CN115056505B - 球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备及方法 - Google Patents

Abstract

球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备及方法，包括芯球转动系统、供纱系统、控制系统和机身；芯球转动系统、供纱系统、控制系统均设置在机身上，芯球设置在芯球转动系统上，控制系统用于控制芯球转动系统和供纱系统动作；采用碳纤维长丝在芯球外缠绕作为核燃料球的加固层的增强材料，能够使核燃料球经受更强的碰撞力而不会破损；缠绕过成全部自动化，避免了人员身体接触。本发明球壳形缠绕体各部位的缠绕厚度相同、纤维方向分布均匀，没有先天薄弱点。该设备及缠绕方法也能应用于小封头球形高压容器和体育用品、工艺品等其它产业。

Description

球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备及方法

技术领域

本发明属于碳纤维球面缠绕技术领域，具体涉及球形核燃料的外防护层的碳纤维球面缠绕设备及方法。

背景技术

高温气冷堆作为第四代核反应堆其最大的优势在于其高安全性以及安全便捷的乏燃料处理。目前高温气冷堆采用的是直径60mm球形核燃料，球形核燃料的燃料芯球直径约50mm，外侧有一层5mm厚的无燃料防护层。防护层采用由天然石墨、人造石墨和酚醛树脂混合而成的基体石墨粉，均匀地敷在在燃料芯球的外侧并通过球形模具压制成60mm的球，再经过高温真空纯化处理后获得的机械强度较高的高强度石墨防护层。由于核燃料球从进入反应堆工作到移出反应堆的漫长过程中要在1600～2000℃的高温条件下长期经受各种碰撞和摩擦，所以燃料球的外层必须要有足够高的强度。现有核燃料球的外防护层采用高强度石墨制造，基本满足了小型试验堆的使用要求，但随着第四代核反应堆的推广应用，未来大容量的高温气冷堆的尺寸必然越造越大，现有的核燃料球的外层结构强度将难以抵抗更高落差造成的碰撞，从而给安全性带来挑战。众所周知，碳纤维是迄今为止人类所发现的强度最高的材料，并且具有在2000℃以下强度随温度升高而升高的特性，在无氧的高温环境中可长期使用。虽然在航天科技领域，人们早已广泛采用高强度纤维缠绕技术制作各种形状的高压容器和耐烧蚀零部件，但缠绕等厚且性能均匀一致的完整球壳未曾听闻。虽然CN101767509A展现了一种用于工艺品的空心线球的生产设备及工艺，但该方法因需要在芯模内插一根细长轴，并且受这根细长轴的羁绊其转盘61无法进行360°旋转，故无法做到所缠球形面处处厚度均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备及方法，以解决无法缠绕等厚且性能均匀一致的碳纤维外壳的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，包括芯球转动系统、供纱系统、控制系统和机身；芯球转动系统、供纱系统、控制系统均设置在机身上，芯球设置在芯球转动系统上，控制系统用于控制芯球转动系统和供纱系统动作；

芯球转动系统包含两套对置的夹持机构，夹持机构包括夹持头、直线作动器和全向轮；夹持头包括左夹持头和右夹持头，左夹持头设置在机身上，左夹持头端部纵向设有两个全向轮，右夹持头的一端与直线作动器连接，右夹持头的另一端水平设置设有两个全向轮，每个全向轮都含有驱动电机，芯球设置在左夹持头和右夹持头之间；

供纱系统为缠绕驱动机构、麦克纳姆轮驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构，缠绕驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构均用于在芯球上缠绕碳纤维。

进一步的，缠绕驱动机构设置在芯球的下方，缠绕驱动机构包括缠绕驱动头、全向轮和压紧弹簧，全向轮水平方向上前后排列在缠绕驱动头上，全向轮含有驱动电机，且压紧在芯球上；压紧弹簧设置在机身上，缠绕驱动头设置在压紧弹簧上。

进一步的，用一组麦克纳姆轮驱动机构或者电动轮替换全向轮，实现芯球的同时分别绕X轴、Y轴、Z轴的三轴转动。

进一步的，替换为电动轮时，分为三种排布结构：

左夹持头和右夹持头均安装两个电动轮49，四个电动轮49为胶轮，且直径都相同，芯球1与左夹持头的电动轮49的接触点的间距与芯球1与右夹持头的电动轮的接触点的间距都相同，均为d；左夹持头的两个电动轮49的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右夹持头两个电动轮的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°夹角θ和-θ，左夹持头的电动轮49与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，右夹持头的电动轮与芯球1的接触面中心点在XY平面；芯球1的外径为R，满足θ＝arctan(2R/d)，四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴转动；

左夹持头和右夹持头均安装两个电动轮49，四个电动轮49为胶轮，且直径都相同，芯球1与左夹持头的电动轮49的接触点的间距与芯球1与右夹持头电动轮的接触点的间距都为d；左夹持头的电动轮49的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右夹持头的电动轮的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，左夹持头电动轮49与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，右夹持头的电动轮与芯球1的两个接触面的中心点在XY平面；芯球1的外径为R，满足θ＝arctan(2R/d)，四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴和Z轴转动；

左夹持头和右夹持头均安装两个电动轮49，四个电动轮49为胶轮，且直径都相同，芯球1与左夹持头的电动轮49的接触点的间距与芯球1与右夹持头的电动轮的接触点的间距都为d；左夹持头的电动轮49的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右夹持头的电动轮与芯球1接触面的中心点连线与Y轴垂直且与X轴有夹角，以保证电动轮与XY平面有距离；右夹持头的电动轮的轴线与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，左夹持头的电动轮与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面；芯球1的外径为R，满足θ＝arctan(2R/d)，四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就获得相同大小的角速度分量围绕X轴和Y轴转动。

进一步的，夹持头转动供纱机构包括纱线筒转动支轴、纱线筒、导丝器、支架和夹持头驱动机构；支架的末端固定在机身上，支架前端安装有导丝器并靠近芯球的顶端，纱线筒套装在纱线筒转动支轴上夹持头驱动机构用于驱动左夹持头和右夹持头转动。

进一步的，夹持头驱动机构包括轴承、滑环、齿轮和电机；左夹持头上套设有轴承、滑环、齿轮，轴承设置在机身内，滑环用于支撑左夹持头，右夹持头上套设有齿轮，机身底部设置有电机，电机两端的输出端的齿轮分别与左夹持头和右夹持头上的齿轮啮合。

进一步的，缠绕头转动供纱机构包括纱线筒转动支轴、纱线筒、导丝器、支架、缠绕臂和缠绕头驱动机构；缠绕臂套设在左夹持头上，支架的末端固定在缠绕臂上，支架前端安装有导丝器并靠近芯球的顶端，纱线筒套装在纱线筒转动支轴上，缠绕头驱动机构用于驱动缠绕臂绕左夹持头转动。

进一步的，缠绕头驱动机构包括轴承、缠绕臂齿轮和电机；缠绕臂通过轴承设置在左夹持头上，缠绕臂上设置有缠绕臂齿轮，电机设置在机身上，电机的输出端的齿轮和缠绕臂齿轮啮合。

进一步的，飞叉式绕线供纱机构包含绕纱管、导丝器、缠绕伺服电机、电机轴、磁力耦合器座、滑环、轴承、左磁钢盘、右磁钢盘、绕纱管座、夹紧头座、导线器和入口导丝器；绕纱管前端安装有导丝器，后端与绕纱管座在绕纱管座的导纱孔处镶嵌成为一体；电机轴设置在缠绕伺服电机内，绕纱管座中设有一个与电机轴等直径的通孔，绕纱管座安装在电机轴外侧，绕纱管座的导纱孔的内侧与导线器相对，绕纱管座的左右两侧分别被两个轴承的内圈所夹持；左夹持头的左端安装在轴承的外侧；绕纱管设置在左磁钢盘和右磁钢盘之间，轴承的外侧与左磁钢盘连接，右磁钢盘和夹紧头座连接；左夹持头的右侧安装至少三个带有独立驱动电机的麦克纳姆轮，左右磁钢盘相互吸引使得左夹持头的夹紧头座不会转动；绕纱管是一根弯曲成型的金属管。

进一步的，球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕方法，包括以下步骤：

ⅰ.将压制好的含有和燃料颗粒的芯球放置于两个夹持装置中间，使芯球被夹持装置所压紧；

ⅱ.将预浸胶碳纤维的端头从导丝器中穿出并压紧在芯球的表面；

ⅲ.启动缠绕驱动机构、麦克纳姆轮驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构，进行缠绕。

ⅳ.当芯球分别沿X轴和Y轴各转n个半圈后停止缠绕，n为正整数；

ⅴ.剪断碳纤维并将芯球一侧的断头用电热头瞬间加热压粘固定；

ⅵ.打开夹持装置，使夹持装置的胶轮远离芯球，取出球体；

ⅶ.将球体放入模具加热固化，脱模；

ⅷ.将球体放入真空高温炉，进行碳化和石墨化处理；

ⅸ.去除表面飞丝，检验合格后入库。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明缠绕设备包含采用夹持装置夹持芯球推动芯球做三轴自旋带动预浸胶碳纤维扁长丝进行缠绕；夹持装置包含2组对置的夹持头，每组夹持头至少使用两个全向轮，两组夹持头上的全向轮方向相互垂直；伺服电机驱动每个全向轮都以相同的线速度转动，使芯球以相同的角速度分别围绕X轴和Y轴缓慢地旋转；在芯球以恒定转速围绕X轴和Y轴缓慢地同步旋转的同时，缠绕电机驱动夹持头的夹持头座和伸缩杆绕Z轴快速旋转带动芯球绕Z轴旋转，进而拉动来自纱线筒并经过固定的导丝器的碳纤维在芯球表面缠绕。芯球围绕X轴和Y轴各旋转180°，就能在芯球表面缠绕出一个厚度相同、纤维方向分布均匀的缠绕层，按照设计完成n个缠绕层使缠绕层厚度复合要求；采用碳纤维长丝在芯球外缠绕作为核燃料球的加固层的增强材料，能够使核燃料球经受更强的碰撞力而不会破损；缠绕过成全部自动化，避免了人员身体接触。

本发明球壳形缠绕体各部位的缠绕厚度相同、纤维方向分布均匀，没有先天薄弱点。

附图说明

图1为夹持头旋转式球面缠绕设备结构和工作原理示意图

图2为具有独立环绕器的球面缠绕设备结构和工作原理示意图

图3为缠绕管式球面缠绕设备结构和工作原理示意图

图4为夹持头转动供纱机构示意图

图5为飞叉式绕线供纱机构示意图

图6为采用普通电动轮实现芯球做二轴旋转示意图；

图7采用普通电动轮实现芯球做三轴旋转示意图；

图8为采用普通电动轮实现芯球做二轴旋转示意图。

其中：1——芯球、2——左夹持头、3——右夹持头、4——缠绕驱动头、5——全向轮、8——伸缩杆、9——压紧弹簧、10——直线作动器、11——丝束、12——导丝器、13——支杆、14——机身、15——麦克纳姆轮、16——轴承、17——滑环、18——小齿轮、19——齿轮、20——纱线筒、22——缠绕臂齿轮、23——电机、31——绕线臂、35——缠绕伺服电机、38——导线器、39——入口导丝器、40——绕线管、41——左磁钢盘、42——右磁钢盘、44——夹头座、45——绕线管座、47——电机轴、49——第一电动轮、50——第二电动轮、49’——第三电动轮、50’——第四电动轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

实施例1：两个夹持头绕Z轴旋转。

请参阅图1，一种球面缠绕设备及缠绕方法，缠绕设备主要包含芯球转动系统、供纱系统和控制系统和机身；芯球转动系统包含两套对置的夹持头、直线作动器和缠绕驱动头4；左夹持头2的支撑座固定在机身上，左夹持头2右端上下设有两个全向轮5，每个全向轮5都含有驱动电机；由右夹持头3的左端水平设置设有两个全向轮5，每个全向轮5都含有驱动电机；缠绕系统4包含成前后排列的全向轮5及压紧弹簧9，全向轮5含有驱动电机；右夹持头3的左端支撑座与直线作动器10的伸缩轴8做成一体且可以绕作动器10的轴线转动，直线作动器10包含驱动电机，其伸缩杆能够在其轴向移动；

供纱系统包含纱线筒转动支轴、纱线筒20、导丝器12和支架13，支架12的末端固定在机身14上，支架13前端安装有导丝器12并靠近芯球的顶端，纱线筒20套装在可转动支轴上，纱线筒20外侧的丝束端部经过导丝器12被压在芯球表面；左夹持头2和右夹持头3上的全向轮在各自驱动电机的驱动下以相同大小的转速旋转推动芯球分别绕X轴和Y轴低速旋转，同时缠绕驱动头4的全向轮在在其驱动电机驱动下转动并推动芯球绕Z轴快速旋转；套装在可转动支轴上的纱线筒20为缠绕提供的碳纤维丝束，预先前端已被固定在芯球表面的碳纤维就会随着需求的转动而被缠绕到芯球表面；芯球1每绕X轴和Y轴同步匀速旋转180°，碳纤维就在芯球表面缠绕出一个厚度相同、纤维方向分布均匀的球壳形状的缠绕层，经过n个180°的缠绕使厚度达到规定要求后将碳纤维剪断并将端头扎紧，使左夹持头向右移动，取出球体，缠绕结束；然后将已缠绕好碳纤维的球体放入模具加热固化，再将球体放入真空炉做高温碳化和石墨化处理，形成高性能碳碳防护层。具体缠绕方法如下：

ⅰ.将压制好的含有和燃料颗粒的芯球放置于两个夹持装置中间并开动夹持装置的加紧伺服系统，使芯球被夹持装置的胶轮所压紧；

ⅱ.将碳纤维的端头从缠绕飞叉的导丝器中穿出并压紧在芯球的表面；

ⅲ.启动胶轮转动的伺服电机和缠绕飞叉的驱动电机旋转，进行缠绕。

ⅳ.当芯球分别沿X轴和Y轴各转n/2圈后停止缠绕(n为正整数)；

ⅴ.剪断碳纤维并剪短头用电热头瞬间加热压粘固定；

ⅵ.开动夹持装置的加紧伺服系统，使夹持装置的胶轮远离芯球，取出球体。

ⅶ.将球体放入模具加热固化，脱模；

ⅷ.将球体放入真空高温炉，进行碳化和石墨化处理。

ⅸ.去除表面飞丝，检验合格后入库。

实施例2：用麦克纳姆轮驱动芯球旋转

请参阅图2，一种球面缠绕设备及缠绕方法，缠绕设备主要包含芯球转动系统、供纱系统和控制系统和机身；芯球转动系统包含两套对置的夹持头、直线作动器；左夹持头2的支撑座固定在机身上，左侧夹持头的右端使用至少3个带有独立驱动电机的麦克纳姆轮15；右侧夹持头的左端使用至少一个可自由转动的全向轮5；右夹持头3的左端支撑座与直线作动器10的伸缩轴8相连，直线作动器10包含驱动电机，其伸缩杆能够在其轴向水平移动；供纱系统包含纱线筒转动支轴、纱线筒20、导丝器12和支架13，支架12的末端固定在机身14上，支架13前端安装有导丝器12并靠近芯球的顶端，纱线筒20套装在可转动支轴上，纱线筒20外侧的丝束端部经过导丝器12被压紧固定在芯球表面；左夹持头2上的麦克纳姆轮按照设计的运动方式运转推动芯球同时以较低的转速分量绕X轴和Y轴旋转，同时以较高的转速分量绕Z轴快速旋转；纱线筒20套装在可转动支轴上，纱线筒上的纱线为预浸胶碳纤维丝束，随着芯球的转动预先前端已被固定在芯球表面的碳纤维就会随着需求的转动而被缠绕到芯球表面；芯球1每绕X轴和Y轴同步匀速旋转180°，碳纤维就在芯球表面缠绕出一个厚度相同、纤维方向分布均匀的球壳形状的缠绕层，经过n个180°的缠绕使厚度达到规定要求后将碳纤维剪断并将端头扎紧，使左夹持头向右移动，取出球体，缠绕结束；然后将已缠绕好碳纤维的球体放入模具加热固化，再将球体放入真空炉做高温碳化和石墨化处理，形成高性能碳碳防护层。具体缠绕方法与实施例1相似。

实施例3：夹持头转动式

请参阅图4，一种夹持头转动式球面缠绕设备及缠绕方法，缠绕设备主要包含芯球转动系统、供纱系统和控制系统和机身及馈电滑环；芯球转动系统包含两套可以绕Z轴转动的对置的夹持头、直线作动器；左夹持头2的支撑座13通过轴承16与机身14相连，左侧夹持头的右端使用一组带有独立驱动电机的麦克纳姆轮15；右侧夹持头的左端使用至少一个可自由转动的全向轮5，右夹持头3左端的支撑座与直线作动器10的伸缩轴8相连，伸缩轴8可绕Z轴自由转动，直线作动器10包含驱动电机能驱动伸缩杆在其轴向移动；

供纱系统包含纱线筒转动支轴、纱线筒20、导丝器12和支架13，支架12的末端固定在机身14上，支架13前端安装有导丝器12并靠近芯球的顶端，纱线筒20套装在可转动支轴上，纱线筒上的纱线为预浸胶碳纤维丝束，纱线筒20外侧的丝束端部经过导丝器12被压紧固定在芯球表面；左夹持头2上的麦克纳姆轮按照设计的运动方式运转推动芯球同时以较低的转速分量绕X轴和Y轴旋转；在芯球绕X轴和Y轴旋转的同时缠绕电机23的双轴伸轴通过齿轮驱动左夹持头2和右夹持头3以较高的转速绕Z轴同步旋转，随着芯球的转动预先前端已被固定在芯球表面的碳纤维就会随着芯球的转动而被缠绕到芯球表面；芯球1每绕X轴和Y轴同步匀速旋转180°，碳纤维就在芯球表面缠绕出一个厚度相同、纤维方向分布均匀的球壳形状的缠绕层，经过n个180°的缠绕使厚度达到规定要求后将碳纤维剪断并将端头扎紧，使左夹持头向右移动，取出球体，缠绕结束；然后将已缠绕好碳纤维的球体放入模具加热固化，再将球体放入真空炉做高温碳化和石墨化处理，形成高性能碳碳防护层。

由于左夹持头2旋转，左夹持头2上的麦克纳姆轮15的驱动电机必须借助旋转滑环17和电刷解决馈电。

除运动方式差异外，具体缠绕的操作方法与实施例1相似。

本实施例克服了完全由全向轮和麦克纳姆轮驱动芯球转动进行缠绕的效率较低的现象，使缠绕效率大幅提高。

实施例4：缠绕头转动式

请参阅图4，一种缠绕头转动式球面缠绕设备及缠绕方法，缠绕设备主要包含芯球1转动系统、缠绕系统和控制系统和机身。芯球转动系统包含两套左右对置的夹持头、直线作动器；左夹持头2的支撑座固定在机身14，左侧夹持头的右端使用一组带有独立驱动电机的麦克纳姆轮15；右侧夹持头的左端使用至少一个转轴成竖直安置的可自由转动的全向轮5，右夹持头3左端的支撑座与直线作动器10的伸缩轴8相连，直线作动器10包含驱动电机能驱动伸缩杆在其轴向水平移动。缠绕系统包括纱线筒20、绕线臂31、齿轮、电机23、导丝器12、支杆13，绕线臂31通过轴承16安装在夹头座44的外侧，绕线臂31的左侧设有齿轮22；纱线筒20按转在线轴46外，线轴46含有轴承可以转动；缠绕头的导丝器12安装在支杆13前端，支杆13的后端固定在绕线臂31上；缠绕电机23的输出轴上设有齿轮；纱线筒20上的碳纤维丝束11经过导丝器12缠绕到芯球1的表面。

工作时，首先将芯球1放置在两个夹持头中间，然后开动直线作动器10使右夹持头2向左运动将芯球1夹紧；然后，启动芯球转动系统和缠绕电机23，左侧夹持头右端的各麦克纳姆轮15按照设计的转速转动并推动芯球同时以较低的转速分量绕X轴和Y轴旋转；在芯球绕X轴和Y轴旋转的同时，缠绕电机23通过齿轮驱动绕线臂31带动纱线筒20和导丝器12以较高的转速绕Z轴旋转，预先前端已被固定在芯球表面的碳纤维丝束11就会被缠绕到芯球表面；由于在绕线管绕Z轴缠绕的同时芯球还在以相同的较低的角速度绕X轴和Y轴旋转，所以芯球1每绕X轴和Y轴同步匀速旋转180°，碳纤维就在芯球表面缠绕出一个厚度相同、各向力学性能相同的球壳形状的缠绕层，打枊芯球1经过n个180°双向旋转后缠绕厚度达到规定要求后，将碳纤维剪断并将端头扎紧，使左夹持头向右移动，取出球体，缠绕结束；然后将已缠绕好碳纤维的球体放入模具加热固化，再将球体放入真空炉做高温碳化和石墨化处理，形成高性能碳碳防护层。

由于左夹持头2旋转，左夹持头2上的麦克纳姆轮15的驱动电机必须借助旋转滑环17和电刷解决馈电。

除运动方式差异外，具体缠绕的操作方法与实施例3相似。

本实施例绕线臂31和纱线筒20转动、左右对置的夹持头不转，克服了完全由全向轮和麦克纳姆轮驱动芯球转动进行缠绕的效率较低的现象，使缠绕效率大幅提高。

实施例5：飞叉式绕线

虽然实施例3、4解决了全向轮和麦克纳姆轮难以推动芯球快速旋转的问题，但要驱使包含麦克纳姆轮在内的夹持头整体旋转，仍然存在许多问题，有必要改进。

本例展示了一种采用飞叉式绕线的球面缠绕设备及缠绕方法，请参阅图5。缠绕设备主要包含芯球转动系统、缠绕系统和控制系统和机身；芯球转动系统包含两套对置的夹持头、直线作动器，两套夹持头中有一个的支撑杆安装在作动器的伸缩端，夹持器的伸缩杆轴线和作动器轴线都与Z轴同轴，作动器的通过轴承与机身相连接，夹持器的伸缩杆上设有馈电滑环；每套夹持头至少使用两个麦克纳姆轮，两个麦克纳姆轮一前一后在同一平面重排列，其中至少有一个为带有伺服电机的驱动轮，两组夹持头上的麦克纳姆轮方向相互垂直；缠绕系统包含纱线筒、制动器、导丝器和驱动夹持头绕Z轴旋转的伺服电机；控制系统包含直线作动器控制器、麦轮电机控制器、缠绕电机控制器和总控制电脑及电源；直线作动器推动夹持头夹紧或释放芯球，麦轮电机驱动麦克纳姆轮都以相同的线速度转动，使芯球的自旋轴线通过球心并以相同的角速度分别围绕X轴和Y轴缓慢地旋转；在芯球绕X轴和Y轴旋转的同时，缠绕电机驱动绕线管40将来自外部纱线筒上的碳纤维丝束快速地缠绕到芯球的表面；当芯球围绕X轴和Y轴各旋转180°，飞叉就在芯球表面缠绕出一个厚度相同、纤维方向分布均匀的球壳形状的缠绕层；将用碳纤维的缠绕到设计厚度的球放入模具加热固化后再进入真空炉做高温碳化和石墨化处理。

相比前述实施例，本实施例避免了纱线筒20旋转带来的大惯量和不平衡问题，使得缠绕速度大幅提高。

实施例6普通电动轮二轴旋转

请参阅图6，

本例展示了一种采用普通电动轮实现芯球1做二轴旋转的方法。左夹持头安装两个电动轮49，右夹持头安装两个电动轮49(图中电动轮被芯球遮挡，在芯球背面与电动轮49对称的位置)，四个胶轮的直径都相同，芯球1与左侧电动轮49的接触点的间距与芯球1与右侧电动轮的接触点的间距都相同，均为d；左侧两个电动轮49的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右侧两个电动轮的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°夹角θ和-θ，左侧电动轮49与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，右侧电动轮与芯球1的接触面中心点在XY平面；芯球1的外径为R，只要满足θ＝arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴转动。该方案可以替代实施例3、4中的芯球转动系统。

实施例7普通电动轮三轴旋转

请参阅图7，

本例展示了一种采用普通电动轮实现芯球1做三轴旋转的方法。左夹持头安装两个电动轮49，右夹持头安装两个电动轮，四个胶轮的直径都相同，芯球1与左侧电动轮49的接触点的间距与芯球1与右侧电动轮的接触点的间距都为d；左侧电动轮49的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右侧电动轮的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，左侧电动轮49与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，右侧电动轮与芯球1的两个接触面的中心点在XY平面；芯球1的外径为R，只要满足θ＝arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴和Z轴转动。该方案可以替代实施例1、2中的芯球转动系统用于低速缠绕。

实施例8普通电动轮二轴旋转

请参阅图8，

本例展示了一种采用普通电动轮实现芯球1做二轴旋转的方法。本例是对实施例7的一种变化，左夹持头安装两个电动轮49，右夹持头安装两个电动轮，四个胶轮的直径都相同，芯球1与左侧电动轮49的接触点的间距与芯球1与右侧电动轮的接触点的间距都为d；左侧电动轮49的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，右侧电动轮与芯球1接触面的中心点连线与Y轴垂直且与X轴有一点夹角，以保证电动轮与XY平面有一定的距离；右侧电动轮的轴线与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，左侧电动轮与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面；芯球1的外径为R，只要满足θ＝arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴和Y轴转动。该方案可以替代实施例3、4、5中的芯球转动系统。

以上所述，仅为本发明最典型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明所明书所述的全向轮，为单排或多排连续切换全向轮。所述的各种轮子的外接触面都覆有橡胶，所列数据也仅为描述本发明的工作原理，不表示是必须的数值。任何熟悉机械制造和纤维缠绕技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的等效变化或替换，都应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，其特征在于，包括芯球转动系统、供纱系统、控制系统和机身（14）；芯球转动系统、供纱系统、控制系统均设置在机身（14）上，芯球转动系统上设置有芯球（1），控制系统用于控制芯球转动系统和供纱系统动作；

芯球转动系统包含两套对置的夹持机构，夹持机构包括夹持头、直线作动器（10）和全向轮（5）；夹持头包括左夹持头（2）和右夹持头（3），左夹持头（2）设置在机身（14）上，左夹持头（2）端部纵向设有两个全向轮（5），右夹持头（3）的一端与直线作动器（10）连接，右夹持头（3）的另一端水平设置设有两个全向轮（5），每个全向轮（5）都含有驱动电机，芯球（1）设置在左夹持头（2）和右夹持头（3）之间；

供纱系统为缠绕驱动机构、麦克纳姆轮驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构，缠绕驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构均用于在芯球（1）上缠绕碳纤维；

缠绕驱动机构设置在芯球（1）的下方，缠绕驱动机构包括缠绕驱动头（4）、全向轮（5）和压紧弹簧（9），全向轮（5）水平方向上前后排列在缠绕驱动头（4）上，全向轮（5）含有驱动电机，且压紧在芯球（1）上；压紧弹簧（9）设置在机身（14）上，缠绕驱动头（4）设置在压紧弹簧（9）上；

夹持头转动供纱机构包括纱线筒转动支轴（46）、纱线筒（20）、导丝器（12）、支架（13）和夹持头驱动机构；支架（13）的末端固定在机身（14）上，支架（13）前端安装有导丝器（12）并靠近芯球（1）的顶端，纱线筒（20）套装在纱线筒转动支轴（46）上夹持头驱动机构用于驱动左夹持头（2）和右夹持头（3）转动；

缠绕头转动供纱机构包括纱线筒转动支轴（46）、纱线筒（20）、导丝器（12）、支架（13）、缠绕臂（31）和缠绕头驱动机构；缠绕臂（31）套设在左夹持头（2）上，支架（13）的末端固定在缠绕臂（31）上，支架（13）前端安装有导丝器（12）并靠近芯球（1）的顶端，纱线筒（20）套装在纱线筒转动支轴（46）上，缠绕头驱动机构用于驱动缠绕臂（31）绕左夹持头（2）转动；

飞叉式绕线供纱机构包含绕纱管（40）、导丝器（12）、缠绕伺服电机（35）、电机轴（38）、磁力耦合器座（15）、滑环（17）、轴承（16）、左磁钢盘（41）、右磁钢盘（42）、绕纱管座（45）、夹紧头座（44）、导线器（38）和入口导丝器（39）；绕纱管（40）前端安装有导丝器（12），后端与绕纱管座（45）在绕纱管座（45）的导纱孔处镶嵌成为一体；电机轴（47）设置在缠绕伺服电机（35）内，绕纱管座（45）中设有一个与电机轴（47）等直径的通孔，绕纱管座（45）安装在电机轴（47）外侧，绕纱管座（45）的导纱孔的内侧与导线器（38）相对，绕纱管座（45）的左右两侧分别被两个轴承（16）的内圈所夹持；左夹持头（2）的左端安装在轴承（16）的外侧；绕纱管（40）设置在左磁钢盘（41）和右磁钢盘（42）之间，轴承（16）的外侧与左磁钢盘（41）连接，右磁钢盘（42）和夹紧头座（44）连接；左夹持头（2）的右侧安装至少三个带有独立驱动电机的麦克纳姆轮（15），左右磁钢盘相互吸引使得左夹持头（2）的夹紧头座（44）不会转动；绕纱管（40）是一根弯曲成型的金属管。

2.根据权利要求1所述的球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，其特征在于，用一组麦克纳姆轮（15）驱动机构或者电动轮替换全向轮（5），实现芯球的同时分别绕X轴、Y轴、Z轴的三轴转动。

3.根据权利要求2所述的球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，其特征在于，替换为电动轮时，分为三种排布结构：

左夹持头安装第一电动轮49和第二电动轮50，右夹持头安装第三电动轮49’和第四电动轮50’，四个胶轮的直径都相同，芯球1与第一电动轮49和第三电动轮49’的接触点的间距与芯球1与第二电动轮50和第四电动轮50’的接触点的间距都相同，均为d；第一电动轮49和第三电动轮49’的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，第二电动轮50和第四电动轮50’的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°夹角θ和-θ，第一电动轮49和第三电动轮49’与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，第二电动轮50和第四电动轮50’与芯球1的接触面中心点在XY平面；芯球1的外径为R，只要满足θ=arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴转动；

左夹持头安装第一电动轮49和第二电动轮50，右夹持头安装第三电动轮49’和第四电动轮50’，四个胶轮的直径都相同，芯球1与第一电动轮49和第三电动轮49’的接触点的间距与芯球1与第二电动轮50和第四电动轮50’的接触点的间距都为d；第一电动轮49和第三电动轮49’的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，第二电动轮50和第四电动轮50’的轴线与Y轴垂直、与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，第一电动轮49和第三电动轮49’与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面，第二电动轮50和第四电动轮50’与芯球1的两个接触面的中心点在XY平面；芯球1的外径为R，只要满足θ=arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴、Y轴和Z轴转动；

左夹持头安装第一电动轮49和第二电动轮50，右夹持头安装第三电动轮49’第四电动轮50’，四个胶轮的直径都相同，芯球1与第一电动轮49和第三电动轮49’的接触点的间距与芯球1与第二电动轮50和第四电动轮50’的接触点的间距都为d；第一电动轮49和第三电动轮49’的轴线与Z垂直、与X轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，第二电动轮50和第四电动轮50’与芯球1接触面的中心点连线与Y轴垂直且与X轴有一点夹角，以保证电动轮与XY平面有一定的距离；第二电动轮50和第四电动轮50’的轴线与Z轴分别有一个小于45°的夹角θ和-θ，第一电动轮49和第三电动轮49’与芯球1的两个接触面的中心点在YZ平面；芯球1的外径为R，只要满足θ=arctan(2R/d)，那么当四个电动轮都以相同转速转动时，芯球1就可以同时获得相同大小的角速度分量围绕X轴和Y轴转动。

4.根据权利要求1所述的球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，其特征在于，夹持头驱动机构包括轴承（16）、滑环（17）、齿轮（19）和电机（23）；左夹持头（2）上套设有轴承（16）、滑环（17）、齿轮（19），轴承（16）设置在机身（14）内，滑环（17）用于支撑左夹持头（2），右夹持头（3）上套设有齿轮（19），机身（14）底部设置有电机（23），电机（23）两端的输出端的齿轮分别与左夹持头（2）和右夹持头（3）上的齿轮（19）啮合。

5.根据权利要求1所述的球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕设备，其特征在于，缠绕头驱动机构包括轴承（16）、缠绕臂齿轮（22）和电机（23）；缠绕臂（31）通过轴承（16）设置在左夹持头（2）上，缠绕臂（31）上设置有缠绕臂齿轮（22），电机（23）设置在机身（14）上，电机（23）的输出端的齿轮和缠绕臂齿轮（22）啮合。

6.球形核燃料外防护层的碳纤维球面缠绕方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的球形核燃料的外防护层的碳纤维球面缠绕设备，包括以下步骤：

ⅰ.将压制好的含有和燃料颗粒的芯球放置于两个夹持装置中间，使芯球被夹持装置所压紧；

ⅱ.将预浸胶碳纤维的端头从导丝器中穿出并压紧在芯球的表面；

ⅲ.启动缠绕驱动机构、麦克纳姆轮驱动机构、夹持头转动供纱机构、缠绕头转动供纱机构或飞叉式绕线供纱机构，进行缠绕；

ⅳ.当芯球分别沿X轴和Y轴各转n个半圈后停止缠绕，n为正整数；

ⅴ.剪断碳纤维并将芯球一侧的断头用电热头瞬间加热压粘固定；

ⅵ.打开夹持装置，使夹持装置的胶轮远离芯球，取出球体；

ⅶ.将球体放入模具加热固化，脱模；

ⅷ.将球体放入真空高温炉，进行碳化和石墨化处理；

ⅸ.去除表面飞丝，检验合格后入库。