CN216836882U - 纤维复材梁结构、臂节、臂架和机械设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械设备的臂架领域，公开了一种纤维复材梁结构、一种臂节、一种臂架和机械设备。其中，所述纤维复材梁结构包括中空的纤维复材梁主体，以及固定在所述纤维复材梁主体的内腔中的加强板，所述加强板自所述纤维复材梁主体的横向一侧向所述纤维复材梁主体的横向另一侧平滑倾斜延伸。本实用新型提供的技术方案有利于提升纤维复材臂架的抗疲劳寿命。

Description

纤维复材梁结构、臂节、臂架和机械设备

技术领域

本实用新型涉及机械设备的臂架领域，具体地涉及一种纤维复材梁结构，进一步，本实用新型还涉及一种臂节、一种臂架和一种机械设备。

背景技术

臂架是混凝土泵车、消防车、挖掘机、起重机等工程机械设备的关键作业部件，决定着工程机械设备的整机的使用性能。

随着经济建设的飞速发展，越来越多的作业场合需要臂架更长的工程机械设备。随着臂架长度的增加，臂架重量以及工作力矩增加，这不仅对底盘结构提出了更高的要求，而且臂架疲劳开裂问题变得更加突出。为了解决这些问题，有必要加强臂架轻量化设计。

纤维复合材料(以下简称“纤维复材”)由于具有高比强度、高比模量，耐疲劳性能好，破损安全性好，阻尼减振性能好，可设计性强等优点，而在臂架轻量化设计与制造中得到有效应用，并取得明显成效。

现有的纤维复材臂架在使用过程中，存在抗疲劳寿命低，可靠性不足的问题。因此，有必要提供一种新的技术方案，以提高纤维复材臂架的抗疲劳寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种技术方案，用于提升纤维复材臂架的抗疲劳寿命。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种纤维复材梁结构，所述纤维复材梁结构包括中空的纤维复材梁主体，以及固定在所述纤维复材梁主体的内腔中的加强板，所述加强板自所述纤维复材梁主体的横向一侧向所述纤维复材梁主体的横向另一侧平滑倾斜延伸。

优选地，所述加强板与所述纤维复材梁主体的纵向之间的夹角为30°～60°。

优选地，所述加强板与所述纤维复材梁主体一体制作成型。

优选地，所述加强板独立于所述纤维复材梁主体制作，并固定在所述纤维复材梁主体的内腔表面。

优选地，所述加强板靠近所述纤维复材梁主体的连接部位，并且沿着所述纤维复材梁主体的纵向跨越所述连接部位。

优选地，所述连接部位为贯穿所述纤维复材梁主体的壁厚的通孔。

优选地，所述纤维复材梁主体的横截面为矩形；所述纤维复材梁主体的横向的其中两相对侧的侧壁上，纤维复材的敷设角度为第一角度；所述纤维复材梁主体的横向的另外两相对侧的侧壁上，纤维复材的敷设角度为第二角度；其中，所述第一角度小于所述第二角度；所述纤维复材的敷设角度为纤维复材与所述纤维复材梁主体的纵向之间的夹角。

基于本实用新型第一方面提供的纤维复材梁结构，本实用新型第二方面提供一种臂节，所述臂节包括根据本实用新型第一方面所述的纤维复材梁结构。

基于本实用新型第二方面提供的臂节，本实用新型第三方面提供一种臂架，所述臂架包括臂节，所述臂节为根据本实用新型第二方面所述的臂节。

基于本实用新型第三方面提供的臂架，本实用新型第四方面提供一种机械设备，所述机械设备包括根据本实用新型第三方面所述的臂架。

本实用新型提供的技术方案具有如下有益效果：

本实用新型在纤维复材梁主体的内腔中固定加强板，加强板倾斜支撑在纤维复材梁主体的内腔中，其两端分别与纤维复材梁主体的横向两侧相连，在中空的纤维复材梁主体的内腔中倾斜支撑加强板，对显著提升纤维复材梁主体的抗弯性能具有极大帮助，进而极大提升了纤维复材臂架的抗疲劳寿命。

本实用新型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实用新型的进一步理解，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实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型一实施例提供的纤维复材梁结构的结构示意图；其中，1A为纤维复材梁结构的横截面示意图，1B为纤维复材梁结构的纵截面示意图。

图2是本实用新型另一实施例提供的纤维复材梁结构的结构示意图，其中，2A为纤维复材梁结构的横截示意图，2B为纤维复材梁结构的纵截面示意图。

图3是本实用新型一实施例提供的第一芯模的纵截面示意图。

图4是本实用新型一实施例提供的缠绕有第一纤维的第一芯模的纵截面示意图。

图5是本实用新型一实施例提供的第二芯模与缠绕有第一纤维的第一芯模对接后的纵截面示意图。

图6是本实用新型一实施例提供的缠绕有第二纤维的第一芯模和第二芯模的结构示意图。

图7是本实用新型一实施例提供的纤维复材梁结构的制作方法中的脱模示意图。

图8是本实用新型一实施例提供的脱模后的纤维复材梁结构的纵截面示意图。

图9是本实用新型另一实施例提供的安装有纤维复材加强板的第一芯模和第二芯模的对接结构的纵截面示意图。

图10是本实用新型另一实施例提供的缠绕有纤维的第一芯模和第二芯模的纵截面示意图。

图11是本实用新型另一实施例提供的纤维复材梁结构的制作方法的脱模示意图。

图12是本实用新型另一实施例提供的脱模后的纤维复材梁结构的纵截面示意图。

附图标记说明

1-第一纤维复材层；2-第二纤维复材层；3-纤维加强板；4-通孔；5-纤维复材梁主体；6-第一芯模；7-斜面；8-第二芯模。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所指的上、下、左、右。“内、外”是指相对于部件本身轮廓的内、外。

参阅图1，本实用新型实施例第一方面提供一种纤维复材梁结构，所述纤维复材梁结构包括中空的纤维复材梁主体5，以及与所述纤维复材梁主体5一体成型的纤维复材加强板；其中，所述纤维复材加强板在所述纤维复材梁主体5的内腔中，自所述纤维复材梁主体5的横向一侧向所述纤维复材梁主体5的横向另一侧平滑倾斜延伸。该纤维复材加强板至少能够较大程度上提高所述纤维复材梁主体5的抗弯性能。

其中，纤维复材梁结构指的是用纤维复材制成的长条结构，可以是纯纤维复材，也可以是复合型纤维复材，即纤维复材梁结构的仅部分材料为纤维复材。在本实用新型优选实施例中，通过纯纤维复材形成纤维复材梁结构，由此可以更好地实现纤维复材梁结构的轻量化设计需求。以上纤维复材梁结构可以制成工程机械设备的臂。

纤维复材梁结构包括中空的纤维复材梁主体5，纤维复材梁主体5的横截面可以是任意合适的情况，例如圆形、椭圆形、多边形等，在本实用新型优选实施例中，纤维复材梁主体5的横截面为矩形。中空的纤维复材梁主体5指的是空腔在纤维复材梁主体5内部，沿着纤维复材梁主体5的纵向延伸，延伸的长度基本等于纤维复材梁主体5的纵向长度。

本实用新型的独创之处在于，在纤维复材梁主体5的内腔中，设置有与纤维复材梁主体5一体成型的纤维复材加强板，纤维复材加强板倾斜支撑在纤维复材梁主体5的内腔中，其两端分别与纤维复材梁主体5的横向两侧相连，优选是与纤维复材梁主体5的横向两相对侧相连。本申请的发明人在实践过程中发现，工程机械设备在作业过程中，臂架会受到由臂架自重及工作载荷等产生的弯矩、扭矩等。为了提高臂架的使用寿命，有必要针对性地提升纤维复材梁结构的抗弯性能。进一步，本申请的发明人在实践中发现，在中空的纤维复材梁主体5的内腔中倾斜支撑加强板，对显著提升纤维复材梁主体5的抗弯性能具有极大帮助，从而极大提升了纤维复材梁主体5的耐疲劳性能和使用寿命。

此外，为了使得倾斜支撑的加强板能够更加可靠地提升纤维复材梁主体5的抗弯性能，在本实用新型实施例中，加强板可以与纤维复材梁主体5一体成型。在一些优选实施例中，加强板可以选用纤维复材加强板，纤维复材加强板和纤维复材梁主体5在同一制作工序中成型，由此纤维复材加强板与纤维复材梁主体5之间不存在与纤维复材加强板或纤维复材梁主体5的纤维复材交叉或垂直的胶接界面，即法向胶接界面。避免纤维复材梁结构在使用过程中，由于胶接界面受力不均而产生的开裂失效，从而更好地强化了纤维复材梁结构的整体结构强度和刚度，提高了纤维复材梁结构的抗弯性能和使用寿命。

在本实用新型的优选实施例中，当倾斜设置的纤维复材加强板同纤维复材梁主体5的纵向之间的夹角为30°～60°时，其加强的作用效果更强，可以更好地提升纤维复材梁结构的抗弯性能。

以上倾斜支撑的纤维复材加强板的更细节的形状、尺寸和分布方式可以根据实际需要设置。由于纤维复材梁主体5在使用过程中，其连接部位的受力更复杂，受力强度相对更大。因此，在本实用新型优选实施例中，至少在纤维复材梁主体5的连接部位设置有纤维复材加强板。

具体地，参阅图1，纤维复材加强板靠近所述纤维复材梁主体5的连接部位，并且沿着所述纤维复材梁主体5的纵向跨越所述连接部位，即横跨连接部位。所述连接部位一般为通孔4。例如，用于铰接伸缩油缸的铰接孔。

通过使得纤维复材加强板横跨连接部位，从而可以极大提升纤维复材梁主体5的连接部位的强度和刚度，从而有利于提升纤维复材梁结构的耐疲劳寿命。

如前文所述，纤维复材梁结构的横截面形状可以是多种形状中的一种，本申请的发明人在研究中发现，对于横截面形状为多边形的纤维复材梁结构而言，臂架在作业过程中，纤维复材梁结构主要承担臂架自重及负载产生的弯矩和扭矩，且每个侧面的受力状态不同。以纤维复材梁结构的横截面为矩形为例，在作业过程中，纤维复材梁结构的上、下两个侧面主要承受拉伸和压缩载荷，左、右两个面主要承受剪切载荷。

为了适应纤维复材梁结构在不同侧面的受力情况，以提高纤维复材梁结构的力学性能和使用寿命。本实用新型优选实施例中，在纤维复材梁结构的上、下两个面上敷设的纤维复材的角度为第一角度；而在纤维复材梁结构的左、右两个面上敷设的纤维复材的角度为第二角度。其中，纤维复材的角度指示纤维复材与纤维复材梁结构的纵向之间的夹角。

其中，第一角度小于第二角度。本申请的发明人在研究中发现，纤维复材敷设的第一角度α1选择为0°≤α1＜45°，第二角度α2选择为45°≤α2≤90°，可以更好地提升纤维复材梁结构的力学性能和使用寿命。更优选地，第一角度α1为0°，第二角度α2为45°时，效果最佳。

上述纤维复材中的纤维可以有多种，例如碳纤维、玻璃纤维以及芳纶纤维等，优选碳纤维。纤维浸泡树脂后形成纤维复材，纤维复材按照一定的厚度和层数铺设形成纤维复材层，多层纤维复材层共同组成纤维复材梁结构。其中，树脂的种类可以有多种，例如环氧树脂、不饱和树脂以及酚醛树脂等，优选环氧树脂。

需要说明的是，上述纤维复材梁结构的上、下两个侧面指的是纤维复材梁结构在作业过程中处于水平状态时，沿水平方向的两个侧面；纤维复材梁结构的左、右两个侧面指的是纤维复材梁结构在作业过程中处于水平状态时，沿竖直方向的两个侧面。

进一步，需要说明的是，一般而言，纤维复材梁主体5的用于连接伸缩油缸的通孔4，开设在纤维复材梁主体5的下侧面上，该下侧面对应纤维复材梁结构的下侧面。针对这种情况，如果需要加强纤维复材梁主体5的通孔4周围的轻度和刚度，则纤维复材加强板的两端需要分别连接纤维复材梁主体5的上、下两个侧面。

另外，对于纤维复材敷设方式而言，可以采用手动铺设，也可以采用缠绕方式敷设，即，通过自动缠绕机自动缠绕形成纤维复材梁主体5和纤维复材加强板。在本实用新型优选实施例中，为了提高生产效率，降低制作成本，并进一步实现纤维复材梁结构的轻量化、成本、性能和可靠性的最佳匹配，可通过自动缠绕方式敷设形成纤维复材梁主体5和纤维复材加强板。

基于本实用新型实施例第一方面提供的纤维复材梁结构，本实用新型实施例第二方面提供一种臂节，所述臂节包括根据本实用新型实施例第一方面所述的纤维复材梁结构。为了制作所述臂节，需要在纤维复材梁结构上安装连接部件。例如在纤维复材梁主体5的伸缩油缸铰接孔处安装轴套等。

基于本实用新型实施例第二方面提供的臂节，本实用新型实施例第三方面提供一种臂架，所述臂架包括臂节，所述臂节为根据本实用新型实施例第二方面所述的臂节。对于一般的工程机械设备而言，其臂架通常是由多根臂节依次串联组成，串联相连的臂节组成可折叠的臂架。相邻臂节之间铰接相连，并且臂架的折叠动作可以通过伸缩油缸驱动完成。

基于本实用新型实施例第三方面提供的臂架，本实用新型实施例第四方面提供一种机械设备，所述机械设备包括根据本实用新型实施例第三方面所述的臂架。所述机械设备例如可以为消防车、混凝土泵车、挖掘机、起重机等。

参阅图2，本实用新型实施例第五方面提供一种纤维复材梁结构，与本实用新型实施例第一方面提供的纤维复材梁结构不同，加强板独立于纤维复材梁主体5制作而成。此时，加强板的材质可以与纤维复材梁主体5的材质相同，均通过纤维复材制作，也可以不同于纤维复材梁主体5的材质，例如采用金属材料作为纤维复材加强板。加强板在所述纤维复材梁主体5的内腔中，自所述纤维复材梁主体5的横向一侧向所述纤维复材梁主体5的横向另一侧平滑倾斜延伸，从而提升所述纤维复材梁主体5的抗弯性能。

参阅图3-图8，本实用新型实施例第六方面提供一种纤维复材梁结构的制作方法，所述方法包括：

步骤1，在端部形成有斜面7的第一芯模6上敷设第一纤维复材，以形成第一纤维复材层1，所述斜面7自所述第一芯模6的横向一端向所述第一芯模6的横向另一端平滑延伸，所述第一纤维复材层1包括对应所述斜面7的斜面7部分以及未对应所述斜面7的非斜面7部分；

步骤2，在所述第一芯模6的形成有所述斜面7的端部同轴对接第二芯模8，并在对接后的第一芯模6和所述第二芯模8的表面敷设第二纤维复材，以形成第二纤维复材层2；

其中，所述第一纤维复材层1的非斜面7部分以及所述第二纤维复材层2构成中空的纤维复材梁主体5，所述第一纤维复材层1的斜面7部分构成在所述纤维复材梁主体5的内腔中，自所述纤维复材梁主体5的横向一侧向所述纤维复材梁主体5的横向另一侧平滑倾斜延伸，以提升所述纤维复材梁主体5的抗弯性能的纤维复材加强板。

其中，第一纤维复材和第二纤维复材可以通过手动铺设的方向敷设，也可以通过缠绕机自动缠绕的方式敷设。在本实用新型优选实施例中，第一纤维复材和第二纤维复材均通过缠绕方式敷设，由此可以提高纤维复材梁结构的产生效率，降低生产成本。

如图3所示，首先固定第一芯模6，例如可以通过工装夹具将第一芯模6固定在缠绕设备上。第一芯模6为长度较短的条状，其横截面形状即为纤维复材梁结构的形状。为了形成纤维复材加强板，在第一芯模6的右端形成有斜面7，该斜面7与第一芯模6的纵向之间的夹角为30°～60°。以第一芯模6的横截面为矩形为例，该斜面7的上端和下端分别连接第一芯模6的上侧面和第一芯模6的下侧面，且斜面7上端的连接部位优选为圆弧过渡。

如图4所示，在固定好第一芯模6的位置后，即可在第一芯模6的表面敷设第一纤维复材。具体地，在第一芯模6的整个外周面以及斜面7上由内至外依次敷设多层第一纤维复材，形成第一纤维复材层1。在本实用新型优选实施里中，可以自动缠绕机在第一芯模6表面自动来回缠绕多层第一纤维复材，以形成第一纤维复材层1。缠绕的角度例如可以为0°～90°。当第一芯模6的横截面为矩形时，还可以根据本实用新型实施例第一方面所述的纤维复材的敷设角度的需求，在不同的侧面缠绕不同角度的纤维复材。

如图5所示，在第一纤维复材层1敷设好后，在第一芯模6的左端对接第二芯模8，第二芯模8与第一芯模6同轴设置，且第二芯模8的周外面优选为，与第一纤维复材层1的外周面纵向平齐。可以理解的是，为了能够对接第一芯模6，第二芯模8的朝向第一芯模6的一端也形成为斜面7，该斜面7与第一纤维复材层1的对应斜面7相贴合，从而能够将第一纤维复材层1的斜面7部分夹持在第一芯模6和第二芯模8之间。

参阅图6，然后，在对接后的第一芯模6和第二芯模8的表面敷设第二纤维复材层2。优选地，可以通过自动缠绕机在第一芯模6和第二芯模8的表面来回缠绕多层第二纤维复材，由此构成第二纤维复材层2。需要说明的是，由于第一芯模6的表面先于第二芯模8的表面敷设了第一纤维复材层1，因此，从图5中可以看出，第一芯模6外周面上的纤维复材的厚度大于第二芯模8外周面上的纤维复材的厚度。事实上，在实际操作过程中，可以根据需要控制自动缠绕机在第一芯模6和第二芯模8的纵向的不同部位缠绕不同层数的纤维复材，从而控制纤维复材梁主体5的纵向的不同部位的壁厚。

在纤维复材缠绕完成后，第一纤维复材层1的位于第一芯模6的外周面的部分以及第二纤维复材层2共同构成纤维复材梁主体5，而第一纤维复材层1的位于第一芯模6的斜面7的部分构成纤维复材加强板。

在纤维复材缠绕完成后，还需要进行加热处理，以固化纤维复材梁结构。为此，可以将缠绕有纤维复材的第一芯模6和第二芯模8放入固化炉中加热固化。也可以利用微波加热、红外线加热等加热方式进行固化。

参阅图7，加热固化完成后，需要进行脱模处理。具体地，将缠绕有纤维复材的第一芯模6和第二芯模8固定在脱模工装上，自纤维复材梁主体5的两端，沿着纤维复材梁主体5的纵向分别拔出第一芯模6和第二芯模8。

需要说明的是，为了便于后续的脱模处理，在本实用新型优选实施例中，在缠绕所述第一纤维复材之前，在所述第一芯模6的外表面涂覆第一脱模剂；并且，在缠绕所述第二纤维复材之前，在所述第二芯模8的外表面涂覆第二脱模剂。

然后，参阅图8，对脱模后的纤维复材梁主体5的表面进行打磨和美化，并在所述纤维复材梁主体5上加工连接部位，该连接部位一般为通孔4。如图8所示，加强板靠近所述纤维复材梁主体5的连接部位，并且沿着所述纤维复材梁主体5的纵向跨越所述连接部位。

加工完成后的纤维复材加强板与纤维复材梁主体5的纵向之间的夹角为30°～60°。

参阅图9-图12，本实用新型实施例第七方面提供另一种纤维复材加强板的制作方法，所述方法包括：

参阅图9，步骤1，在相互对接的第一芯模6和第二芯模8之间安装加强板，第一芯模6和第二芯模8的形状与本实用新型实施例第六方面提供的第一芯模6和第二芯模8的形状相同。所述加强板例如可以为纤维复材加强板。

参阅图10，步骤2，在安装有加强板的第一芯模6和第二芯模8的外周面上敷设纤维复材，以形成纤维复材梁主体5。

其中，优选为通过自动缠绕机来回自动缠绕的方式敷设多层纤维复材，从而形成纤维复材梁主体5。缠绕角度可以为0°～90°，也可以根据需要在横截面为矩形的第一芯模6和第二芯模8的不同侧面缠绕不同角度的纤维复材。具体参阅本实用新型实施例第一方面提供的纤维复材梁结构，此处不再赘述。

步骤3，对缠绕有纤维复材的第一芯模6和第二芯模8进行加热固化，例如，将缠绕有纤维复材的第一芯模6和第二芯模8放入固化炉中加热固化，或者利用微波、红外线等方式固化。

参阅图11，步骤4，将缠绕有纤维复材的第一芯模6和第二芯模8固定在脱模工装上，自纤维复材梁主体5的两端，沿着纤维复材梁主体5的纵向分别拔出第一芯模6和第二芯模8。

参阅图12，对脱模后的纤维复材梁主体5的表面进行打磨和美化，并在所述纤维复材梁主体5上加工连接部位，该连接部位一般为通孔4。

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

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，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

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

Claims (10)

1.一种纤维复材梁结构，其特征在于，所述纤维复材梁结构包括中空的纤维复材梁主体，以及固定在所述纤维复材梁主体的内腔中的加强板，所述加强板自所述纤维复材梁主体的横向一侧向所述纤维复材梁主体的横向另一侧平滑倾斜延伸。

2.根据权利要求1所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述加强板与所述纤维复材梁主体的纵向之间的夹角为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述加强板与所述纤维复材梁主体一体制作成型。

4.根据权利要求1所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述加强板独立于所述纤维复材梁主体制作，并固定在所述纤维复材梁主体的内腔表面。

5.根据权利要求1所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述加强板靠近所述纤维复材梁主体的连接部位，并且沿着所述纤维复材梁主体的纵向跨越所述连接部位。

6.根据权利要求5所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述连接部位为贯穿所述纤维复材梁主体的壁厚的通孔。

7.根据权利要求1所述的纤维复材梁结构，其特征在于，所述纤维复材梁主体的横截面为矩形；所述纤维复材梁主体的横向的其中两相对侧的侧壁上，纤维复材的敷设角度为第一角度；所述纤维复材梁主体的横向的另外两相对侧的侧壁上，纤维复材的敷设角度为第二角度；其中，所述第一角度小于所述第二角度；所述纤维复材的敷设角度为纤维复材与所述纤维复材梁主体的纵向之间的夹角。

8.一种臂节，其特征在于，所述臂节包括根据权利要求1-7中任意一项所述的纤维复材梁结构。

9.一种臂架，其特征在于，所述臂架包括臂节，所述臂节为根据权利要求8所述的臂节。

10.一种机械设备，其特征在于，所述机械设备包括根据权利要求9所述的臂架。

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