CN111237266B - 一种轻量化缠绕式囊式蓄能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，该蓄能器包括蓄能器壳体、气体阀单元、液压端接口、隔膜装置；所述蓄能器壳体从内到外依次为合金内胆层、防静电涂层、碳纤维层；所述合金内胆层由上壳体、下壳体拼接而成；所述防静电涂层附着在合金内胆层的表面；所述碳纤维层缠绕在防静电涂层外侧；所述气体阀单元包括转换衬套和气体阀；所述液压端接口包括菌形阀、液体阀和螺堵，液体阀与蓄能器壳体固定连接；菌形阀安装在液体阀内；螺堵安装在液体阀上。所述隔膜装置包括压紧环、气囊，所述压紧环将气囊压紧在上壳体上。本发明相对于传统的蓄能器，质量显著减轻，便携易于安装，可应用于便携式液压工具和足式机器人。

Description

一种轻量化缠绕式囊式蓄能器

技术领域

本发明涉及液压系统的辅助装置领域，尤其涉及一种机器人用轻量化缠绕式囊式蓄能器，在液压系统中起着储存能量、减少压力脉动的作用。

背景技术

蓄能器是液压与气动系统中的一种能量储蓄装置，在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统，当系统瞬间压力增大时，蓄能器可以吸收这部分的能量，保证整个系统压力正常。目前，蓄能器产品种类繁多，主要包括囊式、隔膜式、活塞式和弹簧式等。市场上的蓄能器多采用不锈钢材质，体积较大，搬运欠便；不锈钢强度低，耐压有很大的局限性；此外全部采用不锈钢材质，重量大，制造成本也较高，随着社会经济的发展，蓄能器壳体内的工作气压越来越高，随之带来壳体厚度的增加，使蓄能器产品的整体重量大幅提高，由此大大制约了蓄能器产品在航空航天、军工装备和车载运输等特殊领城的应用。

传统的蓄能器采用密度较大的钢结构制成，十分笨重，与当今社会所追求的轻量化、绿色环保等显得格格不入。特别是在液压驱动机器人、汽车以及其他需要蓄能器的便携式工具上面，或因产品重量的限制、或因降低能耗、或追求产品的轻量化，都迫切希望能将蓄能器的重量减轻，从而提升整个产品的性能。

非金属复合材料指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，这就为实现多种不同材料优势的整合提供了途径。非金属基复合材料主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

其中碳纤维复合材料中以比重小、比强度和比模量大的特点应用最广、用量最大。以碳纤维与环氧树脂复合的材料为例，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，同时具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变等性能，此外，碳纤维增强复合材料还可具有非常低的热膨胀系数。碳纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按实际需要设计纤维的排列和缠绕方式。碳纤维增强材料的诸多优点已经使其能够作为金属材料替代品应用于各类压力容器、液压执行器。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，以新型合金内衬为基体，提供一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，替代传统的现有技术，使其可以解决所制得的本发明轻便、使用安全、加工工艺简便，符合行业使用标准的同时，极大减轻了重量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，该蓄能器包括蓄能器壳体、气体阀单元、液压端接口、隔膜装置；

所述蓄能器壳体从内到外依次为合金内胆层、防静电涂层、碳纤维层；所述合金内胆层由上壳体、下壳体拼接而成；所述防静电涂层附着在合金内胆层的表面；所述碳纤维层为一定层数的碳纤维原丝，缠绕在防静电涂层外侧。

所述气体阀单元包括转换衬套和气体阀，气体阀可根据所充气体的类型进行调换，转接衬套可提高蓄能器的接口适应性。

所述液压端接口包括菌形阀、液体阀和螺堵，液体阀与蓄能器壳体固定连接；菌形阀通过液体阀的内螺纹安装在液体阀内；螺堵安装在液体阀上。

所述隔膜装置包括压紧环、气囊、橡胶托底，所述压紧环将气囊压紧在上壳体上，然后通过下壳体与上壳体的拼接，将气囊固定在蓄能器壳体内部；气囊底部配有橡胶托底，用于防止气囊由于内部压力过大，进入液体阀内部被划破。

进一步地，上壳体和下壳体厚度均为2mm，通过无缝旋压收口成型。

进一步地，所述合金内胆层的上壳体和下壳体通过等离子弧焊的焊接方式焊接为一体，并对焊缝做平滑处理，同时对焊缝进行缺陷检测，确保焊接效果。

进一步地，所述防静电涂层厚度为0.3～0.6mm，通过涂布、喷涂或浸渍的方法使之附着在合金内胆层的表面，并经过干燥处理。

进一步地，所述碳纤维层可根据需要选择东丽T300或者T700，利用四轴联动数控纤维缠绕机进行缠绕，并在缠绕过程中涂抹树脂，缠绕完成后对碳纤维层进行消泡、固化和表面处理，缠绕厚度和角度可根据所需的耐压程度和产品重量进行设计。

进一步地，对气囊进行充气时，当气囊膨胀到橡胶托底与菌形阀的上部盘贴合时停止充气，以防气囊破裂。

进一步地，气囊的材料采用丁晴橡胶。

进一步地，压紧环和气囊的端部过盈配合，气囊边缘压缩量在0.5-0.8mm之间，以保证密封性。

本发明的有益效果：

(1)创新地使用碳纤维复合材料用于囊式蓄能器的减重，较2L的囊式蓄能器，本发明重量小于2kg，减重65％。

(2)蓄能器壳体通过组合焊接的方式，减少了为隔膜安装所预留的下部液压系统接口的尺寸，进一步减少铝制或钢制配件的质量。

(3)本发明的蓄能器工艺相比传统的蓄能器的生产工艺省去了表面的绝缘层，碳纤维复合材料有更好的耐腐蚀性，省去了传统钢制气瓶外部的保护层，耐腐蚀寿命增加。

(4)本发明的蓄能器通过焊接工艺，减少了气囊的大小，从而降低了气囊的惯性，反应灵敏，适合用作消除脉动；不易漏气，没有油气混杂的可能；维护容易、附属设备少、安装容易、充气方便。

(5)本发明的接口可以根据介质的不同和气阀尺寸的不同，利用铜套进行设计，使该发明的适应范围更广。

(6)纤维缠绕层的碳纤维原丝可以根据不同的应用场合和指标要求，对缠绕的角度和预紧力进行调节，最大程度地激发复合材料的优良特性。

(7)本发明的蓄能器可应用于液压测试平台、起竖系统和汽车等，通过对蓄能器站的减重效果，减轻了系统的惯量，进一步提升整机的机动性。相对于传统设备，对整机的寿命和稳定性都有促进，耐腐蚀寿命增加。

(8)本发明的蓄能器可迁移应用于外骨骼辅助设备、便携式液压工具和足式机器人，相对于传统的蓄能器，质量显著减轻，便携易于安装。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2是本发明的剖视图；

图3是上下壳体的剖视图和合金内胆层的立体图；

图4是压紧环与气囊过盈配合时的示意图；

图中：转换接头1、合金内胆层2、上壳体3、碳纤维层4、防静电涂层5、下壳体6、菌形阀7、压力弹簧8、液体阀9、螺堵10、压紧环11、气囊12、橡胶托底13、盘14、气体阀15。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1-图2所示，本发明提供的一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，该蓄能器包括蓄能器壳体、气体阀单元、液压端接口、隔膜装置；

所述蓄能器壳体从内到外依次为合金内胆层2、防静电涂层5、碳纤维层4，能满足31.5MPa工作压力下气体的气密性；如图3所示，所述合金内胆层2由上壳体3、下壳体6通过等离子弧焊的焊接方式焊接为一体，焊接质量必须精确保证，不会破坏原有的曲面，气密性达到较高的等级，具体等级视产品压力等级确定，并对焊缝做平滑处理，同时对焊缝进行缺陷检测，确保焊接效果，上壳体3和下壳体6厚度均为2mm，通过无缝旋压收口成型；所述防静电涂层5通过涂布、喷涂或浸渍的方法使之附着在合金内胆层2的表面，并经过干燥处理，所述防静电涂层5厚度为0.3～0.6mm；所述碳纤维层4为一定层数的碳纤维原丝，缠绕在防静电涂层5外侧，缠绕完成后对碳纤维层4进行消泡、固化和表面处理，所述碳纤维层4可根据需要选择东丽T300或者T700，利用四轴联动数控纤维缠绕机进行缠绕，并在缠绕过程中涂抹树脂，确保发挥碳纤维原丝最佳的材料性能，缠绕角度可根据所需的耐压程度和产品重量进行设计，如6mm缠绕厚度，保证额定压强在31.5MPa，缠绕角度为±45°/0°/90°。

所述气体阀单元包括转换衬套1和气体阀15，气体阀15可根据所充气体的类型进行调换，转接衬套1可提高蓄能器的接口适应性。

所述液压端接口包括菌形阀7、液体阀9和螺堵10，液体阀9与蓄能器壳体固定连接；菌形阀7通过液体阀9的内螺纹安装在液体阀9内；螺堵10安装在液体阀9上。

所述隔膜装置包括压紧环11、气囊12、橡胶托底13，所述压紧环11将气囊12压紧在上壳体3上，然后通过下壳体6与上壳体3的拼接，将气囊12固定在蓄能器壳体内部；气囊12的材料采用丁晴橡胶，气囊12底部配有橡胶托底13，用于防止气囊12由于内部压力过大，进入液体阀9内部被划破，对气囊12进行充气时，当气囊12膨胀到橡胶托底13与菌形阀7的上部盘14贴合时停止充气，以防气囊12破裂。如图4所示，所述压紧环11采用异形槽口，和气囊12的端部过盈配合，气囊边缘压缩量在0.5-0.8mm之间，以保证密封性。

本发明蓄能器的工作原理具体为：

首先将气囊12通过压紧环11焊接在上壳体3内部，上壳体3和下壳体6通过等离子弧焊的方式，无损光滑的焊接成为合金内胆层2，防静电涂层5附着在合金内胆层上，干燥处理后，利用碳纤维原丝缠绕形成碳纤维层4。将转接衬套1和气体阀15螺纹安装在蓄能器上端口，菌形阀7通过液体阀9的内螺纹安装在液体阀9内，螺堵10安装在液体阀9上，将液体阀9与蓄能器下端口连接，蓄能器通过液体阀9与液压系统相连接。

使用前，气体和液压油均未进入；然后，关闭液体阀9，对气囊13内A腔室充入气体(如氮气)，达到预充压力P0。由于液压油是不可压缩的，而气体是可压缩的，当压力过高时，液压油向上推动菌形阀7，液压油从而进入气囊13外侧与壳体形成的液体腔室B内，将液压油储存起来；当压力下降时，被压缩的气体膨胀，从而气囊13膨胀，液压油被压入油路；上述过程可以根据系统压力变化实时响应，从而达到储存能量、稳定系统压力等作用；

以2L的缠绕式囊式蓄能器为例，通过组合焊接的方式，减少了为隔膜安装所预留的下部液压系统接口的尺寸，进一步减少铝制或钢制配件的质量，重量小于2kg，爆破压强达102.4MPa，轻量化效果显著；组合式的气体阀单元便于产品在不同场合下的应用，可广泛应用于液压测试平台、起竖系统和汽车等，对系统的工作稳定性和续航能力都有促进；

本发明对于外骨骼辅助设备、便携式液压工具和足式机器人等智能移动装置影响巨大，整机质量显著减轻，动态特性大大提高，并有效延长了装置的续航时间。

最后需要注意的是，上述说明仅是本发明的具体个案，以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，其特征在于，该蓄能器包括蓄能器壳体、气体阀单元、液压端接口、隔膜装置；

所述蓄能器壳体从内到外依次为合金内胆层(2)、防静电涂层(5)、碳纤维层(4)；所述合金内胆层(2)由上壳体(3)、下壳体(6)拼接而成；上壳体(3)和下壳体(6)厚度均为2mm，通过无缝旋压收口成型；所述合金内胆层(2)的上壳体(3)和下壳体(6)通过等离子弧焊的焊接方式焊接为一体，并对焊缝做平滑处理，同时对焊缝进行缺陷检测，确保焊接效果；所述防静电涂层(5)附着在合金内胆层(2)的表面；所述碳纤维层(4)缠绕在防静电涂层(5)外侧；

所述气体阀单元包括转换衬套(1)和气体阀(15)，所述转换衬套(1)和气体阀(15)通过螺纹安装在蓄能器壳体上；

所述液压端接口包括菌形阀(7)、液体阀(9)和螺堵(10)，液体阀(9)与蓄能器壳体固定连接；菌形阀(7)通过液体阀(9)的内螺纹安装在液体阀(9)内；螺堵(10)安装在液体阀(9)上；

所述隔膜装置包括压紧环(11)、气囊(12)、橡胶托底(13)，所述压紧环(11)将气囊(12)压紧在上壳体(3)上，然后通过下壳体(6)与上壳体(3)的拼接，将气囊(12)固定在蓄能器壳体内部；气囊(12)底部配有橡胶托底(13)；压紧环(11)和气囊(12)的端部过盈配合，气囊边缘压缩量在0.5-0.8mm之间，以保证密封性，不易漏气，没有油气混杂的可能，并减少气囊大小，降低气囊惯性，用于消除脉动。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，其特征在于，所述防静电涂层(5)厚度为0.3～0.6mm，通过涂布、喷涂或浸渍的方法使之附着在合金内胆层(2)的表面，并经过干燥处理。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，其特征在于，所述碳纤维层(4)由碳纤维原丝在防静电涂层(5)外侧缠绕若干层形成，可根据需要选择东丽T300或者T700，利用四轴联动数控纤维缠绕机进行缠绕，并在缠绕过程中涂抹树脂，缠绕完成后对碳纤维层(4)进行消泡、固化和表面处理，缠绕厚度和角度可根据所需的耐压程度和产品重量进行设计。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，其特征在于，对气囊(12)进行充气时，当气囊(12)膨胀到橡胶托底(13)与菌形阀(7)的上部盘(14)贴合时停止充气，以防气囊(12)破裂。

5.根据权利要求1所述的一种轻量化缠绕式囊式蓄能器，其特征在于，气囊(12)的材料采用丁晴橡胶。

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