CN102494009A - 一种冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺，属冷却塔传动轴技术领域。它包括筒体和与其两端固接的法兰盘；成型方法包括用不同模具分别成型该传动轴的筒体和法兰盘的步骤，以及将筒体和法兰盘固接为一体的步骤；其中，筒体由纤维增强材料和环氧树脂采用湿法缠绕后固化而成；该筒体由内至外依次设有抗扭转层、刚度层和外保护层；抗扭转层、刚度层和外保护层的厚度均相同；法兰盘由手糊工艺模压成型，取2个分别粘接于该筒体的两端；在筒壁与法兰盘粘接处还装有固定用的复合材料销钉。其传动轴及其成型方法可有效增强传动轴的刚度，传动扭矩的承受力高，成本低，同时，消除了金属材料的磁性，降低了热膨胀系数和噪音系数，易于推广应用。

Description

一种冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺

技术领域

本发明涉及一种传动轴及其成型工艺，具体讲是一种冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺，属冷却塔传动轴技术领域。

背景技术

传动轴是冷却塔的关键部件之一，其性能对整个冷却塔风机的效率影响很大。该传动轴安装在减速机和电机之间，起传递扭矩和传递电动机动力的作用。目前，冷却塔用的传动轴主要采用合金钢、铝合金、镁合金或钛合金等金属材料制作，而金属材质的传动轴，其重量偏重，传动效率低，噪声系数高，热膨胀系数高，使用寿命短，成本高；因此，限制了冷却塔的改进与发展，无法满足经济和技术的高速发展对冷却塔配套产品的性能要求和市场需求。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可降低传动轴的重量，提高传动效率，降低噪声，有效延长传动轴的使用寿命，成本低的冷却塔用复合材料传动轴及其成型工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案；一种冷却塔用复合材料传动轴，它包括筒体和在筒体两端固接的法兰盘；其特征在于：所述筒体的侧壁由浸渍过环氧树脂的纤维增强材料缠绕固化而成；该筒壁由内至外依次设有抗扭转层、刚度层和外保护层；所述抗扭转层、刚度层和所述外保护层的厚度均相同；所述法兰盘为2个，分别粘接于该筒体的两端；在所述筒壁与所述法兰盘粘接处还装有固定用的复合材料销钉。

上述每端的法兰盘与该端筒壁相接处沿圆周向各设有4-8个固定所述复合材料销钉的通孔。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种冷却塔用复合材料传动轴的成型方法，包括用不同模具分别成型该传动轴的筒体和法兰盘的步骤，以及将所述筒体和法兰盘固接为一体的步骤；其特征在于：所述筒体的成型由纤维增强材料和环氧树脂采用湿法缠绕后固化而成；其中，筒体的侧壁包括内层和外保护层，内层由内至外依次为抗扭转层和刚度层；所述外保护层紧贴该刚度层的外侧；所述法兰盘由纤维布材料和树脂基体材料采用手糊工艺模压而成；该法兰盘为2个，分别粘接于所述筒体的两端；在所述筒体与所述法兰盘粘接处还安装有固定用的复合材料销钉。

上述筒体成型的具体步骤如下：1）对预制的芯模表面进行清理，涂抹脱模剂；2）将浸渍过环氧树脂的纤维增强材料缠绕至芯模上，分别依次形成所述抗扭转层、刚度层和外保护层构成复合层；3）将步骤2）缠绕在芯模上的复合层一同放入固化炉内加热固化；4）取出，自然冷却后，脱模；然后将其进行打磨、除去浮胶，成型为所述筒体。

其中，步骤2）中的抗扭转层和刚度层采用的纤维增强材料为碳纤维；外保护层采用的纤维增强材料为玻璃纤维；其中，抗扭转层先以45°方式缠绕一层，以—45°方式缠绕第二层，然后重复1-2圈缠绕三次；再以89°方式缠绕三层，直至缠绕厚度为0.25mm；刚度层先以15°方式缠绕第一圈，再以—15°方式缠绕第二圈；重复1-2圈缠绕方式，直至缠绕厚度为0.25mm；所述外保护层以89°方式缠绕，其缠绕厚度为0.25mm；所述抗扭转层、刚度层和外保护层的缠绕宽度为所述筒体的长度。

上述步骤3）中所用的固化炉，功率大于50KW，升温速度为0.5-2℃/min；其加热固化的过程是将该固化炉的温度由室温升温到88-92℃，保温2h；再升温118-122℃，保温2h后自然冷却。

上述法兰盘的手糊工艺用环包和搭包相结合的方式糊制；所用的纤维布材料为方格布和沃兰布；所用的树脂基体为环氧乙烯基树脂；具体步骤为：A）在法兰盘的阳模内将多层方格布和多层沃兰布交叉铺覆其内，同时在其上涂抹环氧乙烯基树脂，用手糊糊制在该阳模上；再将阴模与该阳模扣接；2）将步骤1）扣接为一体的模具放入压机内，升温合模，将气泡挤出；加温加压固化后，自然冷却后脱模；3）将脱模后的法兰盘外表打磨，即成型为所述法兰盘。

其中，步骤1）中的方格布为40-45层，每层方格布的厚度为0.4mm；沃兰布为8-10层，每层沃兰布的厚度为0.2mm；方格布与沃兰布以1∶5的数量比交叉铺设；步骤2）所用的压机为315吨压机；升温合模的温度为60℃；施加的压力为8MPa；再将温度升至80℃，保温1h后断电降温。

上述的筒体和法兰盘固接为一体的步骤，具体操作如下：先将2个法兰盘分别与所述筒体两端用常温固化的环氧树脂粘接固定；再在法兰盘与筒壁相接位置的中部沿圆周向开设有4-8个固装所述复合材料销钉的通孔，最后用复合材料销钉插入通孔内将法兰盘和筒体的两端固定连接。

其中，复合材料销钉是由玻璃纤维无捻粗纱经聚酯树脂浸渍后，经拉挤机牵引、预成型、热模固化、定长切割加工而成；其中，热模固化的温度为120-180℃；复合材料销钉的直径为5mm，定长为9-11mm。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：1、用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料手糊模压成型的传动轴，与传统金属传动轴相比，重量减轻40～70％；解决了金属传动轴因其跨度大随长度加大临界转速降低问题；同时，该传动轴还减少了支撑轴承和连接结构，降低消极重量；增强其稳定性；2、由于采用了经环氧树脂浸渍后的碳纤维和玻璃纤维制作传动轴的筒体和两端的法兰盘，与金属材料相比可显著降低噪声；传动效率比金属传动轴高出4%以上；同时，热膨胀系数低，使其在使用过程中，耐腐蚀、耐磨损、免维护、无磁性；使用寿命长且节能降耗30%以上；3、碳纤维复合材料传动轴可以国产化，其成本可降低40%以上；易于推广应用。

附图说明

图1为复合材料传动轴的正面剖示图。

图2为复合材料传动轴的制作工艺流程。

具体实施方式

如图1所示，本发明冷却塔用复合材料传动轴，包括筒体和在筒体两端固接的法兰盘1、5；筒体的侧壁由浸渍过环氧树脂的纤维增强材料层缠绕而成；侧壁分设有内层3和外防护层4；内层3由内至外分别为抗扭转层和刚度层，均由碳纤维浸渍环氧树脂后缠绕而成；与刚度层外表面相接为外防护层4，该外防护层4由玻璃纤维浸渍环氧树脂后缠绕而成；外防护层4；抗扭转层、刚度层和外保护层的厚度相同，均为0.25mm；法兰盘1和法兰盘5的结构相同，分别粘接于该筒体的两端；每端的法兰盘与该端筒壁相接处的中部沿圆周向各设有4-8个固定筒壁与法兰盘的复合材料销钉孔，该销钉孔最佳开设6个。

上述复合材料传动轴的成型方法包括用不同的模具，分别成型该传动轴的筒体和法兰盘的步骤；且将所述筒体和法兰盘固接为一体的步骤；其中，筒体的成型由纤维增强材料和环氧树脂采用湿法缠绕工艺固化而成；该筒体的侧壁包括内层和外保护层，其中，内层由内至外依次为抗扭转层和刚度层；抗扭转层、刚度层与外保护层的厚度比为1∶1∶1；其筒体成型的具体步骤如下：1）对预制的芯模表面进行清理，涂抹脱模剂；2）将浸渍过环氧树脂的纤维增强材料密集缠绕至芯模上，分别形成抗扭转层、刚度层和外保护层构成所述筒体；3）将所述筒体与芯模一同放入固化炉内加热固化；4）自然冷却；脱模；然后对其表面进行打磨、除去浮胶，成型为所述筒体。

上述步骤2）中，抗扭转层和刚度层采用的纤维增强材料为碳纤维；外保护层采用的纤维增强材料为玻璃纤维；具体缠绕方式为：在芯模上用经过环氧树脂浸渍过的碳纤维先以45°方式缠绕一圈，以—45°方式缠绕第二圈；重复1-2圈的缠绕方式连续缠绕三层；再以89°方式缠绕三层，直至缠绕厚度为0.25mm形成抗扭转层；然后在其外，继续用经过环氧树脂浸渍过的碳纤维以15°方式缠绕第一圈，再以—15°方式缠绕第二圈；重复1-2圈缠绕方式连续缠绕，直至缠绕厚度为0.25mm形成刚度层；在刚度层的外侧用经过环氧树脂浸渍过的玻璃纤维以89°方式连续缠绕，缠绕厚度至0.25mm厚时形成外保护层；上述的抗扭转层、刚度层和外保护层的缠绕宽度均为该筒体的长度。

上述步骤3）所用固化炉的功率大于50KW，升温速度为0.5-2℃/min；其加热固化的过程是将该固化炉的温度由室温升温到88-92℃，保温2h；再升温118-122℃，保温2h后自然冷却。

法兰盘设有2个，均由纤维布材料和树脂基体材料采用手糊方式模压而成，纤维布材料选用方格布和沃兰布；树脂基体材料选用环氧乙烯基树脂。

法兰盘的手糊工艺采用常规的环包和搭包相结合的方式糊制；具体步骤如下：A）在法兰盘的阳模内将多层方格布和多层沃兰布交叉铺覆其内，同时在其上涂抹环氧乙烯基树脂，用手糊糊制在该阳模上；再将阴模与该阳模扣接；B）将步骤A）扣接为一体的模具放入压机内，升温合模，将气泡挤出；加温加压固化后，自然冷却后脱模；C）将脱模后的法兰盘打磨即成型为所述的法兰盘。

步骤A）中多层的方格布为40-45层，每层方格布的厚度为0.4mm；多层的沃兰布为8-10层，每层沃兰布的厚度为0.2mm；方格布与沃兰布以1∶5的数量比交叉铺设；步骤B）所用的压机为315吨压机；升温合模的温度为60℃；施加压力8MPa后，再将温度升至80℃，保温1h后断电降温。

2个法兰盘分别粘接于该筒体的两端；筒壁与法兰盘的连接采用常温固化的环氧胶粘接固定；在法兰盘与筒壁相接段的中部沿圆周向开设有4-8个安装复合材料销钉的通孔；本实例中所用的常温固化胶为环氧常温胶。

复合材料销钉的加工方法采用玻璃纤维无捻粗纱经聚酯树脂浸渍后，在拉挤机牵引作用下预成型、在120-180℃的热模中固化、定长切割而成；该复合材料销钉的直径为5mm、长度为9-11mm。

筒壁与法兰盘的厚度相同，均为20mm；；通孔最佳开有6个；复合材料销钉的数量与通孔开设的数量相同。

最后将筒体、复合材料法兰、复合材料销钉组装为一体，成型为该复合材料传动轴。

以下结合附图对本发明的方法作一详细介绍：

如图2所示：本发明复合材料传动轴的成型方法包括步骤如下：

步骤1、缠绕模具清理：在清理干净的模具表面，涂覆型号为XTEND 818脱模剂该脱模剂为市售产品。

步骤2、筒体抗扭转层、刚度层的缠绕成型；筒体侧壁的内层采用经环氧树脂浸渍后的碳纤维，通过纤维缠绕机按照设计的角度缠绕在金属芯模上；具体缠绕方式为：先以45°方式缠绕一圈，以—45°方式缠绕第二圈构成一层，然后重复1-2圈的方式缠绕三层；再以89°方式缠绕三层，直至缠绕厚度为0.25mm，形成抗扭转层；在该抗扭转层的表面以15°方式缠绕第一圈，再以—15°方式缠绕第二圈；重复1-2圈的方式缠绕，直至厚度为0.25mm，形成刚度层；其中，抗扭转层和刚度层中所用的纤维增强材料为碳纤维，其中，碳纤维选用市售的型号为T700-12K的碳纤维，环氧树脂选用本申请人生产的E251-1环氧树脂。

步骤3、外防护层成型；在刚度层的外面以89°方式连续缠绕，直至缠绕厚度为0.25mm，形成外保护层；所用的增强材料为玻璃纤维，玻璃纤维选用型号SC8-240W的高强纱，高强纱的断裂强力大于120N；所用的环氧树脂与抗扭转层、刚度层所用的环氧树脂相同。通常情况下，凡是适合湿法缠绕的高温固化环氧树脂在本实例中均适用；

上述步骤中的抗扭转层、刚度层和外保护层的缠绕宽度均为筒体的长度。

步骤4、将缠绕完成后的筒体和芯模一同置于固化炉内加热固化；其固化制度为：室温升温到90±2℃保温2h，再升温到120±2℃保温2h，自然冷却。所用的固化炉要求为：功率大于50KW，升温速度0.5～2℃/min。

步骤5、将模具从固化炉内取出，自然冷却后用脱模机脱模。

步骤6、经打磨机打磨筒体、去掉浮胶，成型为筒体。

步骤7、利用手糊模压方式成型法兰盘；其具体操作如下：

对所用的模压模具表面进行清理：用丙酮擦干净模具表面，涂上一层市售的，型号为XTEND 818脱模剂。

步骤8、取模压模具的阳模，用0.4mm方格布和0.2mm沃兰布交叉铺设，铺1层沃兰布，铺5层方格布，重复依次交叉铺设，方格布共铺40～45层，沃兰布共铺8～10层；每铺一层涂抹一层树脂基体，该树脂基体采用环氧乙烯基树脂，用手糊方式糊制在阳模上，再把阴模扣在阳模上，然后放到315吨压机上，升温至60℃，缓慢合模，将气泡挤出。

步骤9、向315吨压机内施加8Mpa的压力；再将温度升至80℃固化，保温1h后断电降温。 

步骤10、自然冷却后脱模，成型为法兰盘毛胚。

步骤11、用打磨机磨掉毛边，成型为法兰盘。

步骤12、将成型的筒体和法兰盘粘接；法兰盘为2个，分别位于筒体的两端；用常温固化的环氧树脂粘接固定；环氧树脂的型号为E251-1。

步骤13、加工复合材料销钉；复合材料销钉由纤维增强材料和树脂基体用拉挤成型方式加工而成；其中，纤维增强材料选用玻璃纤维无捻粗纱，树脂基体选用聚酯树脂；在常规的拉挤成型机的牵引作用下，玻璃纤维无捻粗纱经过聚酯树脂浸胶、预成型，在120～180℃的热模内固化，再进行定长切割，加工成复合材料销钉；该复合材料销钉的直径为5mm，定长为9-11mm；最佳为10mm。

步骤14、在法兰盘与筒体两端粘接位置的中部沿圆周向开设4-8个通孔；最佳为6个；通孔内插有复合材料销钉，用以加固法兰盘和筒体两端的连接。 

经过上述步骤成型的复合材料传动轴，按照QC/T523-1999《汽车传动轴总成台架试验方法》的标准，通过扭转试验台对用上述方法成型的复合材料传动轴进行的静扭强度试验、临界转速与固有频率的试验均可满足该标准的要求；可产业化生产。

Claims (10)

1.一种冷却塔用复合材料传动轴，它包括筒体和在筒体两端固接的法兰盘；其特征在于：所述筒体的侧壁由浸渍过环氧树脂的纤维增强材料缠绕固化而成；该筒壁由内至外依次设有抗扭转层、刚度层和外保护层；所述抗扭转层、刚度层和所述外保护层的厚度均相同；所述法兰盘为2个，分别粘接于该筒体的两端；在所述筒壁与所述法兰盘粘接处还装有固定用的复合材料销钉。

2.如权利要求1所述的传动轴，其特征在于：每端的所述法兰盘与该端筒壁相接处沿圆周向各设有至少4个固定所述复合材料销钉的通孔。

3.一种冷却塔用复合材料传动轴的成型方法，包括用不同模具分别成型该传动轴的筒体和法兰盘的步骤，以及将所述筒体和法兰盘固接为一体的步骤；其特征在于：所述筒体的成型由纤维增强材料和环氧树脂采用湿法缠绕后固化而成；其中，筒体的侧壁包括内层和外保护层，内层由内至外依次为抗扭转层和刚度层；所述外保护层紧贴该刚度层的外侧；所述法兰盘由纤维布材料和树脂基体材料采用手糊工艺模压而成；该法兰盘为2个，分别粘接于所述筒体的两端；在所述筒体与所述法兰盘粘接处还安装有固定用的复合材料销钉。

4.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：所述筒体成型的具体步骤如下：1）对预制的芯模表面进行清理，涂抹脱模剂；2）将浸渍过环氧树脂的纤维增强材料缠绕至芯模上，分别依次形成所述抗扭转层、刚度层和外保护层构成复合层；3）将步骤2）缠绕在芯模上的复合层一同放入固化炉内加热固化；4）取出，自然冷却后，脱模；然后将其进行打磨、除去浮胶，成型为所述筒体。

5.如权利要求4所述的成型方法，其特征在于：步骤2）所述抗扭转层和刚度层采用的纤维增强材料为碳纤维；所述外保护层采用的纤维增强材料为玻璃纤维；其中，抗扭转层先以45°方式缠绕一层，以—45°方式缠绕第二层，然后重复1-2圈缠绕三次；再以89°方式缠绕三层，直至缠绕厚度为0.25mm；刚度层先以15°方式缠绕第一圈，再以—15°方式缠绕第二圈；重复1-2圈缠绕方式，直至缠绕厚度为0.25mm；所述外保护层以89°方式缠绕，其缠绕厚度为0.25mm；所述抗扭转层、刚度层和外保护层的缠绕宽度为所述筒体的长度。

6.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：步骤3）所述固化炉的功率大于50KW，升温速度为0.5-2℃/min；其加热固化的过程是将该固化炉的温度由室温升温到88-92℃，保温2h；再升温118-122℃，保温2h后自然冷却。

7.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：所述法兰盘的手糊工艺用环包和搭包相结合的方式糊制；所用的纤维布材料为方格布和沃兰布；所用的树脂基体为环氧乙烯基树脂；具体步骤为：A）在法兰盘的阳模内将多层方格布和多层沃兰布交叉铺覆其内，同时在其上涂抹环氧乙烯基树脂，用手糊工艺糊制在该阳模上；再将阴模与该阳模扣接；2）将步骤1）扣接为一体的模具放入压机内，升温合模，将气泡挤出；加温加压固化后，自然冷却后脱模；3）将脱模后的法兰盘外表打磨，即成型为所述法兰盘。

8.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：步骤1）中的方格布为40-45层，每层方格布的厚度为0.4mm；沃兰布为8-10层，每层沃兰布的厚度为0.2mm；方格布与沃兰布以1∶5的数量比交叉铺设；步骤2）所述压机为315吨；升温合模的温度为60℃；施加的压力为8MPa；再将温度升至80℃，保温1h后断电降温。

9.如权利要求3-8任一项所述的成型方法，其特征在于：所述筒体和法兰盘固接为一体的步骤，其具体操作为：先将2个法兰盘分别与所述筒体两端用常温固化的环氧树脂粘接固定；再在所述法兰盘与筒壁相接位置的中部沿圆周向开设有4-8个固装所述复合材料销钉的通孔，最后用复合材料销钉插入通孔内将法兰盘和筒体的两端固定连接。

10.如权利要求9所述的成型方法，其特征在于：所述复合材料销钉是由玻璃纤维无捻粗纱经聚酯树脂浸渍后，经拉挤机牵引、预成型、热模固化、定长切割加工而成；其中，热模固化的温度为120-180℃；复合材料销钉的直径为5mm，定长为9-11mm。

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