CN115416333A - 一种自增强的碳纤维液压缸强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，首先进行增强束制备和注入，通过将预先制备的增强束按照一定的排列方式注入到未固化的纤维增强层中，增大了碳纤维缸筒增强层的脱层滑动阻力，实现对碳纤维液压缸缸筒的局部力学加强，显著改善缸筒的抗弯强度。然后通过对封闭缸筒施加一定的压力，保持一定的时间实现纤维增强层的预紧，并排除气泡，避免因为氧化作用导致树脂塑性化，破坏了纤维增强层强度。利用本发明方法制备的碳纤维缸筒，与活塞组件、端盖、密封单元、耳环、关节轴承等组成的碳纤维液压缸，可以充分发挥出碳纤维预浸料的性能极限，并对纤维增强层整体进行自增强，实现在强度和可靠性的大幅度提升。

Description

一种自增强的碳纤维液压缸强化方法

技术领域

本发明涉及液压元件领域，尤其涉及一种自增强的碳纤维液压缸强化方法。

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高强度钢作为结构材料，体积庞大，重量重，在对重量要求特别苛刻的场合难以使用。随着复合材料的蓬勃发展，复合材料作为出色的力学性能的集合，并广泛用于金属替代，从而实现结构轻量化，其中常用的材料有碳纤维复合材料，其强度高于钢材，抗拉强度一般高于3500MPa，部分碳纤维材料抗拉强度可达4500MPa，密度却只有缸的1/3。功重比高的特点使得碳纤维复合材料用于制造液压缸具有十分巨大的优势。

目前已有的碳纤维液压缸基本采用缠绕成型的方式进行加工，仅作为金属的替代，在抵抗内压力方面优势巨大。当承受拉力或者压力时，碳纤维增强层层合板之间易滑移分层，造成工件破坏。当受到外界冲击损伤时层间可能存在滑移的现象，导致碳纤维液压缸的挠曲强度和层间剪切强度大幅度减少。层间和层内存在的气泡等容易因为氧化作用而导致树脂的塑性化、削弱聚合物链、降低纤维—树脂的结合性能，从而使液压缸抗扭抗拉性能、尺寸稳定、使用寿命等基本性能严重丧脆涂层强度造成损失，在长久的工作过程中容易产生裂纹。碳纤维液压缸多服役于超大型工程机械或高性能机器人，一旦破坏对人生安全、工业生产带来不可估量的损失。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，解决现有技术领域碳纤维液压缸层间剪切强度低、纤维增强层强度未能全部发挥等问题。实现自增强的同时，对其他组件和承载结构不造成破坏，自增强工艺未改变原有的工艺顺序，可以根据强度需求进行区域强度定制，成本优势大。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，该方法包括以下步骤：

(1)增强束制备和注入：通过将碳纤维原丝预浸环氧树脂后，成为预浸料，预浸料保持拉紧状态，使其能够穿过不锈钢模具，固化成型后，脱模并制备成增强束；在碳纤维缸筒固化成型前，利用增强束注射器将增强束按照阵列排布的方式，注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中，并固化成型；

(2)碳纤维缸预充压力：注入增强束的碳纤维缸筒固化成型后，将碳纤维缸筒两端封闭，从进出油口注入液压油并进行保压，消除碳纤维缠绕层间的气隙；保压结束后，排出液压油并解除两端封堵，得到自增强的碳纤维液压缸。

进一步地，步骤(1)中，利用增强束注射器和压力试验机，将增强束注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中；所述增强束注射器包括同步推杆、注入腔、树脂润滑腔和转换头，增强束通过转换头装入增强束注射器上，推动同步推杆，增强束和树脂润滑液一同被挤出，将增强束注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中。

进一步地，所述增强束截面为圆形，直径不超过1mm，长度不超过20mm。

进一步地，所述增强束在注入时，排列方式根据实际液压缸需求调整，注入过程中不能超过纤维增强层的厚度，避免对内衬造成不可逆变形。

进一步地，步骤(2)中通过内部施加压力使缸筒内的压力达到额定工作压力1.25-1.8倍，并保压1.5分钟。

进一步地，步骤(2)中，缸筒在内部压强的作用下实现向外膨胀，外力扩散到液压缸纤维增强层上，消除相邻碳纤维原丝以及碳纤维缠绕层间的气隙。

进一步地，步骤(2)中，保压结束后，对缸筒内表面进行精加工，使得启动压力小于0.1MPa，并对外表面突出的增强束和不平整圆柱面进行打磨处理。

进一步地，所述增强束注入碳纤维缸筒的整体碳纤维加强层中，或者需求的局部碳纤维加强层中。

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至少减重35％，相应地，实际工程应用中本设备可以降低能耗、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.本发明与采用现有碳纤维复合材料液压缸相比，提出了自增强的碳纤维液压缸强化方法，即无需要改变结构，使得使碳纤维液压缸的力学性能得到大幅度提升，尤其是克服了纤维增强层层间强度较差的先天缺陷，使得碳纤维液压缸在面对极端工况更加可靠、稳定，如液压缸受到较大的侧向力等；此外，碳纤维液压缸的疲劳寿命亦显著增加。

3.本发明提出的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法在设计上灵活多样，可根据碳纤维液压缸的实际工况，从增强束到纤维增强层进行定制化设计：增强束作为基本的加强单元，可以选取不同强度、不同直径，增强束组可选取多种排列组合方式，实现径向深度(直径)-轴向长度范围内的空间性能定制化，进而实现碳纤维液压缸的局部自增强、全域自增强。

4.本发明通过在应力集中区域植入增强束阵列增加层间的脱层滑动阻力，使得在碳纤维缸筒受弯矩时保持层间不滑移，从而提高了碳纤维液压缸的环境适应性，扩大了碳纤维液压缸的应用范围。此外，同现有碳纤维复合材料液压缸相比，碳纤维组件和其他组件联接对承载结构造成削弱的问题得以解决，最大限度地发挥了金属-复合材料的“多材料设计”的优势。

附图说明

图1是利用本发明加工制造出来碳纤维缸筒的结构示意图。

其中：1-铝合金内衬，2-碳纤维缸筒增强层。

图2是本发明自增强的碳纤维液压缸强化工艺中微细增强束注入工艺流程示意图。

图3是本发明自增强的碳纤维液压缸强化工艺中预充压力工艺的示意图。

图4是利用本发明自增强的碳纤维液压缸强化工艺实现的碳纤维液压缸装配图、剖面图和等二轴测图。

其中：3-液压缸左耳环，4-液压缸左端盖，5-活塞杆，6-液压缸右端盖，7-拉压力传感器，8-液压缸右耳环，9.1-第一关节轴承、9.2-第二关节轴承，10.1-第一位移传感器安装支座、10.2-第二位移传感器安装支座，11-位移传感器固定端，12-位移传感器-活塞杆连接件，13-位移传感器活动端。

图5是本发明中用到的增强束注射器的示意图。

其中：14-转换头，15-树脂润滑腔，16-注入腔，17-同步推杆。

图6是本发明中用到的增强束注射器的等二轴测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，包括增强束注入和预充压力两个工艺部分。所述增强束注入工艺包含增强束制备和注入，增强束制备是通过将碳纤维原丝预浸环氧树脂后，成为预浸料，预浸料保持拉紧状态，成束地穿过不锈钢模具，固化成型后，脱模，制备成增强束。

所述碳纤维缸筒由铝合金内衬1和碳纤维缸筒增强层2组成，具体地，以铝合金内衬1为基体，利用数控缠绕机将浸润过环氧树脂的、抗拉强度≥4200MPa的高强度碳纤维原丝T700为增强材料缠绕在铝合金内衬1上，如图1所示。

进一步地，在缠绕完成后，在碳纤维缸筒增强层2固化成型前，利用增强束注射器、小型压力机等可输出推力的仪器，按照一定的排列方式，将增强束注入缸筒的碳纤维缸筒增强层2中，工艺流程图如图2所示。注入后，连同铝合金内衬1一起在130°左右进行中温固化，固化后的增强束如图2中的(D)所示。

所述增强束注入工艺可根据碳纤维液压缸的实际工作强度需求，找出应力容易集中的区域，在应力集中区域增强束植入的密度，使得碳纤维缸筒增强层2层间脱层滑动阻力增大，进而实现局部增强。

所述增强束的直径一般不超过1.0mm，0.2mm、0.5mm、0.8mm为最佳直径选择，注入原理可采用本发明提出的增强束注射器，利用其他设备超声波注射器、插入设备等方式也可以实现，基本原理如图2所示，注入深度要严格控制，不能接触到铝合金内衬1，以免破坏铝合金内衬1的强度。

如图5和图6所示，所述增强束注入器包括转换头14、树脂润滑腔15、注入腔16、同步推杆17，增强束通过转换14装入增强束注射器上，推动同步推杆17，增强束和树脂润滑腔15中的树脂液一同被挤出，通过注入腔16将增强束注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中。

所述排列方式根据工件的使用工况和缸筒直径选择，一般有3×3、5×5、8×8等方式。

所述预充压力工艺是指固化成型后，将碳纤维缸筒两端封闭，从进出油口注入液压油，使缸筒内的压力保持在一个固定压力，试验所得的最优压力区间为额定工作压力1.25-1.8倍，保压1-3分钟，试验所得的最佳保压时间为1.5分钟，如图3所示。两道自增强过程后，对缸筒内表面进行精加工以保证较低的启动摩擦力，对外表面突出的增强束和不平整圆柱面进行打磨处理，保证外圆的圆柱度。

所述预充压力工艺可通过液压试验台进行数控压力保持，亦可利用手压泵等简单加压装置进行。加压过程中，压力波动不超过10％，确保相邻碳纤维原丝以及碳纤维缠绕层间没有任何气隙。

进一步地，经过两道自增强工艺处理后，碳纤维缸筒增强层2外表面有增强束凸起和固化过程中出现的凹坑。先用刀具去除较长的增强束，而后装夹在外圆磨床上进行精磨，直至满足碳纤维缸筒增强层2的粗糙度和圆柱度。经过表面打磨加工后，不影响碳纤维缸筒增强层2的连续性和完整性，并且最大限度地发挥了碳纤维预浸料抗拉强度高的优势。

进一步地，两道自增强工艺后，铝合金内衬1可能存在一定的变形，对铝合金内衬1内表面进行精加工以保证较低的启动摩擦力，最终启动压力＜0.1MPa，满足伺服缸的使用需求。

利用本发明一种自增强的碳纤维液压缸强化工艺加工出的碳纤维液压缸如图4所示，包括自增强碳纤维缸筒，活塞杆5，液压缸左耳环3、液压缸又耳环8，液压缸左端盖4、液压缸右端盖6、第一关节轴承9.1、第二关节轴承9.2，拉压力传感器7、第一位移传感器安装支座10.1、第二位移传感器安装支座10.2、位移传感器固定端11、位移传感器-活塞杆连接件12和位移传感器活动端13。

所述液压缸左端盖4通过螺纹连接安装在铝合金内衬1左侧，液压缸左耳环3螺纹连接在液压缸左端盖4上，活塞杆5安装在铝合金内衬1内侧，通过密封圈密封，导向环进行导向，供活塞杆5在铝合金内衬1内左右滑动。液压缸右端盖6穿过活塞杆5螺纹连接到铝合金内衬1的右侧，通过斯特圈密封，导向环进行导向，供活塞杆5在液压缸右端盖6内左右滑动。液压缸右耳环8通过一端带内螺纹、一端带外螺纹的拉压力传感器7连接到活塞杆5的右侧，位移传感器安装支座、位移传感器-活塞杆连接件安装。位移传感器固定端11通过安装在液压缸左端盖4、液压缸右端盖6上的第一位移传感器安装支座10.1和第二位移传感器安装支座10.2进行固定，位移传感器活动端13通过位移传感器-活塞杆连接件12与活塞杆5连接，活塞杆5的位移转化为位移传感器的电信号，从而用于碳纤维液压缸的控制。

本发明主要是强化液压缸的核心部件碳纤维缸筒，密封圈、防尘圈、支撑环、导向环等依照国标选择相应标准件以外，其他零件金属机加工的方式获得，按照本发明获得的碳纤维液压缸屈曲强度提升20％，层间强度显著提升。

利用本发明实现的碳纤维液压缸可以在矿山机械、泵车、掘进装备等对元件性能要求严苛的恶劣工况下使用，另外对功率密度、作业效率和结构尺寸限制高的场合亦可采用本发明提出的技术。所述活塞杆端部加工外螺纹，活塞内圆柱面上加工内螺纹，活塞杆与活塞采用螺纹联接，活塞杆采用配活塞杆内衬设计。上述液压缸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。

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。

Claims (8)

1.一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)增强束制备和注入：通过将碳纤维原丝预浸环氧树脂后，成为预浸料，预浸料保持拉紧状态，使其能够穿过不锈钢模具，固化成型后，脱模并制备成增强束；在碳纤维缸筒固化成型前，利用增强束注射器将增强束按照阵列排布的方式，注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中，并固化成型；

(2)碳纤维缸预充压力：注入增强束的碳纤维缸筒固化成型后，将碳纤维缸筒两端封闭，从进出油口注入液压油并进行保压，消除碳纤维缠绕层间的气隙；保压结束后，排出液压油并解除两端封堵，得到自增强的碳纤维液压缸。

2.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，步骤(1)中，利用增强束注射器和压力试验机，将增强束注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中；所述增强束注射器包括同步推杆、注入腔、树脂润滑腔和转换头，增强束通过转换头装入增强束注射器上，推动同步推杆，增强束和树脂润滑液一同被挤出，将增强束注入碳纤维缸筒的碳纤维加强层中。

3.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，所述增强束截面为圆形，直径不超过1mm，长度不超过20mm。

4.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，所述增强束在注入时，排列方式根据实际液压缸需求调整，注入过程中不能超过纤维增强层的厚度，避免对内衬造成不可逆变形。

5.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，步骤(2)中通过内部施加压力使缸筒内的压力达到额定工作压力1.25-1.8倍，并保压1.5分钟。

6.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，步骤(2)中，缸筒在内部压强的作用下实现向外膨胀，外力扩散到液压缸纤维增强层上，消除相邻碳纤维原丝以及碳纤维缠绕层间的气隙。

7.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，步骤(2)中，保压结束后，对缸筒内表面进行精加工，使得启动压力小于0.1MPa，并对外表面突出的增强束和不平整圆柱面进行打磨处理。

8.根据权利要求1所述的一种自增强的碳纤维液压缸强化方法，其特征在于，所述增强束注入碳纤维缸筒的整体碳纤维加强层中，或者需求的局部碳纤维加强层中。

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