一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒的制作方法

本发明涉及一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒。

背景技术：

液压执行器件的发展趋势是轻量化和高功重比。传统的金属液压缸一般采用金属作为结构材料；对重量要求特别苛刻的场合则一般采用纤维增强复合材料作为承载结构。

碳纤维—树脂复合材料比重远低于钢材；碳纤维抗拉强度一般高于3500MPa，部分碳纤维材料抗拉强度可达4500MPa以上。这些特性使得碳纤维增强复合材料制造液压缸具有较大优势。

目前已出现的采用碳纤维—树脂复合材料制造的液压缸，往往将碳纤维—树脂复合材料运用于制造缸筒，具有的零件，如端盖，则仍然采用金属制造。而部分碳纤维—树脂复合材料缸筒与端盖的联接则采用传统的螺钉、销钉、卡键等联接，这些联接方式需要在碳纤维—树脂复合材料上进行机加工，对碳纤维—树脂复合材料的连续结构造成破坏；部分碳纤维—树脂复合材料缸筒与端盖的联接采用高剪切模量的黏合剂联接，这存在一定脱胶的隐患。同时，目前已有的某些采用碳纤维—树脂复合材料制造的液压缸采用碳纤维全包覆方案，虽然避免了传统联接的削弱作用，但是却使得缸筒丧失结构独立性，整个液压缸筒一旦成型便不可拆卸，以致维修成本昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒设计方案，解决现有技术领域全金属缸筒质量大、及相应的液压缸功重比不理想的问题；同时提出一种具有独立结构的复合材料液压缸缸筒设计，解决现有复合材料液压缸维修成本高的问题；同时提供一种无须破坏碳纤维—树脂复合材料结构完整性即可实现联接的方案，解决现有复合材料液压缸的联接对承载结构造成削弱的问题。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒，包括头部联接件、铰接耳环、紧密缠绕层、缸筒外层、缸筒内衬、缸底、密封圈；所述头部联接件、铰接耳环、缸底、缸筒内衬、密封圈共同构成缸筒基础组件；所述紧密缠绕层和缸筒外层是以碳纤维为增强材料、环氧树脂为基体，缠绕在缸筒基础组件外围后固化成型；所述头部联接件、铰接耳环、缸底、缸筒内衬、密封圈在紧密缠绕层和缸筒外层的缠绕和固定作用下，共同集成为独立的、可拆装替换的缸筒。

进一步地，所述的头部联接件与缸筒内衬之间不存在传统机械联接：头部联接件与缸筒内衬通过过渡配合后完成预定位后，以所述紧密缠绕层的缠绕固定作用，完成轴向和径向定位；所述的缸底与缸筒内衬之间也不存在传统机械连接：缸底与缸筒内衬通过过渡配合完成预定位后，以所述的紧密缠绕层的缠绕固定作用，完成轴向和径向定位。

进一步地，所述紧密缠绕层的最小内径小于头部联接件及缸底装配段的最大直径，即紧密缠绕层无法通过直接套装完成与头部联接件、缸筒内衬、缸底的装配，须在头部联接件、缸筒内衬、缸底外围缠绕成型；所述紧密缠绕层外表面不存在任何阶梯结构，任意不同直径段之间的过渡部分均为圆台状结构；所述紧密缠绕层不存在任何去成型的机加工结构。所述的缸筒外层与紧密缠绕层之间、紧密缠绕层与缸筒内衬之间，均不存在气隙。

进一步地，所述铰接耳环不与紧密缠绕层直接接触；铰接耳环与缸底完成预定位后，以所述缸筒外层的缠绕加固作用，完成铰接耳环的轴向和径向定位。

进一步地，所述缸筒外层的最小内径小于紧密缠绕层装配段的最大内径，即缸筒外层无法通过直接套装完成与紧密缠绕层的装配，须在紧密缠绕层外围缠绕、固化成型；所述缸筒外层的内表面及外表面均不存在任何阶梯结构，任意不同直径段之间的过渡部分均为圆台状结构；所述缸筒外层不存在任何通过去料成型的机加工结构。

进一步地，所述的缸底、头部联接件均采用机加工方式制出深度大于4mm的异形沟槽，沟底有效宽度大于10mm；此沟槽用于紧密缠绕层与头部联接件、缸底完成联接。

进一步地，所述的铰接耳环，沿其圆周方向均加工有深度大于等于5mm、宽度大于等于20mm的沟槽，此沟槽即缸筒外层缠绕成型的定位结构；所述的铰接耳环内部集成有球状滑动轴承。

进一步地，所述头部联接件采用机加工形式制出内螺纹，且头部联接件的内螺纹小径尺寸大于缸筒内衬的内直径，这样的头部联接件既能够方便地与液压缸端盖(不属于本发明结构)实现联接，又不阻碍活塞及密封组件的安装。

进一步地，所述缸筒内衬任意一处横截面均为同心圆，且内径、外径均保持不变。

进一步地，所述的密封圈内径大于缸筒内衬外径，即装配条件下处于拉伸状态；所述缸底及头部联接件上加工密封圈安装槽，其槽底与缸底或头部联接件的外表面之间距离不小于5mm。

本发明的有益结果是：

1、本发明与现有金属液压缸相比具有重量轻、功重比高、抗腐蚀能力强等优点：较相同规格、相同压力等级的金属液压缸缸筒至少减重60％，液压缸整体至少减重35％，相应地，实际工程应用中本缸筒可以降低能耗、提高设备经济性；同时，由于液压缸自身减轻，设备转动惯量减小，使系统动态特性有所改善。

2、本发明通过头部联接件、铰接耳环和缸底的特殊结构，使碳纤维连续缠绕得以实现，与采用与螺纹、螺栓、销钉、卡键等破坏结构完整性的连接方式相比，具有碳纤维增强相的连续性高、碳纤维—树脂复合材料结构完整的特点，充分发挥了碳纤维—树脂复合材料的力学优势。

3、本发明的紧密缠绕层和缸筒外层的空间结构均采用圆台过渡取代阶梯结构，避免应力集中现象和碳纤维树脂复合材料的气隙产生，增加了整体结构的牢固性。

4、本发明缸筒组件具有可替换性，即头部联接件、缸底、缸筒内衬、密封圈、缸筒外层、紧密缠绕层、铰接耳环共七部分作为一个独立整体结构存在，维修时可在不破坏该独立整体结构及其他零部件的情况下进行零件替换，使维修难度及成本较“全包覆式的复合材料液压缸”均有所降低。

5、本发明将碳纤维—树脂复合材料结构紧贴金属零件，即头部联接件、缸筒内衬、缸底、铰接耳环的特殊形状的外表面，固化后上述结构便牢牢集成为一体。碳纤维—树脂复合材料的增强结构发挥承载作用的同时也起到联接的作用。碳纤维—树脂复合材料不需机加工，最大限度地保持了结构完整性，单位体积的承载能力高于机加工处理后的复合材料结构。

附图说明

图1是本发明液压缸缸筒的结构示意图；

图2是本发明液压缸缸筒立体图；

图中，头部联接件1、缸筒外层2、密封圈3、紧密缠绕层4、缸筒内衬5、缸底6、铰接耳环7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒与传统液压缸缸筒结构相近，除缸筒外层2、紧密缠绕层4系复合材料制造，密封圈3依照国标选择相应标准件以外，其他零件均采用钢制造。本发明缸筒包括头部联接件1、缸筒外层2、密封圈3、紧密缠绕层4、缸筒内衬5、缸底6、铰接耳环7；其中，头部联接件1、密封圈3、缸筒内衬5、缸底6、铰接耳环7，共同构成缸筒基础组件部分；所述缸筒外层2和紧密缠绕层4均是以抗拉强度≥4200MPa的高强度碳纤维为增强材料、环氧树脂为基体，将碳纤维缠绕在缸筒基础组件上成型的；所述头部联接件1、密封圈3、缸筒内衬5、缸底6、铰接耳环7在缸筒外层2和紧密缠绕层4的缠绕集成作用下，共同构成独立的、可拆装替换的缸筒组件。本发明缸筒组件具有可替换性，作为一个独立整体结构存在，维修时可在不破坏该独立整体结构及其他零部件的情况下进行零件替换，使维修难度及成本较“全包覆式的复合材料液压缸”均有所降低。

在头部联接件1、缸底6外侧运用机加工方式制出深度大于4mm、有效宽度大于10mm的异形沟槽，铰接耳环7的圆周外侧均加工有深度大于等于5mm、宽度大于等于20mm的沟槽，上述沟槽用于辅助碳纤维—树脂复合材料制成的缸筒外层2、紧密缠绕层4的缠绕集成。具体的集成实现方式为：安装有密封圈3的头部联接件1与缸筒内衬5通过过渡配合后完成预定位后，以紧密缠绕层4的缠绕固定作用，完成轴向和径向定位；安装有密封圈3的缸底6与缸筒内衬5之间通过过渡配合完成预定位后，以紧密缠绕层4的缠绕固定作用，完成轴向和径向定位；铰接耳环7与缸底6完成预定位后，以缸筒外层2的缠绕加固作用，完成铰接耳环7的轴向和径向定位。

所述缸筒内衬5加工过程中除了内表面进行精磨、端部倒角之外，再无其他机加工工序。当头部联接件1、缸底6、缸筒内衬5机加工完成之后，须去除毛刺并清洗内部杂物，头部联接件1与缸筒内衬5过渡配合处采用封型圈3，缸底6与缸筒内衬5过渡配合处采用密封圈3，确保安装同轴度后方可缠绕碳纤维。

本发明液压缸可应用在以液压油或水-乙二醇为流体介质的液压传动、液压控制设备中。

最后需要注意的是，上述说明只是本发明的一种具体应用实例，可以根据需要，设计其他规格的液压缸，显然与本发明基本原理相同的其他应用实例也应属于本发明的保护范围。