CN114193805B - 一种连续纤维增强复合管的成型设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续纤维增强复合管的成型设备，属于复合管道技术领域。它解决了现有技术中的复合管道强度较弱的问题。本连续纤维增强复合管的成型设备包括成型模具和外管，成型模具的外模套与芯模之间形成有成型腔道，外管的一端由外模套的前端口伸入外模套内，外管的外周壁与外模套的内周壁之间形成供纤维穿过的环形腔道，成型腔道内设有套设在芯模外部的圆筒状的支撑筒，支撑筒上遍布设有过料孔，支撑筒的外周壁与外模套的内周壁之间具有间隙，外管中还设有用于将熔融料注入支撑筒内的进料通道。本成型设备所生产的复合管道具有强度高、韧性好的优点。

Description

一种连续纤维增强复合管的成型设备
技术领域
本发明属于复合管道技术领域，涉及一种连续纤维增强复合管的成型设备。
背景技术
随着城市的不断扩大建设、以及石油和天然气的不断开采，对运输管道的需求也越来越大。传统的钢制管道耐腐蚀性较差且不易搬运，已无法适应当前的需要。同时，我国主要石油及天然气多分布于沙漠、沼泽或山区，自然环境较为恶劣，铺设钢制管道时受自然环境的影响十分严重，又由于地面沉降、山体滑坡等原因使输送管道极其容易出现损坏现象。纤维增强复合管道由于其密度小，强度高，具有优异的机械性能，如良好的加工性能及其很好的耐化学稳定性能和耐热性能等，在一些复杂的环境中仍然可以长期稳定使用，因此受到广泛的应用。
现有的纤维增强复合管主要是连续纤维增强复合管，目前连续纤维增强复合管在制造时，常规技术是通过挤出机先挤出管坯，然后再通过缠绕机将增强纤维缠绕在管坯表面，并通过粘结剂粘合，形成增强纤维复合管道。如中国专利文献公开的一种塑料管道成型流水线(申请号：201811640324.6；申请公开号：CN109664479A)。该制造工艺所生产的复合管道要保证制备的管道到达要求的强度，通常需要进行多层缠绕，而由于连续纤维的厚度很小，其直接缠绕在内管表面形成的粘结层很小，同时各层纤维依次缠绕往往也会造成纤维之间接触的区域粘接力有限或者根本没有粘结，导致层间的粘结不结实，对复合管道质量尤其是强度的提高效果有限。
另外，除了连续增强纤维复合管之外，还有通过将将短切纤维混入热熔体中，进行多层共挤形成多层结构的纤维增强复合管。如中国专利文献公开的一种防鼠硅芯管的共挤模具(申请号：202022849645.6)，在成型芯前侧连接合流芯，使其生产出来的防鼠硅芯管呈三层结构；其外层和内层中含有的玻璃纤维占比较小，中层含有的玻璃纤维占比较大，从而使该防鼠硅芯管在能够保证良好的力学性能。由于该模具结构的特性，无法实现连续纤维复合管的共挤，而只能将短切纤维混入热熔体中，进行多层共挤形成多层结构的纤维增强复合管道，相对于连续纤维增强复合管道而言，其管道性能尤其是抗剪切强度差异较为明显。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种连续纤维增强复合管的成型设备，本发明解决的技术问题是：如何提升纤维增强复合管道的强度。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种连续纤维增强复合管的成型设备，包括成型模具，所述成型模具的外模套与芯模之间形成有成型腔道，其特征在于，本成型设备还包括外管，所述外管的一端由外模套的前端口伸入外模套内，所述外管的外周壁与外模套的内周壁之间形成供纤维穿过的环形腔道，所述成型腔道内设有套设在芯模外部的圆筒状的支撑筒，所述支撑筒上遍布设有过料孔，所述支撑筒的外周壁与外模套的内周壁之间具有间隙，所述外管中还设有用于将熔融料注入支撑筒内的进料通道。
在进行管道生产的过程中，都需要利用牵引机向前牵拉制造成型的管道，以使管道连续不断地从成型模具内伸出，实现连续生产。本成型设备通过设置外管，在制造时，依靠现有的纤维缠绕装置如绕线机将连续增强纤维缠绕在外管的外周壁上，此时，由于外管的外周壁与外模套的内周壁之间形成供增强纤维穿过的环形腔道，因此在牵引机的作用下，增强纤维会持续不断地经过成型模具的成型腔道，并在到达支撑筒的后端脱离支撑筒之后，与熔融料交汇形成复合状态，最终形成纤维增强复合管道从成型模具的后端伸出，经过定径冷却设备之后连接牵引机。
本成型设备中，通过在成型腔道内设置支撑筒，支撑筒的外周壁与外模套的内周壁之间具有间隙，这样的设计使得支撑筒一方面对增强纤维形成了支撑，使得增强纤维沿着支撑筒的外周壁顺直地进行移动，提升管道的成型质量。另外，支撑筒上遍布设有过料孔，而进料通道将熔融料注入支撑筒内，因此部分熔融料会流经过料孔，类似于水管内的水流忽然流经一个小孔排出的情况，熔融料流经过料孔会形成较大的压力，能加强熔融料的流动性以及塑化效果，在增强纤维达到支撑筒的后端与熔融料交汇复合之前，熔融料能够流经过料孔并渗入增强纤维的内部，对增强纤维进行预浸润，从而使得熔融料与增强纤维复合效果更好，进而提升产品的质量以及强度。
另外，本连续纤维增强复合管的成型设备与现有设备的生产原理完全不同，本成型设备并非是先通过挤出机挤出管坯，然后再通过缠绕机将增强纤维缠绕在管坯表面，而是将熔融料以及连续的增强纤维在成型模具内一步成型为复合管道，这样熔融料能够在成型模具内与增强纤维进行相容、渗透，因此结合效果更好，强度更高，而不存在现有设备生产的复合管道存在的层间粘结不结实引起管道强度变弱的问题。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述芯模的外周壁与支撑筒的内周壁之间具有间隙，所述支撑筒与外模套同轴心设置，且支撑筒的外周壁与外管的外周壁齐平。芯模的外周壁与支撑筒的内周壁之间具有间隙，使得熔融料能顺利流过该间隙，到达支撑筒的后端与增强纤维交汇、复合，且部分熔融料则透过支撑筒上的过料孔对增强纤维进行预浸润。支撑筒与外模套同轴心设置，且支撑筒的外周壁与外管的外周壁齐平，使得增强纤维在成型模具内移动的过程顺畅，进而保证加工产品的质量。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，本成型设备还包括挤出机，所述外管内穿设有与挤出机相连通的芯管，所述芯管的内孔为上述的进料通道，所述芯模的前端连接有分流器，所述支撑筒固连在分流器上，所述芯管的出口与分流器正对。通过位于外管内的芯管来将挤出机挤出的熔融料输送至成型模具内，这样的输送方式不会影响在外管的外周壁上进行增强纤维的缠绕。芯管的出口与分流器正对，使得分流器能将芯管流出的熔融料沿径向向四周扩散，便于熔融料加热塑化，提升增强纤维与熔融料的结合效果，进而提升管道的强度。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述芯管的出口端还固定套设有连接套，所述连接套的外周壁抵靠在外管的内周壁上，所述分流器通过紧固件固连在所述连接套上。通过这样的设计，一方面保证了芯管出口端的稳定性，另一方面实现了分流器和支撑筒的安装，使得分流器和支撑筒的外周壁均与外模套的内周壁形成供增强纤维穿过的间隙。作为优选，连接套上沿其周向开设有八个螺栓过孔，分流器上与开设有八个与螺栓过孔一一对应设置的螺栓孔，每个螺栓过孔内均穿设有螺栓，螺栓穿过螺栓过孔与对应的螺栓孔螺纹连接。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述分流器包括呈圆筒状的连接部和设置在连接部内孔中的分流柱，所述分流柱与连接部同轴心设置，所述分流柱与连接部之间通过若干连接片连接，所述分流柱的前端具有分流锥，所述分流锥与芯管的出口正对。芯管流出的熔融料先受到分流锥的作用沿径向向四周扩散，之后又会受到连接片的作用，对熔融料进行打散，使得熔融料的塑化效果进一步提升，进而提升增强纤维与熔融料的结合效果，使复合管的强度得到保证。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述连接部的外周壁上沿周向设有环形台阶面，所述支撑筒的前端固定套设在所述环形台阶面上，所述支撑筒的外周壁与连接部的外周壁相互齐平。支撑筒需要相对于外模套悬空设置，此时通过在连接部的外周壁上沿周向设有环形台阶面，不仅满足了支撑筒的安装，而且保证了安装的稳定性。支撑筒的外周壁、外管的外周壁以及连接部的外周壁相互齐平，使得增强纤维在成型模具内移动的过程顺畅，避免增强纤维刮伤受损，进而保证加工产品的质量。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述芯模包括主体段、连接于主体段前端的锥形分流段和连接于主体段后端的定径段，所述主体段的外径小于定径段的外径，所述支撑筒套设在芯模的主体段以及锥形分流段的外部。通常成型模具都自带加热元件，锥形分流段能进一步将芯管流出的熔融料沿径向向四周扩散，使熔融料变成薄环状，从而进一步加热塑化，提升增强纤维与熔融料的结合效果，进而提升管道的强度。定径段的外径设置保证复合管道成型后具有所需的内径尺寸，而主体段的外径小于定径段的外径，使得主体段与支撑筒之间间隙相对较大，进而保证熔融料的流通量，保证增强纤维与熔融料充分复合，进而保证产品的强度。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述主体段和定径段之间通过弧形过渡面连接，所述支撑筒的后端与该弧形过渡面相邻近。增强纤维达到支撑筒的后端之后，会脱离支撑筒与该处的熔融料向进行复合，然后再从定径段与外模套之间伸出，此时，弧形过渡面的设计不仅能保证复合管顺畅伸出模具，同时还能将增强纤维上多余的熔融料刮除，以提升产品的质量。
在上述的连续纤维增强复合管的成型设备中，所述芯模的锥形分流段上开设有中心孔，所述分流柱的后端插接至中心孔内，所述中心孔内穿设有与分流柱螺接并将芯模固定连接在分流柱上的螺栓。同样的，由于本成型模具特殊的生产方式，使得芯模也需要相对于外模套悬空设置，而传统成型模具的芯模的安装方式显然无法满足该需求。鉴于此，本成型设备通过芯模上开设中心孔，将分流柱的后端与中心孔插接，然后再利用螺栓固定，这样的设计不仅能满足芯模的悬空设置的安装需求，而且保证其安装稳定。
与现有技术相比，本连续纤维增强复合管的成型设备具有以下优点：
1、本成型设备中，通过在成型腔道内设置支撑筒，支撑筒一方面对增强纤维形成了支撑，使得增强纤维沿着支撑筒的外周壁顺直地进行移动，提升管道的成型质量。另外，遍布设有过料孔的支撑筒还能加强熔融料的流动性以及塑化效果，在增强纤维达到支撑筒的后端与熔融料交汇复合之前，熔融料能够流经过料孔并渗入增强纤维的内部，对增强纤维进行预浸润，从而使得熔融料与增强纤维复合效果更好，使得生产的复合管道具有较高的结构强度。
2、本复合管的成型设备通过将熔融料以及连续的增强纤维在成型模具内一步成型为复合管道，这样熔融料能够在成型模具内与增强纤维进行相容、渗透，因此结合效果更好，强度更高，而不存在现有设备生产的复合管道存在的层间粘结不结实引起管道强度变弱的问题。
附图说明
图1是本发明中成型模具的剖视图。
图2是支撑筒的立体结构示意图。
图3是分流器的立体结构示意图。
图4是本复合管成型设备的立体结构示意图。
图5是本复合管成型设备的局部剖视图。
图中，1、成型模具；1a、外模套；1a1、前端口；1b、芯模；1b1、主体段；1b2、锥形分流段；1b3、定径段；1b4、弧形过渡面；1b5、中心孔；1c、成型腔道；1d、环形腔道；1e、支撑筒；1e1、过料孔；1f、分流器；1f1、连接部；1f2、分流柱；1f3、连接片；1f4、分流锥；1f5、环形台阶面；2、外管；3、芯管；31、进料通道；4、挤出机；5、绕线机；6、连接套；7、紧固件；8、螺栓孔；9、螺栓。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这一实施例。
本复合管的成型设备包括成型模具1、绕线机5、挤出机4等，如图1所示，成型模具1的外模套1a与芯模1b之间形成有成型腔道1c，本成型设备还包括外管2，外管2的一端由外模套1a的前端口1a1伸入外模套1a内，外管2的外周壁与外模套1a的内周壁之间形成供增强纤维穿过的环形腔道1d，成型腔道1c内设有套设在芯模1b外部的圆筒状的支撑筒1e，如图2所示，支撑筒1e上遍布设有过料孔1e1，支撑筒1e的外周壁与外模套1a的内周壁之间具有间隙，芯模1b的外周壁与支撑筒1e的内周壁之间具有间隙，支撑筒1e与外模套1a同轴心设置，且支撑筒1e的外周壁与外管2的外周壁齐平。芯模1b的外周壁与支撑筒1e的内周壁之间具有间隙，使得熔融料能顺利流过该间隙，到达支撑筒1e的后端与增强纤维交汇、复合，且部分熔融料则透过支撑筒1e上的过料孔1e1对增强纤维进行预浸润。
进一步的，如图1所示，芯模1b包括主体段1b1、连接于主体段1b1前端的锥形分流段1b2和连接于主体段1b1后端的定径段1b3，主体段1b1的外径小于定径段1b3的外径，支撑筒1e套设在芯模1b的主体段1b1以及锥形分流段1b2的外部。主体段1b1和定径段1b3之间通过弧形过渡面1b4连接，支撑筒1e的后端与该弧形过渡面1b4相邻近。为了实现芯模1b的固定，芯模1b的锥形分流段1b2上开设有中心孔1b5，分流柱1f2的后端插接至中心孔1b5内，中心孔1b5内穿设有与分流柱1f2螺接并将芯模1b固定连接在分流柱1f2上的螺栓9。
结合图1和图4所示，外管2中还设有用于将熔融料注入支撑筒1e内的进料通道31。具体的，外管2内穿设有与挤出机4相连通的芯管3，芯管3的内孔为上述的进料通道31，芯模1b的前端连接有分流器1f，支撑筒1e固连在分流器1f上，芯管3的出口与分流器1f正对。通过位于外管2内的芯管3来将挤出机4挤出的熔融料输送至成型模具1内，这样的输送方式不会影响在外管2的外周壁上进行增强纤维的缠绕。芯管3的出口与分流器1f正对，使得分流器1f能将芯管3流出的熔融料沿径向向四周扩散，便于熔融料加热塑化，提升增强纤维与熔融料的结合效果，进而提升管道的强度。
如图1所示，芯管3的出口端还固定套设有连接套6，连接套6的外周壁抵靠在外管2的内周壁上，分流器1f通过紧固件7固连在连接套6上。具体的，连接套6上沿其周向开设有八个螺栓9过孔，如图3所示，分流器1f上与开设有八个与螺栓9过孔一一对应设置的螺栓9孔8，每个螺栓9过孔内均穿设有螺栓9，螺栓9穿过螺栓9过孔与对应的螺栓9孔8螺纹连接。
如图3所示，分流器1f包括呈圆筒状的连接部1f1和设置在连接部1f1内孔中的分流柱1f2，分流柱1f2与连接部1f1同轴心设置，分流柱1f2与连接部1f1之间通过若干连接片1f3连接，分流柱1f2的前端具有分流锥1f4，分流锥1f4与芯管3的出口正对。结合图1和图3所示，连接部1f1的外周壁上沿周向设有环形台阶面1f5，支撑筒1e的前端固定套设在环形台阶面1f5上，支撑筒1e的外周壁与连接部1f1的外周壁相互齐平。芯管3流出的熔融料先受到分流锥1f4的作用沿径向向四周扩散，之后又会受到连接片1f3的作用，对熔融料进行打散，使得熔融料的塑化效果进一步提升，进而提升增强纤维与熔融料的结合效果，使复合管的强度得到保证。
在进行管道生产的过程中，都需要利用牵引机向前牵拉制造成型的管道，以使管道连续不断地从成型模具1内伸出，实现连续生产。牵引机为现有技术，图中未示出。本成型设备通过设置外管2，在制造时，依靠现有的纤维缠绕装置，如绕线机5和轴向纱进纱结构，将连续增强纤维包覆在外管2的外周壁上。轴向纱进纱结构将若干沿外管2轴向设置的连续增强纤维包覆在外管2的外周壁上并形成轴向纤维层，而绕线机5将连续增强纤维沿周向缠绕在轴向纤维层的外部。
由于外管2的外周壁与外模套1a的内周壁之间形成供增强纤维穿过的环形腔道1d，因此在牵引机的作用下，增强纤维会持续不断地经过成型模具1的成型腔道1c，并在到达支撑筒1e的后端脱离支撑筒1e之后，与熔融料交汇形成复合状态，最终形成纤维增强复合管道从成型模具1的后端伸出，经过定径冷却设备之后连接牵引机。
尽管本文较多地使用了1、成型模具；1a、外模套；1a1、前端口；1b、芯模；1b1、主体段；1b2、锥形分流段；1b3、定径段；1b4、弧形过渡面；1b5、中心孔；1c、成型腔道；1d、环形腔道；1e、支撑筒；1e1、过料孔；1f、分流器；1f1、连接部；1f2、分流柱；1f3、连接片；1f4、分流锥；1f5、环形台阶面；2、外管；3、芯管；31、进料通道；4、挤出机；5、绕线机；6、连接套；7、紧固件；8、螺栓孔；9、螺栓等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强复合管的成型设备，包括成型模具(1)，所述成型模具(1)的外模套(1a)与芯模(1b)之间形成有成型腔道(1c)，其特征在于，本成型设备还包括外管(2)，所述外管(2)的一端由外模套(1a)的前端口(1a1)伸入外模套(1a)内，所述外管(2)的外周壁与外模套(1a)的内周壁之间形成供纤维穿过的环形腔道(1d)，所述成型腔道(1c)内设有套设在芯模(1b)外部的圆筒状的支撑筒(1e)，所述支撑筒(1e)上遍布设有过料孔(1e1)，所述支撑筒(1e)的外周壁与外模套(1a)的内周壁之间具有间隙，所述外管(2)中还设有用于将熔融料注入支撑筒(1e)内的进料通道(31)，所述芯模(1b)的前端连接有分流器(1f)，所述支撑筒(1e)的前端固连在分流器(1f)上，且支撑筒(1e)的外周壁与外管(2)的外周壁齐平，所述芯模(1b)的外周壁与支撑筒(1e)的内周壁之间以及芯模(1b)的外周壁与支撑筒(1e)后端的开口边沿之间均具有间隙。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述支撑筒(1e)与外模套(1a)同轴心设置。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，本成型设备还包括挤出机(4)，所述外管(2)内穿设有与挤出机(4)相连通的芯管(3)，所述芯管(3)的内孔为上述的进料通道(31)，所述芯管(3)的出口与分流器(1f)正对。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述芯管(3)的出口端还固定套设有连接套(6)，所述连接套(6)的外周壁抵靠在外管(2)的内周壁上，所述分流器(1f)通过紧固件(7)固连在所述连接套(6)上。
5.根据权利要求3或4所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述分流器(1f)包括呈圆筒状的连接部(1f1)和设置在连接部(1f1)内孔中的分流柱(1f2)，所述分流柱(1f2)与连接部(1f1)同轴心设置，所述分流柱(1f2)与连接部(1f1)之间通过若干连接片(1f3)连接。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述分流柱(1f2)的前端具有分流锥(1f4)，所述分流锥(1f4)与芯管(3)的出口正对。
7.根据权利要求5所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述连接部(1f1)的外周壁上沿周向设有环形台阶面(1f5)，所述支撑筒(1e)的前端固定套设在所述环形台阶面(1f5)上，所述支撑筒(1e)的外周壁与连接部(1f1)的外周壁相齐平。
8.根据权利要求5所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述芯模(1b)包括主体段(1b1)、连接于主体段(1b1)前端的锥形分流段(1b2)和连接于主体段(1b1)后端的定径段(1b3)，所述主体段(1b1)的外径小于定径段(1b3)的外径，所述支撑筒(1e)套设在芯模(1b)的主体段(1b1)以及锥形分流段(1b2)的外部。
9.根据权利要求8所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述主体段(1b1)和定径段(1b3)之间通过弧形过渡面(1b4)连接，所述支撑筒(1e)的后端与该弧形过渡面(1b4)相邻近。
10.根据权利要求8所述的连续纤维增强复合管的成型设备，其特征在于，所述芯模(1b)的锥形分流段(1b2)上开设有中心孔(1b5)，所述分流柱(1f2)的后端插接至中心孔(1b5)内，所述中心孔(1b5)内穿设有与分流柱(1f2)螺接并将芯模(1b)固定连接在分流柱(1f2)上的螺栓(9)。
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