一種方形玻璃鋼風(fēng)管的數(shù)控纏繞設(shè)備的設(shè)計(jì)*

□ 于仲海 □ 鄧 杰 □ 戴朝利 □ 李國(guó)龍

重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400030

無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管是以氯氧鎂水泥為膠結(jié)料、中堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料、加入填充材料和改性劑等所制成的一種管材。目前，方形無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管常用的加工方式主要采用手糊工藝，通過(guò)手工操作使氯氧鎂水泥和玻璃纖維的不斷交織重疊完成制作。該加工方法生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅強(qiáng)度低、表面粗糙、質(zhì)量穩(wěn)定性差，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重。由于采用機(jī)械式螺旋纏繞方式不適合矩形管的纏繞，矩形棱邊處的滑線以及纖維與平面能否緊貼的問(wèn)題無(wú)法得到解決，因此，現(xiàn)有的鏈條式纏繞機(jī)僅能應(yīng)用于回轉(zhuǎn)體纏繞，并且鏈條式纏繞機(jī)精度也無(wú)法達(dá)到環(huán)向纏繞的要求。為了實(shí)現(xiàn)玻璃鋼方管的機(jī)械化纏繞，筆者提出了一種方形玻璃鋼風(fēng)管的數(shù)控纏繞方案，設(shè)計(jì)了方形玻璃鋼風(fēng)管纏繞設(shè)備。

1 方形玻璃鋼風(fēng)管的纏繞原理

由于方管為非回轉(zhuǎn)體，吐絲嘴與芯模表面的距離會(huì)根據(jù)芯模的幾何尺寸而不斷變化。為了取得合適的纏繞線型，采用相當(dāng)圓原理來(lái)簡(jiǎn)化方管復(fù)雜的計(jì)算。所謂相當(dāng)圓，就是將任意非回轉(zhuǎn)體制品簡(jiǎn)化為回轉(zhuǎn)體進(jìn)行纏繞工藝計(jì)算，所取得的圓周長(zhǎng)與非回轉(zhuǎn)體周長(zhǎng)相等。但在實(shí)際纏繞中，由于摩擦力的存在，真實(shí)的繞線方式不可能完全按照同一個(gè)纏繞角一直纏下去，同時(shí)，由于矩形長(zhǎng)寬的不同，纏繞角也會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，這種變化反映在棱邊上就會(huì)由于張力的作用產(chǎn)生一個(gè)與摩擦力平衡的合力，一旦摩擦力不足以平衡這個(gè)合力，就會(huì)發(fā)生滑線，其穩(wěn)定判別式為：

由于設(shè)計(jì)采用環(huán)向纏繞，所以a、b側(cè)面的纏繞角變化接近于90°，因此只要滿足式（1），在棱邊處的纏繞就可以達(dá)到穩(wěn)定；并且芯模也經(jīng)過(guò)倒角處理，增大了棱邊處的受力面積，進(jìn)一步減小了發(fā)生滑線的可能。

為了計(jì)算小車?yán)p繞時(shí)吐絲嘴距芯模的最佳位置，需要先進(jìn)行螺距因數(shù)的計(jì)算。螺距因數(shù)是為了在非回轉(zhuǎn)體截面邊長(zhǎng)不等的情況下確定纏繞參數(shù)的一種方法，之后再根據(jù)具體尺寸來(lái)確定位置，其計(jì)算公式為：

式中：Ka、Kb為矩形截面長(zhǎng)寬相應(yīng)的螺距因數(shù)；Sa、Sb為吐絲嘴與矩形芯模之間的距離，如圖1所示。

小車吐絲嘴距芯模的距離：

由此，可以確定小車吐絲嘴在垂直于主軸方向上的具體位置。

2 纏繞設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的纏繞原理，設(shè)計(jì)出如圖2所示的方形玻璃鋼風(fēng)管纏繞設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)。

方形玻璃鋼風(fēng)管的纖維纏繞采用臥式纏繞為基本結(jié)構(gòu)，主軸夾持芯模進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，小車沿絲桿滑臺(tái)作與主軸平行的直線運(yùn)動(dòng)。樣機(jī)的整體構(gòu)架材料為鋁型材，可以滿足受力與強(qiáng)度要求；小車上的絲桿滑臺(tái)位于小車軌道升降臺(tái)上，絲桿滑臺(tái)模塊選用了精密滾珠絲桿傳動(dòng)，避免了回程誤差，具有低噪聲、低扭矩傳動(dòng)以及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。小車帶有伸臂機(jī)構(gòu)，使小車可以在X、Y、Z 3個(gè)方向上達(dá)到精確定位，滿足不同尺寸芯模纏繞的要求；主、副軸采用雙軸承座固定，便于芯模的安裝與拆卸；纖維放卷軸位于纏繞機(jī)外側(cè)，與磁粉張力控制器相連，用于纖維的放卷并控制張力；設(shè)備的底部裝有浸液槽與廢液回收槽，進(jìn)行纖維的浸膠與廢液的回收，以防對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

▲圖1矩形芯模與小車位置

▲圖2 纏繞設(shè)備三維結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于不同長(zhǎng)寬比的芯模纏繞，需要調(diào)整小車所在絲桿滑臺(tái)的高度以及小車橫向伸臂長(zhǎng)度，本樣機(jī)采用了小車軌道升降臺(tái)與小型絲桿燕尾槽相結(jié)合的方式進(jìn)行小車的3向位置調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)絲桿滑臺(tái)的同步、平穩(wěn)升降，升降高度由手輪進(jìn)行控制；橫向位置的改變由小型絲桿燕尾槽實(shí)現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)

圖3為纏繞設(shè)備系統(tǒng)總體控制圖，在系統(tǒng)中單片機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖來(lái)控制絲桿滑臺(tái)絲桿的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的運(yùn)動(dòng)速度和方向。通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)微電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制芯模轉(zhuǎn)速，絲桿滑臺(tái)轉(zhuǎn)速和芯模轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。纖維張力的控制通過(guò)控制磁粉張力控制器的電流來(lái)控制纖維放卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而控制纏繞纖維的張力。

4 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 芯模裝卸機(jī)構(gòu)

為了方便芯模能夠快速安裝、取下進(jìn)行后續(xù)處理，保證與主、副軸的同軸度，采用了雙三爪卡盤的結(jié)構(gòu)。三爪卡盤自帶鎖緊功能，可以方便進(jìn)行芯模的安裝、鎖緊，保證扭矩的傳遞。

4.2 吐絲嘴展線結(jié)構(gòu)

▲圖3 纏繞設(shè)置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制圖

▲圖4 吐絲嘴設(shè)計(jì)

▲圖5 浸液槽

▲圖6 回收槽

在進(jìn)行玻璃鋼纖維纏繞時(shí)，由數(shù)股玻璃鋼纖維組成的纖維束通過(guò)浸液槽浸液后會(huì)由于所浸液體的黏性而聚合在一起，失去了纏繞所需固定的纖維寬度與均勻的纖維厚度，為了使聚集成一束的纖維重新變成可以纏繞的紗帶，小車上的吐絲嘴設(shè)計(jì)成由展線圓環(huán)和展線平輥組成的繞線結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維束的展線，如圖4所示。纖維首先通過(guò)小車末端的小圓環(huán)，然后自上而下的穿過(guò)大圓環(huán)，由于張力作用，纖維束在經(jīng)過(guò)大小兩個(gè)圓環(huán)后，可以將原本聚集在一起的纖維展開，再經(jīng)過(guò)兩根平輥的表面，使展開的纖維更加分布均勻。在吐絲嘴四周裝有膠液擋板，使絲桿不會(huì)受到剩余浸液的影響，多余的廢液可以流回廢液回收槽。

4.3 浸液槽與回收槽

浸液槽（見圖5）的作用是當(dāng)纖維通過(guò)繞線軸時(shí)，纖維可以得到充分浸膠，纖維浸膠是否充分對(duì)纏繞的效果有很大的影響；回收槽（見圖6）主要用于收集纖維上脫離的多余膠液，由于氯氧鎂水泥有一定的腐蝕性，并且會(huì)散發(fā)出有害性氣體，需要對(duì)廢液進(jìn)行收集，以免對(duì)環(huán)境造成污染。

5 結(jié)束語(yǔ)

玻璃鋼風(fēng)管由于其具有阻燃、成本低、耐腐蝕等特點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。目前，由于方形玻璃鋼風(fēng)管主要生產(chǎn)方式仍然是手工制作，極大地限制了它的推廣。而采用機(jī)械式纏繞加工方形玻璃鋼風(fēng)管的方法效率高、成本低、質(zhì)量好，而且大大減少了環(huán)境的污染與材料的浪費(fèi)，本文所述的方形玻璃鋼風(fēng)管數(shù)控玻纖纏繞設(shè)備有一定的應(yīng)用前景。

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