CN110735845B - 起重机、受拉构件及其制造方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械领域，公开了一种起重机、受拉构件及其制造方法和制备装置，所述受拉构件包括：芯模组件(1)，该芯模组件(1)包括中间连接部(11)和分别设置于该中间连接部(11)两端的承拉部(12)；螺旋纤维层(2)，该螺旋纤维层(2)绕勾于所述承拉部(12)并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于所述中间连接部(11)的外周面上。本发明的受拉构件及其制造方法通过螺旋缠绕方式，在具有中间连接部的芯模组件上形成螺旋纤维层，可以在缠绕过程中相对容易地控制纤维的缠绕预应力，以便达到精确控制缠绕线型的目的，使得螺旋纤维层中的纤维材料能够相对均匀、充分地发挥抗拉性能，整体承载能力更高。

Description

起重机、受拉构件及其制造方法和制备装置

技术领域

本发明涉及机械设备领域，具体地，涉及一种受拉构件及具有其的起重机。此外，本发明还涉及一种受拉构件的制造方法和用于制造所述受拉构件的缠绕夹具与芯模组件的连接结构。

背景技术

在机械设备中，常常需要使用受拉构件传递、施加拉力。例如，承载拉杆(拉板)作为起重设备中一种常用的受拉构件，用于在如塔式起重机、履带式起重机等工程机械中施加拉力，完成起重功能。拉杆的性能对起重机械的安全性能至关重要。

在传统技术中，拉杆主要由钢丝绳、钢板和钢杆等金属材料制成。随着工程机械向着产品智能化、吊载大型化、结构轻量化方向发展，这类传统金属材质的拉杆的缺陷日益显现：为了满足大载荷起吊需求，承载拉杆的重量较大，在拆卸、运输和安装过程中需要更多的人力和机械辅助，使用不便。近年来，人们提出了利用碳纤维复合材料制造承载拉杆或增强其抗拉性能的技术，能够有效改善拉杆的轻便性和承载能力。

中国发明专利CN102837453B提出了一种受拉构件及其制备方法和工程机械，其受拉构件包括中间部和设置于该中间部两端的连接部。在制备过程中，将两个芯部间隔相对地固定在缠绕机上，继而将浸润后的碳纤维原丝横向缠绕于该两个芯部，预浸的原丝束沿水平方向布置；使用预浸原丝对该横向缠绕的原丝束进行纵向缠绕，以使得碳纤维紧密结合，形成具有芯部、包覆于芯部表面的碳纤维复合材料层以及位于芯部之间的碳纤维复合材料体的中间构件。该中间构件经过加热固化、包覆缓冲层等候，制得质轻、高强度的受拉构件。

中国发明专利CN103058073B公开了一种碳纤维复合材料拉板的制造方法，利用钛合金铸造的中空薄壁状端部连接件，将碳纤维丝束缠绕在两个端部连接件表面，进而通过在两个端部连接件之间向碳纤维丝束施加横向压力，使得碳纤维丝束紧贴端部连接件。在缠绕过程中，对碳纤维丝束进行张力闭环控制，即初始张力为1KN/m，缠绕过程中控制张力逐级递减，使得拉板成型后内应力均匀，受载时每层碳纤维丝束都能发挥作用。加压固化后，在拉板中部交替缠绕与拉板呈+135°和+45°碳纤维布带，以便抵抗拉板受拉时的横向张力，并能承受一定的扭转载荷。

中国发明专利申请CN102927117A公开了一种利用碳纤维复合材料制作的工程机械承重拉杆，包括钢芯和包覆在其外表面上的碳纤维复合材料层，钢芯包括设置在首尾两端的钢制拉环，二者之间设有钢制加强连接构件。在制造过程中，通过铺层方式将碳纤维复合材料层包覆在钢芯表面，并在铺层后套气袋、抽真空，以保证树脂分布均匀。

上述现有技术大体可以分为两大类：一种以两个端部连接件为基础，首先横向缠绕纤维丝束，进而通过纵向缠绕或施加作用力的方式使得横向缠绕的纤维彼此或与端部连接件紧密贴合；另一种在两个端部连接件之间设有连接件作为纤维层成型基础，通过铺设方式将碳纤维复合材料层包覆于整个钢芯表面。

为了提供较为理想的纤维复合拉杆，使得纤维材料能够在承载时相对充分地发挥其抗拉作用，这两类现有技术提供的拉杆和制造方法在制造工艺性和承载能力方面存在缺陷。

前者依赖于纵向缠绕的纤维(环向纤维)等施加的外部作用力保证不同的横向碳纤维能够在承载过程中发挥相对一致的拉力作用，这对于不同缠绕层的纤维材料而言仅能够在一定程度上减小其差异，导致拉杆的最大承载能力受限。因此，需要在缠绕过程中使得碳纤维丝束的“张力逐级递减”，不仅控制难度高，还严重制约了生产效率。此外，由于仅以两个端部连接件为成型纤维层(纤维体)的基础，在缠绕过程中很难保证纤维丝束的尺寸和精度，进一步加大了缠绕控制难度。

后者虽然提供了具有中间连接件的钢芯，但其碳纤维复合材料层通过铺设方式形成，经过后续抽真空、升温固化等工艺步骤之后，基本无法保证纤维丝线的均匀分布，影响制得的拉杆的承载能力。

有鉴于此，本发明旨在至少部分地克服上述现有技术存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种受拉构件及其制造方法，该受拉构件具有良好的承载能力且制造工艺性较好，能够应用于如起重机等机械设备中作为承载拉杆。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种受拉构件，包括：芯模组件，该芯模组件包括中间连接部和分别设置于该中间连接部两端的承拉部；螺旋纤维层，该螺旋纤维层绕勾于所述承拉部并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于所述中间连接部的外周面上。

优选地，所述承拉部的外缘形成有容纳所述螺旋纤维层的凹槽，所述螺旋纤维层绕勾于所述承拉部的外缘并在该绕勾位置容纳于所述凹槽内。

优选地，所述凹槽包括背离所述中间连接部的圆弧部分和从该圆弧部分向所述中间连接部倾斜地线性过渡的收缩部分，该收缩部分与所述圆弧部分相切，且相对于所述中间连接部的中心轴线的倾斜角度等于所述螺旋纤维层缠绕在所述中间连接部上的螺旋角α。

优选地，所述承拉部上形成有连接部安装孔和螺纹固定件安装孔，所述中间连接部插入该连接部安装孔中并被安装至所述螺纹固定件安装孔中的螺纹固定件固定。

优选地，所述螺旋纤维层中埋设有光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器的布置角度等于所述螺旋纤维层缠绕在所述中间连接部上的螺旋角α。

优选地，所述承拉部设有减重孔和从该减重孔贯穿延伸的过线孔，所述光纤光栅传感器通过该过线孔将光纤接头引出至所述减重孔。

优选地，所述承拉部形成有承载通孔，所述减重孔的靠近所述承载通孔的一端两侧形成有彼此对称的用于定位缠绕夹具的圆弧凹部。

优选地，所述中间连接部形成为圆柱状的中空金属杆，该中空金属杆的外径为12mm～50mm，壁厚为2mm～10mm。

优选地，所述螺旋纤维层缠绕在所述中间连接部上的螺旋角α设置为使得对应于所述中间连接部的位于所述承拉部之间的长度部分的纤维螺旋数量n为正整数。

优选地，所述螺旋纤维层外缠绕有环向纤维层。

优选地，所述受拉构件的位于两个所述承拉部之间的延伸部分缠绕有螺旋扰流线束，所述螺旋扰流线束由纤维丝线缠绕而成，并且/或者，所述螺旋扰流线束的径向凸出高度为2mm～5mm。

优选地，所述受拉构件为用于起重设备中的承载拉杆，所述承拉部包括分别连接至所述中间连接部两端的一对拉环，所述螺旋纤维层绕勾于该拉环上。

本发明的第二方面提供一种包括上述受拉构件的起重机。

本发明的第三方面提供一种受拉构件的制造方法，所述受拉构件包括芯模组件和螺旋纤维层，所述芯模组件包括中间连接部和分别设置于该中间连接部两端的承拉部，所述制造方法包括将浸润后的纤维丝线绕勾于所述承拉部并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于所述中间连接部的外周面上以形成所述螺旋纤维层的步骤S1。

优选地，在所述步骤S1中，所述芯模组件通过缠绕夹具固定于缠绕机的缠绕芯轴上并由该缠绕机驱动为绕所述中间连接部的轴线转动；浸润后的所述纤维丝线由送丝机构带动为在所述承拉部之间往复移动。

优选地，在所述步骤S1中，至少更换一次所述缠绕夹具与所述芯模组件的相对连接方位，以使得所述纤维丝线均匀绕勾至所述承拉部上。

优选地，所述纤维丝线以10MPa～50MPa的预应力缠绕形成所述螺旋纤维层。

本发明的第四方面提供一种缠绕夹具与芯模组件的连接结构，所述芯模组件包括中间连接部和分别连接至该中间连接部两端的承拉部，该承拉部形成有承载通孔，所述缠绕夹具设有与所述承载通孔配合的销柱，以能够带动所述芯模组件转动为将纤维丝线螺旋缠绕于所述中间连接部的外周面上。

用于例如工程机械的承载拉杆通常为具有较大长径比的细长结构，为了充分发挥纤维材料的高强特性，需要对缠绕线型进行精确控制。本发明的受拉构件及其制造方法通过螺旋缠绕方式，在具有中间连接部的芯模组件上形成螺旋纤维层，可以在缠绕过程中相对容易地控制纤维的缠绕预应力，以便达到精确控制缠绕线型的目的，使得螺旋纤维层中的纤维材料能够相对均匀、充分地发挥抗拉性能，整体承载能力更高。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种优选实施方式的受拉构件的立体结构示意图；

图2是本发明一种受拉构件的芯模组件的结构示意图；

图3是本发明一种优选实施方式中芯模组件的拉环的结构示意图；

图4是根据本发明一种优选实施方式的缠绕夹具的结构示意图；

图5是图4中的缠绕夹具与芯模组件的连接结构示意图；

图6是图4中的缠绕夹具与芯模组件的两种安装方式示意图；

图7是缠绕形成螺旋纤维层的步骤S1的主视示意图；

图8是缠绕形成螺旋纤维层的步骤S1中缠绕子步骤S11的俯视示意图；

图9是缠绕形成螺旋纤维层的步骤S1中缠绕子步骤S12的俯视示意图；

图10是表示光纤光栅传感器在受拉构件中的布置结构的示意图；

图11是缠绕形成螺旋纤维层后的主视示意图；

图12是缠绕形成螺旋纤维层后的俯视示意图。

附图标记说明

1-芯模组件；11-中间连接部；12-承拉部；121-凹槽；122-连接部安装孔；123-螺纹固定件安装孔；124-减重孔；124a-圆弧凹部；125-过线孔；126-承载通孔；2-螺旋纤维层；3-光纤光栅传感器；31-光纤接头；4-螺旋扰流线束；5-缠绕夹具；51-销柱；52-端部圆杆；53-条钢；54-螺栓通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

首先需要说明的是，本发明的受拉构件指的是一种用于承受轴向拉力的受力构件，可以用于如起重机的工程机械中，例如可以为起重机中的承载拉杆。尽管随后的说明中将主要以应用于起重机中的承载拉杆为例对本发明的受拉构件进行说明，但本发明的受拉构件还可以为应用于其他机械设备中的、用于传递或施加拉力的部件。在起重机中，承载拉杆的两端具有拉环(参照图1所示的承拉部12)，该拉环上具有承载通孔126等连接结构，用于在承载时连接相邻部件或负载。在此情形下，承载拉杆在工作过程中主要承受通过拉环施加的轴向拉力，其承载能力主要体现在轴向抗拉强度的大小。

正是基于这种工况特点，现有技术将碳纤维布置为横向缠绕(纤维方向沿拉杆轴向)，以期充分发挥其抗拉特性。然而，这种思维定势忽略了缠绕精度对承载能力的影响：承载拉杆整体的承载能力取决于每一束纤维材料在承载过程中所发挥的抗拉能力，而纤维材料是否能够发挥充分的抗拉能力不仅取决于其布置方向，还在很大程度上受到布置均匀程度和缠绕预应力的一致性的影响。如果不同纤维材料在承载过程中产生拉应力的大小和时机差异较大，则超重的负载会对不同纤维材料形成“各个击破”，最终导致拉杆不能发挥出设计承载能力。

本发明的发明人突破这种思维定势，独创地提出了纤维螺旋缠绕的成型方式，有效提高了承载拉杆的承载能力。以下将结合其制造方法对本发明提供的受拉构件的结构进行说明，同时还提供了一种用于实施该制造方法的缠绕夹具与芯模组件的连接结构。

参照图1、图2、图10至图12所示，根据本发明一种优选实施方式的受拉构件，包括芯模组件1和螺旋纤维层2。其中，芯模组件1包括中间连接部11和设置于该中间连接部11两端的形成为如拉环的承拉部12，该承拉部12可以与中间连接部11形成为一体或连接至该中间连接部11；螺旋纤维层2绕勾于承拉部12并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于中间连接部11的外周面上。结合随后对制造方法的说明可以理解，此处所述螺旋纤维层2与芯模组件1的绕勾和螺旋缠绕指的是纤维丝线以预定螺旋角从中间连接部11的设有承拉部12的第一端向设有另一承拉部12的第二端缠绕，并在缠绕至承拉部12的位置处时以承拉部12为支点返回，进而使得纤维丝线从第二端向第一端继续缠绕，如此往复。需要说明的是，本发明所述“连续往复地螺旋缠绕”并不限定为螺旋纤维层2的全部纤维丝线均为一次缠绕完成。根据所使用的纤维长度，在往复缠绕若干次一组纤维用尽后，可以补充下一组纤维，由此螺旋纤维层2具有“断点”，这种断点在整个螺旋纤维层2中几乎不可避免，但可以通过合理设置每组纤维的长度避免其对受拉构件的承载能力产生明显影响。

本发明的受拉构件将纤维材料螺旋缠绕在芯模组件1上。相比于现有技术的承载拉杆和制造方法，本发明可以在承载拉杆的制造过程中以芯模组件1的中间连接部11为缠绕基础，便于精确控制缠绕的纤维材料的尺寸和缠绕精度，使得螺旋纤维层2在拉环之间均布缠绕于中间连接部11上。这种结构和制造方法能够相对容易地控制纤维的缠绕预应力，使得螺旋纤维层2中的纤维材料能够相对均匀、一致、充分地发挥抗拉性能，整体承载能力更高。为了获得具有相同承载能力的承载拉杆，本发明的纤维增强拉杆制造工艺性更好，能够高效地生产。

芯模组件

图2所示为可用于本发明受拉构件中的一种芯模组件1，包括形成为圆柱状的中间连接部11和形成为拉环的承拉部12。

中间连接部11可以为细长的圆杆状。为了便于达到轻量化设计的目的，该中间连接部11可以为铝合金、镁合金或钛合金等轻质金属材质。并且，该中间连接部11还可以为中空管材，根据载荷需要和设计尺寸，其外径可以为如12mm～50mm，壁厚为2mm～10mm。可以看出，在该优选实施方式中，本发明的受拉构件将主要以纤维材料承担负载，而拉环之间的中间连接部11仅为了更好地缠绕纤维材料而设置，可以进行轻量化设计。在其他可选实施方式中，中间连接部11也可以由其他材质形成，或者设置为具有较大的径向尺寸(外径或壁厚)，以能够至少部分地分担负载；而缠绕的螺旋纤维层2可以作为增强材料，显著提升拉杆承载能力。此外，中间连接部11也可以形成为具有其他适当的形状。

承拉部12需要在承载时连接相邻部件或负载，并在制造时作为螺旋纤维层2的绕勾基础，其也可以具有金属材质。图3所示为一种优选结构的拉环，可以在制造用于起重机中的承载拉杆时作为承拉部12，该拉环的外缘形成有凹槽121，该凹槽121的数量、深度和宽度可以根据所需缠绕的纤维量确定。由此，螺旋纤维层2可以在缠绕至拉环时内置于该凹槽121内，并沿着该凹槽121在拉环的外缘盘绕，实现绕勾和折返。通过设置该凹槽121，不仅可以避免螺旋纤维层2从拉环脱离，还能够在使用过程中避免因碰撞、摩擦等对绕勾位置的纤维材料造成的磨损，保证使用寿命。可以理解的是，尽管图示为拉环上仅形成有一个凹槽121，但为了容纳纤维材料之需，该凹槽121也可以分为多个。

可以理解的是，为了便于描述，本发明利用“外周面”、“外缘”等术语说明螺旋纤维层2的设置方式。其中，中间连接部11的外周面是指环绕该中间连接部11的中心轴线的周向表面，该中间连接部11可以为上述圆杆状或正棱柱状等形状。其中，在中间连接部形成为杆状之外的其他形状时，可以将从其中一个承拉部12至另一承拉部12的延伸方向确定为轴向，则其中心轴线为垂直于该轴向的截面上各中心点的连线。拉环的外缘至少包括该拉环的背离所述中间连接部11的一端外轮廓部分，中间连接部11的中心轴线穿过该部分延伸。典型地，如图2和图3所示的拉环，整体形成为扁平结构，其上具有承载通孔126等连接结构，则该拉环的外缘包绕承载通孔126，并形成有凹槽121。

该凹槽121包括背离中间连接部11的圆弧部分和从该圆弧部分向中间连接部11倾斜地线性过渡的收缩部分，该收缩部分与圆弧部分相切，且相对于中间连接部11的中心轴线的倾斜角度等于螺旋纤维层2的螺旋角α。通过这种设置，可以使得纤维丝线紧密贴合在凹槽121底部，保证螺旋纤维层2能够均匀受力，提升拉杆的承载能力。

正如前述，中间连接部11可以与承拉部12连接或形成为一体，该中间连接部11可以通过多种适宜方式连接至承拉部12，如焊接、插接、粘接等。为了避免因受热变形对纤维缠绕精度的影响，本发明的优选方案采用螺纹连接方式。具体地，承拉部12彼此相对的一端形成有连接部安装孔122，中间连接部11可插入该连接部安装孔122中。该连接部安装孔122可以为盲孔，深度为如20mm以上，其两侧形成有螺纹固定件安装孔123，由此可以利用安装至该螺纹固定件安装孔123中的螺纹固定件(如螺栓)将插入至连接部安装孔122中的中间连接部11固定至承拉部12。在其他实施方式中，中间连接部11也可以直接螺接至承拉部12。通过采用这种可拆装式设计的芯模组件1，可以便于部件的批量生产和装配，有助于提高生产效率。

通常地，承拉部12通过销轴与相邻部件或负载连接，因而其上可以形成有承载通孔126。该承载通孔126的轴线可以与中间连接部11的中心轴线垂直，并可以设置在靠近凹槽121的圆弧部分的位置。结合图5所示，该承载通孔126还可作为与缠绕夹具5配合的结构，缠绕夹具5的销柱51穿入至该承载通孔126内以便通过驱动其转动而完成纤维缠绕。

此外，承拉部12还可以形成有减重孔124和过线孔125等，减重孔124可以大致呈U形，便于降低拉杆自重；过线孔125可以为多个，用于在随后说明的优选方案中引出传感器的接线头。在图3所示的形成为拉环的承拉部12中，减重孔124的靠近承载通孔126的一端两侧形成有彼此对称的圆弧凹部124a，可以在与缠绕夹具5固定时与螺栓等部件配合(见图5)而起到定位和固定作用。其中，缠绕夹具5可以通过该承载通孔126和一对圆弧凹部124a稳固地固定芯模组件1，穿过圆弧凹部124a延伸的螺栓能够对拉环产生夹持作用，避免在缠绕纤维时芯模组件1晃动，保证良好的缠绕质量。图示圆弧凹部124a也可以由图2中所示的通孔替代，但设计为通孔需要保证较高的尺寸精度，以便能够容易地与缠绕夹具5配合。或者，圆弧凹部124a也可以形成在减重孔124内的其他位置。

缠绕夹具

图4所示为用于在制造本发明的受拉构件过程中实施纤维缠绕工艺的缠绕夹具5，可以与芯模组件1的拉环配合。该缠绕夹具5包括端部圆杆52、条钢53以及设置于该条钢53上的销柱51和螺栓通孔54。其中，端部圆杆52向远离销柱51的一侧延伸，用于连接至缠绕机的缠绕芯轴上，以能够带动芯模组件1转动，将螺旋纤维层2螺旋缠绕至中间连接部11。条钢53具有适当的延伸长度，使得销柱51与端部圆杆52相间隔，避免缠绕过程中形成干涉。

重要地，缠绕夹具5的销柱51沿垂直于条钢53的板面方向延伸，能够与拉环上的承载通孔126配合，由此无需在拉环上形成额外的连接结构。结合图3至图5所示，螺栓穿过螺栓通孔54延伸至拉环的减重孔124，并与圆弧凹部124相抵靠，进而在拉环的另一侧通过螺母固定。由此，销柱51和两个螺栓分别与承载通孔126和圆弧凹部124配合形成三点定位，可以稳定地固定芯模组件1，避免在转动过程中发生振动，确保缠绕质量。

可以理解的是，为了实施缠绕，缠绕夹具5及拉环上相应的配合结构也可以形成为其他形式。例如，在图2所示的芯模组件1中，螺栓穿过条钢53上的螺栓通孔54和拉环上相应的通孔，以将芯模组件1固定至缠绕机的缠绕芯轴。再如，缠绕夹具5可以具有相对设置的一对条钢53，其上形成用于销柱51穿过的通孔，并使得销柱51可拆装地安装至该通孔，以通过拉环上的承载通孔126将芯模组件1固定。

图6所示为芯模组件1与一对缠绕夹具5的两种不同安装方式，其中一种将芯模组件1固定至缠绕夹具5的同一侧(缠绕夹具轴对称安装)，另一种将芯模组件1固定至缠绕夹具5的相对侧(缠绕夹具中心对称安装)，这两种安装方式均可实施纤维缠绕工艺。在其他实施方式中，设置于中间连接部11两端的拉环也可以安装为相对彼此具有一定角度(即其中一个拉环相对另一个拉环绕中间连接部11的中心轴线旋转一定角度)，由此两端的缠绕夹具5不具有轴对称或中心对称关系。

缠绕夹具5与芯模组件1形成的连接结构能够方便地实施纤维缠绕工艺，进而制备本发明提供的受拉构件。具体地，该连接结构可以通过缠绕夹具5固定于缠绕机的缠绕芯轴上，并由该缠绕机驱动自转，从而使得纤维材料螺旋缠绕。

缠绕工艺及制造方法

纤维缠绕是受拉构件制造方法中的关键步骤，螺旋纤维层2的缠绕质量对于受拉构件的承载能力具有重要影响。在以下对缠绕工艺的说明中，将主要对受拉构件的制造方法中形成螺旋纤维层2的步骤(称为“步骤S1”)进行说明，同时还提供受拉构件的进一步优选方案。在起重机领域，这种受拉构件由于缠绕有纤维材料，因而实质上构成为一种纤维复合拉杆。

结合图7至图9所示，该缠绕工艺将芯模组件1固定至缠绕夹具5的同一侧(缠绕夹具轴对称安装)，并通过该缠绕夹具5固定于缠绕机的缠绕芯轴上，由此能够带动芯模组件1转动。将纤维丝线浸润环氧树脂后，在例如为送丝嘴的送丝机构带动下缠绕至芯模组件1上，以形成螺旋纤维层2以及随后所述的环向纤维层等。在此过程中，纤维丝线可以保持10MPa～50MPa的预应力，以能够在成型后充分发挥其抗拉性能。

为了使得纤维丝线在缠绕至中间连接部11的端部时能够平顺过渡至承拉部12的凹槽121内，需要将螺旋纤维层2的螺旋角α设置为使得对应于中间连接部11的位于承拉部12之间的长度部分的纤维螺旋数量n为正整数，即满足：

L＝n·2a＝nd 式1

其中，L为中间连接部11的位于拉环12之间的长度，n为该长度部分上单层纤维丝线的纤维螺旋数量，d为纤维螺距，a为纤维螺距的一半。在中间连接部11形成为圆柱状的情形下，螺旋纤维层2的螺旋角α可以由式2确定：

其中，D为中间连接部11的外径。由此，可以首先确定纤维螺旋数量n的可选值(正整数，如8、9等)，进而计算得到纤维缠绕可选的几个特定螺旋角，结合缠绕机转速、送丝机构的送丝速度等因素确定螺旋纤维层2的螺旋角α。

正如前述，本发明的受拉构件在工作时的工作载荷主要由螺旋纤维层2承担，其缠绕量直接决定了受拉构件的承载能力。为此，需要根据设计额定载荷P、缠绕的螺旋角α、单束纤维丝线的承载力f等因素确定纤维用量K(需缠绕的纤维束数)，计算关系如下：

上述螺旋角α的确定可以使得纤维丝线向拉环平顺过渡，有利于提高缠绕质量和效率。但是，如图8所示，这种缠绕方式导致纤维丝线在拉环的凹槽121内集中分布于一侧。为此，形成螺旋纤维层2的步骤S1可以分为两个子步骤。在完成图8所示的缠绕子步骤S11(缠绕K/2束)后，调转芯模组件1与缠绕夹具5的相对连接方位，使得拉环在缠绕子步骤S11中背离所述缠绕夹具5(的条钢53)的一侧朝向该缠绕夹具5，由此实施图9所示的另一个缠绕子步骤S12，完成剩余K/2束纤维丝线的缠绕，使得纤维丝线均匀绕勾至拉环上，形成图12所示的缠绕效果。本发明所述更换或调转芯模组件1与缠绕夹具5的相对连接方位至少可以通过如下方式实现：保持缠绕夹具5不动，将完成了缠绕子步骤S11的芯模组件1从该缠绕夹具5拆下，然后绕该芯模组件1的中心轴线或图8中垂直纸面向里的轴线转动180°，重装至缠绕夹具5上，即可完成芯模组件1与缠绕夹具5相对连接方位的更换。通过更换二者的相对连接方位，能够避免纤维丝线集中分布于拉环的凹槽121内的一侧，使得纤维更加均匀地缠绕。

结合图10所示，螺旋纤维层2中可以埋设有光纤光栅传感器3，用于准确检测载荷。该光纤光栅传感器3可以在形成螺旋纤维层2过程中随同纤维丝线缠绕在中间连接部11上。具体地，在上述缠绕子步骤S11中，当纤维丝线缠绕一半(K/4)时，将两个光纤光栅传感器3布置在中间连接部11的中点位置，二者彼此相对地位于同一直径上，且布置角度等于螺旋纤维层2的螺旋角α。之后，在另一个缠绕子步骤S12中，当纤维丝线缠绕一半时，布置另外两个光纤光栅传感器3，使得四个光纤光栅传感器3的周向位置均布。本发明所述的光纤光栅传感器3的布置角度指的是其光栅方向相对于中间连接部11的螺旋角。在其他实施方式中，本发明的受拉构件也可以设有两个或六个光纤光栅传感器3。

该光纤光栅传感器3可以通过形成在拉环上的过线孔125将光纤接头31引出至减重孔124。由此，在后续使用过程中，可以将其通过光纤与操控室的调节器相连，分析光纤光栅传感器3的波长变化均值与拉杆受力载荷的关系，以便实时检测载荷大小。

本发明通过螺旋缠绕方式能够有效提升受拉构件的承载能力。为了进一步改善产品性能，本发明还可以在螺旋纤维层2外缠绕环向纤维层。具体地，在螺旋纤维层2缠绕完成后，以接近90°角在两个拉环之间继续缠绕纤维丝线，由此可以使得螺旋纤维层2紧密贴合中间连接部11，尤其是确保靠近拉环位置的贴合程度。此外，该环向纤维层还能够对螺旋纤维层2起到保护作用，其厚度可以为1mm～5mm，保证使用寿命。

由于受拉构件的重量较轻，在使用过程中，可能会受到风雨激振的影响。为此，在本发明一种优选实施方式中，还进一步在中间连接部11的位于两个拉环之间的延伸部分缠绕有螺旋扰流线束4，如图1所示。该螺旋扰流线束4可以由纤维丝线缠绕而成，并且/或者，其径向凸出高度可以为2mm～5mm，螺距可为40mm～400mm。通过设置螺旋扰流线束4，可以在本发明的受拉构件受到气流作用时对气流产生空气紊流作用，以抵抗风雨激振的影响。

在纤维缠绕完成后，经过旋转室温固化和/或热固化，可以使得预浸后的纤维丝线固接于芯模组件1上，最终形成具有良好承载能力和制造工艺性的纤维复合拉杆，可以用于如起重机中起吊重物。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种用于工程机械的受拉构件，其特征在于，包括：

芯模组件(1)，该芯模组件(1)包括中间连接部(11)和分别设置于该中间连接部(11)两端的承拉部(12)，所述承拉部(12)设有减重孔(124)并形成有承载通孔(126)，所述减重孔(124)的靠近所述承载通孔(126)的一端两侧形成有彼此对称的用于定位缠绕夹具(5)的圆弧凹部(124a)；

螺旋纤维层(2)，该螺旋纤维层(2)绕勾于所述承拉部(12)并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于所述中间连接部(11)的外周面上；以及，

螺旋扰流线束(4)，该螺旋扰流线束(4)由纤维丝线缠绕而成，并缠绕于所述中间连接部(11)的位于两个所述承拉部(12)之间的延伸部分。

2.根据权利要求1所述的受拉构件，其特征在于，所述承拉部(12)的外缘形成有容纳所述螺旋纤维层(2)的凹槽(121)，所述螺旋纤维层(2)绕勾于所述承拉部(12)的外缘并在该绕勾位置容纳于所述凹槽(121)内。

3.根据权利要求2所述的受拉构件，其特征在于，所述凹槽(121)包括背离所述中间连接部(11)的圆弧部分和从该圆弧部分向所述中间连接部(11)倾斜地线性过渡的收缩部分，该收缩部分与所述圆弧部分相切，且相对于所述中间连接部(11)的中心轴线的倾斜角度等于所述螺旋纤维层(2)缠绕在所述中间连接部(11)上的螺旋角α。

4.根据权利要求1所述的受拉构件，其特征在于，所述承拉部(12)形成有连接部安装孔(122)和螺纹固定件安装孔(123)，所述中间连接部(11)插入该连接部安装孔(122)中并被安装至所述螺纹固定件安装孔(123)中的螺纹固定件固定。

5.根据权利要求1所述的受拉构件，其特征在于，所述螺旋纤维层(2)中埋设有光纤光栅传感器(3)，该光纤光栅传感器(3)的布置角度等于所述螺旋纤维层(2)缠绕在所述中间连接部(11)上的螺旋角α。

6.根据权利要求5所述的受拉构件，其特征在于，所述承拉部(12)设有从所述减重孔(124)贯穿延伸的过线孔(125)，所述光纤光栅传感器(3)通过该过线孔(125)将光纤接头(31)引出至所述减重孔(124)。

7.根据权利要求1所述的受拉构件，其特征在于，所述中间连接部(11)形成为圆柱状的中空金属杆，该中空金属杆的外径为12mm～50mm，壁厚为2mm～10mm。

8.根据权利要求1所述的受拉构件，其特征在于，所述螺旋纤维层(2)缠绕在所述中间连接部(11)上的螺旋角α设置为使得对应于所述中间连接部(11)的位于所述承拉部(12)之间的长度部分的纤维螺旋数量n为正整数。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的受拉构件，其特征在于，所述螺旋扰流线束(4)的径向凸出高度为2mm～5mm。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的受拉构件，其特征在于，所述受拉构件为用于起重设备中的承载拉杆，所述承拉部(12)包括分别连接至所述中间连接部(11)两端的一对拉环，所述螺旋纤维层(2)绕勾于该拉环上。

11.一种起重机，其特征在于，该起重机具有根据权利要求1至10中任意一项所述的受拉构件。

12.一种用于工程机械的受拉构件的制造方法，其特征在于，所述受拉构件包括芯模组件(1)和螺旋纤维层(2)，所述芯模组件(1)包括中间连接部(11)和分别设置于该中间连接部(11)两端的承拉部(12)，所述承拉部(12)设有减重孔(124)并形成有承载通孔(126)，所述减重孔(124)的靠近所述承载通孔(126)的一端两侧形成有彼此对称的用于定位缠绕夹具(5)的圆弧凹部(124a)，所述制造方法包括将浸润后的纤维丝线绕勾于所述承拉部(12)并以该绕勾位置为折返点连续往复地螺旋缠绕于所述中间连接部(11)的外周面上以形成所述螺旋纤维层(2)的步骤S1以及通过在所述中间连接部(11)的位于两个所述承拉部(12)之间的延伸部分缠绕纤维丝线以形成螺旋扰流线束(4)的步骤，在所述步骤S1中，所述缠绕夹具(5)的销柱(51)穿入至所述承载通孔(126)内，并通过穿过所述圆弧凹部(124a)延伸的螺栓固定至所述承拉部(12)。

13.根据权利要求12所述的受拉构件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述芯模组件(1)通过缠绕夹具(5)固定于缠绕机的缠绕芯轴上并由该缠绕机驱动为绕所述中间连接部(11)的中心轴线转动；浸润后的所述纤维丝线由送丝机构带动为在所述承拉部(12)之间往复移动。

14.根据权利要求13所述的受拉构件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S1中，至少更换一次所述缠绕夹具(5)与所述芯模组件(1)的相对连接方位，以使得所述纤维丝线均匀绕勾至所述承拉部(12)上。

15.根据权利要求12至14中任意一项所述的受拉构件的制造方法，其特征在于，所述纤维丝线以10MPa～50MPa的预应力缠绕形成所述螺旋纤维层(2)。