CN103953196B - 一种混凝土泵车臂架用复合材料接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混凝土泵车臂架用复合材料接头，属于混凝土泵车臂架连接技术领域。该接头为复合材料夹层结构，包括复合材料蒙皮、芯材和金属榫头；金属榫头嵌入到芯材内且金属榫头的一个端面与芯材的端面齐平，复合材料蒙皮位于芯材和金属榫头外面；其中芯材起到定型作用，金属榫头和复合材料蒙皮是主要承载部件。本发明的接头通过树脂基复合材料、芯材及榫头结构尺寸的变化，可以最大限度的以较小的质量成本获得较高的结构功效。

Description

一种混凝土泵车臂架用复合材料接头
技术领域
本发明涉及一种混凝土泵车臂架用复合材料接头，属于混凝土泵车臂架连接技术领域。
背景技术
混凝土泵车是一种用于输送和浇注混凝土的专用机械，可以将混凝土沿管道连续输送到浇注现场，逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。目前市场常用泵车臂架一般由4臂节至6臂节依次首尾相连构成，工作时臂架部分伸展较大，在力学上属悬臂梁结构，受力比较复杂，对复合材料臂节结构连接是极大考验。
由于复合材料较大的比强度、比刚度特性，是一种轻质高效的材料，国内外已有复合材料臂节技术的探索。CN201210232251.3、CN201010524256.4公开了中联重科股份有限公司生产炭纤维复合材料混凝土泵车臂架生产方法，采用可伸缩气囊中充气，形成具有第一状态的气囊，在其外表面铺放碳纤维预浸料，获取第一过渡组件；将第一过渡组件放入箱型模具内部，向具有第一状态的气囊内部充气，对碳纤维预浸料进行压缩定型，获取第二过渡组件；将第二过渡组件进行升温固化，固化后冷却脱模获取碳纤维臂架。未提及接头的结构及生产工艺。CN201010524104.4、CN201010524111.4公开了威海光威复合材料有限公司的碳纤维臂架生产方法，采用芯模，臂架为中空结构，制造碳纤维臂架的原材料铺放在芯模外表面上，原材料外部用真空膜包覆，真空膜两端密封在芯模的两端，真空膜上设有抽气孔，整个模具放入热压罐内，利用压缩空气加压,用电加热管进行加热固化成型。未提及接头的结构及生产工艺。US20040843187公开了消防车臂节采用纤维缠绕臂节管的生产工艺，外层采用纤维缠绕工艺，内层采用耐磨氨基甲乙酯，每一臂节段由氨基甲乙酯管外面缠绕碳纤维，接头结构为套管式结构，未提及接头的生产工艺。
已有技术中一般采用复合材料直接用螺栓连接，或为了提高局部强度，采用复合材料采用金属轴套嵌入连接位置，之后再用螺栓连接，不足之处在于：前者(1)对螺栓连接孔处纤维破坏严重，降低承力效果；(2)由于复合材料局部在加工过程受损伤，易于发生局部分层破坏。后者(1)金属轴套嵌入位置定位不准，(2)在承载较大的力的时候，可能由于局部材料强度不足产生破坏，承载量能力低于本发明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种混凝土泵车臂架用复合材料接头，本发明具有轻质高效、不仅可以节约材料、降低成本，而且成形工艺简单、精准；并且具有可设计型强的优点，使复合材料连接安全可靠性等优点。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的。
本发明的混凝土泵车臂架用复合材料接头，该接头为复合材料夹层结构，包括复合材料蒙皮、芯材和金属榫头；金属榫头嵌入到芯材内且金属榫头的一个端面与芯材的端面齐平，复合材料蒙皮位于芯材和金属榫头外面；其中芯材起到定型作用，金属榫头和复合材料蒙皮是主要承载部件。
所述复合材料接头可有多种横截面形式，如矩形截面、五边形截面、三角形、梯形。
所述接头中金属榫头为钢、钛、铝中的一种或其中任意两种的合金。
所述芯材为泡沫芯材，可为PVC芯材、PMI芯材、聚氨酯芯材、三聚氰胺芯材、BALSA木的一种或任意两种以上的组合。
所述复合材料蒙皮为树脂基复合材料，其中纤维采用玻璃纤维或碳纤维的一种或组合；树脂采用聚氨酯基树脂、乙烯基酯基树脂或环氧树脂或以及上述树脂的改进型。
所述金属榫头的侧面沿圆周方向有凹槽，用于缠绕玻璃纤维或碳纤维；凹槽个数可单个或多个且尺寸可相同或不同，凹槽外铺单向或多轴玻璃纤维或碳纤维，形成局部格栅定向增强为复合材料蒙皮，用于增强臂节的连接强度和刚度。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明的接头通过树脂基复合材料、芯材及榫头结构尺寸的变化，可以最大限度的以较小的质量成本获得较高的结构功效。
本发明采用机加工芯材定型定位，使榫头安装位置更精准，接头可与被连接件之一采用真空灌注工艺一次成型，工艺实施更为简单。本发明采用内衬金属件榫头，由于直接连接金属破坏应力大于复合材料，由金属榫头及缠绕其上的碳纤维、玻璃纤维或多轴玻璃纤维或碳纤维编织物制成的复合材料格栅蒙皮承载，连接强度增大，使连接更加安全可靠。
本发明采用按照设计角度铺放碳纤维、玻璃纤维或其多轴玻璃纤维或碳纤维编织物制成的复合材料满足目标强刚度指标，采用真空灌注工艺一次成型，工艺简单，易于实施。由于复合材料的结构可设计性，使结构紧凑型，轻质高效。
本发明的接头可用于混凝土泵车及其他具有类似臂架的机械。
附图说明
图1为本发明涉及混凝土泵车臂节结构示意图；
图2为本发明接头剖面结构示意图；
图3为本发明接头芯材剖面图；
图4为本发明接头内嵌榫头主视图和俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明涉及混凝土泵车臂节结构示意图。复合材料臂节由骨架1、混凝土输送管路2、连接螺栓3、液压机构4和连接销轴5；骨架1包括位于其一端的大端接头、位于其中间部位的主体和位于其另一端的小端接头；
混凝土输送管路2通过连接螺栓3固定在骨架1的主体的侧面；液压机构4的一端活动连接在骨架1的主体的底面上，液压机构4的另一端活动连接在连接销轴5的一端上，连接销轴5的中间部位活动连接在骨架1的小端接头的一个连接孔上，连接销轴5的另一端活动连接在下一节臂节的骨架的大端接头的一个连接孔上；骨架1的小端接头的另一个连接孔与下一节臂节的骨架的大端接头的另一个连接孔活动连接；
图2为本发明接头剖面结构示意图。该接头为复合材料夹层结构，包括复合材料蒙皮7、芯材8和金属榫头6；金属榫头6嵌入到芯材8内且金属榫头6的一个端面与芯材8的端面齐平，复合材料蒙皮7位于芯材8和金属榫头6外面；其中芯材8起到定型作用，金属榫头6和复合材料蒙皮7是主要承载部件。
所述复合材料接头的横截面为矩形截面；
所述接头中金属榫头6为钢。
所述芯材8为PMI芯材。
所述复合材料蒙皮7为碳纤维环树脂基复合材料。
所述金属榫头6的侧面沿圆周方向有一个凹槽，用于缠绕碳纤维。
图3为本发明接头芯材剖面图，芯材根据设计的截面形式加工成相应的形状，并将榫头的安装位置准确定位，并加工。
图4为本发明接头内嵌榫头主视图和俯视图。复合材料臂架组件在运行过程中，主要的载荷施加在臂节的连接部位，为了增强接头强度，采用图4所示的内嵌榫头，同时两个连接孔之间采用单向碳纤维编织物直接在榫头上缠绕和铺放，对金属件进行局部加固，起到增加连接强度和刚度的作用。整个结构采用真空导入复合材料成型工艺一次固化成型，由此可提高接头与臂节的连接强度，防止臂节在较大作用力下破坏或疲劳失效。
上述的接头为大端接头或小端接头，只是大端接头和小端接头的尺寸不同。
采用本发明进行一种混凝土泵车臂架用复合材料接头的制备，具体实施步骤为：
1、按设计图纸尺寸加工芯材8；
2、按设计图纸尺寸加工加工金属件榫头6；
3、在榫头6上缠绕设计厚度的单向复合材料编织布；
4、加工好的芯材8有预留槽，将金属件大端榫头6嵌入预留槽，并清理芯材8表面；
5、按照设计图纸在芯材8上铺放复合材料编织物；
6、按照工艺文件，铺放导流网、铺放隔离膜，导流管；
7、四周包裹真空袋，检查真空度，合格后，注胶；
8、注胶完成后，加热，中温固化8-10小时；
9、固化完成后，冷却，表面清理。
本实施例中复合材料蒙皮7为树脂基复合材料格栅增强蒙皮、芯材8为按设计尺寸加工的泡沫芯材、榫头6为金属材料。所述三部分最终一次成型成为一整体结构，为本发明涉及一种混凝土泵车臂架用复合材料接头。
本实施例中树脂基复合材料格栅增强蒙皮7可为碳纤维增强树脂基复合材料、玻璃纤维增强树脂基，也可是上述纤维混杂增强树脂基复合材料等。本实施例中树脂基复合材料格栅增强蒙皮7可为聚氨酯基复合材料、乙烯基酯基复合材料或环氧树脂基复合材料、以及上述树脂的改进型制造的复合材料。
本实施例中榫头6及对其进行局部加固的单向碳纤维编织物的设计，克服了复合材料连接接触面区域应力集中容易破坏的问题，同时采用单向碳纤维编织物缠绕的方案，增强的材料的轴向性能，材料配合合理，得到优化结构性能。
本实施例中精确设计的芯材8与纤维增强复合材料蒙皮7的巧妙配合使得混凝土泵车臂节接头具有较强的结构可设计型，可最大限度的通过较小的质量成本获得较高的结构功效。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，如接头的形状和尺寸等。
本发明说明书中未作描述的内容属于本领域专业人员的公知技术。

Claims (6)

1.混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：该接头为复合材料夹层结构，包括复合材料蒙皮(7)、芯材(8)和金属榫头(6)；金属榫头(6)嵌入到芯材(8)内且金属榫头(6)的一个端面与芯材(8)的端面齐平，复合材料蒙皮(7)位于芯材(8)和金属榫头(6)外面；
该接头的制备方法为：
第一步，按设计图纸尺寸加工芯材(8)；
第二步，按设计图纸尺寸加工金属榫头(6)；
第三步，在金属榫头(6)上缠绕设计厚度的单向复合材料编织布；
第四步，加工好的芯材(8)有预留槽，将金属榫头(6)嵌入预留槽，并清理芯材(8)表面；
第五步，按照设计图纸在芯材(8)上铺放复合材料编织物；
第六步，按照工艺文件，铺放导流网、铺放隔离膜，导流管；
第七步，四周包裹真空袋，检查真空度，合格后，注胶；
第八步，注胶完成后，加热，中温固化8-10小时；
第九步，固化完成后，冷却，表面清理。
2.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：复合材料接头的横截面为矩形截面、五边形截面、三角形或梯形。
3.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：所述接头中金属榫头(6)为钢、钛、铝中的一种或其中任意两种的合金。
4.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：所述芯材(8)为泡沫芯材，可为PVC芯材、PMI芯材、聚氨酯芯材、三聚氰胺芯材、BALSA木的一种或任意两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：所述复合材料蒙皮(7)为树脂基复合材料，其中纤维采用玻璃纤维或碳纤维的一种或组合；树脂采用聚氨酯基树脂、乙烯基酯基树脂或环氧树脂或以及上述树脂的改进型。
6.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架用复合材料接头，其特征在于：所述金属榫头(6)的侧面沿圆周方向有凹槽，用于缠绕玻璃纤维、碳纤维或纤维织物；凹槽个数为单个或多个。
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