CN117432799B - 一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺，活塞杆包括：杆体，所述杆体的预定段开设有连接槽，所述连接槽沿所述杆体的长度方向延伸预定距离且所述连接槽沿所述杆体的周向排布；支撑件，所述支撑件设置于所述连接槽内，所述支撑件贴紧所述杆体；导热层，所述导热层由纤维束缠绕而成，所述导热层缠绕于所述支撑件的外周以箍紧所述杆体和所述支撑件，所述导热层也缠绕于所述杆体的部分表面。降低了活塞杆疲劳断裂的可能性。

Description

一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺

技术领域

本发明涉及液压缸技术领域，特别涉及一种局部强化的活塞杆、液压缸和该活塞杆的制备工艺。

背景技术

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。

液压缸中存在的一个不可避免的问题就是活塞杆的断裂，根据活塞杆断裂处的裂纹花样分析，通常活塞杆断裂的原因为疲劳断裂。疲劳断裂既会影响液压缸的工作寿命，又会产生安全隐患，因此降低活塞杆疲劳断裂的可能性是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种局部强化的活塞杆，旨在降低活塞杆疲劳断裂的可能性。

为实现上述目的，本发明提出的一种局部强化的活塞杆，所述活塞杆包括：

杆体，所述杆体的预定段开设有连接槽，所述连接槽沿所述杆体的长度方向延伸预定距离且所述连接槽沿所述杆体的周向排布；

支撑件，所述支撑件设置于所述连接槽内，所述支撑件贴紧所述杆体；

导热层，所述导热层由纤维束缠绕而成，所述导热层缠绕于所述支撑件的外周以箍紧所述杆体和所述支撑件，所述导热层也缠绕于所述杆体的部分表面。

可选地，在本发明一实施例中，导热层包括70~72wt%增强纤维、13~15wt%高强树脂、8~10wt%导热填料、1~2wt%偶联剂以及1~3wt%消泡剂。

可选地，

所述增强纤维为芳纶纤维；所述高强树脂为酚醛树脂；所述导热填料为纤维碳粉；所述偶联剂为硅烷偶联剂、锆类偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种；所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。

可选地，所述支撑件包括填充部和环绕部，所述填充部位于所述连接槽内并充满所述连接槽，所述环绕部与所述填充部连接且贴合所述杆体的外表面并环绕于所述杆体的外周。

可选地，所述环绕部的厚度为所述杆体直径的15%~25%。

可选地，所述环绕部开设有缠绕槽，部分所述导热层缠绕于所述缠绕槽内。

可选地，所述杆体的材质为马氏体时效钢。

可选地，所述支撑件的材质为高碳合金钢。

进一步的，为实现上述目的，本发明还提出一种液压缸，该液压缸包括缸体和如上描述的局部强化的活塞杆，所述局部强化的活塞杆的一部分伸入所述缸体内。

进一步的，本发明还提出一种局部强化的活塞杆的制备工艺，包括：

S1、将马氏体原料钢加工为杆状形成杆体，并在杆体的外周面开设连接槽；

S2、对杆体进行草酸盐覆膜；

S3、完成草酸盐覆膜后，在连接槽上装设支撑件，并在支撑件上开设缠绕槽；

S4、均匀混料形成料浆并在料浆中浸润纤维束；

S5、将浸润后的纤维束缠入缠绕槽内并逐步缠绕至支撑件的外周及杆体的部分表面形成导热层，导热层固化后形成雏形产品；

S6、修整雏形产品的尺寸；

S7、对雏形产品进行表面处理。

与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果。本发明的技术方案提出一种活塞杆，在杆体部分开设连接槽，连接槽内设置支撑件，由支撑件对杆体产生加强效果，来分担杆体在往复运动过程中承受的应力，降低杆体疲劳断裂的可能。活塞杆在往复运动的过程中，会与液压缸的缸体摩擦产生大量的热，而液压缸的密封性较好，该热量较难排至缸外，因此该热量不可避免地会传递至杆体，在较高的温度下会对杆体的特性产生影响，进而可能导致杆体更易断裂。通过在杆体和支撑件的外层设置导热层，能够使得杆体内部的热量更易向外传导而非向杆体的中心处传导，使得杆体在工作过程中保持一个较为适宜的温度区间，延长其工作寿命。本方案通过在杆体外部设置支撑件及导热层，在结构和温度控制方面提高杆体的结构强度，降低其因疲劳断裂的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种局部强化的活塞杆的剖面示意图；

图2为本发明一种局部强化的活塞杆，活塞杆位于活塞缸中的结构示意图；

图3图2中A处的局部放大图；

图4为本发明一种局部强化的活塞杆中缠绕槽的结构示意图。

附图标号说明：

100、杆体；110、连接槽；200、支撑件；210、填充部；220、环绕部；221、缠绕槽；300、导热层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1~图4，本发明提出一种局部强化的活塞杆，活塞杆包括：

杆体100，杆体100的预定段开设有连接槽110，连接槽110沿杆体100的长度方向延伸预定距离且连接槽110沿杆体100的周向排布；

支撑件200，支撑件200设置于连接槽110内，支撑件200贴紧杆体100；

导热层300，导热层300由纤维束缠绕而成，导热层300缠绕于支撑件200的外周以箍紧杆体100和支撑件200，导热层300也缠绕于杆体100的部分表面。

在该实施例采用的技术方案中，在杆体100上部分开设有连接槽110，连接槽110内设置支撑件200，由支撑件200对杆体100产生加强效果，来分担杆体100在往复运动过程中承受的应力，降低杆体100疲劳断裂的可能。活塞杆在往复运动的过程中，会与液压缸的缸体摩擦产生大量的热，而液压缸的密封性较好，该热量较难排至缸外，因此该热量不可避免地会传递至杆体100，在较高的温度下会对杆体100的特性产生影响，进而可能导致杆体100更易断裂。通过在杆体100和支撑件200的外层设置导热层300，能够使得杆体100内部的热量更易向外传导而非向杆体100的中心处传导，使得杆体100在工作过程中保持一个较为适宜的温度区间，延长其工作寿命。本方案通过在杆体100外部设置支撑件200及导热层300，在结构和温度控制方面提高杆体100的结构强度，降低其因疲劳断裂的可能性。

杆体100的预定段开设有连接槽110是指连接槽110的长度并不与杆体100的长度等长，即只有一部分的杆体100上具有连接槽110结构。连接槽110的长度只要能够满足安装支撑件200即可。

导热层300不仅缠绕于支撑件200的外部，也缠绕于部分杆体100上（该部分杆体100为一直位于液压缸内的部分）。在工作过程中，主要为活塞头与缸体之间摩擦产生热量，因此杆体100靠近活塞头部分热量更高。当活塞头产热时，热量首先由活塞头的外部向着活塞头的中心处进行传导，然后逐渐传递至杆体100。因此，在缠绕导热层300时可以使导热层300与活塞头接触。由于导热层300的导热效率高于支撑件200与杆体100，因此当热量在活塞头上进行传递时，热量优先传递至导热层300，优先由导热层300进行后续的热量传递。相对来讲，杆体100靠近活塞头的一端所承受的热量要高于远离活塞头的一端，将导热层300沿杆体100的轴向进行缠绕，热量可以更快的传递至杆体100的整体，使得杆体100的热量分布更加均匀，每部分所承受的热量也更低。保证杆体100整体都能够处于一个适宜的温度进行工作。

另外，导热层300的纤维束也能够提高支撑件200与杆体100之间连接的稳定性，防止支撑件200产生脱离。可以理解的是，支撑件200与杆体100之间还可以增加其他的连接方式以提高其连接的稳固性，如将支撑件200插接至杆体100的某一形状的连接槽110中，或通过螺纹连接的方式。由于螺纹连接的方式需要在杆体100或支撑件200上开设一定深度的孔，既会导致液压油进入孔中，又会对其结构强度产生一定影响。因此优选为通过插接等方式进行连接。

进一步地，导热层300包括70~72wt%增强纤维、13~15wt%高强树脂、8~10wt%导热填料、1~2wt%偶联剂以及1~3wt%消泡剂。具体的，增强纤维为芳纶纤维；高强树脂为酚醛树脂；导热填料为纤维碳粉；偶联剂为硅烷偶联剂、锆类偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种；消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。

增强纤维选择为芳纶纤维，芳纶纤维的强度大于20g/d，是玻璃纤维的三倍；在150℃下，芳纶纤维的收缩率为零，而液压缸中的工作温度约为60~80℃，该温度下的芳纶纤维不会产生收缩，能够保证结构稳定。

高强树脂选择为酚醛树脂，酚醛树脂有个良好的高温耐性及耐磨性，将其包裹在芳纶纤维的外部，以保证导热层300的耐用性。

导热填料选择为纤维碳粉，纤维碳粉可以选择气相生长碳纤维、石墨烯等。其中气相生长碳纤维的室温轴向热导率高达1950W·m－1·K－1，尤其在160K时，其轴向热导率可达到2500W1950W·m－1·K－1。石墨烯的热导率高达3080～5150 W·m－1·K－1。总的来说，纤维碳粉有着较好的导热效果，将纤维碳粉作为导热填料，实现导热层300的导热功能。当热量传递至杆体100后，杆体100内部的热量可以通过导热层300较快的传递出来。

偶联剂用于改善无机物与有机物之间的界面作用，从而提高复合材料的性能。偶联剂具有两种性质不同的官能团，一个是亲无机物的基团，易于无机物表面起化学反应，另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其他聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。偶联剂在复合材料中既能与增强材料的表面的某些基团发生反应，又能与基体树脂反应，在芳纶纤维与酚醛树脂之间形成一个界面层，该界面层能够传递应力，从而增强芳纶纤维与酚醛树脂之间的粘合强度，提高导热层300的性能。

进一步的，支撑件200包括填充部210和环绕部220，填充部210位于连接槽110内并充满连接槽110，环绕部220与填充部210连接且贴合杆体100的外表面并环绕于杆体100的外周。填充部210位于连接槽110内且充满连接槽110，即填充部210在杆体100的轴向方向上对杆体100整体产生支撑效果。环绕部220与填充部210连接或一体成型。支撑件200设置有多个，多个支撑件200的环绕部220在杆体100的外部形成包围，即多个环绕部220将杆体100围合起来。当杆体100的往复运动过程中承受应力时，该应力首先在杆体100内部四处分散，然后分散至支撑件200整体。支撑件200的填充部210主要分担杆体100承受的轴向的应力，环绕部220主要分担应力在分散过程中形成的周向的或其他方向的应力。通过将往复过程中的应力分散至另一连接结构中，使得杆体100原有的应力集中点所承受的应力降低，以降低产生疲劳断裂的可能性。另外，支撑件200也能够对杆体100所承受的热量进行分担。优选的，支撑件200设置的位置为杆体100靠近活塞头的一端，支撑件200的设置也能够提高杆体100承受热量的体积，通过增大承热体积的方式来降低所承受的热量。

另外，由于杆体100直接承受外部的力而进行活塞运动，支撑件200跟随杆体100进行运动，为了防止支撑件200对杆体100产生较大的负荷，控制环绕部220的厚度为杆体100直径的15%~25%。

进一步的，环绕部220开设有缠绕槽221，部分导热层300缠绕于缠绕槽221内。

通过设置缠绕槽221，一方面能够提高导热层300对于支撑件200和杆体100之间的箍紧效果，另一方面，缠绕槽221使得导热层300能够深入支撑件200一部分，能够将支撑件200内部的热量较快的向外传递，降低杆体100和支撑件200内部所承受的热量。

进一步的，活塞杆的材质为马氏体时效钢，具体的，包含18wt%Ni、12.5wt%Co、4.2wt%Mo、1.6wt%Ti、0.1wt%Al，其余余量为Fe及杂质。该型号的马氏体实效钢的屈服强度能够达到2400MPa。

马氏体时效钢的高强度来自于固熔强化、相变强化、时效强化、细晶强化的共同作用。在马氏体时效钢中，钴主要固熔于马氏体基体产生强化，大部分合金元素在时效后析出形成金属间化合物，固熔于基体内的合金元素原子大幅减少，因此固熔强化的作用相对较弱。马氏体时效钢中，奥氏体转变为马氏体时发生相变冷作强化，获得的板条马氏体内有密度很高的位错网，提高位错运动难度，马氏体相变可将钢的强度提升500MPa~600MPa。时效强化是马氏体时效钢最主要的强化机制，可将强度提升1000~2000MPa。其中，是主要析出的强化相。在时效的不同时期，析出相成分与尺寸不同，时效强化机制也随之改变。

马氏体时效钢被广泛应用的一个重要原因就是在高强度下仍然具有较好的韧性。镍元素对提升马氏体时效钢的韧性有重要作用。首先，镍组成的铁镍马氏体基体自身就具有良好的塑韧性。其次，镍能改善杂质原子的偏聚，减小杂质原子对位错运动的影响。再次，镍能够提高层错能，使位错变得更窄，使交滑移更容易进行。马氏体时效钢将碳、氮等杂质元素含量控制在极低水平，使大部分位错基本不受杂质元素的钉扎作用，基体内均匀分布的可动位错在受外载荷时能够防止产生局部应力集中，通过小范围的塑性变形使应力松弛，提升韧性，减少疲劳断裂发生的可能性。

支撑件200的材质选择为高碳合金钢。

为实现上述目的，本发明还提出一种液压缸，该液压缸包括缸体以及如上描述的局部强化的活塞杆。当然，液压缸还包括其他能够保证液压缸正常工作的其它结构，由于缸体或其他结构（器件）为现有技术，不再对其它器件进行一一描述。另外，由于该液压缸采用了上述的全部技术方案，因此能够实现以上描述的全部有益效果，在此不再一一赘述。

进一步的，本发明还提出一种局部强化的活塞杆的制备工艺，包括：

S1、将马氏体原料钢加工为杆状形成杆体，并在杆体的外周面开设连接槽；

S2、对杆体进行草酸盐覆膜；

S3、完成草酸盐覆膜后，在连接槽上装设支撑件，并在支撑件上开设缠绕槽；

S4、均匀混料形成料浆并在料浆中浸润纤维束；

S5、将浸润后的纤维束缠入缠绕槽内并逐步缠绕至支撑件的外周及杆体的部分表面形成导热层，导热层固化后形成雏形产品；

S6、修整雏形产品的尺寸；

S7、对雏形产品进行表面处理。

首先对马氏体原料钢进行初步加工处理，将其加工为杆状并开槽，此处的槽为连接槽，连接槽沿着杆体的周向排布，连接槽的具体数量可以根据不同的工作要求进行确定。

完成初步加工处理后，对杆体雏形进行草酸盐覆膜处理，利用草酸盐对于钢铁表面的进行化学反应，使之形成一层保护膜。草酸盐溶液中含有草酸盐、氯化铁等成分，可以与钢铁表面的氧化物反应，生成一种稳定的草酸铁盐膜，提高其耐腐蚀性和耐磨性。

完成覆膜操作后，将支撑件装设于杆体，并在支撑件上沿预定的倾斜角度开设连续的缠绕槽。由于支撑件设置有多个，如果多个支撑件单独进行缠绕槽的开设，极难保证不同支撑件之间的缠绕槽能够连通，也就会影响导热层的缠绕，因此，将支撑件装设完成后再开设缠绕槽。缠绕槽的倾斜角度及开设的深度可以根据不同的工作要求进行确定，在此不做限定。

将混料均匀混合形成料浆，并将纤维浸润以便于后续缠绕形成导热层。纤维在料浆中浸润后可以通过相关设备使得纤维浸料的均匀度得到保障。然后进行缠绕以形成导热层。

对雏形产品的尺寸进行修整，使其合乎要求，最后再进行表面处理形成最终产品。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种局部强化的活塞杆，其特征在于，所述活塞杆包括：

杆体，所述杆体的预定段开设有连接槽，所述连接槽沿所述杆体的长度方向延伸预定距离且所述连接槽沿所述杆体的周向排布；

支撑件，所述支撑件设置于所述连接槽内，所述支撑件贴紧所述杆体，所述支撑件包括填充部和环绕部，所述填充部位于所述连接槽内并充满所述连接槽，所述环绕部与所述填充部连接且贴合所述杆体的外表面并环绕于所述杆体的外周，所述环绕部的厚度为所述杆体直径的15%~25%；

导热层，所述导热层由纤维束缠绕而成，所述导热层缠绕于所述支撑件的外周以箍紧所述杆体和所述支撑件，所述导热层也缠绕于所述杆体的部分表面。

2.如权利要求1所述的局部强化的活塞杆，其特征在于，导热层包括70~72wt%增强纤维、13~15wt%高强树脂、8~10wt%导热填料、1~2wt%偶联剂以及1~3wt%消泡剂。

3.如权利要求2所述的局部强化的活塞杆，其特征在于：

所述增强纤维为芳纶纤维；所述高强树脂为酚醛树脂；所述导热填料为纤维碳粉；所述偶联剂为硅烷偶联剂、锆类偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种；所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。

4.如权利要求1所述的局部强化的活塞杆，其特征在于，所述环绕部开设有缠绕槽，部分所述导热层缠绕于所述缠绕槽内。

5.如权利要求1所述的局部强化的活塞杆，其特征在于，所述杆体的材质为马氏体时效钢。

6.如权利要求5所述的局部强化的活塞杆，其特征在于，所述支撑件的材质为高碳合金钢。

7.一种液压缸，其特征在于，所述液压缸包括：

缸体；

活塞杆，所述活塞杆的一部分伸入所述缸体内，所述活塞杆为如权利要求1-6任一项所述的局部强化的活塞杆。

8.一种如权利要求1-6任一项所述的局部强化的活塞杆的制备工艺，其特征在于，所述工艺包括：

S1、将马氏体原料钢加工为杆状形成杆体，并在杆体的外周面开设连接槽；

S2、对杆体进行草酸盐覆膜；

S3、完成草酸盐覆膜后，在连接槽上装设支撑件，并在支撑件上开设缠绕槽；

S4、均匀混料形成料浆并在料浆中浸润纤维束；

S5、将浸润后的纤维束缠入缠绕槽内并逐步缠绕至支撑件的外周及杆体的部分表面形成导热层，导热层固化后形成雏形产品；

S6、修整雏形产品的尺寸；

S7、对雏形产品进行表面处理。