CN104786515B - 一种纤维增强环的生产装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强环的生产装置及其制造方法，所述纤维增强环的生产装置包括：供粗纱捻缠绕的纱捻轴、芯模和驱动系统，所述驱动系统带动芯模作旋转运动，其中，还包括绕丝嘴和压平装置，所述纱捻轴、绕丝嘴和压平装置依次排列，所述绕丝嘴内形成有供纱捻穿过的通孔，所述通孔的出口端呈扁平截面形状；本发明提供的纤维增强环的生产装置及其制造方法仅采用单向缠绕即可缠绕纤维增强环，克服了现有缠绕机空间联动的局限，改善了缠绕过程的搭桥和空洞等问题，提高了纤维增强环的性能，降低了生产工艺难度和复杂程度。

Description

一种纤维增强环的生产装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强环的生产装置及其制造方法，尤其涉及一种低温容器用纤维增强环及其制造方法。

背景技术

低温液化气体在工业上已得到广泛应用，但大部分低温液化气体都非常昂贵，如超导磁体中用于制冷的液氦，为了减少低温介质的蒸发，常用高真空多层绝热结构的“杜瓦”来盛装低温液体。在多层绝热容器中，处于低温的内容器和屏蔽层由拉环(或拉杆)连接至外容器。由于拉环(或拉杆)悬挂的载荷大，故要求其具有较好的力学性能。另外，拉杆上外界向内容器的导热为：

式1说明拉杆导热Q与其横截面积以及长度的关系，为了减少低温介质的蒸发，降低系统漏热，拉环(或拉杆)需保证较大的长径比(L/A)，即长度大而截面积小。在目前的磁共振设备或低温杜瓦罐中，跑道形拉环可以满足上述力学和导热性能要求，如图1所示。该拉环主要承受长度方向的单向拉伸载荷，几乎不承受剪切或弯曲载荷。

跑道形拉环常采用纤维湿法缠绕工艺绕制而成，即被树脂胶浸润的纤维纱绕图1形状芯模的周向缠绕，树脂固化后形成坚固的纤维增强拉环；纤维纱可使用碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维等各种新型的各向异性材料。简单的缠绕工艺流程请参见图2。

目前较常见的缠绕工艺为：纤维纱或粗纱捻8(fiber tows)从纱捻轴1(Reinforcement supply)上引出，充分展开并浸在盛有液态状环氧树脂体系(EpoxyMatrix，热固型)的树胶池或浸胶池2(Resin bath)中一定时间，待纤维丝上充分浸润树脂后，分散的纤维丝通过收捻头10(Traversing guidance eye)聚成纱捻，然后缠绕到一定形状的芯模6(mandrel)上。芯模6通过电机带动旋转(rotating mandrel)，将纤维沿芯模周向缠绕，同时收捻头10(Traversing guidance eye)按设计的进给量沿缠绕方向作往复横向运动(如图2双向箭头方向所示)，即可在芯模6上获得多层均匀分布的纱捻排布。后将此缠绕有纤维和树脂的芯模放入热烘箱中加热，待树脂固化后，脱去芯模，即得到指定形状的纤维增强复合材料(FRP，Fiber Reinforced plastic)。由于纤维在芯模旋转周向始终连续并堆叠成多层，故在此方向上具有较高的强度。

目前的缠绕工艺通常要求缠绕机具备至少两个方向的联动，即芯模旋转的同时，控制纤维纱在芯模旋转轴向的进给，形成纤维纱并排多层缠绕结构，请参见图3所示，此时纤维纱的缠绕角α小于90°。但由于此跑道环的长径比大，实际长度D可接近1000mm，而截面厚度t和截面宽度d仅为10mm左右，缠绕角a需非常接近90°，同时纱片宽b和纱片螺距w要控制尽量小，否则易出现纤维层间搭桥、纤维含量降低等问题，导致承重环在承载方向上的强度下降，出现批量性能不稳定等问题。这种长径比大的结构同时对缠绕设备提出了更高的精度要求。

现有缠绕技术主要是将一股无编织(no twist)纱捻(rovings)往芯模上缠绕，这一股纱捻通常由几千甚至上万根微小的纤维聚成，如常用的6K或12K纤维捻。为了提高纤维含量，改善纤维增强环的力学性能，美国专利US481858提出了几种改进的缠绕方法。该发明通过2轴联动的缠绕机，在将纤维纱捻向跑道形模具上缠绕的同时，控制纤维捻沿轴向(即图3中垂直于纸面方向)的进给，保持相邻层纤维纱间有50％捻宽的偏移量。其缠绕成型后的跑道环横截面如图4所示，其中方格示意纱捻，缠绕设备如图5所示。另一种改进方案见图6，其缠绕方法相同，但芯模宽度d增大，待缠绕成型后沿轴向切割为指定尺寸的产品。

上述方法目前在工业上已成熟，其提供的实验数据表明，在同等截面积下，相对于常规(无偏移量)纱捻缠绕方法，该专利方法制造的纤维环强度更高。但此方法要求缠绕机在两轴联动，对于厚度较窄的产品，尤其需要较高的精度轴向进给精度；故缠绕机价格较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维增强环的生产装置及其制造方法，能够将成股的纤维纱捻展开为宽度与芯模宽度一致的薄平带状纱捻，并直接绕制到同等宽的芯模上，仅采用单向缠绕即可缠绕成型，克服了现有缠绕机空间联动的局限，改善了缠绕过程的搭桥和空洞问题，提高了纤维增强环的性能，降低了生产工艺难度和复杂程度。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种纤维增强环的生产装置，包括：供粗纱捻缠绕的纱捻轴、芯模和驱动系统，所述驱动系统驱动芯模作旋转运动，其中，还包括绕丝嘴和压平装置，所述纱捻轴、绕丝嘴和压平装置依次排列，所述绕丝嘴内形成有供纱捻穿过的通孔，所述通孔的出口端呈扁平截面形状。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述通孔的入口端的截面形状接近粗纱捻的截面形状，且所述通孔的入口端的截面尺寸略大于粗纱捻的截面尺寸；所述通孔的出口端的截面纵向尺寸为粗纱捻截面纵向尺寸的20倍以上，且所述通孔的出口端的截面横向尺寸不超过1mm。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述通孔的入口端呈圆孔状或矩形状。上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述绕丝嘴内的通孔形成的空腔的截面形状从入口端向出口端平滑过渡且截面面积基本相同。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述绕丝嘴由塑料或金属制成。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述通孔的入口端与出口端均在边缘向外设置有圆角。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述绕丝嘴和压平装置之间设置有张紧装置。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，还包括浸胶池，所述浸胶池设置在纱捻轴和绕丝嘴之间。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，还包括张紧装置，所述张紧装置固定在浸胶池的一侧。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述张紧装置的底部设置有调节螺栓，所述调节螺栓的一端和穿过张紧装置的纱捻相抵。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述压平装置由相互配合的第一压平轮和第二压平轮组成。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述芯模为跑道型芯模，由两个直道和两个弯道组成，所述芯模外圆周面设置有凹槽，所述芯模上的凹槽的尺寸与变成扁平状后的纱捻的宽度相匹配。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述粗纱捻为无编织型纱捻，单束纱捻由6000根以上的细小纤维纱组成。

上述的纤维增强环的生产装置，其中，所述纱捻轴的数量为1个以上，所述粗纱捻从多个纱捻轴上拉出并大致聚合成纵横截面尺寸大致相等的圆柱状。

本发明为解决上述技术问题而采用的另一技术方案是提供一种使用上述的纤维增强环的生产装置制造纤维增强环的方法，所述纱捻轴上缠绕有粗纱捻，包括如下步骤：将粗纱捻从纱捻轴上拉出后通过绕丝嘴的通孔，变成扁平状纱捻；所述扁平状纱捻经过压平装置压平后缠绕在芯模上；所述驱动系统带动芯模旋转，将所述扁平状纱捻缠绕到芯模上，直到达到预定厚度；将缠绕完成后的芯模自然或加热烘干，脱模制得纤维增强环。

上述的制造纤维增强环的方法，其中，所述纤维增强环的生产装置还包括浸胶池，所述浸胶池的槽中盛装有液态树脂胶；所述粗纱捻8从纱捻轴上拉出后通过浸胶池，被树脂胶浸润后再通过绕丝嘴的通孔。

上述的制造纤维增强环的方法，其中，所述纤维增强环的生产装置还包括张紧装置所述粗纱捻通过绕丝嘴的通孔变成扁平状纱捻后，所述扁平状纱捻经过张紧装置，并与张紧装置底部的调节螺栓相抵，通过调节调节螺栓改变扁平状纱捻的纤维张紧力；获得一定张紧力后的扁平状纱捻被送入压平装置压平。

上述的制造纤维增强环的方法，其中，所述扁平状纱捻缠绕完成后，采用真空灌胶的方法将树脂注入芯模，自然或烘干成型。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明技术方案提供的纤维增强环的生产装置及其制造方法，根据纤维增强环长径比大的特点，通过设置绕丝嘴和压平装置，将成股的纤维粗纱捻展开为扁平状纱捻，并将扁平状纱捻绕制到芯模上，烘干后即可成型。本发明提供的纤维增强环的生产装置及其制造方法仅采用单向缠绕即可缠绕纤维增强环，克服了现有缠绕机空间联动的局限，改善了缠绕过程的搭桥和空洞等问题，提高了纤维增强环的性能，降低了生产工艺难度和复杂程度。具体来说，具有以下优点：1、采用单轴缠绕装置结构：不需要两轴联动的缠绕机，且精度要求降低，节省成本；2、采用单向缠绕方法，降低了生产工艺难度和复杂程度；3、将纤粗纱捻展开为扁平状纱捻，可以让纱捻充分浸润，改善搭桥和空洞等问题，提高批量性能；4、可适应各种纤维纱捻尺寸，快速制造不同截面积的纤维增强环产品。

附图说明

图1为跑道型纤维增强环的结构示意图；

图2a为现有纤维增强环的生产装置结构示意图；图2b为图2a中A处的局部放大示意图；

图3a为现有纤维增强环的生产装置缠绕时纤维纱的缠绕角的示意图；图3b为缠绕角α与d/L的关系示意图；

图4为现有纤维增强环的生产装置缠绕成型后纤维增强环的横截面示意图；

图5为现有纤维增强环的生产装置的结构示意图；

图6为现有纤维增强环的生产装置中芯模宽度增大后缠绕成型的纤维增强环的结构示意图；

图7为本发明实施例中纤维增强环的生产装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中圆形入口绕丝嘴的结构示意图；

图9为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中矩形入口绕丝嘴的截面示意图；

图10为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中绕丝嘴的截面示意图；

图11为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中纱捻经过绕丝嘴、张紧装置和压平装置的结构示意图；

图12为本发明实施例中纤维增强环的生产装置缠绕成型后纤维增强环的横截面示意图。

图中：

1纱捻轴 2浸胶池 3绕丝嘴 31通孔 32出口端 33入口端

4张紧装置 41调节螺栓 5压平装置 51第一压平轮 52第二压平轮

6芯模 7驱动系统 71第一传输带 72第二传输带 8粗纱捻

9扁平状纱捻 10收捻头

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描述。

实施例1

图7为本发明实施例中纤维增强环的生产装置的结构示意图。

请参见图7，本发明提供的纤维增强环的生产装置，包括：供粗纱捻8缠绕的纱捻轴1、浸胶池2、绕丝嘴3、张紧装置4、压平装置5、芯模6和驱动系统7，芯模6与驱动系统7通过第一传输带71相连，纱捻轴1、绕丝嘴3、张紧装置4和压平装置5依次排列供粗纱捻8穿过变成扁平状纱捻9。

图8为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中绕丝嘴圆形入口的结构示意图；图9为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中矩形入口绕丝嘴的截面示意图；图10为本发明实施例中纤维增强环的生产装置中绕丝嘴的截面示意图。

请参见图8、图9和图10，绕丝嘴3内形成有供纱捻穿过的通孔31，通孔31的入口端33呈圆形或矩形等截面纵横尺寸比不大的形状，较佳地，入口端33的截面形状接近粗纱捻8的截面形状，入口端33的截面尺寸略大于粗纱捻8的截面尺寸，出口端32呈纵横尺寸比极大的扁平截面形状，出口端32的截面纵向尺寸为粗纱捻8截面纵向尺寸的20倍以上，出口端32的截面横向尺寸远小于粗纱捻8的截面横向尺寸且截面横向尺寸不超过1mm；绕丝嘴3内的通孔31形成的空腔的截面形状从入口端33向出口端32平滑过渡，厚度逐渐减小，但截面面积基本相同，使得粗纱捻8能顺利通过绕丝嘴3的同时，纱捻形状开始发生改变；同时绕丝嘴3由塑料或金属材料制成，加工成表面光滑，塑料材料如PTFE(聚四氟乙烯)，通孔31的入口端33与出口端32均在边缘向外加工设置成圆角，保证纱捻通过时，不会与通孔31内的腔壁发生较大摩擦。

请继续参见图7和图11，较佳地，绕丝嘴3固定在浸胶池2上方；张紧装置4固定在浸胶池2的一侧；张紧装置4的底部设置有调节螺栓41，调节螺栓41的一端和穿过张紧装置4的纱捻相抵，可以改变纱捻的张紧力。压平装置5由相互配合的第一压平轮51和第二压平轮52组成，第二压平轮52的外圆周面开设有与第一压平轮51大小相匹配的凹槽，第一压平轮51和第二压平轮52间的间隙可根据纱捻厚度进行微调，可小于0.5mm。第一压平轮51与驱动系统7通过第二传输带72相连，在驱动系统7电机的带动下旋转，压平装置5将浸润了树脂的带状纱捻压平，压平后的扁平状纱捻厚度均匀，同时，多余的树脂和树脂中的气泡会同时被挤掉。芯模6为跑道型芯模，由两个直道和两个弯道组成，芯模6外圆周面设置有凹槽，芯模6上的凹槽的尺寸与变成扁平状后的纱捻的宽度相匹配；芯模6由驱动系统7带动旋转。整个过程仅单向旋转，不需要垂直于纱捻方向的横向进给，即可保证层间的纤维均匀排布。

利用上述纤维增强环的生产装置制造纤维增强环的具体步骤如下：

首先，纱捻轴1上缠绕有粗纱捻8，粗纱捻8为无编织型纤维纱捻(no twist)，如常规6k、12K或24K型，单束纱捻由6000根以上的细小纤维纱组成；粗纱捻8从纱捻轴1上拉出(或从2个或多个纱捻轴1上拉出并合捻)时为截面纵横尺寸比不大的形状，如大致为圆柱体或矩形等。

接着，浸胶池2的槽中盛装有液态的树脂胶(Epoxy Matrix),粗纱捻8从纱捻轴1上拉出后通过浸胶池2，被树脂胶浸润后再通过绕丝嘴3的通孔31，变成截面纵横尺寸比极大的扁平状纱捻9；

经过绕丝嘴3的纱捻展成截面纵横尺寸比极大的扁平状，但纱捻的厚度和宽度并不是十分均匀和规则；然后，扁平状纱捻9经张紧装置4，通过调节底部的调节螺栓41改变纱捻张紧力；获得一定张力后的扁平状纱捻9被送入压平装置5，压平装置5中位于上方的第一压平轮51与驱动系统7通过第二传输带72相连，在驱动系统7电机的带动下旋转，将浸润了树脂的扁平状纱捻9压平，压平后的扁平状纱捻9厚度均匀，同时，多余的树脂和树脂中的气泡会同时被挤掉。

经过上述工艺过程，原成束的粗纱捻8改变为截面纵横尺寸比极大的扁平状纱捻9，最后直接缠绕到与纱捻等宽度的芯模6上，直到达到指定的厚度；芯模6外圆周面加工有跑道形槽，并由驱动系统7带旋转。整个过程仅单向旋转，不需要垂直于纱捻方向的横向进给，即可保证层间的纤维均匀排布。缠绕成型后的芯模自然烘干或放入热烘箱烘干，脱模后即成型制得纤维增强环。

通过本发明制造方法制得的纤维增强环横截面结构见图12。与原有技术的纤维增强环横截面(图4所示)相比，原有的纱捻(虚线方格)层状结构变成了更细小的纤维纱带层状结构。原有纱捻层状结构中，上下层纱捻横向偏移50％的纱捻宽度，横向偏移控制精度要求很高，而改进后，纱带无需横向偏移，为纯单向缠绕；且单向缠绕纤维纱带的丝束体积小，不易形成搭桥或空洞，能保证缠绕纤维含量。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例为干法缠绕，即前期的缠绕过程不浸润树脂，待缠绕完成后，采用真空灌胶的方法将树脂注入芯模6，烘干成型。即本实施例提供的纤维增强环的生产装置中没有浸胶池2，粗纱捻8从纱捻轴1上拉出后直接通过绕丝嘴3的通孔31，变成扁平状纱捻9；扁平状纱捻9缠绕完成后，采用真空灌胶的方法将树脂注入芯模6，自然或烘干成型，脱模后即成型制得纤维增强环。

与现有技术相比，图4中所示现有的纱捻层状结构中，纱捻内部可能出现树脂胶浸润不透的情况，图12所示的本发明的纤维纱带层状结构中，纱带厚度薄而宽度明显增大，树脂更易浸润。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (16)

1.一种纤维增强环的生产装置，包括：供粗纱捻(8)的缠绕的纱捻轴(1)、芯模(6)和驱动系统(7)，所述驱动系统(7)带动芯模(6)旋转运动，其特征在于，还包括绕丝嘴(3)和压平装置(5)，所述纱捻轴(1)、绕丝嘴(3)和压平装置(5)依次排列，所述绕丝嘴(3)内形成有供纱捻穿过的通孔(31)，所述通孔(31)的出口端(32)呈扁平截面形状，所述压平装置用于将变成扁平状后的所述纱捻压平并单向缠绕至所述芯模(6)上；所述芯模(6)为跑道型芯模，由两个直道和两个弯道组成，所述芯模(6)外圆周面设置有凹槽，所述芯模(6)上的凹槽的尺寸与变成扁平状后的纱捻的宽度相匹配；所述通孔(31)的入口端的截面形状接近粗纱捻(8)的截面形状，且所述通孔(31)的入口端(33)的截面尺寸略大于粗纱捻(8)的截面尺寸；所述通孔(31)的出口端(32)的截面纵向尺寸为粗纱捻(8)截面纵向尺寸的20倍以上，且所述通孔(31)的出口端(32)的截面横向尺寸不超过1mm。

2.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述通孔(31)的入口端(33)呈圆孔状或矩形状。

3.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述绕丝嘴(3)内的通孔(31)形成的空腔的截面形状从入口端(33)向出口端(32)平滑过渡且截面面积基本相同。

4.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述绕丝嘴(3)由塑料或金属制成。

5.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述通孔(31)的入口端(33)与出口端(32)均在边缘向外设置有圆角。

6.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述绕丝嘴(3)和压平装置(5)之间设置有张紧装置(4)。

7.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，还包括浸胶池(2)，所述浸胶池(2)设置在纱捻轴(1)和绕丝嘴(3)之间。

8.如权利要求7所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，还包括张紧装置(4)，所述张紧装置(4)固定在浸胶池(2)的一侧。

9.如权利要求6或8所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述张紧装置(4)的底部设置有调节螺栓(41)，所述调节螺栓(41)的一端和穿过张紧装置(4)的纱捻相抵。

10.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述压平装置(5)由相互配合的第一压平轮(51)和第二压平轮(51)组成。

11.如权利要求1所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述粗纱捻(8)为无编织型纱捻，单束纱捻由6000根以上的细小纤维纱组成。

12.如权利要求11所述的纤维增强环的生产装置，其特征在于，所述纱捻轴(1)的数量为1个以上，所述粗纱捻(8)从多个纱捻轴(1)上拉出并大致聚合成纵横截面尺寸大致相同的圆柱状。

13.一种使用权利要求1所述的纤维增强环的生产装置制造纤维增强环的方法，所述纱捻轴(1)上缠绕有粗纱捻(8)，其特征在于，包括如下步骤:

将粗纱捻(8)从纱捻轴(1)上拉出后通过绕丝嘴(3)的通孔(31)，变成扁平状纱捻(9)；

所述扁平状纱捻(9)经过压平装置(5)压平后缠绕在芯模(6)上；

所述驱动系统(7)带动芯模(6)旋转，将所述扁平状纱捻(9)单向缠绕到芯模(6)上，直到达到预定厚度；

将缠绕完成后的芯模(6)自然或加热烘干，脱模制得纤维增强环。

14.如权利要求13所述的制造纤维增强环的方法，其特征在于：所述纤维增强环的生产装置还包括浸胶池(2)，所述浸胶池(2)的槽中盛装有液态树脂胶；所述粗纱捻(8)从纱捻轴(1)上拉出后通过浸胶池(2)，被树脂胶浸润后再通过绕丝嘴(3)的通孔(31)。

15.如权利要求13或14所述的制造纤维增强环的方法，其特征在于：所述纤维增强环的生产装置还包括张紧装置(4)，所述粗纱捻(8)通过绕丝嘴(3)的通孔(31)变成扁平状纱捻(9)后，所述扁平状纱捻(9)经过张紧装置(4)并与张紧装置(4)底部的调节螺栓(41)相抵，通过调节调节螺栓(41)改变扁平状纱捻(9)的纤维张紧力；获得一定张紧力后的扁平状纱捻(9)被送入压平装置(5)压平。

16.如权利要求13所述的制造纤维增强环的方法，其特征在于：所述扁平状纱捻(9)缠绕完成后，采用真空灌胶的方法将树脂注入芯模(6)，自然或烘干成型，完成后去掉芯模。