劉陽(yáng)，金永根，張華

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及纏繞工藝實(shí)現(xiàn)

劉陽(yáng)，金永根，張華

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

為了滿(mǎn)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(mén)式肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)。它全新的芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，接模支架固定在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，支撐剛度高，纏繞時(shí)芯模偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定，配合立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī);接模支架

1　引言

由于復(fù)合材料制品的耐腐蝕、結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)，其用途越來(lái)越廣泛。肘形撓性接管(簡(jiǎn)稱(chēng)肘形管)是艦船制造業(yè)近年開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品之一。為減少振動(dòng)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(dòng)和噪聲，還能補(bǔ)償設(shè)備與管路系統(tǒng)之間因振動(dòng)、沖擊引起的位移變化，保護(hù)管線(xiàn)上的設(shè)備不破損。肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)肘形撓性接管生產(chǎn)關(guān)鍵的設(shè)備之一。肘形撓性管的特點(diǎn)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(zhǔn)確穩(wěn)定的外形完全由專(zhuān)用接模架來(lái)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(duì)于保證芯模準(zhǔn)確穩(wěn)定的外形是至關(guān)重要的。當(dāng)制品幾何尺寸增大時(shí)，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(diǎn):尺寸大，質(zhì)量重，偏心大)的專(zhuān)用設(shè)備。該專(zhuān)用纏繞機(jī)應(yīng)具有如下特點(diǎn):

(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(huì)因?yàn)閺澢霃郊哟蠛椭惫芏伍L(zhǎng)度加長(zhǎng)而產(chǎn)生嚴(yán)重偏心。纏繞運(yùn)行中芯模對(duì)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(duì)偏轉(zhuǎn)角及布線(xiàn)精度不會(huì)有很大影響。纏繞機(jī)纏繞速度快，纏繞效率較高。

(2)擁有繞絲嘴水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)于不同的芯模質(zhì)量及纏繞運(yùn)行速度，保證了纏繞的穩(wěn)定性，纏繞線(xiàn)型精確。

2　纏繞大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)大型肘形管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)我們采用了龍門(mén)式結(jié)構(gòu)布局形式，如圖1所示。該纏繞機(jī)由底座(機(jī)座)、芯模對(duì)中機(jī)構(gòu)、芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、繞絲頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、繞絲頭水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示?？紤]到本機(jī)工作時(shí)張力控制器和繞絲嘴始終處于快速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，為了保護(hù)操作者的安全而設(shè)有防護(hù)欄。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，工作安全可靠。

圖1　大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)

圖2　大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)總裝圖

2.1芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由機(jī)座、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)臺(tái)、接模支架、驅(qū)動(dòng)機(jī)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(tái)上，因此提供了足夠的支撐剛度。優(yōu)點(diǎn)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(lái)的不利影響。簡(jiǎn)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(mǎn)足對(duì)中要求，回轉(zhuǎn)臺(tái)下面設(shè)有前后(主要補(bǔ)償彎曲半徑差異量及調(diào)整前后方向的對(duì)中度)方向的絲杠副進(jìn)給機(jī)構(gòu)。通過(guò)搖動(dòng)進(jìn)給絲杠，使回轉(zhuǎn)臺(tái)作前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以保證纏繞不同尺寸規(guī)格制品時(shí)，張力控制器及繞絲嘴都能?chē)@芯模的中軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

(3)采用了大跨距支撐與驅(qū)動(dòng)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(jī)與大速比齒輪傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式，大大提高了傳動(dòng)剛性，并且將傳動(dòng)側(cè)隙(側(cè)隙遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心)對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響降至最低。工作時(shí)伺服電機(jī)通過(guò)精密減速機(jī)和大速比齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)作順時(shí)針或逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)固定在其上的接模支架及芯模作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使紗線(xiàn)有規(guī)律地均勻地纏繞到芯模表面上。

圖3　大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由支座、輕型精密回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)盤(pán)、多繞絲頭纏繞系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。采用了大跨距支撐與驅(qū)動(dòng)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(jī)與大速比齒輪傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式，大大提高了傳動(dòng)剛性，并且將傳動(dòng)側(cè)隙(側(cè)隙遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心)對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響降至最低。

工作時(shí)伺服電機(jī)通過(guò)精密減速機(jī)和大速比齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤(pán)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)固定在其上的繞絲頭圍繞芯模軸心線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使紗線(xiàn)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3繞絲頭水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

繞絲頭水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由小車(chē)體、精密線(xiàn)性導(dǎo)軌副、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖5所示。繞絲嘴水平運(yùn)動(dòng)，采用了精密減速機(jī)與齒輪齒條傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式。具有傳動(dòng)路徑短，傳動(dòng)側(cè)隙可準(zhǔn)確調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)側(cè)隙對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響也相同。無(wú)論芯模尺寸質(zhì)量怎樣變化，纏繞精度都不會(huì)改變。

工作時(shí)伺服電機(jī)通過(guò)精密減速機(jī)和齒輪齒條傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)小車(chē)體，小車(chē)體帶動(dòng)繞絲頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使紗線(xiàn)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(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3　纏繞機(jī)工作原理及纏繞工藝實(shí)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(jìn)行計(jì)算。為了能夠精確地表達(dá)此產(chǎn)品的數(shù)學(xué)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(xué)模型進(jìn)行描述;中間段用90°彎頭模型進(jìn)行描述，通過(guò)對(duì)彎曲內(nèi)側(cè)纏繞角度、彎曲中線(xiàn)纏繞角度或彎曲外側(cè)纏繞角度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)其纏繞過(guò)程，用計(jì)算機(jī)計(jì)算兩個(gè)模型的過(guò)渡段方程，進(jìn)行綜合表達(dá)。三個(gè)彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，按設(shè)計(jì)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(fù)運(yùn)動(dòng)的合成方式，即直管段纏繞時(shí)繞絲頭作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彎管段纏繞時(shí)芯模繞彎管中心作90°偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而繞絲頭一直在垂直平面內(nèi)繞芯模軸心線(xiàn)作單向勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而保證了繞絲咀與芯模表面間的相對(duì)位置不發(fā)生變化，纏繞過(guò)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(yùn)動(dòng)可精確控制繞絲咀的運(yùn)動(dòng)軌跡，簡(jiǎn)化了控制方式，實(shí)現(xiàn)了精確纏繞，由于不存在線(xiàn)速度突變問(wèn)題，保證了纏繞張力的穩(wěn)定性及線(xiàn)型的準(zhǔn)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(xiàn)(或布帶)都必須是連續(xù)無(wú)接頭的而且有不同的線(xiàn)密度，不同尺寸規(guī)格制品的彎曲半徑也不同，為此設(shè)計(jì)了多絲團(tuán)多繞絲頭沿圓周均勻分布及絲團(tuán)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(shí)現(xiàn)肘形管纏繞工藝的重要部件之一，工作時(shí)伺服電機(jī)通過(guò)精密減速機(jī)和齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤(pán)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)固定在其上的繞絲頭圍繞芯模軸心線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使紗線(xiàn)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(pán)上均勻性分布，通過(guò)繞絲嘴的徑向伸縮，來(lái)滿(mǎn)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(gè)絲嘴分別設(shè)計(jì)機(jī)械張力器，保證紗線(xiàn)張力一致。

4　結(jié)語(yǔ)

大型肘形管專(zhuān)用纏繞機(jī)是針對(duì)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(jī)構(gòu)，可以連接不同尺寸的芯模。接模支架固定在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，支撐剛度高，纏繞時(shí)芯模偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定，配合立式繞絲頭旋轉(zhuǎn)機(jī)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(zhuān)用纏繞機(jī)采用繞絲頭水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，立式多絲嘴繞絲頭旋轉(zhuǎn)、芯模偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)合成方式實(shí)現(xiàn)肘形管制品纏繞，纏繞線(xiàn)型控制精確，它不僅可以滿(mǎn)足艦船用中大型肘形撓性接管的需要，可推廣應(yīng)用于各類(lèi)管接頭的生產(chǎn)，其設(shè)備成本低、售價(jià)低，有利于推廣應(yīng)用，具有競(jìng)爭(zhēng)力，可以打入國(guó)際市場(chǎng)和發(fā)達(dá)國(guó)家。

［1］王桂英，曹軍，張華.2軸計(jì)算機(jī)控制的復(fù)合彎管纏繞成型方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(7):130-134.

［2］李軍英，張華，金永根.3軸運(yùn)動(dòng)肘形管纏繞機(jī)的控制方法［J］.纖維復(fù)合材料，2013(1):24-26.

［3］李先立.90°彎管纏繞機(jī)的發(fā)展［J］.玻璃鋼/復(fù)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(xiàn)型設(shè)計(jì)［J］.玻璃鋼/復(fù)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(shè)計(jì)［J］.纖維復(fù)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(yáng)(1981-)，男，黑龍江人，本科，工程師。研究方向:復(fù)合材料設(shè)備電氣及自動(dòng)控制。E-mail: 13936262657@163.com.