水泥泵车用液压油缸和制造工艺方法

技术领域

本发明涉及液压油缸技术领域，特别涉及一种水泥泵车用液压油缸和制造工艺方法。

背景技术

液压油缸由缸筒、活塞杆、密封装置等部分组成，是是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的非常重要的执行单元，是各种特种车辆和工程机械的专用部件。而水泥泵车主要用于混凝土浇筑需求量大、超大体积及超厚基础混凝土的一次浇筑和质量要求高的工程。在水泥泵车的工作臂上通常设置有负数液压油缸作来进行各段落往复运动的动力供给。

在相关技术中，液压油缸的缸筒和活塞杆等主体材料是钢铁，钢铁材质的液压油缸零部件质量大，在长时间工作时的抗疲劳、磨损和和腐蚀性能不理想，同时在安装维修、拆卸、搬运等方面操作难度较大，极大的限制了油缸的使用。液压油缸质量大也导致水泥泵车整体质量过大，在行驶和施工运行过程中的造成高油耗、高成本、操作迟缓，过多的运行油耗可能影响水泥泵车的资源分配，使搅拌过程受阻，续航能力差。同时，水泥泵车的工作臂含有较多液压油缸，其因油缸过重而导致重心过高还隐藏着侧翻等风险。上述因液压油缸过重而造成的水泥泵车的液压系统和整车重量大，能耗高的问题严重制约了水泥泵车的液压系统和整车设计。

发明内容

本发明实施例提供了一种水泥泵车用液压油缸和制造工艺方法，在相同规格尺寸下可以大幅减少液压油缸重量，在保证密封性和耐磨性的同时，实现轻量化。技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种水泥泵车用液压油缸，该水泥泵车用液压油缸包括：缸筒，包括金属筒体和碳纤维外衬层，所述金属筒体的两端分别通过底部缸盖和端盖密封，所述金属筒体的侧壁上设置有环形外衬槽，所述碳纤维外衬层衬套设置于所述环形外衬槽中；

活塞杆，包括金属外管、碳纤维增强层和两个预埋金属衬套，所述金属外管经由所述端盖可伸缩的穿设于所述缸筒中，所述碳纤维增强层固定设置于所述金属外管的内壁上，所述两个预埋金属衬套分别设置于所述金属外管的两端，所述预埋金属衬套固定埋设于所述碳纤维增强层中。

可选地，所述环形外衬槽内设置有两个限位凸缘，所述限位凸缘沿所述金属筒体的径向向外突出布置，所述限位凸缘的直径小于所述金属筒体的外径，所述两个限位凸缘沿所述金属筒体的轴向间隔布置。

可选地，所述金属筒体上设置有两个油口，所述两个油口分别设置于再所述金属筒体的轴向上位于所述环形外衬槽两侧的所述金属筒体上。

可选地，所述预埋金属衬套包括沿轴向依此连接的轴头连接段和预埋段，所述轴头连接段的外径与所述金属外管的内径相同，所述预埋段的外径小于所述金属外管的内径。

可选地，在向所述轴头连接段靠近的方向上，所述预埋段的外径逐渐减小。

可选地，所述预埋段的外侧壁上设置有外螺纹结构。

可选地，所述预埋金属衬套的内径与所述碳纤维增强层的内径相同。

可选地，所述轴头连接段的内壁上设置有内螺纹结构。

可选地，所述金属外管的一端内壁上设置有沿径向内延伸的焊接凸缘，所述焊接凸缘的内径于所述碳纤维增强层的内径相同。

第二方面，本发明实施例还提供了一种制造工艺方法，适用于前述第一方面所述的水泥泵车用液压油缸，所述制造工艺方法包括：

在所述金属筒体上的所述环形外衬槽上进行缠料和固化成型加工以形成所述碳纤维外衬层，并经过整体精加工以形成所述缸筒；

将两个所述预埋金属衬套间隔套接于活塞杆卷料芯模上，绕所述活塞杆卷料芯模进行缠料和固化成型加工以在两个所述预埋金属衬套之间形成所述碳纤维增强层，并使两个所述预埋金属衬套固定埋设于所述碳纤维增强层中，将所述金属外管套接于所述碳纤维增强层外部并与所述碳纤维增强层进行胶合固定，最后将所述活塞杆卷料芯模脱模抽出，并经过整体精加工以形成所述活塞杆；

对所述活塞杆、所述缸筒以及其他标准件进行组合装配，以形成所述水泥泵车用液压油缸。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

采用本发明实施例所提供的水泥泵车用液压油缸，其通过对占据液压油缸主题的缸筒和活塞杆结构进行轻量化设计。对缸筒的外壁部分进行碳纤维结构和金属材料的替换，同时保证金属筒体的整体一体完整性，其金属筒体用于于其他标准件连接的位置均保留金属结构，预防了装配结构的渗液漏液问题，同时避免了碳纤维不耐磨损的缺陷。而对活塞杆，则在对传统活塞杆的金属内壁和部分杆体进行碳纤维材料替换减少重量的同时，配合在两端设置预埋固定于碳纤维增强层的预埋金属衬套，外部保证了活塞杆表面的光滑度、耐磨性和防渗漏性能，两端则通过金属质的预埋金属衬套用于与其他标准件进行对接，降低对碳纤维增强层的磨损，在相同规格尺寸下可以大幅减少液压油缸重量，在保证密封性和耐磨性的同时，实现轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的水泥泵车用液压油缸的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的水泥泵车用液压油缸的结构剖视图；

图3是本发明实施例提供的缸筒的立体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的碳纤维外衬层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的碳纤维外衬层的结构剖视图；

图6是本发明实施例提供的活塞杆的立体结构示意图；

图7是本发明实施例提供的活塞杆的侧视结构示意图；

图8是本发明实施例提供的活塞杆的结构剖视图；

图9是本发明实施例提供的预埋金属衬套的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的制造工艺方法的流程图。

图中：

1-缸筒；2-活塞杆；11-金属筒体；12-碳纤维外衬层；21-金属外管；22-碳纤维增强层；23-预埋金属衬套；23a-轴头连接段；23b-预埋段；111-环形外衬槽；111a-凹槽；112-限位凸缘；113-油口；211-焊接凸缘；231-外螺纹结构；232-内螺纹结构；m-底部缸盖；n-端盖；p-活塞安装座；q-耳环。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在相关技术中，液压油缸的缸筒和活塞杆等主体材料是钢铁，钢铁材质的液压油缸零部件质量大，在长时间工作时的抗疲劳、磨损和和腐蚀性能不理想，同时在安装维修、拆卸、搬运等方面操作难度较大，极大的限制了油缸的使用。液压油缸质量大也导致水泥泵车整体质量过大，在行驶和施工运行过程中的造成高油耗、高成本、操作迟缓，过多的运行油耗可能影响水泥泵车的资源分配，使搅拌过程受阻，续航能力差。同时，水泥泵车的工作臂含有较多液压油缸，其因油缸过重而导致重心过高还隐藏着侧翻等风险。上述因液压油缸过重而造成的水泥泵车的液压系统和整车重量大，能耗高的问题严重制约了水泥泵车的液压系统和整车设计。

图1是本发明实施例提供的水泥泵车用液压油缸的立体结构示意图。图2是本发明实施例提供的水泥泵车用液压油缸的结构剖视图。图3是本发明实施例提供的缸筒的立体结构示意图。图4是本发明实施例提供的碳纤维外衬层的结构示意图。图5是本发明实施例提供的碳纤维外衬层的结构剖视图。图6是本发明实施例提供的活塞杆的立体结构示意图。图7是本发明实施例提供的活塞杆的侧视结构示意图。图8是本发明实施例提供的活塞杆的结构剖视图。图9是本发明实施例提供的预埋金属衬套的结构示意图。如图1至图9所示，通过实践，本发明实施例提供了一种水泥泵车用液压油缸，该水泥泵车用液压油缸包括缸筒1和活塞杆2。

其中，缸筒1包括金属筒体11和碳纤维外衬层12，金属筒体11的两端分别通过底部缸盖m和端盖n密封，金属筒体11的侧壁上设置有环形外衬槽111，碳纤维外衬层12衬套设置于环形外衬槽111中。

活塞杆2包括金属外管21、碳纤维增强层22和两个预埋金属衬套23，金属外管21经由端盖n可伸缩的穿设于缸筒1中，碳纤维增强层22固定设置于金属外管21的内壁上，两个预埋金属衬套23分别设置于金属外管21的两端，预埋金属衬套23固定埋设于碳纤维增强层22中。

在本发明实施例中，完整的常规液压缸由缸筒、缸底、导向套、活塞、活塞杆、轴头、杆头等零件组成。其中，缸筒与活塞杆占整体的绝大部分质量，而其他零部件多为标准零件。因此，本发明主要考虑对缸筒和活塞杆进行轻量化设计。本文轻量化设计遵守等代设计原则，即在载荷和使用环境不变的情况下，保持构件的形状和尺寸不变(或适当改变)，考虑复合材料的特点，用复合材料代替原材料，并用原材料的设计方法进行设计。

其中，缸筒1和活塞杆2相比现有技术中的常规缸筒，其主要改进方式为减少缸筒的金属材料用料，通过替换碳纤维复合材料以降低整体质量。对于缸筒1，其在加工时，首先利用车床对金属筒体11进行加工，在金属筒体11的侧壁中段加工出环形外衬槽111，使金属筒体11整体呈中部外径小，两端外径大的“哑铃”状结构。之后在环形外衬槽111中缠绕双螺旋碳纤维网，待其固化成型后形成与金属筒体11一体的碳纤维外衬层12。之后经过镗内孔、珩磨内孔、车焊缝角、卡键槽、焊接底部缸盖m和端盖n等精加工和与液压油缸其他标准件的连接工序后，形成完整的缸筒1。

进一步地，对于活塞杆2，其在加工时，针对活塞杆2两侧用于于活塞，耳环等常规标准件连接的位置采用预埋结构设计。示例性地，在本发明实施例中，通过将两个预埋金属衬套23间隔套接于一根圆柱状的活塞杆卷料芯模上，绕活塞杆卷料芯模进行缠料布设碳纤维铺层并固化成型加工，以在两个预埋金属衬套23之间形成碳纤维增强层22，将传统活塞杆2的金属内壁和部分杆体利用碳纤维材料进行替换，并使两个预埋金属衬套23固定埋设于碳纤维增强层22中。并且预埋金属衬套23的内径与碳纤维增强层22的内径保持相同一致和平滑过度。之后将金属外管21套接于碳纤维增强层22外部并与述碳纤维增强层22进行胶合固定，最后将活塞杆卷料芯模脱模抽出，并经过磨削、精车外圆，对接安装活塞，耳环等液压油缸标准件，以及堵焊工艺孔、磨外圆和镀铬等整体精加工以形成完整的活塞杆2总成。

采用本发明实施例所提供的水泥泵车用液压油缸，其通过对占据液压油缸主体的缸筒1和活塞杆2结构进行轻量化设计。对缸筒1的外壁部分进行碳纤维结构和金属材料的替换，同时保证金属筒体11的整体一体完整性，其金属筒体11用于于其他标准件连接的位置均保留金属结构，预防了装配结构的渗液漏液问题，同时避免了碳纤维不耐磨损的缺陷。而对活塞杆2，则在对传统活塞杆2的金属内壁和部分杆体进行碳纤维材料替换减少重量的同时，配合在两端设置预埋固定于碳纤维增强层22的预埋金属衬套23，外部保证了活塞杆2表面的光滑度、耐磨性和防渗漏性能，两端则通过金属质的预埋金属衬套23用于与其他标准件进行对接，降低对碳纤维增强层22的磨损，在相同规格尺寸下可以大幅减少液压油缸重量，在保证密封性和耐磨性的同时，实现轻量化。

示例性地，本项目研制的碳纤维复合材料水泥泵车用液压油缸改进后可将三一重工SYM5465THBF 620S 62米S系列混凝土泵车的工作臂液压油缸质量从155kg下降至质量115.5kg，质量减少了39.5kg，减重比例达到25.5％。该水泥泵车含有4个支架油缸，4个前臂油缸，4个展臂油缸，6个液压臂油缸和4个泵送系统油缸，整车质量为46000kg。轻量化后水泥泵车总计减重4404.83kg，约为该车整体质量比例为9.58％，轻量化效果明显。通过耗油计算可知，轻量化后的水泥泵车在理想条件下百公里可省油3.45L，节能效率达9.58％。

可选地，环形外衬槽111内设置有两个限位凸缘112，限位凸缘112沿金属筒体11的径向向外突出布置，限位凸缘112的直径小于金属筒体11的外径，两个限位凸缘112沿金属筒体11的轴向间隔布置。示例性地，在本发明实施例中，在金属筒体11的轴线方向上，环形外衬槽111中间隔设置有两个限位凸缘112，两个限位凸缘112与环形外衬槽111的两侧槽壁之间分别限定出两个较小的凹槽111a，在环形外衬槽111中缠绕双螺旋碳纤维网并固化成型后形成碳纤维外衬层12后，碳纤维外衬层12的内壁同时与凹槽111a的底壁和侧壁、限位凸缘112的侧壁和两端面，以及环形外衬槽111的侧壁紧密贴合，碳纤维外衬层12的内壁可以视为两端嵌入在两个凹槽111a，中段嵌入环形外衬槽111中。两个限位凸缘112可以起到对环形外衬槽111的限位装配作用，防止其在金属筒体11上发生松动，提高缸筒1的整体装配稳定性。同时工作时载荷可以稳定通过限位凸缘112将负载传递给碳纤维外衬层12，满足工作时轴向载荷的承载需要。

可选地，金属筒体11上设置有两个油口113，两个油口113分别设置于再金属筒体11的轴向上位于环形外衬槽111两侧的金属筒体11上。示例性地，在本发明实施例中，活塞式液压油缸上两个标配的油口113分别设置于位于环形外衬槽111两侧的金属筒体11侧壁上。该预留段作为油口113专用的打孔连通内部的位置，避免直接在碳纤维材料上进行打孔会破坏纤维的连续性，削弱力学性能，同时金属紧固件与碳纤维的直接接触会产生电化学腐蚀，降低使用寿命。同时方便后续的焊接需求，在保证碳纤维材料完整性的情况下不会增加其使用难度，保证其可推广性。

可选地，预埋金属衬套23包括沿轴向依此连接的轴头连接段23a和预埋段23b，轴头连接段23a的外径与金属外管21的内径相同，预埋段23b的外径小于金属外管21的内径。示例性地，在本发明实施例中，预埋金属衬套23在制备时通过统一的内孔套装于圆柱状的活塞杆卷料芯模，两个预埋金属衬套23的连接段23a反向向外布置，对应金属外管21的两端，而两个预埋段23b则对向向内布置，在绕活塞杆卷料芯模进行缠料布设碳纤维铺层并固化成型加工，以在两个预埋金属衬套23之间形成碳纤维增强层22后，碳纤维增强层22缠绕于塞杆卷料芯模上的部分形成活塞杆2的内壁中段，而缠绕于预埋段23b上且与轴头连接段23a靠近预埋段23a一侧端面接触的碳纤维增强层22则实现对预埋金属衬套23的一体连接固定。当活塞杆卷料芯模脱模抽出时，预埋金属衬套23既以埋设固定的方式连接于碳纤维增强层22的两端。而在将金属外管21套接到碳纤维增强层22外侧并进行胶合固定使，两端的预埋金属衬套23也可以通过直径与金属外管21内径相匹配的轴头连接段23a进行配合连接于胶固，进一步提高了活塞杆2的一体性和装配稳定性。

可选地，在向轴头连接段23a靠近的方向上，预埋段23b的外径逐渐减小。示例性地，在本发明实施例中，对于预埋固定于碳纤维增强层22中的预埋段23b，其整体结构为带有锥度，且锥度设置为1°的空心圆台状。在于碳纤维增强层22固接后，其侧壁的锥度可以与碳纤维增强层22之间产生阻挡限位效果，避免在拆装与预埋金属衬套23连接的轴头标准件时，预埋金属衬套23与碳纤维增强层22之间的连接松弛被拔出，进一步提高了活塞杆2的一体稳定性。

可选地，预埋段23b的外侧壁上设置有外螺纹结构231。示例性地，在本发明实施例中，通过在预埋段23b的外侧壁上环绕设置外螺纹结构231，通过外螺纹结构231的沟壑凸起结构能够提高与碳纤维增强层22之间的接触面积，同时在轴向上对预埋金属衬套23起到限位固定的作用，进一步提高了活塞杆2的一体稳定性。

可选地，轴头连接段23a的内壁上设置有内螺纹结构232。示例性地，在本发明实施例中，轴头连接段23a的内壁上通过精加工攻有用于与外部轴头标准件，例如活塞安装座p或者耳环q相匹配的内螺纹结构232，方便进行对应装配连接，其通过螺纹结构进行可拆卸装配连接工艺简单，且连接紧固，方便进行拆卸替换维护，进一步提高了水泥泵车用液压油缸的实用性。

可选地，金属外管21的一端内壁上设置有沿径向内延伸的焊接凸缘211，焊接凸缘211的内径于碳纤维增强层22的内径相同。示例性地，在本发明实施例中，通过在金属外管21的一端内壁上设置焊接凸缘211，焊接凸缘211的内径与碳纤维增强层22的内径，也即是预埋金属衬套23的内孔直径相匹配。在进行套接装配时，金属外管21的另一端开口对齐活塞杆卷料芯模上一体成型固定的预埋金属衬套23和碳纤维增强层22，当一端的预埋金属衬套23端面与焊接凸缘211相抵接后即装配到位。设置有焊接凸缘211的一端可以作为装配基准辅助加工定位，同时在成型后焊接凸缘211也可以作为与轴头标准件，例如耳环q的额外焊接点位，实现与耳环q的多点位焊接，进一步提高了活塞杆2的连接稳定性。

图10是本发明实施例提供的制造工艺方法的流程图。如图10所示，本发明实施例还提供了一种制造工艺方法，适用于如图1至图9所示的水泥泵车用液压油缸，该制造工艺方法包括：

S1、在金属筒体11上的环形外衬槽111上进行缠料和固化成型加工以形成碳纤维外衬层12，并经过整体精加工以形成缸筒1。

具体地，对于缸筒1，其在加工时，首先利用车床对金属筒体11进行加工，在金属筒体11的侧壁中段加工出环形外衬槽111，使金属筒体11整体呈中部外径小，两端外径大的“哑铃”状结构。之后在环形外衬槽111中缠绕双螺旋碳纤维网，待其固化成型后形成与金属筒体11一体的碳纤维外衬层12。之后经过镗内孔、珩磨内孔、车焊缝角、卡键槽、焊接底部缸盖m和端盖n等精加工和与液压油缸其他标准件的连接工序后，形成完整的缸筒1。

S2、将两个预埋金属衬套23间隔套接于活塞杆卷料芯模上，绕活塞杆卷料芯模进行缠料和固化成型加工以在两个预埋金属衬套23之间形成碳纤维增强层22，并使两个预埋金属衬套23固定埋设于碳纤维增强层22中，将金属外管21套接于碳纤维增强层22外部并与述碳纤维增强层22进行胶合固定，最后将活塞杆卷料芯模脱模抽出，并经过整体精加工以形成活塞杆2。

具体地，通过将两个预埋金属衬套23间隔套接于活塞杆卷料芯模上，绕活塞杆卷料芯模进行缠料布设碳纤维铺层并固化成型加工，以在两个预埋金属衬套23之间形成碳纤维增强层22，将传统活塞杆2的金属内壁和部分杆体利用碳纤维材料进行替换，并使两个预埋金属衬套23固定埋设于碳纤维增强层22中。并且预埋金属衬套23的内径与碳纤维增强层22的内径保持相同一致和平滑过度。之后将金属外管21套接于碳纤维增强层22外部并与述碳纤维增强层22进行胶合固定，最后将活塞杆卷料芯模脱模抽出，并经过磨削、精车外圆，对接安装活塞，耳环等液压油缸标准件，以及堵焊工艺孔、磨外圆和镀铬等整体精加工以形成完整的活塞杆2总成。

S3、对活塞杆2、缸筒1以及其他标准件进行组合装配，以形成水泥泵车用液压油缸。

采用本发明实施例所提供的水泥泵车用液压油缸，以及通过上述制造工艺方法对其进行制造，其通过对占据液压油缸主体的缸筒1和活塞杆2结构进行轻量化设计。对缸筒1的外壁部分进行碳纤维结构和金属材料的替换，同时保证金属筒体11的整体一体完整性，其金属筒体11用于于其他标准件连接的位置均保留金属结构，预防了装配结构的渗液漏液问题，同时避免了碳纤维不耐磨损的缺陷。而对活塞杆2，则在对传统活塞杆2的金属内壁和部分杆体进行碳纤维材料替换减少重量的同时，配合在两端设置预埋固定于碳纤维增强层22的预埋金属衬套23，外部保证了活塞杆2表面的光滑度、耐磨性和防渗漏性能，两端则通过金属质的预埋金属衬套23用于与其他标准件进行对接，降低对碳纤维增强层22的磨损，在相同规格尺寸下可以大幅减少液压油缸重量，在保证密封性和耐磨性的同时，实现轻量化。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件极其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。