CN116494566A - 一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，属于压力容器制备的技术领域，包括机架、环形缠绕平台、缠绕机构、径向旋转机构和轴向旋转机构；机架上竖直设置有上弧形槽和下弧形槽；环形缠绕平台位于上弧形槽和下弧形槽之间，且与上弧形槽和下弧形槽均垂直相交；缠绕机构包括环向旋转台以及安装在环向旋转台上的出纱组件；环向旋转台安装在环形缠绕平台上；径向旋转机构包括可沿上弧形槽旋转的上径向旋转台以及可沿下弧形槽旋转的下径向旋转台；轴向旋转机构包括转动安装在上径向旋转台上的上夹持盘以及转动安装在下径向旋转台上的下夹持盘。本发明可实现球形及短粗形压力容器的高效、高精度缠绕。

Description

一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备
技术领域
本发明属于压力容器制备的技术领域，具体公开了一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备。
背景技术
纤维缠绕复合材料因其高强度、低密度、成型效率高、质量稳定等诸多特点，在压力容器成型上广泛使用。
球形压力容器又称球罐，是贮存和运输各种气体、液体、液化气体的一种有效、经济的压力容器，在石油、化工、炼油、造船及城市煤气工业等领域大量应用。与圆筒形压力容器相比，其主要优点是受力均匀：在同样壁厚条件下，球形压力容器的承载能力最高；在相同内压条件下，球形压力容器所需要壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形压力容器壁厚的1/2；在相同容积条件下，球形压力容器由于其壁厚、表面积小等，一般比圆筒形压力容器要节约钢材及纤维。
长径比小于4的短粗形压力容器与球形压力容器类似的结构和优点，二者在制造时可采取相同的方式。
但由于其形体的特殊性，制造比较复杂，《FRP球形压力容器纤维缠绕规律分析及装备研究》一文设计了一种球形容器机械缠绕机，为四轴缠绕机的变体，将四轴缠绕机伸臂运动和小车平移做了联动，基本运动形式还是四轴缠绕机（芯模自转、小车平移、丝嘴伸缩、丝嘴旋转），仍存在改进空间：
1、小车平移运动为沿轨道的直线往复运动，运动时加速、减速、停止、返回，小车由于惯性易引起碰撞与磨损，缠绕速度难以提升，高速缠绕对设备磨损较大，而且也会影响缠绕精度；
2、缠绕过程由于用纱速度不一样，容易产生纤维上的张力波动，不易控制，影响缠绕精度。
发明内容
本发明提供一种球形及短粗形压力容器（长径比小于4的）的纤维缠绕控制设备，提高缠绕速度和缠绕精度，降低设备磨损，延长设备使用寿命。
上述一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，包括机架、环形缠绕平台、缠绕机构、径向旋转机构和轴向旋转机构；机架上竖直设置有上弧形槽和下弧形槽；环形缠绕平台位于上弧形槽和下弧形槽之间，且与上弧形槽和下弧形槽均垂直相交；缠绕机构包括环向旋转台以及安装在环向旋转台上的出纱组件；环向旋转台安装在环形缠绕平台上，绕环形缠绕平台旋转；径向旋转机构包括可沿上弧形槽旋转的上径向旋转台以及可沿下弧形槽旋转的下径向旋转台，上径向旋转台和下径向旋转台的旋转方向相反且旋转速度相同；轴向旋转机构包括转动安装在上径向旋转台上的上夹持盘以及转动安装在下径向旋转台上的下夹持盘，上夹持盘和下夹持盘用于夹持芯模两端极孔的芯模轴，上夹持盘和下夹持盘的旋转方向和旋转速度均相同；上夹持盘和下夹持盘呈180°时，二者的连线穿过环形缠绕平台的圆心。
进一步地，上弧形槽和下弧形槽上均设置有弧形齿条；径向旋转机构还包括第一齿轮和第一电机；两组第一齿轮均为由第一电机驱动的主动齿轮，分别转动安装在上径向旋转台和下径向旋转台上，与弧形齿条啮合。
进一步地，上弧形槽和下弧形槽上均设置有弧形齿条；径向旋转机构还包括第一齿轮和第一电机；两组第一齿轮为主动齿轮和从动齿轮，分别转动安装在上径向旋转台和下径向旋转台上，与弧形齿条啮合，主动齿轮由第一电机驱动。
进一步地，上弧形槽和下弧形槽上还设置有弧形轨道；上径向旋转台和下径向旋转台上均设置有弧形轨道限位槽，弧形轨道限位槽与弧形轨道滑动配合。
进一步地，轴向旋转机构还包括第三电机；
上夹持盘和下夹持盘均由第三电机驱动同向同速旋转；
或，上夹持盘和下夹持盘分别为主动旋转盘和从动旋转盘，主动旋转盘由第三电机驱动旋转，从动旋转盘通过芯模及芯模轴从动旋转。
进一步地，出纱组件包括放卷辊、导纱轮、丝嘴悬臂、丝嘴和出丝辊；放卷辊和导纱轮转动安装在环向旋转台上；放卷辊用于安装纤维卷；导纱轮用于引导放卷辊引出的纤维穿过环向旋转台的出纱孔；丝嘴悬臂沿环形缠绕平台的径向布置，包括第一圆环、第二圆环和轴向连杆，第一圆环和第二圆环之间通过多根轴向连杆连接，第一圆环安装在环向旋转台的出纱孔上，第二圆环安装丝嘴；出丝辊转动安装在丝嘴上，用于引导从出纱孔引出的纤维。
进一步地，环向旋转台上安装有两个旋转方向相反的放卷辊和两个旋转方向相同的导纱轮；两个导纱轮上均设置有上下两道环形轮槽，第一导纱轮的轴向高度大于第二导纱轮的轴向高度，第二导纱轮安装在出纱孔侧，第一导纱轮安装在放卷辊和第二导纱轮之间。
进一步地，第二圆环通过轴承与丝嘴连接；轴向连杆包括与第一圆环固定连接的第一轴向连杆以及与第二圆环固定连接的第二轴向连杆；第一轴向连杆和第二轴向连杆通过卡块和卡槽轴向滑动连接，且沿轴向设置有多个通孔，第一轴向连杆和第二轴向连杆的通孔通过螺栓螺母连接。
进一步地，环形缠绕平台上设置有环形齿圈和环形轨道；缠绕机构还包括第二电机和第二齿轮；第二电机安装在环向旋转台上，输出轴与第二齿轮连接；第二齿轮与环形齿圈啮合；环向旋转台上设置有环形轨道限位槽，环形轨道限位槽与环形轨道滑动配合。
进一步地，机架包括上机架、下机架以及连接上机架和下机架的旋转件；上弧形槽位于上机架上，下弧形槽位于下机架上；环形缠绕平台上设置有一个或多个缠绕机构。
本发明具有以下有益效果：
1、区别于背景技术所述球形容器机械缠绕机中小车直线往复运动，本发明所提供的纤维缠绕控制设备在缠绕时，可由缠绕机构绕芯模不断旋转将纤维缠绕至芯模表面，无需停止和启动，可以持续进行高速缠绕，避免缠绕机构的惯性冲击，减少了由此引起的碰撞与磨损，延长了设备的使用寿命，而且可以保持均匀的缠绕速度，缠绕张力均匀并且易于控制，有助于提高缠绕精度；
2、本发明所提供的纤维缠绕控制设备采用三个旋转机构，缠绕机构绕芯模旋转一周，芯模自转一微小角度，可形成平面缠绕线型，没有纤维交叉，而且缠绕张力稳定，强度设计的灵活性较大，结合球形及短粗形压力容器的特殊结构，对于等极孔缠绕，无论缠绕轨迹为测地线还是非测地线，均可以保证纤维稳定落纱不滑线，实现球形及短粗形压力容器的高效、高精度缠绕。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备的结构示意图；
图2为机架打开示意图；
图3为环形缠绕平台和缠绕机构的安装示意图；
图4为缠绕机构的结构示意图；
图5为丝嘴、第二圆环和第二轴向连杆的安装示意图；
图6为第一圆环和第一轴向连杆的安装示意图；
图7为径向旋转机构和轴向旋转机构的整体图；
图8为径向旋转机构和轴向旋转机构上半部分的示意图；
图9为径向旋转机构和轴向旋转机构下半部分的示意图。
图中：1.1-上机架；1.2-下机架；1.3-旋转件；1.4-弧形齿条；1.5-弧形轨道；
2-环形缠绕平台；2.1-环形齿圈；2.2-环形轨道；
3.1-环向旋转台；3.2-第二电机；3.3-第二齿轮；3.4-环形轨道限位槽；3.5-放卷辊；3.6-丝嘴悬臂；3.6.1-第一圆环；3.6.2-第二圆环；3.6.3-第一轴向连杆；3.6.4-第二轴向连杆；3.6.5-通孔；3.7-丝嘴；3.8-出丝辊；3.9-第一导纱轮；3.10-第二导纱轮；
4.1-上径向旋转台；4.2-下径向旋转台；4.3-第一电机；4.4-主动齿轮；4.5-从动齿轮；4.6-弧形轨道限位槽；
5.1-上夹持盘；5.2-下夹持盘；5.3-第三电机；
101-芯模；102-芯模轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本实施例提供一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，包括机架、环形缠绕平台2、缠绕机构、径向旋转机构和轴向旋转机构；机架上竖直设置有上弧形槽和下弧形槽；环形缠绕平台2位于上弧形槽和下弧形槽之间，且与上弧形槽和下弧形槽均垂直相交；缠绕机构包括环向旋转台3.1以及安装在环向旋转台3.1上的出纱组件；环向旋转台3.1安装在环形缠绕平台2上，绕环形缠绕平台2旋转；径向旋转机构包括可沿上弧形槽旋转的上径向旋转台4.1以及可沿下弧形槽旋转的下径向旋转台4.2，上径向旋转台4.1和下径向旋转台4.2的旋转方向相反且旋转速度相同，控制芯模101在垂直于环形缠绕平台2的平面上旋转；轴向旋转机构包括转动安装在上径向旋转台4.1上的上夹持盘5.1以及转动安装在下径向旋转台4.2上的下夹持盘5.2，上夹持盘5.1和下夹持盘5.2用于夹持芯模101两端极孔的芯模轴102，上夹持盘5.1和下夹持盘5.2的旋转方向和旋转速度均相同，控制芯模101绕其轴线旋转；上夹持盘5.1和下夹持盘5.2呈180°时，二者的连线穿过环形缠绕平台2的圆心。
机架包括上机架1.1、下机架1.2以及连接上机架1.1和下机架1.2的旋转件1.3；上弧形槽设置在上机架1.1上，下弧形槽设置在下机架1.2上。由于环形缠绕平台2妨碍，在装卸芯模101时可能会不便或无法装卸，将上机架1.1和下机架1.2之间通过旋转件1.3相连，在装卸芯模101时，将上机架1.1打开，避免了上述情况发生。
环形缠绕平台2上设置有环形齿圈2.1和环形轨道2.2；缠绕机构还包括第二电机3.2和第二齿轮3.3；第二电机3.2安装在环向旋转台3.1上，输出轴与第二齿轮3.3连接；第二齿轮3.3与环形齿圈2.1啮合，由第二电机3.2驱动第二齿轮3.3旋转，有效地解决了环向旋转台3.1的驱动问题，第二齿轮3.3优选圆锥齿轮，实现了高精度、高效率的传动；环向旋转台3.1上设置有环形轨道限位槽3.4，环形轨道限位槽3.4与环形轨道2.2滑动配合，限制环向旋转台3.1的其他自由度，使其只能环向旋转。
出纱组件包括放卷辊3.5、导纱轮、丝嘴悬臂3.6、丝嘴3.7和出丝辊3.8；放卷辊3.5和导纱轮转动安装在环向旋转台3.1上；放卷辊3.5用于安装纤维卷；导纱轮用于引导放卷辊3.5引出的纤维穿过环向旋转台3.1的出纱孔；丝嘴悬臂3.6沿环形缠绕平台2的径向布置，包括第一圆环3.6.1、第二圆环3.6.2和轴向连杆，第一圆环3.6.1和第二圆环3.6.2之间通过多根轴向连杆连接，第一圆环3.6.1安装在环向旋转台3.1的出纱孔上，第二圆环3.6.2安装丝嘴3.7；出丝辊3.8转动安装在丝嘴3.7上，用于引导从出纱孔引出的纤维。
环向旋转台3.1上安装有两个旋转方向相反的放卷辊3.5和两个旋转方向相同的导纱轮；两个导纱轮上均设置有上下两道环形轮槽，第一导纱轮3.9的轴向高度大于第二导纱轮3.10的轴向高度，第二导纱轮3.10安装在出纱孔侧，第一导纱轮3.9安装在放卷辊3.5和第二导纱轮3.10之间。采用旋向相反的放纱方式，有效减少了放纱所需空间，更加高效、合理。从两个放卷辊3.5引出的纤维分别绕过第一导纱轮3.9的上下两道环形轮槽，保证两股纤维放卷过程中不交叉，再绕过第二导纱轮3.10的上下两道环形轮槽，在保证不交叉的同时缩短两股纤维间距，便于同时将两股纤维导向出纱孔。
第二圆环3.6.2通过轴承与丝嘴3.7连接，用于减小丝嘴3.7与第二圆环3.6.2之间的摩擦，使丝嘴3.7可根据纤维受力进行旋转，实时调控。由于该设备在缠绕过程中，纤维卷装配在环向旋转台3.1上围绕芯模101旋转进行缠绕，所以丝嘴3.7的运动幅度较小，采用轴承这种机械调控使丝嘴3.7进行转动，可以有效减少丝嘴3.7反应时间，调控也更为精确。
轴向连杆包括与第一圆环3.6.1固定连接的第一轴向连杆3.6.3以及与第二圆环3.6.2固定连接的第二轴向连杆3.6.4；第一轴向连杆3.6.3和第二轴向连杆3.6.4通过卡块和卡槽轴向滑动连接，且沿轴向设置有多个通孔3.6.5，第一轴向连杆3.6.3和第二轴向连杆3.6.4的通孔通过螺栓螺母连接，可以使丝嘴3.7进行前后移动，以适应不同尺寸的芯模101。球形压力容器表面任意位置与圆心距离相等，短粗形压力容器器表面据中心距离相差不大，该类容器在缠绕过程中丝嘴3.7可以不进行前后运动，故通过卡块、卡槽、通孔3.6.5和螺栓螺母将丝嘴3.7的前后运动设为手动调节，降低设备复杂程度。
环形缠绕平台2上设置有一个或多个缠绕机构。在单组缠绕机构效率提高的基础上，再将缠绕效率成倍提升。
上弧形槽和下弧形槽上均设置有弧形齿条1.4；径向旋转机构还包括第一齿轮和第一电机4.3；两组第一齿轮有两种方式实现旋转：
第一种方式为：两组第一齿轮均为由第一电机4.3驱动的主动齿轮4.4，分别转动安装在上径向旋转台4.1和下径向旋转台4.2上，与弧形齿条1.4啮合；
第二种方式为：两组第一齿轮为主动齿轮4.4和从动齿轮4.5，分别转动安装在上径向旋转台4.1和下径向旋转台4.2上，与弧形齿条1.4啮合，主动齿轮4.4由第一电机4.3驱动，安装芯模101和芯模轴102后将径向旋转机构的上下两部分连成一体，通过夹持盘、芯模101和芯模轴102带动从动齿轮4.5旋转。
为了简化结构，本实施例采用第二种方式。
上弧形槽和下弧形槽上还设置有弧形轨道1.5；上径向旋转台4.1和下径向旋转台4.2上均设置有弧形轨道限位槽4.6，弧形轨道限位槽4.6与弧形轨道1.5滑动配合，限制径向旋转台的其他自由度，使其只能径向旋转。
轴向旋转机构还包括第三电机5.3；夹持盘有两种方式实现旋转：
第一种方式为：上夹持盘5.1和下夹持盘5.2均由第三电机5.3驱动同向同速旋转；
第二种方式为：上夹持盘5.1和下夹持盘5.2分别为主动旋转盘和从动旋转盘，主动旋转盘由第三电机5.3驱动旋转，从动旋转盘通过芯模101及芯模轴102从动旋转。
为了简化结构，本实施例采用第二种方式。
上夹持盘5.1和下夹持盘5.2均采用三爪卡盘，第三电机5.3可直接驱动夹持盘，也可通过齿轮驱动。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，包括机架、环形缠绕平台、缠绕机构、径向旋转机构和轴向旋转机构；
所述机架上竖直设置有上弧形槽和下弧形槽；
所述环形缠绕平台位于上弧形槽和下弧形槽之间，且与上弧形槽和下弧形槽均垂直相交；
所述缠绕机构包括环向旋转台以及安装在环向旋转台上的出纱组件；
所述环向旋转台安装在环形缠绕平台上，绕环形缠绕平台旋转；
所述径向旋转机构包括可沿上弧形槽旋转的上径向旋转台以及可沿下弧形槽旋转的下径向旋转台，上径向旋转台和下径向旋转台的旋转方向相反且旋转速度相同；
所述轴向旋转机构包括转动安装在上径向旋转台上的上夹持盘以及转动安装在下径向旋转台上的下夹持盘，上夹持盘和下夹持盘用于夹持芯模两端极孔的芯模轴，上夹持盘和下夹持盘的旋转方向和旋转速度均相同；
所述上夹持盘和下夹持盘呈180°时，二者的连线穿过环形缠绕平台的圆心。
2.根据权利要求1所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，所述上弧形槽和下弧形槽上均设置有弧形齿条；
所述径向旋转机构还包括第一齿轮和第一电机；
两组第一齿轮均为由第一电机驱动的主动齿轮，分别转动安装在上径向旋转台和下径向旋转台上，与弧形齿条啮合。
3.根据权利要求1所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，所述上弧形槽和下弧形槽上均设置有弧形齿条；
所述径向旋转机构还包括第一齿轮和第一电机；
两组第一齿轮为主动齿轮和从动齿轮，分别转动安装在上径向旋转台和下径向旋转台上，与弧形齿条啮合，主动齿轮由第一电机驱动。
4.根据权利要求2或3所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，所述上弧形槽和下弧形槽上还设置有弧形轨道；
所述上径向旋转台和下径向旋转台上均设置有弧形轨道限位槽，弧形轨道限位槽与弧形轨道滑动配合。
5.根据权利要求4所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，轴向旋转机构还包括第三电机；
上夹持盘和下夹持盘均由第三电机驱动同向同速旋转；
或，上夹持盘和下夹持盘分别为主动旋转盘和从动旋转盘，主动旋转盘由第三电机驱动旋转，从动旋转盘通过芯模及芯模轴从动旋转。
6.根据权利要求5所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，出纱组件包括放卷辊、导纱轮、丝嘴悬臂、丝嘴和出丝辊；
放卷辊和导纱轮转动安装在环向旋转台上；
放卷辊用于安装纤维卷；
导纱轮用于引导放卷辊引出的纤维穿过环向旋转台的出纱孔；
丝嘴悬臂沿环形缠绕平台的径向布置，包括第一圆环、第二圆环和轴向连杆，第一圆环和第二圆环之间通过多根轴向连杆连接，第一圆环安装在环向旋转台的出纱孔上，第二圆环安装丝嘴；
出丝辊转动安装在丝嘴上，用于引导从出纱孔引出的纤维。
7.根据权利要求6所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，环向旋转台上安装有两个旋转方向相反的放卷辊和两个旋转方向相同的导纱轮；
两个导纱轮上均设置有上下两道环形轮槽，第一导纱轮的轴向高度大于第二导纱轮的轴向高度，第二导纱轮安装在出纱孔侧，第一导纱轮安装在放卷辊和第二导纱轮之间。
8.根据权利要求7所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，第二圆环通过轴承与丝嘴连接；
轴向连杆包括与第一圆环固定连接的第一轴向连杆以及与第二圆环固定连接的第二轴向连杆；
第一轴向连杆和第二轴向连杆通过卡块和卡槽轴向滑动连接，且沿轴向设置有多个通孔，第一轴向连杆和第二轴向连杆的通孔通过螺栓螺母连接。
9.根据权利要求8所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，环形缠绕平台上设置有环形齿圈和环形轨道；
缠绕机构还包括第二电机和第二齿轮；
第二电机安装在环向旋转台上，输出轴与第二齿轮连接；
第二齿轮与环形齿圈啮合；
环向旋转台上设置有环形轨道限位槽，环形轨道限位槽与环形轨道滑动配合。
10.根据权利要求9所述的球形及短粗形压力容器的纤维缠绕控制设备，其特征在于，机架包括上机架、下机架以及连接上机架和下机架的旋转件；
上弧形槽位于上机架上，下弧形槽位于下机架上；
环形缠绕平台上设置有一个或多个缠绕机构。
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