三轴纤维缠绕机机械结构设计.docx
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题目:
三轴纤维缠绕机机械结构设计
摘要
摘 要
随着复合材料的应用越来越广泛,复合材料制品的生产和加工成为了一个迫切需要解决的问题。
我国的复合材料加工工艺相比于其他国家较为落后。
因此,本文设计了一套三轴纤维缠绕机,本课题主要针对管道类构件缠绕机设计,针对目前国内民用缠绕机的不足(主要是国产缠绕机精度较低和进口缠绕机价格高昂不便于维护维修),提出设计较高精度的缠绕大量固定类型缠绕构件的纤维缠绕机设想,设计三轴管道纤维缠绕机机械结构。
其中主要介绍了该三轴纤维缠绕机的机械结构以及各零部件的设计,通过二维三维软件进行绘制建模和仿真。
关键词:
复合材料;三轴纤维缠绕机;纤维缠绕;机械结构
Abstract
Abstract
Withthewideapplicationofcompositematerials,theproductionandprocessingofcompositematerialshavebecomeanurgentproblemtobesolved.Comparedwithothercountries,theprocessingtechnologyofcompositematerialsinChinaisrelativelybackward..
Therefore,thisarticledesignsasetofthreeaxisfilamentwindingmachine,windingmachinethistopicmainlyaimedatthepipelinecomponentdesign,aimingattheshortcomingsofthecurrentdomesticcivilwindingmachine(mainlydomesticlowprecisionwindingmachineandimportedhighpriceofwindingmachineisnotconvenienttomaintenance),anddesignahighprecisionwindingfilamentwindingmachinevisionofalargenumberoffixedtypewindingcomponents,mechanicalstructuredesigntriaxialpipingfilamentwindingmachine.Inthispaper,themechanicalstructureofthethree-axisfilamentwindingmachineandthedesignofitscomponentsareemphaticallyintroduced.Modelingandsimulationarecarriedoutbytwo-dimensionalandthree-dimensionalsoftware.
Keywords:
Compositematerials;filamentwindingmachine;filamentwinding;mechanicalstructure
-II-
目 录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 绪论 -1-
1.1 前言 -1-
1.2 课题背景及选题意义 -1-
1.2.1课题背景 -1-
1.2.2选题意义 -1-
1.3 纤维缠绕机国内外发展现状 -2-
1.4 纤维缠绕工艺介绍 -3-
1.4.1纤维缠绕技术优势 -4-
1.4.2纤维缠绕技术的不足 -4-
1.5 主要研究内容 -5-
第2章 纤维缠绕机总体方案设计 -6-
2.1 纤维缠绕机的结构 -6-
2.1.1旋转装置 -6-
2.1.2输送装置 -6-
2.1.3控制装置 -6-
2.2 经济性分析 -7-
2.2.1纤维缠绕制品的制造成本及应用前景 -7-
2.2.2降低成本的措施 -8-
2.3 工艺性分析 -8-
2.3.1复合材料的特点 -8-
2.3.2确定纤维缠绕工艺方案 -8-
第3章 三轴纤维缠绕机详细结构设计及计算 -10-
3.1 纤维缠绕机零件结构设计 -10-
3.1.1行走小车的设计 -10-
3.1.2上架体设计 -10-
3.1.3下架体设计 -11-
3.1.4轴承座的设计 -11-
3.1.5丝杆的设计 -12-
3.1.6热压辊的设计 -13-
3.1.7连杆的设计 -13-
3.1.8热压辊导轨的设计 -14-
3.1.9芯模的设计 -14-
3.2 整体设计计算及校核 -15-
3.2.1传动方案的选择方式 -15-
3.2.2电动机计算 -15-
3.2.3传动件的设计计算 -17-
3.2.4低速级齿轮传动设计计算 -21-
3.2.5按齿根弯曲强度计算 -23-
3.2.6几何尺寸计算 -24-
3.3 轴的设计计算 -25-
3.3.1高速轴的轴系结构设计 -25-
3.3.2低速轴轴系结构设计 -26-
3.3.3轴承选择计算 -27-
3.4 纤维缠绕机的装配 -28-
第4章 纤维缠绕的动态仿真 -30-
4.1 DMU运动仿真 -30-
4.2 创建机械装置 -31-
4.3 设置接合命令并施加力 -31-
4.4 固定零件并施加力 -32-
4.5 模拟仿真 -32-
结 论 -33-
致 谢 -34-
参考文献 35
-Ⅳ -
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1前言
在各相关技术日臻成熟、广大民众生活品质持续改善的今天,人们已经不再满足于仅仅使用金属材料制造生活用品。
纤维缠绕技术的问世标志着材料科学又有了另一个巨大的研究方向。
通过纤维缠绕技术生产的复合材料性能完全满足要求并且有着更加优良的机械性能。
1.2课题背景及选题意义
1.2.1课题背景
大约在年代,美国科研学者就已经研制出了玻璃纤维增强塑料(也就是我们通常所讲的玻璃钢)并开始投入使用。
大约在年代之后,美国宇航研究学者经过不懈努力研制出了增强树脂复合材料,不仅比强度比较高,并且表现出较强的耐疲劳性。
大约在年代晚期,该材料在宇航领域得到了广泛应用。
缠绕工艺最大的优势在于可以全面彰显纤维独特的强度优势,同时能够充分发挥其模量特性。
固体火箭发动机壳体从根本上来讲是一个高压容器,主要承担内压,其所有部位都呈需要具备良好的强度。
在实际生产中,为了获得较高的刚度抑或是实现某种力学性能,人们往往会将若干种不同的缠绕线型进行科学合理地搭配。
譬如,螺旋缠绕和环向缠绕相结合等。
所以,缠绕机是生产活动中极其重要的一项工艺装备。
无论是宇航领域,还是航空行业,都对缠绕制品的规格和质量要求较为严格,往往需要将数种不同的工艺或者技术进行合理组合。
以直升机为例进行说明,风扇叶片、推进翼等采用了异形凹面的复合材料构件。
基于以上分析能够了解到,在复合材料制造工艺中,缠绕机占据着举足轻重的关键地位。
1.2.2选题意义
在各种制备纤维复合材料产品的技术中,纤维缠绕技术不仅是最先研制出的一种技术,同时也是当前应用最为普遍的生产技术[1]。
纤维缠绕主要指的是将在树脂胶液中浸泡过一段时间的连续纤维(比如布带等)巧妙合理地缠绕至芯模上,再进行固化、脱模等一系列加工处理后制成产品。
在20世纪40年代初,人们开创性地提出了纤维缠绕工艺的概念,并首次尝试开发纤维缠绕设备。
20世纪50年代设计的设备非常基础;只使用两个运动轴(主轴旋转和水平移动)执行最简单的任务。
到了20世纪70年代中期,机器设计再次发生了巨大的变化。
这一次伺服技术的进步进入了机器设计领域。
高速计算机允许快速的数据处理,从而使运动更平稳,纤维放置更精确。
20世纪80年代和90年代,计算机技术得到了越来越多的应用。
计算机和运动控制卡成为几乎每台机器中必不可少的硬件。
大大提高了机器的速度控制;计算机控制系统能够以更高的精度跟踪位置和速度。
附加的运动轴也被纳入机器设计;允许四轴、五轴甚至六轴的可控运动。
1.3纤维缠绕机国内外发展现状
作为纤维增强塑料的一种主要成型手段,纤维缠绕工艺简单来讲指的是将在树脂胶液中浸泡过一段时间的连续纤维(比如布带等)巧妙合理地缠绕至芯模上,再进行固化、脱模等一系列加工处理后而制成的产品。
在生产工作开展过程中,应用比较广泛的纤维主要包括玻璃纤维、等。
缠绕工艺最大的优势在于可以全面彰显纤维独特的强度优势,同时能够充分发挥其模量特性。
固体火箭发动机壳体从根本上来讲是一个高压容器,主要承担内压,其所有部位都呈需要具备良好的强度。
在实际生产中,为了获得较高的刚度抑或是实现某种力学性能,人们往往会将若干种不同的缠绕线型进行科学合理地搭配。
譬如,螺旋缠绕和环向缠绕相结合等。
所以,缠绕机是生产活动中极其重要的一项工艺装备。
无论是宇航领域,还是航空行业,都对缠绕制品的规格和质量要求较为严格,往往需要将数种不同的工艺或者技术进行合理组合。
以直升机为例进行说明,风扇叶片、推进翼等采用了异形凹面的复合材料构件。
基于以上分析能够了解到,在复合材料制造工艺中,缠绕机占据着举足轻重的关键地位。
年,美国著名企业研制出了全球首台缠绕机,其演变历程可概括如下:
1.机械控制型缠绕机:
其形式不拘一格,主要以卧式、立式这两种形式为主,运动方式相对比较统一。
芯模介于主轴和尾座之间以特定的速度进行旋转,在此过程中,丝嘴会以平行于芯模轴线的方式进行运转。
芯模表面上一般采用螺旋线缠绕,不过在某些情况下采用环向缠绕。
可通过调整丝嘴运转速度的方式实现对螺距、缠绕角的实时化、灵活化、精准化调控。
小车速度的快慢主要取决于传动齿轮的齿数的多少。
要想改变小车行程长度,那么应结合实际情况对链条长度进行合理设置。
基于缠绕的制品的线型推导齿轮速比不仅计算量比较大,并且耗时耗力,在求解过程中还需要调换齿轮和链条,少则数个小时,长则数天,若产品更换频率比较高,那么势必会占用较多时间,不利于提高生产效率。
在纤维材料制品市场需求日益扩大的过程中,人们对复合材料制品的造型、规格等提出了更多要求,生产者也越来越注重设备使用的灵活性。
显然,机械控制的缠绕机已不能满足生产的要求。
不过,机械式缠绕机结构简单,容易制造;可靠性高,不易损坏;经济性突出。
对于规模生产定型产品的公司来讲,可选择此款装置。
2.数字程序控制型缠绕机:
在对含有封头零件的筒身段进行缠绕的过程中,芯模和小车间的速比保持固定值,对于这种形式,业内人士称作为线性缠绕。
在对封头进行缠绕的过程中,缠绕角并不固定,而是不断改变,而这即需要小车速度随之改变,对于这种形式,业内人士称作为非线性缠绕。
美国著名企业研制的型缠绕机通过凸轮控制的方式进行非线性缠绕,无论是从功能方面来讲,还是从适应能力方面而言,它均比机械缠绕机更胜一筹。
不过若产品发生变化,则需要重新设计并配置凸轮,所以,它最大的缺陷是停机调整。
3.微机控制型纤维缠绕机:
大约在年代早期,人们成功研制出了小型计算机数字控制缠绕机。
它和数控之间所存在的最大区别在于控制功能是由预先存储于存贮器中的程序进行实现的。
所以,调整程序即意味着调整控制逻辑。
程序即我们通常所讲的软件,所以,也被人们称作为软件数控。
调整程序便捷高效,切实增强了装置的灵活性,并提高了其适应能力。
不过其不足在于成本过高,严重限制了其应用范围的扩大。
不过随着微型化、经济性计算机的诞生和应用,在数控行业得到了大力推广和积极应用。
基于微型机的被人们称作为。
和缠绕机的联合应用即推出了微机控制的缠绕机。
1.4纤维缠绕工艺介绍
缠绕成型工艺主要指的是将在树脂胶液中浸泡过一段时间的连续纤维(比如布带等)巧妙合理地缠绕至芯模上,再进行固化、脱模等一系列加工处理后而制成的产品。
一般来讲,缠绕成型工艺主要包括下述三种。
(1)干法缠绕:
指的是进行预浸胶处理后的预浸纱或带,在缠绕机上通过加热软化至粘流态后缠绕至芯模上。
预浸纱是一种专业制备品,可对树脂含量进行明确控制,同时也有助于保证预浸纱质量。
所以,此方法能够良好地保证产品质量,它最突出的特征是生产效率高,缠绕速度一般在之间,缠绕机干净,操作环境良好,产品质量能够得到保证。
其不足主要表现为缠绕机器价格较高,并且需要购置和安装预浸纱生产装置,所以投入金额比较高,另外,基于此方法获得的产品其层间剪切强度比较小。
(2)湿法缠绕:
主要是指将纤维集束进行浸胶处理后,通过张力缠绕至芯模上。
此方法所具有的优势集中表现为下述几个方面:
第一,相较于干法缠绕可节约高达的费用;第二,②产品气密性较佳,其原因在于缠绕张力能够促使树脂胶液挤出泡和填充空隙;第三,纤维排列平行度好;第四,纤维上存在的树脂胶液能够有效减轻纤维磨损;第五;生产效率比较高(可达)。
此方法的不足主要表现为:
第一,使用大量的树脂,操作环境不理想;第二,无论是含胶量,还是成品质量,都很难有效控制;第三,适用于此方法的树脂品种不多。
(3)半干法缠绕:
主要指的是在进行纤维浸胶之后,在缠绕到芯模的过程中,合理巧妙地布设一套性能可靠的烘干设备,由其负责除净浸胶纱中所存在的溶剂,相较于干法来讲,此方法无需预浸胶;相较于湿法而言,能够减少制品中的气泡数量。
在上述三种缠绕方法中,应用最为广泛的是第二种方法即湿法缠绕;第一种方法即干法缠绕应用范围较为狭小,仅适用于对精度要求比较高的尖端行业[1]。
1.4.1纤维缠绕技术优势
最基础的复合材料加工制造方式之一就是纤维缠绕技术,纤维缠绕技术是机械制造加工中特有的一种无切削加工技术,具有高质量、高精度、高效率、低成本的加工优势。
在我们日常生活中,有很多都是根据纤维缠绕技术加工生产出来的制件,如碳纤维制品、直升机螺旋桨、汽车外壳等。
相较于其他加工方式而言,纤维缠绕加工所具有的优势集中表现为下述几点:
(1)能够结合产品的具体受力方式科学合理地设置缠绕方式,确保纤维强度能够全面发挥。
(2)相对强度高:
相较于容量、压强等相关参数相同的钢质容器来讲,基于纤维缠绕工艺制备的压力容器明显更轻型化,其重量往往会降低。
(3)可靠性高:
由复合材料制备的产品不仅便于机械化、规模化制造,并且更容易实现自动化制造,待工艺条件成熟之后,可依托先进强大的纤维缠绕技术制备优质产品。
(4)生产效率高:
通过成熟先进的纤维缠绕工艺制备零件可实现批量化、自动化、现代化生产,缠绕速度比较快,有助于提高生产效率。
(5)成本低:
在制造产品的过程中,可结合实际情况合理配选多种不同的材料(比如内衬、树脂等),再通过先进成熟的技术促其复合,此举有利于获得更好的技术效益,通过能够大幅降低成本。
1.4.2纤维缠绕技术的不足
相应的,纤维缠绕技术也存在许多严重的不足,由于制件大量生产,模具几乎整天都在工作,这就造成了模具磨损量过大从而使模具的寿命降低,而且只适用于精度中等制件的加工,对于形状稍微复杂一点的制件其制造难度会很大。
在纤维缠绕加工过程中,主要的缺陷有:
(1)适应性低:
纤维缠绕技术受生产方式的影响,有些特变形状的零件无法进行缠绕,特别是部分制品表面存在凹陷,由于纤维无法有效缠绕芯模表面,致其处于悬空状态。
(2)生产流程复杂化:
缠绕成型涉及到多个流程和工具,比如脱模机、缠绕仪器等,对工人的技能水平要求也比较高,此外,购置设备花费较高。
所以,纤维缠绕成型工艺唯有应用于规模生产时方可减少成本,由此创造相对令人满意的技术经济效益。
在纤维缠绕技术中心,纤维缠绕机必不可少,它是获得所需纤维缠绕制品的重要装置。
基于控制形式的不同可将细分为四类,其实他们也体现了缠绕机的发展历程:
一是机械型,二是数字控制型,三是微机控制型,四是计算机数控型。
现在应用最为广泛的缠绕机有两种:
一种是最简单、最经济的是机械式,另一种则是高性能的计算机数控型,采用了先进的控制模式,集多种包装方式于一体,可根据包装物的自身需求,选择标准包装方式或者单层包装方式等。
纤维缠绕机一般由机身、传动系统、控制系统等构成。
辅助部分主要有浸胶装置、纱架和预浸纱加热器等[2]。
1.5主要研究内容
(1)分析、研究重型纤维缠绕机的主要特点和结构,掌握各组成部件设计计算的公式、准则。
在此基础上确定纤维缠绕机总体布局、结构方案。
(2)纤维缠绕机主轴缠绕部分的结构设计,包括主轴箱设计,芯模支撑架设计,主轴箱与芯模连接部分结构。
(3)纤维缠绕机小车往复运动部分的结构设计,包括绕丝嘴结构设计,小车体、下支撑架设计。
(4)完成主要参数计算包括主轴电机及减速器选取,小车部分电机选取,绕丝嘴电机选取。
技术指标如下:
芯模直径:
φ1000mm;产品最大长度:
8000mm;
小车速度:
0~40m/min;主轴速度:
0~100r/min
-5-
第2章 纤维缠绕机总体方案设计
第2章 纤维缠绕机总体方案设计
2.1纤维缠绕机的结构
本文提出的纤维缠绕机硬件配置示意图如图2-1所示。
它由三个主要单元组成:
旋转装置、输送装置和控制装置。
2.1.1旋转装置
旋转总成由两个柱块组成,柱块固定在水平机架上,电机带有齿轮箱。
其中一块是固定的,可以作为参考,另一块是可移动的,可以根据芯轴长度的变化进行线性调整。
一旦心轴被正确地安装到两个自由旋转的杯座中,可移动的柱块就被锁定。
在固定柱端,支架通过滑轮和皮带系统与电机变速箱耦合。
2.1.2输送装置
输送装置由纤维支架、小车和丝杠组成。
丝杠由可逆变速电机驱动。
纤维支架是一个带有两根轴的平面,一根轴用于承载多根纤维,另一根轴用于对纤维进行导向。
小车由一个浸胶槽和一个抛光的导向销系统组成。
浸胶槽用于携带树脂混合物,而销钉则用于引导纤维进入树脂浴,并在树脂浴后从浸湿的纤维上抹去多余的树脂。
此外,销也用来在湿纤维达到心轴之前产生张力。
采用一种简单的机械装置将沾湿后的树脂从湿纤维中回收到容器中,再利用,以减少制备产品所用的树脂量。
通过这项工作,采用了10N的最佳张力。
这使得纤维的体积分数相当一致。
研究发现,在树脂路径的后期,当纤维浸润良好时,产生张力是避免纤维损伤的重要措施。
湿纤维张力越大,纤维损伤越严重;张力越低,纤维组分越小,纤维损伤越低。
2.1.3控制装置
控制装置由继电器、限位开关、定时器和计数器组成,如图6所示。
控制单元的作用是控制电机的绕线过程,以获得正确的绕线顺序,这是手动难以达到的,并在运行过程中保护电机。
控制单元还控制端部过风量,这是防止粗纱在横越时打滑所必需的,并控制芯轴分度,以确保每个粗纱与前一个粗纱有轻微重叠,从而产生均匀的纤维层。
移动小车
导向套筒
纤维牵引
纤维材料
浸胶槽
旋转芯模
图2-1纤维缠绕机结构示意图
2.2经济性分析
2.2.1纤维缠绕制品的制造成本及应用前景
纤维缠绕制品的制造成本主要分为五类,包括纤维材料成本费用、芯模模具的制造开发费用、人共加工费用以及加工过程所用的电力费用和设备保养费用等。
在纤维材料领域,无疑是纤维增强材料的应用最为广泛,使用数量最大。
同体积,同压强的纤维缠绕制品的强度和质量等明显优于铝合金制品,另外,其化学性能稳定,具有自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。
纤维增强材料还有着各异性这一特点。
由碳纤维与钛合金生产的复合材料,不仅耐热性得到提升,磨损性亦非常强,可将其作为制备发动机风扇片的原材料。
碳纤维和陶瓷相结合而制成的产品适用于较高的作业温度(可达1500℃)环境。
由此可见我们可以按制件不同的强度及其他物理性能的要求进行纤维缠绕制品的纤维排列。
纤维缠绕制品的市场已经越来越宽阔。
可再生清洁能源这一新型的发展方向离不开复合材料制品的支持,包括风力发电机的叶片,烟气的脱硫装置,输变电设备的应用,天然气运输使用的压力制品等等。
在我们日常生活中,随处都可以见到纤维缠绕制品的身影,无论是汽车车身、构架等,还是轨道交通车的车身、座椅等,均能够看到复合材料的踪影。
中国在未来的二十年内将要增加民用客机661架,机翼部件,垂直尾翼,机头罩等等全都是纤维缠绕工艺制造的复合材料制品。
由此可见,复合材料的重要性越来越强,而生产复合材料的方式就越来越值得大家关注,生产方式越优良,生产工艺越精细,制造的复合材料制品质量就越好。
生产新型纤维缠绕装置,是发展复合材料工业,提升国家经济水平的重中之重,是我们势在必行的研究方向。
一个产品能否为企业带来利润,取决于它的受众面以及使用者。
毫无疑问,纤维缠绕制品的发展决定了复合材料制造行业必然有着巨大的利润,一个企业能够得到更好的更精密的生产线生产设备,无疑就能够快速占领市场,甚至于形成行业垄断的趋势。
2.2.2降低成本的措施
降低成本的措施主要从两方面出发,提升产量销量,降低成本。
提升产量方面,有更加优秀的生产流水线,有更加高超的生产设备,就能够增加企业复合材料制品的产量。
在降低成本方面,我们可以采用替代的方式,也就是说,在纤维材料中加入添加剂,性能基本相同但价格大幅度下降的材料是我们必须要考虑的对象。
同时,由于纤维缠绕制成的复合材料的生产特点,可以对树脂的回收再利用进行改良,从而达到降低成本的目的
2.3工艺性分析
2.3.1复合材料的特点
复合材料的性能受到多重因素的影响,比如纤维自身特性、加工工艺等。
复合材料零件/结构的加工方法有很多种;树脂转移成型、高压釜成型、拉挤成型、长丝缠绕成型。
在这些工艺中,纤维缠绕成本低,是制造高压管道、储罐等纤维增强筒形件的最快工艺。
2.3.2确定纤维缠绕工艺方案
在长丝缠绕过程中,缠绕张力易于控制。
缠绕张力、缠绕角和/或每层钢筋中的树脂含量可以改变,直到达到复合材料的理想厚度和强度。
复合材料的性能可以根据所选择的缠绕方式的类型而变化。
一般来说,有三种基本的长丝缠绕方式如下。
1环向缠绕
它被称为环形绕组。
在环形绕组中,高角度螺旋绕组的角度接近90。
芯棒的每一次完全旋转都将带通传输提高一个全带宽,如图2-2所示。
2螺旋缠绕
在螺旋缠绕中,芯轴以恒定的速度旋转,而纤维进给架则以可调节的速度前后交叉,以产生所需的螺旋角,如图2-3所示。
3两极缠绕
在两极缠绕中,纤维在腔室的一端切向极孔,反转方向,并在另一端切向极孔的另一端。
换句话说,当芯轴臂绕纵轴旋转时,纤维从一极缠绕到另一极,如图2-4所示。
它是用来缠绕几乎轴向纤维的圆顶端型压力容器。
在具有平行边的容器上,将进行后续的绕制。
绕组截距
带宽
纤维材料
绕阻节距
带宽
图2-2环向缠绕示意图图2-3螺旋缠绕示意图
芯轴
带宽
纤维材料
回转壁
旋转主轴
图2-4两极缠绕示意图
-33-
第3章 三轴纤维缠绕机详细结构设计及计算
第3章 三轴纤维缠绕机详细结构设计及计算
3.1纤维缠绕机零件结构设计
3.1.1行走小车的设计
行走小车是一个导纱机构,它放置在小车支架上,在导轨中间,下端与丝杆啮合进行传动,小车的前端放置了浸胶槽,纤维材料在这里浸入胶液内,通过几根导纱棒完成展开操作,最终缠绕到芯模上。
通过小
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