劉陽，金永根，張華

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

大型肘形管專用纏繞機的結(jié)構(gòu)設計及纏繞工藝實現(xiàn)

劉陽，金永根，張華

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

為了滿足艦船用大型肘形撓性接管的生產(chǎn)需要，研制了新型龍門式肘形管專用纏繞機。它全新的芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)，接模支架固定在回轉(zhuǎn)臺上，支撐剛度高，纏繞時芯模偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定，配合立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，確保上下模具快速方便，大大提高了生產(chǎn)效率。

玻璃鋼肘形管;纖維纏繞機;接模支架

1　引言

由于復合材料制品的耐腐蝕、結(jié)構(gòu)性能可設計，其用途越來越廣泛。肘形撓性接管(簡稱肘形管)是艦船制造業(yè)近年開發(fā)的新產(chǎn)品之一。為減少振動和噪聲，提高艦船的隱身性和安全性，艦船管路系統(tǒng)采用肘形撓性接管技術(shù)，有效減振、抗沖擊，它不僅能隔離和衰減管路結(jié)構(gòu)振動和噪聲，還能補償設備與管路系統(tǒng)之間因振動、沖擊引起的位移變化，保護管線上的設備不破損。肘形管專用纏繞機是實現(xiàn)肘形撓性接管生產(chǎn)關(guān)鍵的設備之一。肘形撓性管的特點是彎管兩端均有不短的圓柱段，為了纏繞后能順利脫模，其芯模本身為組合式結(jié)構(gòu)，其準確穩(wěn)定的外形完全由專用接模架來保證。由于芯模為金屬制品，其自身質(zhì)量較大，所以接模架的剛度及尺寸穩(wěn)定性對于保證芯模準確穩(wěn)定的外形是至關(guān)重要的。當制品幾何尺寸增大時，接模架必須保證組合芯模外形穩(wěn)定［1-2］。為此有必要研制一種適合纏繞中大型肘形撓性管(三大特點:尺寸大，質(zhì)量重，偏心大)的專用設備。該專用纏繞機應具有如下特點:

(1)1套可調(diào)整的接模支架，剛性好且尺寸精度高，可以連接大小不同規(guī)格尺寸的芯模，不會因為彎曲半徑加大和直管段長度加長而產(chǎn)生嚴重偏心。纏繞運行中芯模對接模支架的慣性沖擊和偏心沖擊小。芯模正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)對偏轉(zhuǎn)角及布線精度不會有很大影響。纏繞機纏繞速度快，纏繞效率較高。

(2)擁有繞絲嘴水平往復運動機構(gòu)，對于不同的芯模質(zhì)量及纏繞運行速度，保證了纏繞的穩(wěn)定性，纏繞線型精確。

2　纏繞大型肘形管專用纏繞機的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)大型肘形管結(jié)構(gòu)特點，設計時我們采用了龍門式結(jié)構(gòu)布局形式，如圖1所示。該纏繞機由底座(機座)、芯模對中機構(gòu)、芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、繞絲頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)、繞絲頭水平往復運動機構(gòu)、安全防護機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示?？紤]到本機工作時張力控制器和繞絲嘴始終處于快速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，為了保護操作者的安全而設有防護欄。整機結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，工作安全可靠。

圖1　大型肘形管專用纏繞機

圖2　大型肘形管專用纏繞機總裝圖

2.1芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)設計

芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)由機座、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)臺、接模支架、驅(qū)動機構(gòu)等組成，如圖3所示。芯模水平固定在接模支架上，接模支架固定在回轉(zhuǎn)臺上，因此提供了足夠的支撐剛度。優(yōu)點如下:

(1)芯模采用了水平固定方式，完全消除了偏心沖擊帶來的不利影響。簡化了接模支架的結(jié)構(gòu)形式，提供了足夠的支撐剛度，加工、裝配、調(diào)整均極為便利。

(2)為了纏繞不同彎曲半徑、不同尺寸規(guī)格的制品及滿足對中要求，回轉(zhuǎn)臺下面設有前后(主要補償彎曲半徑差異量及調(diào)整前后方向的對中度)方向的絲杠副進給機構(gòu)。通過搖動進給絲杠，使回轉(zhuǎn)臺作前后進給運動，以保證纏繞不同尺寸規(guī)格制品時，張力控制器及繞絲嘴都能圍繞芯模的中軸線旋轉(zhuǎn)。

(3)采用了大跨距支撐與驅(qū)動為一體的結(jié)構(gòu)形式，提供了穩(wěn)定的支撐環(huán)境，由于采用了精密減速機與大速比齒輪傳動的驅(qū)動模式，大大提高了傳動剛性，并且將傳動側(cè)隙(側(cè)隙遠離回轉(zhuǎn)中心)對回轉(zhuǎn)精度的影響降至最低。工作時伺服電機通過精密減速機和大速比齒輪傳動，驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺作順時針或逆時針偏轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)臺帶動固定在其上的接模支架及芯模作偏轉(zhuǎn)運動，使紗線有規(guī)律地均勻地纏繞到芯模表面上。

圖3　大型肘形管專用纏繞機芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)

2.2立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設計

立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由支座、輕型精密回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)盤、多繞絲頭纏繞系統(tǒng)、驅(qū)動機構(gòu)等組成，如圖4所示。采用了大跨距支撐與驅(qū)動為一體的結(jié)構(gòu)形式，提供了穩(wěn)定的支撐環(huán)境，由于采用了精密減速機與大速比齒輪傳動的驅(qū)動模式，大大提高了傳動剛性，并且將傳動側(cè)隙(側(cè)隙遠離回轉(zhuǎn)中心)對回轉(zhuǎn)精度的影響降至最低。

工作時伺服電機通過精密減速機和大速比齒輪傳動，驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤作旋轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)盤帶動固定在其上的繞絲頭圍繞芯模軸心線轉(zhuǎn)動，使紗線有規(guī)律地均勻地纏繞到彎管段芯模表面上。

圖4　立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3繞絲頭水平往復運動機構(gòu)設計

繞絲頭水平往復運動機構(gòu)由小車體、精密線性導軌副、驅(qū)動機構(gòu)等組成，如圖5所示。繞絲嘴水平運動，采用了精密減速機與齒輪齒條傳動的驅(qū)動模式。具有傳動路徑短，傳動側(cè)隙可準確調(diào)整的優(yōu)點，傳動側(cè)隙對往復運動的影響也相同。無論芯模尺寸質(zhì)量怎樣變化，纏繞精度都不會改變。

工作時伺服電機通過精密減速機和齒輪齒條傳動，驅(qū)動小車體，小車體帶動繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)作直線往復運動，使紗線有規(guī)律地均勻地纏繞到直管段芯模表面上。

圖5　繞絲頭水平往復運動機構(gòu)

3　纏繞機工作原理及纏繞工藝實現(xiàn)

由于肘形撓性管具有直管段和彎管段，是典型的非回轉(zhuǎn)體，如圖6所示，不能采用通用的纏繞理論進行計算。為了能夠精確地表達此產(chǎn)品的數(shù)學模型，采用分段描述的辦法，在產(chǎn)品的兩端，用直管的數(shù)學模型進行描述;中間段用90°彎頭模型進行描述，通過對彎曲內(nèi)側(cè)纏繞角度、彎曲中線纏繞角度或彎曲外側(cè)纏繞角度的控制來實現(xiàn)其纏繞過程，用計算機計算兩個模型的過渡段方程，進行綜合表達。三個彼此獨立的運動，通過計算機控制實現(xiàn)聯(lián)動，按設計要求纏繞出需要的制品［3-4］。

圖6　肘形管外形圖

具體的做法是采用繞絲頭旋轉(zhuǎn)(垂直平面)+芯模偏轉(zhuǎn)(水平平面)+繞絲頭水平往復運動的合成方式，即直管段纏繞時繞絲頭作水平往復運動，彎管段纏繞時芯模繞彎管中心作90°偏轉(zhuǎn)運動，而繞絲頭一直在垂直平面內(nèi)繞芯模軸心線作單向勻速旋轉(zhuǎn)運動，從而保證了繞絲咀與芯模表面間的相對位置不發(fā)生變化，纏繞過程中抽絲速度、抽絲角度及纏繞張力也不發(fā)生變化，并消除了芯模的偏心沖擊。

僅用三維運動可精確控制繞絲咀的運動軌跡，簡化了控制方式，實現(xiàn)了精確纏繞，由于不存在線速度突變問題，保證了纏繞張力的穩(wěn)定性及線型的準確性，大大提高了制品性能。

根據(jù)肘形管制品性能及工藝要求，每一層纏繞用的絲線(或布帶)都必須是連續(xù)無接頭的而且有不同的線密度，不同尺寸規(guī)格制品的彎曲半徑也不同，為此設計了多絲團多繞絲頭沿圓周均勻分布及絲團垂直分布的多絲嘴纏繞裝置，如圖7所示。

圖7　多絲嘴布局圖

多絲嘴纏繞裝置是實現(xiàn)肘形管纏繞工藝的重要部件之一，工作時伺服電機通過精密減速機和齒輪傳動驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤作旋轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)盤帶動固定在其上的繞絲頭圍繞芯模軸心線轉(zhuǎn)動，使紗線有規(guī)律地均勻地纏繞到芯模表面上［5］。

多絲嘴在垂直旋轉(zhuǎn)盤上均勻性分布，通過繞絲嘴的徑向伸縮，來滿足不同尺寸規(guī)格制品的纏繞及繞絲嘴與芯模表面的等距性，確保纏繞的均勻一致性。每個絲嘴分別設計機械張力器，保證紗線張力一致。

4　結(jié)語

大型肘形管專用纏繞機是針對纏繞艦船用大型肘形撓性接管研發(fā)，它全新的芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以連接不同尺寸的芯模。接模支架固定在回轉(zhuǎn)臺上，支撐剛度高，纏繞時芯模偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定，配合立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，確保上下模具快速方便，大大提高了生產(chǎn)效率。

大型肘形管專用纏繞機采用繞絲頭水平往復運動機構(gòu)，立式多絲嘴繞絲頭旋轉(zhuǎn)、芯模偏轉(zhuǎn)機構(gòu)的三維運動合成方式實現(xiàn)肘形管制品纏繞，纏繞線型控制精確，它不僅可以滿足艦船用中大型肘形撓性接管的需要，可推廣應用于各類管接頭的生產(chǎn)，其設備成本低、售價低，有利于推廣應用，具有競爭力，可以打入國際市場和發(fā)達國家。

［1］王桂英，曹軍，張華.2軸計算機控制的復合彎管纏繞成型方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2012，34(7):130-134.

［2］李軍英，張華，金永根.3軸運動肘形管纏繞機的控制方法［J］.纖維復合材料，2013(1):24-26.

［3］李先立.90°彎管纏繞機的發(fā)展［J］.玻璃鋼/復合材料，1994 (3):11-16.

［4］韓振宇，富宏亞，王永章，等.90°彎管的纖維纏繞線型設計［J］.玻璃鋼/復合材料，2004(5):31-35.

［5］金永根，李軍英，霍巖.生產(chǎn)肘形管用多絲嘴纏繞裝置的設計［J］.纖維復合材料，2012(2):23-25.

The Structure Design and Process of Winding Machine for Elbow Pipes

LIU Yang，JIN Yonggen，ZHANG Hua
(Harbin FRP institute，Harbin 150036)

In order to meet the warship with large elbow type pipe production requirements，developed a new dragon gate type elbow pipe winding machine.It has a new mold deflection mechanism.The support with Connecting a mold is fixed on the rotary table.Its support stiffness is high.The moldˊs deflection stability when winding.Cooperate with vertical fiber eye rotational mechanism，to ensure that the loading and unloading mold quickly and easily，has greatly increased the production efficiency.

FRP elbow pipe;filament winding machine;mold support

2016-02-07)

劉陽(1981-)，男，黑龍江人，本科，工程師。研究方向:復合材料設備電氣及自動控制。E-mail: 13936262657@163.com.