杏彩平台app国内外复合材料工艺设备发展述评--纤维缠绕成型

　　1946 年，首个纤维缠绕技术专利在美国注册，纤维缠绕成型工艺开始发展。按实现形成螺旋线的主

　　运动方式，所用的缠绕机的布局类型在 20 世纪 60 年代已基本完成［1-8］，如图 1 至图 12 所示。

　　1965 年，北京 251 厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”（见图 3），该缠绕机于 2011 年“退 休”。1966 年，设计了图 3 所示齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机，此机不用挂轮，可便捷地调节缠绕规律与排纱密度，生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑，对生产 15 L 及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置（如图 4 之“525”）；生产 20 L 及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置，其链轮由前者的两只变为四只。

　　北京 251 厂(北京玻璃钢研究院，时称所)与哈尔滨玻璃钢研究院(时称所)分别于 1965 年和 1966 年推导出不同表述方式的纤维缠绕规律，并开发了机械控制的卧式纤维缠绕机。

　　1964 年,哈尔滨玻璃钢研究院成功研制轨道式缠绕机，这是我国第一台纤维缠绕机。图 8 所示为近年企业用国产轨道式缠绕机。

　　1974 年，北京 251 厂成功研制 X2 型行星式纤维缠绕机［9，10］，传动系统中采用了三轴同心行星原理，见图 15 与图 16。

　　日本岐阜大学与村田机械有限公司开发了“多元供给纤维缠绕”(MFG⁃Multi Supply Filament Winding)机，其主轴同时作轴向直线移动与绕己轴线迴转运动，从而实现螺旋线缠绕。该机可以测地线和非测地线缠气瓶，亦可生产管道。其采用 180 个碳纤维纱筒，实现自动化缠绕。提高了生产率，所产管道抗扭强度得到大幅提升，并拟生产汽车零部件。见图 18 至图 21。

　　出于多工位缠绕制的需要，龙门式缠绕机应运而生。这也避免了因绕丝头(有的还带胶槽)行经床身而造成对导轨的污染。

　　近年由于引入了机器人，纤维缠绕机布局有不少变化，且因应提高生产率的需要，有以生产线布局发展的趋势。如北马奇顿麦科罗公司（MICROSAM）开发的辅助机器人纤维缠绕自动生产线，从内衬输送、装卸内衬或缠绕好的工件，直到固化为成品，连续进行。可生产 CNG 罐、LPG 罐、燃料电池用氢气瓶等产品，单条生产线。

　　2014 年，上海万格复合材料技术公司综合五家德国公司和三家国内公司技术，成功开发机器人纤维缠绕气瓶自动生产线），已出口日本。省购其 10 工位缠绕设备，生产的液化气罐已获德国认证。

　　英国泰斯金普公司(Cygnet Texkimp)率先推出世界首款高速 3D 纤维缠绕系统（见图 25），可生产具有非线性中轴和多样化截面的复合材料部件。

　　就控制而言，纤维缠绕机迄今已历经四个阶段：机械式(20 世纪 50 至 60 年代)、数控式(20 世纪 70年代)、微机控制式(20 世纪 70 年代后期迄今)、机器人(20 世纪 90 年代至今)。

　　机械式控制即借传动系统本身调节控制。如链条式缠绕机，一般通过调整挂轮调出缠绕规律和排纱密度。计算排纱密度时精确到小数点后第 8 位。常用工具书是挂轮选取表。70 年代前用手算，后用计算器算。微小的角位移将影响产品上的排线精度并导致不稳定，故马氏机构一类的传动不宜采用。值得一提的是河北省冀州市昌泉械器厂在 2001 年自行研发的”异类”缠绕机。其导丝头运动由垂直面上的平面凸轮控制，无需张力系统，即可解决缠绕气瓶类产品时两端封头处的收线问题。其结构并不复杂，然构思独特，实为难得。

　　数控式纤维缠绕机在 60 年代中期由美国安德逊公司(Mc Clean Arderson)率先推出。1974 年，哈尔滨玻璃钢研究所引进西德 Joseph.Bayer 公司的 WE-250 型数字程序控制电液伺服纤维缠绕机（见图 26）。该机为 4 轴：主轴旋转、小车往复移动、绕丝头垂直于主轴轴线垂直面伸缩、绕丝头垂直于主轴轴线垂直面转角摆动。此机纱架置于车上，此车与绕丝头和浸胶槽所在的小车同步往复移动，以减小缠绕纱的张力波动。航天 43 所也引进了西德此公司缠绕机。

　　后北京 251 厂对引进的德国设备进行了分析，自行设计制造了一台数控纤维缠绕机（见图 27）。

　　哈尔滨玻璃钢研究院曾引进美国工程技术公司 5K-48-360 型微机控制纤维缠绕机，该机釆用两台微机，分别用于计算和控制。航天四院 43 所曾引进德国 Bayer 公司 WEⅡ-220/1200-E-S/20 型微机控制纤维缠绕机。

　　该机最大出纱速度为 1 m/s，除通用缠绕程序外，还能作各种非线性缠绕和零度铺层，筒体、管、罐、球、锥等变径旋转体和某些非轴对称体均可缠绕［11］。该所还引进过俄罗斯的纤维缠绕机。图 29 与图 30 所示分别为 BSD5 型纤维缠绕机与 MIKROSAM 新型自动化压缩天然气气瓶生产线 年创立的法国 MFTech 公司最早研究机器人缠绕并将其商业化，由该公司提供的机器人缠绕设备充分利用了机器人的柔性，可采用抓取模具和带动导丝头两种方式进行缠绕成型。见图 31、图 32。

　　20 世纪 90 年代起，囯内一些大学和企业纷纷开展了 MCFW 和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学（见图 33）、哈尔滨工业大学、中船 625 所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学（见图 34）、南京航空航天大学及其合作之上海万格公司、苏州中科时代电子技术公司、衡水华成公司、连云港中通公司、连云港唯德公司、石家庄莱德公司、湖南江南四棱数控机械有限公司、省工业研究院、杏彩体育注册省金财兴公司等。2000 年，笔者曾访问位于新竹的工业研究院，得知其已成功研发了 7 轴缠绕机。

　　微机控制纤维缠绕张力的纱架已在国内外推广，21 世纪初苏州中科时发成功（见图 36），北京 251厂实用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱数控等单位现也已投入使用。

　　20 世纪 50 年代美国、法杏彩平台app国内外复合材料工艺设备发展述评--纤维缠绕成型、英、瑞典、苏联等囯即已开发多种类型的定长管和连续管纤维缠绕机。前苏联哈尔科夫矿业学院研制了步进式 8 瓣滑动模连续缠管机［7］（见图 40、图 41），美国曾开发立式移动芯轴式连续缠管机［7］（见图 42）。

　　“流体高速公路”预制布共三层：①内衬层：设计为适应流体的传输；②支撑层：玻璃纤维、芳族纤维、玄武岩纤维或者碳纤维和树脂；③外壳层：直到野外施工时才安装。

　　2008 年，荷兰 Airborne 公司投产了连续管生产线）。据称该公司是全球首家全尺寸热塑性复合管材厂家。其开发了一种独特的全自动化连续缠绕工艺轨道式缠绕机，以热塑性预浸带缠绕成管，并在现场固结，直接形成产品。产品内径为 25.4 mm ~ 190.5 mm，可大量生产热塑性复合材料管，单卷连续长度为 3000 m。

　　国内上海金纬机械制造公司出品的高压 RTP 缠绕复合管道生产线有三种型号，产品直径为 63 mm~ 315 mm。广州励进管道科技有限公司亦推出类似生产线。

　　一般纤维缠绕容器类产品的机器均可生产定长管道，故不拟多述。20 世纪 70 年代，美国安德逊公司开发了芯轴往复移动式缠绕机［8］（见图 65）。2002 年，巴黎 JEC 展会上展出了这种原理的缠绕机模型。

　　2013 年以来，石家庄莱德公司为浙江等地制造的竹编管缠绕机也是此原理，但其结构迥异，竹编管缠绕机床身床头箱芯轴沿导轨往复移动，芯轴转动；竹编架、浸胶槽、导竹编带头在床身外侧中间位置固定不动。见图 66、图 67。

　　2014 年，衡水华成玻璃钢公司开发了纤维整圆周轴向零角度铺放，芯轴作平移往复和旋转运动，纱架、胶槽、导纱头固定而无小车的缠管机。

　　2013 年，衡水华成公司成功开发轴向 0°铺放大型缠绕机，釆用了 16 个气动压纱装置，保持 0°铺放的纤维束始终与轴线）。可用小车往返、主轴旋转进行环向缠绕，主轴间隔转动一小角度后暂停进行 0°铺放；也可整个床身带床头箱和主轴沿导轨移动进行缠绕与铺放。主轴两端圆周上有挂纱齿，以免超程过长。开发此机的动因是拟制作风力发电机的玻璃钢塔筒。使用此机制造可减少材料用量，大幅度提高制件的力学性能。此机器已为河北可耐特公司收购，一度十分保密，既不报奖，也不转让。

　　武汉九迪复合材料公司近年开发的聚氨酯玻璃钢电杆缠绕机（见图 83）综合了两种环氧高压管生产线的优点，如圆弧导丝头和针环组成的布纱系统，实现大纤维量精准铺层和减少过渡段纤维冗余；独特的浸渍方式配合模具设计，实现了模具头、尾针环的反复使用和树脂胶液的节省；自动供胶系统，实现制品胶含量的精确控制；纤维运动路径的随动式支架设计，大大降低了工人的劳动强度并使物流畅通等。

　　2002 年笔者造访德国 BSD 公司时，见到该公司为法国宇航中心阿丽亚娜火箭发动机燃烧室专门设计制造的内壁缠绕机正在工作。燃烧室直径为 3 m，长为 1.10 m（缠时长为 1.11 m），工作时 Tmax=5000 ℃，内壁覆以硅橡胶。其公司总工程师称，内缠硅橡胶厚为 25 mm，工作时烧去 6 mm。硅橡胶带以热塑性耐烧蚀树脂预浸。燃烧室为圆筒形，其外圆柱面使用 2 根托辊托之，并由托辊带动旋转。缠绕机导轨(即横梁)沿轴向从燃烧室中间穿过，“小车”沿轴向移动。预浸带置于“小车”上，经压辊粘于壳体内壁。壳体边旋转边轴向移动，速度为 5 m/min。据称这种机器已有一台在法国宇航中心，我们所见是第二台。当时美囯还没有这种机器，当下燃烧室内壁是用手工粘接硅橡胶。美已提出拟购这种缠绕机。

　　成都康普优力科技公司研发的连续玻纤与聚乙烯在线复合缠绕热塑性玻璃钢管生产线可生产大直径热塑性复合材料管。相比国内外现有热塑性复合材料生产线，具有一系列优势：①优化组合挤出、预浸、缠绕三种工艺，减少流通工艺中间环节，节能降耗、效率高、成本低；②可在线灵活调整三工艺参数，俾使满足不同规格、不同性能的管材要求；③树脂基体和增強纤维选择调整便捷多样；④较之囯内外现有以缠绕法制造热塑性复合材料管的生产设备，容易控制张力，提高纤维强度发挥率。见图 86、图 87。其主要设备及其作用

　　一般缠立式罐不作螺旋缠绕，此系立式罐受力分析使然。20 世纪 80 年代末从意大利引进的现场缠绕卧式大罐的缠绕机只有环向缠绕，更遑论后来江苏从美国引进的和自制的立式缠绕机了。2013 年，山东省安丘宇航玻璃钢公司农民企业家杨学之先生自行成功开发模具不转、小车围绕模具转的大型立式储罐缠绕机，其原理图见图 94。缠绕时，小车在轨道上以模具中轴为圆心作圆周运动，绕丝头沿小车上的垂直导轨上下移动，从而实现环向缠绕。

　　美国 CSI 公司原创的两端均有模具的缠罐机，可交替作业以提高生产效率，国内连云港唯德公司、石家庄莱德公司制造此类机器用以生产玻璃钢双壁罐（见图 96）