CN108621447A - 大尺寸缠绕复合材料环的成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，包括带整轴和两端封头的缠绕成型组件，其特征在于所述的缠绕成型组件两端封头的外侧均安装可拆卸的环形挡纱组件，所述的环形挡纱组件与缠绕成型组件同轴设置，且沿轴向从缠绕成型组件封头落纱位置向外伸出，以防止纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置滑脱。发明可有效避免缠绕过程中纱线在封头落纱位置滑脱，缠绕稳定性好，效率高，提高纱线为40～50^o的大尺寸缠绕复合材料环的制备稳定性和制备效率。本发明还提供一种大尺寸缠绕复合材料环的成型方法。

Description

大尺寸缠绕复合材料环的成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸缠绕复合材料环的成型装置及方法，属于缠绕成型工艺技术领域。

背景技术

开发高效率的牵引变压器是提高动车组行驶速度、改善牵引电效率和环境适应性的重要途径。目前国产牵引变压器有体积、重量较大，电气效率偏低等不足，而超导变压器载流能力强、电磁密度大、无直流电阻，在同等功率下体积和重量可缩减30%～40%，效率高达99%以上，还有能够承受较大过载，对外界环境温度变化不敏感，易于获得较大短路阻抗同时不影响电效率等优势。支撑环是低温超导系统超导磁体的重要部件，它的作用是支撑超导线圈、绝缘等作用，要求具有较高的力学性能、较低的热收缩性及优良的绝缘性能。传统的超导磁体支撑环采用铝合金材质，但加工成型难度大，成本高昂。复合材料具有轻质高强、热收缩率低、电绝缘性能优良，逐渐成为制造支撑环理想的替代材料。

大型低温超导系统复合材料支撑环尺寸大（＞1000mm）、壁厚大（＞30mm），要求其热收缩率与线圈相适应，采用缠绕工艺成型，由于纱线角度对复合材料的热收缩率有决定性影响，所以要求支撑环中纱线角度为40～50^o。对于上述的纱线角度要求，传统的缠绕成型装置只能成型厚度较小的产品，随着厚度逐渐增加，纱线在成型装置封头落纱位置会出现滑线现象，影响缠绕成型的稳定及产品制备的进行。

检索到的相关现有专利文献：

1、CN 102837431 A，公开了一种防止发动机燃烧室壳体缠绕纤维滑线的方法，该方法克服了壳体湿法缠绕因前后极孔直径相差太大引起的缠绕纤维滑线，缠绕时纤维从壳体上掉线造成无法缠绕的问题。所述的发动机燃烧室壳体在进行平面缠绕纤维前，将上一层缠绕好的纤维层树脂基体进行初步凝胶，使缠绕层表面树脂具有一定的粘性，使得平面缠绕纤维被初步凝胶的树脂粘住而不滑线，保平面缠绕纤维稳定、不滑线，并按此方法完成壳体全部的平面缠绕。

2、CN 102825798 A，立式湿法缠绕装置，它涉及容器制品用的缠绕成型装置，以解决现有用于缠绕成型玻璃钢球体、类球罐体等容器制品用的卧式缠绕机或龙门架式缠绕机存在缠绕速度慢，生产效率较低，不适应大批量工业化生产的问题，它包括主轴传动系统、绕臂机构、旋转支架、浸胶机构和摆动出纱机构 ；绕臂机构包括臂梁、法兰盘、轴套、第二伞齿轮、第一套轴支座、套轴、第二套轴支座、滑动轴、滑动轴支座、第三伞齿轮、支撑轴、转盘、滑动轴承座、第四伞齿轮、第一丝母、丝杠、第二丝母、平衡配重体和两个丝杠支座，转盘与旋转支架连接 ；浸胶滚位于两个浸胶滚支块之间，且浸胶滚与两个浸胶滚支块转动连接。

3、CN 105252750 A，公开了一种缠绕角为 0°的缠绕工装模具，属于缠绕机工装模具领域，包括芯模，芯模的两端均设有沿其周向间隔排布的多个插针，且多个插针在芯模端部呈发散状，芯模两端的插针相对应。本缠绕工装模具结构简单，效率高，纤维0°缠绕时不会发生滑线，对芯模包裹均匀、严密，

产品合格率高。

上述的缠绕成型装置或方法，有的通过改变缠绕角度来防止滑线，有的通过改变缠绕过程使树脂基体分层凝胶来防止滑线，有的通过增大纱线张力来防止松纱或滑线，但由于缠绕成型装置的封头表面为椭球面，这几种方案都不能很好的防止纱线在封头落线处沿椭球面滑脱，而且缠绕的厚度越大，滑脱的可能性越高，防止滑线的可靠性还有待提高，设计一种纱线缠绕的成型装置，可有效避免缠绕过程中纱线在封头上滑脱，提高纱线为40～50^o的大尺寸缠绕复合材料环的制备稳定性和制备效率，是本发明的目的。

发明内容

发明提供一种大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，可有效避免缠绕过程中纱线在封头落纱位置滑脱，缠绕稳定性好，效率高，提高纱线为40～50^o的大尺寸缠绕复合材料环的制备稳定性和制备效率。本发明还提供一种大尺寸缠绕复合材料环的成型方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，包括带整轴和两端封头的缠绕成型组件，其特征在于所述的缠绕成型组件两端封头的外侧均安装可拆卸的环形挡纱组件，所述的环形挡纱组件与缠绕成型组件同轴设置，且沿轴向从缠绕成型组件封头落纱位置向外伸出，以防止纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置滑脱。

优选的，所述的缠绕成型组件包括主模柱体、固定在主模柱体两端的封头和与主模柱体固定且沿中轴线贯穿主模柱体和封头的主轴，环形挡纱组件一端与封头接触，另一端与主轴可拆卸固定。

优选的，所述的主模柱体内具有沿径向设置的支撑板，主轴与支撑板固定，封头与主模柱体连接的一端呈台阶形状，插入主模柱体中与支撑板和主模柱体端部分别抵靠，与主轴螺纹配合的螺母旋紧在主轴上，并沿轴向压紧封头。

优选的，所述的环形挡纱组件由多个从内到外依次套装的挡纱筒组成，所述的挡纱筒同轴对齐，且相邻的挡纱筒沿径向和轴向均隔开设置，挡纱筒可拆卸的安装在缠绕成型组件上。

优选的，所述的挡纱筒的数量为两至四个，且挡纱筒沿径向均匀间隔，位于最内层的挡纱筒与缠绕成型组件螺栓连接，相邻的挡纱筒螺栓连接。

优选的，所述的挡纱筒上均开有具有左旋螺纹且沿轴向设置的反向螺纹孔。

优选的，所述的缠绕成型组件封头外壁上开有与挡纱筒相对应的环形凹槽，挡纱筒的一端伸入环形凹槽。

优选的，所述的环形凹槽的深度为2~5mm，宽度大于挡纱筒的壁厚3~6mm。

大尺寸缠绕复合材料环的成型方法，采用以上所述的的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置成型，步骤如下：

一、根据根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度设定环形挡纱组件的结构和尺寸，并将环形挡纱组件安装到缠绕成型组件上，组成所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置；

二、将所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置安装到数控缠绕机上，启动缠绕机，带动大尺寸缠绕复合材料环的成型装置旋转，在缠绕成型组件外表面均匀覆盖一层脱模剂；

三、准备好树脂、纱线，在缠绕机中调出已编制好的缠绕程序，将浸渍树脂的的纱线按程序缠绕在缠绕成型组件上；

四、当纱线缠绕至缠绕成型组件的封头上时，调整缠绕程序使纱线在缠绕成型组件封头上与环形挡纱组件相切，防止纱线滑脱，缠绕至大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，折卸环形挡纱组件；

五、停止纱线缠绕，保持缠绕成型组件旋转，直至树脂凝胶后，将缠绕有浸渍树脂纱线的缠绕成型组件送入固化炉中固化；

六、固化后，切割缠绕成型组件的两端封头，之后进行脱模得到大尺寸缠绕复合材料环。

优选的，所述的步骤三具体为：

首先，根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，预定调整缠绕程序的次数及相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度；

然后，第N次调整缠绕程序，纱线在缠绕成型组件封头上与由外至内第N层的挡纱筒相切，防止纱线滑脱，缠绕达到相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度，拆下由外至内第N层的挡纱筒，直至缠绕厚度等于大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，将环形挡纱组件完全拆卸。

本发明防止缠绕过程中纱线在封头落纱位置滑脱的原理为：在缠绕成型组件两端封头的外侧安装环形挡纱组件，环形挡纱组件与缠绕成型组件同轴设置，即环形挡纱组件与缠绕成型组件封头的极圆孔为轴对齐设置，由于纱线在缠绕成型组件两端封头上与缠绕成型组件封头的极圆孔相切或与缠绕成型组件封头的极圆孔的同轴圆环相切，因此当纱线缠绕至缠绕成型组件的封头上时，纱线在缠绕成型组件封头上与环形挡纱组件相切，而且环形挡纱组件沿轴向从缠绕成型组件封头落纱位置向外伸出，可挡住纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置的滑脱，实现防止纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置滑脱。

本发明的有益效果是：

1、环形挡纱组件沿轴向从缠绕成型组件封头位置向外伸出，纱线在缠绕成型组件封头上与环形挡纱组件相切，可有效避免缠绕过程中纱线在封头落纱位置滑脱，缠绕稳定性好。

2、纱线在缠绕过程中不会发生滑脱，可有效提高缠绕效率，缩短缠绕成型的用时，省去人工对滑脱纱线进行调整，降低缠绕成型过程中的人工劳动强度，提高缠绕成型过程的自动化水平。

3、用于纱线为40～50^o的大尺寸缠绕复合材料环的制备，可提高制备稳定性和制备效率，提高大尺寸缠绕复合材料环的生产效率，效低生产成本。

4、将环形挡纱组件设计为由多个从内到外依次套装的挡纱筒组成，可根据缠绕厚度需求，设计挡纱筒的数量和尺寸，以用于多种厚度的大尺寸缠绕复合材料环的制备。

附图说明

图1为具体实施方式中大尺寸缠绕复合材料环的成型装置的结构示意图。

图2为缠绕成型组件的结构示意图。

图3为图1的局部放大图。

图4为大尺寸缠绕复合材料环的缠绕成型过程图，其中，A图表示纱线在封头落纱位置与最外层挡纱筒相切时缠绕形成的缠绕层；B图表示纱线在封头落纱位置与第二层挡纱筒相切时缠绕形成的缠绕层；C图表示纱线在封头落纱位置与最内层挡纱筒相切时缠绕形成的缠绕层。

具体实施方式

下面将通过附图1~4和实施例对本发明做进一步的描述。

大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，包括带整轴和两端封头的缠绕成型组件1，其特征在于所述的缠绕成型组件1两端封头的外侧均安装可拆卸的环形挡纱组件2，所述的环形挡纱组件2与缠绕成型组件1同轴设置，且沿轴向从缠绕成型组件1封头落纱位置向外伸出，以防止纱线在缠绕成型组件1封头的落纱位置滑脱。

如图1所示，在缠绕成型组件1的封头外侧均安装环形挡纱组件2，环形挡纱组件2与缠绕成型组件1同轴设置，即环形挡纱组件2与缠绕成型组件1封头的极圆孔为轴对齐设置，由于纱线在缠绕成型组件1两端封头上与缠绕成型组件1封头的极圆孔相切或与缠绕成型组件封头的极圆孔的同轴圆环相切，因此当纱线缠绕至缠绕成型组件1的封头上时，纱线在缠绕成型组件封头上与环形挡纱组件相切，而且环形挡纱组件2沿轴向从缠绕成型组件封头落纱位置向外伸出，即可挡住纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置滑脱，实现防止纱线在缠绕成型组件封头的落纱位置滑脱。

其中，所述的缠绕成型组件1包括主模柱体11、固定在主模柱体11两端的封头12和与主模柱体11固定且沿中轴线贯穿主模柱体11和封头12的主轴13，环形挡纱组件2一端与封头12接触，另一端与主轴13可拆卸固定。

所述的主模柱体11内具有沿径向设置的支撑板11.1，主轴13与支撑板11.1固定，封头2与主模柱体11连接的一端呈台阶形状，插入主模柱体1中与支撑板11.1和主模柱体11端部分别抵靠，与主轴13螺纹配合的螺母14旋紧在主轴13上，并沿轴向压紧封头12。

如图2所示，封头12的一端伸入主模柱体11中，与主模柱体11的端部和支撑板11.1分别抵靠，并且用螺母14压紧封头12，使封头12压紧主模柱体11，主模柱体11与封头12的连接结构稳定简单，便于组装。主轴13与支撑板11.1固定，起到支撑主模柱体11的作用，增加主模柱体11的刚度，避免其在旋转过程中发生变形。

其中，所述的环形挡纱组件2由多个从内到外依次套装的挡纱筒21组成，所述的挡纱筒21同轴对齐，且相邻的挡纱筒21沿径向和轴向均隔开设置，挡纱筒21可拆卸的安装在缠绕成型组件1上。

所述的挡纱筒21的数量为两至四个，且挡纱筒21沿径向均匀间隔，位于最内层的挡纱筒21与缠绕成型组件1螺栓连接，相邻的挡纱筒21螺栓连接。

如图3所示，环形挡纱组件2中包括三个挡纱筒21，最内层的挡纱筒21与主轴13通过螺栓连接，中间层的挡纱筒21与最内层的挡纱筒21通过螺栓连接，最外层的挡纱筒21与中间层的挡纱筒21通过螺栓连接，相邻的挡纱筒21沿径向隔开的距离相等，使挡筒筒21沿径向均匀间隔，即相邻的挡纱筒21间纱线缠绕的增加厚度相等，在实际结构中，可以根据预设的缠绕厚度，来设定相邻挡纱筒21间的径向间隔以及最内层和最外层挡纱筒21的直径，以满足不同缠绕厚度的缠绕过程中防滑线的需求。

其中，所述的挡纱筒21上均开有具有左旋螺纹且沿轴向设置的反向螺纹孔21.1。通反向螺纹孔21.1与螺栓配合，可以将挡纱筒21由外至由内逐层拆卸，方便缠绕过程中挡纱筒21的拆卸。

其中，所述的缠绕成型组件1封头外壁上开有与挡纱筒21相对应的环形凹槽15，挡纱筒21的一端伸入环形凹槽15。环形凹槽15用于对挡纱筒21进行定位，挡纱筒21的一端伸入环形凹槽15中，有效避免挡纱筒21在旋转过程中沿封头外壁滑动。

其中，所述的环形凹槽15的深度为2~5mm，不影响封头12的强度，而且可有效定形挡纱筒21，宽度大于挡纱筒21的壁厚3~6mm，由于封头外壁为椭球面，环形凹槽15是在椭球面开设的环形槽，为了方使挡纱筒21一端伸入环形凹槽15中时，可沿径向稍作调整，以保证挡纱筒21的一端能完全伸入环形凹槽15中，因此设置环形凹槽15的宽度大于挡纱筒21的壁厚。

本发明还保护一种大尺寸缠绕复合材料环的成型方法，采用以上所述的的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置成型，步骤如下：

一、根据根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度设定环形挡纱组件2的结构和尺寸，并将环形挡纱组件2安装到缠绕成型组件1上，组成所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置；其中设定环形挡纱组件2的结构和尺寸，即设定环形挡纱组件2中挡纱筒21的数量，相邻挡纱筒21的径向间距，最内层挡纱筒21和最内层挡纱筒21的直径，大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度越大，所需的挡纱筒21的层数越多，例如预定厚度为30-40mm时，需要两层挡纱筒21，完成整个缠绕过程中的防滑线，当预定厚度为40-60mm，需要三层挡纱筒21，完成整个缠绕过程中的防滑线；

二、将所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置安装到数控缠绕机上，启动缠绕机，带动大尺寸缠绕复合材料环的成型装置旋转，在缠绕成型组件外表面均匀覆盖一层脱模剂；

三、准备好树脂、纱线，在缠绕机中调出已编制好的缠绕程序，将浸渍树脂的的纱线按程序缠绕在缠绕成型组件1上；

四、当纱线缠绕至缠绕成型组件1的封头上时，调整缠绕程序使纱线在缠绕成型组件1封头上与环形挡纱组件2相切，防止纱线滑脱，缠绕至大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，折卸环形挡纱组件2；

五、停止纱线缠绕，保持缠绕成型组件1旋转，直至树脂凝胶后，将缠绕有浸渍树脂纱线的缠绕成型组件1送入固化炉中固化；

六、固化后，切割缠绕成型组件1的两端封头，之后进行脱模得到大尺寸缠绕复合材料环。

以上所述的成型方法，纱线在缠绕过程中不会发生滑脱，可有效提高缠绕效率，缩短缠绕成型的用时，省去人工滑脱纱线进行调整，降低缠绕成型过程中的人工劳动强度，提高缠绕成型过程的自动化水平。

其中，所述的步骤四具体为：

首先，根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，预定调整缠绕程序的次数及相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度；

然后，第N次调整缠绕程序，纱线在缠绕成型组件1封头上与由外至内第N层的挡纱筒21相切，防止纱线滑脱，缠绕达到相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度，拆下由外至内第N层的挡纱筒21，直至缠绕厚度等于大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，将环形挡纱组件2完全拆卸。

图1中环形挡纱组件2中挡纱筒21为三层，由外至内为第一层、第二层和第三层，从图4可以看出，第一次调整缠绕程序后，纱线在封头落纱位置与第一层的挡纱筒21相切，防止纱线滑脱，缠绕达到第一次与第二次调整缠绕程序之间的预定缠绕厚度，如A图所示；之后拆下第一层挡纱筒21，然后第二次调整缠绕程序后，纱线在封头落纱位置与第二层的挡纱筒21相切，防止纱线滑脱，缠绕达到第二次与第三次调整缠绕程序之间的预定缠绕厚度，如B图所示；之后拆下第二层挡纱筒21，然后第三次调整缠绕程序后，纱线在封头落纱位置与第三层的挡纱筒21相切，防止纱线滑脱，缠绕达到大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，如C图所示，再拆下第三层挡纱筒21，环形挡纱组件2被完全拆卸。

以上结合附图对本发明实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，包括带整轴和两端封头的缠绕成型组件（1），其特征在于所述的缠绕成型组件（1）两端封头的外侧均安装可拆卸的环形挡纱组件（2），所述的环形挡纱组件（2）与缠绕成型组件（1）同轴设置，且沿轴向从缠绕成型组件（1）封头落纱位置向外伸出，以防止纱线在缠绕成型组件（1）封头的落纱位置滑脱。

2.根据权利要求1所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的缠绕成型组件（1）包括主模柱体（11）、固定在主模柱体（11）两端的封头（12）和与主模柱体（11）固定且沿中轴线贯穿主模柱体（11）和封头（12）的主轴（13），环形挡纱组件（2）一端与封头（12）接触，另一端与主轴（13）可拆卸固定。

3.根据权利要求2所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的主模柱体（11）内具有沿径向设置的支撑板（11.1），主轴（13）与支撑板（11.1）固定，封头（2）与主模柱体（11）连接的一端呈台阶形状，插入主模柱体（1）中与支撑板（11.1）和主模柱体（11）端部分别抵靠，与主轴（13）螺纹配合的螺母（14）旋紧在主轴（13）上，并沿轴向压紧封头（12）。

4.根据权利要求1所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的环形挡纱组件（2）由多个从内到外依次套装的挡纱筒（21）组成，所述的挡纱筒（21）同轴对齐，且相邻的挡纱筒（21）沿径向和轴向均隔开设置，挡纱筒（21）可拆卸的安装在缠绕成型组件（1）上。

5.根据权利要求4所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的挡纱筒（21）的数量为两至四个，且挡纱筒（21）沿径向均匀间隔，位于最内层的挡纱筒（21）与缠绕成型组件（1）螺栓连接，相邻的挡纱筒（21）螺栓连接。

6.根据权利要求4所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的挡纱筒（21）上均开有具有左旋螺纹且沿轴向设置的反向螺纹孔（21.1）。

7.根据权利要求4所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的缠绕成型组件（1）封头外壁上开有与挡纱筒（21）相对应的环形凹槽（15），挡纱筒（21）的一端伸入环形凹槽（15）。

8.根据权利要求7所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置，其特征在于所述的环形凹槽（15）的深度为2~5mm，宽度大于挡纱筒（21）的壁厚3~6mm。

9.大尺寸缠绕复合材料环的成型方法，采用权利要求1至权利要求8任一项所述的的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置成型，步骤如下：

一、根据根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度设定环形挡纱组件（2）的结构和尺寸，并将环形挡纱组件（2）安装到缠绕成型组件（1）上，组成所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置；

二、将所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型装置安装到数控缠绕机上，启动缠绕机，带动大尺寸缠绕复合材料环的成型装置旋转，在缠绕成型组件（1）外表面均匀覆盖一层脱模剂；

三、准备好树脂、纱线，在缠绕机中调出已编制好的缠绕程序，将浸渍树脂的的纱线按程序缠绕在缠绕成型组件（1）上；

四、当纱线缠绕至缠绕成型组件（1）的封头上时，调整缠绕程序使纱线在缠绕成型组件（1）封头上与环形挡纱组件（2）相切，防止纱线滑脱，缠绕至大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，折卸环形挡纱组件（2）；

五、停止纱线缠绕，保持缠绕成型组件（1）旋转，直至树脂凝胶后，将缠绕有浸渍树脂纱线的缠绕成型组件（1）送入固化炉中固化；

六、固化后，切割缠绕成型组件（1）的两端封头，之后进行脱模得到大尺寸缠绕复合材料环。

10.根据权利要求9所述的大尺寸缠绕复合材料环的成型方法，其特征在于所述的步骤四具体为：

首先，根据大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，预定调整缠绕程序的次数及相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度；

然后，第N次调整缠绕程序，纱线在缠绕成型组件（1）封头上与由外至内第N层的挡纱筒（21）相切，防止纱线滑脱，缠绕达到相邻两次的调整缠绕程序之间的缠绕厚度，拆下由外至内第N层的挡纱筒（21），直至缠绕厚度等于大尺寸缠绕复合材料环的预定厚度，将环形挡纱组件（2）完全拆卸。