無芯模製複合材料杆塔及其製備方法
2023-06-04 17:06:31 1
專利名稱：無芯模製複合材料杆塔及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種輸電線路用空心塔杆，尤其是一種利用複合材料製備的風力發電機組塔筒和高壓電輸電塔杆，具體地說是一種無芯模製複合材料杆塔的製備方法。
背景技術：
目前，國內外輸電線路中使用較為廣泛的杆塔主要有木質杆塔、混凝土或預應力混凝土杆塔、鋼管混凝土杆塔、鋼管杆和鐵塔等幾類。因此，傳統的輸電桿塔普遍存在質量大、易腐爛、鏽蝕或開裂等缺陷，耐久性差，使用壽命較短並且施工運輸和運行維護困難，容易出現各種安全隱患。木材杆會遭到腐蝕，鋼材會生鏽，因此需要定期的檢查及維修。防鏽複合劑的使用也對環境產生有害的作用。即使環境問題能解決，鋼材比較重也不易於操作。 混凝土杆比鋼材更重。但其運輸及操作混凝土杆塔的費用更大。複合絕緣杆塔已被推薦作為木桿、鋼材和/或混凝土杆的優異替換物，因為聚氨酯複合絕緣杆塔具有強度高、質量輕、耐腐蝕以及耐疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好等特點，非常適於製造輸電桿塔。風力發電機塔杆是一種柔性結構，工作環境惡劣，長期承受風載荷和重力和塔筒自重等負載作用，合理設計塔杆強度剛度，特別是選材，關係到發電機組的正常運行。風力發電組塔杆是一種薄壁圓筒結構，機組運行時，塔筒在外載荷的作用下發生變形和位移。其中作用在塔頂的軸向壓力和旋轉力矩對塔筒的穩定性分析影響最大。當外載荷達到一定的值時，彎矩的增大會導致塔筒某一截面超出其屈服極限，局部失穩，使得塔筒發生破壞。目前的複合材料大型圓柱或圓錐形纖維鋪放只有橫向，沒有軸向鋪放，未能夠運用到此領域。 其原因是裝備難以實現，隨著現代的設計、製造、材料等諸多技術的發展，在裝備上已解決軸向鋪放製造及根據輸電線路杆塔和風力發電機塔筒強度要求發明出帶有軸向鋪放的纖維結構，從而解決了大型管材的強度問題。輸電線路複合絕緣杆塔的應用現狀
傳統的輸電桿塔普遍存在質量大、易腐爛、鏽蝕或開裂等缺陷，耐久性差，使用壽命較短並且施工運輸和運行維護困難，容易出現各種安全隱患。歸納起來如下鋼材會生鏽，因此需要定期的檢查及維修。防鏽複合劑的使用也對環境產生有害的作用。即使環境問題能解決，但剛才比較重也不易於操作。此外，鋼材是導電的，即使及其小心地使電裝置與杆相絕緣，但日常的風暴破壞會使杆帶電。還有，鋼材是一種昂貴的材料。但據申請人所知目前國內現有的生產FRP複合材料圓柱形管的纏繞機均為臥式纏繞機，纖維方向只有一種形式，即交叉環向纏繞，均無軸向纖維鋪放，不能滿足結構件力學性能剛度要求，只有增加製品厚度來提高剛度，這樣就造成材料成本大、原材料浪費、產品重量偏重，給運輸、安裝、施工都有不便，另外，也浪費了大量不可再生資源。此外，目前也有部分帶有縱向纖維的複合材料塔杆，但這種塔杆在製備時均需要使用模具，由於熱固溶膠的影響，這種管件製備過程中的脫模難度相當大，使得製造成本很高，從而制約了此類杆塔的實際應用。
發明內容
本發明的目的是針對現有的發電、輸電桿塔製備過程中要麼不具備縱向纖維造成抗拉強度不高，要麼存在製備過程複雜，需要尺寸相配的模具，造成模具成本高、脫模困難等一系列問題，發明一種無需模具即可製備出帶有軸向纖維的複合材料杆塔的方法。本發明的技術方案之一是
一種無芯模製複合材料杆塔，其特徵是它由至少一層沿軸線方向的縱向纖維層9及纏繞在所述的每層縱向纖維層9上的至少一層斜向纖維纏繞層10組成，所述的縱向纖維層9 和斜向纖維纏繞層10通過熱固化膠粘結相連。所述的無芯模製複合材料杆塔的截面形狀為圓管形、方管形或六邊形，所述的截面面積為一頭大，一頭小且平滑過渡。本發明的技術方案之二是
一種無芯模製複合材料杆塔的製備方法，其特徵是它包括以下步驟 第一步，將複合材料纖維從張力紗架ι中引出，經過安裝在紗架1上的恆溫料槽3充分浸漬後送入同樣安裝在紗架1上的鋪放機頭4中引出；
第二步，將鋪放機頭4引出的經過浸漬的複合材料纖維的一端固定在第一伺服旋轉機頭5上的固定扣上；
第三步，驅動張力紗架1沿導軌2移動到第二伺服旋轉機頭6處並將從第一伺服旋轉機頭5引過來的複合材料纖維固定在第二伺服旋轉機頭6上的固定扣上，第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6之間的距離與最終成形的杆塔的長度相配；
第四步，使第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步旋轉相同的角度，再驅動張力紗架1沿導軌2返回到第一伺服旋轉機頭5處並將複合材料纖維固定在第一伺服旋轉機頭5上對應的固定扣上，再使使第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步轉過相同的角度，然後再驅動張力紗架2沿導軌2運動到第二伺服旋轉機頭處6，如此重複，直接完成軸各纖維的鋪放，得到軸向纖維筒；
第五步，將與最終成形杆塔截面形狀相配的若干支撐環7放入已鋪好的軸向纖維筒
中；
第六步，驅動第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步旋轉的同時驅動紗架1 沿導軌2往復運動，控制旋轉和往復運動速度使最終形成的纏繞纖維層的夾角滿足設計要求；重複第二、三、四、六步或單獨重複第六步，或者重複第六步幾次後再重複第二、三、四步再重複第六步，直至鋪放層的厚度達到設計值的要求，即完成纖維層的鋪放，得到帶有至少一層軸向鋪放層和至少一層斜向纏繞層的纖維筒；
第七步，將完成鋪放的纖維筒推入烘箱或直接將烘箱罩裝在纖維筒上進行熱固定型，熱固定型結束後將所得的複合材料杆塔從烘箱中移出或直接將烘箱從複合材料杆塔上移走即可。所述的恆溫料槽3的出口端安裝有纖維擴展及膠量控制板。所述的複合材料纖維為碳纖維或玻璃纖維，所述的浸漬用膠為熱固溶性膠(環氧樹脂)。所述的複合材料杆塔的截面形狀為圓形或多邊形，且一端截面的面積大於另一端的截面的面積，大端面積與小端面積之間平滑過渡；所述的第一伺服旋轉機頭5的直徑大於第二伺服旋轉機頭6的直徑。本發明的有益效果
本發明在製備過程中不僅無需模具，而且帶有軸向纖維層，因而具有製品強度高，製造成本低的突出優點。本發明既有軸向纖維鋪放，又有橫向纏繞纖維，既抗扭曲，又抗彎曲，尤其適用於替代現有的輸電線路杆塔和風力發電塔杆。本發明的複合材料杆塔具有
1、安裝、維護成本低；複合絕緣杆塔的重量輕特點使其可用直升機運載，重量輕還意味著安裝速度加快和節省人力。複合絕緣杆塔是一種免維護或低維護結構，這對保障線路安全和降低輸電線路的維護成本很有意義。2、耐腐蝕複合絕緣杆塔對酸、鹼、鹽和有機溶劑等腐蝕介質的耐腐蝕性能和耐候性能優良，因此特別適合沿海地區、內陸鹽漬土地區及工業區和酸雨多發地區等對混凝土和鋼質杆塔有特殊防腐要求的環境。3、溫度適應性強複合絕緣杆塔幾乎適用於各種氣象條件而不改變性能，特別適用於高寒地區使用。高寒地圖混凝土杆塔常發生凍融循環破壞，而鐵塔常發生低溫冷脆破壞。4、可設計性好複合絕緣杆塔有別於其他杆塔的重要特點是材料可設計性，可以根據特殊的結構性能要求選擇基體和纖維材料及其相對含量和鋪層方向等進行合理的設計，以滿足對杆塔強度、剛度、疲勞特性和產品色彩等多方面的要求，以充分發揮複合材料強度高的優點，經濟地使用材料。5、維護性好複合絕緣杆塔由於耐久性好，基本上是一種免維護的結構，這對保障線路安全、降低輸電線路的維護成本很有意義。大型的風力塔筒可以現場製造，從而減少大直徑長途運輸問題，並降低運輸成本。
圖1是本發明的複合材料杆塔的結構示意圖。圖2是本發明的複合材料杆塔生產設備示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1、2所示。一種無芯模製複合材料杆塔，其截面形狀為圓管形或多邊形(如方管形、菱形或六邊形)，所述的截面面積為一頭大，一頭小且平滑過渡，它由至少一層沿軸線方向的縱向複合材料(如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，下同)纖維層9及纏繞在所述的每層縱向複合材料纖維層9上的至少一層斜向複合材料纖維纏繞層10組成，所述的縱向纖維層9和斜向纖維纏繞層10通過熱固化膠粘結相連，如圖1所示。圖1所示的無芯模製複合材料杆塔的製備方法如下所述，製備所必不可少的設備如圖2所示，製造方法為第一步，將複合材料纖維從張力紗架1中引出，經過安裝在紗架1上的恆溫料槽3充分浸漬後送入同樣安裝在紗架1上的鋪放機頭4中引出；必要時還應控制鋪放機頭引出的複合材料纖維的含水率(可參見相關設計手冊或在先申請專利的描述)，必要進還應使恆溫料槽3具有攤放及濾膠功能，將原來成束的纖維分攤成平行的束狀並擠去多餘的膠量(如環氧樹脂)；
第二步，將鋪放機頭4引出的經過浸漬的複合材料纖維的一端固定(可採用繞結的方法進行)在第一伺服旋轉機頭5上的固定扣上；
第三步，驅動張力紗架1沿導軌2移動到第二伺服旋轉機頭6處並將從第一伺服旋轉機頭5引過來的複合材料纖維固定在第二伺服旋轉機頭6上的固定扣上，第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6之間的距離與最終成形的杆塔的長度相配；從圖2中可看出，恆溫料槽3和鋪放機頭4同時安裝在紗架1上或與紗架1一起同時安裝在一個行走小車上；
第四步，使第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步旋轉相同的角度，再驅動張力紗架1沿導軌2返回到第一伺服旋轉機頭5處並將複合材料纖維固定在第一伺服旋轉機頭5上對應的固定扣上，再使使第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步轉過相同的角度，然後再驅動張力紗架2沿導軌2運動到第二伺服旋轉機頭處6，如此重複，直接完成軸各纖維的鋪放，得到軸向纖維筒(圖1中附圖標記9所示)；
第五步，將與最終成形杆塔截面形狀相配的若干支撐環7放入已鋪好的軸向纖維筒中；支撐環的數量可根據最終成形產品的長度確定，一般來說可控制在3-5米放置一個支撐環，支撐環7的形狀應與最終成形的杆塔的內孔相一致或匹配；
第六步，驅動第一伺服旋轉機頭5和第二伺服旋轉機頭6同步旋轉的同時驅動紗架1 沿導軌2往復運動，控制旋轉和往復運動速度使最終形成的纏繞纖維層的夾角滿足設計要求；重複第二、三、四、六步或單獨重複第六步，或者重複第六步幾次後再重複第二、三、四步再重複第六步，直至鋪放層的厚度達到設計值的要求，即完成纖維層的鋪放，得到帶有至少一層軸向鋪放層和至少一層斜向纏繞層的纖維筒；
第七步，將完成鋪放的纖維筒推入烘箱或直接將烘箱罩裝在纖維筒上進行熱固定型，熱固定型結束後將所得的複合材料杆塔從烘箱中移出或直接將烘箱從複合材料杆塔上移走即可得到如圖1所示的錐臺形(圓錐臺或稜錐臺)杆或塔。這種杆或塔由於既有軸各纖維，又有纏繞纖維，因此其抗壓和抗彎強度均很好， 利用支撐環來代替現有的模具是本發明的關鍵，其餘的參數如熱固溶溫度、時間、伺服旋轉機頭的同步旋轉、行走小車的控制等問題均可採用現有技術加以實現或採用常規的電控裝置即可實現，此外，具體實施時還可參照申請人在先申請的已經公開的有關複合材料成型所需的參數加以實現。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種無芯模製複合材料杆塔，其特徵是它由至少一層沿軸線方向的縱向纖維層(9) 及纏繞在所述的每層縱向纖維層(9)上的至少一層斜向纖維纏繞層(10)組成，所述的縱向纖維層(9)和斜向纖維纏繞層(10)通過熱固化膠粘結相連。
2.根據權利要求1所述的無芯模製複合材料杆塔，其特徵是其截面形狀為圓管形、方管形或六邊形，所述的截面面積為一頭大，一頭小且平滑過渡。
3.—種無芯模製複合材料杆塔的製備方法，其特徵是它包括以下步驟第一步，將複合材料纖維從張力紗架(1)中引出，經過安裝在紗架(1)上的恆溫料槽 (3 )充分浸漬後送入同樣安裝在紗架(1)上的鋪放機頭(4 )中引出；第二步，將鋪放機頭(4)引出的經過浸漬的複合材料纖維的一端固定在第一伺服旋轉機頭(5)上的固定扣上；第三步，驅動張力紗架(1)沿導軌(2)移動到第二伺服旋轉機頭(6)處並將從第一伺服旋轉機頭(5)引過來的複合材料纖維固定在第二伺服旋轉機頭(6)上的固定扣上，第一伺服旋轉機頭(5)和第二伺服旋轉機頭(6)之間的距離與最終成形的杆塔的長度相配；第四步，使第一伺服旋轉機頭(5)和第二伺服旋轉機頭(6)同步旋轉相同的角度，再驅動張力紗架(1)沿導軌(2)返回到第一伺服旋轉機頭(5)處並將複合材料纖維固定在第一伺服旋轉機頭(5)上對應的固定扣上，再使使第一伺服旋轉機頭(5)和第二伺服旋轉機頭 (6)同步轉過相同的角度，然後再驅動張力紗架(2)沿導軌(2)運動到第二伺服旋轉機頭處 (6)，如此重複，直接完成軸各纖維的鋪放，得到軸向纖維筒；第五步，將與最終成形杆塔截面形狀相配的若干支撐環(7)放入已鋪好的軸向纖維筒中；第六步，驅動第一伺服旋轉機頭(5)和第二伺服旋轉機頭(6)同步旋轉的同時驅動紗架(1)沿導軌(2)往復運動，控制旋轉和往復運動速度使最終形成的纏繞纖維層的夾角滿足設計要求；重複第二、三、四、六步或單獨重複第六步，或者重複第六步幾次後再重複第二、三、四步再重複第六步，直至鋪放層的厚度達到設計值的要求，即完成纖維層的鋪放，得到帶有至少一層軸向鋪放層和至少一層斜向纏繞層的纖維筒；第七步，將完成鋪放的纖維筒推入烘箱或直接將烘箱罩裝在纖維筒上進行熱固定型，熱固定型結束後將所得的複合材料杆塔從烘箱中移出或直接將烘箱從複合材料杆塔上移走即可。
4.根據權利要求3所述的無芯模製複合材料杆塔的製備方法，其特徵是所述的恆溫料槽(3)的出口端安裝有纖維擴展及膠量控制板。
5.根據權利要求3所述的無芯模製複合材料杆塔的製備方法，其特徵是所述的複合材料纖維為碳纖維或玻璃纖維，所述的浸漬用膠為熱固溶性膠。
6.根據權利要求3所述的無芯模製複合材料杆塔的製備方法，其特徵是所述的複合材料杆塔的截面形狀為圓形或多邊形，且一端截面的面積大於另一端的截面的面積，大端面積與小端面積之間平滑過渡；所述的第一伺服旋轉機頭(5)的直徑大於第二伺服旋轉機頭 (6)的直徑。
全文摘要
一種無芯模製複合材料杆塔及其製備方法，其特徵是它由至少一層沿軸線方向的縱向纖維層(9)及纏繞在所述的每層縱向纖維層(9)上的至少一層斜向纖維纏繞層(10)組成，所述的縱向纖維層(9)和斜向纖維纏繞層(10)通過熱固化膠粘結相連。製造的關鍵是在軸向纖維鋪放完成後在中間旋轉支撐環來用於斜向纏繞時的支撐代替現有的模具。本發明具有製造方便，成本低，製品強度高，重量輕，性價比高。
文檔編號E04H12/02GK102191873SQ20111011358
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者程正琿, 程逸建 申請人:南京諾爾泰複合材料設備製造有限公司