CN112360160A - 一种碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，包括：碳纤维复合材料接头壳体；接头内芯，填充于所述碳纤维复合材料接头壳体的内部；端部连接预埋件，预埋于所述碳纤维复合材料接头壳体内部的端部，并嵌设于所述接头内芯中，用于所述碳纤维复合材料臂节的端部的连接。该碳纤维复合材料臂节用接头，连接部位采用镂空整体金属框架复合材料包覆预埋形式，兼顾重量及界面连接强度；接头内芯穿设三维网格状加强件，增强对臂架接头壳体的内部牵拉；接头壳体制备采用不同成型工艺复配，可实现较小的质量和成本获得较高的结构功效。

Description

一种碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土泵车技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法。

背景技术

混凝土泵车在现代化建设的诸多领域有着无可替代的作用。随着现代化建筑领域的发展，混凝土泵车臂架的展开高度要求越来越高，因此混凝土泵车臂架更长更高的发展趋势成为必然。传统的混凝土泵车臂架采用高强度合金钢制成，随着展开高度增加而重量增加，对混凝土泵车的配载及安全性能提出了更高的要求，且对于泵车施工调度以及工作场地产生很大的局限性。高强度合金钢在焊接方面存在一定缺陷隐患，易因疲劳破坏出现局部变形、开裂等问题。另外，泵车因工作环境复杂，也易发生锈蚀问题。复合材料泵车臂架与传统的金属泵车臂架相比，具有质量轻、强度高、制造容易、耐疲劳、低振动，轻质高效，耐腐蚀等特点，可在混凝土泵车减重降低营运成本和臂架伸展高度上促其提升。

混凝土泵车的臂架由多个臂节连接构成，每个臂节的大端端部设有与上一节臂节连接的接头，由于在工作过程中，臂节的接头部受力较大，其是决定臂节强度的一个重要制约因素，决定臂节的使用寿命。目前国内外已有部分对复合材料臂节技术的探索，但大部分研究都是针对臂节制备成型工艺的，很少有对臂节接头的改进。申请号为CN201410189059.X、CN201410198955.2的专利公开了一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节及其制作方法和一种混凝土泵车臂架用复合材料接头。其中，臂架为PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料结构；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一体灌注成型。该技术中，将端部受力的金属轴串联加工并外圈辅以碳布增强，预埋到泡沫材料内部，因埋入泡沫材料内部对应的那个轴孔仅受两侧复合材料壳体的定位连接约束，在受力传导设计方面不尽合理，长期使用在该轴孔位置存在疲劳破坏的隐患。

因此，现有的复合材料臂节接头存在着强度不足、成型方法单一，成本偏高，或是表面质量控制一般的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，接头连接部位采用镂空整体金属框架复合材料包覆预埋形式，兼顾重量及金属预埋件与臂架壳体的界面连接强度；接头内芯中穿设三维网格状的加强件，与复合材料接头壳体一体成型，在壳体内部形成立体网格架构，实现对臂架上下左右复合材料壳体的牵拉增强，产品性能更稳定；制备方法中，采用预浸碳布真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺与碳布真空灌注成型工艺或RTM成型工艺结合的复配方式，实现较小的质量和成本获得较高的结构功效。

为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种碳纤维复合材料臂节用接头，包括：

碳纤维复合材料接头壳体；

接头内芯，填充于所述碳纤维复合材料接头壳体的内部；

端部连接预埋件，预埋于所述碳纤维复合材料接头壳体内部，并嵌设于所述接头内芯中，用于所述碳纤维复合材料臂节端部的连接。

优选地，所述端部连接预埋件包括：

金属连接轴，包括第一连接轴和第二连接轴；

金属翼板，所述金属翼板包括垂直于所述金属连接轴的轴设置的第一翼板和第二翼板，所述第一翼板和所述第二翼板分别设置于所述金属连接轴的两端，所述金属翼板与所述金属连接轴固定连接；在垂直于所述金属连接轴的平面上，所述第一翼板和所述第二翼板的截面形状与所述碳纤维复合材料接头壳体的内腔截面形状相同；所述第一翼板和所述第二翼板远离端部的一侧设有延长臂。

优选地，所述金属翼板上还设有多个第一通孔，多个所述第一通孔内穿设有锚固件。优选地，所述锚固件为增强纤维束。

优选地，所述金属翼板上还设有减重孔，所述减重孔的大小大于所述第一通孔。

优选地，所述碳纤维复合材料接头壳体包括碳纤维复合材料接头壳体内层和碳纤维复合材料接头壳体外层，所述碳纤维复合材料接头壳体内层为预浸布采用真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺成型；所述碳纤维复合材料接头壳体外层为真空灌注成型工艺或树脂传递模塑工艺成型。

优选地，所述金属连接轴外位于所述第一翼板与所述第一翼板之间的区域环缠有复合材料增强层。

优选地，所述端部连接预埋件还包括：

复合材料包覆层，所述复合材料包覆层包覆于整体成型的所述金属翼板与所述金属连接轴外侧。

优选地，所述金属翼板的边缘设有翻边。

优选地，所述接头内芯为泡沫内芯、轻木内芯中的一种或两种的组合；所述接头内芯上间隔设置多个第二通孔，多个所述第二通孔中穿设有加强件，所述加强件形成三维网格状。

优选地，所述加强件的材质为碳纤维、轻质合金、玻璃纤维中的一种或几种的组合。

本发明的另一方面提供一种制备上述的碳纤维复合材料臂节的方法，包括以下步骤：

S1.加工出接头内芯，并在所述接头内芯上预留所述端部连接预埋件的槽孔；

S2.加工出所述端部连接预埋件；

S3.将所述端部连接预埋件填充进所述内芯上预留的槽孔，在所述端部连接预埋件外包预浸布，并采用真空袋压法一体固化；

S4.在步骤S3得到的接头内芯、端部连接预埋件一体结构外包预浸布，铺设预浸布至设计厚度，成型并固化，形成碳纤维复合材料接头壳体内层；

S5.在所述碳纤维复合材料接头壳体内层外铺设碳布至设计厚度，以树脂材料为基体，成型并固化，形成碳纤维复合材料接头壳体外层，得到所述碳纤维复合材料臂节用接头。

优选地，步骤S4中，采用真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺成型并固化；

步骤S5中，采用真空灌注成型工艺或树脂传递模塑工艺成型并固化。

优选地，步骤S2中加工出所述端部连接预埋件具体包括以下步骤：

S201.加工金属连接轴和金属翼板，将所述金属连接轴和所述金属翼板固定连接；

S202.在所述金属连接轴外部环缠浸胶纱进行加强；

S203.在所述金属翼板上的第一通孔中穿设纤维束进行锚固，并预留部分长纤维束，使所述长纤维束与后续步骤中预浸布铺层牵连锚固。

优选地，步骤S4中还包括在一体结构外包预浸布之前，在接头内芯上间隔设置多个第二通孔，并在第二通孔中穿设加强件，在所述碳纤维复合材料接头壳体的腔体内形成三维网格状结构，进行加强。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明的碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，采用碳纤维复合材料作为臂节的接头壳体材料，相比于金属材质，碳纤维在保证强度的同时，具有较小的重量，能有效的解决臂节接头强度和重量之间的矛盾；碳纤维复合材料具有较好的设计、制造性能，可消除焊接对臂节接头强度的影响，能够得到设计的结构，同时还能保证臂节接头强度，解决臂节接头强度和制造之间的矛盾；碳纤维复合材料具有较高的耐疲劳性能，因此能够很好的解决臂节接头强度与疲劳性能之间的矛盾；碳纤维复合材料还具有较好的耐腐性能和减振特性；

2.本发明的碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，端部连接预埋件由整体成型的金属翼板和金属连接轴构成，金属翼板的设置使预埋件具有整体的框架，可通过预埋的方式包覆于碳纤维复合材料接头壳体的内部，同时金属翼板上预留通孔并在通孔中设置锚固件，保证了预埋件与臂节接头壳体的界面连接强度，利于力的传导，提高整体受力性能和长期可靠性；并且，通过采用在两侧平行设置翼板的方式使整个预埋件的框架镂空，在保证连接轴连接强度的同时还减轻了预埋件的重量；此外，第一翼板与第二翼板的远离臂节端部的一侧设置延长臂，利于大端端部连接预埋件的定位和整体强度的辅助加强；

3.本发明的碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，接头内芯上下左右间隔设置第二通孔，并穿设加强件，在接头内芯中形成三维网格状支撑结构，并可与碳纤维复合材料接头壳体一体成型。接头内芯的加工设置，一方面可以精准定位上述各预埋件，产品成型后配装更为准确便捷；另一方面贯穿设置加强件与碳纤维复合材料接头壳体一体成型，在接头壳体内部形成立体网格架构，实现对臂架上下左右复合材料壳体的牵拉增强，产品性能更稳定；

4.本发明的碳纤维复合材料臂节用接头及其制备方法，碳纤维复合材料接头壳体采用预浸碳布真空袋压成型或热压罐成型工艺与碳布真空灌注成型工艺或RTM成型工艺复配制备，其中，内层采用预浸碳布真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺，可以为产品提供强度，并利于产品整体的直线度控制，而碳纤维复合材料壳体外层采用碳布真空灌注成型工艺或RTM成型工艺，可以为产品提供强度并且利于产品外观质量控制。采用上述成型工艺复配，可以更低的成本实现产品强度和外观的较好控制。

附图说明

图1是本发明实施例1所述的碳纤维复合材料臂节的结构示意图；

图2是本发明实施例1所述的碳纤维复合材料臂节用接头中端部连接预埋件的俯视图；

图3是本发明实施例1所述的碳纤维复合材料臂节用接头中端部连接预埋件的侧视图；

图4是本发明实施例1所述的碳纤维复合材料臂节用接头中端部连接预埋件的立体图。

其中：1-碳纤维复合材料臂节用接头；2-碳纤维复合材料接头壳体；3-接头内芯；4-端部连接预埋件；41-金属连接轴；42-金属翼板；421-第一翼板；422-第二翼板；423-延长臂；424-第一通孔；425-锚固增强纤维束；426-翻边。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为碳纤维复合材料臂节，碳纤维复合材料臂节的大端端部为本实施例的一种碳纤维复合材料臂节用接头1，包括：碳纤维复合材料接头壳体2、接头内芯3、端部连接预埋件4。接头内芯3填充于碳纤维复合材料接头壳体2的内部；端部连接预埋件4设于碳纤维复合材料接头壳体2内部的端部，并嵌设于所述接头内芯中，用于碳纤维复合材料臂节的大端与另一臂节或液压装置的连接。

本实施例的碳纤维复合材料臂节用接头使用时，臂节的大端通过该接头的端部连接预埋件4与上一节臂节的小端端部连接。本实施例的碳纤维复合材料臂节用接头，采用碳纤维复合材料作为臂节接头的壳体材料，相比于金属材质，碳纤维在保证强度的同时，具有较小的重量，能有效的解决臂节接头强度和重量之间的矛盾；碳纤维复合材料具有较好的设计、制造性能，可消除焊接对臂节接头强度的影响，能够得到设计的结构，同时还能保证臂节接头强度，解决臂节接头强度和制造之间的矛盾；碳纤维复合材料具有较高的耐疲劳性能，因此能够很好的解决臂节接头强度与疲劳性能之间的矛盾；碳纤维复合材料还具有较好的耐腐性能和减振特性。

作为一种优选的实施方式，如图2、3、4所示，端部连接预埋件4包括：金属连接轴41和金属翼板42，金属连接轴41包括轴方向平行设置的第一连接轴和第二连接轴，两个连接轴分别用于与上一臂节和与液压系统连接。金属翼板42包括垂直于第一连接轴和第二连接轴的轴设置的第一翼板421和第二翼板422，第一翼板421和第二翼板422分别设置于金属连接轴的两端；在垂直于金属连接轴的平面上，第一翼板和第二翼板的截面形状与碳纤维复合材料接头壳体2的内腔截面形状相同(即第一翼板、第二翼板与碳纤维复合材料接头壳体的内腔随形设置)；第一翼板和第二翼板远离端部的一侧设有延长臂423，并且，金属翼板42与金属连接轴41通过焊接或其他连接方式成型为一个整体。该优选的技术方案中，端部连接预埋件由整体成型的金属翼板和金属连接轴构成，金属翼板的设置使预埋件具有整体的框架，可通过预埋的方式包覆于碳纤维复合材料接头壳体的内部，保证了预埋件与臂节接头壳体的界面连接强度，利于力的传导，提高整体受力性能和长期可靠性；并且，通过采用在两侧平行设置翼板的方式使整个预埋件的框架镂空，在保证连接轴连接强度的同时还减轻了预埋件的重量。此外，第一翼板与第二翼板的远离臂节接头端部的一侧设置延长臂，利于端部连接预埋件的定位和整体强度的辅助加强。

作为一种优选的实施方式，金属翼板42上还设有多个第一通孔424，多个第一通孔424内穿设有锚固增强纤维束425。锚固增强纤维束可与碳纤维复合材料接头壳体牵连固化，进一步实现金属翼板与碳纤维复合材料接头壳体间的界面增强，提高臂节长期使用的可靠性。

作为一种优选的实施方式，金属翼板的边缘还设有翻边426，可使金属翼板进一步减重增强。

作为一种优选的实施方式，金属翼板上还设有减重孔，可进一步对金属翼板进行减重。

作为一种优选的实施方式，金属连接轴外位于第一翼板和第二翼板之间的区域环缠有复合材料增强层，可实现两受力轴孔间的抗拉强度增强。

作为一种优选的实施方式，端部连接预埋件还包括：复合材料包覆层，复合材料包覆层包覆于整体成型的所述金属翼板与所述金属连接轴外侧。在进行对接头内芯及各预埋件外包覆预浸布进行碳纤维复合材料接头壳体成型之前，先对预埋件整体包预浸布，进行真空袋压一体固化，形成复合材料包覆层，实现端部加强，然后再在接头内芯及整体加强后的预埋件外整体包覆预浸布进行碳纤维复合材料接头壳体的成型，可进一步保证预埋件整体强度。

作为一种优选的实施方式，碳纤维复合材料接头壳体2包括碳纤维复合材料接头壳体内层和碳纤维复合材料接头壳体外层，碳纤维复合材料接头壳体内层为预浸布采用真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺成型；碳纤维复合材料接头壳体外层为碳布采用真空灌注成型工艺或树脂传递模塑工艺成型。碳纤维复合材料接头壳体内层采用预浸碳布真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺，可以为产品提供强度，并利于产品整体的直线度控制，而碳纤维复合材料接头壳体外层采用碳布真空灌注成型工艺或RTM成型工艺，可以为产品提供强度并且利于产品外观质量控制。采用上述成型工艺复配，可以更低的成本实现产品强度和外观的较好控制。

作为一种优选的实施方式，接头内芯3可以为泡沫内芯、轻木内芯中的一种或两种的组合；接头内芯3上间隔设置多个第二通孔，多个第二通孔中穿设有加强件，加强件形成三维网格状，并可与碳纤维复合材料接头壳体一体成型加强件可在接头壳体内形成立体网格的支撑架构，一方面可以精准定位上述各预埋件，产品成型后配装更为准确便捷；另一方面贯穿设置加强件与碳纤维复合材料接头壳体一体成型，在接头壳体内部形成立体网格架构，实现对臂架上下左右复合材料接头壳体的牵拉增强，产品性能更稳定。

作为一种优选的实施方式，接头内芯3为PMI泡沫内芯。

作为一种优选的实施方式，加强件的材质为碳纤维、轻质合金、玻璃纤维中的一种或几种的组合。进一步优选地，加强件为碳纤维材料，具体可为碳纤维束筋，也可以为碳纤维空心管。

本实施例的碳纤维复合材料臂节用接头的制备方法，包括以下步骤：

S1.按照设计图纸尺寸加工出PMI泡沫接头内芯，并在PMI泡沫接头内芯上预留出端部连接预埋件的槽孔；

S2.按照设计图纸尺寸加工出端部连接预埋件预埋件的材质均为钢，其中，端部连接预埋件的加工方法具体包括以下步骤：

S201.按照设计图纸尺寸加工金属连接轴和金属翼板，将金属连接轴和金属翼板焊接；

S202.在金属连接轴外部环缠环氧树脂浸渍T700碳纤维进行轴孔间的抗拉强度增强；

S203.在金属翼板上的第一通孔中穿设浸胶纤维束进行锚固，并预留部分长纤维束，使所述长纤维束与后续步骤中预浸布铺层牵连锚固，浸胶纤维束具体为环氧树脂浸渍T700碳纤维纱束；

S3.将端部连接预埋件填充进接头内芯上预留的槽孔，在端部连接预埋件外包预浸布，并采用真空袋压法一体固化，实现端部加强；

S4.在PMI泡沫接头内芯中上下左右每隔一定间隔设置第二通孔，并在第二通孔中穿设浸胶纤维加强筋，形成三维网格状结构，进行加强，然后按照铺层设计，在PMI泡沫接头内芯、端部连接预埋件一体结构外包预浸布，铺设预浸布至设计厚度，然后铺放脱模布、真空袋，检查真空度合格后，整体放入定型工装，进入固化炉抽真空袋压固化，于80℃下预估化1小时，然后于120℃固化4小时，自然降温，形成碳纤维复合材料接头壳体内层，其中，浸胶纤维加强筋具体为环氧树脂浸渍T700碳纤维纱束；预浸布具体为环氧树脂预浸T700碳纤维布；

S5.对臂节接头表面进行清理，然后按照铺层设计在碳纤维复合材料接头壳体内层外继续铺设碳布至设计厚度，铺放脱模布、隔离膜、导流网，随形均压板、导流管、真空袋，进行真空灌注环氧树脂成型，检查真空度，合格后，注胶，注胶完成后于80℃下升温固化9小时，自然降温，形成碳纤维复合材料接头壳体外层，表面清理并喷涂耐候涂料，得到所述碳纤维复合材料臂节用接头。

实施例2

本实施例所述的碳纤维复合材料臂节用接头的制备方法，制备步骤、臂节尺寸与实施例1中均相同，区别在于，步骤S4中采用热压罐成型工艺进行成型，步骤S5中采用树脂传递模塑工艺即RTM工艺进行成型。

碳纤维复合材料臂节性能测试

对上述各实施例中得到的碳纤维复合材料臂节用接头进行性能测试，由于臂节接头单独的性能难以测定，需与臂节的其余结构一体进行测试，本发明采用与上述实施例中一致的方法整体制备了碳纤维复合材料臂节，对臂节的性能进行测试，测试结果显示，相比于同样规格的金属臂节，两实施例的碳纤维复合材料臂节均可减重40％以上；经1倍配重下600万次疲劳测试后，两实施例的碳纤维复合材料臂节均未开裂，表明本发明的碳纤维复合材料臂节整体强度、界面连接强度均符合应用的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于，包括：

碳纤维复合材料接头壳体；

接头内芯，填充于所述碳纤维复合材料接头壳体的内部；

端部连接预埋件，预埋于所述碳纤维复合材料接头壳体内部，并嵌设于所述接头内芯中，用于所述碳纤维复合材料臂节端部的连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于，所述端部连接预埋件包括：

金属连接轴，包括第一连接轴和第二连接轴；

金属翼板，所述金属翼板包括垂直于所述金属连接轴的轴设置的第一翼板和第二翼板，所述第一翼板和所述第二翼板分别设置于所述金属连接轴的两端，所述金属翼板与所述金属连接轴固定连接；在垂直于所述金属连接轴的平面上，所述第一翼板和所述第二翼板的截面形状与所述碳纤维复合材料接头壳体的内腔截面形状相同；所述第一翼板和所述第二翼板远离端部的一侧设有延长臂。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于：

所述金属翼板上还设有多个第一通孔，多个所述第一通孔内穿设有锚固件。

4.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于：

所述金属连接轴外位于所述第一翼板与所述第二翼板之间的区域还环缠有复合材料增强层。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于：

所述接头内芯为泡沫内芯、轻木内芯中的一种或两种的组合；所述接头内芯上间隔设置多个第二通孔，多个所述第二通孔中穿设有加强件，所述加强件在所述碳纤维复合材料接头壳体的腔体中形成三维网格状。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料臂节用接头，其特征在于：

所述碳纤维复合材料接头壳体包括碳纤维复合材料接头壳体内层和碳纤维复合材料接头壳体外层，所述碳纤维复合材料接头壳体内层为预浸布采用真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺成型；所述碳纤维复合材料接头壳体外层采用真空灌注成型工艺或树脂传递模塑工艺成型。

7.一种制备如权利要求1-6任一所述的碳纤维复合材料臂节用接头的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.加工出接头内芯，并在所述接头内芯上预留所述端部连接预埋件的槽孔；

S2.加工出所述端部连接预埋件；

S3.将所述端部连接预埋件填充进所述内芯上预留的槽孔，在所述端部连接预埋件外包预浸布，并采用真空袋压法一体固化；

S4.在步骤S3得到的接头内芯、端部连接预埋件一体结构外包预浸布，铺设预浸布至设计厚度，成型并固化，形成碳纤维复合材料接头壳体内层；

S5.在所述碳纤维复合材料接头壳体内层外铺设碳布至设计厚度，以树脂材料为基体，成型并固化，形成碳纤维复合材料接头壳体外层，得到所述碳纤维复合材料臂节用接头。

8.根据权利要求7所述的制备碳纤维复合材料臂节用接头的方法，其特征在于：

步骤S4中，采用真空袋压成型工艺或热压罐成型工艺成型并固化；

步骤S5中，采用真空灌注成型工艺或树脂传递模塑工艺成型并固化。

9.根据权利要求7所述的制备碳纤维复合材料臂节用接头的方法，其特征在于，步骤S2中加工出所述端部连接预埋件具体包括以下步骤：

S201.加工金属连接轴和金属翼板，将所述金属连接轴和所述金属翼板固定连接；

S202.在所述金属连接轴外部环缠碳纤维复合材料进行加强；

S203.在所述金属翼板上的第一通孔中穿设纤维束进行锚固，并预留部分长纤维束，使所述长纤维束与后续步骤中预浸布铺层牵连锚固。

10.根据权利要求7所述的制备碳纤维复合材料臂节用接头的方法，其特征在于：

步骤S4中还包括在一体结构外包预浸布之前，在接头内芯上间隔设置多个第二通孔，并在第二通孔中穿设加强件，在所述碳纤维复合材料接头壳体的腔体内形成三维网格状结构，进行加强。

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