1 前言
玻璃鋼是一種性能優(yōu)良的復合材料,具有重量輕、強度高、耐電、耐熱、耐腐蝕、可設(shè)計性和易于成型等特點,應用前景廣闊,目前已在能源、煤炭、交通、石化、輕工、建筑、市政、環(huán)保及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
纖維纏繞是玻璃鋼制品的重要成型工藝之一。它是將玻璃鋼增強材料——玻璃纖維,通過特定裝置浸上一定量的樹脂糊,然后依據(jù)特定的纏繞運動規(guī)律,將浸膠后的增強材料纏繞在旋轉(zhuǎn)著的芯模上,形成柔性玻璃鋼半成品,最后經(jīng)固化、修整等工序獲得玻璃鋼成品。纖維纏繞玻璃鋼制品主要有管道(包括方管、變徑管及錐管等)、貯罐(包括橢球頭、球頭、錐頭、平頭、球形貯罐)等。其制品規(guī)格覆蓋面大,制品直徑或當量直徑可從幾毫米到十多米。
纖維纏繞玻璃鋼成型工藝所需設(shè)備主要有內(nèi)襯制作設(shè)備、纏繞機、固化設(shè)備、脫模設(shè)備及修整設(shè)備等。其中纏繞機是最重要的設(shè)備,它有多種類型,以制品規(guī)格分,可分為大、中、小、微型纏繞機;以結(jié)構(gòu)形式分,可分為臥式、立式、環(huán)繞式等;以控制水平來分,可分為機械式、液壓伺服式、微機控制式:以制品長度分,可分為連續(xù)式和定長式;以運動自由度分,可分為二、三、四、五、六軸纏繞機。
無論何種纏繞機都由動力源、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)及輔助機構(gòu)組成,都具有相近的原理、相似的功能,即將增強材料以一定的纏繞規(guī)律纏繞到芯模上,形成玻璃鋼纏繞制品。纏繞規(guī)律的實現(xiàn)依靠設(shè)備的各種機構(gòu),因此,每種機構(gòu)零件的精密性必然影響纏繞規(guī)律實現(xiàn)的準確性,即影響纏繞精度。本文主要分析介紹提高纏繞精度的意義和影響纏繞精度的一些相關(guān)因素,以及纏繞設(shè)備設(shè)計與調(diào)試中
的一些具體經(jīng)驗。
2纏繞精度的衡量指標及意義
纏繞精度是指增強材料經(jīng)過纏繞設(shè)備纏繞在芯模上形成紗帶軌跡與計算預定的紗帶軌跡的吻合程度,其主要衡量指標有兩個(如圖1所示): (1)相臨兩紗帶邊緣的間隙或重合值,即計算紗帶寬度與實際紗帶寬度之差的絕對值:
(2)計算纏繞角與實際纏繞角之差的絕對值。
一般的玻璃鋼纏繞制品(除需要一定子L隙的產(chǎn)品如過濾用產(chǎn)品外)要求紗帶能夠均勻地無間隙地以計算角度鋪在芯模表面,使產(chǎn)品上各點物理化學性能具有一致性,以最少的原材料滿足產(chǎn)品性能的要求,即以最低的成本生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品:但是由于設(shè)備的設(shè)計方案、制造精度、控制水平等因素的影響,預期產(chǎn)品與生產(chǎn)出的產(chǎn)品存在一定的偏差,從而使得產(chǎn)品性能在設(shè)計時不得不考慮較高的安全系數(shù)
來滿足產(chǎn)品使用要求。由此可見,提高纏繞精度有以下幾點意義:(1)節(jié)約原材料,降低能耗,縮短生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率;(2)提高產(chǎn)品的綜合使用性能和外觀平整度;(3)增強產(chǎn)品的市場競爭力,擴大市場的占有率,增大企業(yè)的利潤率。
3 影響纏繞精度的設(shè)備因素及提高方法
纏繞設(shè)備不同結(jié)構(gòu)形式、不同控制方法對纏繞精度的影響因素各不相同,下面分機械式、液壓伺服式、微機控制式纏繞機三類加以說明。
3.1機械式纏繞機纏繞精度的影響因素及提高方法
機械式纏繞機基本原理如圖2所示,主要包括床頭、床身、小車、芯模、傳動變向機構(gòu)、芯模尾座、芯模前座等部分,通過計算,選擇合理參數(shù),調(diào)整速比,使小車往復運動速度V和芯模轉(zhuǎn)速n合理匹配,使玻璃纖維按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上形成玻璃鋼制品。在此類設(shè)備中小車往復運動速度V和芯模轉(zhuǎn)速n的合理匹配是通過一系列的機械傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的,這些傳動機構(gòu)包括固定傳動比機構(gòu)和可變傳動比機構(gòu)(掛輪)兩部分,一般采用鏈條和齒輪傳動。 根據(jù)以上原理機構(gòu)在纏繞機的設(shè)計過程中,為提高纏繞精度應考慮如下幾個因素:
(1)增大速比調(diào)整范圍,減小速比數(shù)值之差
由于齒輪、鏈條傳動速比都具有間隔性,即有限整數(shù)齒數(shù)的積商不可能得出連續(xù)速比值,而進行纏繞參數(shù)計算時需要的速比又不可能都是整數(shù)的積商,只能選用接近值,因此,希望速比的范圍越大越好,速比數(shù)值之差越小越好。要滿足以上要求,只能在機構(gòu)允許的范圍內(nèi),增多可變傳動比機構(gòu)的齒輪或鏈輪傳動級數(shù)和掛輪數(shù)量,從而降低計算值和選用值之差,以提高精度。
(2)減小傳動間隙,提高傳動精度 纏繞機的一般傳動機構(gòu)都是由齒輪及鏈條組成的。每個齒輪副或鏈輪副都有一定的運動間隙,一
整套的傳動機構(gòu)必然也存在一定的傳動間隙(如圖3所示)。
由以上計算可知,傳動比不變的情況下由于齒輪齒數(shù)不一樣,造成轉(zhuǎn)角丟失e值增加了1. 15倍。可見要減小傳動間隙,提高傳動精度,必須要作合理的傳動方案選擇和減小傳動間隙的優(yōu)化設(shè)計,當然提高運動副精度也能提高傳動精度,但成本必然提高。
(3)提高小車運動的平穩(wěn)性
小車運動的不平穩(wěn)必然造成繞絲頭的顫動,使玻璃纖維在芯模上的落紗軌跡偏移,從而降低纏繞精度,因此提高纏繞精度必須提高小車運動的平穩(wěn)性。小車運動的平穩(wěn)性與床身導軌的平直度等因素有密切的關(guān)系,因此設(shè)計時必須作必要的考慮。
(4)提高玻璃纖維張力的平穩(wěn)性
玻璃纖維張力的不平穩(wěn)性可以造成落紗軌跡偏移,降低纏繞精度,為此應考慮玻璃纖維張力的平穩(wěn)性。玻璃纖維張力的平穩(wěn)性主要與張力機構(gòu)、小車運動的速度突然變化點等因素有關(guān),設(shè)計時應盡力克服避免。
(5)保證芯模轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性
芯模轉(zhuǎn)速的不平穩(wěn)性必然造成落紗軌跡偏移,降低纏繞精度。與此有關(guān)的因素主要有芯模的偏重、前后支座的同心度、芯模與動力輸出的聯(lián)接等,設(shè)計時應作必要的考慮。
(6)提高床身與芯模的平行度
床身與芯模的平行度直接影響到產(chǎn)品軸向的纏繞精度,因此設(shè)計安裝時都應作考慮。
(7)擴大紗帶橫向厚度均勻性的調(diào)節(jié)范圍
3.2液壓伺服式纏繞機纏繞精度的影響因素及提高方法
液壓伺服式纏繞機由于設(shè)備比較復雜、造價比較昂貴,現(xiàn)已被微機控制纏繞機所取代,因此此處不作詳細討論,僅作簡要概述。
液壓伺服式纏繞機中影響纏繞精度的因素主要有計算控制精度、液壓系統(tǒng)精度、機械傳動精度、小車運動平穩(wěn)精度、芯模旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)精度、床身與芯模的平行精度、玻璃纖維張力平穩(wěn)性等,設(shè)計時應注意。
3.3微機控制式纏繞機纏繞精度的影響因素及提高方法
微機控制式纏繞機原理同機械式纏繞機相類似,其不同之處在于機械式纏繞機只有一個動為源,靠機械傳動機構(gòu)將幾個自由度有機的聯(lián)系起來,而微機控制式纏繞機每個自由度都有單獨的動力源,靠微機控制將其有機的聯(lián)合起來,融計算、控制、執(zhí)行于一體。
根據(jù)以上原理在纏繞機的設(shè)計過程中,為提高纏繞精度應考慮如下幾點因素:
(1)提高計算控制精度
基于纏繞計算的基本原理,計算出合理速比,選擇速比接近值,協(xié)調(diào)各自由度的運動。在微機控制式纏繞機計算時,選擇正確的參量與確定合理的參量優(yōu)先關(guān)系是很重要的,應盡可能擴大速比范圍,使計算值與選擇值之差最小,以提高計算精度。在選擇計算控制元件時,在成本允許的情況下,要盡可能選用高分辨的元件和元件的合理搭配,如分辨較高的脈沖發(fā)生器等。
(2)提高控制執(zhí)行精度
選用性能好的控制執(zhí)行元件,應著重考慮元件靜態(tài)特性的穩(wěn)定性和動態(tài)特性的圓滑性以及元件之間的動靜態(tài)特性的匹配性,如電機驅(qū)動系統(tǒng)和電機。
(3)減小傳動間隙,提高傳動精度
由于微機控制式纏繞機動力源(電機)在纏繞過程中必須能正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),因此減小該傳動鏈的傳動間隙十分重要,其減小傳動間隙、提高傳動精度的方法同機械式纏繞機。
除上述三項外,設(shè)計微機控制式纏繞機時也同樣必須考慮機械式纏繞機中的(3)、(4)、(5)、(6)和(7)等五種方式。這些都是提高纏繞精度比不可少的考慮因素。
4結(jié)束語
綜合三類纏繞機,機械式纏繞機精度能滿足一般產(chǎn)品,具有價格低廉、性能穩(wěn)定、操作易學、維修方便等特點,產(chǎn)品以管道為主,兼有貯罐類,其不足之處是不同產(chǎn)品生產(chǎn)的設(shè)備調(diào)配時間略長:液壓伺服式纏繞機精度能滿足較高要求的產(chǎn)品,但其造價昂貴、設(shè)備復雜、維修不便;微機控制式纏繞機精度較高,能覆蓋所有纏繞制品,操作方便,其不足之處在于價格較高、操作維修人員素質(zhì)要求較高。因此,目前市場主要是機械式纏繞機和微機控制式纏繞機兩大類。此兩類纏繞機在設(shè)計時,應在降低成本的同時盡力提高纏繞精度,以最大限度地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。