专利名称:箱型臂及具有其的起重机械的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种箱型臂及具有其的起重机械，所述箱型臂具有吊臂筒体(1)，所述吊臂筒体(1)具有强化区域，该强化区域以处于所述吊臂筒体(1)的上侧表面上的横向线(H)为中心并沿所述吊臂筒体(1)的长度方向向所述横向线(H)两侧延伸，其中，所述吊臂筒体(1)的下侧表面具有工作支撑点(2)，所述横向线(H)为与该工作支撑点(2)处于所述吊臂筒体(1)的同一横截面上的假想线，并且，所述强化区域上设置有碳纤维加强层(3)。本实用新型的箱型臂制造过程容易实施、成本低，具有良好抗变形能力和较大的临界载荷。
【专利说明】箱型臂及具有其的起重机械
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及起重机械，具体地，涉及一种箱型臂。此外，本实用新型还涉及包括该箱型臂的起重机械。
【背景技术】
[0002]吊臂是起重机械重要的构件之一，用于将重物提升到一定起升高度。吊臂的安全性、稳定性、可靠性是评判起重机性能质量的关键要素。吊臂在吊装过程中除了要承担重物的重力作用外，还受到自重的影响，变形挠度大，不仅限制了起重机械的起吊重量，还影响了起重机械的起吊精准度。同时由于大应力与大应变，增加了吊臂疲劳开裂的可能性，起重机械安全性和可靠性降低。
[0003]根据截面形式不同，吊臂分为桁架式吊臂和箱型吊臂。为了改善箱型吊臂的变形挠度，提高吊臂的抗变形能力和吊装精准度，现在通常由U型臂替代多边形臂。此外，现有技术还采用多种其他手段改善吊臂的抗变形性能，例如在末节臂的尾部增加超起装置，可以减少臂架的变形挠度，扩大使用范围。另外，增加筒壁钢材厚度也是提高刚度的方法，但增加筒壁厚度会增加吊臂自重，对吊臂支架、底盘等提出更高的要求，也不符合节能环保的发展趋势。
[0004]中国发明专利申请CN 102729488 A公开一种碳纤维复合材料臂架，利用碳纤维复合材料直接形成吊臂筒体，虽然在使吊臂自重减轻的前提下有效改善了吊臂性能，但较大地提高了材料成本，不适于实际应用。
[0005]有鉴于此，有必要提供一种箱型臂，以在较小地增加吊臂自重前提下，有效提高吊臂的抗变形能力。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种箱型臂，该箱型臂能够在自重增加较小的如提下，有效提尚抗变形能力和临界载荷，改善作业精准度。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型提供一种箱型臂，该箱型臂具有吊臂筒体，所述吊臂筒体具有强化区域，该强化区域以处于所述吊臂筒体的上侧表面上的横向线为中心并沿所述吊臂筒体的长度方向向所述横向线两侧延伸，其中，所述吊臂筒体的下侧表面具有工作支撑点，所述横向线为与该工作支撑点处于所述吊臂筒体的同一横截面上的假想线，并且，所述强化区域上设置有碳纤维加强层。
[0008]优选地，所述强化区域的长度为所述吊臂筒体的长度的4/5至5/6。
[0009]优选地，所述强化区域位于沿所述上侧表面的宽度方向的中间区域。
[0010]优选地，所述强化区域的宽度为所述上侧表面的宽度的1/2至4/5。
[0011]优选地，所述箱型臂为起重机用箱形吊臂。
[0012]优选地，所述箱形吊臂为位于起重机伸缩吊臂最外层的基本臂，所述工作支撑点为该基本臂的用于连接变幅液压缸的支撑连接点。
[0013]优选地，所述箱型吊臂为起重机伸缩吊臂中除最外层的基本臂之外的臂节，所述工作支撑点为该臂节完全伸出于前一节臂节时的滑块支撑点。
[0014]优选地，所述碳纤维加强层的纤维方向平行于所述吊臂筒体的长度方向。
[0015]优选地，所述碳纤维加强层通过胶粘剂连接于所述吊臂筒体上。
[0016]在此基础上，本实用新型还提供一种包括所述箱型臂的起重机械。
[0017]通过上述技术方案，将碳纤维复合材料胶接在吊臂筒体表面上，由于碳纤维复合材料密度远小于钢材，而强度远高于钢材，因而可以在极小地增加箱型臂自重前提下，有效提高抗变形能力，改善箱型臂及工程机械的性能。由于一定载荷下的变形减小，吊臂筒体端部的横向位移也随之减小，从而改善了作业精准度。此外，本实用新型的箱型臂制造过程容易实施、成本低，具有良好的应用前景。
[0018]本发明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】
[0019]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:
[0020]图1和图2分别是传统工艺制造的吊臂筒体的应力和横向位移分布图；
[0021]图3和图4分别是设有碳纤维加强层的吊臂筒体的应力和横向位移分布图；
[0022]图5所示为铺设碳纤维加强层前、后的吊臂筒体的横向位移与载荷的关系曲线；
[0023]图6是根据本实用新型【具体实施方式】的箱型臂的主视示意图；
[0024]图7是图6所示的箱型臂的截面视图；
[0025]图8是图6所示的箱型臂的局部放大图。
[0026]附图标记说明
[0027]I吊臂筒体 2工作支撑点
[0028]3碳纤维加强层4底胶层
[0029]H横向线W载荷
[0030]L横向位移
【具体实施方式】
[0031]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。
[0032]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示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
[0033]为了更好地理解本实用新型，首先结合图1和图2分析造成箱型臂变形量大、作业精度低的根本原因。首先需要说明的是，本实用新型提供的箱型臂，不仅可以用于起重机械等的伸缩臂上，还可以用于布料机等的折叠臂架上。在作业过程中，箱型臂的一端固定于回转台或上一节臂节上，中间部分由变幅液压缸或滑块的支撑，另一端支撑负载。经力学分析可知，在中间部分工作支撑点位置处的应力最大，支撑负载的端部的横向位移最大。其中，吊臂筒体上侧表面具有拉应力，下侧表面具有压应力。
[0034]图1所示为通过计算机模拟的吊臂筒体的应力分布图，其中，所述吊臂筒体模型的一端固定，另一端施加模拟负载，并且该模拟负载与吊臂筒体模型之间的夹角为45°，以通过简化的仿真方式模拟常见的作业工况。为便于说明，本实用新型将吊臂筒体上侧表面上的与工作支撑点处于同一横截面上的假想线称为横向线H。对于伸缩臂中的除基本臂外的其他臂节而言，由于在伸缩过程中滑块与这些臂节的相对位置不断变化，并且当这些臂节完全伸出时吊臂筒体具有最大应力和最大横向位移，因而其工作支撑点为当臂节完全伸出时滑块所在的支撑位置，则横向线H为所述上侧表面上的与该支撑位置处于同一横截面上的假想线。
[0035]由图1可以看出，应力从横向线H向两侧端部逐渐减小，且在横向线H位置处较为集中，容易发生变形或断裂失效。由图2可以看出，箱型吊臂从靠近回转台或上一节臂节的一端到横向线H的横向位移较小，而从横向线H至负载所在一端的横向位移逐渐增大，从而影响了负载吊装精度。
[0036]针对上述原因，参照图3至图8所示，可以在拉应力较为集中的区域(下称“拉应力区域”，对应于本实用新型的“强化区域”)针对性地设置碳纤维复合材料，以借助其优异的抗拉伸性能提升吊臂筒体的抗变形能力，提高箱型臂的临界载荷。
[0037]具体而言，通过在拉应力区域上设置碳纤维加强层3，由于碳纤维加强层3的密度远小于钢材，而强度远高于钢材，因而可以在极小地增加箱型臂自重的前提下，能够使该区域的应变有效减小，临界载荷显著提高；由于拉应力区域应变减小，一定载荷下吊臂筒体I端部的横向位移也随之减小，从而改善了作业精准度。
[0038]图3所示为通过计算机模拟的本实用新型的箱型臂中吊臂筒体I的应力分布图，其中，所述吊臂筒体模型的一端固定，另一端施加模拟负载，并且该模拟负载与吊臂筒体模型之间的夹角为45°。与图1相比，吊臂筒体I上的应力显著减小。比较图4和图2可以看出，负载所在一端的横向位移减小，改善了吊装精度。
[0039]进一步地，针对图1所示的应力分布，本实用新型所述的强化区域的长度约为吊臂筒体I的长度的4/5至5/6，因而可以在该区域设置碳纤维加强层3。
[0040]本实用新型提供的箱型臂优选为起重机用箱型吊臂。在起重机上各个臂节中，最外层的基本臂在作业过程中负载最大，因此，上述箱型吊臂优选为位于起重机伸缩吊臂最外层的基本臂。相应地，工作支撑点2为该基本臂的用于连接变幅液压缸的支撑连接点。
[0041]对于基本臂以外的其他臂节而言，需要通过滑块支撑。为避免滑块与碳纤维加强层3相互干涉，碳纤维加强层3的设置区域可以为吊臂筒体I上侧表面宽度方向的部分区域。例如，拉应力区域位于沿所述上侧表面宽度方向的中间区域，以在强化区域两侧布置滑块。进一步地，强化区域的宽度可以为所述上侧表面的宽度的1/2至4/5。
[0042]本实用新型针对地在吊臂筒体I上侧表面设置碳纤维加强层3，以减小变形和应力。作为一种较为优选的实施方式，碳纤维加强层3的纤维方向平行于吊臂筒体I的长度方向，以最大程度地发挥碳纤维材料的抗拉伸性能。
[0043]在此基础上，本实用新型还提供一种起重机械，该起重机械包括本实用新型提供的所述箱型臂。
[0044]图5所示为吊臂筒体I的负载端在设置碳纤维加强层3前、后的横向位移L与载荷W的关系曲线，其中曲线B为铺设碳纤维加强层3之前，曲线A为铺设碳纤维加强层3之后。由图可知，设置碳纤维加强层3后，在相同载荷W下，吊臂筒体I的负载端的横向位移L显著减小，抗变形能力提高15%以上；设置负载后的临界载荷提高约5%以上。
[0045]可以通过多种方式在上述拉应力区域设置碳纤维加强层3。以下对本实用新型提供的箱型臂的制造工艺进行说明，该制造工艺不仅包括新产品的研发、制造，还可以为产品修复和再制造过程。
[0046]具体地，箱型臂具有吊臂筒体1，该吊臂筒体I具有对应于强化区域的待强化区域，所述制造工艺包括以下步骤:第一，将所述吊臂筒体I两端固定，在所述吊臂筒体I的上侧表面施加朝向下侧表面的载荷，以使所述上侧表面具有压应力；第二，将胶粘剂涂在所述待强化区域形成底胶层4 ;第三，在所述底胶层4上铺设碳纤维复合材料，以将该碳纤维复合材料胶接至所述待强化区域；第四，使所述底胶层4和所述碳纤维复合材料固化成型，以形成碳纤维加强层3，由此形成所述吊臂筒体的加强区域；第五，移除所述载荷，以使所述碳纤维加强层3处于预拉伸状态。形成所述底胶层4的胶粘剂可以有多种选择，只要其能将碳纤维复合材料胶接至吊臂筒体I上即可。所述碳纤维复合材料可以为碳纤维单向布或碳纤维预浸布。
[0047]将碳纤维复合材料胶接在吊臂筒体I表面上，由于碳纤维复合材料密度远小于钢材，而强度远高于钢材，因而可以在极小地增加吊臂筒体I自重前提下，有效提高抗变形能力，改善箱型臂的性能。在设置底胶层4和碳纤维复合材料之前，通过在上侧表面施加载荷，以在制造完成后使得碳纤维加强层3处于预拉伸状态，能够显著提升箱型臂的临界载荷和抗变形能力。此外，该箱型臂的制造工艺不改变臂架的整体结构，相比于现有技术中利用碳纤维复合材料直接形成吊臂筒体，本实用新型的增强效果良好并且容易实施、成本低，具有良好的应用前景。以下对该制造工艺进行详细阐述。
[0048]本实用新型采用的胶粘剂可以有多种选择，优选地，胶粘剂固化后的力学性能满足抗拉强度大于40MPa，且弹性模量大于4000MPa。当采用胶粘剂将碳纤维复合材料胶接至钢制吊臂筒体I时，其拉伸剪切强度优选为大于18MPa。此外，底胶层4的厚度为
0.05mm-0.1mm时，具有较好的胶接效果。本实用新型【具体实施方式】中采用的胶粘剂为环氧树脂。
[0049]形成底胶层4后，即可铺设碳纤维复合材料。所述碳纤维复合材料可以为碳纤维预浸布(如环氧树脂基碳纤维预浸布)或碳纤维单向布，并优选为使纤维方向平行于吊臂筒体的长度方向。若采用碳纤维预浸布，可以直接一层接一层地堆叠在底胶层4上，叠放层数为8层-15层；若采用碳纤维单向布，需首先在该碳纤维单向布上涂抹胶粘剂至充分浸渍，然后再铺放下一层碳纤维单向布，依此交替重复地铺放4层-8层碳纤维单向布。
[0050]碳纤维复合材料铺设完成后，还需对其固化成型。在该布置中，为避免残留空气影响增强效果，需排出容纳在胶粘剂及碳纤维复合材料中的空气。具体地，利用真空袋膜密封加强区域，利用真空泵抽出真空袋膜内的空气，使该密封空间内形成负压，如-0.099MPa，然后进行固化。在排出空气和固化过程中，可以在真空袋膜与加强区域之间设置脱膜层、隔离网和排气管中至少一者，其中，脱膜层便于固化后去除真空袋膜；隔离网有助于胶粘剂的流动，使碳纤维复合材料均匀地胶接至吊臂筒体上；排气管便于真空泵抽气。
[0051]对于不同形式的碳纤维复合材料，固化过程可以不同。对应碳纤维预浸布，所述固化的过程可以为使所述加强区域处于如下环境中:以2°C /分钟-3°C /分钟的升温速度升至120°C -150°C，保温80分钟-120分钟；对于碳纤维单向布，所述固化的过程可以为使所述加强区域在20°C _25°C温度环境下保持5天-8天，称为室温固化，或者在70°C _80°C温度环境下保持30分钟-60分钟，称为热固化。
[0052]通过上述五个基本步骤，可以完成吊臂筒体的增强作业。优选实施方式的制造工艺中，为了便于将胶粘剂涂在吊臂筒体上并稳固胶接，可以在涂胶粘剂之前，对待强化区域进行表面处理，该表面处理主要用于除掉加强区域的油漆、污物、氧化层等杂质。除掉这些杂质可以有多种方法可选，例如使用砂纸打磨。本实用新型提供的优选实施方式为通过表面喷砂处理增加加强区域的清洁度和粗糙度，且粗糙度最好大于3.2 μ m。进一步地，可以在上述表面喷砂处理后，采用丙酮溶剂清洗该加强区域，以使之适于形成底胶层4。
[0053]此外，在上述固化成型步骤之后，还可以包括第六步骤:表面防护处理，以去除真空袋膜及其他材料，并对固化后的加强层进行修补，还可以在箱型臂表面上喷涂防护涂料(如腻子粉、油漆等)。
[0054]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。
[0055]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。
[0056]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。
【权利要求】
1.一种箱型臂，该箱型臂具有吊臂筒体(I)，其特征在于，所述吊臂筒体(I)具有强化区域，该强化区域以处于所述吊臂筒体⑴的上侧表面上的横向线⑶为中心并沿所述吊臂筒体(I)的长度方向向所述横向线(H)两侧延伸，其中，所述吊臂筒体(I)的下侧表面具有工作支撑点(2)，所述横向线(H)为与该工作支撑点(2)处于所述吊臂筒体(I)的同一横截面上的假想线，并且，所述强化区域上设置有碳纤维加强层(3)。2.根据权利要求1所述的箱型臂，其特征在于，所述强化区域的长度为所述吊臂筒体(I)的长度的4/5至5/6。3.根据权利要求1所述的箱型臂，其特征在于，所述强化区域位于沿所述上侧表面的宽度方向的中间区域。4.根据权利要求3所述的箱型臂，其特征在于，所述强化区域的宽度为所述上侧表面的宽度的1/2至4/5。5.根据权利要求1所述的箱型臂，其特征在于，所述箱型臂为起重机用箱形吊臂。6.根据权利要求5所述的箱型臂，其特征在于，所述箱形吊臂为位于起重机伸缩吊臂最外层的基本臂，所述工作支撑点(2)为该基本臂的用于连接变幅液压缸的支撑连接点。7.根据权利要求5所述的箱型臂，其特征在于，所述箱型吊臂为起重机伸缩吊臂中除最外层的基本臂之外的臂节，所述工作支撑点(2)为该臂节完全伸出于前一节臂节时的滑块支撑点。8.根据权利要求1所述的箱型臂，其特征在于，所述碳纤维加强层(3)的纤维方向平行于所述吊臂筒体(I)的长度方向。9.根据权利要求1所述的箱型臂，其特征在于，所述碳纤维加强层(3)通过胶粘剂连接于所述吊臂筒体⑴上。10.起重机械，其特征在于，该起重机械包括根据权利要求1至9中任意一项所述的箱型臂。
【文档编号】B66C23-64GK204265321SQ201420528078
【发明者】刘延斌, 郭伦文, 曾维栋, 任会礼 [申请人]中联重科股份有限公司