國(guó)內(nèi)曾考慮引進(jìn)美國(guó)林肯(Lincoln)公司纏繞機(jī)生產(chǎn)氣瓶,時(shí)該司技術(shù)為國(guó)際水平,設(shè)備自動(dòng)化水平高,然對(duì)我國(guó)出口受限制,后購德BSD纏繞機(jī)。北京曾引進(jìn)法國(guó)普拉斯特瑞克斯(Plastrecs)公司纏繞機(jī)生產(chǎn)氣瓶。歐洲的精密纏繞軟件較貴。我國(guó)有關(guān)單位引進(jìn)德國(guó)纏繞機(jī)后加以完善,功能大為提升。
20世紀(jì)90年代起,囯內(nèi)一些大學(xué)和企業(yè)紛紛開展了MCFW和機(jī)器人纏繞機(jī)研發(fā),如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學(xué)(見圖33)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中船625所、武漢九迪復(fù)合材料公司、哈爾濱理工大學(xué)(見圖34)、南京航空航天大學(xué)及其合作之連云港唯德公司、上海萬格公司、蘇州中科時(shí)代電子技術(shù)公司、衡水華成公司、石家莊萊德公司、湖南江南四棱數(shù)控機(jī)械有限公司、臺(tái)灣省工業(yè)研究院、臺(tái)灣省金財(cái)興公司等。2000年,筆者曾訪問位于新竹的工業(yè)研究院,得知其已成功研發(fā)了7軸纏繞機(jī)。
幾年前我國(guó)海關(guān)已明令,我國(guó)四軸以上纏繞機(jī)限制出口,撫今追昔,筆者深為我國(guó)進(jìn)步而自豪!
為改善纏繞層與塑料內(nèi)襯的界面,有必要對(duì)內(nèi)襯表面進(jìn)行等離子處理。塑料內(nèi)襯等離子處理機(jī)如圖35所示。
微機(jī)控制纖維纏繞張力的紗架已在國(guó)內(nèi)外推廣,21世紀(jì)初蘇州中科時(shí)代開發(fā)成功(見圖36),北京251廠實(shí)用早(2004)。武工大、哈工大、江南四棱數(shù)控等單位現(xiàn)也已投入使用。
熱塑性復(fù)合材料纏繞的關(guān)鍵是加熱方式。在多種加熱方式中,紅外線、激光、火焰三種方式為工業(yè)界所接受,其中以激光加熱速度快。激光加熱纏繞原理見圖37。
1917年,愛因斯坦提出受激輻射的概念。1960年,臺(tái)激光器誕生。激光器何時(shí)用于復(fù)合材料已不可考。1998年,筆者考察德囯凱薩斯勞頓大學(xué)研究所時(shí),即見到用激光加熱進(jìn)行尼龍基體復(fù)材氣瓶的纏繞。見圖38、圖39。
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3 連續(xù)管道纖維纏繞
3. 1 熱固性復(fù)合材料連續(xù)管道纖維纏繞
20世紀(jì)50年代美國(guó)、法、英、瑞典、蘇聯(lián)等囯即已開發(fā)多種類型的定長(zhǎng)管和連續(xù)管纖維纏繞機(jī)。前蘇聯(lián)哈爾科夫礦業(yè)學(xué)院研制了步進(jìn)式8瓣滑動(dòng)模連續(xù)纏管機(jī)(見圖40、圖41),美國(guó)曾開發(fā)立式移動(dòng)芯軸式連續(xù)纏管機(jī)(見圖42)。
20世紀(jì)60年代,丹麥德羅索斯(Drostholm)公司開發(fā)了世界首條凸輪鋼帶式連續(xù)纏管機(jī)。美國(guó)OC公司和日本積水等公司在20世紀(jì)70年代先后從丹麥引進(jìn)連續(xù)纏繞技術(shù),挪威VEROC與阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)合股在迪拜建立了三條連續(xù)管生產(chǎn)線。世界上Amiantit、Future、Flowtite等大型玻璃鋼管道公司均采用鋼帶式連續(xù)纏繞機(jī)制造玻璃鋼夾砂管。見圖43至圖46。
我國(guó)在1975年至1978年曾研究連續(xù)纏繞設(shè)備。哈爾濱建工學(xué)院學(xué)生在北京251廠實(shí)習(xí)期間,參考蘇聯(lián)《玻璃鋼管的制造》一書,開發(fā)了“步進(jìn)式” 連續(xù)纏管機(jī)。北京251廠與武漢理工大學(xué)合作開發(fā)了“鋼帶1式” 連續(xù)纏繞機(jī)。由于尚欠完善且市場(chǎng)尚未認(rèn)識(shí),工作未能繼續(xù)下去。當(dāng)時(shí)鋼帶式連續(xù)纏繞機(jī)設(shè)計(jì)直徑為100 mm。直徑小,曲率大,鋼帶彎曲受力大,非但壽命短,設(shè)計(jì)處理亦是問題。國(guó)際上小直徑為300 mm。而實(shí)際上小直徑不一定要使用這種機(jī)器。
1976年,我國(guó)臺(tái)灣省美明公司引進(jìn)了VEROC工藝的丹麥設(shè)備。1995年后,河南安陽引進(jìn)了意大利Sarplast公司相同原理的生產(chǎn)線。不久廣東省湛江市下的吳川市引進(jìn)了以色列的生產(chǎn)線。1997年,美國(guó)OC公司在長(zhǎng)春設(shè)廠,以連續(xù)法生產(chǎn)玻璃鋼管,1999年遷土耳其。
2010年,上海引進(jìn)意大利VEM公司連續(xù)管生產(chǎn)線投產(chǎn)。近年連云港、重慶推出了相同原理的生產(chǎn)線。青島曾開發(fā)無凸輪的鋼帶式連續(xù)管機(jī)。國(guó)內(nèi)設(shè)備開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是,要重視工藝及其軟件,設(shè)備運(yùn)行要穩(wěn)定,忌鋼帶打滑與重疊。泉州福建路通管業(yè)科技股份有限公司引進(jìn)歐洲技術(shù)制造了凸輪鋼帶式連續(xù)管生產(chǎn)線,生產(chǎn)直徑大達(dá)4 m。
2008年,重慶慶陽公司成功研發(fā)全自動(dòng)連續(xù)復(fù)合管道生產(chǎn)線。該線無笨重的供給平臺(tái),整體重量減少;干法供料系統(tǒng)改為浸潤(rùn)供料系統(tǒng);高溫替代常溫固化,強(qiáng)度提升10%以上;樹脂可循環(huán)使用,內(nèi)外密閉加溫,節(jié)約能源。見圖47至圖49。哈爾濱理工大學(xué)研發(fā)彎頭自動(dòng)纏繞機(jī)與三通纏繞機(jī),見圖50、圖51。
杭州和博管道研究所歷時(shí)四年、斥資4000萬元,自主研發(fā)成功的非鋼帶矢量式連續(xù)管纏繞機(jī)(見圖52),完全改變了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有源于丹麥的鋼帶連續(xù)管生產(chǎn)的模式,上了一個(gè)全新的臺(tái)階。它可適應(yīng)多種橫截面管道的生產(chǎn),除常用的圓形截面外,還可連續(xù)纏繞任意外凸形截面,如類矩形、梯形及其他多邊形、梨形等;可用連續(xù)紗束零角度縱向增強(qiáng);用中空截面增加剛度,使用目前原型機(jī)可生產(chǎn)直徑為3000 mm、環(huán)剛度為40000 N/㎡的玻璃鋼管,堪稱業(yè)內(nèi)獨(dú)步。設(shè)備有常用口徑?300 ~ 3000 mm,也可定制超大口徑至?12000 mm,連續(xù)長(zhǎng)度任意,設(shè)備可臥式纏繞,也可以立式纏繞。此機(jī)綜合了熱固、熱塑、纏繞、擠出、拉擠等多方面的優(yōu)勢(shì),全機(jī)機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)思巧妙,令人折服。采用微波加熱,于連續(xù)纏繞工藝尚系初見。2018年,經(jīng)查新和業(yè)內(nèi)專家評(píng)議,居國(guó)際。
鋼帶式連續(xù)管生產(chǎn)線和矢量式連續(xù)管纏繞機(jī)用于生產(chǎn)直徑較大管道,直徑300 mm以下的管道另有多種工藝裝備。
2009 年,中國(guó)復(fù)材展JEC-創(chuàng)新產(chǎn)品中,石家莊華強(qiáng)福瑞普國(guó)際貿(mào)易有限公司開發(fā)的步進(jìn)式FRP-LX300 型玻璃鋼管道連續(xù)生產(chǎn)線產(chǎn)品直徑即為300 mm以下(含)。見圖53、圖54。
美國(guó)Fiberspar公司于1999年開始商業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)纏繞柔性管,據(jù)稱是當(dāng)今全球業(yè)界的。其生產(chǎn)工藝是:擠出高密度聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯熱塑性塑料內(nèi)襯層(壓力防滲漏層)-多次環(huán)向纏繞玻纖環(huán)氧層(結(jié)構(gòu)層)-外包覆熱塑性塑料層(耐磨層)。整個(gè)生產(chǎn)線全部自動(dòng)控制(見圖55),由14臺(tái)纏繞機(jī)、牽引機(jī)、固化爐、收卷裝置以及兩臺(tái)擠出機(jī)等組成。在塑料管上纖維纏繞玻璃鋼后在線擠出外塑料保護(hù)層,制成管線。生產(chǎn)速度取決于管徑,一般為2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管線連續(xù)生產(chǎn)長(zhǎng)度可達(dá)10800 m,理論上可以達(dá)到無限長(zhǎng)度。
河北省景縣恒安泰公司即采用此類生產(chǎn)工藝,其承擔(dān)的十二五863科技項(xiàng)目——柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究,于2016年通過科技部組織的專家驗(yàn)收。其連續(xù)管道生產(chǎn)線見圖56。
2012年,澳大利亞長(zhǎng)輸管道公司(long pipes)推出了被稱為”流體高速公路”技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的連續(xù)管道生產(chǎn)線(見圖57)。產(chǎn)品直徑為300 mm ~ 1000 mm。其生產(chǎn)流程是:將450 m 的管道預(yù)制布折放在架子上,與樹脂等存放在集裝箱內(nèi)-野外生產(chǎn)時(shí)預(yù)制布和樹脂等材料從集裝箱供料給制管機(jī)-空氣支撐并樹脂浸潤(rùn),包裹上外殼使終管道成型。
“流體高速公路”預(yù)制布共三層:①內(nèi)襯層:設(shè)計(jì)為適應(yīng)流體的傳輸;②支撐層:玻璃纖維、芳族纖維、玄武巖纖維或者碳纖維和樹脂;③外殼層:直到野外施工時(shí)才安裝。
2020年,重慶慶陽控股(集團(tuán))有限公司/河南省沁陽市復(fù)合材料研究院與濮陽縣福瑞普建材公司分別成功研制直徑為10 mm~250 mm連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線。此線無鋼帶建模,在簡(jiǎn)捷的設(shè)備上,低成本率完成玻璃鋼管道的連續(xù)成型,其生產(chǎn)速度可以達(dá)到2 m/min。其訣竅系牽引履帶機(jī)公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。韓國(guó)亦有此類似設(shè)備。小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線及其牽引部件見圖58、圖59。