CN116292495A - 具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 - Google Patents
具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116292495A CN116292495A CN202310186788.9A CN202310186788A CN116292495A CN 116292495 A CN116292495 A CN 116292495A CN 202310186788 A CN202310186788 A CN 202310186788A CN 116292495 A CN116292495 A CN 116292495A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rod body
- carbon fiber
- piston rod
- inner layer
- rod
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 51
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 51
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 5
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 4
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 claims description 3
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 description 2
- 239000003562 lightweight material Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
- F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
- F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
- F15B15/1423—Component parts; Constructional details
- F15B15/1457—Piston rods
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
- B29C70/84—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks by moulding material on preformed parts to be joined
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B20/00—Safety arrangements for fluid actuator systems; Applications of safety devices in fluid actuator systems; Emergency measures for fluid actuator systems
- F15B20/005—Leakage; Spillage; Hose burst
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Actuator (AREA)
Abstract
本发明涉及一种具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法。该活塞杆包括杆头(1)、法兰衬套(2)、碳纤维复合材料杆体内层(3)、杆体外衬(4)、轴头(5)，法兰衬套(2)预埋在碳纤维复合材料杆体内层(3)两端并随其一体固化成型，杆体外衬(4)套装固定在碳纤维复合材料杆体内层(3)上，杆头(1)、轴头(5)通过螺纹固定在碳纤维复合材料杆体内层(3)两端的法兰衬套(2)上。在法兰衬套(2)相应部位设置有倒拔结构和环向沟槽，共同防止其脱出。与现有同类全金属活塞杆相比，本发明提供的轻量化活塞杆能够减重50％以上，并且能承受35MPa的工作压力和40MPa的试验压力，完全能够替代现有纯金属液压缸活塞杆。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域，具体涉及一种具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展，工程机械的需求量越来越大，液压油缸是各种工程机械、煤矿机械、特种车辆和大型机械的专用部件，现有的全金属液压油缸的重量较大，是制约高性能工程机械发展的因素之一。液压缸的轻量化设计可以减小运动惯量、提高响应速度，对于泵车等工程机械来说，轻量化是扩大工作区域、节能减排的重要手段。各种轻量化设计中最常用的方法是采用轻型材料(如铝代钢)，从根本上降低部件的重量。
碳纤维增强环氧树脂复合材料的比模量是钢和铝的5倍，比强度是钢和铝的3倍，此外碳纤维的密度一般为1.6g/cm3，是铝的二分之一，是钢的五分之一，因此碳纤维是一种很好的轻量化材料。分析可知液压缸的重量主要分布在缸筒和活塞杆上，因此本发明将碳纤维复合材料应用于液压缸的活塞杆，在满足强度、刚度性能的基础上，大大减轻了重量、提高了工作效率，达到节能减排的效果。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆，其包括杆头1、法兰衬套2、中空复合杆体、轴头5，所述法兰衬套2预埋在中空复合杆体两端，杆头1、轴头5通过法兰衬套2与中空复合杆体固定连接。
进一步的，杆头1、轴头5通过螺纹与法兰衬套2固定连接。
进一步的，所述中空复合杆体包括碳纤维复合材料杆体内层3、杆体外衬4，其中碳纤维复合材料杆体内层3与杆体外衬4采用胶接的方式固定连接，法兰衬套2预埋在碳纤维复合材料杆体内层3两端并一体成型。
更进一步的，所述碳纤维复合材料杆体内层3以碳纤维作为增强材料，热固性环氧树脂作为基体，采用缠绕、高温固化成型工艺制得。
进一步的，在法兰衬套轴颈部6设置有防脱的倒拔结构，该倒拔结构的形状为圆台形，并且靠近法兰衬套轴肩部7的是圆台小端，在倒拔结构外表面设置有环向沟槽，碳纤维复合材料杆体内层3嵌入环向沟槽并紧密包裹倒拔结构最后固化成型，从而有效防止法兰衬套2脱出。
更进一步的，所述倒拔结构的锥度为1°-2°，所述环向沟槽为半圆形并且同轴向、等间距分布。
进一步的，法兰衬套轴肩部7(类似凸起的台阶)与碳纤维复合材料杆体内层3的外径相等，杆体外衬4与碳纤维复合材料杆体内层3固定连接并将法兰衬套轴肩部7套住。
更进一步的，杆头1、轴头5与法兰衬套2、杆体外衬4的连接部位通过焊接进行加固。
本发明的目的之二在于提供上述具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆的制备方法，该方法包括以下步骤：(a)用芯模将两个对称布置的法兰衬套2连接起来，接着在芯模、法兰衬套2的倒拔结构和环向沟槽上缠绕碳纤维预浸带，固化得到法兰衬套-碳纤维复合材料杆体内层结合体；(b)将杆体外衬4套装在结合体上并胶接固定，抽出芯模后将杆头1、轴头5固定在法兰衬套2上。
本发明解决了现有全金属液压缸因自重过大导致的响应速度慢、能耗大、工作区域受限等问题，通过将碳纤维复合材料应用到液压缸的活塞杆上，在满足强度、刚度性能的基础上大大减轻了设备重量、提高了工作效率，实现了节能减排的效果，基本解决了金属活塞杆轻量化问题。
与现有同类产品相比，本发明的优势体现在以下几个方面：
(1)该活塞杆杆体大部分由碳纤维复合材料制成，与同样规格的金属液压缸活塞杆相比可减重50％左右，极大的满足了工程机械、煤矿机械、特种车辆和大型机械等领域的轻量化要求；
(2)仅仅轻量化还不够，还需要保证零部件连接的可靠性，为此本发明采用一体成型的方式将带有环向沟槽和倒拔结构的法兰衬套预埋在活塞杆碳纤维复合材料杆体内层中，经试验验证，与传统的胶接连接方式相比，本发明采用的这种连接方式极大的提高了活塞杆两端连接的可靠性；
(3)该活塞杆结构简单、在大幅减重的情况下保证了产品的力学性能，还能够防脱、防液压油渗漏，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明轻量化活塞杆沿中心轴线的剖面示意图；
图2为本发明轻量化活塞杆的立体示意图；
图3为法兰衬套的示意图。
其中1-杆头，2-法兰衬套，3-碳纤维复合材料杆体内层，4-杆体外衬，5-轴头，6-法兰衬套轴颈部，7-法兰衬套轴肩部。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。
如图1-3所示，一种具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆，包括杆头1、法兰衬套2(左右共一对)、碳纤维复合材料杆体内层3、杆体外衬4和轴头5。其中活塞杆杆体为空心的复合结构，其主要由碳纤维复合材料杆体内层3和金属外衬4组成，金属外衬4的壁厚为2～3mm，由此实现了轻量化效果的同时又达到耐磨和防渗漏的目的。碳纤维复合材料杆体内层3以碳纤维为增强材料、热固性环氧树脂为基体，经缠绕、固化成型制成，杆体外衬4采用胶接的方式与碳纤维复合材料杆体内层3固定相连。法兰衬套2提前预埋在碳纤维复合材料杆体内层3中，并采用一体成型的方式与其固定连接。在法兰衬套2的通孔中加工有内螺纹，在杆头1和轴头5端部加工有外螺纹，通过螺纹将杆头1、轴头5与法兰衬套2及整个活塞杆杆体相连。杆头1、法兰衬套2、杆体外衬4以及轴头5均选用45钢。
如图3所示，法兰衬套轴颈部6为倒拔结构，倒拔结构的锥度为1°～2°。在倒拔结构外表面还设置有环向沟槽，这些环向沟槽为半径1mm-2mm的半圆且同轴等间隔分布。在碳纤维复合材料杆体内层3、法兰衬套2一体成型的过程中，将碳纤维预浸带缠绕在法兰衬套2的环向沟槽和倒拔结构上，高温固化后碳纤维复合材料会紧紧的勒在这些沟槽中，由此加强了碳纤维复合材料杆体内层和法兰衬套之间连接的牢固性。此外液压缸在工作的过程中，油液通过油口作用在油杆腔内，会使活塞杆产生拉力载荷，倒拔结构使法兰衬套2与碳纤维复合材料杆体内层3在轴向拉力的作用下更不容易脱离。法兰衬套轴肩部7的宽度为15mm-20mm，轴肩外径与碳纤维复合材料杆体内层3的外径相同(组合时平齐)。这种设计能够保证轴头1、杆头5在与法兰衬套2、杆体外衬4焊接加固时热影响区远离碳纤维复合材料杆体内层3，降低了焊接高温使碳纤维复合材料杆体内层3性能降低的风险。焊接既可以达到杆头1和轴头5螺纹防松的目的，又可以避免液压油液通过杆头1、轴头5、法兰衬套2和杆体外衬4之间的缝隙渗漏进入空心的活塞杆杆体中。
该液压缸轻量化活塞杆的制备方法具体如下：首先将一根芯模插入左右两端的法兰衬套2内孔中，以法兰衬套2的轴肩外端面(台阶面)为成型挡板，将碳纤维复合材料杆体内层3一圈圈缠绕在芯模和法兰衬套2的倒拔结构上，缠绕完高温固化使法兰衬套2和碳纤维复合材料杆体内层3成型为一体，再将杆体外衬4与碳纤维复合材料杆体内层3胶接在一起，抽出芯模后在法兰衬套2上机加工出与杆头1、轴头5外螺纹相配合的内螺纹，通过螺纹将两者连接到法兰衬套2上。
该轻量化活塞杆制作完成后，还需要在活塞杆杆体外衬4表面进行镀铬处理。检测结果表明，该活塞杆能承受35MPa的工作压力以及40MPa的试验压力，完全能够替代现有纯金属液压缸活塞杆。
Claims (9)
1.一种具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆，其特征在于：该活塞杆包括杆头(1)、法兰衬套(2)、中空复合杆体、轴头(5)，所述法兰衬套(2)预埋在中空复合杆体两端，杆头(1)、轴头(5)通过法兰衬套(2)与中空复合杆体固定连接。
2.如权利要求1所述的活塞杆，其特征在于：杆头(1)、轴头(5)均通过螺纹与法兰衬套(2)固定连接。
3.如权利要求1所述的活塞杆，其特征在于：所述中空复合杆体包括碳纤维复合材料杆体内层(3)、杆体外衬(4)，其中碳纤维复合材料杆体内层(3)与杆体外衬(4)采用胶接的方式固定连接，法兰衬套(2)预埋在碳纤维复合材料杆体内层(3)两端并一体成型。
4.如权利要求3所述的活塞杆，其特征在于：所述碳纤维复合材料杆体内层(3)以碳纤维作为增强材料，热固性环氧树脂作为基体，采用缠绕、高温固化成型工艺制得。
5.如权利要求3所述的活塞杆，其特征在于：在法兰衬套轴颈部(6)设置有防脱的圆台式倒拔结构，在倒拔结构外表面设置有环向沟槽，碳纤维复合材料杆体内层(3)紧密缠绕在倒拔结构及环向沟槽上后固化成型。
6.如权利要求5所述的活塞杆，其特征在于：所述倒拔结构的锥度为1°-2°，所述环向沟槽为半圆形并且同轴、等间距分布。
7.如权利要求3所述的活塞杆，其特征在于：法兰衬套轴肩部(7)与碳纤维复合材料杆体内层(3)的外径相等，杆体外衬(4)与碳纤维复合材料杆体内层(3)固定连接并将法兰衬套轴肩部(7)套住。
8.如权利要求3所述的活塞杆，其特征在于：杆头(1)、轴头(5)与法兰衬套(2)、杆体外衬(4)的连接部位通过焊接进行加固。
9.权利要求1-8任意一项所述具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)用芯模将两个对称布置的法兰衬套(2)连接起来，接着在芯模、法兰衬套(2)的倒拔结构和环向沟槽上缠绕碳纤维预浸带，固化得到法兰衬套-碳纤维复合材料杆体内层结合体；(b)将杆体外衬(4)套装在结合体上并胶接固定，抽出芯模后将杆头(1)、轴头(5)固定在法兰衬套(2)上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310186788.9A CN116292495A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310186788.9A CN116292495A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116292495A true CN116292495A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86835434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310186788.9A Pending CN116292495A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116292495A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117432799A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-23 | 沈阳欧施盾新材料科技有限公司 | 一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺 |
-
2023
- 2023-02-28 CN CN202310186788.9A patent/CN116292495A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117432799A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-23 | 沈阳欧施盾新材料科技有限公司 | 一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺 |
| CN117432799B (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-02 | 沈阳欧施盾新材料科技有限公司 | 一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116292495A (zh) | 具有复合结构的液压缸轻量化活塞杆及其制备方法 | |
| CN106151161B (zh) | 一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸 | |
| CN103527549A (zh) | 一种复合材料筒管及制造方法、液压缸筒、活塞杆 | |
| CN111120145B (zh) | 一种封头预制二次缠绕复合材料壳体结构 | |
| CN107605928A (zh) | 一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具 | |
| CN102494009B (zh) | 一种冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺 | |
| CN105605338A (zh) | 一种柔性复合内衬管及连接装置 | |
| CN112644039A (zh) | 一种大开口的复合材料壳体和成型方法及成型工装 | |
| CN106930998A (zh) | 一种碳纤维复合材料增强的轻量化液压缸 | |
| CN205202092U (zh) | 连续纤维布或纤维布套多层共挤出机头模具 | |
| CN211852482U (zh) | 一种复合材料杆件与金属接头的连接结构 | |
| CN111059137A (zh) | 一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法 | |
| CN206145427U (zh) | 一种具有铝塑组合结构内胆的高压气瓶 | |
| CN206860671U (zh) | 一种可消除离合分离拨叉异响的球销 | |
| CN215397021U (zh) | 一种大开口的复合材料壳体及成型工装 | |
| CN107747519B (zh) | 一种新型活塞及其制作方法 | |
| CN112324743B (zh) | 一种轻量化活塞 | |
| CN211924661U (zh) | 碳纤维复合材料承力杆 | |
| CN106523702A (zh) | 一种具有集成联接结构的碳纤维—树脂复合材料液压缸缸筒 | |
| CN202718292U (zh) | 一种纤维增强复合材料筋/索锚具 | |
| CN205977870U (zh) | 一种活塞杆内孔通油的复合碳纤维油缸 | |
| CN210100758U (zh) | 端部预埋法兰的复合材料圆管成型模具 | |
| CN202158100U (zh) | 一种复合材料法兰 | |
| CN106837986A (zh) | 一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构 | |
| Zhang et al. | Inlaid connection of carbon fibre reinforced plastic cylinder |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |