CN111231288B - 一种橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法，属于橡胶缠绕成型技术领域。首先，确定缠绕角与胶带宽度、芯模半径之间的关系。其次，沿与芯模轴线夹角为缠绕角的方向进行胶带缠绕，该方向即为缠绕螺旋线方向A‑A，B‑B面为A‑A的垂直截面，此时芯模在截面B‑B上为一椭圆，计算芯模在截面B‑B上的椭圆方程。最后，橡胶胶带未受缠绕压力时，根据芯模在截面B‑B上的椭圆确定其与胶带边缘的最大距离m，要求m小于施加缠绕压力时橡胶胶带变形量，由此得到橡胶胶带的宽度范围。本发明适用于固体火箭发动机筒段及两端过渡部分绝热层环向缠绕要求，还满足不同型号固体火箭发动机筒段橡胶绝热层自动化缠绕要求。
Description
技术领域
本发明属于橡胶缠绕成型技术领域，涉及一种固体火箭发动机绝热层缠绕成型胶带宽度计算方法。
背景技术
目前，固体火箭发动机壳体一般采用三元乙丙橡胶绝热内层与复合材料缠绕外壳成型方法制造。三元乙丙橡胶绝热层成型方法主要有人工贴片法和缠绕成型法。在固体火箭发动机绝热层缠绕成型过程中，通过加热三元乙丙橡胶胶带提高自粘性能，利用缠绕压辊将胶带缠绕在芯模之上。胶带宽度是缠绕过程中重要的工艺参数，不仅影响缠绕效率，而且直接影响缠绕工艺质量。橡胶胶带越宽，缠绕效率越高，但胶带边缘部分粘接强度降低，缠绕过程容易出现翘边现象，影响自动化缠绕过程的平稳性。
史耀耀在文献“数控布带缠绕机机构实现及工艺方法研究”中根据布带变形前后布带宽度的收缩量、加工固化时布带的压缩量、加工余量等因素，提出了一种布带经验裁剪方法。张鹏在博士论文“碳纤维预浸带自动铺放轨迹规划与铺放适宜性研究”中提出，平面铺带采用宽度为150mm和300mm的预浸带，曲面铺带采用宽度为75mm和150mm的预浸带。美国专利“Processfor lining composite vessels”(US4596619)中提出橡胶胶带的宽度最好在12.7-50.8mm之间。以上参考文献均未涉及橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法。
固体火箭发动机筒段绝热层自动化缠绕包括筒段及两端过渡部分绝热层环向缠绕，在缠绕过程中，缠绕芯模表面沿胶带宽度方向曲率变化较大，若缠绕压辊采用回转椭圆凹面，胶带边缘缠绕压力较容易保证，可使用较宽胶带缠绕，若采用圆柱面压辊，为了保证胶带边缘缠绕压力，必须使用较窄胶带缠绕。本发明拟采用圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径参数，计算橡胶缠绕成型通用胶带宽度，以满足不同型号固体火箭发动机绝热层自动化缠绕要求。
发明内容
本发明提出了一种橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法，目的在于计算橡胶缠绕成型通用胶带宽度。本发明采用圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径参数计算通用胶带宽度，不仅适用于圆柱面缠绕压辊，而且适用于回转椭圆凹面缠绕压辊，还能满足其它不同型号固体火箭发动机筒段橡胶绝热层自动化缠绕要求。
本发明采用的技术方案为：
一种橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法，该方法基于圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径参数计算通用胶带宽度，包括以下步骤：
(1)首先确定缠绕角与胶带宽度、芯模半径之间的关系：
缠绕角α是指橡胶胶带1的中心线与芯模轴线之间的夹角，C为芯模的周长，W为橡胶胶带的宽度，R为芯模半径。其中W与C比值为缠绕角α的余弦值，据此得到缠绕角α、胶带宽度W与芯模半径R之间的关系：
cosα＝W/C...........................................①
C＝2πR................................................②
(2)计算芯模在截面B-B上的椭圆方程：
沿与芯模轴线夹角为缠绕角α(沿芯模轴线逆时针方向旋转)的方向进行胶带缠绕，该方向即为缠绕螺旋线方向A-A，B-B面为A-A的垂直截面，芯模在截面B-B上为一椭圆，该椭圆方程为：
cos2αx2+y2＝R2....................................................③
将①②式代入③式，得到：
其中：x、y分别为椭圆上点的横、纵坐标。
所述的B-B截面中橡胶胶带1与芯模的位置关系具体为：橡胶胶带1在缠绕压辊的作用下，沿与芯模轴线夹角为缠绕角α的方向缠绕在芯模上。
(3)当橡胶胶带1未受缠绕压力时，根据芯模在截面B-B上的椭圆确定其与胶带边缘的最大距离m，由理论计算可得：
(4)对橡胶胶带1施加设定的缠绕压力F，设橡胶胶带1在设定的缠绕压力F作用下变形量为δ，为了保证橡胶胶带1边缘与芯模接触、粘接，必须满足：
m＜δ......................................⑥
根据方程⑤⑥计算橡胶胶带1的宽度范围为
由于采用圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径R参数计算通用胶带宽度，因此，计算得到的胶带宽度W不仅适用于圆柱面缠绕压辊，而且适用于回转椭圆凹面缠绕压辊，还能满足不同型号固体火箭发动机筒段橡胶绝热层自动化缠绕要求。
本发明的优势在于：本发明采用圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径参数，计算橡胶缠绕成型通用胶带宽度。利用该通用胶带，配合本发明中回转椭圆凹面缠绕压辊，可降低固体火箭发动机筒段绝热层环向缠绕压力，充分保证胶带边缘缠绕压力及缠绕质量，避免胶带两边出现翘边现象，提高自动化缠绕过程的平稳性。本发明适用于固体火箭发动机筒段及两端过渡部分绝热层环向缠绕要求，还满足不同型号固体火箭发动机筒段橡胶绝热层自动化缠绕要求。
附图说明
图1为橡胶环向缠绕示意图，其中：1为橡胶胶带，α为缠绕角，W为胶带宽度，C为芯模周长，A-A为缠绕螺旋线方向，B-B为A-A缠绕螺旋线方向垂直截面。
图2为B-B面橡胶胶带与芯模的位置示意图，其中：1为橡胶胶带，2为芯模B-B截面椭圆线，h为胶带厚度，F为缠绕压力，δ为橡胶胶带在缠绕压力F作用下的变形量，m是橡胶胶带未受缠绕压力时胶带边缘与芯模之间的最大距离，R为芯模的半径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例涉及一种固体火箭发动机绝热层缠绕成型胶带宽度计算方法：
在本实施例中，不同型号固体火箭发动机芯模直径范围为：480mm-2000mm，根据以上所述，选取最小型号芯模直径480mm进行通用胶带宽度计算。
(1)如图1、图2所示，根据橡胶胶带宽度W和芯模半径R，得出缠绕角α与胶带宽度W、芯模半径R之间的关系为：
cos α＝W/C...........................................①
C＝2πR................................................②
(2)如图1所示，沿与芯模轴线夹角为缠绕角α(沿芯模轴线逆时针方向旋转)的方向进行胶带缠绕，该方向即为缠绕螺旋线方向A-A，取A-A的垂直截面B-B，在B-B面内芯模与胶带位置关系如图2所示，所述芯模在B-B面上为一椭圆2，该椭圆方程：
cos2αx2+y2＝R2......................................................③
将①②式代入③式，得：
其中：x、y分别为椭圆上点的横、纵坐标。
所述的B-B截面中橡胶胶带1与芯模的位置关系具体为：橡胶胶带1在缠绕压辊的作用下，沿与芯模轴线夹角为缠绕角α的方向缠绕在芯模上。
(3)如图2所示，m是橡胶胶带未受缠绕压力时胶带边缘与芯模之间的最大距离，由理论计算可得：
(4)如图2所示，设橡胶胶带在设定的缠绕压力F作用下变形量为δ，为了保证橡胶胶带边缘与芯模接触、粘接，必须满足：
m＜δ............................................⑥
根据方程⑤⑥计算通用胶带的宽度范围为
(5)具体的，选取最小型号芯模直径480mm，即R＝240mm，橡胶胶带1在设定的缠绕压力F作用下变形量为δ＝0.1mm，得到通用胶带宽度范围为：W＜144.5mm
在固体火箭发动机绝热层缠绕成型过程中，取通用橡胶胶带宽度为100mm，以满足不同型号固体火箭发动机筒段橡胶绝热层自动化缠绕要求。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种橡胶缠绕成型胶带宽度计算方法，其特征在于，该方法基于圆柱面缠绕压辊与最小型号芯模半径参数计算通用型胶带宽度，包括以下步骤：
(1)首先确定缠绕角与胶带宽度、芯模半径之间的关系
缠绕角α是指橡胶胶带沿缠绕方向的中心线与芯模轴线之间的夹角，C为芯模的周长，W为橡胶胶带的宽度，R为芯模半径；其中W与C比值为缠绕角的余弦值，据此计算出缠绕角α、胶带宽度W与芯模半径R之间的关系：
cosα＝W/C......................................①
C＝2πR...................................②
(2)计算芯模在截面B-B上的椭圆方程：
沿与芯模轴线夹角为缠绕角α的方向进行胶带缠绕，该方向即为缠绕螺旋线方向A-A，B-B面为A-A的垂直截面，芯模在截面B-B上为一椭圆，该椭圆方程：
cos2αx2+y2＝R2....................................................③
将①②式代入③式，得到:
其中：x、y分别为椭圆上点的横、纵坐标；
所述的B-B截面中橡胶胶带与芯模的位置关系具体为：橡胶胶带在缠绕压辊的作用下，沿与芯模轴线夹角为缠绕角α的方向缠绕在芯模上；
(3)当橡胶胶带未受缠绕压力时，根据芯模在截面B-B上的椭圆确定其与胶带边缘的最大距离m，由理论计算可得：
(4)对橡胶胶带施加设定的缠绕压力F，设橡胶胶带在设定的缠绕压力F作用下变形量为δ，为了保证橡胶胶带边缘与芯模接触、粘接，必须满足：
m＜δ.......................................⑥
根据方程⑤⑥计算橡胶胶带的宽度范围为
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