[发明专利]一种碳纤维复合材料臂节及其制备方法

说明书

本发明提供一种碳纤维复合材料臂节及其制备方法，碳纤维复合材料臂节包括：碳纤维复合材料壳体；内芯填充于碳纤维复合材料壳体内部；大端端部连接预埋件预埋于碳纤维复合材料壳体内部大端端部，嵌设于内芯中；小端端部连接预埋件预埋于碳纤维复合材料壳体内部的小端端部，嵌设于内芯中；输送管支撑预埋件，预埋于碳纤维复合材料壳体内部的中部，嵌设于内芯中。该碳纤维复合材料臂节，端部连接部位采用镂空整体金属框架复合材料包覆预埋形式，兼顾重量及界面连接强度；内芯穿设三维网格状加强件，增强对臂架壳体的内部牵拉；壳体制备采用不同成型工艺复配，可实现较小的质量和成本获得较高的结构功效。

技术领域

本发明属于混凝土泵车技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料臂节及其制备方法。

背景技术

混凝土泵车在现代化建设的诸多领域有着无可替代的作用。随着现代化建筑领域的发展，混凝土泵车臂架的展开高度要求越来越高，因此混凝土泵车臂架更长更高的发展趋势成为必然。传统的混凝土泵车臂架采用高强度合金钢制成，随着展开高度增加而重量增加，对混凝土泵车的配载及安全性能提出了更高的要求，且对于泵车施工调度以及工作场地产生很大的局限性。高强度合金钢在焊接方面存在一定缺陷隐患，易因疲劳破坏出现局部变形、开裂等问题。另外，泵车因工作环境复杂，也易发生锈蚀问题。复合材料泵车臂架与传统的金属泵车臂架相比，具有质量轻、强度高、制造容易、耐疲劳、低振动，轻质高效，耐腐蚀等特点，可在混凝土泵车减重降低营运成本和臂架伸展高度上促其提升。

混凝土泵车的臂架由多个臂节连接构成，每个臂节包括大端和小端，臂节的大端设置有与后一节臂节的小端连接的连接轴和与液压机构连接的连接轴，臂节的小端设置有与前一节臂节的大端连接的连接部，臂节的中间部位设置与混凝土输送管轴配套连接的部件。臂节的受力性能直接决定其寿命，其中，由于大端、小端的连接轴部受力较大，因此连接部位强度设计是臂节的重要制约因素。目前国内外已有部分对复合材料臂节技术的探索。申请号为CN201210232251.3、CN201010524256.4的专利文献公开了一种生产碳纤维复合材料混凝土泵车臂架生产方法，包括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，但该文献中未提及对接头的结构的设计、改进及生产工艺。申请号为CN201010524104.4、CN201010524111.4的专利文献公开了一种碳纤维臂架生产方法，采用芯模，臂架为中空结构，将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固化成型，该文献中也未提及对接头的结构设计、改进及生产工艺。申请号为US20040843187的美国专利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，接头结构为套管式结构，但同样未提及对接头的改进。申请号为CN201410189059.X、CN201410198955.2的专利公开了一种混凝土泵车臂架用复合材料臂节及其制作方法和一种混凝土泵车臂架用复合材料接头。其中，臂架为PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料结构；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一体灌注成型。该技术中，将端部受力的金属轴串联加工并外圈辅以碳布增强，预埋到泡沫材料内部，因埋入泡沫材料内部对应的那个轴孔仅受两侧复合材料壳体的定位连接约束，在受力传导设计方面不尽合理，长期使用在该轴孔位置存在疲劳破坏的隐患。

因此，现有的复合材料臂节存在着连接部位强度不足；采用单一成型技术，成本偏高，或是表面质量控制一般的问题。此外，复合材料臂节还存在刚性差，受力后变形量比金属材料要大，在集中受力的情况下会发生裂纹与分层等问题。

发明内容