CN110608213A - 动力缸和工程车辆 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种动力缸和工程车辆。动力缸包括：缸体，包括缸筒和分别设置于所述缸筒轴向两端的缸底和缸盖；活塞，沿所述缸筒的轴线可往复移动地设置于所述缸体内；活塞杆，与所述活塞连接，穿设于所述缸盖并与所述缸盖相对滑动，所述活塞杆包括活塞杆基体和强化层，所述强化层通过热喷涂工艺形成于所述活塞杆基体的径向外侧表面，且所述强化层至少设置于所述活塞杆基体的对应于所述活塞杆与所述缸盖相对滑动的部位，所述强化层包括硬质相和粘结相，所述硬质相均匀分布于所述粘结相中。本申请提供的动力缸，其活塞杆的表面具备高硬度、高耐磨性能，利于更好地满足动力缸及其活塞杆在恶劣环境下的使用要求，延长动力缸的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及动力缸技术领域，特别涉及一种动力缸和工程车辆。
背景技术
动力缸是将液压或气压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的执行元件，它结构简单、工作可靠，在工程机械等各种机械中得到广泛应用。
一些工作于恶劣条件下的动力缸的活塞杆容易产生磨损。例如，工程车辆的悬挂系统的悬挂油缸由于受侧向力的作用，增大了悬挂油缸的活塞杆、缸盖、支撑环等部件间的摩擦力，易造成活塞杆的表面磨损。同时，活塞杆装配后局部区域长期外露，工程车辆在行驶过程中会有大量的砂粒、污水、污泥等不断冲刷活塞杆表面，易造成表面锈蚀及凹坑等缺陷的产生，最终导致悬挂油缸漏油等故障的产生。由于无法储油，且工作过程中由于摩擦生热，造成润滑油挥发速度快，进而导致摩擦副间润滑不良，产生异响，且会加剧磨损。因此，工作于与悬挂油缸类似的工作环境下的动力缸的活塞杆应具备高硬度、高耐磨等性能。
相关技术中，采用电镀、液体碳氮共渗、激光熔覆等技术强化悬挂油缸的活塞杆表面。
采用电镀技术强化悬挂油缸的活塞杆表面时，涂层材料一般为铬、镍及其复合材料，电镀层的硬度最高约850HV，厚度一般设计为0.03-0.05mm。在使用过程中，由于摩擦力较大，且电镀层硬度较低，活塞杆的表面镀层磨损速度较快。同时，由于涂层厚度较薄，当使用一段时间后涂层逐渐被磨耗，活塞杆基体材料露出，加剧磨损进程，并最终导致活塞杆无法满足使用要求，悬挂油缸使用寿命较短。此外，电镀技术的环境友好性较差，对人体危害较大。
采用液体碳氮共渗技术强化悬挂油缸的活塞杆表面时，所获得的表面强化层厚度平均约20-30μm，显微硬度平均约800HV-850HV，强化层的性能受基体材料类型、表面状态等因素影响较大。由于涂层硬度不足、厚度较薄等因素的限制，无法满足工程车辆的悬挂油缸在恶劣工况下的使用要求，使用寿命较短。采用液体碳氮共渗技术制造活塞杆时工序较为繁琐，制造工艺过程影响因素较多，涂层质量控制难度大，生产效率低，且一次性投入较大。
采用激光熔覆技术强化悬挂油缸的活塞杆表面时，对活塞杆基体的热输入量较大，容易造成活塞杆内部阻尼孔发生变形，进而影响悬挂油缸的工作性能。所制备的熔覆层最高硬度约HV750，由于工作过程中悬挂油缸承受的侧向力及摩擦力较大，易造成涂层磨损较快，使用寿命较短。此外，熔覆层与活塞杆基体结合处不可避免存在残余应力，在使用过程中由于应力的释放，也会造成活塞杆内部阻尼孔发生变形，影响悬挂油缸的使用性能。
发明内容
本申请第一方面提供一种动力缸，包括：
缸体，包括缸筒和分别设置于所述缸筒轴向两端的缸底和缸盖；
活塞，沿所述缸筒的轴线可往复移动地设置于所述缸体内；和
活塞杆，与所述活塞连接，穿设于所述缸盖并与所述缸盖相对滑动，所述活塞杆包括活塞杆基体和强化层，所述强化层通过热喷涂工艺形成于所述活塞杆基体的径向外侧表面，且所述强化层至少设置于所述活塞杆基体的对应于所述活塞杆与所述缸盖相对滑动的部位，所述强化层包括硬质相和粘结相，所述硬质相均匀分布于所述粘结相中。
在一些实施例中，所述硬质相的重量百分比为70％-90％，所述粘结相的重量百分比为10％-30％。
在一些实施例中，所述硬质相包括陶瓷材料。
在一些实施例中，所述硬质相包括碳化物、氧化物和氮化物至少之一。
在一些实施例中，所述粘结相包括钴基合金、镍基合金和二氧化钛至少之一。
在一些实施例中，所述硬质相和所述粘结相均为耐蚀材料。
在一些实施例中，所述强化层包括铬元素和/或钼元素。
在一些实施例中，所述强化层的厚度为0.1mm-0.5mm。
在一些实施例中，所述强化层经封孔处理。
在一些实施例中，对封孔后的所述强化层经磨削和抛光处理。
在一些实施例中，所述活塞杆基体包括退刀槽，所述退刀槽设置于所述活塞杆基体的与所述活塞连接的一端。
在一些实施例中，所述退刀槽的宽度B为2mm-6mm，深度L为0.5mm-4mm。
在一些实施例中，所述退刀槽与所述活塞杆基体的其余部分的相邻的径向外表面通过圆弧过渡连接。
在一些实施例中，所述圆弧的半径R为0.2mm-1mm。
本申请第二方面提供一种工程车辆，包括悬挂油缸，所述悬挂油缸为本申请第一方面所述的动力缸。
基于本申请提供的动力缸，采用包括硬质相和粘结相的材料，通过热喷涂工艺在活塞杆基体的表成面形强化层，优化了强化层的成分及制备工艺，使活塞杆的表面具备高硬度、高耐磨性能，利于更好地满足动力缸及其活塞杆在恶劣环境下的使用要求(如工程车辆悬挂油缸的使用要求)，延长动力缸的使用寿命。由于活塞杆表面具有较高的硬度及耐磨性，利于解决由于表面硬度不足、强化层厚度较薄，在恶劣使用工况条件下，活塞杆磨损较快，寿命较短，无法满足使用要求等问题。
本申请提供的工程机械，采用前述动力缸作为悬挂油缸，具有前述动力缸具有的优点。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例的工程车辆的局部结构示意图。
图2为本申请实施例的悬挂油缸的结构示意图。
图3为本申请实施例的悬挂油缸的受力状态示意图。
图4为本申请实施例的悬挂油缸的活塞和活塞杆的结构示意图。
图5为图4中A部放大结构示意图。
图6为本申请实施例的悬挂油缸的活塞和活塞杆的中间产品的结构示意图。
图7为图6中B部放大结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
在以下的描述中，仅以工程车辆的悬挂油缸为例说明本申请的动力缸。
图1示出了本申请一实施例的工程车辆的局部结构。如图1所示，工程车辆包括车体30、车桥20、轮胎40和悬挂油缸10。轮胎40安装在车桥20的左右两端。悬挂油缸10为悬挂系统的核心部件，用于连接车体30和车桥20，并起到减震、抗冲击等作用，悬挂油缸10装入工程车辆后工作姿态如图1所示。工程车辆一般承载较重，且行驶途中路面不平容易造成颠簸，故其车桥20、悬挂油缸10及车体30需承受较大的冲击力。如图1所示，为提升工程车辆行驶稳定性，装配后的悬挂油缸10与竖直方向需保持一定的倾角α，即与轮胎40承受的冲击力方向呈一定的夹角α。
悬挂油缸10的结构如图2所示。悬挂油缸10包括缸体13、活塞12和活塞杆11。缸体13包括缸筒131、分别位于缸筒131的轴向两端的缸底132和缸盖133。活塞12设置于缸体13内，沿缸筒131的轴线可往复运动。活塞杆11与活塞12一体设置，以与活塞12同步往复移动。活塞杆11穿过缸盖133，并与缸盖133相对滑动。如图1所示，悬挂油缸10还包括支撑环14，支撑环14设置于缸盖133与活塞杆11之间，用于将活塞杆11支撑于缸盖113上，活塞杆11与支撑环14滑动配合。如图1所示，悬挂油缸10还包括密封环15，密封环15设置于缸盖133与活塞杆11之间，用于实现活塞杆11与缸盖133之间的密封。
如图3所示，悬挂油缸10在工作中需同时承受轴向力F1和侧向力F2的作用。由于侧向力F2的作用，增大了悬挂油缸10的活塞杆11、缸盖133、支撑环14等部件间的摩擦力，如果活塞杆11的表面硬度及耐磨性不足，则易造成活塞杆11的表面磨损。同时，活塞杆11装配后局部区域长期外露，工程车辆在行驶过程中会有大量的砂粒、污水、污泥等不断冲刷油缸活塞杆11表面，如果活塞杆11的表面耐磨性或耐蚀性不足，也易造成表面锈蚀及凹坑等缺陷的产生，最终导致悬挂油缸10漏油等故障。
为了提高活塞杆11的表面的耐磨性，本申请实施例提供了一种动力缸。如图2所示，动力缸包括缸体13、活塞12和活塞杆11。缸体13包括缸筒131和分别设置于缸筒131轴向两端的缸底132和缸盖133。活塞12沿缸筒131的轴线可往复移动地设置于缸体13内。活塞杆11与活塞12连接，穿设于缸体13的缸盖133并与缸盖133相对滑动。活塞杆11包括活塞杆基体111和强化层112。强化层112通过热喷涂工艺形成于活塞杆基体111的径向外侧表面，且强化层112至少设置于活塞杆基体111的对应于活塞杆11与缸盖133相对滑动的部位。强化层112包括硬质相和粘结相，硬质相均匀分布于粘结相中。
通过采用热喷涂技术及选择喷涂材料，可以制备具有高硬度、高耐腐蚀性等不同性能的强化层。本申请实施例所提供的动力缸中，采用包括硬质相和粘结相的材料，通过热喷涂工艺在活塞杆基体111的表成面形强化层112，优化了强化层112的成分及制备工艺，使活塞杆11的表面具备高硬度、高耐磨性能，利于更好地满足动力缸及其活塞杆在恶劣环境下的使用要求(如工程车辆悬挂油缸的使用要求)，延长动力缸的使用寿命。从而，由于活塞杆11表面具有较高的硬度及耐磨性，利于解决由于表面硬度不足、强化层厚度较薄，在恶劣使用工况条件下，活塞杆11磨损较快，寿命较短，无法满足使用要求等问题。
由于本申请实施例的动力缸的活塞杆基于热喷涂技术形成强化层，利于降低加工过程中对活塞杆基体111的热输入，利于避免活塞杆11的内部结构如阻尼孔113发生变形，降低残余应力，从而利于提升动力缸的活塞杆11的精度保持性。
本申请实施例的动力缸的加工流程简单，工艺过程易控制，且加工效率较高。同时具有较优的环境友好性。
在一些实施例中，硬质相的重量百分比为70％-90％，粘结相的重量百分比为10％-30％。合理设置硬质相和粘结相的配比，利于提高强化层112的硬度和耐磨性及强化层112本身及其与活塞杆基体111的结合牢固程度。
在一些实施例中，硬质相包括陶瓷材料。陶瓷材料具有较高的硬度，利于提高强化层112的硬度和耐磨性。在一些实施例中，所述硬质相包括碳化物、氧化物和氮化物至少之一。
在一些实施例中，粘结相包括钴基合金、镍基合金和二氧化钛至少之一。粘结相的硬度低于硬质相。粘结相利于提高强化层112本身以及其与活塞杆基体111的结合强度。
在一些实施例中，强化层112包括铬元素和/或钼元素。
在强化层112中添加一定量的铬元素，利于在活塞杆11表面形成一层钝化膜，使强化层材料和活塞杆基体材料与外界腐蚀介质分隔开，提升活塞杆11表面耐蚀性能.
在一些实施例中，强化层112的硬质相和粘结相均为耐蚀材料。采用耐蚀材料作为硬质相和粘结相，利于满足活塞杆11使用过程中耐蚀性要求。
由于活塞杆11具有高耐蚀性能，可抵抗泥沙、泥污等污物的侵蚀。
在强化层112中添加一定量的钼元素，利于改善活塞杆11使用过程中长期外露表面与支撑环14、缸盖133等部件间的润滑状况，使强化层112表面具备一定的减摩性能，能有效延长强化层112及支撑环14等部件的使用寿命，减少异响现象的产生。
本实施例的动力缸的活塞杆11，由于基于热喷涂技术在活塞杆基体111的表面形成了含有硬质相和粘结相、同时添加铬、钼元素的强化层112，使活塞杆11同时具备高硬度、高耐磨、高耐蚀、减摩等综合性能。
在一些实施例中，强化层112的厚度为0.1mm-0.5mm。由于改变了活塞杆11的主要设计尺寸及强化层112的厚度，使活塞杆11的强化层112的厚度较相关技术明显增加，利于提升活塞杆11及动力缸的使用寿命。
在一些实施例中，强化层112经封孔处理。对热喷涂强化后的活塞杆11的强化层112进行封孔处理，有效地降低强化层112的内部孔隙率，利于进一步提升活塞杆11的耐腐蚀性能。
在一些实施例中，强化层112经磨削和抛光处理，利于活塞杆11在允许的误差范围内达到设计尺寸和表面粗糙度要求。
在一些实施例中，活塞杆基体111包括退刀槽114，退刀槽114设置于活塞杆11的与活塞12连接的一端。在一些实施例中，退刀槽114与活塞杆基体111的径向外表面通过圆弧过渡连接。
在活塞12和活塞杆11的连接处设计退刀槽114、使退刀槽114与活塞杆基体111的其它部分中与退刀槽114相邻的径向外表面设计圆弧过渡结构，以及合理设计退刀槽的尺寸及圆弧尺寸，有利于后期强化层112的磨削及抛光加工，利于提高强化层112与活塞杆基体11的结合可靠性。
如前所述，本申请实施例还提供一种工程车辆，包括悬挂油缸，悬挂油缸为前述的动力缸。本申请实施例的工程车辆具有本申请实施例的动力缸的全部优点。
以下结合图2至图7对本申请一实施例的动力缸作进一步说明。该动力缸为工程车辆用悬挂油缸10，包括具有高硬度、高耐磨、高耐蚀、减摩性的活塞杆11。
参见图2、图4和图6，活塞杆11为中空筒状结构，中空筒的筒壁内部设计有阻尼孔113。活塞杆11的强化处理后的外圆柱面的初始设计直径为φd1mm。
本实施例中对悬挂油缸10的活塞杆11结构进行优化，使悬挂油缸10的活塞杆11的强化层112的厚度大于相关技术中活塞杆的强化层厚度。强化层112基于热喷涂技术及设备制备而成，总厚度H设计为0.1-0.5mm。
图4和图5示出了悬挂油缸10的活塞杆11的结构。如图4所示，活塞杆基体111在通过热喷涂工艺形成强化层112之前的外圆柱面的直径设计为φd1(-1，-0.2)mm。同时，为满足后期对强化层112进行机加工的要求，活塞杆11的靠近活塞12的一端设计有宽度B为2-6mm、深度L为0.5-4mm的退刀槽114。而且为保证强化层112的质量可靠性，退刀槽114与活塞杆基体11的其余部分的相邻径向外表面(外周面)之间通过圆弧过渡，圆弧半径R为0.2-1mm。
为满足活塞杆11使用过程中的耐磨性要求，在悬挂油缸10的活塞杆11表面设计了具有高硬度、高耐磨性能的强化层112。本实施例中，强化层112设置于活塞杆基体111的对应于活塞杆11与缸盖133相对滑动的部位。如图4所示，强化层112的沿活塞杆11的延伸方向的长度C短于活塞杆11的整体长度。在一些未图示的实施例中，强化层112可以设置于活塞杆基体111的全部径向外表面或全部表面。
强化层112主要包括硬质相和粘结相。强化层中硬质相均匀分布于粘结相中。硬质相的含量约70％-90％(重量百分比)，粘结相的含量约10％-30％(重量百分比)。其中硬质相为高硬度的陶瓷类材料，硬度可达1200-2000HV，例如可采用碳化钨等碳化物、氧化硅等氧化物、氮化硅等氮化物等材料的一种或多种。粘结相采用硬度相对较低的钴基合金、镍基合金、二氧化钛等材料的一种或多种。
为满足活塞杆11使用过程中耐蚀性要求，强化层112中添加一定量的铬元素。在强化层112中添加铬元素利于在活塞杆11表面形成一层钝化膜，使强化层材料和活塞杆基体材料与外界腐蚀介质分隔开，提升活塞杆11的表面耐蚀性能。
为改善活塞杆11使用过程中长期外露表面与支撑环14等其它部件间的润滑状况，在强化层112中还添加一定量的钼元素。在强化层112中添加钼元素使强化层112表面具备一定的减摩性能，利于有效延长强化层112及支撑环14等其它部件的使用寿命，减少异响现象的产生。
为进一步提高活塞杆11整体耐蚀性，本实施例中还对悬挂油缸10的活塞杆11的强化层112进行后处理。
如图6和图7所示，在制作强化层112时，预留加工余量D，在基于热喷涂技术制备强化层112后，首先采用封孔剂进行封孔处理，将刷涂封孔剂的活塞杆11放置大气环境或保温进行固化。
然后利用金刚石砂轮对活塞杆11的强化层112进行磨削加工，去除加工余量D，保证磨削后活塞杆11的尺寸达到设计直径φd1mm，并满足设计公差要求。
再采用金刚石砂带对去除加工余量D后的强化层112表面进行抛光加工处理，达到设计粗糙度表面要求。
最终加工后悬挂油缸10的活塞12与活塞杆11的结构如图5所示。
活塞12及活塞杆11与缸体13、支撑环14、密封环15组合后的悬挂油缸10的结构如图4所示。
本申请以上实施例的悬挂油缸具有如下优势至少之一：
活塞杆的强化层中含有高硬度、高耐磨的硬质相，且弥散分布于粘结相中，显著提升了强化层的硬度及抗磨损性能，利于提升活塞杆及悬挂油缸使用寿命。
利于解决相关技术中悬挂油缸由于表面硬度不足、强化层厚度较薄，导致磨损较快，寿命较短，无法满足使用要求等问题。活塞杆具有高耐蚀性能和减摩性能，可抵抗工程车辆行驶过程中泥沙、泥污等污物的侵蚀，还可改善活塞杆外露表面与配合面间的摩擦状况，提升悬挂油缸工作性能。
基于热喷涂技术形成强化层，可有效地降低加工过程中活塞杆基体的热量输入，进而利于避免活塞杆内部阻尼孔发生变形，降低残余应力，提升油缸活塞杆的精度保持性。
活塞杆的强化层中硬质相和粘结相材料均为耐腐蚀材料，因此所制备强化层具有较强的耐腐蚀性能。
喷涂强化层后采用封孔工艺对强化层进行处理，降低强化层内部孔隙率，利于提高耐腐蚀性能。
活塞杆的强化层中添加铬元素，利于提高活塞杆的耐腐蚀性能。
活塞杆的强化层中添加钼元素，利于改善强化层与支撑环等部件间的摩擦状况，降低异响现象的发生率。
活塞杆的强化层厚度较相关技术明显增加，显著提升活塞杆及悬挂油缸的使用寿命。
活塞杆的加工流程简单，工艺过程易控制，且加工效率较高，在加工过程中具有较优的环境友好性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。
Claims (15)
1.一种动力缸，其特征在于，包括：
缸体(13)，包括缸筒(131)和分别设置于所述缸筒(131)轴向两端的缸底(132)和缸盖(133)；
活塞(12)，沿所述缸筒(131)的轴线可往复移动地设置于所述缸体(13)内；和
活塞杆(11)，与所述活塞(12)连接，穿设于所述缸盖(133)并与所述缸盖(133)相对滑动，所述活塞杆(11)包括活塞杆基体(111)和强化层(112)，所述强化层(112)通过热喷涂工艺形成于所述活塞杆基体(111)的径向外侧表面，且所述强化层(112)至少设置于所述活塞杆基体(111)的对应于所述活塞杆(11)与所述缸盖(133)相对滑动的部位，所述强化层(112)包括硬质相和粘结相，所述硬质相均匀分布于所述粘结相中。
2.根据权利要求1所述的动力缸，其特征在于，所述硬质相的重量百分比为70％-90％，所述粘结相的重量百分比为10％-30％。
3.根据权利要求1所述的动力缸，其特征在于，所述硬质相包括陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的动力缸，其特征在于，所述硬质相包括碳化物、氧化物和氮化物至少之一。
5.根据权利要求1所述的动力缸，其特征在于，所述粘结相包括钴基合金、镍基合金和二氧化钛至少之一。
6.根据权利要求1所述的动力缸，其特征在于，所述硬质相和所述粘结相均为耐蚀材料。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的动力缸，其特征在于，所述强化层(112)包括铬元素和/或钼元素。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的动力缸，其特征在于，所述强化层(112)的厚度为0.1mm-0.5mm。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的动力缸，其特征在于，所述强化层(112)经封孔处理。
10.根据权利要求9所述的动力缸，其特征在于，对封孔后的所述强化层(112)经磨削和抛光处理。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的动力缸，其特征在于，所述活塞杆基体(111)包括退刀槽(114)，所述退刀槽(114)设置于所述活塞杆基体(111)的与所述活塞(12)连接的一端。
12.根据权利要求11所述的动力缸，其特征在于，所述退刀槽(114)的宽度B为2mm-6mm，深度L为0.5mm-4mm。
13.根据权利要求11所述的动力缸，其特征在于，所述退刀槽(114)与所述活塞杆基体(111)的其余部分的相邻的径向外表面通过圆弧过渡连接。
14.根据权利要求13所述的动力缸，其特征在于，所述圆弧的半径R为0.2mm-1mm。
15.一种工程车辆，包括悬挂油缸，其特征在于，所述悬挂油缸为根据权利要求1至14中任一项所述的动力缸。
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