一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节及其制作方法【技术领域】[0001]本发明涉及一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节及其制作方法，属于混凝土泵车【技术领域】。[0002]混凝土泵车是一种用于输送和浇注混凝土的专用机械，可以将混凝土沿管道连续输送到浇注现场，逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。目前市场常用泵车臂架一般由4臂节至6臂节依次首尾相连构成,混凝土泵车臂架由5臂节依次首尾相连构成的结构示意图如图5所示，工作时臂架部分伸展较大，在力学上属悬臂梁结构，受力比较复杂。[0003]混凝土泵车臂架用臂节包含臂节骨架、液压机构、混凝土输送管组件及轴套，其中臂节骨架是主要承载部件，液压机构、混凝土输送管组件及轴套分别安装在骨架的侧面。已有技术中一般采用钢材作为臂节骨架，不足之处在于:(I)臂架自身结构重量大，增加了混凝土泵车底盘的负荷，混凝土泵车的有效承载能力低；(2)臂架自身结构重量大，对混凝土泵车臂架的抗振性能不利；(3)长期运行过程中，金属疲劳性能低于复合材料。[0004]由于复合材料较大的比强度、比刚度特性，是一种轻质高效的材料，国内外已有复合材料臂节技术的探索。CN201210232251.3、CN201010524256.4公开了中联重科股份有限公司生产碳纤维复合材料混凝土泵车臂架生产方法，采用可伸缩气囊中充气，形成具有第一状态的气囊，在其外表面铺放碳纤维预浸料，获取第一过渡组件；将第一过渡组件放入箱型模具内部，向具有第一状态的气囊内部充气，对碳纤维预浸料进行压缩定型，获取第二过渡组件；将第二过渡组件进行升温固化，固化后冷却脱模获取碳纤维臂架。特点在于复合材料臂节骨架为中空管状结构，内部行腔采用气囊定型，结构尺寸的准确性不高。CN201010524104.4XN201010524111.4公开了威海光威复合材料有限公司的碳纤维臂架生产方法，采用芯模，臂架为中空结构，制造碳纤维臂架的原材料铺放在芯模外表面上，原材料外部用真空膜包覆，真空膜两端密封在芯模的两端，真空膜上设有抽气孔，整个模具放入热压罐内，利用压缩空气加压，用电加热管进行加热固化成型。特点在于复合材料臂节骨架为中空管状结构，该成型技术由于脱模可操作性需要，要求结构简，限制了臂架臂节某些方向结构尺寸可设计性。CN201010524111.4采用热压成形工艺，成型工艺复杂，生产工艺成本高。US20040843187公开了消防车臂节采用纤维缠绕臂节管的生产工艺，外层采用纤维缠绕工艺，内层采用耐磨氨基甲乙酯，每一臂节段由氨基甲乙酯管外面缠绕碳纤维，其特点在于复合材料臂节骨架为中空管状结构。
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节及其制作方法，臂节具有轻质高效、可设计性强、其制作方法工艺简单、成型精度高、使泵车结构紧凑和安全稳定等优点。[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的。[0007]本发明的一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节，复合材料臂节包括骨架、混凝土输送管路、连接螺栓、液压机构和连接销轴；骨架包括位于其一端的大端接头、位于其中间部位的主体和位于其另一端的小端接头；
[0008]混凝土输送管路通过连接螺栓固定在骨架的主体的侧面；液压机构的一端活动连接在骨架的主体的底面上，液压机构的另一端活动连接在连接销轴的一端上，连接销轴的中间部位活动连接在骨架的小端接头的一个连接孔上，连接销轴的另一端活动连接在下一节臂节的骨架的大端接头的一个连接孔上；骨架的小端接头的另一个连接孔与下一节臂节的骨架的大端接头的另一个连接孔活动连接。
[0009]该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且金属榫头的一个端面与芯材的端面齐平，复合材料蒙皮位于芯材和金属榫头外面；其中芯材起到定型作用，金属榫头和复合材料蒙皮是主要承载部件。
[0010]所述复合材料夹层结构芯材截面形式，如矩形截面、五边形截面、三角形、梯形。
[0011]在上述混凝土泵车臂架用复合材料臂节中，所述复合材料夹层结构芯材凹槽的尺寸a、b可相同或不同，凹槽个数可单个或多个。
[0012]所述复合材料接头可有多种横截面形式，如矩形截面、五边形截面、三角形、梯形。
[0013]所述接头中金属榫头为钢、钛、铝中的一种或其中任意两种的合金。
[0014]所述芯材为泡沫芯材，可为PVC芯材、PMI芯材、聚氨酯芯材、三聚氰胺芯材、BALSA木的一种或任意两种以上的组合。
[0015]所述复合材料蒙皮为树脂基复合材料，其中纤维采用玻璃纤维或碳纤维的一种或组合；树脂采用聚氨酯基树脂、乙烯基酯基树脂或环氧树脂或以及上述树脂的改进型。
[0016]所述金属榫头的侧面沿圆周方向有凹槽，用于缠绕玻璃纤维或碳纤维；凹槽个数可单个或多个且尺寸可相同或不同，凹槽外铺单向或多轴玻璃纤维或碳纤维用于增强臂节的连接强度和刚度。
[0017]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0018](I)本发明混凝土泵车臂架用复合材料臂节具有较强的设计适应性，通过可设计性复合材料、结构尺寸和工艺的变化，可以最大限度的以较小的质量成本获得较高的结构功效。
[0019](2)本发明采用机加工芯材定型定位，结构型腔及大端榫头安装位置更精准，臂节骨架采用真空灌注工艺一次成型，工艺实施更为简单。
[0020](3)本发明制作方法采用大端榫头及连接螺栓孔的设计，提高了连接处接触强刚度，保证液压机构、混凝土输送管组件连接更加安全可靠。
[0021](5)本发明制作方法采用按照设计角度铺放复合材料编织物满足目标强刚度指标，采用真空灌注工艺一次成型臂架骨架，工艺简单，易于实施。
[0022](6)本发明混凝土泵车臂架用复合材料臂节，使混凝土泵车臂架末端变轻，臂架振动减少，整车安全稳定，使机手高空作业更加安全。
[0023](7)由于复合材料的结构可设计性，使结构紧凑型，布料更加灵活，且转弯半径更小，场地适应性更好。



[0025]图2为本发明涉及混凝土泵车臂骨架结构示意图；
[0026]图3为本发明涉及混凝土泵车臂节骨架芯材横截面图；
[0027]图4为本发明接头内嵌榫头主视图和俯视图；
[0028]图5为现有技术中混凝土泵车臂架结构示意图。

[0029]下面结合附图和具体实施例对本本发明作进一步详细的描述:
[0030]如图5所示为混凝土泵车臂架结构示意图。由图可知混凝土泵车臂架是由多个臂节依次首尾相连构成，现选取图5中的第四节臂节作为实施例进行说明。
[0031]如图1所示为本发明涉及混凝土泵车臂节结构示意图。复合材料臂节由骨架1、混凝土输送管路2、连接螺栓3、液压机构4和连接销轴5 ;骨架I包括位于其一端的大端接头、位于其中间部位的主体和位于其另一端的小端接头；
[0032]混凝土输送管路2通过连接螺栓3固定在骨架I的主体的侧面；液压机构4的一端活动连接在骨架I的主体的底面上，液压机构4的另一端活动连接在连接销轴5的一端上，连接销轴5的中间部位活动连接在骨架I的小端接头的一个连接孔上，连接销轴5的另一端活动连接在下一节臂节的骨架的大端接头的一个连接孔上；骨架I的小端接头的另一个连接孔与下一节臂节的骨架的大端接头的另一个连接孔活动连接；
[0033]图2为本发明接头剖面结构示意图。该接头为复合材料夹层结构，包括复合材料蒙皮7、芯材8和金属榫头6 ;金属榫头6嵌入到芯材8内且金属榫头6的一个端面与芯材8的端面齐平,复合材料蒙皮7位于芯材8和金属榫头6外面；其中芯材8起到定型作用，金属榫头6和复合材料蒙皮7是主要承载部件。
[0034]所述复合材料接头的横截面为矩形截面；
[0035]所述接头中金属禪头6为钢。
[0036]所述芯材8为PMI芯材。
[0037]所述复合材料蒙皮7为碳纤维环树脂基复合材料。
[0038]所述金属榫头6的侧面沿圆周方向有一个凹槽，用于缠绕碳纤维。
[0039]图3为本发明接头芯材剖面图，芯材根据设计的截面形式加工成相应的形状，并将榫头的安装位置准确定位，并加工。
[0040]图4为本发明接头内嵌榫头主视图和俯视图。复合材料臂架组件在运行过程中，主要的载荷施加在臂节的连接部位，为了增强接头强度，采用图4所示的内嵌榫头，同时两个连接孔之间采用玻璃纤维或碳纤维编织物直接在榫头上缠绕和铺放，对金属件进行局部加固，起到增加连接强度和刚度的作用。整个结构采用真空导入复合材料成型工艺一次固化成型，由此可提高接头与臂节的连接强度，防止臂节在较大作用力下破坏或疲劳失效。
[0041]上述的接头为大端接头或小端接头，只是大端接头和小端接头的尺寸不同。
[0042]采用本发明进行一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节的制备，具体实施步骤为:
[0043]1、按设计图纸尺寸加工芯材8 ;
[0044]2、加工好的芯材8在靠近臂节大端I 一侧的有预留槽，将金属件大端榫头6嵌入预留槽，并清理芯材8表面；[0045]3、按照设计图纸在芯材8上铺放复合材料编织物；
[0046]4、按照工艺文件，铺放导流网、铺放隔离膜，导流管；
[0047]5、四周包裹真空袋，检查真空度，合格后，注胶；
[0048]6、注胶完成后，加热，中温固化8-10小时；
[0049]7、固化完成后，冷却，表面清理；
[0050]8、在臂节骨架I安装金属预埋件3 ；
[0051]9、将混凝土输送管组件2通过连接螺栓连接在臂节骨架I 一侧的金属预埋件3上；
[0052]10、将液压机构4通过销轴5连接于本臂节和下一臂节骨架I大端之间。本实施例中复合材料蒙皮7为树脂基复合材料格栅增强蒙皮、芯材8为按设计尺寸加工的泡沫芯材、大端榫头6为金属材料。所述三部分最终一次成型成为一整体结构,为本发明涉及混凝土泵车臂节主要承载结构骨架I。
[0053]本实施例中树脂基复合材料格栅增强蒙皮7可为碳纤维增强树脂基复合材料、玻璃纤维增强树脂基，也可是上述纤维混杂增强树脂基复合材料等。本实施例中树脂基复合材料格栅增强蒙皮7可为聚氨酯基复合材料、乙烯基酯基复合材料或环氧树脂基复合材料、以及上述树脂的改进型制造的复合材料。
[0054]如图3为本发明涉及混凝土泵车臂节骨架芯材横截面图。芯材8为按设计尺寸机加工的泡沫芯材，结构尺寸更加精准。根据受力分析，对芯材8加工出正方形、矩形、梯形等不同形式及数量的凹槽，可以为单一网状结构也可多种形式混合。对应的复合材料蒙皮7形成纤维加强筋，形成格栅增强式蒙皮结构。
[0055]精确设计的芯材8与纤维增强复合材料蒙皮7的巧妙配合使得混凝土泵车臂节骨架具有较强的结构可设计型，可最大限度的通过较小的质量成本获得较高的结构功效。
[0056]通过结构和尺寸的优化，臂节骨架I还可以是曲线或折线结构，以便于整体臂架折叠紧凑，突破了阴模及气囊内压技术一次成型技术的局限性。
[0057]上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，如混凝土泵车臂节的形状和尺寸等。
[0058]本发明说明书中未作描述的内容属于本领域专业人员的公知技术。