CN106273533B - 一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置及方法，属于机电控制技术领域。本发明的芯模内部同轴设置有导气管，导气管的管壁上设置小孔；芯模的端口处设置旋转接头，导气管的首端通过旋转接头的进气口与空气压缩机连通，芯模的模腔通过旋转接头的出气口与冷却包连通；内置电磁感应线圈的中频加热板置于芯模上方，电磁感应线圈通过中频加热电源与中频控制器连接。纤维缠绕结束，在控制器上设定固化温度并启动；中频加热板内的电磁感应线圈工作；电磁感应线圈使芯模发热，实现加热固化；空气压缩机的压缩空气由小孔吹向模腔内对芯模进行冷却；模腔内的空气由出气口返回到冷却包内。本发明用于纤维缠绕复合材料管体原位固化中。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料管体原位固化装置及方法，属于机电控制技术领域。
背景技术
树脂基纤维缠绕热固性复合材料管体具有比强度高、耐腐蚀和可设计性强等诸多优点,在航空航天、能源、建筑和交通等领域获得了越来越广泛的应用。纤维缠绕复合材料管体通常采用湿法工艺成型，其成型工艺过程为：缠绕成型→加热固化→降温处理→脱模→管体制品。目前，复合材料管体的固化工艺主要有外固化和内固化成型两种。外固化即管体缠绕成型后，将其放入固化炉中对缠绕层按照预先设定的固化制度进行；外固化工艺的缺陷是：由于固化管体外部温度高于内部温度，固化反应产生的热量和气体无法排出，管体内会残留气泡，影响复合材料管体质量，外固化工艺决定了管体缠绕和固化需在两台独立的设备上完成，导致管体生产成本高且效率低。
内加热固化成型工艺是采用加热管体内部芯模的方式，使复合材料从内向外被加热升温，从而完成固化成型，由于复合材料内层的温度高于外层，可将缠绕过程中留在复合材料管内的气泡和多余树脂排出，在最靠近芯模的管体部分形成富树脂层，增加管体的致密性，从而提高复合材料管体的力学性能。
已公布的专利：中国专利“玻璃钢缠绕管芯模全封闭式内加热固化装置”,公开号：CN201979646U；
中国专利“一种用于缠绕玻璃钢管的加热固化模具”,专利申请号：200420018782.3；
中国专利“缠绕玻璃钢管的方法及专用胎具”，公开号：00136114.7；
中国专利“一种电磁加热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕复合材料管体的方法”,专利申请号：201410452878.9；
中国专利“一种加热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕金属内衬复合容器的方法”,专利申请号：201410203418.2。
上述专利申请均描述了从内部对复合材料进行加热固化的方法，上述装置和方法应用于缠绕管体的内固化成型在实际生产和应用中有如下问题：
第一、如果采用导热油作为芯模内部循环加热的介质，首先，在生产中导热油通过旋转接头进入旋转的芯模内部，易发生泄漏污染，且导热油易燃，安全隐患大；其次，管体加热固化后，需要冷却降温，而导热油通常通过空气热交换降温，降温效率低，且造成能源浪费；
第二、如果采用蒸汽作为芯模内部循环加热的介质，首先，蒸汽加热应用于管道类大长径比芯模易导致首尾温差大的问题，而且芯模被加热过程中会形成冷凝水，并聚集在水平放置管体的底部不易排出，管体在固化过程中需要旋转，使得内衬在转到底部时反复经历冷凝水的冷却，从而影响复材固化质量；其次蒸汽温度都高于100摄氏度，固化过程中实现低于100摄氏度的金属模具低温控制难度极大，且温度控制精度非常低，从而不能有效的执行梯度固化制度，影响复合材料固化质量；最后，高温高压蒸汽不易获得，生产过程中需要单独建立锅炉并铺设供汽管路提供蒸汽，增加了生产和管理成本；
第三、复合材料管体成型工艺分为：缠绕-固化-冷却-脱模四个工序，其中冷却工序是使得芯模和复合材料管体迅速降温，便于脱模，并将芯模降到初始缠绕温度(如30一40摄氏度)，以便进行下一管体的缠绕，上述已公开的专利和方法均只有模具加热功能，没有快速冷却功能，从而极大地影响复合材料管体连续生产的效率；
已公开的中国发明专利“一种内加热方法及内加热固化装置CNI01670633A6；是将电加热元件置于模具内，加热元件通过导电滑环与供电设施相连，首先，该加热方式通过电热元件加热模具，导热效率低，加热不均匀且能耗大；其次，导电滑环是周期性耗材，在实际应用中需定期更换，且可靠性差；最后该装置没有快速冷却功能；
已公开的中国发明专利：一种加热辊的加热方法及加热辊、公开号CN101407096A和中国发明专利：内置式电磁加热辊、公开号为CN102802291A均公布了采用电磁加热的热辊，但加热源均置于辊内部，且沿整个辊进行加热，该方式不适用于直径较小，或长度较大的用于高压玻璃钢管道生产用的芯模；另外，电磁加热导电滑环是周期性耗材，在实际应用中需定期更换，且可靠性差；最后该装置也没有快速冷却功能，因此不适合复合材料管体连续生产用芯模。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为了克服上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置及方法。
方案一：本发明提出的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，包括芯模、导气管、支撑板、冷却包、旋转接头、空气压缩机、温度传感器、中频加热控制器、中频加热电源和中频加热板。
所述芯模内部同轴设置有导气管，且导气管通过支撑板固定在芯模的模腔里；
所述导气管的末端为封闭状态，导气管的管壁上设置小孔；
所述芯模的端口处设置旋转接头，旋转接头包括进气口和出气口；空气压缩机安装在进气口上，导气管的首端通过进气口与空气压缩机连通，冷却包安装在出气口上，芯模的模腔通过出气口与冷却包连通；
所述中频加热板水平置于芯模的上方，所述中频加热板内置电磁感应线圈，电磁感应线圈两端通过中频加热电源与中频控制器连接，温度传感器的测试头设置在芯模处，温度传感器的输出端连接中频加热控制器的输入端。
其中：
芯模为纤维缠绕复合材料管体的成型装置，同时，也是通过感应加热对管体实现固化的装置；
导气管通过管体表面的小孔将压缩空气吹向芯模的模腔里，实现对固化后管体的冷却；
支撑板实现将导气管稳定地固定在芯模的模腔里；
冷却包的作用是对由芯模的模腔里经旋转接头出气口排出的热空气进行冷却；
旋转接头包括进气口和出气口两个部分，进气口将来自空气压缩机的气体送入导气管，出气口将芯模的模腔的气体送入冷却包；
空气压缩机提供固化结束后芯模冷却所需的压缩空气；
中频加热板用于纤维缠绕复合材料管体加热固化。
进一步地：所述中频加热控制器为现有技术，采用的是广州同康科技发展有限公司生产的TC1000型号的控制器。
进一步地：所述导气管由首至尾划分为四个部分，分别定义为第一管段、第二管段、第三管段和第四管段，所述第一管段、第二管段、第三管段和第四管段上的小孔由疏至密分布。如此设置，保证布气的均匀性。
进一步地：所述第一管段上轴向相邻的两个小孔的间距为20cm；所述第二管段上轴向相邻的两个小孔的间距为15cm；所述第三管段上轴向相邻的两个小孔的间距为10cm；所述第四管段上轴向相邻的两个小孔的间距为5cm。
方案二：本发明提出的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化方法，该方法是基于方案一所述一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置实现的，具体步骤：
(1)当芯模上纤维缠绕过程结束后，在中频加热控制器上设定固化温度并启动工作；
(2)中频加热板内的电磁感应线圈开始工作；
(3)电磁感应线圈穿过复合材料缠绕层在芯模体内产生的感应电流使芯模发热，实现对复合材料层的加热固化过程；
(4)固化过程结束后，空气压缩机通过旋转接头的进气口向导气管内注入压缩空气，压缩空气由导气管上面的小孔吹向芯模模腔内，对芯模进行冷却；
(5)冷却过程中，模腔内的空气由旋转接头出气口返回到冷却包内。
本发明所达到的效果为：
当中频加热板启动工作后,缠绕模具钢管在涡流的作用下开始升温,通过传导作用将热量传给附在模具上的纤维缠绕层，树脂受热后粘度下降，使纤维能更好地继续浸渍,并有利于微气泡逸出。在这一阶段还发生了树脂分子的迁移运动,分子受热后增加了运动的能量,有了迁移运动的可能。由于模具作为加热体的内热式加热方法，使得模上的温度场是内高外低，△t＝t内-t外。这个温度差便是凝胶以前树脂分子迁移运动的动力。迁移运动的主方向由外向内,这是因为内层树脂温度高、粘度低,使得内层阻力减小,外层树脂向内迁移，直至树脂分子反应到凝胶为止。树脂迁移运动的结果是在玻璃钢管道内壁形成了一层富树脂层。这一因热动力自动生成的富树脂层具有优良的力学与化学性能，正是此类管道得天独厚之处。比较外热式与内热式,二者树脂迁移运动方向恰好相反。外热式由内向外,一般在固化炉中固化的环氧树脂管道内腔表层的树脂不够丰满,甚至有“缺胶”痕迹,用肉眼就可辨别。其物理原因正是由于凝胶前树脂分子迁移运动所致。须指出内热式制造的玻璃钢管内的富树脂层有着良好的防渗防腐功能,无须像聚酯管那样刻意去制造“防腐防渗层”。
附图说明
图1是本发明的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置的整体结构图。
图中：1-芯模；2-导气管；3-支撑板；4-冷却包；5-旋转接头；6-空气压缩机；7-温度传感器；8-中频加热控制器；9-中频加热电源；10-中频加热板；5-1出气口；5-2进气口。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如附图所示本发明的实施例提供了一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，包括芯模1、导气管2、支撑板3、冷却包4、旋转接头5、空气压缩机6、温度传感器7、中频加热控制器8、中频加热电源9和中频加热板10；所述芯模1内部同轴设置有导气管2，且导气管2通过支撑板3固定在芯模1的模腔里；所述导气管2的末端为封闭状态，导气管2的管壁上设置小孔；所述芯模1的端口处设置旋转接头5，旋转接头5包括进气口5-2和出气口5-1；空气压缩机6安装在进气口5-2上，导气管2的首端通过进气口5-2与空气压缩机6连通，冷却包4安装在出气口5-1上，芯模1的模腔通过出气口5-1与冷却包4连通；所述中频加热板10水平置于芯模1的上方，所述中频加热板10内置电磁感应线圈，电磁感应线圈两端通过中频加热电源9与中频控制器8连接，温度传感器7的测试头设置在芯模1处，温度传感器7的输出端连接中频加热控制器8的输入端。
所述导气管2由首至尾划分为四个部分，分别定义为第一管段A、第二管段B、第三管段C和第四管段D，所述第一管段A、第二管段B、第三管段C和第四管段D上的小孔由疏至密分布。
所述第一管段A上轴向相邻的两个小孔的间距为20cm；所述第二管段B上轴向相邻的两个小孔的间距为15cm；所述第三管段C上轴向相邻的两个小孔的间距为10cm；所述第四管段D上轴向相邻的两个小孔的间距为5cm。
一种纤维缠绕复合材料管体原位固化方法，该方法是基于上述一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置实现的，具体步骤：
(1)当芯模上纤维缠绕过程结束后，在中频加热控制器上设定固化温度并启动工作；
(2)中频加热板内的电磁感应线圈开始工作；
(3)电磁感应线圈穿过复合材料缠绕层在芯模体内产生的感应电流使芯模发热，实现对复合材料层的加热固化过程；
(4)固化过程结束后，空气压缩机通过旋转接头的进气口向导气管内注入压缩空气，压缩空气由导气管上面的小孔吹向芯模的模腔内，对芯模进行冷却；
(5)冷却过程中，模腔内的空气由旋转接头出气口返回到冷却包内。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (5)
1.一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，其特征在于：包括芯模（1）、导气管（2）、支撑板（3）、冷却包（4）、旋转接头（5）、空气压缩机（6）、温度传感器（7）、中频加热控制器（8）、中频加热电源（9）和中频加热板（10）；
所述芯模（1）内部同轴设置有导气管（2），且导气管（2）通过支撑板（3）固定在芯模（1）的模腔里；
所述导气管（2）的末端为封闭状态，导气管（2）的管壁上设置小孔；
所述芯模（1）的端口处设置旋转接头（5），旋转接头（5）包括进气口（5-2）和出气口（5-1）；空气压缩机（6）安装在进气口（5-2）上，导气管（2）的首端通过进气口（5-2）与空气压缩机（6）连通，冷却包（4）安装在出气口（5-1）上，芯模（1）的模腔通过出气口（5-1）与冷却包（4）连通；
所述中频加热板（10）水平置于芯模（1）的上方，中频加热板（10）内置电磁感应线圈，电磁感应线圈两端通过中频加热电源（9）与中频加热控制器（8）连接，温度传感器（7）的测试头设置在芯模（1）处，温度传感器（7）的输出端连接中频加热控制器（8）的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，其特征在于：所述中频加热控制器（8）采用广州同康科技发展有限公司生产的TC1000号的控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，其特征在于：所述导气管（2）由首至尾划分为四个部分，分别定义为第一管段（A）、第二管段（B）、第三管段（C）和第四管段（D），所述第一管段（A）、第二管段（B）、第三管段（C）和第四管段（D）上的小孔由疏至密分布。
4.根据权利要求3所述的一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置，其特征在于：所述第一管段（A）上轴向相邻的两个小孔的间距为20cm；所述第二管段（B）上轴向相邻的两个小孔的间距为15cm；所述第三管段（C）上轴向相邻的两个小孔的间距为10cm；所述第四管段（D）上轴向相邻的两个小孔的间距为5cm。
5.一种纤维缠绕复合材料管体原位固化方法，该方法是基于权利要求1所述一种纤维缠绕复合材料管体原位固化装置实现的，其特征在于：具体步骤：
（1）当芯模上纤维缠绕过程结束后，在中频加热控制器上设定固化温度并启动工作；
（2）中频加热板内的电磁感应线圈开始工作；
（3）电磁感应线圈穿过复合材料缠绕层在芯模体内产生的感应电流使芯模发热，实现对复合材料层的加热固化过程；
（4）固化过程结束后，空气压缩机通过旋转接头的进气口向导气管内注入压缩空气，压缩空气由导气管上面的小孔吹向芯模的模腔内，对芯模进行冷却；
（5）冷却过程中，模腔内的空气由旋转接头出气口返回到冷却包内。
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