国内外复合材料工艺设备发展述评之二——纤维缠绕成型(第2部分)陈博
中国硅酸盐学会玻璃钢分会
摘要：本文分析了纤维缠绕成型工艺所用设备的发展历程，指出其优缺点，并对今后发展提出建议。关键词：复合材料； 纤维缠绕成型； 布局； 控制； 定长； 连续； 发展来源：[1]陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之二——纤维缠绕成型[J/OL].复合材料科学与工程:1-38[2021-08-05].https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20210731.032.
第1部分链接：国内外复合材料工艺设备发展述评之二 ——纤维缠绕成型(第1部分)
（接第1部分）
成都曾考虑引进美国林肯(Lincoln)公司缠绕机生产气瓶，时该司技术为国际最高水平，设备自动化水平高，然对我国出口受限制，后购德BSD缠绕机。北京曾引进法国普拉斯特瑞克斯(Plastrecs)公司缠绕机生产气瓶。欧洲的精密缠绕软件较贵。我国有关单位引进德国缠绕机后加以完善，功能大为提升。20世纪90年代起，囯内一些大学和企业纷纷开展了MCFW和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学（见图33）、哈尔滨工业大学、中船625所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学（见图34）、南京航空航天大学及其合作之上海万格公司、苏州中科时代电子技术公司、衡水华成公司、连云港中通公司、连云港唯德公司、石家庄莱德公司、湖南江南四棱数控机械有限公司、台湾省工业研究院、台湾省金财兴公司等。2000年，笔者曾访问位于新竹的工业研究院，得知其已成功研发了7轴缠绕机。几年前我国海关已明令，我国四轴以上缠绕机限制出口，抚今追昔，笔者深为我国进步而自豪！
为改善缠绕层与塑料内衬的界面，有必要对内衬表面进行等离子处理。塑料内衬等离子处理机如图35所示。
微机控制纤维缠绕张力的纱架已在国内外推广，21世纪初苏州中科时代开发成功（见图36），北京251厂实用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱数控等单位现也已投入使用。
热塑性复合材料缠绕的关键是加热方式。在多种加热方式中，红外线、激光、火焰三种方式为工业界所接受，其中以激光加热速度最快。激光加热缠绕原理见图37。
1917年，爱因斯坦提出受激辐射的概念。1960年，第一台激光器诞生。激光器何时用于复合材料已不可考。1998年，笔者考察德囯凯萨斯劳顿大学研究所时，即见到用激光加热进行尼龙基体复材气瓶的缠绕。见图38、图39。
3 连续管道纤维缠绕3. 1 热固性复合材料连续管道纤维缠绕20世纪50年代美国、法、英、瑞典、苏联等囯即已开发多种类型的定长管和连续管纤维缠绕机。前苏联哈尔科夫矿业学院研制了步进式8瓣滑动模连续缠管机[7]（见图40、图41），美国曾开发立式移动芯轴式连续缠管机[7]（见图42）。
20世纪60年代，丹麦德罗索斯(Drostholm)公司开发了世界首条凸轮钢带式连续缠管机。美国OC公司和日本积水等公司在20世纪70年代先后从丹麦引进连续缠绕技术，挪威VEROC与阿拉伯联合酋长国合股在迪拜建立了三条连续管生产线。世界上Amiantit、Future、Flowtite等大型玻璃钢管道公司均采用钢带式连续缠绕机制造玻璃钢夹砂管。见图43至图46。
我国在1975年至1978年曾研究连续缠绕设备。哈尔滨建工学院学生在北京251厂实习期间，参考苏联《玻璃钢管的制造》一书，开发了“步进式” 连续缠管机。北京251厂与武汉理工大学合作开发了“钢带1式” 连续缠绕机。由于尚欠完善且市场尚未认识，工作未能继续下去。当时钢带式连续缠绕机设计直径为100 mm。直径小，曲率大，钢带弯曲受力大，非但寿命短，设计处理亦是问题。国际上最小直径为300 mm。而实际上小直径不一定要使用这种机器。1976年，我国台湾省美明公司引进了VEROC工艺的丹麦设备。1995年后，河南安阳引进了意大利Sarplast公司相同原理的生产线。不久广东省湛江市下的吴川市引进了以色列的生产线。1997年，美国OC公司在长春设厂，以连续法生产玻璃钢管，1999年迁土耳其。2010年，上海引进意大利VEM公司连续管生产线投产。近年连云港、重庆推出了相同原理的生产线。青岛曾开发无凸轮的钢带式连续管机。国内设备开发中的经验教训是，要重视工艺及其软件，设备运行要稳定，忌钢带打滑与重叠。泉州福建路通管业科技股份有限公司引进欧洲技术制造了凸轮钢带式连续管生产线,生产直径最大达4 m。2008年，重庆庆阳公司成功研发全自动连续复合管道生产线。该线无笨重的供给平台，整体重量减少；干法供料系统改为浸润供料系统；高温替代常温固化，强度提升10%以上；树脂可循环使用，内外密闭加温，节约能源。见图47至图49。哈尔滨理工大学研发弯头自动缠绕机与三通缠绕机，见图50、图51。
杭州和博管道研究所历时四年、斥资4000万元，自主研发成功的非钢带矢量式连续管缠绕机（见图52），完全改变了国内外现有源于丹麦的钢带连续管生产的模式，上了一个全新的台阶。它可适应多种横截面管道的生产，除常用的圆形截面外，还可连续缠绕任意外凸形截面，如类矩形、梯形及其他多边形、梨形等；可用连续纱束零角度纵向增强；用中空截面增加刚度，使用目前原型机可生产直径为3000 mm、环刚度为40000 N/㎡的玻璃钢管，堪称业内独步。设备有常用口径ϕ300 mm ~ 3000 mm，也可定制超大口径至ϕ12000 mm，连续长度任意，设备可卧式缠绕，也可以立式缠绕。此机综合了热固、热塑、缠绕、挤出、拉挤等多方面的优势，全机机械传动构思巧妙，令人折服。采用微波加热，于连续缠绕工艺尚系初见。2018年，经查新和业内专家评议，居国际领先。钢带式连续管生产线和矢量式连续管缠绕机用于生产直径较大管道，直径300 mm以下的管道另有多种工艺装备。2009 年，中国复材展JEC-创新产品中，石家庄华强福瑞普国际贸易有限公司开发的步进式FRP-LX300 型玻璃钢管道连续生产线产品直径即为300 mm以下(含)。见图53、图54。
美国Fiberspar公司于1999年开始商业化生产连续缠绕柔性管，据称是当今全球业界的领导者。其生产工艺是：挤出高密度聚乙烯或交联聚乙烯热塑性塑料内衬层（压力防渗漏层）-多次环向缠绕玻纤环氧层(结构层)-外包覆热塑性塑料层（耐磨层）。整个生产线全部自动控制（见图55），由14台缠绕机、牵引机、固化炉、收卷装置以及两台挤出机等组成。在塑料管上纤维缠绕玻璃钢后在线挤出外塑料保护层，制成管线。生产速度取决于管径，一般为2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管线连续生产长度可达10800 m，理论上可以达到无限长度。
河北省景县恒安泰公司即采用此类生产工艺，其承担的国家十二五863科技项目——柔性海底管道关键技术研究，于2016年通过国家科技部组织的专家验收。其连续管道生产线见图56。
2012年,澳大利亚长输管道公司(long pipes)推出了被称为”流体高速公路”技术的现场生产的连续管道生产线（见图57）。产品直径为300 mm ~ 1000 mm。其生产流程是：将450 m 的管道预制布折放在架子上，与树脂等存放在集装箱内-野外生产时预制布和树脂等材料从集装箱供料给制管机-空气支撑并树脂浸润，包裹上外壳使最终管道成型。“流体高速公路”预制布共三层：①内衬层：设计为适应流体的传输；②支撑层：玻璃纤维、芳族纤维、玄武岩纤维或者碳纤维和树脂；③外壳层：直到野外施工时才安装。
2020年，重庆庆阳控股（集团）有限公司/河南省沁阳市复合材料研究院与濮阳县福瑞普建材公司分别成功研制直径为10 mm~250 mm高效连续缠绕玻璃钢管生产线。此线无钢带建模，在简捷的设备上，低成本高效率完成玻璃钢管道的连续成型，其生产速度可以达到2 m/min。其诀窍系牵引履带机公转自转同步进行。韩国亦有此类似设备。小直径非钢带连续缠绕玻璃钢管生产线及其牵引部件见图58、图59。
下接第3部分
参考文献
[1] 韩振宇, 王志斌, 路华, et al. 一种新型自动铺丝张力控制系统的研制[J]. 玻璃钢/复合材料, 2014(05):4-8.
[2] 张志坚,宋长久,章建忠, et al. 纤维缠绕张力对玻璃钢制品质量的影响及控制措施[J].玻璃钢/复合材料, 2019(11):111-114.
[3] MERTINY P, ELLYIN F. Influence of the filament winding tension on physical and mechanical properties of reinforced composites[J]. Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 2002, 33(12):1615-1622.
[4] 李明华, 文立伟. 纤维缠绕张力控制系统新技术研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2008(3): 46-48.
[5] 贾明龙. 数控缠绕机张力装置通用控制器的研究[D].哈尔滨工业大学,2008.
[6] 王志辉,祝磊.一种新型大张力纤维缠绕控制系统的研制[J].机床与液压,2017,45(17):132-135.] [高殿斌,蒋秀明,杨公源. 预浸料制备中的张力控制系统[J].航空材料学报,2000(02):49-54.
[7] 葛邦. 多丝束碳纤维预浸辅放系统控制策略研究[D].天津工业大学, 2010.
[8] 王春香, 付云忠, 杨汝清, et al. 纤维缠绕过程中的张力分析[J]. 复合材料学报, 2002, 19(3):120-123.
[9] 徐小进,范杰,周昊.基于Matlab的缠绕机张紧系统控制分析[J].船舶工程,2017,39(S1):174-176+244.
[10] 路华, 任胜乐, 王永章. 一种新型的张力控制系统的研究[J]. 宇航材料工艺, 2004, 34(4):55-58.
[11] 孙建起. 纤维铺放机送丝系统开发[D]. 河北科技大学, 2014.
[12] 曹荣. 切断机丝束张力控制[J]. 工业控制计算机, 2004, 17(4):61-62.
[13] 姚华青. 用变频器实现对短纤切断张力的闭环控制[J]. 电气自动化, 2001(02):64-65.
[14] 陈兴建. 数控纤维缠绕张力的模糊PID控制系统研究[D].南京航空航天大学,2007.
[15] 杜巍,肖军,文立伟, et al. 新型纤维缠绕张力控制系统研究[J].玻璃钢/复合材料,2006(04):35-37+6.
[16] 孙建起. 纤维铺放机送丝系统开发[D]. 河北科技大学, 2014.
[17] 赵金才, 王中, 高卓, et al. 光纤绕制系统稳定张力控制策略研究[J]. 舰船电子工程, 2013(06):172-175.
[18] 刘林阴, 邵峰, 杨猛. 基于多丝束预浸铺放机构的恒张力控制技术研究[J]. 机电工程, 2014,31(04):477-481+531.
[19] 杨海涛, 尉世厚, 徐小明. 国产高模量碳纤维缠绕成形参数控制方法[J]. 安徽工业大学学报(自然科学版), 2014(01):67-71+110.
[20] 贾晓宁,刘士华.CCFW的一种新型张力控制方法研究[J].纤维复合材料,2002(02):27-28.
[21] 孙伟东,戴惠良. 铺丝机恒张力送丝控制系统的研究与设计[J].机械设计与制造, 2019(01):150-152+157.
[22] 周春雷. 柔性膜非连续放卷系统张力控制建模、仿真及实验[D].华中科技大学, 2013.
本文来源：复材传媒
艾邦氢能产业链通讯录，目前有2200人加入，如亿华通、清极能源、氢蓝时代、雄韬、氢牛、氢璞、爱德曼、氢晨、喜马拉雅、明天氢能、康明斯、新源动力、巴拉德、现代汽车、神力科技、中船712等等，可以按照标签筛选，请点击下方关键词试试
资料下载：