CN205117232U - 一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头，所述接头包括内锥体、外锥体、锥套，弹簧构成，所述内锥体的外壁与外锥体的内壁楔合且尾部端面平齐，外锥体的尾部安装在锥套内，外锥体的尾部设置有弹簧，外锥头部为内锥形结构。内外锥套长度的缩减有利于内锥夹套面加工精度和内外锥套面契合度的提高，所有工艺可在通用装备上完成，可简化加工工序，有效降低加工难度和成本。外锥套两端防护环可有效保护碳纤维芯棒被压紧部位与未受压部位间的应力集中部分，使芯棒受力平缓过渡。多瓣结构可使外锥套与复合材料表面紧密贴合，均匀受力，提高二者之间的摩擦力使金具提供充足的握着力。4)尾部增加蝶簧，可有效防止外锥套与内锥夹套松脱、回弹。

Description

一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料圆形棒材耐张金具，尤其是一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头。

背景技术

碳纤维复合材料具有质轻，高强，高比模量，耐腐蚀，耐老化，寿命长等优异性能，近年来已经广泛应用于诸多领域。其中拉挤成型的碳纤维复合材料连续圆形棒材正在电力输送以及石油开采中进行普及应用。其中碳纤维导线就已挂网上万公里。

碳纤维复合材料使用过程中需要与其它结构件进行连接并且要发挥出其优异的力学性能。因其特殊的结构性能，并不适用于金属的螺纹、压接、焊接等连接形式，因此需要针对其特性设计特殊的连接结构。现有碳纤维复合材料芯棒配套金具全部采用线切割工艺，需要慢走丝、内圆磨、外圆磨、全程要靠模数控加工中心完成，加工工序繁琐，精度要求高，尤其是内锥夹套筒过长，加工难度大，加工周期长，人工成本高，且一致性以及均一性不高。使得该类型产品配套金具产品综合造价过高，不利于碳纤维制品的推广使用。

专利文件CN99112384.0公开了一种柔性连续扁带式碳纤维抽油杆及其接头，但只能适用于扁带式碳纤维抽油杆且采用螺销固定；结构复杂、装卸不便。

发明内容

本发明针对碳纤维复合材料特性，设计出一种连接稳固，低成本的圆形杆体用楔形金具。利用内外椎体楔合过程中侧壁产生的径向压力实现碳纤维芯棒的紧固，同时通过弹簧和套装结构保证装置的稳定性、可拆卸性及广泛的适用性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头，所述接头包括内锥体、外锥体、套筒，弹簧，所述内锥体的外壁与外锥体的内壁楔合，外锥体的尾部安装在套筒内，外锥体的尾部设置有弹簧，外锥头部为内锥形结构；使用时：所述内锥体套装有芯棒，所述内锥体与芯棒的静摩擦力大于所述内锥体与外椎体间的静摩擦力。

通常的，本发明所述圆形杆体包括碳纤维芯棒和锚杆。

优选的，所述碳纤维复合材料圆形杆包括碳纤维芯棒和锚杆；

所述接头安装完毕后，碳纤维芯棒套装在所述内锥体内，锚杆套装在所述套筒内；碳纤维芯棒通过顶紧工装进行预紧，预紧力高于芯棒破断力，使所述碳纤维芯棒与内锥体相对静止。

本发明中所述内椎体的尾部为椎体横截面积较大的一端，所述外椎体的尾部为椎体横截面积较大的一端。

本发明的技术方案是：所述接头包括内锥体、外锥体、套筒、弹簧构成，所述内锥体的外壁与外锥体的内壁楔合，外锥体通过其尾部外螺纹与套筒内螺纹连接，放入蝶簧后再与其它标准件连接、紧固，可有效防止外锥套松脱、回弹。内锥体经车床装夹，编程加工锥度，内锥体直径20-60mm，长度30-300mm，锥度范围0.1—5度。外锥体为多瓣弹性夹套，端部突出，可作为装夹定位部分，车床加工，编程加工锥度，外锥套直径20-60mm，长度30-300mm，锥度范围0.1—5度可调，经钻孔，线切割开槽。两端突出端部为防护环，在使用前可保持各压瓣处于正确压紧初始位置，正确预压紧后，该部位发生弹性变形，可与各压瓣同碳纤维复合材料表面紧密接触。本设计可有效减少内外锥体长度。使用过程中会预先提供顶紧力使得芯棒与内锥体之间的摩擦力足以保证杆体和内锥体随着受力的增加而逐步前移并实现自锁功能。

优选的，所述碳纤维芯棒穿过弹簧与锚杆一端卡合。通过锚杆一端设置的卡槽将碳纤维芯棒卡合，可进一步提高连接的稳定性，同时通过碳纤维芯棒实现弹簧的有效定位，提高接头各部件间的结合力。

优选的，所述弹簧的内径等于内锥体尾部的内径。保证内锥体受力均匀，提高内锥体与外椎体结合的紧密度，避免碳纤维芯棒部分位置受力不均，容易断裂的问题。

优选的，所述外锥体为多瓣弹性夹套。多瓣结构可使外锥套与复合材料表面紧密贴合，均匀受力，提高二者之间的摩擦力使金具提供充足的握着力。

优选的，所述外椎体的头部设置有防护环。外锥套两端防护环可有效保护碳纤维芯棒被压紧部位与未受压部位间的应力集中部分，使芯棒受力平缓过渡。

优选的，所述外锥体尾部通过螺纹安装在套筒内。便于拆卸和组装，内外锥套长度的缩减有利于内锥夹套面加工精度和内外锥套面契合度的提高，所有工艺可在通用装备上完成，可简化加工工序，有效降低加工难度和成本。

优选的，所述弹簧为蝶簧。尾部增加蝶簧，可有效防止外锥套与内锥夹套松脱、回弹。

优选的，所述内锥体的尾部位于外椎体尾部内侧。提供一定的间隙，是弹簧的一端可以嵌入外锥体中，便于定位和安装。

优选的，所述内锥体的尾部与外椎体尾部平齐，外椎体的尾部内径与套筒内径相同。弹簧体位于闭合的空腔中，无需固定安装即可实现了内锥体和弹簧体配套连接。

优选的，所述内锥体采用弹性合金材料制备，所述弹性合金材料由以下重量份数的组分构成：镍20.0～25.0％；锌2.0～20.0％；铁0.1～2.0％；锰0.3～3.0％；钴0.7％-1.2％；铱5％-6％；余量为铜和不可避免的杂质。

与现有弹性合金材料相比，本发明的新型弹性合金材料其镍用量大大减少，从而较大幅度地降低了产品的制造成本；同时，其又具有与普通弹性合金材料相当的机械性能，具有优良的抗拉伸强度及延伸率，是传统弹性合金材料的优良替代品。

本发明的优点是：

1)内外锥套长度的缩减有利于内锥夹套面加工精度和内外锥套面契合度的提高，所有工艺可在通用装备上完成，可简化加工工序，有效降低加工难度和成本。使用过程中会预先提供顶紧力使得圆棒与内锥夹套之间的摩擦力足以保证杆体和内锥夹套随着受力的增加而逐步前移并实现自锁功能。

2)外锥套两端防护环可有效保护碳纤维芯棒被压紧部位与未受压部位间的应力集中部分，使芯棒受力平缓过渡。

3)多瓣结构可使外锥套与复合材料表面紧密贴合，均匀受力，提高二者之间的摩擦力使金具提供充足的握着力。

4)尾部增加蝶簧，可有效防止外锥套与内锥夹套松脱、回弹。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明外锥体的结构图。

其中：内锥体1，外锥体2，套筒3，防护环4，多瓣结构5，蝶簧6，锚杆7，碳纤维芯棒8。

具体实施方式

实施例1

一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头，所述接头包括内锥体1、外锥体2、套筒3，弹簧构成，所述内锥体1的外壁与外锥体2的内壁楔合，外锥体2的尾部安装在套筒3内，外锥体2的尾部设置有弹簧，外锥体2头部为内锥形结构；碳纤维芯棒8套装在所述内锥体1内，锚杆7套装在所述套筒3内；所述接头安装完毕、碳纤维芯棒8受到的拉力或推力小于1600N时，所述碳纤维芯棒8与内锥体1相对静止。

本发明中内锥体1与外锥体2相较于现有金具长度短，加工难度低，锥面契合良好，内外锥套预紧后尾部平齐，外锥体2通过其尾部外螺纹与套筒内螺纹连接。防护环4和多瓣结构5可与复合材料紧密结合并减少应力集中，蝶簧6在锚杆7螺纹连接顶紧后可有效防止螺纹松脱。整个接头可为碳纤维芯棒8提供充足握着力，直至杆体破坏断裂。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，所述碳纤维芯棒穿过弹簧与锚杆一端卡合。通过锚杆一端设置的卡槽将碳纤维芯棒卡合，可进一步提高连接的稳定性，同时通过碳纤维芯棒实现弹簧的有效定位，提高接头各部件间的结合力。嵌入约2-3mm深度，主要起定位作用，碳纤维芯棒可由右向左进行移动，进而调整碳纤维芯棒插入锚杆，锚杆为实心结构。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，所述弹簧的内径等于内锥体尾部的内径。保证内锥体受力均匀，提高内锥体与外椎体结合的紧密度，避免碳纤维芯棒部分位置受力不均，容易断裂的问题。

实施例4

与实施例1的不同之处在于，所述外锥体为多瓣弹性夹套。多瓣结构可使外锥套与复合材料表面紧密贴合，均匀受力，提高二者之间的摩擦力使金具提供充足的握着力。

实施例5

与实施例1的不同之处在于，所述外椎体的头部设置有防护环。外锥套两端防护环可有效保护碳纤维芯棒被压紧部位与未受压部位间的应力集中部分，使芯棒受力平缓过渡。

实施例6

与实施例1的不同之处在于，所述外锥体尾部通过螺纹安装在锥套内。便于拆卸和组装，内外锥套长度的缩减有利于内锥夹套面加工精度和内外锥套面契合度的提高，所有工艺可在通用装备上完成，可简化加工工序，有效降低加工难度和成本。

实施例7

与实施例1的不同之处在于，所述弹簧为蝶簧。尾部增加蝶簧，可有效防止外锥套与内锥夹套松脱、回弹。

实施例8

与实施例1的不同之处在于，所述内锥体的尾部位于外椎体尾部内侧。提供一定的间隙，是弹簧的一端可以嵌入外锥体中，便于定位和安装。

实施例9

与实施例1的不同之处在于，所述内锥体的尾部与外椎体尾部平齐，外椎体的尾部内径与套筒内径相同。弹簧体位于闭合的空腔中，无需固定安装即可实现了内锥体和弹簧体配套连接。

实施例10

与实施例1的不同之处在于，所述内锥体采用弹性合金材料制备，所述弹性合金材料由以下重量份数的组分构成：镍20.0～25.0％；锌2.0～20.0％；铁0.1～2.0％；锰0.3～3.0％；钴0.7％-1.2％；铱0.5％-0.6％；余量为铜和不可避免的杂质。

制备方法：

步骤一、熔炼吸铸

选取纯度≥99.9％的镍、纯度≥99.99％的钴、纯度≥99.99％的锌、纯度为≥99.9％的铁，纯度为≥99.9％的锰、纯度≥99.99％的铱和纯度为≥99.9％的铜按照上述百分比含量配比配料，误差≤0.1mg；然后放入非自耗真空电弧熔炼炉，抽真空至1.9×10^-4Pa，再充入氩气，反复熔炼；然后熔化，用模具冷却吸铸得到合金。

步骤二、退火处理

将步骤一制备得到的合金密封，抽真空至5×10^-5Pa，在1000℃下，保温72小时，然后冷却至室温，得到上述的弹性合金。

本发明研究中发现：在弹性合金材料中加入少量铱，可以有效提高合金材料的机械性能，同时减少镍的用量。白金族金属铱是一种具有高熔点(2443℃)、良好的抗氧化性和易于合金化的金属元素，将铱中添加入与之有较大原子尺寸差异地镍和锌等元素，应用多元合金化和饱和固溶强化的设计思想可显著提高合金的弹性性能，满足不同的强度需求。

实施例11

杆体直径6.0mm，金具长度140mm，锥度1.4，四瓣结构。内锥夹套表面涂抹润滑剂，将内锥夹套穿过碳纤维复合材料圆形芯棒，对距尾部130mm内杆体用细砂纸进行打磨，插入外锥套并推入内锥夹套中拉紧，拧上内锥夹套，在顶紧工装中将内外锥套按芯棒破断力进行预紧，放入蝶簧，与其它标准件如钢锚进行连接。

实施例12

杆体直径7.5mm，金具长度150mm，锥度1.5，六瓣结构。内锥夹套表面涂抹润滑剂，将内锥夹套穿过碳纤维复合材料圆形芯棒，对距尾部150mm内杆体用细砂纸进行打磨，插入外锥套并推入内锥夹套中拉紧，拧上内锥夹套，在顶紧工装中将内外锥套按芯棒破断力进行预紧，放入蝶簧，与其它标准件如钢锚进行连接。

实施例13

杆体直径13mm，金具长度180mm，锥度1.75，八瓣结构。内锥夹套表面涂抹润滑剂，将内锥夹套穿过碳纤维复合材料圆形芯棒，对距尾部180mm内杆体用细砂纸进行打磨，插入外锥套并推入内锥夹套中拉紧，拧上内锥夹套，在顶紧工装中将内外锥套按芯棒破断力进行预紧，放入蝶簧，与其它标准件如钢锚进行连接。

实施例14

与实施例1的不同之处在于，所述弹簧的内径等于内锥体尾部的内径。所述内锥体的尾部位于外椎体尾部内侧。

对比例1

对比例1：合金材料由以下重量份数的组分构成：镍30.0～45.0％；锌2.0～20.0％；铁0.1～2.0％；锰0.3～3.0％；钴0.7％-1.2％；余量为铜和不可避免的杂质。

制备方法同实施例10。

上述的合金材料力学性能测试见表1：

表1

结论：在压缩实验中，将实施例10制备的样品压缩到一定的预应变后(远超过0.2％的工程屈服应变)卸载，随应力的减小应变减小至近似于零，样品的形状回复，所述样品在同一应力下的最大应变滞后与可回复应变的比值小于45％，具有较好的弹性行为。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种简易碳纤维复合材料圆形杆体接头，其特征在于，所述接头包括内锥体、外锥体、套筒、弹簧，所述内锥体的外壁与外锥体的内壁楔合，外锥体的尾部安装在套筒内，外锥体的尾部设置有弹簧，外锥头部为内锥形结构；使用时：所述内锥体套装有碳纤维芯棒，所述内锥体与碳纤维芯棒的静摩擦力大于所述内锥体与外椎体间的静摩擦力。

2.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述碳纤维芯棒穿过弹簧与锚杆一端卡合。

3.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述弹簧的内径等于内锥体尾部的内径。

4.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外锥体为多瓣弹性夹套。

5.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外椎体的头部设置有防护环。

6.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述外锥体尾部通过螺纹安装在套筒内。

7.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述弹簧为蝶簧。

8.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述内锥体的尾部位于外椎体尾部内侧。

9.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述内锥体的尾部与外椎体尾部平齐，外椎体的尾部内径与套筒内径相同。