CN115107262A - 一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，通过在传统数控缠绕机上增加缠绕头角度时变装置，打破了常见的0°、±45°、90°的缠绕方法对复合材料结构性能极限上的限制，实现单圈圆周方向的预浸料方向的变化，并用于无金属内衬的碳纤维缸筒和活塞杆上。本发明与传统碳纤维缸相比，提出的方法可以根据使用工况进行定制化设计，实现了刚度的定制，可以更有效地重新分配外部载荷，从而形成从加载点到支架的最佳载荷路径，碳纤维缸筒或活塞杆的屈曲能力增加30%。无金属内衬的设计使得碳纤维液压缸的轻量化水平进一步提升，搭配变刚度的缸筒和活塞杆单元，实现了液压缸的高功率密度。

Description

一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸

技术领域

本发明属于液压执行元件领域，尤其涉及一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸。

背景技术

随着科学技术的进步，液压元件逐渐朝智能化、小型化、轻量化发展。智能化关注电气化和控制技术，小型化和轻量化集中利用新技术和新结构实现同等输出参数下重量和体积的减少，对提升整机的性能、降低机器的排放起到至关重要的作用。其中液压缸作为液压领域最常见的执行元件，被广泛应用到航空航天、工程机械和石油冶金等领域。除了开发比强度更高的金属材料，复合材料以其出色的力学性能，通过对金属的替代，达到强度增加，重量减轻的双重效果，受到工业界的追捧。

虽然碳纤维液压缸在功率密度上较传统金属缸有优势，但是也存在屈曲特性较差，在恶劣工况下无法服役的问题。目前的碳纤维液压缸依靠数控缠绕机缠绕成型，采用0°、±45°、90°的固定缠绕角缠绕，限制了复合材料结构的可设计性和可裁剪性，和其他金属件无法进行传统的连接，如螺钉联接、销钉联接等。固定的缠绕角度造成复合材料性能的浪费，无法根据工况实现最佳的设计，液压缸适用范围窄，极端工况下的可靠性无法保障。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，突破技术壁垒，提供一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸。解决现有碳纤维液压缸适用范围较窄、环境适应性不高的问题；同时提供一种可根据环境外载荷设计碳纤维液压缸刚度的方法，其结合有限元分析，求解出最佳的纤维路径，以此实现刚度的定制，可以更有效地重新分配外部载荷，从而形成从加载点到支架的最佳载荷路径。解决现有碳纤维液压缸环境适应性不足的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，包括可变刚度的碳纤维缸筒和活塞杆单元，所述活塞杆单元包括活塞和可变刚度的活塞杆，所述可变刚度的碳纤维缸筒和可变刚度的活塞杆均由碳纤维缠绕得到，均包括碳纤维增强层和变刚度层，所述碳纤维增强层的单圈内缠绕角度固定，所述变刚度层单圈内不同圆周位置通过不同的碳纤维缠绕角度实现变刚度。

进一步地，所述可变刚度的碳纤维缸筒是以金属芯轴为基体，芯轴上涂刷脱模剂，随后在芯轴上通过带有缠绕头角度时变调整装置的缠绕设备进行碳纤维缠绕，缠绕过程中缠绕角度不改变，即得到碳纤维增强层；更改缠绕过程中的角度，实现碳纤维缸筒的变刚度；缠绕完成后，带芯轴一起固化成型，而后脱去芯轴，完成变刚度无金属内衬的碳纤维缸筒制造。

进一步地，所述缠绕头角度时变调整装置通过驱动电机传递动力给变速箱，进而传递给主动齿轮轴，齿轮轴在端盖上转动，传输动力给从动齿轮轴，通过齿轮外啮合传输给缠绕头主轴，进而通过缠绕头接口与缠绕头相连。驱动电机可双向旋转，经过齿轮系传递后，驱动缠绕头角度时变，在单圈圆周中可以实现角度的变化。

进一步地，变刚度的缠绕方式有两种：层内变刚度和层间变刚度；所述层内变刚度通过单圈内缠绕角度的变化来实现，层间变刚度通过不同层之间的刚度匹配来实现。

进一步地，所述活塞杆采用和可变刚度的碳纤维缸筒同样的变刚度的缠绕方式，实现活塞杆的变刚度，同时不需要去掉金属芯轴，将金属芯轴作为活塞杆的承接部件，活塞杆和碳纤维缸筒之间实现不同刚度值的匹配。

进一步地，变刚度层的层数比例不超过缠绕总层数的40%，单圈内的单次角度变化量不超过5°，以防止在内压下纤维增强层破坏。

进一步地，缠绕的碳纤维原丝采用T系列纤维丝，安装在数控缠绕机的纱架上，浸过树脂后成为预浸料，通过缠绕头角度时变调整装置，在芯轴上按照预先设计的方式进行缠绕，缠绕过程中需要保持一定的预紧力，且层间不能出现气隙。

进一步地，所述活塞杆单元由于外形不是标准的圆柱体，需要进行组合；活塞采用金属机加工，活塞杆通过缠绕成型，并通过胶接或螺纹的方式固连一起。

进一步地，可变刚度的碳纤维缸筒和可变刚度的活塞杆在中温130°条件下固化成型，可变刚度的碳纤维缸筒在成型后脱去金属芯轴，并需要对碳纤维缸筒内壁进行打磨处理，而后对内壁喷涂耐磨涂层。

本发明的有益结果是：

1. 本发明提供一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，首次提出碳纤维液压缸的可变刚度。同已有的碳纤维增强液压缸相比，打破了固定的0°、±45°、90°的缠绕角度组合，通过在单圈内的缠绕角度变化打破了复合材料结构在裁剪性上的限制，实现了液压缸的刚度可变。利用这一特性，可以根据使用工况设计分配外部载荷，从而形成从加载点到固定点的最佳载荷路径，最大程度地激发碳纤维复合材料的性能。以直径12 mm、行程80 mm的活塞杆为例，屈曲强度增加18%。

2. 本发明同已有的碳纤维增强液压缸相比，通过缠绕头角度调整装置实现纤维增强层的空间定制，定制方式多样，按区域分，可分为层间定制和层内定制；按对象分，可分为缸筒定制和活塞杆定制。并可通过不同区域和对象的组合实现多样化的功能，满足各个场景的需求。

3. 本发明提出的无金属内衬碳纤维液压缸，相较于已有碳纤维液压缸，进一步实现轻量化，轻量化水平较提高10%。和相同规格、相同压力等级的金属液压缸相比，减重60%以上。减重效果可进一步帮助系统转动惯量减小，动态性能改善，对操作速度和精度均有一定的提升。

4. 本发明进一步拓展了碳纤维液压缸的应用领域，尤其在高爆发机器人、大功重比工程机械、航空航天等特殊工况下。通过元件层面的性能定制化设计实现整机的高可靠性。

5. 本发明提供的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，耐压性能高，爆破压力超过40 MPa，且爆炸不会造成碎片，而是出现撕裂口，安全性高。启动压力小于0.1MPa，满足伺服领域的使用标准。

附图说明

图1是本发明所述的可变刚度的无金属内衬碳纤维缸筒的工艺流程示意图。

其中：1-芯轴，2-脱模剂，3-缠绕头。

图2是本发明所述的缠绕头角度时变调整装置示意图，其中（a）是主视图，（b）是左视图，（c）是俯视图，（d）是立体图。

其中：4-驱动电机，5-变速箱，6-主动齿轮轴，7-端盖，8-从动齿轮轴，9-缠绕头主轴，10-固定架，11-缠绕头连接接口。

图3是本发明所述的缠绕头角度时变调整装置的齿轮传动简图。

图4是传统缠绕方式，即固定刚度的碳纤维液压缸缠绕过程示意图。

图5是本发明所述的变刚度缠绕过程的角度变化和缠绕角度示例示意图。

图6是本发明所述的圆形界面上缠绕角度的变化示意图，其中（a）是缠绕角度示意图，（b）是传统缠绕方式角度变化示例示意图，（c）和（d）是本发明的变刚度缠绕过程中角度变化的示例示意图。

图7是本发明所述的可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸的装配图，其中（a）是（b）的A-A剖视图，（b）是装配结构示意图。

其中：12-左端盖，13-活塞格莱圈，14-活塞导向环，15-活塞，16-碳纤维缸筒，17-活塞杆，18-过渡连接件，19-右端盖，20-O型密封圈，21-活塞杆导向环，22-活塞杆斯特圈，23-耳环，24-左关节轴承，25-左位移传感器支座，26-位移传感器，27-右位移传感器支座，28-位移传感器-活塞杆连接件，29-右关节轴承。

具体实施方式

下面结合附图1-7对本发明进行详细阐述。

如图7所示，本发明提供了一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，包括碳纤维缸筒16，活塞杆单元、左端盖12、右端盖单元和其他辅件（包括耳环23、左关节轴承24、左位移传感器支座25、位移传感器26、右位移传感器支座27、位移传感器-活塞杆连接件28和右关节轴承29）。

所述碳纤维缸筒16的制造工艺如图1所示，以芯轴1为基体，利用数控缠绕机的缠绕头3将浸润过环氧树脂的、抗拉强度≥4200 MPa的高强度碳纤维原丝T700为增强材料缠绕在涂有脱模剂2的芯轴1上，缠绕过程中缠绕角度不改变，即得到碳纤维增强层；更改缠绕过程中的角度，实现碳纤维缸筒的变刚度；缠绕完成后，和芯轴1一起进行130°左右的中温固化，固化成型后脱去芯轴1，并在两端精磨出两个台阶面供左端盖12和过渡连接件11进行连接。最后对碳纤维缸筒16的内表面进行耐磨涂层喷涂，然后精磨保证粗糙度，即实现无金属内衬的碳纤维缸筒16的制造，碳纤维缸筒的质量相较于传统碳纤维缸减少10%以上。

本发明提出的变刚度缠绕通过如图2所示的缠绕头角度时变调整装置实现，变刚度的缠绕方式有两种：层内变刚度和层间变刚度；所述层内变刚度通过单圈内缠绕角度的变化来实现，层间变刚度通过不同层之间的刚度匹配来实现。缠绕头角度时变调整装置通过驱动电机4，传递动力给变速箱5，进而传递给主动齿轮轴6，齿轮轴6在端盖7上转动，经由1:1传输动力给从动齿轮轴8，通过齿轮外啮合传输给固定架10上的缠绕头主轴9，进而通过缠绕头接口11与缠绕头3相连。驱动电机4可双向旋转，经图3所示的齿轮系传递后，驱动缠绕头3角度时变，在单圈圆周中可以实现角度的变化，缸筒的屈曲强度提升30%。本发明提出的变刚度缠绕，通过缠绕单圈内的角度变化来实现，并可以根据实际工况进行定制化设计。

传统碳纤维液缸筒的缠绕实例如图4所示，缠绕过程中缠绕头3的角度在层内保持不变，常见的角度为0、±45°、90°等，图4所示的为+45°。本发明提出的变刚度缠绕实例如图5所示，如1s时刻为+85°，2s时刻为90°，3s时刻为-60°，在单圈圆周中可以实现角度的变化。

进一步地，图6所示给出了本发明和传统方式的不同之处，传统缠绕方式在θ变化时，Δ保持不变，如图6中的（a）和图6中的（b）所示。本发明提出的变刚度缠绕，通过缠绕单圈内的角度变化来实现，并可以根据实际工况进行定制化设计，缸筒的屈曲强度提升30%。变刚度缠绕过程圆周方向角度变化的示例如图6中的（c）和图6中的（d）所示。

通过本发明可实现连续变化缠绕角的纤维增强层，实现变刚度设计。可根据实际工况结合有限元分析，求得最佳的纤维路径，进而指导缠绕过程的角度变化，以此实现刚度的定制，更有效地重新分配外部载荷，从而形成从加载点到支架的最佳载荷路径；

为了保证变刚度设计不影响碳纤维液压缸的基础功能，变刚度层的层数比例不超过缠绕总层数的40%，单圈内的单次角度变化量不超过5°，以防止在较高的内压下造成纤维增强层破坏。缠绕的碳纤维原丝采用T系列纤维丝，安装在数控缠绕机的纱架上，浸过树脂后成为预浸料，通过缠绕头角度时变调整装置，在芯轴上按照预先设计的方式进行缠绕，缠绕过程中需要保持一定的预紧力，且层间不能出现气隙，但允许重叠。

进一步地，活塞杆17和碳纤维缸筒16均利用本发明提出的变刚度的无金属内衬的加工方法，实现活塞杆的变刚度设计。活塞杆17作为负载端直接受力部件，碳纤维缸筒16作为油压的直接受力部件，两者之间可通过不同刚度的设计达到在给定工况下的最优设计。

所述活塞杆采用和可变刚度的碳纤维缸筒同样的变刚度的缠绕方式，实现活塞杆的变刚度，同时不需要去掉金属芯轴，将金属芯轴作为活塞杆单元的承接部件，活塞杆和碳纤维缸筒之间实现不同刚度值的匹配。所述活塞杆单元包括活塞格莱圈13、活塞导向环14、活塞15、活塞杆17、活塞杆导向环21和活塞杆斯特圈22。如图7所示，活塞15通过环氧树脂胶与活塞杆17粘结，活塞格莱圈13、活塞导向环14安装在活塞上实现有杆腔和无杆腔的密封，并辅助活塞杆单元在碳纤维缸筒16的内表面上滑动。活塞杆导向环21和活塞杆斯特圈22用于和右端盖单元密封，并辅助活塞杆17在右端盖19的内表面滑动。

所述右端盖单元包括过渡连接件18、右端盖19和O型密封圈20，右端盖19装上O型密封圈20后通过螺纹连接过渡连接件18上组成右端盖单元。

进一步地，左关节轴承24通过过盈配合安装到左端盖12上，通过环氧树脂胶与碳纤维缸筒16粘结，活塞杆单元从右侧装入碳纤维缸筒16内部，然后右端盖单元通过环氧树脂胶与碳纤维缸筒16右侧粘结，活塞杆17的右侧加工有外螺纹，用于连接耳环23，右关节轴承29通过过盈配合安装到耳环23上。

进一步地，位移传感器26的骨架部分通过安装在左端盖12的左位移传感器支座25和安装在过渡连接件18上的右位移传感器支座27共同固定。位移传感器26的活动部分通过位移传感器-活塞杆连接件28连接，活塞杆17的位移转化为位移传感器26的电信号。

所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸可应用在可应用在以液压油为流体介质的液压传动、液压控制设备中；在左端盖12和过渡连接件18上各有1个油口，左端盖12上的油口进油时，活塞杆单元向左移动；过渡连接件18上的油口进油时，活塞杆单元向右移动；进而推动负载进行运动。

所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，经试验证明，能承受的最大压力大于等于28 MPa，启动压力为0.1 MPa，无内泄漏量，能实际应用于真实环境。

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专利的保护范围。例如：①仅改变液压缸尺寸；②不改变碳纤维复合材料层的形状，仅改变液压缸头部或液压缸底部或活塞组件或液压缸缸帽等金属结构的；③仅改变液压缸密封方式等的均属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，包括可变刚度的碳纤维缸筒和活塞杆单元，所述活塞杆单元包括活塞和可变刚度的活塞杆，所述可变刚度的碳纤维缸筒和可变刚度的活塞杆均由碳纤维缠绕得到，均包括碳纤维增强层和变刚度层，所述碳纤维增强层的单圈内缠绕角度固定，所述变刚度层单圈内不同圆周位置通过不同的碳纤维缠绕角度实现变刚度。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，所述可变刚度的碳纤维缸筒是以金属芯轴为基体，芯轴上涂刷脱模剂，随后在芯轴上通过带有缠绕头角度时变调整装置的缠绕设备进行碳纤维缠绕，缠绕过程中缠绕角度不改变，即得到碳纤维增强层；更改缠绕过程中的角度，实现碳纤维缸筒的变刚度；缠绕完成后，带芯轴一起固化成型，而后脱去芯轴，完成变刚度无金属内衬的碳纤维缸筒制造。

3.根据权利要求2所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，所述缠绕头角度时变调整装置通过驱动电机传递动力给变速箱，进而传递给主动齿轮轴，齿轮轴在端盖上转动，传输动力给从动齿轮轴，通过齿轮外啮合传输给缠绕头主轴，进而通过缠绕头接口与缠绕头相连；驱动电机能够双向旋转，经过齿轮系传递后，驱动缠绕头角度时变，在单圈圆周中实现角度的变化。

4.根据权利要求1所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，变刚度的缠绕方式有两种：层内变刚度和层间变刚度；所述层内变刚度通过单圈内缠绕角度的变化来实现，层间变刚度通过不同层之间的刚度匹配来实现。

5.根据权利要求2所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，所述活塞杆采用和可变刚度的碳纤维缸筒同样的变刚度的缠绕方式，实现活塞杆的变刚度，同时不需要去掉金属芯轴，将金属芯轴作为活塞杆的承接部件，活塞杆和碳纤维缸筒之间实现不同刚度值的匹配。

6.根据权利要求1所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，变刚度层的层数比例不超过缠绕总层数的40%，单圈内的单次角度变化量不超过5°，以防止在内压下纤维增强层破坏。

7.根据权利要求3所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，缠绕的碳纤维原丝采用T系列纤维丝，安装在数控缠绕机的纱架上，浸过树脂后成为预浸料，通过缠绕头角度时变调整装置，在芯轴上按照预先设计的方式进行缠绕，缠绕过程中需要保持一定的预紧力，且层间不能出现气隙。

8.根据权利要求1所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，所述活塞杆单元由于外形不是标准的圆柱体，需要进行组合；活塞采用金属机加工，活塞杆通过缠绕成型，并通过胶接或螺纹的方式固连一起。

9.根据权利要求1所述的一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，其特征在于，可变刚度的碳纤维缸筒和可变刚度的活塞杆在中温130°条件下固化成型，可变刚度的碳纤维缸筒在成型后脱去金属芯轴，并需要对碳纤维缸筒内壁进行打磨处理，而后对内壁喷涂耐磨涂层。

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