CN113685034A - 一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及泵车臂架技术领域，公开了一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法，包括；碳纤维悬臂筒、悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；所述碳纤维悬臂筒的外形为鱼腹梁结构；所述悬臂筒的一端为大端，另一端为小端；垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向，所述碳纤维悬臂筒的截面外形尺寸从所述大端连续渐缩至所述小端；所述悬臂大端连接件与所述大端固定连接；所述悬臂小端连接件与所述小端固定连接；所述方法包括：制备碳纤维悬臂筒及悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；并采用内加压一体成型方式进行碳纤维固化成型；本发明解决现有混凝土泵车臂架自重大、低疲劳寿命及易腐蚀的技术问题。

Description

一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法

技术领域

本发明涉及泵车臂架技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法。

背景技术

随着工程机械的不断发展以及高层建筑的迫切需求，越来越多的混凝土输送工作需要采用混凝土泵车完成，激励其朝向轻量化、超长化的方向发展。传统混凝土泵车臂架采用高强度的钢板拼焊而成，高强钢板自重大、低疲劳寿命、易腐蚀，不利于长臂架泵车的开发。臂架越长，重力载荷引起的失稳破坏风险越高，泵车所需要的底盘质量越重，相应的工程占地面积也随之扩大。应用轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的复合材料制备泵车臂架可有效降低泵车的重心位置，降低泵车的重量要求与燃油消耗，同时提高绩效比。为充分发挥复合材料的承载潜力，基于复合材料力学理论可根据臂架不同位置的受力状态进行相应的结构设计，满足泵车臂架轻量化、超长化的设计要求。复合材料通常具有质轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、易成型的技术优点，但未曾在泵车臂架设计领域获得广泛的应用。

因此，研发一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法，用于解决上述至少一种技术问题成为一种必需。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有混凝土泵车臂架自重大、低疲劳寿命及易腐蚀的技术缺点，而提出的一种碳纤维复合材料泵车臂架及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种碳纤维复合材料泵车臂架，包括：碳纤维悬臂筒、悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；所述碳纤维悬臂筒的外形为鱼腹梁结构；所述悬臂筒的一端为大端，另一端为小端；垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向，所述碳纤维悬臂筒的截面外形尺寸从所述大端连续渐缩至所述小端；所述悬臂大端连接件与所述大端固定连接；所述悬臂小端连接件与所述小端固定连接。

优选的，所述碳纤维悬臂筒的侧壁及底部均分别设置有夹层；所述夹层填充有泡沫芯材；所述碳纤维悬臂筒的侧壁与所述底部相连接的部位设置有圆弧过渡区；所述圆弧过渡区为实心结构。

优选的，所述圆弧过渡区的半径与所述碳纤维悬臂筒两侧壁间的距离的比值范围为1:10至1:5。

优选的，所述泡沫芯材为PMI泡沫芯子。

优选的，所述PMI泡沫芯子设置有斜边坡角；所述斜边坡角的设置长度为所述PMI泡沫芯子垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向的截面图形中所述碳纤维悬臂筒两侧壁间距离长度的1/8至1/4。

优选的，所述悬臂大端连接件的结构包括：通过至少一个轴桶套管以焊接的方式固定连接的两块金属板、复合材料纤维纱、和通过真空加温、加压固化工艺成型在所述金属板上的复合材料层；两块所述金属板上均分别以匀布的方式设有镂空孔；位于所述金属板上相对设置的两个所述镂空孔均分别穿设有所述复合材料纤维纱；所述复合材料纤维纱的两端在穿过所述镂空孔后与金属板外侧复合材料层共同固化成型；所述复合材料纤维纱的两端裸露在金属板外侧的连接长度不少于10cm；

所述悬臂小端连接件的外形尺寸小于所述悬臂大端连接件；所述悬臂小端连接件的部件组成结构与所述悬臂大端连接件相同。

优选的，所述轴桶套管设置数量为偶数个时，相邻两个所述轴桶套管凸起于所述金属板侧壁的部位间缠绕有复合材料纤维纱；缠绕在两个所述轴桶套管的凸起部位间的复合材料纤维纱与所述金属板上的复合材料层共同完成固化成型。

优选的，两块所述金属板上对称设置有至少一个法兰安装孔；所述法兰安装孔的四周对称设置有多个螺纹连接孔；所述金属板上对称设置有至少一处镂空槽。

另一方面，本发明还提供一种碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法，所述方法包括碳纤维悬臂筒的制备方法和悬臂端部连接件的制备方法，分别制备悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；并采用碳纤维预浸布整体铺层以及内压成型的方式，将所述悬臂大端连接件和悬臂小端连接件分别与所述碳纤维悬臂筒的一端固定连接并固化成型；其中，所述悬臂端部连接件的制备方法包括如下步骤：

步骤S1：制备高强材料的金属面板；所述金属面板上预留轴桶套管连接孔、法兰安装孔及镂空孔；所述金属面板上均匀布设有用于穿插连续纤维束的贯通孔；相邻两个所述贯通孔的孔间距不小于50mm；所述金属面板的外表面经喷砂工艺处理；

步骤S2：制备轴桶套管；

步骤S3：在两块外形相同的所述金属面板的轴桶套管连接孔部位之间，以焊接的方式连接所述轴桶套管；所述轴桶套管连接孔与所述轴桶套管同轴线设置；所述轴桶套管的两端均分别外露于所述金属面板的外侧端面；

步骤S4：在每对对向设置的贯通孔处，均分别采用复合材料纤维纱将两个贯通孔依次贯穿；所述复合材料纤维纱位于所述贯通孔外侧端头部位的长度不少于100mm；

步骤S5：在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆连续碳纤维复合材料；所述连续碳纤维复合材料缠绕后的厚度范围为3至5mm；

所述碳纤维悬臂筒及臂架整体的制备方法包括如下步骤：

步骤1：采用一定壁厚的可熔泡沫材质制备外形与碳纤维悬臂筒内腔尺寸相适配的成型模具，并在模具外侧包裹充气袋；

步骤2：将上述制备的大端连接件、小端连接件与成型模具外侧充气袋进行连接，形成臂架整体内形结构；

步骤3：在所述内形结构的外表面敷设单向碳纤维树脂预浸布;其中，位于所述内形结构顶部和底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于60%；位于所述内形结构侧壁敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，相邻两层碳纤维树脂预浸布的碳纤维长度方向呈45度交叉状敷设所占总敷设层数的比例不少于60%，且纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于10%；在所述内形结构的侧壁及底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中间均分别夹设泡沫芯材；相邻两块碳纤维树脂预浸布搭接的宽度不小于30mm；相邻两块碳纤维树脂预浸布的搭接部位位于非圆弧过渡区域；

步骤4：在臂架大端连接件尾部位置通过预留加压孔，在碳纤维预浸布铺设完成后，可通过加压孔向充气袋内部进行加压；

步骤5：制备臂架外阴模具，将铺设完成的碳纤维复合材料臂架置于外阴模具中间位置合模，通过真空加温、内加压的方式进行成型固化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中针对泵车金属臂架自重大、能耗高、易腐蚀等缺点，采用碳纤维悬臂筒作为碳纤维复合材料泵车臂架的核心结构部件，特别在应用于混凝土泵车臂架时，可发挥复合材料轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的特性，有助于达到混凝土泵车的轻量化、增大作业范围、提高操作稳定性和安全性的需求，并能取得提高产品竞争力的技术目的。其中，碳纤维悬臂筒所采用的鱼腹梁外形结构，能最大化地发挥出碳纤维复合材料的承载潜力，并达到臂架轻量化的目的；将两端连接件与中间悬臂筒一同通过内压成型工艺进行固化成型，利用碳纤维复合材料可设计的特性进行泵车臂架结构优化，在满足其结构强度的同时，降低了整体质量、延长了使用寿命、提高其安全性，并降低用户使用成本。

2、本发明中通过在碳纤维悬臂筒的侧壁及筒底均分别设置有夹层，并进一步在夹层内填充泡沫芯材，能够提高碳纤维悬臂筒结构方面的抗失稳能力，保证结构的整体稳定性；在碳纤维悬臂筒的侧壁与所述筒底相连接的部位设置的圆弧过渡区能够消除结构和纤维角度突变引起的应力突变，在圆弧过渡区采用实心结构能够充分保证该连接部位的结构强度。

3、本发明中，PMI泡沫芯子斜边坡角的设置能够在夹层边缘部位与夹层形成充分贴合，保障碳纤维悬臂筒在制作成型过程中避免产生内应力，进而对碳纤维悬臂筒的结构强度造成影响。

4.本发明所采用的臂大端及小端连接件的结构设计方案中，穿设在相对设置的两个所述镂空孔之间的复合材料纤维纱的两端用于连接的长度不少于10cm，能够提升碳纤维复合材料与金属板间的连接强度；在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆的连续碳纤维复合材料，能够增强连接部件整体的连接强度，避免臂架在服役过程中出现局部开裂的现象发生。

5.本发明进一步提供的碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法，不仅可解决碳纤维复合材料臂架设计中面临的刚度、强度、稳定性、耐磨等问题，结合碳纤维复合材料应用的特点充分发挥其承载潜力，能够充分满足泵车臂架轻量化、低能耗、高效率的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中碳纤维复合材料泵车臂架结构设置示意图；

图2为本发明实施例1中碳纤维悬臂筒截面结构示意图；

图3为本发明实施例1中悬臂大端连接件的结构示意图；

图4为本发明实施例1中复合材料纤维纱固化后的结构样式示意图；

图5为本发明实施例1中轴桶套管缠绕有复合材料纤维纱时的结构示意图；

图6为本发明实施例4中臂架结构示意图；

图7为本发明实施例4中臂架截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种碳纤维复合材料泵车臂架，包括：碳纤维悬臂筒100、悬臂大端连接件200和悬臂小端连接件300；所述碳纤维悬臂筒100的外形为鱼腹梁结构，垂直于所述碳纤维悬臂筒100的臂长方向的横截面图形如图2所示；所述悬臂筒的一端为大端110，另一端为小端120；垂直于所述碳纤维悬臂筒100的臂长方向，所述碳纤维悬臂筒100的截面外形尺寸从所述大端110连续渐缩至所述小端120；所述悬臂大端连接件与所述大端固定连接；所述悬臂小端连接件与所述小端固定连接。

优选的，如图2所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述碳纤维悬臂筒100的侧壁及底部均分别设置有夹层130；所述夹层130填充有泡沫芯材；所述碳纤维悬臂筒的侧壁与所述底部相连接的部位设置有圆弧过渡区GC；所述圆弧过渡区GC为实心结构。

需要说明的是上述泡沫芯材的材料为现有技术，故其相关材料细节在此不再进一步赘述。

优选的，如图2所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述圆弧过渡区的半径R与所述碳纤维悬臂筒两侧壁间的距离L的比值范围为1:10至1:5。

优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述泡沫芯材为PMI泡沫芯子。

优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，如图2所示所述PMI泡沫芯子设置有斜边坡角；所述斜边坡角的设置长度C为所述PMI泡沫芯子垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向L的截面图形中所述碳纤维悬臂筒两侧壁间距离长度L的1/8至1/4。

优选的，如图3所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述悬臂大端连接件200的结构包括：通过至少一个轴桶套管210以焊接的方式固定连接的两块金属板220、复合材料纤维纱230、和通过真空加温、加压固化工艺成型在所述金属板上的复合材料层240；两块所述金属板上均分别以匀布的方式设有镂空孔250；位于所述金属板上相对设置的两个所述镂空孔250均分别穿设有所述复合材料纤维纱230；所述复合材料纤维纱230与金属板外侧复合材料层共同固化成型，所述复合材料纤维纱230两端裸露在金属板外侧的连接长度不少于10cm；所述悬臂小端连接件的外形尺寸小于所述悬臂大端连接件；所述悬臂小端连接件的部件组成结构与所述悬臂大端连接件相同。

需要说明的是由于位于所述金属板上相对设置的任意两个对向设置的所述镂空孔250均分别穿设有所述复合材料纤维纱230；故不方便将该结构一一图示，仅在图3中以一根复合材料纤维纱示意性图示；此外，复合材料层240需要待金属板220与轴桶套管210组装完成，并在任意两个对向设置的所述镂空孔250均分别穿设有所述复合材料纤维纱230后形成，故在图3中仅以网格状图样示意其结构存在，具体固化后的结构样式如图4所示。

优选的，如图5所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述轴桶套管设置数量为偶数个时，相邻两个所述轴桶套管凸起于所述金属板侧壁的部位间缠绕有复合材料纤维纱230；缠绕在两个所述轴桶套管的凸起部位间的复合材料纤维纱与所述金属板上的复合材料层共同固化成型。

优选的，如图3所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，两块所述金属板上对称设置有至少一个法兰安装孔；所述法兰安装孔的四周对称设置有多个螺纹连接孔；所述金属板上对称设置有至少一处镂空槽。

本实施例采用将悬臂大端连接件200和悬臂小端连接件300与碳纤维悬臂筒100以一体固化成型的方式实现固定连接，不仅能够充分满足连接部位的承载强度需求，同时还能够简化整个产品的制备工艺，将制备模具一体化制作，降低产品的制作成本。

实施例二：

本实施例中，所述悬臂大端连接件的一端插入所述大端的筒状开口后通过螺栓或铆钉与所述大端部位稳固连接；所述悬臂小端连接件的一端插入所述小端的筒状开口后通过螺栓或铆钉与所述小端部位稳固连接。

采用分体制备的方式虽然一定程度上增加了产品的制作成本，但在产品本身的结构牢固性方面能够获得更进一步的提升；此外，采用分体式制备还能获得不同部位在不同的生产厂家加工制作的技术优点，便于提高产品的加工制作效率。

本实施例中碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法包括依碳纤维悬臂筒的制备方法和悬臂端部连接件的制备方法分别制备碳纤维悬臂筒及悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；并采用螺钉或铆钉将所述悬臂大端连接件和悬臂小端连接件分别与所述碳纤维悬臂筒的一端固定连接；其中，所述碳纤维悬臂筒的制备方法包括如下步骤：

步骤1：制备外形与碳纤维悬臂筒内腔尺寸相适配的成型模具；

步骤2：在所述成型模具的外表面敷设单向碳纤维树脂预浸布;其中，位于所述成型模具顶部和底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，碳纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于60%；位于所述成型模具侧壁敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，相邻两层碳纤维树脂预浸布的碳纤维长度方向呈45度交叉状敷设所占总敷设层数的比例不少于60%，且碳纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于10%；在所述成型模具的侧壁及底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中间均分别夹设泡沫芯材；相邻两块碳纤维树脂预浸布搭接的宽度不小于30mm；相邻两块碳纤维树脂预浸布的搭接部位位于非圆弧过渡区域；

步骤3：采用真空高温高压成型工艺将所述碳纤维树脂预浸布在所述成型模具上固化成型；

步骤4：从固化成型的碳纤维悬臂筒内取出所述成型模具，获得碳纤维悬臂筒半成品；

步骤5：在所述碳纤维悬臂筒半成品的两端加工分别用于连接悬臂大端连接件或悬臂小端连接件的装配孔，获得碳纤维悬臂筒成品。

悬臂端部连接件的制备方法包括如下步骤：

步骤S1：制备金属面板；所述金属面板上预留轴桶套管连接孔、法兰安装孔及镂空孔；所述金属面板上均匀布设有用于穿插连续纤维束的贯通孔；相邻两个所述贯通孔的孔间距不小于50mm；所述金属面板的外表面经喷砂工艺处理；

步骤S2：制备轴桶套管；

步骤S3：在两块外形相同的所述金属面板的轴桶套管连接孔部位之间，以焊接的方式连接所述轴桶套管；所述轴桶套管连接孔与所述轴桶套管同轴线设置；所述轴桶套管的两端均分别外露于所述金属面板的外侧端面；

步骤S4：在每对对向设置的贯通孔处，均分别采用复合材料纤维纱将两个贯通孔依次贯穿；所述复合材料纤维纱位于所述贯通孔外侧端头部位的长度不少于100mm；

步骤S5：在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆连续碳纤维复合材料；所述连续碳纤维复合材料缠绕后的厚度范围为3至5mm；

步骤S6：在所述金属面板的外侧表面上敷设单向碳纤维树脂预浸布，获得悬臂端部连接件的预制成品；

步骤S7：采用真空高温高压成型工艺将所述悬臂端部连接件的预制成品固化成型。

实施例三：

本实施例提供一种碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法，所述方法包括碳纤维悬臂筒的制备方法和悬臂端部连接件的制备方法，分别制备臂架大端连接件与臂架小端连接件；并采用碳纤维预浸布整体铺层以及内压成型的方式，将所述悬臂大端连接件和悬臂小端连接件分别与所述碳纤维悬臂筒的一端固定连接并固化成型；其中，所述悬臂端部连接件的制备方法包括如下步骤：

步骤S1：制备高强材料的金属面板；所述金属面板上预留轴桶套管连接孔、法兰安装孔及镂空孔；所述金属面板上均匀布设有用于穿插连续纤维束的贯通孔；相邻两个所述贯通孔的孔间距不小于50mm；所述金属面板的外表面经喷砂工艺处理；

步骤S2：制备轴桶套管；

步骤S3：在两块外形相同的所述金属面板的轴桶套管连接孔部位之间，以焊接的方式连接所述轴桶套管；所述轴桶套管连接孔与所述轴桶套管同轴线设置；所述轴桶套管的两端均分别外露于所述金属面板的外侧端面；

步骤S4：在每对对向设置的贯通孔处，均分别采用复合材料纤维纱将两个贯通孔依次贯穿；所述复合材料纤维纱位于所述贯通孔外侧端头部位的长度不少于100mm；

步骤S5：在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆连续碳纤维复合材料；所述连续碳纤维复合材料缠绕后的厚度范围为3至5mm；

所述碳纤维悬臂筒及臂架整体的制备方法包括如下步骤：

步骤1：采用一定壁厚的可熔泡沫材质制备外形与碳纤维悬臂筒内腔尺寸相适配的成型模具，并在模具外侧包裹充气袋；

步骤2：将上述制备的大端连接件、小端连接件与成型模具外侧充气袋进行连接，形成臂架整体内形结构；

步骤3：在所述内形结构的外表面敷设单向碳纤维树脂预浸布;其中，位于所述内形结构顶部和底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于60%；位于所述内形结构侧壁敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，相邻两层碳纤维树脂预浸布的碳纤维长度方向呈45度交叉状敷设所占总敷设层数的比例不少于60%，且纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于10%；在所述内形结构的侧壁及底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中间均分别夹设泡沫芯材；相邻两块碳纤维树脂预浸布搭接的宽度不小于30mm；相邻两块碳纤维树脂预浸布的搭接部位位于非圆弧过渡区域；

步骤4：在臂架大端连接件尾部位置通过预留加压孔，在碳纤维预浸布铺设完成后，可通过加压孔向充气袋内部进行加压；

步骤5：制备臂架外阴模具，将铺设完成的碳纤维复合材料臂架置于外阴模具中间位置合模，通过真空加温、内加压的方式进行成型固化。

实施例四：

本实施例在上述实施例基础上提供一种碳纤维复合材料泵车臂架，结合复合材料轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的优点，依据泵车臂架服役时的承载特点，应用相关理论对其开展铺层方案、结构尺寸、连接补强等内容设计，解决钢质臂架中存在的易开焊、质量重、能耗高等问题，实现泵车的轻量化、低能耗、高效率的设计目的。本实施例将增强碳纤维复合材料应用于混凝土泵车臂架，可发挥复合材料轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的特性，实现混凝土泵车的轻量化、增大作业范围、提高操作稳定性和安全性的需求，并提高产品竞争力。

本实施例根据上述目的，依据泵车臂架服役中的承载特点，结合复合材料力学理论，提出一种充分发挥碳纤维复合材料潜力的臂架结构设计方法。

每节泵车臂架在长度方向主要分为连接区域和主体区域，其中主体区域完全采用碳纤维复合材料设计，而两端部为满足臂架收放时的承载和耐磨要求，采用特制的金属骨架作为支撑并与外层复合材料紧密结合实现共同承载。

为提高碳纤维复合材料臂架的承载能力，将其横截面设计为类矩形框，即顶部和两侧为平面而底部为弧面的鱼腹梁结构，其中矩形框顶部主要承受拉伸应力，矩形框底部主要承受压缩应力，两侧为剪切应力。据此设计碳纤维复合材料臂架的顶部和底部以沿X轴向方向（臂架由大端到小端的长度方向）的0°铺层为主，而碳纤维复合材料臂架的侧边以沿X轴向为0°方向的±45°的铺层为主，同时为避免压缩应力和剪切应力引起的失稳现象，分别在底部和侧边铺层内应用了3~5mm厚度的PMI泡沫芯子，形成夹层结构，弯曲载荷下该夹层结构面板层主要以拉伸、压缩应力为主，芯材主要承受剪切应力，整体提高了结构的抗失稳能力，保证了结构的整体稳定性。

为保证碳纤维复合材料臂架内部应力分布的均匀性与平稳性，在两邻面过度区域采用圆弧过度，消除结构和纤维角度突变引起的应力突变；圆弧过渡区的半径与臂架宽度（两侧边之间的距离）的比值应为1/10~1/5，圆弧过渡区内均未布置泡沫芯子，且泡沫芯子的斜边坡角应为泡沫芯子长度的1/8~1/4以实现铺层的均匀过渡。

为充分发挥材料的承载潜力，该臂架采用单向碳纤维复合材料铺层以均匀对称的铺层方案制备，其中顶部和底部的0°铺层不少于60%，90°铺层不小于10%；两侧的±45°铺层不少于60%，0°铺层不少于10%，且泡沫芯子布置于铺层中间。为确保各铺层的协调承载，采用搭接宽度不小于30mm，搭接位置避开圆弧过渡区，呈均匀分布的搭接方式。

碳纤维复合材料臂架两端连接位置应用金属骨架以满足耐磨和承载要求。该骨架采用金属面板与金属套管（油缸与旋转轴孔位置金属管）焊接制备，壁厚均为3~6mm，金属面板进行镂空处理用于穿插连续纤维束，其中孔尺寸4~6mm，均匀分布的孔间距不小于50mm。使用前对金属骨架进行喷砂处理，将穿过孔均匀分布的连续纱裸露于两侧不少于100mm，以提高碳纤维复合材料与其连接强度。

于连接油缸的轴孔套管与旋转轴孔套管之间外侧环缠包覆连续碳纤维复合材料3~5mm，增加整体的连接强度，避免臂架服役过程中出现的连接开裂现象。

应用该铺层方案、结构尺寸、连接补强等设计内容可解决碳纤维复合材料臂架设计中面临的刚度、强度、稳定性、耐磨等问题，结合碳纤维复合材料应用的特点充分发挥其承载潜力，满足泵车臂架轻量化、低能耗、高效率的要求。

本实施例将增强碳纤维复合材料应用于混凝土泵车臂架，可发挥复合材料轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的特性，实现混凝土泵车的轻量化、增大作业范围、提高操作稳定性和安全性的需求，并提高产品竞争力。

根据上述设计目的，复合材料泵车臂架的具体实施方案如下：

首先，根据泵车的服役工况，确定出拟设计碳纤维复合材料臂架的受力工况、边界条件，并依据材料力学理论初步确定满足条件臂架的矩形截面框的尺寸。其中碳纤维复合材料臂架的许用拉伸应力不超过800MPa，压缩应力不超过600MPa，剪切应力不超过150MPa。

其次，如图6所示，依据悬臂梁的等强度理论，确定出沿x轴向即臂架由大端到小端的长度方向，不同位置横截面的弯矩载荷，据此计算出各位置所需的矩形框尺寸，实现结构轻量化。根据泵车臂架的受力工况与边界条件，对臂架截面尺寸进行优选设计，依据悬臂梁的等强度理论，进行结构轻量化设计，由公式：

确定沿臂长方向不同位置臂架的截面尺寸。其中，P为臂架端部最大载荷，D为臂架总长，H为类矩形框外侧高度，B为类矩形框外侧宽度，b为类矩形框内侧宽度，h为类矩形框内侧高度，为臂架最大许用应力。

再次，每节泵车臂架在长度方向主要分为连接区域和主体区域，其中主体区域完全采用碳纤维复合材料设计，而两端部为满足臂架收放时的承载和耐磨要求，采用特制的金属骨架作为支撑并与外层复合材料紧密结合实现共同承载。

进一步，如图7所示，为提高碳纤维复合材料CL制作的臂架的承载能力，将其横截面设计为类矩形框，即顶部和两侧为平面而底部为弧面的鱼腹梁结构，其中矩形框顶部主要承受拉伸应力，矩形框底部主要承受压缩应力，两侧为剪切应力。据此设计碳纤维复合材料臂架的顶部和底部以沿轴向方向的0°铺层为主，而碳纤维复合材料臂架的侧边以沿轴向±45°的铺层为主，同时为避免压缩应力和剪切应力引起的失稳现象，分别在底部和侧边铺层内应用了厚度为3~5mm的PMI泡沫芯子，形成夹层结构，在弯曲载荷作用下，面板层以拉压应力为主，芯材以剪切应力为主；通过复合材料面板层与泡沫芯材的胶接成型，可有效提高结构的弯曲刚度以及抗失稳能力，保证了结构的整体稳定性。

进一步，为保证碳纤维复合材料臂架内部应力分布的均匀性与平稳性，在两邻面过度区域采用圆弧过度，消除结构和纤维角度突变引起的应力突变；圆弧过渡区均的半径与臂架宽度（臂架两侧边之间的距离）的比值应为1/10~1/5，圆弧过渡区内均未布置泡沫芯子，且泡沫芯子端部的斜边坡角应为泡沫芯子长度的1/8~1/4，以实现铺层的均匀过渡。

进一步，为充分发挥材料的承载潜力，该臂架采用单向碳纤维复合材料铺层，以均匀对称的铺层方案制备，所需层数由臂架尺寸厚度和单层碳纤维复合材料厚度计算，其中顶部和底部的0°铺层不少于60%，90°铺层不小于10%；两侧的±45°铺层不少于60%，0°铺层不少于10%，且泡沫芯子布置于铺层中间。为确保各铺层的协调承载，采用搭接宽度不小于30mm，搭接位置避开圆弧过渡区并均匀分布的搭接方式。

进一步，碳纤维复合材料臂架两端连接位置应用金属骨架以满足耐磨和承载要求。该骨架由两块金属面板组成，金属面板上预留有油缸连接轴孔与旋转轴孔，轴孔位置通过采用加强金属套管在面板内侧焊接的方式将两块金属面板连接在一起，以保证其连接强度，金属材料壁厚均为3~6mm；两金属面板表面进行镂空处理用于穿插连续纤维束，纤维束由多根纤维丝组成其直径小于孔直径，在保证能顺利穿过孔的前提下，纤维丝数越多越利于金属面板的锚固以及金属与复合材料层的连接强度，其中孔尺寸在4~6mm，均匀分布的孔间距不小于50mm。使用前对金属骨架进行喷砂处理直至表面均为哑光，将穿过孔均匀分布的连续碳纤维纱裸露于两侧不少于100mm，以提高碳纤维复合材料与金属面板之间的连接强度。

于连接油缸的轴孔套管与旋转轴孔套管之间外侧环缠包覆连续碳纤维复合材料纱直至厚度达到3~5mm，增加两轴孔间的整体连接强度，避免臂架服役过程中出现的连接开裂现象。

最后，臂架连接区与主体区碳纤维复合材料为整体连续铺层，以保证碳纤维的整体连续性以及结构强度，根据上述设计的铺层工艺完成碳纤维复合材料臂架的制备，采用内压成型工艺对产品进行固化成型。

应用该铺层方案、结构尺寸、连接补强等设计内容可解决碳纤维复合材料臂架设计中面临的刚度、强度、稳定性、耐磨等问题，结合碳纤维复合材料应用的特点充分发挥其承载潜力，满足泵车臂架轻量化、低能耗、高效率的要求。

本实施例在技术方案中针对泵车金属臂架自重大、能耗高、易腐蚀等缺点，提出采用碳纤维复合材料进行设计应用的方法。根据承载工况对碳纤维复合材料臂架结构形式、铺层方案、连接补强进行设计，最大化地发挥出碳纤维复合材料的承载潜力，达到臂架轻量化的目的，同时该方法还产生了如下效果：轻质高强、耐腐蚀、可设计的碳纤维复合材料应用于泵车臂架，利用碳纤维复合材料可设计的特性进行结构优化，在满足其结构强度的同时，降低了整体质量、延长了使用寿命、提高其安全性，降低用户使用成本。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中针对泵车金属臂架自重大、能耗高、易腐蚀等缺点，采用碳纤维悬臂筒作为碳纤维复合材料泵车臂架的核心结构部件，特别在应用作混凝土泵车臂架时，可发挥复合材料轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、易成型可设计的特性，有助于达到混凝土泵车的轻量化、增大作业范围、提高操作稳定性和安全性的需求，并能取得提高产品竞争力的技术目的。其中，碳纤维悬臂筒所采用的鱼腹梁外形结构，能最大化地发挥出碳纤维复合材料的承载潜力，并达到臂架轻量化的目的；利用碳纤维复合材料可设计的特性进行泵车臂架结构优化，在满足其结构强度的同时，降低了整体质量、延长了使用寿命、提高其安全性，并降低用户使用成本。

2、本发明中通过在碳纤维悬臂筒的侧壁及筒底均分别设置有夹层，并进一步在夹层内填充泡沫芯材，能够提高碳纤维悬臂筒结构方面的抗失稳能力，保证结构的整体稳定性；在碳纤维悬臂筒的侧壁与所述筒底相连接的部位设置的圆弧过渡区能够消除结构和纤维角度突变引起的应力突变，在圆弧过渡区采用实心结构能够充分保证该连接部位的结构强度。

3、本发明中，PMI泡沫芯子斜边坡角的设置能够在夹层边缘部位与夹层形成充分贴合，保障碳纤维悬臂筒在制作成型过程中避免产生内应力，进而对碳纤维悬臂筒的结构强度造成影响。

4.本发明所采用的臂大端及小端连接件的结构设计方案中，穿设在相对设置的两个所述镂空孔之间的复合材料纤维纱的两端用于局部真空高温高压固化连接的长度不少于10cm，能够提升碳纤维复合材料与金属板间的连接强度；在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆的连续碳纤维复合材料，能够增强连接部件整体的连接强度，避免臂架在服役过程中出现局部开裂的现象发生。

5.本发明进一步提供的碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法，不仅可解决碳纤维复合材料臂架设计中面临的刚度、强度、稳定性、耐磨等问题，结合碳纤维复合材料应用的特点充分发挥其承载潜力，能够充分满足泵车臂架轻量化、低能耗、高效率的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，包括：碳纤维悬臂筒、悬臂大端连接件和悬臂小端连接件；所述碳纤维悬臂筒的外形为鱼腹梁结构；所述悬臂筒的一端为大端，另一端为小端；垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向，所述碳纤维悬臂筒的截面外形尺寸从所述大端连续渐缩至所述小端；所述悬臂大端连接件与所述大端固定连接；所述悬臂小端连接件与所述小端固定连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述碳纤维悬臂筒的侧壁及底部均分别设置有夹层；所述夹层填充有泡沫芯材；所述碳纤维悬臂筒的侧壁与所述底部相连接的部位设置有圆弧过渡区；所述圆弧过渡区为实心结构。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述圆弧过渡区的半径与所述碳纤维悬臂筒两侧壁间的距离的比值范围为1:10至1:5。

4.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述泡沫芯材为PMI泡沫芯子。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述PMI泡沫芯子设置有斜边坡角；所述斜边坡角的设置长度为所述PMI泡沫芯子垂直于所述碳纤维悬臂筒的臂长方向的截面图形中所述碳纤维悬臂筒两侧壁间距离长度的1/8至1/4。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述悬臂大端连接件的结构包括：通过至少一个轴桶套管以焊接的方式固定连接的两块金属板、复合材料纤维纱、和通过真空加温、加压固化工艺成型在所述金属板上的复合材料层；两块所述金属板上均分别以匀布的方式设有镂空孔；位于所述金属板上相对设置的两个所述镂空孔均分别穿设有所述复合材料纤维纱；所述复合材料纤维纱与金属板外侧复合材料层共同固化成型，所述复合材料纤维纱两端裸露在金属板外侧的连接长度不少于10cm；

所述悬臂小端连接件的外形尺寸小于所述悬臂大端连接件；所述悬臂小端连接件的部件组成结构与所述悬臂大端连接件相同。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，所述轴桶套管设置数量为偶数个时，相邻两个所述轴桶套管凸起于所述金属板侧壁的部位间缠绕有复合材料纤维纱；缠绕在两个所述轴桶套管的凸起部位间的复合材料纤维纱与所述金属板上的复合材料层共同固化成型。

8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料泵车臂架，其特征在于，两块所述金属板上对称设置有至少一个法兰安装孔；所述法兰安装孔的四周对称设置有多个螺纹连接孔；所述金属板上对称设置有至少一处镂空槽。

9.一种碳纤维复合材料泵车臂架的制备方法，其特征在于，所述方法包括碳纤维悬臂筒的制备方法和悬臂端部连接件的制备方法，分别制备臂架大端连接件与臂架小端连接件；并采用碳纤维预浸布整体铺层以及内压成型的方式，将所述悬臂大端连接件和悬臂小端连接件分别与所述碳纤维悬臂筒的一端固定连接并固化成型；其中，所述悬臂端部连接件的制备方法包括如下步骤：

步骤S1：制备高强材料的金属面板；所述金属面板上预留轴桶套管连接孔、法兰安装孔及镂空孔；所述金属面板上均匀布设有用于穿插连续纤维束的贯通孔；相邻两个所述贯通孔的孔间距不小于50mm；所述金属面板的外表面经喷砂工艺处理；

步骤S2：制备轴桶套管；

步骤S3：在两块外形相同的所述金属面板的轴桶套管连接孔部位之间，以焊接的方式连接所述轴桶套管；所述轴桶套管连接孔与所述轴桶套管同轴线设置；所述轴桶套管的两端均分别外露于所述金属面板的外侧端面；

步骤S4：在每对对向设置的贯通孔处，均分别采用复合材料纤维纱将两个贯通孔依次贯穿；所述复合材料纤维纱位于所述贯通孔外侧端头部位的长度不少于100mm；

步骤S5：在相邻两根所述轴桶套管外露于所述金属面板外侧端面，且位于同侧的两端以环绕的方式缠裹包覆连续碳纤维复合材料；所述连续碳纤维复合材料缠绕后的厚度范围为3至5mm；

所述碳纤维悬臂筒及臂架整体的制备方法包括如下步骤：

步骤1：采用一定壁厚的可熔泡沫材质制备外形与碳纤维悬臂筒内腔尺寸相适配的成型模具，并在模具外侧包裹充气袋；

步骤2：将上述制备的大端连接件、小端连接件与成型模具外侧充气袋进行连接，形成臂架整体内形结构；

步骤3：在所述内形结构的外表面敷设单向碳纤维树脂预浸布;其中，位于所述内形结构顶部和底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于60%；位于所述内形结构侧壁敷设的多层碳纤维树脂预浸布中，相邻两层碳纤维树脂预浸布的碳纤维长度方向呈45度交叉状敷设所占总敷设层数的比例不少于60%，且纤维长度方向与碳纤维悬臂筒臂长方向相一致的碳纤维树脂预浸布占总敷设层数的比例不少于10%；在所述内形结构的侧壁及底部敷设的多层碳纤维树脂预浸布中间均分别夹设泡沫芯材；相邻两块碳纤维树脂预浸布搭接的宽度不小于30mm；相邻两块碳纤维树脂预浸布的搭接部位位于非圆弧过渡区域；

步骤4：在臂架大端连接件尾部位置通过预留加压孔，在碳纤维预浸布铺设完成后，可通过加压孔向充气袋内部进行加压；

步骤5：制备臂架外阴模具，将铺设完成的碳纤维复合材料臂架置于外阴模具中间位置合模，通过真空加温、内加压的方式进行成型固化。

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