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環(huán)氧玻璃鋼管具有耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、保溫性能好和工程造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為傳統(tǒng)鋼管的佳替代品，在輸油、輸水、化工和熱電工程中得到廣泛應(yīng)用…．目前，各國(guó)生產(chǎn)玻璃鋼管的主要方法是采用環(huán)氧樹脂作為的基體的纖維纏繞成型法，纏繞后的管道需要加熱固化，然后進(jìn)行脫模．傳統(tǒng)的玻璃鋼管道采用“外加熱固化”工 藝制造，即將纏繞成型的管道置人固化爐中進(jìn)行 固化．外固化的特點(diǎn)是：加熱時(shí)，爐體加熱板的熱 量通過輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等方式傳遞給管體．傳熱 方向由外部空間指向管道的中心軸線．由于固化 爐熱慣量大、能耗高，而主要的傳熱介質(zhì)――空氣 的熱容值小，所以管件升降溫速度慢，對(duì)固化溫度的設(shè)置與調(diào)控困難．這導(dǎo)致了管體固化質(zhì)量差，且 產(chǎn)品成品率低．
“內(nèi)加熱固化”則是將浸漬樹脂的纖維纏繞在可加熱的金屬芯模外面 芯模腔中的熱能通過 較小熱阻的金屬管壁直接傳給待固化的玻璃纖維 層．這種傳熱方式可使制品。陜速升溫，從而迅速引 發(fā)環(huán)氧樹脂的凝膠和固化反應(yīng) 在工藝條件沒置 得當(dāng)時(shí)可在數(shù)十分鐘內(nèi)完成樹脂固化的全過程． 而且在升降溫程序上可作較精確的調(diào)節(jié)與控制， 實(shí)現(xiàn)環(huán)氧玻璃鋼管的精細(xì)化制造 ．
1 工作原理
機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1所示．該設(shè)備總長(zhǎng) 26 米，可加工長(zhǎng) 9，15米的玻璃鋼管，機(jī)床裝有四根 主軸。分為兩組，兩組主軸共用一個(gè)纏繞小車，纏繞小車由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)．因此本機(jī)床一次-Ⅱ 以同時(shí)纏繞兩根玻璃鋼管．工作時(shí)，浸漬樹脂的玻璃纖維通過纏繞機(jī)小車上的絲嘴按毆計(jì)的線型有規(guī)律地纏繞在芯模表面上形成纏繞層，多層纏繞后形成端部帶有陰螺紋的纏繞管件．在管道纏繞過程中或纏繞結(jié)束后，通過向芯模內(nèi)腔通飽和水蒸汽加熱纏繞管體，從而引發(fā)樹脂凝膠固化 固化后進(jìn)入脫模工序．排煙罩用于排出固化時(shí)產(chǎn)生的
氣體．旋轉(zhuǎn)接頭用來連接固定的蒸汽管道和旋轉(zhuǎn)的芯模 ，是連接蒸汽、壓縮空氣和冷卻水管道的接M．主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)位于主軸箱內(nèi)．脫模 小車在纏繞時(shí)用于拉緊 模，脫模時(shí)通過脫模小車 L的皮爪子將管道抓緊并沿脫模小車軌道在脫模小車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將管體和芯模分離．
管道制造機(jī)床控制系統(tǒng)如圖2所示．纏繞部分由工控機(jī)和Trio嵌人式運(yùn)動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)線 型設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和小車與主軸的同步運(yùn)動(dòng)控制．固化部分由嵌人式工控機(jī)和 PLC完成固化曲線設(shè)定、溫度壓力信號(hào)采集和凋節(jié)聞控制．脫模部分由 PLC控制脫模小車、支撐輥和擋膠帽等協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯模和管體的分離．該系統(tǒng)的兩組主軸需要共用一個(gè)小車進(jìn)行纏繞，因此兩組主軸不能同時(shí)進(jìn)行纏繞，但可以同時(shí)進(jìn)行固化和脫模．在進(jìn)行大口徑厚壁管道纏繞時(shí)可同時(shí)啟動(dòng)固化系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)效率．
2 纏繞控制系統(tǒng)
證纏繞過程中．主軸和小車電機(jī)在運(yùn)行時(shí)要根據(jù)工藝要求不斷進(jìn)行加減速，而且小車和主軸負(fù)載隨著纏繞膠量和管體纏繞厚度的變化而變化．因此，該系統(tǒng)是一個(gè)慣量變化很大的非線性時(shí)變速度同步隨動(dòng)控制系統(tǒng)．因此．采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好．該控制方式不把主軸作為運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，而是通過電子齒輪完成小車跟蹤主軸的運(yùn)動(dòng)．系統(tǒng)采用多任務(wù)的嵌入式同步運(yùn)動(dòng)控制器，將所有運(yùn)動(dòng)控制都集成在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)，工控機(jī)僅作為人機(jī)交互的接口．從而提高纏繞機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性
2．1 纏繞運(yùn)動(dòng)控制模型
根據(jù)管道結(jié)構(gòu)及尺寸不同，纖維在芯模表面上的排布規(guī)律(線型)也不同，因此導(dǎo)絲頭與芯模相對(duì)運(yùn)動(dòng)電不同．纏繞線型是保證纏繞管道質(zhì)量 的重要前提，也決定管道結(jié)構(gòu)在不同方向上的強(qiáng) 度比．文獻(xiàn)[3]給出了精確纏繞線型設(shè)計(jì)模型．該 系統(tǒng)進(jìn)行大口徑管道纏繞時(shí)采用單切點(diǎn)、多紗條纏繞，端部停留角的控制公式為：
2．2 纏繞控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
纏繞控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示．工控機(jī) 和MC206通過 FtS一232串口基于 MODBUS協(xié)議 完成工藝參數(shù)下載和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示．工控機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面管理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān) 控、工藝文件存儲(chǔ)和線型設(shè)計(jì)．MC206負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制．纏繞機(jī)主軸電機(jī)用變頻器驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器軸 1和 2接口的模擬量輸出作為變頻器速度控制輸入信號(hào)．安裝于變速箱輸入軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測(cè)。變頻器的PG―X2速度卡把編碼器采樣的信號(hào)一路作為變頻器輸入實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，一路作為速度和位置信號(hào)輸入到控制器的編碼器接口，實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能．MC206的軸 0接口工作于伺服模式，完成小車伺服電機(jī)的閉環(huán)控制．兩主軸編碼器反饋分別接到 MC206軸 1和2的編碼器接口， 為小車跟蹤運(yùn)動(dòng)提供位置指令輸入脈沖．
纏繞控制系統(tǒng)上位機(jī)程序用 VC++6．0基 于 Windows 2000平臺(tái)開發(fā)，控制軟件主要由工藝設(shè)計(jì)、串口通訊、運(yùn)行狀態(tài)顯示和遠(yuǎn)程通訊等模塊組成．工藝設(shè)計(jì)模塊根據(jù)玻璃鋼管道的幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)工藝要求計(jì)算出玻璃鋼管加工工藝參數(shù)，如紗片寬度、纏繞角、每層小車往返次數(shù)和端部加減速長(zhǎng)度等，后生成加工工藝文件．上位機(jī)具有 機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示和遠(yuǎn)程通訊功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工藝文件修改和下載，方便了管理MC206的運(yùn)動(dòng)控制程序共建立了四個(gè)任務(wù)，其中任務(wù) 7用于纏繞機(jī)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)床邏輯控制，任務(wù) 6用于管理機(jī)床與纏繞相關(guān)的I／O信號(hào)和主軸轉(zhuǎn)速控制，任務(wù)2完成串口通訊功能，任務(wù) 1實(shí)現(xiàn)輸膠控制．其中任務(wù) 7和6的優(yōu)先級(jí)高，每個(gè)伺服周期 (1ms)都分配時(shí)間片，任務(wù) 1、2和 Command Line (C／L)優(yōu)先級(jí)相同，在每個(gè)伺服周期輪流為其分 配時(shí)間片．
3 固化控制
內(nèi)加熱成型工藝中的熱傳遞、化學(xué)流變和化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程，都是在芯模外表面完成的．玻璃鋼管固化時(shí)在模具內(nèi)高溫的作用下，樹脂體系發(fā)生放熱性化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱能，釋放的熱量又進(jìn)一步提升復(fù)合材料的溫度，促進(jìn)樹脂固化，從而釋放出更多的熱量．經(jīng)過幾個(gè)階段加熱后樹脂基體固化完成．在不同的固化工藝參數(shù)(模具初始溫度，加熱溫度，加熱時(shí)間等)下，管體內(nèi)溫度和固化度分布不同，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也不同．固化反應(yīng)完成后，再輸送冷卻水使芯模迅速冷卻，管道與模具因冷卻收縮不同步而產(chǎn)生間隙，該特性有利于管道脫模，后向管道內(nèi)通入壓縮空氣，將殘留的冷卻水排出．利用數(shù)值模擬 I9 可以兼顧確保溫度均勻和節(jié)省固化時(shí)間這兩方而來調(diào)整升溫和恒溫，還能準(zhǔn)確地判斷到達(dá)凝膠點(diǎn)的時(shí)間和固化結(jié)束時(shí)間，避免固化不足和過度固化，從而優(yōu)化固化工藝參 數(shù)，提高制品固化質(zhì)量．玻璃鋼管熱傳遞和固化模型是建立玻璃鋼管體內(nèi)溫度和固化度分布的數(shù)學(xué)模型，是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的核心．
3．1 熱傳導(dǎo)和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程
玻璃鋼管固化過程中，管體內(nèi)部的溫度分布由向管體傳熱的速率和固化反應(yīng)生成熱的速率決定．所以對(duì)其溫度場(chǎng)的分析本質(zhì)上是一個(gè)具有非線性內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)問題．其中內(nèi)熱源由樹脂基體的固化反應(yīng)放出的熱量確定．假設(shè)忽略管道在軸線方向上的熱傳導(dǎo)，可以用傅立葉熱傳導(dǎo)定律 和能量平衡原理建立該問題的數(shù)學(xué)模型：
式中： Tm (t)是芯模加溫歷程即固化制度；h為 玻璃鋼管外表面熱交換系數(shù)；為管道的外表面 處溫度；Tm為環(huán)境溫度．
樹脂 的固化反應(yīng)是非常復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象．因 此大多數(shù)有關(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方程是建立在經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型的基礎(chǔ)上的．其中對(duì)環(huán)氧樹脂體系來說，使用方程 ：
3．2 固化過程數(shù)值模擬
該問題是一個(gè)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，在數(shù)值分析時(shí)，必須分別在空間域和時(shí)間域中對(duì)熱傳導(dǎo)控制方程進(jìn)行離散，具體離散方法，和離散后得到兩個(gè)求解固化階段瞬態(tài)溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的線性方程組的解耦方法請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[14]．本文以上述理論為基礎(chǔ)，利用有限元軟件 ANSYS作為平臺(tái)分析固化過程中復(fù)合材料的各參數(shù)變量的變化過程，即選擇若干組加溫歷程分別帶人程序，計(jì)算固化體系的各參數(shù)變量隨時(shí)間的變化．操作過程應(yīng)確保固化體系內(nèi)溫度的均勻，即材料的表層與中間層的溫差小于某一界限，使各鋪層的固化進(jìn)展一致，確保力學(xué)等性能的一致．樹脂基體的固化反應(yīng)不可過于劇烈而導(dǎo)致溫度驟變．另外，體系內(nèi)的溫度不可超過某一高允許值，以免材料內(nèi)的殘余應(yīng)力過大¨ ．以上述分析為依據(jù)對(duì)輸出計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，確定使輸出結(jié)果佳的一組操作變量作為實(shí)際操作變量的選定參考值，再進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和修訂工藝參數(shù)，后根據(jù)實(shí)際測(cè)定管道性能確定佳操作工藝．根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的樹脂凝膠曲線和經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化 ，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)修訂的的典型的玻璃鋼管固化曲線如圖4所示．圖中所示固化管道的原料為雙酚 A型環(huán)氧樹脂和改性多胺 固化劑 ，其重量為 100比 35．管件參數(shù)為：管長(zhǎng) 9．15 m，管徑 150 mm，管道壓力 l2 Mpa，管體層數(shù) 56層， 頭部和尾部各加厚 4O層．為提高生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)時(shí)將芯模加熱到 100攝 氏度進(jìn)行管道纏繞，然后進(jìn)行三階段加熱固化 ，各階段固化時(shí)間和固化溫度如圖4所示．
3．3 內(nèi)加熱固化系統(tǒng)
內(nèi)固化加熱系統(tǒng)工作時(shí)，來 自鍋爐的飽和水蒸汽經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入芯模內(nèi)腔，經(jīng)內(nèi)腔壁上的小孔進(jìn)入外腔對(duì)芯模加熱，從外腔流出的蒸汽和凝結(jié)水分別經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥和開關(guān)閥進(jìn)入熱水箱．安放于芯模出口處的壓力和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)芯模內(nèi)蒸汽壓力和溫度的檢測(cè)．加熱固化完成后，經(jīng)軟化處理的冷卻水進(jìn)入芯模，從芯模外腔流出的熱水進(jìn)入散熱器，然后流回冷卻水箱循環(huán)利用，完成芯模冷卻工藝．管道冷卻后須將芯模內(nèi)剩余冷卻水排出，將空氣經(jīng)氣泵增壓、過濾和干燥處理后通人芯模，壓縮空氣帶動(dòng)芯模內(nèi)剩余冷卻水流
出，進(jìn)行氣水分離后壓縮空氣排氣，完成冷卻后的吹掃工藝．內(nèi)固化控制系統(tǒng)硬件是北京昆侖通態(tài)公司的 TPC105一TC22嵌入式一體化工控機(jī)和日本 OM― RON公司的CJ1G PLC．工控機(jī)與 PLC采用 RS一 485通訊方式相連．利用工控機(jī)嵌入的 MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行熱固化控制程序開發(fā)．該軟件完成對(duì)四個(gè)軸的固化工藝控制，分別由四個(gè)控制界面和一個(gè)主界面構(gòu)成．主界面用于四個(gè)控制界面的切換和與脫摸的聯(lián)鎖控制．每個(gè)控制界面設(shè)置了三 種控制模式，即自動(dòng)，分段和手動(dòng)控制．自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定好各個(gè)階段的加熱時(shí)間、預(yù)定溫度、冷卻時(shí)間和吹掃時(shí)間后，程序按照設(shè)定參數(shù)，按順序控制各氣動(dòng)閥的開啟順序和調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)固化；分段控制則可以分別進(jìn)行加熱、冷卻和吹掃階段的控制；手動(dòng)模式下，人工控制各氣動(dòng)閥的開閉和調(diào)節(jié)閥的開度，該模式主要用于調(diào)試．
4 管道性能檢測(cè)試驗(yàn)
為了驗(yàn)證該玻璃鋼管的各項(xiàng)物理、化學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)同一批內(nèi)固化制造的管線進(jìn)行了為期六個(gè)月的性能檢測(cè)試驗(yàn)．
4．1 試驗(yàn)條件
大工作壓力 16 MPa；高工作溫度 50℃； 試驗(yàn)介質(zhì)高濃度 CO 鹽水；試樣數(shù) 12；管道平均內(nèi)徑為48．7 mm，平均外徑為60．1 mm．
4．2 試驗(yàn)方法
試樣 1―6每星期做五次循環(huán)壓力試驗(yàn)，其中試樣 1持續(xù)一個(gè)月，試樣 2持續(xù)兩個(gè)月，試樣3持續(xù)三個(gè)月，試樣4持續(xù)四個(gè)月，試樣 5持續(xù)五個(gè)月，試樣 6持續(xù)六個(gè)月；試樣7每星期做一次循環(huán) 壓力試驗(yàn)，試樣 8每月做一次循環(huán)壓力試驗(yàn)，試樣9每三個(gè)月做一次循環(huán)壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)六個(gè)月；試樣 10、11做靜壓試驗(yàn)，試樣 10做 CO 氣壓試驗(yàn)，試樣 1 1做鹽水試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)六個(gè)月；試樣 12做對(duì)比試樣．
4．3 試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過六個(gè)月的循環(huán)和靜壓試驗(yàn)后，每個(gè)試樣均截下一段 20厘米管體進(jìn)行物理評(píng)估，其余部分則進(jìn)行軸向和環(huán)向破壞試驗(yàn)．試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)見表 1，試驗(yàn)結(jié)果表明：所有的試樣浸入染料滲透劑后，再進(jìn)行外觀檢查后，沒有肉眼可見的微小裂紋 或脫層；所有試樣在進(jìn)行掃描對(duì)比法評(píng)估后，玻璃 化轉(zhuǎn)變溫度平均值為 108．8~C；所有試樣水力試 驗(yàn)的彈性極限平均值為26．59MPa；所有試樣水力 試驗(yàn)的爆破壓力平均值為58．64MPa；所有試樣應(yīng) 力、應(yīng)變值變化不大．
5 結(jié) 論
1)6個(gè)月的含有高濃度 CO 鹽水循環(huán)和靜壓 試驗(yàn)后，玻璃鋼管線沒有發(fā)生任何形式的物理和化學(xué)變化，也沒有發(fā)生任何形式的物理化學(xué)降解， 各項(xiàng)性能指標(biāo)均在設(shè)計(jì)值之內(nèi)；2)采用內(nèi)加熱固 化工藝可實(shí)現(xiàn)環(huán)氧玻璃鋼管道快速、高效的工業(yè)化制造．