本发明的另一个实施例的编织型液压软管。编织型液压软管的制作工艺与螺旋缠绕型液压软管的工艺相似，其区别在于，丝 线在缠绕时，可以相互交叠(通常是来自第一载体的丝线和来自第二载体的丝线相交错)。每个载体相对于前一个载体以相反方向转动；载体的旋转速度、内层软管的馈送 速度和内层软管的直径决定了加固层的丝线排列角度。对于包括多个加固层的螺旋缠绕型或编织型液压软管，通常各加固层相对于内层 软管的缠绕方向是交替变化的。每个加固层含有一组丝线，相邻加固层的丝线之间形成一 个不等于零的夹角(即，各加固层的最佳缠绕角度略微变化)，以增强所述液压软管的耐压 性能。根据第一种可实现方式，如图3所示，丝线横截面加为一个具有圆角的大致正方 形，所述圆角的半径Rl足够小以使得丝线横截面相比于不具有圆角的相同尺寸的丝线的 正方形横截面，被减小的面积小于20%。更佳地，所述丝线的横截面的被减小的面积小于 10%。其中，所述“大致正方形截面”是指纵横比(T/W)大于或者等于0. 95的正方形截 面；丝线截面加可内接于边长为L的正方形，所述丝线横截面加有四条边，且具有四个圆 角，四个圆角的倒角半径Rl < L*0. 5。可用于本发明实施例的该耐压钢丝线通常是五种类型的钢丝(低、正常、高、超 高、极高耐压)，耐压范围在2200ΜΙ^至3350Mpa之间，这些类型的钢丝可以通过对材料的化 学处理结合适当的生产工艺(如热处理、机械加工)而得到。本发明实施例的这种结构，可以通过模具滚压工艺滚压正方形截面的丝线的四个 尖角，从而形成平滑过渡的圆形倒角而获得，或者通过模具压延工艺获得。
另外，通过采用不同的工艺方法，可以获得如图4所示的丝线横截面2b，其为图2 所示的丝线横截面加的一般情形。丝线横截面2b的边为半径R2 > L*0. 6的圆弧边，其圆 角半径Rl < L*0. 5。另外一种情况是，如图5所示，丝线横截面2c为大致八角形横截面，各边以圆角相 接，该圆角的半径为Rl <L*0.5。各个丝线横截面形状2a，2b, 2c,都可以利用成型工具，通过模具滚压工艺或模具 压延工艺而获得。无论采用何种形状，各丝线的截面都沿着周边具有连续的和可变的曲率，而没有 尖角。更佳地，为达到更高的耐压性，可以以同轴的定向，使用具有横截面加，2b或2c的 耐压丝线，在内层软管上以最佳缠绕角度卷绕更多的加固层，以最大程度利用空间，在使用 状况下增强材料的耐压性。本发明的具有加固结构的耐压液压软管，具有如下有益效果为液压软管提供一 个最佳的耐压性能，而无论是外压力还是内压力，同时，由于加固结构的形状和加固结构的 总厚度减小，本发明的液压软管具有高度的柔性；相对于达到相同性能的现有技术的耐压 的液压软管，本发明的液压软管的惯性动量减少了 60%。本发明的耐压的液压软管的另一个有益效果是，其由于具有螺旋状的卷绕加固结 构，可以同时经受拉力、弯曲力、扭力的作用；由于这些合力以最佳的方式分布在加固材料 的整个截面上，用范米斯综合应力(VON Mises)表示，相比同样面积的圆截面丝线，本发明 的丝线所受压力减少达5 %，或相比同样面积的扁平截面丝线，本发明中的丝线所受压力减 少达15%。这是因为，本发明中，沿丝线的横截面的两个轴线方向上，丝线表面和丝线中心的 材料分布较为对称。图6示出了三种不同形状截面(普通的圆形截面、本发明的具有圆角的 大致正方形截面、现有技术的扁平截面)的加固丝线的在两个轴线方向上的比较示意图。此外，对于同样的尺寸，采用本发明的丝线的截面形状在沿着两个主要的轴向上 可以容纳更多数量的加固材料。更具体地，采用没有圆角的正方形截面的丝线的体积占有 值(value of occupied volume)为1，采用内切于该正方形的圆形截面的丝线的体积占有 值为78. 5 %，而采用本发明的大致正方形横截面丝线的体积占有值可达80 %以上。本发明的另一个有益效果是，所述丝线，无论其横截面形状如何，都具有连续的表 面。更确切地说，由于丝线的外表面没有不连续的情况，其抗静力和抗疲劳的性能得以提 高，同时避免缺口因素(notching factors)的出现。最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明的具有加固结构的 耐压液压软管进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。凡采用等同替换或等效 变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有加固结构的耐压液压软管，包括由第二柔性材料制成的内层软管，卷绕在 所述内层软管上的至少一组由第一耐压材料制成的丝线，和覆盖在所述丝线上的第三柔性 材料，其特征在于，所述至少一组由第一耐压材料制成的丝线至少确定一个加固层，所述加 固层至少覆盖所述内层软管的70%的外表面。
2.根据权利要求1所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线的横截面为具有圆角 的大致正方形截面，所述大致正方形截面的纵横比等于或大于0. 95，所述圆角的半径Rl足 够小以使得所述丝线的横截面相比于不具有圆角的同样尺寸的正方形，被减小的面积小于 20%。
3.根据权利要求2所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线的横截面的边为半径 R2 > L*0. 6的圆弧边，所述丝线的横截面的圆角半径Rl < L*0. 5，其中，所述丝线的横截面 内接于边长为L的正方形。
4.根据权利要求1所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线的横截面为大致八角 形截面，所述大致八角形截面的相邻边以圆角相接，该圆角的半径为R3 < L*0. 25，所述丝 线的横截面相比于不具有圆角的边长为L的正方形，被减小的面积小于20%。
5.根据权利要求2或3或4所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线的横截面的被 减小的面积小于10%。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述加固层的层数 在2至6层之间，在各个所述加固层之上均覆盖有所述第三柔性材料，每个所述加固层覆盖 所述内层软管的75%至95%的外表面。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述加固层相对于 所述内层软管以同轴定位。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述液压软管包括 多个加固层，相邻加固层的丝线之间形成一个不等于零的夹角，以增强所述液压软管的耐 压性能。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述至少一组丝线 通过模具滚压工艺制成。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述至少一组丝线 通过模具压延工艺制成。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述制成内层软管 的第二柔性材料，是弹性材料，或者是聚合物材料，或者是两种材料的组合连续层。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，覆盖在所述丝线上 的第三柔性材料，是弹性材料，或者是聚合物材料，或者是两种材料的组合连续层。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述第一耐压材料 为耐压范围在2200MPa至3350Mpa之间的钢丝。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，每个所述丝线的截 面沿着周边具有连续的和可变的曲率，而没有尖角。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线以螺旋缠 绕的方式设置，使所述耐压液压软管成为螺旋缠绕型液压软管。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的耐压液压软管，其特征在于，所述丝线以编织的方式设置，使所述耐压液压软管成为编织型液压软管。
全文摘要
本发明公开一种具有加固结构的耐压液压软管，包括由第二柔性材料制成的内层软管，卷绕在所述内层软管上的至少一组由第一耐压材料制成的丝线，和覆盖在所述丝线上的第三柔性材料，其中，所述至少一组由第一耐压材料制成的丝线至少确定一个加固层，所述加固层至少覆盖所述内层软管的70％的外表面。本发明的具有加固结构的液压软管具有改良的密实度、柔韧性和抗压性。
文档编号F16L11/00GK102062267SQ20091022333
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者保罗·瑟吉奥, 法布里齐奥·苯蒂尼 申请人:玛努利液压器材(苏州)有限公司