田会方，陈海清*，吴迎峰
(武汉理工大学机电工程学院，武汉 430070)
摘要：本文首先介绍了复合材料管状制品的特点，然后说明拉挤-缠绕技术相结合的优点，接着阐述了拉挤-缠绕工艺成
型技术，以及拉挤速度和缠绕速度之间应满足的关系，再对缠绕装置和牵引装置进行了结构设计，最后将夹紧装置导入Work bench 中进行静力学分析，验证设计的合理性。
关键词：复合材料；拉挤-缠绕；有限元分析
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：2096-8000( 2021) 02-0110-05
1引言
度高、耐腐蚀等特点，在通信、航空航天等领域的运 用越来越广泛［1，2］。在目前复合材料管状制品的生
产工艺中，纤维拉挤成型和纤维缠绕成型应用比较
广泛，技术也比较成熟［3,4］。纤维拉挤制品纵向力
学性能高，横向性能差，可以生产长度较长制品⑸; 纤维缠绕制品比强度高，质量稳定，但沿制品纯纵向
缠绕较为困难，并且制品长度受限⑹。所以两者在
制品的力学性能上有很强的互补性⑺。
将纤维拉挤和纤维缠绕工艺相结合，既能使制
品生产效率提高， 又能极大地提高产品性能， 还能增
加制品的种类⑻。
2拉挤•缠绕系统
纤维拉挤-缠绕工艺是在传统的纤维拉挤工艺 的适当环节加入纤维缠绕工艺，见图1o 拉挤-缠绕 工艺可简化为粗砂一浸渍一预成型一缠绕一二次浸
1-纱团;2-分纱板；3-浸胶槽；4-预成型模；5-缠绕纱团；6-芯模；7-二次浸胶槽；8-成型模具；9-牵引装置；10-切割装置；11-成品
图1拉挤-缠绕工艺简图
Fig. 1 Pultrusion-winding process diagram
玻璃纤维无捻粗砂经纱架抽出，穿过浸渍装置
完成玻璃纤维的第一次浸渍，接着经过预成型装置,
使玻璃纤维大致预成型为制品的外形，同时预成型 装置也起到了挤掉已浸渍的玻璃纤维上多余树脂的
作用，然后缠绕装置在预成型的单向纤维上按左、右
旋转方向各缠一层玻璃纤维，由于缠绕纤维直接进 行缠绕，没有浸胶，为了保证制品的质量，单向纤维 拉挤层和纤维缠绕层需二次浸胶，最后进入成型装
置，由牵引装置拉出制品［9，10］O
固体水2.1缠绕装置
拉挤-缠绕设备上缠绕装置的缠绕规律与连续
纤维增强复合材料缠绕机的环向缠绕相似［11］，缠绕
装置一般为环形转盘结构，由牵引装置拉着拉挤纤
维沿芯模水平移动，芯模固定不动，缠绕装置上的多
团缠绕纤维随着转盘的转动在拉挤纤维上进行环向
缠绕。为了保证制品的质量，一般缠绕装置上还设
有张力调节装置，使得缠绕纤维在缠绕过程中张力
保持恒定，同时为了保证缠绕层厚度一致，缠绕速度
要和牵引速度保持一定的比例关系，保证缠绕纤维
能均匀地环向缠绕在拉挤纤维上。
2.2拉挤-缠绕工艺运动关系
吸附树脂在拉挤-缠绕工艺中，为了保证制品质量，缠绕
纤维在轴向需均匀铺满，周向上厚度要一致，所以单 位时间内拉挤纤维的位移量要和缠绕纤维前进量相
等［12］O 设单团缠绕纤维纱宽为b ,mm ；纱团数为矶, 团；芯模直径为D,mm ；纤维缠绕角为a,°o 则缠绕
角a 应满足：
_ nD tana _
(1)
bm
收稿日期：2020-07-24
作者简介：田会方(1963-)，男，硕士，教授，研究方向为计算机控制应用技术、机器人技术、复合材料成型技术。 通讯作者：陈海清(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为复合材料装备与控制，*****************
。
同时，设缠绕装置出纱嘴处的周向线速度为V缠, mm/s；牵引装置的牵引运动为V拉，mm/s。则这两个运动共同合成V纤维，mm/s。其速度大小关系如图2所示。
根据速度关系图，有：
V缠
tana——(2)
卩拉
即:
其中，厲为缠绕转盘的转速,rad/s。
2.3拉挤装置
在拉挤-缠绕工艺中，拉挤设备起到了牵引制品的作用，为了提高制品的生产效率和质量，一般牵引装置为连续牵引，制品生产过程中无间隔。在传统的拉挤工艺设备中，用的比较多的为履带型牵引和液压或者气动牵引［13］，这些牵引装置的特点是牵引力比较大，但也都存在一个缺点，就是在牵引过程中拉挤速度不均匀〔⑷。在拉挤-缠绕设备中，由于缠绕转盘转速恒定，为了保证制品的质量，在单位时间内拉挤纤维的位移量要和缠绕纤维前进量相等，并且要求环向缠绕时相邻两缠绕纤维无间隔［10］，这就要求在拉挤纤维前进过程中保持速度的平稳，所以传统拉挤工艺中履带牵引和液压或者气动牵引不能满足工作要求。
3缠绕装置结构设计
根据加工需求和制品相关尺寸，缠绕装置整体结构如图3所示，此缠绕装置由伺服电机驱动减速器带动圆锥齿轮二转动，由于圆锥齿轮二与圆锥齿轮一和圆锥齿轮三同时啮合，在运动过程中圆锥齿轮一和圆锥齿轮三转动方向相反，圆锥齿轮一和圆锥齿轮三通过键连接分别固定在小转盘空心轴和大转盘空心轴上，小转盘空心轴穿过大转盘空心轴，小转盘空心轴和大转盘空心轴分别通过法兰盘与小转盘和大转盘固定，带动小转盘和大转盘旋转，两转盘旋转方向相反，实现对拉挤纤维的双层环向缠绕，同时，在与大转盘连接的法兰盘上安装有可与小转盘空心轴装配的轴承，减小小转盘空心轴的绕度。此外，每个缠绕转盘上周向均匀分布有四团纤维纱团、四个张力检测装置、四个磁粉制动器和四个纤维走纱装置，张力检测装置、磁粉制动器和张力控制器组成张力闭环控制系统，实现对每束纤维的张力检测和张力调节；纤维走纱装置的作用是使纱线宽度在纤维缠绕时不发生变化。
13141516
1-小转盘空心轴;2-轴承座一;3-圆锥齿轮一;4-圆锥齿轮二；
5-圆锥齿轮三；6-轴承座二;7-大转盘空心轴；8-大转盘连接法兰；
9-磁粉制动器；10-大转盘；11-小转盘连接法兰；12-小转盘；
13-张力检测装置；14-纱团；15-纤维变向装置；16-外层纤维走纱装置
图3缠绕装置整体结构图
Fig.3The overall structure of the winding device
由于此装置有两个转盘，内层纤维走纱路径和外层纤维走纱路径不一样，内层纤维在小转盘上，走纱比较容易，外层纤维在大转盘上，纤维在芯模上的缠绕位置距离纤维纱团中心有一段距离，如果直接进行缠绕，会造成纤维宽度不一致，纤维容易成团，影响产品质量，为了解决这一问题，在大转盘上固定有四个纤维变向装置，纤维变向装置由槽轮、轴承和槽轮固定座组成，槽轮垂直于转盘方向呈45°放置，内层纤维走纱路径和外层纤维走纱路径如图4所示
。
1-纤维变向装置;2-外层纤维走纱路径；
3-张力检测装置；4-内层纤维走纱路径
图4纤维走纱路径示意图
Fig.4Schematic diagram of fiber running path
4牵引装置结构设计
4.1整体结构设计
按照拉挤-缠绕工艺需求，牵引装置拉挤过程中要保证速度平稳，本牵引装置为连续往复式拉挤，机座上有两个牵引平台，每一个牵引平台由斜齿轮斜齿条传动，牵引平台靠导轨滑块机构在机座上水平来回运动，每一个牵引平台上都有管状制品夹紧装置，牵引装置整体结构如图5所示。
1-机座；2-斜齿条；3-直线导轨；4-斜齿轮；5-行星减速器；6-伺服电机一;
7-气缸一;8-夹紧装置；9-滑块；10-伺服电机二;11-气缸二
图5牵引装置整体结构图
Fig.5Overall structure diagram of traction device
4.2牵引装置运动流程
牵引装置要实现连续往复牵引，两牵引平台在基座上的水平来回运动和牵引平台上两夹紧装置的夹紧和松弛运动之间必须要满足一定的顺序关系，才能实现规定的运动。两伺服电机和两夹紧气缸在连续往复牵引过程中的工作顺序关系如图6所示。
图6牵引装置运动流程图
Fig.6Flow chart of traction device movement
4.3夹紧装置的设计
由于在管状制品拉挤缠绕过程中，牵引力一般为0〜100kN，夹紧力一般为0〜80000N⑺，直接由气缸驱动夹紧块进行夹紧效率不高，且所要求的气缸推力非常大，所以设计一种增力机构尤为重要，不仅夹紧效率提高，气缸的选型也更加灵活。夹紧装置结构如图7所示。
1-底座;2-弹簧；3-螺栓；4-下夹紧块；5-聚氨酯层；6-导柱；
7-上夹紧块;8-移动板；9-气缸固定座；10-连杆一;11-施力辊；
12-气缸连接块；13-气缸；14-连杆二
图7夹紧装置结构图
Fig.7Structure diagram of clamping device 底座和四根导柱固定在牵引平台上，气缸固定座固定在导柱上，上夹紧块和下夹紧块都为半圆套夹紧，与管状制品接触的位置都有一层聚氨酯层，以免在夹紧过程中损坏制品，同时也可以增加夹具与制品之间的摩擦力。其中，底座、下夹紧块和移动板、上夹紧块均通过螺栓螺母固定连接，当夹紧不同直径的制品时，可以方便拆卸和更换上夹紧块和下夹紧块
。
气缸伸出的过程中，带动气缸连接块竖直向下运动，通过连杆使施力辊和移动板产生接触，进而使上夹紧块下移，对制品进行夹紧；底座上沿着导柱安装有弹簧，气缸缩回时，靠四根弹簧使移动板上移，实现对制品的松弛。
4.4增力机构的计算
本文所采用的增力机构为对称设置，对制品的夹紧力更加均匀，取增力机构前半部分进行受力分析，机构受力简图如图8所示。设连杆B、C与竖直方向夹角分别为a/2、0，连杆B受到竖直向下的力为P a，连杆B、C的内力分别为P b、P c，管体夹紧移
:
根据B、C杆平衡，有：
a
P_P B cos+P C cos0(4)
P c sin0二P p sin；(5)联立式(4)和式(5)，得：
(a a)
P_P b cos；+sin；ctg(6)又根据节点A平衡条件有：
a
P A_2P B cos；(7)将式(7)代入式(6)中，有：
[1+tgy-ctg”(8)因为管体夹紧移动板受到的总推力大小为：
Q_2P(9)将式(8)代入式(9)中，得：
C_P A|1+tg a-Ctg00(10)在本夹紧机构中，制品在夹紧时，取a=140°,0 =20°，并代入式(10)中，得：
Q_8.55P A(11)5夹紧装置的有限元分析化学螺栓检测
为了确保夹紧装置在气缸推力的作用和制品对两半圆形夹紧块的摩擦力下能够满足工作要求，对夹紧装置进行有限元分析，看各个部件最大变形量和最大应力是否符合相应材料要求，验证设计的合理性。首先在Solidworks里面进行建模，并对模型进行简化，然后将模型导入Workbench中，赋予材料属性，夹紧装置各个部件除聚氨酯层外全为45号钢，接着修改夹紧装置中的接触关系，然后进行网格
划分，最后对装配体施加约束和载荷：对底座施加固定约束，因为拉挤过程中牵引力为0〜100kN，夹紧力为80000N，为了保证工作要求，都按最大值进行计算，在牵引制品过程中，依靠两个半圆套对制品的摩擦力来提供牵引力，所以分别在两个半圆套夹紧面上施加方向与拉挤方向相反的力，大小为50000N，来模拟牵引过程中的制品对两半圆套夹紧块的反摩擦力；在夹紧力的计算中，气缸连接块受到竖直向下的力为80000/2/8.55x1.7=8000N，其中考虑到两施力辊的摩擦和四个弹簧压缩后的反力，取安全系数为K=1.7。最后得到的夹紧装置的变形图和应力图如图9和图10所示。
A:Static Structural
Total Deformation
Type:Total Deformation
焊锡线
Unit:mm
Time:1
2020/7/620:25
0.10563Max
0.088113
0.081181
0.071416
0.064924
0.058431
0.051939
0.045447
0.038954
0.032462
0.025969
0.019477
0.012985大花石上莲
0.0064924
OMin
图9夹紧装置总变形云图
Fig.9Cloud diagram of total deformation of clamping device
青冈栎
图10夹紧装置应力云图
Fig.10Stress cloud diagram of clamping
device
从图9可以看出，夹紧装置最大变形量为0.10563 mm，发生在气缸与气缸连接块作用位置附近，在两半圆套夹紧结构上产生的变形量约为0.026mm，基本不影响制品的夹紧；同时由于夹紧装置左右前后对称，且每一对对称的连杆变形量基本相同，受力均匀。在夹紧装置应力云图中，最大应力约为210.67 MPa，发生在螺栓和下夹紧块位置处，小于45号钢的屈服强度355MPa和螺栓的屈服强度320MPa。故最大应力和最大变形量在合理范围内。
6结论
本文对拉挤-缠绕系统进行了介绍，并说明了拉挤速度和缠绕速度之间应满足的关系，然后设计了拉挤装置和缠绕装置，并对两装置进行了详细的介绍，包括缠绕装置的走纱路径、牵引装置电机与气缸的运动顺序流程和夹紧增力机构的受力分析等。最后对夹紧装置进行Ansys有限元分析，分析的结果表明夹紧装置能满足设计要求。
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DESIGN AND ANALYSIS OF PULTRUSION・WINDING DEVICE
FOR COMPOSITE TUBULAR PRODUCTS
T1AN Hui-fang，CHEN Hai-qing*，WU Ying-feng
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan430070，China) Abstract:This article first introduces the characteristics of composite tubular products,and then explains the advantages of the combination of composite pultrusion-winding technology in the product production process，and then explains the pultrusion-winding process forming technology，and introduces the winding device and traction device in detail.The function and the requirements that should be met by each，as well as the movement relationship in the pultr
usion-winding process，and then the structure design of the winding device and the traction device，the analysis of the movement sequence relationship of the traction device，and the clamping device in the traction device force analysis.Finally，the clamping device is imported into the workbench for static analysis to verify the rationality of the design.
Key words:composite material；pultrusion-winding；finite element analysis
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