一种碳纤维增强轻量化液压支柱缸体及液压支柱

技术领域

本实用新型涉及机械装备制造技术领域，具体涉及一种碳纤维增强轻量化液压支柱缸体及液压支柱。

背景技术

矿用单体液压支柱是上世纪末期发展起来的矿山回采工作面支护产品，是矿山采煤工作面配套的支护设备，主要作用是防止煤矿采煤面的采空区顶板、掘进巷道的顶板脱落，保证煤矿企业的安全生产。就单体液压支柱产品而言，主要重量来自于支柱缸筒和支柱活柱，两者占产品整体重量的85%左右。

传统的单支柱缸筒由结构钢制造，基本特点是重量大，给搬运、安装、转移、维修造成很大困难；并且容易倾倒伤人，给安全生产造成很大风险。改进的技术方案如CN215369894U公开的，缸筒体结构包括筒体金属内衬以及筒体碳纤缠绕增强结构，筒体金属内衬为圆柱筒形结构，在筒体金属内衬外壁中部嵌装筒体碳纤缠绕增强结构。以上改进方案的缺陷在于：缸筒在井下的磕碰会增加表面碳纤维缠绕固化层的磨损，不利于维持液压支柱缸体预定的抗腐蚀性能和使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种碳纤维增强轻量化液压支柱缸体，通过设置防护层，提高缸筒在井下抗磕碰和抗腐蚀性能。

为了实现上述技术效果，本实用新型的技术方案为：一种碳纤维增强轻量化液压支柱缸体，包括缸筒内衬，所述缸筒内衬的增强段表面周向覆盖设置有碳纤维缠绕增强层，所述碳纤维缠绕增强层的表面周向覆盖设置有防护层，所述缸筒内衬、碳纤维缠绕增强层和防护层通过树脂固化一体连接。

优选的技术方案为，所述防护层为玻纤缠绕层。

优选的技术方案为，所述缸筒内衬为钢内衬，所述钢内衬的表面设置有磷化表层，所述碳纤维缠绕增强层通过树脂与所述磷化表层固化连接。

优选的技术方案为，所述磷化表层为粗糙表层。

优选的技术方案为，沿所述缸筒内衬的径向所述碳纤维缠绕增强层的厚度为1.8mm～2.3mm，和/或所述防护层的厚度为0.3～0.7mm。更进一步的，沿所述缸筒内衬的径向所述碳纤维缠绕增强层的厚度为1.95mm～2.05mm，和/或所述防护层的厚度为0.4～0.6mm。

优选的技术方案为，所述碳纤维缠绕增强层包括环向缠绕层和纵向缠绕层。

优选的技术方案为，所述环向缠绕层和纵向缠绕层沿所述缸筒内衬的径向交替设置。

优选的技术方案为，所述环向缠绕层包括环向缠绕内层和环向缠绕表层，所述环向缠绕内层通过固化树脂与所述缸筒内衬的表面连接；所述环向缠绕表层覆盖设置于所述纵向缠绕层的外周。

优选的技术方案为，所述缸筒内衬还包括增粗段，所述增粗段连接于所述增强段的至少一端。

本实用新型的目的之二在于提供一种液压支柱，包括同轴套装的支柱缸体和活柱体，支柱缸体为上述的碳纤维增强轻量化液压支柱缸体。

本实用新型的优点和有益效果在于：

该碳纤维增强轻量化液压支柱缸体结构合理，通过在碳纤维缠绕增强层的表面设置有防护层，并且缸筒内衬、碳纤维缠绕增强层和防护层通过树脂一体连接，层间结合稳定可靠；

在碳纤维增强、轻量化和提高缸体强度的基础上，防护层有效防护其内的碳纤维缠绕增强层，进一步提高缸筒在井下抗磕碰和抗腐蚀性能，利于延长缸体的使用寿命，进而延长液压支柱使用寿命。

附图说明

图1是实施例碳纤维增强轻量化液压支柱缸体的结构示意图；

图2是图1中的A部放大图；

图3是缸筒内衬与环向缠绕碳纤维的结构示意图；

图4是缸筒内衬与纵向缠绕碳纤维的结构示意图；

图5是实施例3碳纤维缠绕增强层和防护层的层叠结构示意图；

图中：1、缸筒内衬；11、增强段；12、磷化表层；13、增粗段；2、碳纤维缠绕增强层；21、环向缠绕层；211、环向缠绕内层；212、环向缠绕芯层；213、环向缠绕表层；22、纵向缠绕层；3、防护层；a、碳纤维集束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-2所示，实施例1碳纤维增强轻量化液压支柱缸体包括缸筒内衬1，缸筒内衬1的增强段11表面周向覆盖设置有碳纤维缠绕增强层2，碳纤维缠绕增强层的表面周向覆盖设置有防护层3，缸筒内衬1、碳纤维缠绕增强层2和防护层3通过树脂固化一体连接。

防护层3的作用在于保护碳纤维缠绕增强层2，同时需要满足通过树脂固化一体连接，因此防护层3的材质为可与树脂固化一体连接的材质。缸筒内衬1的材质根据支柱缸体的强度要求具体选择，通常为金属材质。碳纤维缠绕层的缠绕方式可选干法缠绕和湿法缠绕。实施例中采用湿法缠绕，碳纤维排列平行度好，可减少纤维磨损。缸筒内衬1依次经碳纤维湿法缠绕、防护层3覆盖湿法缠绕段的表面，再经固化得到上述的碳纤维增强轻量化液压支柱缸体。

树脂为可固化树脂，可选的包括固化树脂和热固化树脂，实施例中树脂中包含环氧树脂、固化剂和其他助剂，其他助剂的作用在于优化配置成胶、浸渍、缠绕过程树脂胶液的性能，或者优化固化过程或者固化后胶层的性能，包括但不限于消泡剂、稀释剂、促进剂等。

在一些实施例中，防护层3为玻纤缠绕层。玻纤与树脂之间形成坚固的机械性结构，其补强作用可赋予防护层优良的耐磨性能；玻纤属无机纤维，耐酸碱腐蚀，防护层具有良好的耐腐蚀性。基于以上碳纤维缠绕增强层2的湿法缠绕，优选的玻纤缠绕层也采用湿法缠绕制得。进一步的，玻纤采用环向缠绕，环向缠绕角为85～90°。

如图2所示，在一些实施例中，缸筒内衬1为钢内衬，钢内衬的表面设置有磷化表层12，碳纤维缠绕增强层2通过树脂与磷化表层12固化连接。磷化表层12由钢质缸筒内衬1经磷化处理制得，磷化表层12可给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；阻断碳纤维与实施例中27MnSi钢界面腐蚀通道；同时还可以提高树脂的附着力和缠绕纤维的内聚力。

如图2所示，在一些实施例中，磷化表层12为粗糙表层。粗糙表层包括但不限于用砂布粗磨缸筒外表面得到，利于提高磷化表层12与树脂的附着面积，提高缸筒内衬1与树脂的粘接内聚强度。

如图1-2所示，在实施例2中，沿缸筒内衬1的径向碳纤维缠绕增强层2的厚度为1.8mm～2.3mm，和/或防护层3的厚度为0.3～0.7mm。基于实施例的以下碳纤维增强轻量化液压支柱缸体的以下生产工艺参数：缸筒内衬1直径（内）110mm，缸筒内衬1硬度HB275~295，T700SC-24K碳纤维，（碳纤维的拉伸强度为4900MPa，拉伸模量为2.05GPa，最大断裂伸长率1.9%）；树脂胶液粘度0.31Pa·s~0.35Pa·s，碳纤维缠绕集束宽度6mm，湿法缠绕碳纤维含胶量30%±2%，碳纤维湿法缠绕沿缸筒内衬1径向张力递减；缓慢升温至85℃热固化。所制得的液压支柱缸体满足DW25-100型单体液压支柱（工作压力34.5MPa）的使用要求，液压支柱缸筒重量降低了55%。

如图3-5所示，在一些实施例中，碳纤维缠绕增强层2包括环向缠绕层21和纵向缠绕层22。环向缠绕层21是指碳纤维集束（和玻纤集束）沿容器圆周方向进行缠绕，临近集束相接但不重叠，优选的环向缠绕角（如图中α）为85～90°；纵向缠绕又称平面缠绕，在进行缠绕时，导丝头在固定的平面内做圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，导丝头每转一周，芯模转过一个微小角度，反应到芯模表面的是一个集束宽度。集束与容器纵轴的夹角成为缠绕角，优选的纵向缠绕角（如图中β）为45°±5°。

如图3-5所示，在实施例3中，环向缠绕层21和纵向缠绕层22沿缸筒内衬1的径向交替设置。图中向上箭头表示由缸筒内衬中心至防护层的缸筒内衬径向。环向缠绕层21包括环向缠绕内层211和环向缠绕表层212，环向缠绕内层211通过固化树脂与缸筒内衬1的表面连接；环向缠绕表层212覆盖设置于纵向缠绕层22的外周。基于实施例2，按照环向缠绕内层211、纵向缠绕层22、环向缠绕芯层213、纵向缠绕层22、环向缠绕表层212的交替顺序，缠绕角表示为。90°/+45°/90°/-45°/90°，并且该实施例3中每层环向缠绕层21和纵向缠绕层22为同一方向连续缠绕两层，上述结构的轻量化液压支柱中碳纤维拉伸强度转化率可达84%；液压支柱缸筒的径向强度提高约300%。

如图1所示，在一些实施例中，缸筒内衬1还包括增粗段13，增粗段13连接于增强段11的两端。具体的，图中增粗段13与增强段11通过外轮廓为锥台形的过渡段14连接，碳纤维缠绕增强层2覆盖设置于过渡段14的外周。

实施例的液压支柱包括同轴套装的支柱缸体和活柱体，支柱缸体为以上实施例的碳纤维增强轻量化液压支柱缸体。

碳纤维增强轻量化液压支柱缸体的生产工艺包括以下步骤：

S1：除去缸筒内衬1表面的油污，提高表面清洁度；

S2：用砂布粗磨缸筒外表面增加粗糙度；

S3：用磷化处理作为缸筒的增强短外表面碳纤维缠绕前打底处理，得磷化表面；

S4：在磷化表面刷涂树脂胶液；

S5：碳纤维经浸胶槽拉纱、刮板器调整含胶量后，按照预定的缠绕方式和层数在磷化表面逐层缠绕；缠绕完毕，抹平端头、剪掉多余碳纤维；

S6：玻璃纤维按照预定的缠绕方式和层数缠绕于碳纤维缠绕增强层2的表面；缠绕完毕，抹平端头、剪掉多余玻璃纤维；

S7：将缠绕完毕的复合结构的液压支柱缸体竖直吊挂在固化炉的旋转装置上加热固化。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。