CN102191873A - 无芯模制复合材料杆塔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种无芯模制复合材料杆塔及其制备方法，其特征是它由至少一层沿轴线方向的纵向纤维层（9）及缠绕在所述的每层纵向纤维层（9）上的至少一层斜向纤维缠绕层（10）组成，所述的纵向纤维层（9）和斜向纤维缠绕层（10）通过热固化胶粘结相连。制造的关键是在轴向纤维铺放完成后在中间旋转支撑环来用于斜向缠绕时的支撑代替现有的模具。本发明具有制造方便，成本低，制品强度高，重量轻，性价比高。

Description

无芯模制复合材料杆塔及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路用空心塔杆，尤其是一种利用复合材料制备的风力发电机组塔筒和高压电输电塔杆，具体地说是一种无芯模制复合材料杆塔的制备方法。

背景技术

目前，国内外输电线路中使用较为广泛的杆塔主要有木质杆塔、混凝土或预应力混凝土杆塔、钢管混凝土杆塔、钢管杆和铁塔等几类。因此,传统的输电杆塔普遍存在质量大、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷，耐久性差，使用寿命较短并且施工运输和运行维护困难，容易出现各种安全隐患。木材杆会遭到腐蚀，钢材会生锈，因此需要定期的检查及维修。防锈复合剂的使用也对环境产生有害的作用。即使环境问题能解决，钢材比较重也不易于操作。混凝土杆比钢材更重。但其运输及操作混凝土杆塔的费用更大。

复合绝缘杆塔已被推荐作为木杆、钢材和/或混凝土杆的优异替换物，因为聚氨酯复合绝缘杆塔具有强度高、质量轻、耐腐蚀以及耐疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，非常适于制造输电杆塔。

风力发电机塔杆是一种柔性结构，工作环境恶劣，长期承受风载荷和重力和塔筒自重等负载作用，合理设计塔杆强度刚度，特别是选材，关系到发电机组的正常运行。风力发电组塔杆是一种薄壁圆筒结构，机组运行时，塔筒在外载荷的作用下发生变形和位移。其中作用在塔顶的轴向压力和旋转力矩对塔筒的稳定性分析影响最大。当外载荷达到一定的值时，弯矩的增大会导致塔筒某一截面超出其屈服极限，局部失稳，使得塔筒发生破坏。目前的复合材料大型圆柱或圆锥形纤维铺放只有横向，没有轴向铺放，未能够运用到此领域。其原因是装备难以实现，随着现代的设计、制造、材料等诸多技术的发展，在装备上已解决轴向铺放制造及根据输电线路杆塔和风力发电机塔筒强度要求发明出带有轴向铺放的纤维结构，从而解决了大型管材的强度问题。

输电线路复合绝缘杆塔的应用现状：

传统的输电杆塔普遍存在质量大、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷，耐久性差，使用寿命较短并且施工运输和运行维护困难，容易出现各种安全隐患。归纳起来如下：钢材会生锈，因此需要定期的检查及维修。防锈复合剂的使用也对环境产生有害的作用。即使环境问题能解决，但刚才比较重也不易于操作。此外，钢材是导电的，即使及其小心地使电装置与杆相绝缘，但日常的风暴破坏会使杆带电。还有，钢材是一种昂贵的材料。

但据申请人所知目前国内现有的生产FRP复合材料圆柱形管的缠绕机均为卧式缠绕机，纤维方向只有一种形式，即交叉环向缠绕，均无轴向纤维铺放，不能满足结构件力学性能刚度要求，只有增加制品厚度来提高刚度，这样就造成材料成本大、原材料浪费、产品重量偏重，给运输、安装、施工都有不便，另外，也浪费了大量不可再生资源。

此外，目前也有部分带有纵向纤维的复合材料塔杆，但这种塔杆在制备时均需要使用模具，由于热固溶胶的影响，这种管件制备过程中的脱模难度相当大，使得制造成本很高，从而制约了此类杆塔的实际应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的发电、输电杆塔制备过程中要么不具备纵向纤维造成抗拉强度不高，要么存在制备过程复杂，需要尺寸相配的模具，造成模具成本高、脱模困难等一系列问题，发明一种无需模具即可制备出带有轴向纤维的复合材料杆塔的方法。

本发明的技术方案之一是：

一种无芯模制复合材料杆塔，其特征是它由至少一层沿轴线方向的纵向纤维层9及缠绕在所述的每层纵向纤维层9上的至少一层斜向纤维缠绕层10组成，所述的纵向纤维层9和斜向纤维缠绕层10通过热固化胶粘结相连。

所述的无芯模制复合材料杆塔的截面形状为圆管形、方管形或六边形，所述的截面面积为一头大，一头小且平滑过渡。

本发明的技术方案之二是：

一种无芯模制复合材料杆塔的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步，将复合材料纤维从张力纱架1中引出，经过安装在纱架1上的恒温料槽3充分浸渍后送入同样安装在纱架1上的铺放机头4中引出；

第二步，将铺放机头4引出的经过浸渍的复合材料纤维的一端固定在第一伺服旋转机头5上的固定扣上；

第三步，驱动张力纱架1沿导轨2移动到第二伺服旋转机头6处并将从第一伺服旋转机头5引过来的复合材料纤维固定在第二伺服旋转机头6上的固定扣上，第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6之间的距离与最终成形的杆塔的长度相配；

第四步，使第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步旋转相同的角度，再驱动张力纱架1沿导轨2返回到第一伺服旋转机头5处并将复合材料纤维固定在第一伺服旋转机头5上对应的固定扣上，再使使第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步转过相同的角度，然后再驱动张力纱架2沿导轨2运动到第二伺服旋转机头处6，如此重复，直接完成轴各纤维的铺放，得到轴向纤维筒；

第五步，将与最终成形杆塔截面形状相配的若干支撑环7放入已铺好的轴向纤维筒中；

第六步，驱动第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步旋转的同时驱动纱架1沿导轨2往复运动，控制旋转和往复运动速度使最终形成的缠绕纤维层的夹角满足设计要求；重复第二、三、四、六步或单独重复第六步，或者重复第六步几次后再重复第二、三、四步再重复第六步，直至铺放层的厚度达到设计值的要求，即完成纤维层的铺放，得到带有至少一层轴向铺放层和至少一层斜向缠绕层的纤维筒；

第七步，将完成铺放的纤维筒推入烘箱或直接将烘箱罩装在纤维筒上进行热固定型，热固定型结束后将所得的复合材料杆塔从烘箱中移出或直接将烘箱从复合材料杆塔上移走即可。

所述的恒温料槽3的出口端安装有纤维扩展及胶量控制板。

所述的复合材料纤维为碳纤维或玻璃纤维，所述的浸渍用胶为热固溶性胶（环氧树脂）。

所述的复合材料杆塔的截面形状为圆形或多边形，且一端截面的面积大于另一端的截面的面积，大端面积与小端面积之间平滑过渡；所述的第一伺服旋转机头5的直径大于第二伺服旋转机头6的直径。

本发明的有益效果：

本发明在制备过程中不仅无需模具，而且带有轴向纤维层，因而具有制品强度高，制造成本低的突出优点。本发明既有轴向纤维铺放，又有横向缠绕纤维，既抗扭曲，又抗弯曲，尤其适用于替代现有的输电线路杆塔和风力发电塔杆。

本发明的复合材料杆塔具有：

1、安装、维护成本低；复合绝缘杆塔的重量轻特点使其可用直升机运载，重量轻还意味着安装速度加快和节省人力。复合绝缘杆塔是一种免维护或低维护结构，这对保障线路安全和降低输电线路的维护成本很有意义。

2、耐腐蚀：复合绝缘杆塔对酸、碱、盐和有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土地区及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。

3、温度适应性强：复合绝缘杆塔几乎适用于各种气象条件而不改变性能，特别适用于高寒地区使用。高寒地图混凝土杆塔常发生冻融循环破坏，而铁塔常发生低温冷脆破坏。

4、可设计性好：复合绝缘杆塔有别于其他杆塔的重要特点是材料可设计性，可以根据特殊的结构性能要求选择基体和纤维材料及其相对含量和铺层方向等进行合理的设计，以满足对杆塔强度、刚度、疲劳特性和产品色彩等多方面的要求，以充分发挥复合材料强度高的优点，经济地使用材料。

5、维护性好：复合绝缘杆塔由于耐久性好，基本上是一种免维护的结构，这对保障线路安全、降低输电线路的维护成本很有意义。

大型的风力塔筒可以现场制造，从而减少大直径长途运输问题，并降低运输成本。

附图说明

图1是本发明的复合材料杆塔的结构示意图。

图2是本发明的复合材料杆塔生产设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示。

一种无芯模制复合材料杆塔，其截面形状为圆管形或多边形（如方管形、菱形或六边形），所述的截面面积为一头大，一头小且平滑过渡，它由至少一层沿轴线方向的纵向复合材料（如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，下同）纤维层9及缠绕在所述的每层纵向复合材料纤维层9上的至少一层斜向复合材料纤维缠绕层10组成，所述的纵向纤维层9和斜向纤维缠绕层10通过热固化胶粘结相连，如图1所示。

图1所示的无芯模制复合材料杆塔的制备方法如下所述，制备所必不可少的设备如图2所示，制造方法为：

第一步，将复合材料纤维从张力纱架1中引出，经过安装在纱架1上的恒温料槽3充分浸渍后送入同样安装在纱架1上的铺放机头4中引出；必要时还应控制铺放机头引出的复合材料纤维的含水率（可参见相关设计手册或在先申请专利的描述），必要进还应使恒温料槽3具有摊放及滤胶功能，将原来成束的纤维分摊成平行的束状并挤去多余的胶量（如环氧树脂）；

第二步，将铺放机头4引出的经过浸渍的复合材料纤维的一端固定（可采用绕结的方法进行）在第一伺服旋转机头5上的固定扣上；

第三步，驱动张力纱架1沿导轨2移动到第二伺服旋转机头6处并将从第一伺服旋转机头5引过来的复合材料纤维固定在第二伺服旋转机头6上的固定扣上，第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6之间的距离与最终成形的杆塔的长度相配；从图2中可看出，恒温料槽3和铺放机头4同时安装在纱架1上或与纱架1一起同时安装在一个行走小车上；

第四步，使第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步旋转相同的角度，再驱动张力纱架1沿导轨2返回到第一伺服旋转机头5处并将复合材料纤维固定在第一伺服旋转机头5上对应的固定扣上，再使使第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步转过相同的角度，然后再驱动张力纱架2沿导轨2运动到第二伺服旋转机头处6，如此重复，直接完成轴各纤维的铺放，得到轴向纤维筒（图1中附图标记9所示）；

第五步，将与最终成形杆塔截面形状相配的若干支撑环7放入已铺好的轴向纤维筒中；支撑环的数量可根据最终成形产品的长度确定，一般来说可控制在3-5米放置一个支撑环，支撑环7的形状应与最终成形的杆塔的内孔相一致或匹配；

第六步，驱动第一伺服旋转机头5和第二伺服旋转机头6同步旋转的同时驱动纱架1沿导轨2往复运动，控制旋转和往复运动速度使最终形成的缠绕纤维层的夹角满足设计要求；重复第二、三、四、六步或单独重复第六步，或者重复第六步几次后再重复第二、三、四步再重复第六步，直至铺放层的厚度达到设计值的要求，即完成纤维层的铺放，得到带有至少一层轴向铺放层和至少一层斜向缠绕层的纤维筒；

第七步，将完成铺放的纤维筒推入烘箱或直接将烘箱罩装在纤维筒上进行热固定型，热固定型结束后将所得的复合材料杆塔从烘箱中移出或直接将烘箱从复合材料杆塔上移走即可得到如图1所示的锥台形（圆锥台或棱锥台）杆或塔。

这种杆或塔由于既有轴各纤维，又有缠绕纤维，因此其抗压和抗弯强度均很好，利用支撑环来代替现有的模具是本发明的关键，其余的参数如热固溶温度、时间、伺服旋转机头的同步旋转、行走小车的控制等问题均可采用现有技术加以实现或采用常规的电控装置即可实现，此外，具体实施时还可参照申请人在先申请的已经公开的有关复合材料成型所需的参数加以实现。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种无芯模制复合材料杆塔，其特征是它由至少一层沿轴线方向的纵向纤维层（9）及缠绕在所述的每层纵向纤维层（9）上的至少一层斜向纤维缠绕层（10）组成，所述的纵向纤维层（9）和斜向纤维缠绕层（10）通过热固化胶粘结相连。

2.根据权利要求1所述的无芯模制复合材料杆塔，其特征是其截面形状为圆管形、方管形或六边形，所述的截面面积为一头大，一头小且平滑过渡。

3.一种无芯模制复合材料杆塔的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步，将复合材料纤维从张力纱架（1）中引出，经过安装在纱架（1）上的恒温料槽（3）充分浸渍后送入同样安装在纱架（1）上的铺放机头（4）中引出；

第二步，将铺放机头（4）引出的经过浸渍的复合材料纤维的一端固定在第一伺服旋转机头（5）上的固定扣上；

    第三步，驱动张力纱架（1）沿导轨（2）移动到第二伺服旋转机头（6）处并将从第一伺服旋转机头（5）引过来的复合材料纤维固定在第二伺服旋转机头（6）上的固定扣上，第一伺服旋转机头（5）和第二伺服旋转机头（6）之间的距离与最终成形的杆塔的长度相配；

第四步，使第一伺服旋转机头（5）和第二伺服旋转机头（6）同步旋转相同的角度，再驱动张力纱架（1）沿导轨（2）返回到第一伺服旋转机头（5）处并将复合材料纤维固定在第一伺服旋转机头（5）上对应的固定扣上，再使使第一伺服旋转机头（5）和第二伺服旋转机头（6）同步转过相同的角度，然后再驱动张力纱架（2）沿导轨（2）运动到第二伺服旋转机头处（6），如此重复，直接完成轴各纤维的铺放，得到轴向纤维筒；

第五步，将与最终成形杆塔截面形状相配的若干支撑环（7）放入已铺好的轴向纤维筒中；

第六步，驱动第一伺服旋转机头（5）和第二伺服旋转机头（6）同步旋转的同时驱动纱架（1）沿导轨（2）往复运动，控制旋转和往复运动速度使最终形成的缠绕纤维层的夹角满足设计要求；重复第二、三、四、六步或单独重复第六步，或者重复第六步几次后再重复第二、三、四步再重复第六步，直至铺放层的厚度达到设计值的要求，即完成纤维层的铺放，得到带有至少一层轴向铺放层和至少一层斜向缠绕层的纤维筒；

    第七步，将完成铺放的纤维筒推入烘箱或直接将烘箱罩装在纤维筒上进行热固定型，热固定型结束后将所得的复合材料杆塔从烘箱中移出或直接将烘箱从复合材料杆塔上移走即可。

4.根据权利要求3所述的无芯模制复合材料杆塔的制备方法，其特征是所述的恒温料槽（3）的出口端安装有纤维扩展及胶量控制板。

5.根据权利要求3所述的无芯模制复合材料杆塔的制备方法，其特征是所述的复合材料纤维为碳纤维或玻璃纤维，所述的浸渍用胶为热固溶性胶。

6.根据权利要求3所述的无芯模制复合材料杆塔的制备方法，其特征是所述的复合材料杆塔的截面形状为圆形或多边形，且一端截面的面积大于另一端的截面的面积，大端面积与小端面积之间平滑过渡；所述的第一伺服旋转机头（5）的直径大于第二伺服旋转机头（6）的直径。

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