专利名称：受拉构件及其制备方法和工程机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种受拉构件及其制备方法和工程机械。
背景技术：
受拉构件是工程机械的重要部件之一，其用于传递作用力。尤其是起重机领域，如履带起重机、海洋工程起重机等，受拉构件更是不可缺少。现有技术中，常用的受拉构件主要为钢丝绳、钢板和钢管等。近年来，随着工程建设的快速发展，工程的大型化日趋加速，这使得工程机械也朝着大型化发展。工程机械的大型化也对受拉构件的负载能力提出了更高的要求。现有的受拉构件为了能够提供与之匹配的承载能力，通常需要増加自身尺寸，相应的受拉构件的重量也随之上升。而受カ固件的重量越大，其拆装和运输的难度也越大。此外，对于作业半径 较大的起重机而言，重型受拉构件，如钢丝绳、钢板、钢管结构的自身重力会在大半径范围很大程度的消耗起重能力，使起重机的大半径能力受到制約。因此，现有的受拉构件具有负载能力低和重量大的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提出ー种受拉构件，包括中间部，所述中间部包括碳纤维复合材料体；设置于所述中间部两端的连接部，所述连接部包括芯部，和包覆于所述芯部表面的碳纤维复合材料层。进ー步地，所述芯部为金属材料，所述连接部还包括设置于所述芯部和所述碳纤维复合材料层之间的绝缘层。进ー步地，所述受拉构件还包括包覆于所述碳纤维复合材料体表面的第一缓冲层，和/或包覆于所述芯部表面的第二缓冲层。进ー步地，所述第一缓冲层和/或所述第二缓冲层为聚氨酯层。进ー步地，所述受拉构件还包括导电层，所述导电层设置于所述碳纤维复合材料层表面，以及所述碳纤维复合材料体表面。进ー步地，所述导电层为铜丝绕组。进ー步地，所述芯部的横截面为楔形，且所述楔形圆弧半径较小的一端指向所述中间部。进ー步地，所述碳纤维复合材料层和所述碳纤维复合材料体为一体成型。本发明还提供ー种工程机械，设置有上述任一所述的受拉构件。本发明还提供ー种受拉构件的制备方法，包括如下步骤a、取两个芯部，将所述两个芯部固定且使所述两个芯部之间预留一定距离；将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间，得到中间构件，所述中间构件包括碳纤维复合材料体和连接于所述碳纤维复合材料体两端的第一连接部，所述第一连接部包括芯部和覆于所述芯部表面的碳纤维复合材料层；
b、将步骤a得到的构件加热固化。进ー步地，上述方法还包括如下步骤C、在步骤b得到的构件的碳纤维复合材料体表面制备第一缓冲层；和/或在步骤b得到的构件的碳纤维复合材料层表面制备第二缓冲层。进ー步地，所述步骤a在将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间之前还包括在所述芯部表面制备绝缘层的步骤。进ー步地，所述步骤a在得到中间构件之后还包括在所述碳纤维复合材料层及所述碳纤维复合材料体表面制备导电层的步骤。本发明提供ー种受拉构件，该受拉构件以碳纤维复合材料作为主体材料，受拉构件吊载时，外部作用力通过连接部件传到连接部的芯部，芯部承受カ通过围绕在周围的碳纤维复合材料传递到中间部的碳纤维复合材料体上，从而使力得到传递。碳纤维复合材料 具有密度低，轴向强度和模量高以及耐疲劳性好的优点，由此在降低受拉构件重量的同时提高其抗拉强度，提升承载性能。因此该受拉构件具有如下优点I、重量轻，便于进行拆卸、安装和运输；将其应用于起重机，可以保证起重机在大半径エ况下的起重能力。2、強度和模量高，承载能力高于现有的钢丝绳、钢板或钢管。本发明还提供ー种工程机械，该工程机械设有上述受拉构件，由于上述任ー种受拉构件具有上述技术效果，因此，设有该受拉构件的工程机械也应具备相应的技术效果。本发明还提供ー种上述受拉构件的制备方法，由该方法可制备出质轻，抗拉強度高的受拉构件。
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进ー步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I为本发明实施例I提供的受拉构件的结构示意图；图2为受拉构件中碳纤维复合材料体和碳纤维复合材料层一体缠绕成型过程示意图；图3为本发明实施例2提供的受拉构件的结构示意图；图4为本发明实施例3提供的受拉构件的结构示意图。附图标记说明I中间部11碳纤维复合材料体Ila预浸原丝束12第一缓冲层2 连接部21芯部22绝缘层23碳纤维复合材料层23a预浸原丝层3导电层25第二缓冲层
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明的基本思想在于以碳纤维复合材料作为受拉构件的主体材料，由于碳纤维复合材料具有质轻、抗拉強度高的优点，由此来降低受拉构件的重量，且提高其抗拉性倉^:。下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进ー步说明图I示出了本发明实施例I提供的受拉构件，该受拉构件包括中间部I,其包括碳纤维复合材料体11和包覆于碳纤维复合材料体11表面的第一缓冲层12 ；
设置于中间部I两端的连接部2，连接部包括芯部21，以及依次包覆于芯部21表面的碳纤维复合材料层23和第二缓冲层25。本实施例提供的受拉构件中间部I的基体材料为碳纤维复合材料(Carbon FiberReinforced Polymer/Plastic, CFRP)。碳纤维复合材料是由碳纤维和基体树脂形成的复合材料。其中，碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，其可用聚丙烯腈纤维、浙青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。碳纤维具有密度低、轴向强度和模量高等优点，但其属于脆性材料，将其与基体树脂牢固的结合在一起后能够发挥碳纤维优异的力学性能。碳纤维复合材料具有密度小、比刚度及比模量高、耐疲劳、抗蠕变和线性膨胀系数小等优点，其比模量是钢和铝合金的五倍，其比强度是钢和铝合金的三至四倍。因此，采用碳纤维复合材料作为中间部的主体材料可在大大降低受拉构件的重量的同时提升受拉构件的抗拉性能，提高其承载负载的能力。上述碳纤维复合材料中的基体树脂优选为热固性树脂，热固性树脂具有较高的热稳定性，在高温环境也不易发生热塑性变形，因此采用碳纤维/热固性树脂作为碳纤维复合材料的基体树脂可使得该受拉构件能够应用于作业温度较高的环境。进ー步地，上述碳纤维复合材料优选为碳纤维/环氧树脂材料。碳纤维复合材料中的基体树脂虽在一定程度上有利于提高碳纤维的抗冲击性能，但是基体树脂含量若过高则会造成碳纤维抗拉性能的损失，降低受拉构件的负载性能。由此，碳纤维复合材料中的基体树脂的含量优选为30°/Γ40%。本实施例提供的受拉构件中，在中间部的碳纤维复合材料体11的表面还覆有第一缓冲层12。该缓冲层用于缓冲外界冲击，降低碳纤维复合材料体11在作业过程中受到的冲击力，对碳纤维复合材料体11起到保护作用。第一缓冲层12优选为聚氨酯层，聚氨酯柔性较高，其在碳纤维复合材料体11受拉而产生变形的情况下能够随之变形。因此，采用聚氨酯作为第一缓冲层12可以保证在即使在负载较大的情况下，第一缓冲层12也不易发生开裂。该受拉构件中的连接部2用于与其它构件相连，其由内至外依次包括芯部21、碳纤维复合材料层23和第二缓冲层25。其中碳纤维复合材料层23与中间部I的碳纤维复合材料体11作用类似，用以提高受拉构件连接部2的抗拉性能，同时降低连接部2的重量；碳纤维复合材料层23中关于碳纤维复合材料层的优选方案与上述碳纤维复合材料体11相同，在此兹不赘述。第二缓冲层25的作用与中间部I的第一缓冲层12类似，用于对碳纤维复合材料层23起到保护作用。第二缓冲层25与第一缓冲层12的材料可以相同，也可以不同。作为优选方案，第二缓冲层25也优选为聚氨酯层。
通常来讲，连接部2可以设有连接孔、连接轴或连接杆用于与其它构件相连，但是碳纤维材料通常较为柔软，不易加成上述孔、轴或杆的结构，即使加工成孔状结构，其刚度也有待提高。上述芯部21的作用在于提供用干与其它构件连接的部位(如其设有连接孔、连接轴和连接杆)相连，且形成连接部2的骨架结构，降低连接部2的成型难度。芯部21 —般为刚性材料，如钢、铝合金等金属材料，或者聚碳酸酷、超高分子量聚こ烯等高分子材料。具体而言，该芯部21可以包括芯部主体部和芯部连接部，芯部连接部的具体结构本领域技术人员可以根据该受拉构件与其它构件的连接方式进行选择，具体可以为连接孔、连接轴或连接杆。碳纤维复合材料可以部分或全部包覆于芯部21的表面，但考虑到碳纤维复合材料的抗冲击性较差，而芯部连接部需要与连接件紧密配合，该部位受到的冲击力较大，因此作为优选方案，仅在芯部21周向表面(即芯部主体部周向表面)包覆碳纤维复合材料层23。上述中间部I的碳纤维复合材料体11和连接部2的碳纤维复合材料层23可以一体成型。具体而言，请參见图2，可以首先将预浸基体树脂溶液的碳纤维原丝(以下简称预浸原丝)缠绕于两端的芯部，两个芯部之间留有一定间距，缠绕后两个芯部的表面覆有预 浸原丝层23a，两个芯部之间连接有预浸泡原丝束Ila ;而后再将预浸原丝缠绕于预浸原丝束Ila表面，使预浸原丝束Ila中的碳纤维原丝之间结合更为紧密；最后将上述中间产品干燥，缠绕于芯部表面有预浸原丝层23a形成碳纤维复合材料层23，连接两个芯部之间的预浸原丝束部分形成了碳纤维复合材料体11。对于一体缠绕形成的碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23，为了便于碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23更易于结合紧密，芯部21的截面优选为楔形，且该楔形圆弧半径较小的一端指向中间部I。此外，为了便于预浸原丝缠绕于芯部21，芯部21沿其周向方向还优选设有凹槽，加工时预浸原丝缠绕于该芯部的外周，且置于该凹槽内，以防止预浸原丝在缠绕的过程中发生窜动。上述第一缓冲层12和第二缓冲层25优选为一体成型。以两个缓冲层均为聚氨酯层为例，其可以按照如下方法制备在碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23表面涂覆聚氨酯涂料，干燥，即得。另，第一缓冲层12和第二缓冲层25若采用橡胶条等弾性材料，也可按照上述缠绕方式成型。上述第一缓冲层12和第二缓冲层25用于对碳纤维复合材料体和碳纤维复合材料层起保护作用的缓冲层，提高受拉构件的抗冲击性能，延长受拉构件的使用寿命。本领域技术人员可以理解，上述第一缓冲层12和第二缓冲层25也可以不设，该受拉构件同样具有较高的抗拉性能。由上述内容可知，本发明实施例提供的受拉构件以碳纤维复合材料作为主体材料，受拉构件吊载时，外部作用力通过连接部件传到连接部的芯部，芯部承受カ通过围绕在周围的碳纤维复合材料传递到中间部的碳纤维复合材料体上，从而使力得到传递。碳纤维复合材料具有密度低，轴向强度和模量高以及耐疲劳性好的优点，由此在降低受拉构件重量的同时提高其抗拉强度，提升承载性能。因此该受拉构件具有如下优点I、重量轻，便于进行拆卸、安装和运输；将其应用于起重机，可以保证起重机在大半径エ况下的起重能力。2、強度和模量高，承载能力强高于现有的钢丝绳、钢板或钢管。图3示出了本发明实施例2提供的受拉构件，该受拉构件与实施例I的区别在于连接部还包括设置于芯部21和碳纤维复合材料层23之间的绝缘层22，且芯部21为金属材料。金属材料具有较高的刚性，因此芯部21采用金属材料便于连接部与其它构件的连接，且连接強度也较高，能够提高受拉构件使用的可靠性。该金属材料可以为钢、铝合金或镁合金等。但是，金属材料为导电材料，同时碳纤维也具有导电性，因此若将该芯部21与碳纤维复合材料层23直接接触，在潮湿的环境下会产生电极腐蚀，降低连接部的力学性能。因此，本实施例提供的受拉构件中，连接部中增设绝缘层22，该绝缘层置于芯部21和碳纤维复合材料层23之间，防止芯部21和碳纤维复合材料层23由于电子迁移而产生的电极腐蚀，延长受拉构件的使用寿命。上述绝缘层可以为绝缘塑料，如酚醛树脂，经喷塑制得。本实施例提供的受拉构件具有如下优点 连接部刚度大，易干与其它构件连接，且连接強度高；不易产生电极腐蚀，能够适用干潮湿的エ况环境，对存储及运输环境要求也较低。图4示出了本发明实施例3提供的受拉构件，该受拉构件与实施例2的区别在于连接部还包括导电层3，该导电层3设置于碳纤维复合材料层23和第二缓冲层25之间，以及碳纤维复合材料体11和第一缓冲层12之间。部分高度较高的工程机械，在雷雨天气容易受到雷击，此种情况易造成人员伤亡，增设的导电层3用于将雷电电流导入大地内，提高整机的安全性能。进ー步地，该导电层3优选为铜丝绕组，即该导电层3由铜丝缠绕于碳纤维复合材料层23和碳纤维复合材料体11表面形成。本实施例提供的受拉构件具有防雷电，安全性能高的优点。本发明实施例还提供ー种上述受拉构件的制备方法，包括如下步骤a)、取两个芯部21，将所述两个芯部21固定且使两个芯部之间预留一定距离；将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间，得到中间构件；该中间构件包括碳纤维复合材料体11和连接于其两端的第一连接部，所述第一连接部包括芯部21和覆于所述芯部表面的碳纤维复合材料层23 ；b)、将步骤a得到的构件加热固化；C)、在步骤b得到的构件的碳纤维复合材料体11部位表面制备第一缓冲层12，在碳纤维复合材料层23表面制备第二缓冲层25。上述方法中，步骤a是制备碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23的步骤。作为优选方案，碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23由预浸后的碳纤维原丝缠绕固化成型。步骤a具体可以为(请參见图2):将两个芯部固定且使两个芯部之间设有一定间距；将碳纤维原丝浸入基体树脂溶液后依次缠绕于两个芯部，两个芯部表面形成预浸原丝层，两个芯部之前形成预浸原丝束；再将碳纤维原丝浸入基体树脂溶液后缠绕于预浸原丝束表面，干燥，得到中间构件。步骤a中可以将两个芯部通过销轴沿水平方向固定于缠绕机上，两个芯部之间预留一段距离，该预留部分用于后续形成中间部。将碳纤维原丝浸入基体树脂溶液后横向的缠绕于两个芯部，按照此方式经缠绕得到的预浸原丝束沿水平方向布置，但是结合较为松散，由此可以再使用预浸原丝对预浸原丝束进行纵向缠绕，以便于得到碳纤维结合较为紧密的碳纤维复合材料体。上述碳纤维复合材料体11和碳纤维复合材料层23还可按照如下方式成型根据受拉构件结构制备出模具，将芯部21至于该模具内，然后向模具内注入碳纤维复合材料熔液，冷却固化，即得。对于芯部为金属材料的情況，为了防止产生电极腐蚀，步骤a在将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间之前还包括在所述芯部21表面制备绝缘层22的步骤。优选的，采用喷塑法在芯部21表面制备绝缘层22。本领域技术人员可以理解，相应的，后续步骤中的碳纤维复合材料应置于绝缘层的表面。为了提高该受拉构件的防雷击性能，步骤a在制备出第一中间构件后还包括在碳纤维复合材料层23及碳纤维复合材料体11表面制备导电层3的步骤。优选的，此步骤具体为在碳纤维复合材料层23及碳纤维复合材料体11表面缠绕金属丝。该金属丝可以为铜丝。
步骤b是使各层之间结合更为紧密的步骤，为了提高各层之间的结合力，此步骤还优选在加压的条件下进行，即将步骤a得到的构件在加热加压的条件下进行固化。加热的温度优选为200°C 300°C，压カ优选为O. 5Mpa 3Mpa。具体而言，步骤b可以在热压罐中进行。固化后得到各层结合强度较为紧密的受拉构件。步骤c是步骤b制得的构件进行表面处理制备缓冲层(第一缓冲层和第二缓冲层)的步骤，本领域技术人员可以根据缓冲层材料的性能对具体制备エ艺进行选择。例如若以橡胶条为材料制备缓冲层，则可以按照上述步骤a的方式缠绕成型；若以聚氨酯为材料制备缓冲层，则可以将聚氨酯涂料涂覆于第二中间构件表面，经干燥后得到聚氨酯缓冲层。本发明优选采用后者的方式制备缓冲层。按照上述方法可以制备出实施例1、2或3的受拉构件，该受拉构件具有重量轻，強度和模量高的优点。为了进一歩理解本发明，下面结合具体エ艺及性能测试对本发明提供的受拉构件及其制备方法进行描述。[制备受拉构件]I、取两个楔形的金属芯部，该金属芯部设有连接孔，在该金属芯部的周向表面进行喷塑エ艺，得到覆有绝缘层的金属芯部；2、取两个步骤I得到的芯部通过销轴沿水平方向固定于缠绕机上；将碳纤维原丝浸入环氧树脂溶液后取出，得到预浸原丝；将该预浸原丝依次缠绕于两个芯部的周向表面，芯部表面形成预浸原丝层，两个芯部之间形成预浸原丝束，而后再将预浸原丝缠绕于两预浸原丝束表面，干燥，预浸原丝层形成碳纤维复合材料层，预浸原丝束形成碳纤维复合材料体。3、在步骤2得到的构件的碳纤维复合材料层和碳纤维复合材料体表面缠绕铜丝。4、将步骤3得到的构件置于热压罐中固化，设置加热温度为230°C，压カ为Blpa。5、将步骤4得到的构件表面涂覆聚氨酯涂料，干燥，得到受拉构件。[力学性能测试]测试对象拉板A 由上述方法制备的受拉构件，中间部的截面尺寸为
长度6000mm,截面半径40mm,截面面积1256mm2重量25kg拉板B B-30/WQ890D钢板，其中间部的截面尺寸为截面(长X 宽)30mm X 80mm,截面面积 2400mm2重量120kg测试过程分别以编号A和B两个受拉构件作为起重机主臂的内拉板，在不同拉カ
下测试上述拉板力学性能。
测试结果列于表I。表I拉板力学性能测试结果
权利要求
1.ー种受拉构件，其特征在于，包括 中间部(I )，所述中间部(I)包括碳纤维复合材料体(11); 设置于所述中间部(I)两端的连接部(2)，所述连接部(2)包括芯部(21)，和包覆于所述芯部(21)表面的碳纤维复合材料层(23)。
2.根据权利要求I所述的受拉构件，其特征在于，所述芯部(21)为金属材料，所述连接部(2)还包括设置于所述芯部(21)和所述碳纤维复合材料层(23)之间的绝缘层(22)。
3.根据权利要求I所述的受拉构件，其特征在于，所述受拉构件还包括 包覆于所述碳纤维复合材料体(11)表面的第一缓冲层(12)，和/或包覆于所述芯部表面的第二缓冲层(25)。
4.根据权利要求3所述的受拉构件，其特征在于，所述第一缓冲层(12)和/或所述第ニ缓冲层(25)为聚氨酯层。
5.根据权利要求I所述的受拉构件，其特征在于，所述受拉构件还包括导电层(3)，所述导电层(3 )设置于所述碳纤维复合材料层(23 )表面，以及所述碳纤维复合材料体(11)表面。
6.根据权利要求5所述的受拉构件，其特征在于，所述导电层(3)为铜丝绕组。
7.根据权利要求I所述的受拉构件，其特征在于，所述芯部(21)的横截面为楔形，且所述楔形圆弧半径较小的一端指向所述中间部(I)。
8.根据权利要求I至7任意一项所述的受拉构件，其特征在于，所述碳纤维复合材料层(23)和所述碳纤维复合材料体(11)为一体成型。
9.ー种工程机械，其特征在于，设置有权利要求I至8任意一项所述的受拉构件。
10.ー种受拉构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 a)、取两个芯部，将所述两个芯部固定且使所述两个芯部之间预留一定距离；将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间，得到中间构件，所述中间构件包括碳纤维复合材料体和连接于所述碳纤维复合材料体两端的第一连接部，所述第一连接部包括芯部和覆于所述芯部表面的碳纤维复合材料层； b)、将步骤a得到的构件加热固化。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤 C)、在步骤b得到的构件的碳纤维复合材料体表面制备第一缓冲层；和/或在步骤b得到的构件的碳纤维复合材料层表面制备第二缓冲层。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a在将碳纤维复合材料置于所述两个芯部表面以及两个芯部之间之前还包括 在所述芯部表面制备绝缘层的步骤。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a在得到中间构件之后还包括 在所述碳纤维复合材料层及所述碳纤维复合材料体表面制备导电层的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种受拉构件及其制备方法和工程机械，该受拉构件包括中间部，中间部包括碳纤维复合材料体；设置于中间部两端的连接部，连接部包括芯部，和包覆于芯部面的碳纤维复合材料层。该受拉构件以碳纤维复合材料作为主体材料，碳纤维复合材料具有密度低，轴向强度和模量高以及耐疲劳性好的优点，由此在降低受拉构件重量的同时提高其抗拉强度，提升承载性能。其具有以下优点重量轻，便于进行拆卸、安装和运输；将其应用于起重机，可以保证起重机在大半径工况下的起重能力；强度和模量高，承载能力强高于现有的钢丝绳、钢板或钢管。
文档编号B32B27/12GK102837453SQ2012102992
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者耿涛涛, 白刚, 张啸飞 申请人:三一重工股份有限公司