WO2014029178A1 - 销轴、工程机械的臂架的连接结构和混凝土泵送设备 - Google Patents

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pin shaft
connection structure
boom
fiber composite
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余德海
李乡安
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中联重科股份有限公司
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    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04—Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/02—Trunnions; Crank-pins

Definitions

  • the present invention relates to the field of machinery, and in particular to the field of construction machinery, and in particular to a pin shaft, and to a connecting structure of a boom using the pin shaft and a concrete pumping device having the connecting structure of the arm frame .
  • the pin is typically used to connect two relatively rotating parts and transfer the load of one part to the other.
  • the two arm joints and between the arm joints and the link are usually hinged by a pin.
  • the materials selected for the boom, hydraulic cylinder and its connecting parts of the construction machinery are all moving towards light and high strength.
  • the existing pin is made of a single metal material. Due to the high density of the metal material, the pin itself has a large weight (usually up to several hundred kilograms), which severely limits the increase in the length of the boom of the construction machine. Restricted the development of construction machinery.
  • the present invention provides a pin shaft, wherein the pin shaft includes a pin shaft frame and a fiber composite material layer bonded to the pin shaft frame.
  • the pin skeleton includes an intermediate portion and an end portion at both ends of the intermediate portion, and the fiber composite material layer is bonded to the outside of the intermediate portion.
  • the outer diameter of the intermediate portion is smaller than the outer diameter of the end portion, and the outer diameter of the fiber composite material layer is equal to the outer diameter of the end portion.
  • the intermediate portion includes a cylindrical section and a frustum section at both ends of the cylindrical section, and an outer diameter of the frustum section gradually increases from an outer diameter of the cylindrical section to an outer diameter of the end section .
  • the frustum segment is provided with a protrusion.
  • a cavity is formed in the intermediate portion.
  • a through hole is formed in a cavity wall of the cavity.
  • a groove is formed on the outer end surface of the end portion.
  • the pin skeleton is made of metal
  • the fiber composite layer is made of a carbon fiber composite material or a glass fiber composite material.
  • the present invention also provides a connecting structure of a boom of a construction machine, the connecting structure comprising a first arm section and a second arm section, the first arm section and the second arm section being hinged to each other by a pin shaft, Wherein the pin shaft is a pin shaft as described above.
  • the present invention also provides a connecting structure of a boom of a construction machine, the connecting structure comprising a first arm joint and a connecting rod, wherein the first arm joint and the connecting rod are hinged to each other by a pin, wherein The pin is a pin as described above.
  • the present invention provides a concrete pumping apparatus, wherein the concrete pumping apparatus comprises a joint structure of a boom of a construction machine as described above.
  • the pin shaft comprises a pin shaft frame and a fiber composite material layer bonded to the pin shaft frame, and the fiber composite material is light in weight and fatigue resistance at the same strength as compared with the existing metal material.
  • the pin can be made stronger, lighter in weight, better in fatigue resistance, and better in corrosion resistance, so that the pin can be more widely used.
  • the weight of the pin can be reduced, the mounting and dismounting of the boom of the construction machine can be facilitated, and the labor intensity of the worker can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a pin shaft according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view taken along line A-A of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B of Figure 1;
  • FIG. 4 and 5 are schematic front and perspective views of the pin shaft skeleton of the pin shaft shown in Fig. 1;
  • Fig. 6 is a schematic view showing the stress distribution of the pin shaft of the prior art;
  • Fig. 7 is a schematic view showing a connection structure of a boom of a construction machine according to an embodiment of the present invention. Description of the reference numerals
  • an embodiment in accordance with the present invention provides a pin that includes a pin bobbin 10 and a fiber composite layer 20 bonded to the pin bobbin 10.
  • the pin shaft includes a pin shaft frame 10 and a fiber composite material layer 20 bonded to the pin shaft frame 10, and the fiber composite material 20 is lighter in weight under the same strength as the existing metal material. Moreover, the fatigue resistance is good, so that the pin can be made stronger, lighter in weight, better in fatigue resistance, and better in corrosion resistance, so that the pin can be more widely used. In addition, since the weight of the pin can be reduced, the mounting and dismounting of the boom of the construction machine can be facilitated, and the labor intensity of the worker can be reduced.
  • the present invention does not relate to a change in the overall shape of the pin, that is, the overall shape of the pin can be identical to the existing pin and can be substantially cylindrical.
  • the main invention of the present invention is to divide the pin into a plurality of material layers, thereby improving the strength of the pin, reducing the weight, and improving the corrosion resistance and the fatigue resistance.
  • the pin bobbin 10 can be made of an existing pin material such as a metal material.
  • the fibrous composite layer 20 can be formed from a variety of suitable fiber composite materials.
  • the fiber composite material referred to in the present invention means a material obtained by compounding a fiber material and a matrix resin, that is, a fiber-reinforced resin composite material.
  • the fibrous material may, for example, be selected from one or more of glass fibers, aramid fibers, ultra high molecular weight polyethylene fibers, carbon fibers. Carbon fiber composites have a series of advantages such as light weight, high strength, high stiffness, excellent vibration damping, fatigue resistance and corrosion resistance.
  • the base resin may be, for example, an unsaturated polyester, a vinyl resin, a phenol resin or the like.
  • an epoxy resin system having good processability, high strength and good toughness can be used.
  • the fiber composite layer 20 can be bonded to any suitable location of the pin skeleton 10, for example, can be incorporated within the pin skeleton 10. Since the fiber composite material layer 20 is usually formed by winding a fiber material strip or a fiber material cloth, it is preferred that the fiber composite material layer 20 is bonded to the outside of the pin frame 10 to facilitate winding or coating to form a fiber composite. Material layer 20.
  • FIGS. 6 is a schematic view of the stress distribution of the pin in the prior art, which can be obtained by means of finite element analysis well known in the art. It can be seen from Fig. 6 that a high shear stress region occurs at both ends of the pin shaft, and a tensile stress high stress region appears in the circumferential outer surface region of the intermediate portion between the pin ends. Therefore, preferably, as shown in FIGS.
  • the pin frame 10 includes an intermediate portion 11 and an end portion 12 at both ends of the intermediate portion 11, and the fiber composite material layer 20 is bonded to the intermediate portion 11 external.
  • the outer diameter of the intermediate portion 11 is smaller than the outer diameter of the end portion 12, and the outer diameter of the fiber composite material layer 20 is equal to the outer diameter of the end portion 12.
  • the end portion 12 of the pin skeleton 10 is utilized to resist the shear and bending moment loads transmitted by the pin; the fibers of the intermediate portion 11 are utilized.
  • the composite material layer resists the bending moment load transmitted by the pin shaft, and fully utilizes the high tensile strength and compressive strength of the fiber composite material, thereby achieving an optimal distribution of the pin material and achieving the purpose of reducing the pin weight.
  • the intermediate portion 11 includes a cylindrical section 111 and a frustum section 112 at both ends of the cylindrical section 111, the outer diameter of the frustum section 112 from the circle
  • the outer diameter of the barrel section 111 is gradually increased to the outer diameter of the end portion 12.
  • the frustum section 112 is further provided with a protrusion 113.
  • the projections 113 facilitate the bonding of the pin skeleton 10 to the fiber composite layer 20, improve the bonding force, and prevent the pin skeleton 10 from being separated from the fiber composite layer 20 under load.
  • the protrusions 113 may be a plurality of (as shown in Figs. 4 and 5) distributed along the axial direction of the pin skeleton 10, or may be one or more continuous convex rings.
  • a cavity 114 is formed in the intermediate portion 11. More preferably, the cavity wall of the cavity 114 is formed with a through hole 115, that is, the intermediate portion 11 of the pin frame 10 forms a hollow structure. More preferably, the outer end surface of the end portion 12 is formed with a groove 121.
  • the groove 121 may be, for example, a circular groove.
  • the present invention also provides a connection structure of a boom of a construction machine, the connection structure including a first arm joint 30, a second arm joint 40 and a connecting rod 50, the first arm joint 30 and the first
  • the two arm joints 40 are hinged to each other by a pin shaft
  • the first arm joint 30 and the second arm joint 40 and the connecting rod 50 are respectively hinged to each other by a pin shaft, wherein the pin shaft is a pin as described above axis. Since the pin has a large strength and a light weight, it is advantageous for the growth of the boom length, facilitating the installation and disassembly of the boom, and reducing the labor intensity of the worker.
  • the present invention also provides a concrete pumping apparatus comprising a joint structure of a boom of a construction machine as described above.

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Abstract

一种销轴，该销轴（100）包括销轴骨架（10）和结合在该销轴骨架（10）上的纤维复合材料层（20）；一种工程机械的臂架的连接结构，该连接结构包括第一臂节（30）和第二臂节（40），该第一臂节（30）和第二臂节（40）通过上述销轴相互铰接；一种工程机械的臂架的连接结构，该连接结构包括第一臂节（30）和连杆（50），该第一臂节（30）和连杆（50）通过上述销轴相互铰接；一种具有上述连接结构的混凝土泵送设备。上述销轴强度较大、重量较轻、耐疲劳性较好，而且耐腐蚀性也较好，从而使得该销轴能够得到更广泛的应用，也能够方便工程机械的臂架的安装和拆卸，降低工作人员的劳动强度。

Description

销轴、 工程机械的臂架的连接结构和混凝土泵送设备 技术领域
本发明涉及机械领域， 尤其涉及工程机械领域， 具体地， 涉及一种销 轴， 还涉及一种采用该销轴的臂架的连接结构以及一种具有该臂架的连接 结构的混凝土泵送设备。 背景技术
销轴通常用于连接两个相对转动的部件， 并把一个部件的载荷传递给 另一个部件。 例如在混凝土泵车、 布料车等工程机械的臂架的连接结构中， 两个臂节之间以及臂节与连杆之间通常通过销轴来铰接。 随着工程机械技 术的高速发展， 对工程机械的臂架的长度提出了更高的要求， 工程机械的 臂架、 液压缸及其连接部件等所选用的材料都向轻质高强方向发展。 现有 的销轴由单一的金属材料制成， 由于金属材料的密度较大， 使得销轴的自 身重量较大（通常可以达到几百千克）， 严重限制了工程机械的臂架长度的 增加， 制约了工程机械的发展。 因此， 开发一种既能同时满足工程机械的 强度要求又具有质量轻的销轴对于工程机械向长臂架方向发展具有重要意 义。 此外， 现有的销轴的重量太重， 也给臂架的安装和拆卸造成了不便。 发明内容
一方面， 本发明的目的是提供一种重量较轻、 强度较大的销轴。
为了实现上述目的， 本发明了提供一种销轴， 其中， 该销轴包括销轴 骨架和结合在该销轴骨架上的纤维复合材料层。
优选地， 所述销轴骨架包括中间部和位于该中间部两端的端部， 所述 纤维复合材料层结合在所述中间部的外部。 优选地， 所述中间部的外径小于所述端部的外径， 所述纤维复合材料 层的外径等于所述端部的外径。
优选地， 所述中间部包括圆筒段和位于该圆筒段两端的锥台段， 所述 锥台段的外径从所述圆筒段的外径逐渐增加至所述端部的外径。
优选地， 所述锥台段上设置有突起。
优选地， 所述中间部内形成空腔。
优选地， 所述空腔的腔壁上形成有通孔。
优选地， 所述端部的外端面上形成有凹槽。
优选地， 所述销轴骨架由金属制成， 所述纤维复合材料层由碳纤维复 合材料或玻璃纤维复合材料制成。
另一方面， 本发明还提供了一种工程机械的臂架的连接结构， 该连接 结构包括第一臂节和第二臂节， 该第一臂节和第二臂节通过销轴相互铰接， 其中， 所述销轴为如上文所述的销轴。
另一方面， 本发明还提供了一种工程机械的臂架的连接结构， 该连接 结构包括第一臂节和连杆， 该第一臂节和连杆通过销轴相互铰接， 其中， 所述销轴为如上文所述的销轴。
还另一方面， 本发明还提供了一种混凝土泵送设备， 其中， 该混凝土 泵送设备包括如上文所述的工程机械的臂架的连接结构。
通过上述技术方案， 销轴包括销轴骨架和结合在该销轴骨架上的纤维 复合材料层， 由于纤维复合材料与现有的金属材料相比， 在同等强度下重 量较轻， 而且耐疲劳性较好， 因此能够使得该销轴强度较大、 重量较轻、 耐疲劳性较好， 而且耐腐蚀性也较好， 从而使得该销轴能够得到更广泛的 应用。 此外， 由于能够减轻销轴的重量， 也能够方便工程机械的臂架的安 装和拆卸， 降低工作人员的劳动强度。
本发明的其他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歩理解， 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是根据本发明的一种实施方式的销轴的结构示意图；
图 2是图 1中的 A-A截面示意图；
图 3是图 1中的 B-B截面示意图；
图 4和图 5是如图 1所示的销轴的销轴骨架的示意性正视图和立体图； 图 6是现有技术的销轴的应力分布示意图；
图 7是根据本发明的一种实施方式的工程机械的臂架的连接结构的示 意图。 附图标记说明
10 销轴骨架; 20 纤维复合材料层;
11 中间部； 12 端部；
111 圆筒段； 112 锥台段；
113 突起； 114 空腔；
115 通孔； 121 凹槽；
30 第一臂节; 40 第二臂节；
50 连杆； 100 销轴。
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。 如图 1至图 3所示， 根据本发明的一种实施方式提供了一种销轴， 该 销轴包括销轴骨架 10和结合在该销轴骨架 10上的纤维复合材料层 20。
通过上述技术方案， 销轴包括销轴骨架 10和结合在该销轴骨架 10上 的纤维复合材料层 20， 由于纤维复合材料 20与现有的金属材料相比， 在同 等强度下重量较轻， 而且耐疲劳性较好， 因此能够使得该销轴强度较大、 重量较轻、 耐疲劳性较好， 而且耐腐蚀性也较好， 从而使得该销轴能够得 到更广泛的应用。 此外， 由于能够减轻销轴的重量， 也能够方便工程机械 的臂架的安装和拆卸， 降低工作人员的劳动强度。
本发明不涉及对销轴的整体形状的改变， 也就是说， 销轴的整体形状 的结构可以与现有的销轴相同， 可以大致为圆柱形。 本发明主要的发明点 在于将销轴分为多个材料层， 从而提高销轴的强度、 减轻重量， 并且提高 耐腐蚀性和耐疲劳性。
销轴骨架 10可以采用现有的销轴材料（例如金属材料） 制成。 所述纤 维复合材料层 20可以采用各种适当纤维复合材料制成。 本发明中提到的纤 维复合材料是指由纤维材料和基体树脂复合而成的材料， 也就是纤维增强 树脂复合材料。 纤维材料例如可以选自玻璃纤维、 芳纶纤维、 超高分子量 聚乙烯纤维、 碳纤维中的一者或多者。 碳纤维复合材料具有轻质、 高强度、 高刚度、 优良的减振性、 耐疲劳和耐腐蚀等一系列优点。 基体树脂例如可 以为不饱和聚酯、 乙烯基树脂、 酚醛树脂等， 优选地可以采用工艺性较好、 强度较高且韧性较好的环氧树脂体系。
纤维复合材料层 20可以结合在销轴骨架 10的任何适当的位置， 例如 可以结合在销轴骨架 10的内部。 由于纤维复合材料层 20通常通过缠绕纤 维材料条带或者包覆纤维材料布等方式形成， 因此优选地， 纤维复合材料 层 20结合在销轴骨架 10的外部， 以便于缠绕或包覆形成纤维复合材料层 20。
本发明的发明人还仔细研究了销轴的应力分布， 尤其是在混凝土泵车、 布料车等工程机械的臂架的连接结构中， 用于铰接两个臂节以及臂节与连 杆时的应力分布。 如图 6所示为现有技术中的销轴的应力分布示意图， 该 图可以通过本领域公知的有限元分析的方式得到。 从图 6 中可以看出， 销 轴两端部出现剪力高应力区， 销轴两端部之间的中间部的圆周外表面区域 出现拉压应力高应力区。 因此优选地， 如图 4和图 5所示， 所述销轴骨架 10包括中间部 11和位于该中间部 11两端的端部 12， 所述纤维复合材料层 20结合在所述中间部 11的外部。作为一种更具体的实施方式， 所述中间部 11的外径小于所述端部 12的外径， 所述纤维复合材料层 20的外径等于所 述端部 12的外径。 利用纤维复合材料的较高的比强度和比刚度以及良好的 抗疲劳断裂特性， 利用销轴骨架 10的端部 12来抵抗销轴传递下来的剪力 和弯矩载荷； 利用中间部 11的纤维复合材料层来抵抗销轴传递下来的弯矩 载荷， 充分利用纤维复合材料超高的拉伸强度和压缩强度， 从而使销轴材 料达到最优分布， 实现减少销轴重量的目的。
更优选地， 如图 4和图 5所示， 所述中间部 11包括圆筒段 111和位于 该圆筒段 111两端的锥台段 112， 所述锥台段 112的外径从所述圆筒段 111 的外径逐渐增加至所述端部 12的外径。 通过设置锥台段 112， 可以消除由 于厚度突然变化带来的应力集中的问题。 更优选地， 所述锥台段 112上还 设置有突起 113。突起 113有助于销轴骨架 10与纤维复合材料层 20的结合， 提高结合力， 防止销轴骨架 10与纤维复合材料层 20在载荷作用下发生界 面分离。 该突起 113可以为沿销轴骨架 10的轴向分布的多个（如图 4和图 5所示）， 也可以为一个或多个连续的凸环。
从图 6所示的应力分布图中还可以看出， 销轴的中间部 11的中心轴线 周围应力较低， 销轴的两个端部 12的端面处的应力也较低， 因此材料没有 得到充分利用。 因此优选地， 所述中间部 11 内形成空腔 114。 更优选地， 所述空腔 114的腔壁上形成有通孔 115， 也就是说， 销轴骨架 10的中间部 11形成镂空结构。 更优选地， 所述端部 12的外端面上形成有凹槽 121。 该 凹槽 121例如可以为圆形凹槽。 从而， 通过去除销轴骨架 10的中间部 11 的中心轴线周围的材料和 /或销轴的两个端部 12的端面上的材料，能够进一 歩达到为销轴减重的目的。
如图 7所示， 本发明还提供了一种工程机械的臂架的连接结构， 该连 接结构包括第一臂节 30、 第二臂节 40和连杆 50， 该第一臂节 30和第二臂 节 40之间通过销轴相互铰接， 该第一臂节 30和第二臂节 40与连杆 50之 间分别通过销轴相互铰接， 其中， 所述销轴为如上文所述的销轴。 由于该 销轴具有较大的强度、 较轻的重量， 因此有利于臂架长度的增长， 便于臂 架的安装和拆卸， 降低工作人员的劳动强度。
另一方面， 本发明还提供了一种混凝土泵送设备， 该混凝土泵送设备 包括如上文所述的工程机械的臂架的连接结构。
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

权利要求
1、 一种销轴， 其特征在于， 该销轴 （100)包括销轴骨架 （10) 和结合 在该销轴骨架 （10) 上的纤维复合材料层 （20)。
2、 根据权利要求 1所述的销轴， 其特征在于， 所述销轴骨架 （10) 包 括中间部 （11) 和位于该中间部 （11) 两端的端部 （12)， 所述纤维复合材 料层 （20) 结合在所述中间部 （11) 的外部。
3、 根据权利要求 2所述的销轴， 其特征在于， 所述中间部 （11) 的外 径小于所述端部 （12) 的外径， 所述纤维复合材料层 （20) 的外径等于所述 端部 （12) 的外径。
4、 根据权利要求 2所述的销轴， 其特征在于， 所述中间部 （11) 包括 圆筒段（111)和位于该圆筒段（111)两端的锥台段（112)，所述锥台段（112) 的外径从所述圆筒段 （111) 的外径逐渐增加至所述端部 （12) 的外径。
5、 根据权利要求 4所述的销轴， 其特征在于， 所述锥台段（112) 上设 置有突起 (113)。
6、 根据权利要求 2所述的销轴， 其特征在于， 所述中间部 （11) 内形 成空腔 （114)。
7、 根据权利要求 6所述的销轴， 其特征在于， 所述空腔 （114) 的腔壁 上形成有通孔 （115)。
8、 根据权利要求 2所述的销轴， 其特征在于， 所述端部 （12) 的外端 面上形成有凹槽 （121 )。
9、 根据权利要求 1至 8中任意一项所述的销轴， 其特征在于， 所述销 轴骨架 （10) 由金属制成， 所述纤维复合材料层 （20) 由碳纤维复合材料或 玻璃纤维复合材料制成。
10、 一种工程机械的臂架的连接结构， 该连接结构包括第一臂节 （30 ) 和第二臂节 （40)， 该第一臂节 （30) 和第二臂节 （40)通过销轴相互铰接， 其特征在于，所述销轴为根据权利要求 1至 9中任意一项所述的销轴（100)。
11、 一种工程机械的臂架的连接结构， 该连接结构包括第一臂节 （30) 和连杆 （50)， 该第一臂节 （30 ) 和连杆 （50 ) 通过销轴相互铰接， 其特征 在于， 所述销轴为根据权利要求 1至 9中任意一项所述的销轴 （100)。
12、 一种混凝土泵送设备， 其特征在于， 该混凝土泵送设备包括根据权 利要求 10或 11所述的工程机械的臂架的连接结构。
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