大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机概述

唐靖义　高晨晓　王晓曼　吴青玉　张勇

摘 要：文章介绍了几种能够实现纤维零度缠绕的设备，阐述了这几种设备的优缺点，并与大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机进行对比。评价大型水平轴向连续铺设缠绕机在纤维缠绕领域做出的贡献和对未来发展的展望。

关键词：缠绕机；零度缠绕；多向缠绕；连续缠绕

1 背景和意义

纤维缠绕技术是复合材料重要的成型技术之一，它最突出的优点是可以充分发挥纤维强度和模量的性能优势，能按复合材料制品的载荷需要，沿最佳方向布置增强材料，制成高结构效率制品。特别适于制造内压容器，固体火箭发动机壳体，管材和贮罐等复合材料 。目前大多数纤维缠绕生产设备生产工艺为螺旋缠绕，但螺旋缠绕制品的轴向性能低，从而限制了缠绕设备在某些对轴向性能要求较高的产品中应用。极向缠绕作为螺旋缠绕对轴向性能的改进，能够进行小角度缠绕，虽然在一定程度上改善了制品的轴向性能，但是与零度缠绕工艺相比存在一定的差距，同时极性缠绕还会在两端产生封头，造成浪费。还有一些设备虽拥有了零度缠绕的能力却舍弃了螺旋缠绕固有的一些优点。因此，人们对具有零度缠绕功能的多向缠绕设备产业化需求十分迫切。

2 零度缠绕设备现状

90年代初，我国引进的一台拉挤设备附有了拉挤和缠绕的组合功能，所谓拉挤一缠绕工艺是在拉挤工艺固化成型之前的适当环节之间引入缠绕工艺，构成一个以拉挤工艺为主，配以缠绕的复合材料成型系统。拉挤-缠绕工艺可简示为粗纱-浸渍-预成型-缠绕-二次浸渍-成型-牵引-成品（见图1）。这一工艺在很大程度上解决了拉挤工艺横向性能差的缺点。然而该系统还是以拉挤为主，缠绕部分只能进行大角度螺旋缠绕，因此产品性能的可设计性差，且该设备只能做等径的管状制品，对于大口径管道也不宜实现。所以拉挤-缠绕设备拥有很多的局限性，应用并不广泛。

1.纱团2.分纱板3.浸渍槽及梳子4.芯模5.预成型模

6.左右两个旋转方向的缠绕纱团7.二次浸胶8.成型模具

9.牵引装置10.锯11.成品

图1

电缆机式纵环向缠绕机（见图2）是一种干法缠绕工艺的缠绕机，通过加热软化预浸纱带后实施缠绕。装有纵向纱团的转环与芯模同步旋转，并可沿芯模轴向往复运动，完成纵向纱铺放，环向纱装在转环两边的小车上，当芯模转动，小车沿芯模轴向作往复运动时，完成环向纱缠绕。这种设备适用于生产无封头的筒形容器和各种管道的缠绕制品，但是该设备制品中的纤维只有环、纵两个方向，无法实现多向缠绕，产品较为单一。纵向纤维铺设过程中不能贴紧模具，环向缠绕的纤维易使其产生皱曲或重叠且张力不易控制。对于不同规格产品需要不同尺寸的转环，且大管径产品不易实现，只能生产等径产品。

1.纵向层纱盘2.转环3.芯模；4.小车；5.小车丝杆

6.小车导轨7.转环旋转传动机构8.环向缠绕纱架

国内某集团设计的立式缠绕机的缠绕方法借鉴了电缆机式纵环向缠绕机的工作原理，采用模具垂直地面放置的方式，环形导丝头牵引环形纱束进行轴向铺设，在轴向铺设的同时进行环向缠绕，避免了轴向纤维的脱落，实现了零度缠绕，但该工艺环纵向纤维不连续并且立式缠绕会产生树脂流挂现象，使产品的性能不均匀，从而影响了产品的整体性能。

纤维铺放技术类似于多自由度缠绕成形，纤维铺放设备由旋转芯模和多自由度的铺放头（机器人）构成。按结构设计所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度铺放头将多组纤维预浸纱束自动铺放在可旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束，压实形成制品型面。其优点是可精确的控制铺放厚度，工艺中可及时加压密实，空隙率低，纤维铺放角度不受控制，材料浪费少。但该设备成本很高，主要用于对产品精度要求很高的军事和航天领域，在民用复合材料产品中并不适用。

3 大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机工作过程简述

大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机的螺旋缠绕方式与普通纤维缠绕机相似；在轴向与环向交替时利用设备的多齿蓖环将纱片方向进行改变；轴向缠绕时导丝头沿芯模轴线方向移动，此时芯模不转动，当导丝头行至芯模的另一端后，芯模转动，通过多齿蓖环进行挂纱，进行反向铺设。为提高纤维致密性，本设备设计了涂层致密器，用来提高产品性能，降低生产成本。

4 技术要点

大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机通过纤维张紧装置与捆绑紧固装置，能够将轴向纤维箍在芯模表面，解决了零度缠绕的纤维悬垂问题并经过涂层致密器进行压实，提高了纤维之间的密实度，保证了产品的质量；导丝头能够按照芯模形状调节高度，解决了变径管道的零度缠绕问题；芯模两端拥有可调的多齿蓖环能够使纱片自由的转变方向，并能保证纱片的密度和张力的连续性；导丝头的设计能够使设备实现多向缠绕提高了工艺的可设计性。

5 大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机的优势

与其余几种设备相比大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机有以下几点优势：（1）除了环轴向以外还能够实现多角度螺旋缠绕，能够根据产品载荷要求自由设计工艺。（2）能够缠绕变径管道，使它在玻璃钢杆塔、风电塔筒等有锥度要求的领域能够占有一席之地。（3）拥有涂层致密器，能够使纤维更加密实，提高了产品的强度和刚度，降低了成本。（4）工作状态下，环向缠绕与零度缠绕能够实现连续性，使纤维张力均衡，很大程度上保证了产品各项性能的稳定性。（5）设备造价低，适用于民用产品的生产与开发。（6）能够实现大口径和多规格产品的缠绕。

6 结论

综上所述，目前一些设备已经能够实现零度缠绕，在一定程度上解决了缠绕工艺轴向性能弱的缺点，但是大部分设备局限性较大，无法实现产品力学性能的自由设计。纤维铺放技术虽能很好的解决问题，但我国的纤维铺放技术发展并不成熟，且成本很高，这类设备适合对产品精度要求很高的航天和军工产品。大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机由于能够在实现零度缠绕的基础上进行多向缠绕，拥有很大的可设计性，且成本较低，在轴向性能要求较高的民用产品如：电线杆、风电塔筒、烟囱、架空管道等方面拥有很大的发展空间，弥补了纤维复合材料缠绕产品轴向性能不足的缺点，并很好的保留了螺旋缠绕设备本有的优势，填补了纤维缠绕机的技术空白。因此随着纤维缠绕复合材料产品应用领域的不断扩大，大型水平轴向连续铺设纤维缠绕机具有良好的发展前景。

参考文献

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作者简介：唐靖义（1990- ），男，河北浩正检测服务有限公司，研究方向：复合材料检测及工艺。