【doc】拉挤—缠绕设备与工艺技术研究

【doc】拉挤—缠绕设备与工艺技术研究 拉挤—缠绕设备与工艺技术研究 第4期 1998年12月 纤维复台材料 兀BERC0MPoSrIES N0421 Dee.,1998 拉挤一缠绕设备与工艺技术研究 丁传荣 (哈尔滨玻璃钢研究所150036) 摘要 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制造了专门用于同拉挤机匹配的纤维缠绕设备,装在大 囊>/^型拉挤设备上,组成一台新型 的拉挤—熊绕机组.设计制造预成型和浸渍装置;研究了拉挤一缠绕工艺成型技术;试制出拉挤一缠 井鲨'镀关键词垫堑?竺竺拉挤缠绕墨宣笪整.t恂7 ABSTP,/~"Thispaperdeal~withfilmlent~ndlngdevicewhichmasheswith硼咖maehLneandis in.1edin&l虹pu~onmaetlS'letof0舯aIpI1?一windingmaehlne?DlgLlidesandrein ilnpiP~onbathmandmaII,pI】?一windingpllooe~isstudiedandrae~heaiealMbeen oo~kletedonthepuu—woundpiPeohtaixfingg?evaluable 1引言 纤维缠绕和拉挤成型都是复台材料工业中发展 历史最久.早已获得广泛应用的制造技术,把缠绕技 术功能1人拉挤工艺.组成拉挤一缠绕技术是拉挤 技术的新发展.纤维缠绕工艺的最突出特点是有可 能按复合材料结构的载荷需要,沿最佳方向布置增 强材料,制成高结构效率制品.特别适于制造内压 容器,固体火箭发动机壳体.管材和贮罐等复合材料 结构,在国防军工和国民经济建设 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中获得了广 泛应用.形成了相当规模的产业.然而,纤维缠绕技 术有一个明显的局限.沿制品轴向铺设纯纵向即 角度纤维较为困难,限制了它在某些结构类管状制 品制造中的应用. 拉挤技术1951年问世.与纤维缠绕技术刚好 相反,拉挤工艺的基本原理决定了它非常适合于连 续铺放单向()的无捻粗纱增强材料.制品的纵向 力学性能非常突出,而横向性能非常差,横向强度很 低,限制了拉挤制品的应用领域,限制了市场发展. 几十年来,拉挤制品的横向强度问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一直是决定和 制约拉挤工业发展的最核心技术问题之一.原材 料,拉挤工艺和结构设计研究都是紧紧围绕这个最 基本的技术问题展开的.在拉挤工艺中引入纤维缠 绕技术是这一领域的最新偿试.7O年代初纤维连 续毡的应用.使拉挤制品,尤其是各种型材的横向强 度问题.取得了突破性进展,为拉挤工业的发展做出 了极大贡献.可以说.没有连续纤维毡,在一定程度 上讲就没有拉挤工业的今天.后来陆续采用膨体无 捻粗纱,单向织物及编织带也对解决横向性能问题 发挥了有益作用.但应用并不普遍,也只解决了部分 问题.所有上述技术 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 都难以满足某些横向力学 性能或其它性能有特殊要求的工程需要.例如:超 高压输电工程中线路架设,带电作业,维修使用的操 作杆,抱杆,带电作业工具杆.绝缘梯粱及踏粱,既要 求特别高的弯曲强度及抗扭性能,又要求有极高的 绝缘强度,还要求特别轻的重量.这些产品一直从 国外进口.通常的拉挤制品无法满足使用要求.只 有采用拉挤一缠绕工艺制造.有一些小口径的杆类 结构制品,也只能采用拉挤一缠绕技术制造. 拉挤一缠绕技术最早在美国兴起,有设备和制 品出售,但未见工艺方面的报道.90年代初,我国 纤维复合材料l嘲年 引进的一台拉挤设备上附有拉挤一缠绕组合功能. 本文所述拉挤一缠绕设备及工艺技术研究始于 1991年.设计制造了专门与拉挤工艺配套用的缠 绕设备,装在大型拉挤机上,组成一台拉挤一缠绕机 组;设计制造了适合于拉挤一缠绕成型用的预成型 装置.对拉挤一缠绕工艺技术做了一系列深^研 究,优化工艺参数,针对各种电力操作及带电作业工 具的要求,研制成圆管制品,井做了各种性能测试. 2拉挤一缠绕系统 如前所述,所谓拉挤一缠绕工艺是在拉挤工艺 的固化成型之前的适当环节之间引人缠绕工艺,构 成一个以拉挤工艺为主,配以缠绕的复合材料成型 系统.纤维缠绕可以加在浸渍系统以前,即先缠绕, 后浸胶;也可以加在浸胶后,即先浸胶,后缠绕,缠绕 纤维经过二次浸胶;缠绕层可以在制品的最外层,也 可以放在管状制品的内,外表面,或者夹在两层单向 纤维中间.本文介绍的是单向纤维先浸胶,后缠绕, 缠绕纤维二次浸胶,缠绕层位于制品最外层.很显 然,从拉挤一缠绕结构的性能分析考虑,把缠绕层配 置在最外层是最合理的;但往往会给工艺带来一定 困难,特别是对较大直径圆管来说,在拉挤过程中容 易引起缠绕层的滑移和错位.影响拉挤工艺的顺利 实施和制品性能的一致性,在这种情况下,一般都把 缠绕层放在两个单向层之间.当直径较小时,如采 用适当的纱片宽度,就可避免上述缠绕层滑移和错 位.例如,本文所述拉挤一缠绕制品o16ra~管材, 在制造过程中未曾发生缠绕层滑移和错位.拉挤一 缠绕系统如图l所示. 粗炒一授溃一瑗成型一藿绕一二敬授豌,成型一牵引一成品 ?妒田0分妙顿@最溃槽及托子?吝横@予戚型模@左,右两千旋转方向的基绕 纱团 0二敬最腔@成型摸具@牵引装置.锯0成品 图1拉挤一缠绕工艺简图 无捻粗纱从纱团抽出后,经分纱板进入胶槽浸 胶,然后集束,预成型.在预成型单向纤维拉挤层上 按左,右旋转方向各缠,层纤维,进人二次浸渍槽浸 胶;摄后进人成型模具,由牵引器牵引拉出制品.拉 挤速度,缠绕角及缠绕运动之问的数学关系如下: 2.1缠绕设备,缠绕纱盘转速与拉挤速度的关系 2.1.1缠绕设备 拉挤设备配套的缠绕设备与连续纤维复合材料 缠绕机的环向缠绕类似,为大缠绕角螺旋缠绕,只是 芯模不旋转,只做轴向运动.一定数量的纱团分别 等量装在左,右两个方向旋转的纱盘上,纱盘载着纱 团绕芯模公转,同时纱团绕本身的纱轴自转,实现对 称双螺旋缠绕.纱团数,纱盘转速应同拉挤设备及 工艺配套,能根据不同直径的管状制品需要进行调 节.两个方向速度均匀一致,纱团装卸应方便而且 有合适的张力.最重要的是纱片铺放均匀一致,两 个方向对称. 21.2缠绕纱盘转速与拉挤速度的关系 将缠绕纱盘转速与每盘所用纱团数之积定义为 缠绕出纱速度w,设每盘所用纱团数为n,纱盘转速 为r,则: w=n?r(1) 设拉挤速度为v,每个缠绕纱团展成的纱片宽 度为b,为保证缠绕层厚度均匀一致,单位时间拉挤 位移必须等于缠绕的前进量.即拉挤速度和缠绕出 纱速度应有以下关系: 4期丁传荣:拉挤一缠绕设备与工艺技术研究 v=b-W 将(1)式代人,则: v=b?n-r 其中:y一拉挤速度,em/min; b__纱片宽度,em/团; r缠绕纱盘转速,转/rain; w一缠绕出纱速度,em?转/mln. 2.1.3缠绕线速度与缠绕角的关系 这两个量都与拉挤制品外径有关,缠绕线速度 Vi. =r.L L=It'-D 即:VL=r.不-D 一 制品外径,em. 缠绕角符合图2所示矢量关系: bn 圈2矢量关系 b?n ,/(b-n)+(加) 或噼= ,不D, arctg~ 对某一直径的管状制品适当选择b和n,可以 确保满足设计要求. 2.2预成型和浸渍 预成型向来对拉挤制品的性能起着非常重要的 作用,预成型和浸渍又往往互相关联,尤其对两次浸 渍更是如此.首先是单向纤维的浸渍,预成型,这和 通用拉挤工艺没有区别.而对缠绕层就不同了,第 一 要保证缠绕纤维浸透,其次使缠绕纤维与单向纤 维粘结良好,环向纤维层采用加压浸渍,配合适当预 成型模具,对单向层含胶量进行适当控制.这些都 是成功拉出制品的关键所在.同时环向缠绕纤维还 采用了预浸纱,用于电性能要求更高的制品,效果更 好. 另外,浸渍用胶要求体积收缩率要小,粘度适 中,收缩过大易造成单向纤维层开裂.粘度太大浸 渍不良,太小则易造成表面粗糙不完整. 3工艺试验 3.1试验且的 验证拉挤一缠绕工艺原理,可行性及各工艺参 数选择是否合理;并试制(1)16X2.5rmn拉挤一缠绕 管. 3.2试验设备 美国PI1的Pullstar2408大型拉挤设备,配以自 制专用缠绕设备. 成型模具选择(1)16模具配以中11的芯模. 3.3原材料选择 3.3.1无捻粗纱 单向纤维选择24(~Tex无碱无捻粗纱(重庆玻 璃纤维有限公司).缠绕纤维选择2400Th外抽头 无碱无捻粗纱(251厂). 3.3.2树脂 不饱和聚酯树脂196(253厂)加入高岭土填 料,加入适量引发剂,内脱模剂. 3.4试验过程 按图1所示工艺流程,首先用6o团粗纱经过导 纱,浸渍预成型,固化成型拉挤出(1)16X2.5tm'n单向 纤维管. 减少单向纤维粗纱到40团;加入缠绕纤维粗纱 8团,左,右旋各4团;经过上述工艺流程,试制出 (1)16X2.5mm拉挤一缠绕管. 采用此工艺还试制出~1,50X4和2X3.5拉挤 一 缠绕环氧管. 4拉挤一缠绕管的力学性能测试 正如前文所述,拉挤制品加入缠绕层的目的在 于提高其横向性能.因此,力学性能测试,选择了横 向抗压能力,弯曲强度,弯曲模量,抗扭转矩和扭转 角等几项,对(1)16x2.5mm拉挤单向纤维管和拉挤 一 缠绕管分别做了测试,同时还测得了它们的固化 度和含胶量. 横向抗压能力试件长度取60?hmn. 弯曲试件取长度300mm,跨距25嘶?. 纤维复合材籽1998在 表1单向拉挤管与拉挤一缠绕管性能比较 横向抗压弯曲强度弯曲模量抗扭转矩扭转角古胶量固化度 能力(kN)OtPa)")(?m) 单向拉挤管7.97?0.95386.4?21.92687?1.60.7753'27.890 _ 拉挤缠绕管67.72?7.54991?33.921.65?1.042.044.7'26.4788.? 洼:(1)直径tD16r,m~.壁厚2.5rma两种曾均相同. 扭转试件长度为250ram.有效扭转长度200ram. 以上试件均从制品上直接截取,不再加工,直接 装上有关夹具. 5结果和讨论 工艺试验证明,拉挤和缠绕各工艺环节及整体 布局合理可行,各环节运转正常,衔接顺利,原材料 选择合理,成功试制出拉挤一缠绕西l6×2.5nma不 饱和聚酯管和0×4mm,?2×3.5nma环氧管. 表1中的数据表明,拉挤一缠绕管的横向抗压 能力是拉挤单向纤维管的近8倍,根本上改善了拉 挤管状制品的横向性能.这是采用连续毡做增强材 料无法达到的.弯曲强度提高近30%,拉挤一缠绕 管的抗扭转矩是单向纤维拉挤管的2.6倍.0.775kg (上接第65页) 生物材料能耐受严酷的环境,具有优异的适应 性和功能,生物体作为耐受外力的理想结构产生了 各种各样的原材料组成和形态.特别是为了节省能 量而能耐受长时间的劳动和运动形成了轻质高强的 材料配置.本文为了认识这一状况,以软组织和硬 组织的生物材料为基础,对生物体的结构及其功能 进行了研究. 复合材料基本上是人造材料,是在传统材料开 发中少有的"需求志向型"材料.在这样的复合材料 中,塑料基复合材料是一种工艺性优异的材料,可满 足多种用途的需要,不仅有材料的机械特性,而且可 充分实现其功能特性. 本文主要论述了作为生物材料的适应性,在耐 受外力时进化成长起来的原材料结构及与其类似的 FRP的积层结构和夹层结构.但是作为人造材料这 种结构尚未完全确定,还可以开展新的研究.将来 在象这样的人造材料中适应多种需要的原材 ?m时的扭转角是单向纤维拉挤管的30%. 拉挤一缠绕管比单向纤维拉挤管的性能有了极 大改善,究其原因在于添加缠绕后的拉挤管极大提 高了沿单向纤维方向的抗剪切性能.从试验中可以 看到,单向纤维管的破坏主要是沿纤维方向上的剪 切破坏.而在拉挤一缠绕管上从未发生. 拉挤一缠绕管还表现出极好的韧性.弯曲试验 载荷变形曲线的后半段表觋出很大的非线性,破坏 表现为逐渐层问撕裂.扭转试验时表现为缠绕纤维 逐渐被拉断.而单向纤维管表现为近似脆性破坏. 拉挤一缠绕制品的性能可设计性很强,可通过 改变缠绕铺层及缠绕角改变其性能,可以满足各种 电力工程需要. 拉挤一缠绕管状结构制品在基础设施领域的应 用潜力是巨大的. 料开发将是重要课题.特别要大量开发新型FRP 材料,以适应高性能化,高功能化的需要.因此.在 这样的材料开发中,生物材料的结构与功能对实际 材料和结构设计起着重要的作用. 参考文献 AW.}et..,Bistolo~y8血ed.HldBdda-.IBLipPin啉t(19卯) 官^裕夫.工棠材料.1992.柏(9):101 古韩英,.工集材料.1994,42(8):20 E.N.~farrieh.HumanAnatomyandPt岫IqMinima1.The Benjm'~n/CmmnlngsPubCo.1985:57 s.A.~'ainvnidt81一,MedumicalDesignin0rI脚陆.呦- Univ.P嘲.1975:260 T.0f,K.枷et..tFRPsaIldwidIP~aelsccIIe瓤 枷n?forNItI射lmi咖and日ec口cshield.f0f5出 Jap衄InttmuttimudSAMPESysFosann10.1997 张淑萍译 白淳岳校