CN103727092A

CN103727092A - 一种碳纤维复合材料液压缸

Info

Publication number: CN103727092A
Application number: CN201410033599.9A
Authority: CN
Inventors: 周祖德; 黄向阳; 胡业发; 张锦光; 丁国平; 宋春生; 徐仕伟
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明是一种碳纤维复合材料液压缸，其缸体（2）是以强度为≥3500MPa的高强度碳纤维原丝为增强材料、热固性树脂为基体，采用碳纤维缠绕成型为碳纤维复合材料层的工艺制成；其缸底（1）、活塞（6）、缸盖（10）均由强度≥500MPa的高强度铝合金制成，其活塞杆（9）的材质为硬质镀鉻钢。本发明与普通的金属制造的液压缸相比，具有非常明显的减重优势，并且可实现的重量-承载能力也明显优于现有的普通的金属制造的液压缸，因而在以水为流体介质的液压传动、液压控制设备中的应用前景看好。

Description

一种碳纤维复合材料液压缸

技术领域

本发明涉及一种液压缸，特别是一种碳纤维复合材料液压缸。

背景技术

高压力的液压产品需要高强度的结构组件。传统上，典型的移动工程机械液压设备中多使用高强度钢，而在对重量控制要求很高的设备中多采用低密度的合金。由于碳纤维复合材料的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000MPa亦高于钢。碳纤维复合材料在液压系统中的使用，使得重量轻、强度高的液压组件的设计成为可能，可广泛地应用于工程机械、机床、汽车、船舶和航空航天等工业领域。特别是随着各国交通法规、节能环保要求的推出，对于一些大型的工程机械特别是泵送高度达30m以上的混凝土机械的轻量化成为亟待解决的问题。

早期的复合材料液压缸缸体的设计中，主要用碳纤维复合材料层作为增强层，以降低金属部件的质量，但是起主要承载作用的还是金属，这就使得进一步的减重受到了限制。

减重就意味着更低的能耗，从而节省动力，提高设备的经济性。同时，这一重量轻、结构强的液压组件在航空航天领域内更是有着巨大的应用潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种碳纤维复合材料液压缸，以解决现有技术中存在的全金属液压油缸或混合型液压油缸重量大，且强度、刚度、抗疲劳性能和安全性不理想的问题。这种由碳纤维复合材料制造的液压缸与用钢或合金钢制造的液压缸在重量和可承受的液压工作压力（700bar(1bar=0.1MPa)以上）方面有很大的差异。尤其在紧凑、集成式的结构方面有很大的不同。这种有碳纤维复合材料制造而成的液压缸有着钢制材料液压缸所无法比拟的重量-承载能力比。另外，由于碳纤维复合材料极高的拉伸强度（3500Mpa以上），其能承受的压强也是钢制液压缸无法承受的。例如，在一台高压冲床上，可以安装由碳纤维复合材料制造的液压缸，其液压缸壁较薄，大约0.5m2的面积又可以承受20MN的总压力。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明提供的碳纤维复合材料液压缸，其缸体是以强度为≥3500MPa的高强度碳纤维原丝为增强材料、热固性树脂为基体，采用碳纤维缠绕成型为碳纤维复合材料层的工艺制成；其缸底、活塞、缸盖均由强度为≥500MPa的高强度铝合金制成，其活塞杆的材质为硬质镀鉻钢。

所述碳纤维缠绕成型工艺，是指采用碳纤维干法缠绕成型工艺，具体是：可以采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。

所述碳纤维缠绕成型工艺，是指采用碳纤维湿法缠绕成型工艺，具体可以是：将纤维集束或纱带浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。

所述热固性树脂可以采用酚醛树脂或环氧树脂M03胶粘剂，其在碳纤维复合材料层中的质量比可以为23-55%。

所述碳纤维复合材料层，其缠绕角度可以为10-90°，玻璃化转变温度可以≥100℃，固化度可以≥90%。

所述缸体的内壁经过表面处理可以使其表面粗糙度Ra值为0.1-0.4μm，表面处理方法可以为：先对碳纤维复合材料层表面进行粗化处理，然后在粗化表面喷涂金属底层，最后在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。

所述缸体与缸底和缸盖之间的连接可以采用一种经过结构改进后一种特殊的胶结形式，以便在高压力的工作环境下提供强有力的连接；所述结构改进是指通过在缸底和缸盖上与缸体连接的部分加工出一个沟槽，该沟槽深度为0.1-0.2mm，使得用环氧树脂M03胶粘剂进行粘结时的厚度保持均匀，以提高连接强度。

所述的缸底和缸盖上与缸体连接部分的沟槽表面经过滚花处理，并在缸体进行粘接时，可以用硝酸或氢氟酸去除缸底和缸盖上沟槽表面的金属氧化层，以提高连接强度。

所述缸体的外表面通过喷涂一层芳族聚酯纤维材料图层，可以防止缸体受外力的作用。

本发明提供的上述碳纤维复合材料液压缸的用途是：其在以水为流体介质的液压传动、液压控制设备中应用。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

其一.由于缸体采用碳纤维复合材料加工而成，该碳纤维复合材料是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000Mpa亦高于钢，因而在强度、刚度、抗疲劳性能上比现有的全金属液压油缸提高很多。

其二.重量轻，可减重60%以上，故能够很好的解决一些工程机械的轻量化问题；

其三.可降低能耗，节省动力，提高设备的经济性。

其四.由于碳纤维复合材料良好的耐腐蚀性能，使得其特别适合在恶劣的工作环境中工作。例如在以水为流体介质的液压传动、液压控制领域中。

附图说明

图1是本发明碳纤维复合材料液压缸的结构示意图。

图中：1.缸底；2.缸体；3.弹簧挡圈；4.套环；5.卡环；6.活塞；7.密封圈；8.Ο型密封圈；9.活塞杆；10.缸盖；11.防尘圈。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的碳纤维复合材料液压缸，其结构基本同现有技术，参见图1，主要由缸底1、缸体2、弹簧挡圈3、套环4、卡环5、活塞6、密封圈7、Ο型密封圈8、活塞杆9、缸盖10、防尘圈11组成，其中：缸体2是以强度≥3500MPa的高强度碳纤维原丝为增强材料、热固性树脂为基体，采用碳纤维缠绕成型为碳纤维复合材料层的工艺制成。缸底1、活塞6、缸盖10的材料均由强度≥500MPa的高强度铝合金制成，活塞杆9的材料为高强度金属材料。

所述碳纤维缠绕成型工艺，是指采用碳纤维干法缠绕成型工艺，其主要是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品，干法缠绕能够准确地控制产品质量；或采用碳纤维湿法缠绕成型工艺，其主要是是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。其中热固性树脂采用酚醛树脂，该树脂在碳纤维复合材料层中的质量比控制在23-55%之间，从而保证缸体2在温度90℃左右下能够保持稳定的性能。

所述碳纤维复合材料层，其缠绕角度为10-90°，玻璃化转变温度≥100℃，固化度≥90%。为实现结构的载荷优化，可以通过改变缠绕顺序，例如[90₂/45₂/-45₂/10]n。

所述缸体2的内壁经过表面处理使其表面粗超度Ra值为0.1-0.4μm，以使活塞及其密封件能够顺利滑动，保证密封效果，减少磨损。表面处理方法为：表面喷涂陶瓷工艺，主要是先对环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面进行粗化处理，然后在粗化表面喷涂金属底层，最后在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。

所述缸体2与缸底1和缸盖10之间的连接采用一种经过结构改进后一种特殊的胶结形式，以便在高压力的工作环境下提供强有力的连接。

所述结构改进是指通过在缸底1和缸盖10上与缸体2连接的部分加工出一个沟槽，该沟槽深度为0.1-0.2mm，使得用环氧树脂M03胶粘剂进行粘结时的厚度保持均匀，以提高连接强度。

所述的碳纤维复合材料液压缸，对缸底1和缸盖10上与缸体2连接部分的沟槽表面经过滚花处理，并在缸体2进行粘接时，用硝酸或氢氟酸去除缸底1和缸盖10上沟槽表面的金属氧化层，以提高连接强度。

所述缸体2的外表面通过喷涂一层芳族聚酯纤维材料涂层，以防止缸体受外力的作用。

在缸底1和缸盖10上开有油口，以便与液压系统连接。

Claims

1.一种碳纤维复合材料液压缸，其特征在于所述的碳纤维复合材料液压缸，其缸体（2）是以强度为≥3500MPa的高强度碳纤维原丝为增强材料、热固性树脂为基体，采用碳纤维缠绕成型为碳纤维复合材料层的工艺制成；其缸底（1）、活塞（6）、缸盖（10）均由强度≥500MPa的高强度铝合金制成，其活塞杆（9）的材质为硬质镀鉻钢。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于所述碳纤维缠绕成型工艺，是指采用碳纤维干法缠绕成型工艺，具体是：采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于所述碳纤维缠绕成型工艺，是指采用碳纤维湿法缠绕成型工艺，具体是：将纤维集束或纱带浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于所述热固性树脂采用酚醛树脂或环氧树脂M03胶粘剂，其在碳纤维复合材料层中的质量比为23-55%。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于：所述碳纤维复合材料层，其缠绕角度为10-90°，玻璃化转变温度≥100℃，固化度≥90%。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于：所述缸体（2）的内壁经过表面处理使其表面粗糙度Ra值为0.1-0.4μm，表面处理方法为：先对碳纤维复合材料层表面进行粗化处理，然后在粗化表面喷涂金属底层，最后在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于：所述缸体（2）与缸底（1）和缸盖（10）之间的连接采用一种经过结构改进后一种特殊的胶结形式，以便在高压力的工作环境下提供强有力的连接；所述结构改进是指通过在缸底（1）和缸盖（10）上与缸体（2）连接的部分加工出一个沟槽，该沟槽深度为0.1-0.2mm，使得用环氧树脂M03胶粘剂进行粘结时的厚度保持均匀，以提高连接强度。

8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于：缸底（1）和缸盖（10）上与缸体（2）连接部分的沟槽表面经过滚花处理，并在缸体（2）进行粘接时，用硝酸或氢氟酸去除缸底（1）和缸盖（10）上沟槽表面的金属氧化层，以提高连接强度。

9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料液压缸，其特征在于：所述缸体（2）的外表面通过喷涂一层芳族聚酯纤维材料图层，以防止缸体受外力的作用。

10.权利要求1至9中任一权利要求所述碳纤维复合材料液压缸的用途，其在以水为流体介质的液压传动、液压控制设备中应用。