一种液压缸导向环及其制备方法

技术领域

本发明属于工程机械领域，具体涉及一种液压缸导向环及其制备方法。

背景技术

导向环，又称支撑环、导向带，通常安装在液压缸活塞密封和活塞杆密封处，主要作用是引导活塞和活塞杆做直线运动，防止活塞、活塞杆因偏载导致密封件受到过分挤压导致密封快速失效从而造成液压油泄露。

相关技术中，导向环采用酚醛夹布、聚甲醛复合材料或者改性尼龙材料来制作。

发明内容

发明人发现，在热带地区，导向环失效是主要因素之一是在热带地区油缸表面温度能够达到70℃以上，导向环往复摩擦积聚热量导致工作面瞬时温度高达150℃以上，造成导向环软化、熔融，使得导向环产生不可逆的变形从而导致密封失效。因此在热带地区应用的导向环应具有改善的高温压缩性能。

此外，活塞杆往复运动过程中，容易在导向套、活塞处产生偏载，导向环还应具有改善的耐磨性能。

相关技术中，导向环采用酚醛夹布、聚甲醛复合材料或者改性尼龙材料来制作。酚醛夹布和聚甲醛复合材料导向环耐磨性能差且摩擦系数高，使用寿命不足，而改性尼龙热变形温度偏低，难以在高温高压下长期使用。

本发明提供了一种新型导向环，在导向环的工作面预设沟槽并嵌入润滑材料，在提升导向环高温抗压强度的同时，提高耐磨性能。在一些实施方案中，本公开将长纤维增强热塑性复合材料用于导向环主体承载结构，根据导向环安装部位不同，在导向环的工作面预设特定尺寸的沟槽，保证导向环两边的支撑性提高抗偏载能力，同时在沟槽中嵌入润滑材料，提升自润滑性能。

本公开提供一种具有新型结构的液压缸导向环。该液压缸导向环具有改善的使用寿命。

在第一方面，本发明提供一种液压缸导向环，包括具有第一材料的环体(10)，

所述环体(10)具有工作面(11)，所述工作面(11)上设有槽(12)，所述槽(12)内填充有第二材料(20)；

所述第一材料的压缩强度大于所述第二材料(20)；

所述第二材料(20)的摩擦系数小于所述第一材料。

基于上述方案，在导向环的工作面预设沟槽并嵌入摩擦系数较小的润滑材料，在提升导向环高温抗压强度的同时，提高耐磨性能。

在一些实施方案中，根据导向环安装部位不同，在导向环的工作面预设特定尺寸的沟槽，保证导向环两边的支撑性提高抗偏载能力，同时在沟槽中嵌入摩擦系数较小的润滑材料，提升自润滑性能。

在一些实施方案中，所述第一材料与所述第二材料的压缩强度之比为2:1～10:1，例如2:1-3:1、3:1-4:1、4:1-5:1、5:1-6:1、6:1-7:1、7:1-8:1、8:1-9:1或9:1-10:1。

在一些实施方案中，所述第一材料与所述第二材料的摩擦系数之比为1.5:1～4:1，例如1.8:1、2:1-3:1或3:1-4:1。

在一些实施方案中，所述第一材料的压缩强度为60MPa以上，例如70MPa以上，例如80Mpa以上，例如60-100Mpa。

在一些实施方案中，所述第二材料的压缩强度为5Mpa以上，例如10MPa以上，例如15MPa以上，例如10-30Mpa。

在一些实施方案中，压缩强度是指在150℃被压缩产生10％应变所需的强度，单位MPa。压缩强度可以根据本领域通用方法测试获得，例如根据GB/T 1041-2008塑料压缩性能的测定测试获得。

在一些实施方案中，所述第二材料的摩擦系数为0.12以下，例如0.01-0.02、0.02-0.03、0.03-0.04、0.04-0.05、0.05-0.06、0.06-0.07、0.07-0.08、0.08-0.09、0.09-0.1、0.1-0.11或0.11-0.12。

在一些实施方案中，所述第一材料的摩擦系数为0.30以下，例如0.01-0.04、0.04-0.07、0.07-0.1、0.1-0.13、0.13-0.16、0.16-0.19、0.19-0.22、0.22-0.25、0.25-0.28或0.28-0.30。

在一些实施方案中，所述槽被所述第二材料填满，例如填平。

在一些实施方案中，工作面上设置有一个或多个槽。多个槽可以以阵列的方式排布。

在一些实施方案中，槽的横截面形状可以是圆形、方形、多边形、条形。

在一些实施方案中，所述槽为条形槽，所述条形槽沿所述环体的周向延伸。周向是指环绕一周的方向。

在一些实施方案中，沿环体的宽度方向，条形槽位于环体的中部。换句话说，条形槽的两侧边缘到工作面的两侧边缘距离相等。

在一些实施方案中，沿环形体的宽度方向，条形槽的任一侧边缘与工作面的任一侧边缘的距离均大于零。在一些实施方案中，沿环形体的宽度方向，条形槽的一侧边缘与距离最近的工作面的边缘的距离为环体的宽度的1/8以上，例如1/4以上。在一些实施方案中，沿环形体的宽度方向，条形槽的每侧边缘与距离最近的工作面的边缘的距离为环体的宽度的1/8以上，例如1/4以上。基于上述方案，工作面能够为环形体提供良好的支撑。

在一些实施方案中，所述条形槽的总长度为所述工作面的总周长的75％～100％。

在一些实施方案中，所述条形槽宽度为所述环体的宽度的1/4～1/2，例如1/3。

在一些实施方案中，所述条形槽的深度所述环体的厚度的1/4～3/4，例如1/2。

在一些实施方案中，所述第一材料为纤维增强的复合树脂材料。

在一些实施方案中，所述第一材料为纤维增强的复合热塑性树脂材料。

在一些实施方案中，所述第一材料为长纤维增强的复合热塑性树脂材料，所述长纤维的长度为10～20mm，例如10～15mm。

在一些实施方案中，长纤维是碳纤维和玄武岩纤维混杂丝束。碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1-2：1-2。

在一些实施方案中，长纤维是经氯化镧和KH550表面处理的碳纤维和玄武岩混杂丝束。

在一些实施方案中，长纤维是经氯化镧和KH550混合乙醇溶液浸泡表面处理的碳纤维和玄武岩混杂丝束。

在一些实施方案中，长纤维在复合热塑性树脂材料中的重量含量为20-60％，例如30-50％，例如40％。

在一些实施方案中，第一材料以热塑性聚酰亚胺(TPI)作为热塑性树脂基体，同时混入的抗氧剂1010和热稳定剂SH-826，通过双螺杆熔融挤出，将经氯化镧和KH550混合乙醇溶液浸泡表面处理的碳纤维和玄武岩混杂丝束。

在一些实施方案中，所述热塑性树脂包括以下一种或多项：聚酰亚胺(TPI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚。

在一些实施方案中，第一材料选自聚酰亚胺(TPI)材料、聚醚醚酮(PEEK)材料、或其组合。

在一些实施方案中，聚酰亚胺材料是本领域任何一种聚酰亚胺材料，例如是中国专利申请CN113307972A中公开的改性聚酰亚胺。聚酰亚胺例如还可以是中国专利CN100348667C公开的稀土改性碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。

在一些实施方案中，聚醚醚酮材料例如是本领域任何一种聚醚醚酮材料，例如是中国专利CN109851989B公开的聚醚醚酮复合材料。

在一些实施方案中，所述纤维选自碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或几种。

在一些实施方案中，所述第二材料含有聚四氟乙烯。

在一些实施方案中，所述第二材料为粉末改性的聚四氟乙烯，所述粉末选自金属粉末、石墨粉末中的一种或多种。

在一些实施方案中，所述工作面位于所述环体的径向向外的表面；

在一些实施方案中，所述工作面位于所述环体的径向向内的表面。

在第二方面，本公开提供上述任一项的液压缸导向环的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供长纤维增强热塑性复合材料颗粒；

(2)将长纤维增强热塑性复合材料颗粒进行注塑加工，获得环体(10)，环体(10)具有工作面(11)，所述工作面(11)上设有槽(12)，

(3)在所述槽(12)内填充所述第二材料。

在一些实施方案中，长纤维增强热塑性复合材料颗粒的制备方法包括：

(a1)将热塑性树脂原料加入双螺杆挤出机进行熔融挤出，从浸渍模具口模的通道加入连续纤维，使熔融的热塑性树脂基体与连续纤维浸渍混合；

(a2)在模具中将上一步产物挤压成型，经牵引机牵出后切割造粒，获得长度11～15mm，直径3±0.5mm的长纤维增强热塑性复合材料颗粒。

在一些实施方案中，连续纤维是指长度连续不间断的碳纤维和/或玄武岩纤维。

在一些实施方案中，碳纤维和玄武岩纤维的质量比为1-2：1-2。

在一些实施方案中，液压缸是液压油缸或液压气缸。

术语说明

术语“导向环”，也叫支撑环，是一种用于液压油缸或气缸的活塞或导向套上的、支撑活塞或活塞杆运动的零件，它能防止活塞或活塞杆在运动过程中与缸体发生直接接触和摩擦，起到保护缸体与活塞或活塞杆不被损坏的作用。

术语“熔融浸渍”是将连续纤维或短切纤维及其织物与挤出机挤出的热塑性树脂通过模具热压浸渍制备复合材料的一种方法。

除非特别说明，％是指质量％。

本发明的有益效果

本发明一个或多个实施例具有以下一项或多项有益效果：

(1)液压缸导向环具有创新的结构；

(2)液压缸导向环具有改善的压缩强度；

(3)液压缸导向环具有改善的循环寿命；

(4)液压缸导向环具有耐磨、耐高温、抗偏载优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为一些实施例的液压缸导向环的示意图

图2为一些实施例的液压缸导向环的侧视图

图3为一些实施例的液压缸导向环的示意图

具体实施方式

现在将详细提及本发明的具体实施方案。具体实施方案的例子图示在附图中。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。

为进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种液压缸导向环进行详细的描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

实施例1的液压缸导向环如图1和2所示。液压缸导向环1，包括具有第一材料的环体10，环体10具有工作面11，工作面11位于环体10的径向外侧，工作面11上设有槽12，槽12内填充有第二材料20；第一材料的压缩强度大于第二材料20；第二材料20的摩擦系数小于第一材料。

如图1和2所示，液压缸导向环的制备方法如下：

(1)制备第一材料颗粒(长纤维增强改性热塑性颗粒)：

以热塑性聚酰亚胺(TPI)作为热塑性树脂基体，同时混入的抗氧剂1010和热稳定剂SH-826，通过双螺杆熔融挤出，将经1％氯化镧和1％KH550混合乙醇溶液浸泡表面处理的碳纤维和玄武岩混杂丝束(各占50wt％)，通过牵引机丝束按指定比例与熔融挤出的TPI进行熔融浸渍，其中纤维占总重量的40％，经过浸渍槽高温模具加热加压，经牵引机牵出后切割造粒，获得长纤维增强改性热塑性颗粒。颗粒直径为3±0.3mm，长度11～15mm；

(2)对上述颗粒进行注塑加工，形成环体10。环体10径向向内的表面为工作面11。工作面11上设有槽12。槽12的形状为条形。槽12沿环体10周向方向延伸。槽12的周长与环体10的周长相等。槽12宽度为工作面11的宽度(W)的1/3，宽度是指平行于环体10旋转轴的方向的尺寸。槽12的深度为环体10厚度(D)的1/2，深度是指垂直于环体10的旋转轴方向的尺寸。

(3)将第二材料20(聚四氟乙烯)嵌入上述坯料的槽中，获得液压缸导向环1。

实施例2

实施例2的液压缸导向环1的示意图如图2和3所示。液压缸导向环1，包括具有第一材料的环体10，环体10具有工作面11，工作面11位于环体10的径向内侧，工作面11上设有槽12，槽12内填充有第二材料20；第一材料的压缩强度大于第二材料20；第二材料20的摩擦系数小于第一材料。

如图2和3所示，液压缸导向环的制备方法如下：

(1)制备第一材料颗粒(长纤维增强改性热塑性颗粒)：

以聚醚醚酮(PEEK)作为热塑性树脂基体，同时混入的抗氧剂1010和热稳定剂SH-826，通过双螺杆熔融挤出，将经1％氯化镧和1％KH550混合乙醇溶液浸泡表面处理的碳纤维和玄武岩混杂丝束(各占50wt％)，通过牵引机丝束按指定比例与熔融挤出的PEEK进行熔融浸渍，其中纤维占总重量的40％，经过浸渍槽高温模具加热加压，经牵引机牵出后切割造粒，获得长纤维增强改性热塑性颗粒。颗粒直径为3±0.3mm，长度11～15mm；

(2)对长纤维增强改性热塑性颗粒进行注塑加工，形成环体10。环体10径向向外的表面为工作面11。工作面11上设有槽12。槽12的形状为条形。槽12沿环体10周向方向延伸。槽12的周长与环体10的周长相等。槽12宽度为工作面11宽度(W)的1/3，宽度是指平行于环体10旋转轴的方向的尺寸。槽12的深度为环体10厚度(D)的1/2，深度是指垂直于环体10的旋转轴方向的尺寸。

(3)将第二材料20(聚四氟乙烯)嵌入上述坯料的槽中，获得液压缸导向环1。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，液压缸导向环的整体由热塑性聚酰亚胺(TPI)热塑性聚合物材料制成。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于，液压缸导向环的整体由热塑性聚醚醚酮(PEEK)热塑性聚合物材料制成。

分析测试

一、材料参数

*摩擦系数的测试参考标准GB/T 3960-2016。

长纤维增强的聚酰亚胺(TPI)热塑性聚合物和长纤维增强的聚醚醚酮(PEEK)热塑性聚合物具有较高的压缩强度，但摩擦系数较高。聚四氟乙烯具有较低的摩擦系数，但压缩强度较低。

本发明通过改进液压缸导向环的结构，提供一种“工作面上设有槽，所述槽内填充有第二材料”的创新结构。该创新结构赋予液压缸导向环改善的性能。

二、产品性能测试

本发明对实施例1、实施例2和对比例1、对比例2制备的注塑试样和导向环进行测试，结果见表1：

表1

*压缩强度根据GB/T 1041-2008塑料压缩性能的测定测试获得。

由上述实验数据可知，实施例1和2的液压缸导向环具有改善的压缩强度和使用寿命，具有耐磨、耐高温、抗偏载优点。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。