隨后進(jìn)行氣瓶的浸膠纏繞試驗(yàn)，經(jīng)固化后氣瓶上的纖維致密緊實(shí)，氣瓶可承受壓力不小于20 MPa，滿足國(guó)標(biāo)要求。該研究可給臥式纏繞機(jī)增添縱向纏繞的功能，為利用臥式纏繞機(jī)進(jìn)行復(fù)合纏繞形式的試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。
摘要
為解決纖維復(fù)合材料氣瓶纏繞的問(wèn)題，在臥式纏繞機(jī)上對(duì)氣瓶縱向纏繞進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)纖維導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)纏繞運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立縱向纏繞數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出纖維纏繞角，通過(guò)NC程序編程，實(shí)現(xiàn)了臥式纖維纏繞設(shè)備在縱向纏繞時(shí)的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：芯模上的纖維緊密排列不松散，符合CNG氣瓶纏繞的精度要求，滿足纖維復(fù)合材料氣瓶纏繞的使用要求，驗(yàn)證了利用臥式纖維纏繞機(jī)進(jìn)行縱向纏繞的可行性。
《兵工自動(dòng)化》2019年第12期《利用臥式纖維纏繞機(jī)進(jìn)行氣瓶縱向纏繞試驗(yàn)》
作者：李 珊，段學(xué)俊，吳慶堂，修 冬，張瑞君，盧 忠
單位：長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所超精密加工技術(shù)研究室，長(zhǎng)春 130012
李 珊，段學(xué)俊，吳慶堂，等. 利用臥式纖維纏繞機(jī)進(jìn)行氣瓶縱向纏繞試驗(yàn)[J].兵工自動(dòng)化,2019, 38(12):38-41.
CNG氣瓶作為汽車能源盛裝容器的基本技術(shù)要求是耐高壓、質(zhì)量輕和高可靠性。采用復(fù)合材料氣瓶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制氣瓶已成為新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合材料氣瓶在減輕氣源載體質(zhì)量的同時(shí)也提高了氣瓶的存儲(chǔ)能力，能夠提高新能源汽車的續(xù)航能力[1-7]。目前，纖維纏繞形式分為環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞。在進(jìn)行縱向纏繞時(shí)，導(dǎo)向裝置在固定平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，芯模繞自身軸線慢速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向裝置每轉(zhuǎn)一周，芯模轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)微小角度，反應(yīng)到芯模表面是一個(gè)紗片的寬度。
對(duì)于臥式纖維纏繞機(jī)而言，出紗環(huán)無(wú)法對(duì)氣瓶進(jìn)行縱向360°旋轉(zhuǎn)纏繞；因此，臥式纏繞機(jī)只能進(jìn)行環(huán)向纏繞和螺旋纏繞。筆者通過(guò)建立氣瓶縱向纏繞的數(shù)學(xué)模型及編制數(shù)控NC程序，使纖維導(dǎo)向裝置進(jìn)行插補(bǔ)，從而達(dá)到利用臥式纏繞機(jī)進(jìn)行縱向纏繞的目的。
1 縱向纏繞數(shù)學(xué)模型
基于纖維導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和纖維纏繞數(shù)學(xué)模型的解算，對(duì)纖維纏繞進(jìn)行工序分析、分解，編制纏繞的NC代碼，對(duì)芯模進(jìn)行纖維纏繞試驗(yàn)。選用材料為6061的鋁合金氣瓶作為纏繞芯模。鋁合金芯模實(shí)物與尺寸如圖1所示。
首先對(duì)氣瓶上的圓弧段進(jìn)行分析。為保證纖維纏繞一個(gè)循環(huán)后，纖維束與兩端孔相切，纖維纏繞的軌跡是一條單圓平面封閉曲線，每纏繞完一個(gè)循環(huán)時(shí)，需要錯(cuò)開一根纖維束寬度，纖維束與氣瓶軸線之間的交角為0°～25°?？v向纏繞纖維軌跡如圖2所示。
在縱向纖維纏繞中，纖維束與縱軸的夾角稱為纏繞角?，計(jì)算公式為
式中：L1為直筒段長(zhǎng)度；H1、H2為纖維纏繞芯模兩端圓弧段的軸向長(zhǎng)度；e1、e2為纖維纏繞芯模兩端圓弧段的孔半徑。
假設(shè)纖維束的寬度為B(一般為已知值)，纏繞角為 ，其在芯模圓周平行圓上所占的弧長(zhǎng)為
與此弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的芯模轉(zhuǎn)角為
在纏繞芯模時(shí)，直筒段和圓弧段的芯模旋轉(zhuǎn)角會(huì)發(fā)生較大改變，為了地進(jìn)行分析，將纏繞芯模進(jìn)行分段討論，得出纏繞數(shù)學(xué)公式。
由于縱向纖維纏繞的大特點(diǎn)是纖維纏繞一周后在芯模上處于同一平面，直筒段的纖維束屬于縱向纏繞的一部分。由圖2可知，在直筒段的纖維纏繞角數(shù)學(xué)計(jì)算公式為
式中，c1為平面投影圖中纖維從中心軸到右圓弧段與直筒段交線一點(diǎn)的距離，c2為平面投影圖中纖維從中心軸到左圓弧段與筒身交線一點(diǎn)的距離，c1+c2即為纖維單向纏繞直筒段時(shí)，芯模轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。
設(shè)纖維出紗環(huán)從直筒段左端移動(dòng)到右端時(shí)，芯模轉(zhuǎn)角為進(jìn)角γ，根據(jù)式(4)和三角函數(shù)公式，可以得到纏繞進(jìn)角γ公式：
縱向纖維纏繞一個(gè)循環(huán)的軌跡處于同一平面，而且纖維經(jīng)過(guò)孔并與孔相切，設(shè)纖維束在圓弧段纏繞完成時(shí)所對(duì)應(yīng)的芯模轉(zhuǎn)角為包角β。為了得到纖維束通過(guò)圓弧段時(shí)纏繞轉(zhuǎn)角(包角)的通用公式且便于理解，假設(shè)兩端孔半徑不同，同時(shí)對(duì)芯模圓弧段進(jìn)行軸向投影，可以繪制出圓弧段纖維纏繞軸向投影圖，如圖2所示。在纏繞圓弧段時(shí)，由縱向纏繞原理可得包角公式為：
將式(3)和式(5)代入式(6)可得包角通用公式：
當(dāng)纖維纏繞芯模兩圓弧段端的孔半徑相等且兩圓弧段具有相同高度時(shí)，設(shè)e=e1=e2，H=H1=H2，則纖維纏繞角計(jì)算公式為：
由上式可知，縱向纖維纏繞的直筒段轉(zhuǎn)角(進(jìn)角)和圓弧段轉(zhuǎn)角(包角)，出紗環(huán)運(yùn)動(dòng)一個(gè)完成循環(huán)時(shí)，纏繞芯模需旋轉(zhuǎn)360°，并且錯(cuò)過(guò)一個(gè)纖維束寬角度所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角 ，由此可
2 纖維纏繞的運(yùn)動(dòng)關(guān)系
纖維纏繞進(jìn)行NC編程之前，需對(duì)纖維纏繞設(shè)備進(jìn)行坐標(biāo)和各運(yùn)動(dòng)軸關(guān)系設(shè)定，參照臥式車床的坐標(biāo)設(shè)定方法，設(shè)纖維纏繞芯模軸線方向?yàn)閆軸，出紗環(huán)的縱向移動(dòng)方向?yàn)閄軸，旋轉(zhuǎn)軸為U軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為纏繞機(jī)固定端點(diǎn)。纖維纏繞設(shè)備設(shè)定后的坐標(biāo)系如圖3所示。
由于縱向纖維纏繞時(shí)落紗點(diǎn)的軌跡在一個(gè)平面內(nèi)，為了更清楚表達(dá)Z向進(jìn)給、X向進(jìn)給、U軸進(jìn)給與C軸(主軸)的匹配關(guān)系，將圓弧段纏繞在Z方向上視為直筒段纏繞，纏繞圓弧段時(shí)使出紗環(huán)進(jìn)行X軸方向和Z軸方向的插補(bǔ)，U軸轉(zhuǎn)角隨著不同段的纏繞而進(jìn)行與纏繞角α的匹配。參照之前建立的縱向纏繞數(shù)學(xué)模型，繪制Z軸、X軸和U軸與C軸(主軸)的匹配關(guān)系如圖4所示。
圖4 Z軸、X軸和U軸與C軸(主軸)的匹配關(guān)系
參照NC代碼編寫方法[8-10]，根據(jù)不同的纏繞尺寸及工藝要求，將NC代碼輸入到纖維纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行纏繞試驗(yàn)。相對(duì)坐標(biāo)編輯中，各數(shù)控軸設(shè)定參數(shù)如圖5所示。
在初次進(jìn)行纏繞試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的滑線現(xiàn)象，經(jīng)分析，主要原因是纏繞芯模的圓弧段旋壓收口的尺寸精度與設(shè)計(jì)精度出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致纏繞角的計(jì)算不準(zhǔn)確。另外，由于微小誤差對(duì)纏繞參數(shù)的影響較為敏感，計(jì)算出的理論值也需在試驗(yàn)中進(jìn)行小范圍調(diào)整以獲得理想的工藝參數(shù)。初次試驗(yàn)纏繞實(shí)物效果如圖6所示。
圖5 各數(shù)控軸設(shè)定參數(shù)情況
為了解決這一問(wèn)題，將纖維纏繞芯模的纏繞角進(jìn)行計(jì)算后，不斷進(jìn)行纏繞角的微量調(diào)整，終成功將纏繞芯模進(jìn)行了縱向纏繞，并且達(dá)到纏繞質(zhì)量要求。單根纖維一個(gè)循環(huán)內(nèi)的纏繞實(shí)物如圖7所示。
在確定縱向纏繞的一個(gè)循環(huán)滿足要求后，對(duì)氣瓶進(jìn)行多循環(huán)自動(dòng)纏繞，直至纖維束完全纏滿整個(gè)芯模。后續(xù)纏繞過(guò)程如圖8所示。
氣瓶經(jīng)縱向纏繞后，芯模上的纖維緊密排列不松散，符合預(yù)期纏繞精度要求。利用已經(jīng)確認(rèn)的工藝參數(shù)及數(shù)控程序對(duì)氣瓶進(jìn)行浸膠纏繞，并按工藝要求進(jìn)行固化。按照GB/T9251氣瓶水壓測(cè)試方法對(duì)完成固化的氣瓶測(cè)壓，氣瓶壓力不小于20 MPa，達(dá)到該氣瓶使用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，驗(yàn)證了利用臥式纏繞機(jī)進(jìn)行縱向纏繞的可行性。
筆者通過(guò)對(duì)縱向纏繞模型的建立、參數(shù)的計(jì)算，從而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)控NC程序代碼，首先在未浸膠情況下進(jìn)行縱向纏繞試驗(yàn)，經(jīng)多次單循環(huán)纏繞試驗(yàn)，不斷校正纏繞參數(shù)，消除了嚴(yán)重滑線的情況。隨后進(jìn)行氣瓶的浸膠纏繞試驗(yàn)，經(jīng)固化后氣瓶上的纖維致密緊實(shí)，氣瓶可承受壓力不小于20 MPa，滿足國(guó)標(biāo)要求。該研究可給臥式纏繞機(jī)增添縱向纏繞的功能，為利用臥式纏繞機(jī)進(jìn)行復(fù)合纏繞形式的試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。
