CN102353597A - 复合材料芯棒卷绕试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料芯棒卷绕试验机，包括防护罩、试样导入装置、卷绕装置和可编程控制器，所述的试样导入装置的、卷绕装置设置在所述的防护罩内，所述的可编程控制器设置在所述的防护罩外侧。本发明具有以下特点：1、试样导入装置确保试样能够沿设定的方向平稳地进给，试样上保持恒定的张力，故卷绕后试样的曲率半径与卷绕轮的外径一致，能够确保测试的精度和可靠性；2、卷绕装置结构简单，操作方便，且能自动进给。电机转速和卷绕轮外径可根据需要进行调节，可广泛适用于不同规格型号的试样；3、采用可编程控制器，可对各种规格型号的试样的卷绕试验进行设定和自动控制，并计算和输出试验结果。

Description

复合材料芯棒卷绕试验机
技术领域
本发明涉及输电线路用材料的试验装置，尤其涉及碳纤维/玻璃纤维增强复合材料制成的芯棒的卷绕试验装置，具体地说是一种碳纤维/玻璃纤维增强复合芯棒卷绕试验机。
背景技术
碳纤维/玻璃纤维树脂是指由碳纤维和玻璃纤维作为增强相混杂于一种树脂基体相中构成的一类复合材料，因其具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、弧垂小和热膨胀系数小等一系列优异性能，迎合了电力行业对新型输电线路绞线芯材的要求，由此以碳纤维/树脂为中心层、玻璃纤维/树脂为包覆层的碳纤维复合芯应运而生。在随后的研究中发现，与常规钢芯相比，碳纤维/玻璃纤维复合芯的质量约为1/5，线膨胀系数约为1/12。外层玻璃纤维增强了芯棒的耐磨性，且有助于减小芯棒和铝线间的损伤。芯棒表面光滑，不需后期加工可直接与梯形截面软铝绞线配合，从而为其在输电架空线路行业中的应用提供了可能和必然，还可减少传输中电力的损耗，减少20％的塔杆，节省用地，减少金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型电网。
为方便输电线路绞线的运输和放线过程，往往将其芯材卷绕于一合理尺寸的圆盘上进行。为更多地运送绞线，人们往往选择将芯材卷绕于尺寸尽可能小的圆盘。然而，碳纤维/玻璃纤维复合芯的弹模量高，延伸率低，外层玻璃纤维裸露故容易产生划痕或损伤等不宜被发觉的表面缺陷，若使用的圆盘尺寸过小有可能导致芯棒受损甚至折断。
如何快捷高效地检验碳纤维/玻璃纤维复合芯裸露表面的缺陷、如何为碳纤维/玻璃纤维复合芯的运输和放线提供安全合理的曲率半径，已成为新型电力行业输电线路绞线安全运行首要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种专用于复合材料芯棒卷绕试验机，通过对试样进行自行夹持、紧密卷绕和定时保载，有效测得不同直径、不同材质的碳纤维/玻璃纤维增强复合材料制成的芯棒的最小卷绕半径，为碳纤维/玻璃纤维增强复合材料制成的芯棒在实际使用和运载时提供试验数据和设计依据。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：复合材料芯棒卷绕试验机，包括防护罩、试样导入装置、卷绕装置和可编程控制器，所述的试样导入装置的、卷绕装置设置在所述的防护罩内，所述的可编程控制器设置在所述的防护罩外侧，其特征在于：
所述的试样导入装置包括一对立座和一对导向机构，所述的一对导向机构前后设置在所述的立座上，其特征在于所述的每个导向机构包括支座、手轮、光杆、压板以及相对配置的一对上导向轮和一对下导向轮，所述的手轮穿过支座的顶板后与所述的压板螺纹连接；所述的上导向轮的转轴设置在所述的压板上，其两端穿入支座的侧板上开设的纵向槽内；所述的下导向轮的转轴设置在支座的侧板上；所述的光杆轴接在所述的支座的侧板上，两端固定在所述的一对立座上，并且所述的光杆与所述上导向轮的转轴和下导向轮的转轴平行；
所述的卷绕装置包括支架、驱动电机、卷绕轮和夹持装置，其特征在于所述的驱动电机设置在支架上，其轴伸端设有联动轴，所述的卷绕轮设置在所述的联动轴上；所述的夹持装置包括连接头、芯棒夹紧套、垫片和螺栓，所述的连接头设置在所述的卷绕轮上，连接头上设有容置孔；所述的芯棒夹紧套的套头上设有芯棒穿孔，并置于连接头的一侧，套身置于所述的容置孔内，套尾开设有螺孔；所述的垫片和螺栓置于连接头的另一侧，所述的螺栓与芯棒夹紧套的螺孔连接。
本发明的复合材料芯棒卷绕试验机，具有以下特点：
1、试样导入装置确保试样能够沿设定的方向平稳地进给，试样上保持恒定的张力，故卷绕后试样的曲率半径与卷绕轮的外径一致，能够确保测试的精度和可靠性；
2、卷绕装置结构简单，操作方便，且能自动进给。电机转速和卷绕轮外径可根据需要进行调节，可广泛适用于不同规格型号的试样；
3、采用可编程控制器，可对各种规格型号的试样的卷绕试验进行设定和自动控制，并计算和输出试验结果。
本发明的试样导入装置，其工作过程如下：先将前后导向机构的手轮旋松，然后将试样从后导向机构的上下导向轮中穿过后，再从前导向机构的上下导向轮中穿出，旋紧前后导向机构的手轮，压板下行后试样被压紧于上下导向轮之间，并保持一定的张力。继续拉动试样端部至卷绕装置并固定。在进行卷绕试验过程中，试样就能在上下导向轮中行进，使试样能够沿设定的方向平稳地进给。由于支座可绕光杆转动，因此导向机构能够对试样进给角度及进给过程中出现的晃动进行自动调整。同时由于压板的作用使试样与导向轮之间只产生滚动而没有相对滑动，试样上保持恒定的张力，故卷绕后试样的曲率半径与卷绕轮的外径一致，能够确保测试的精度和可靠性。
作为本发明的进一步改进，所述的光杆通过滚珠轴承轴接在所述的支座上。
作为本发明的再进一步改进，所述的每个立座上对应开设有一组纵向排列的调节孔，用以固定所述的后导向机构的光杆。由于卷绕试验机根据不同规格的试样要求配置不同直径的卷绕轮，为使每次试验都能保证试样呈直线状态切向卷入卷绕轮上，需要对后导向机构的高度进行调整。当卷绕轮直径较小时，卷绕轮的试样切入点与前导向机构的进给高度一致时，后导向机构固定在与前导向机构相同高度的位置，试样呈水平状态进给。当卷绕轮直径较大时，卷绕轮的试样切入点低于前导向机构的进给高度，此时可将后导向机构固定在较上面的调节孔，使试样保持直线状态进给。上述调节孔按已有的卷绕轮直径进行设置。
再进一步地，所述的每个立座上还开设有一条与所述各调节孔联通的纵向导向槽。在更换不同直径卷绕轮后继续试验时，只需将光杆从一对调节孔出移到纵向导向槽内，再进入到下一个试验对应的调节孔内即可，使操作更为方便。
更进一步地，所述的每个立座上开设有一条纵向的调节槽，用以固定所述的后导向机构的光杆。这种结构，可以对后导向机构的高度进行无级调节。
本发明的卷绕装置，其工作过程如下：将试样穿过芯棒夹紧套的套头上开设的芯棒穿孔，旋紧螺栓使试样固定。开启驱动电机，电机旋转带动联动轴转动，进而带动卷绕轮转动便可进行测试。等卷绕轮转过设定的圈数后断开电源，驱动电机停转，测试结束。检查试样表面，观察是否有裂纹或断裂现象。
根据本发明，所述的驱动电机带减速装置，优选一体式电机减速机，使产品结构更为紧凑。电机也可以是伺服电机，便于自动控制和调节。
为研究不同规格型号芯棒的最小卷绕半径，本发明配套了多种规格的卷绕轮。卷绕轮的轮毂必须有足够的强度，可以支撑起芯棒在卷绕时产生的向心力。但轮毂与芯棒接触的盘面材质不可过硬，否则可能会损伤复合材料芯棒表层纤维，导致芯棒开裂，影响试验结果。轮毂重量尽可能轻，以便更换方便。为此，本发明中优先采用MC高强尼龙制作轮毂，并在不影响轮毂强度的情况下，在轮毂盘面上对称地开设多个通孔，达到减少轮毂重量，方便安装更换的目的。
作为本发明的进一步改进，联动轴最外侧设有防脱盖，以防止卷绕轮在卷绕过程中脱出。
作为本发明的再进一步改进，联动轴上还设有位移编码器，将卷绕轮的转动圈数转化为电信号输出到可编程控制器，由可编程控制器精确计算，并在达到设定值后保载30秒，然后停止试验，从而达到自动控制的目的。
作为本发明的再进一步改进，所述防护罩的两侧板为双层结构，其中里层为金属冲孔网板，外层为有机玻璃板，即可看到试样的测试情况，又能防止试样断裂后碎片飞出伤人。所述防护罩的顶板为金属板，并可拆卸，便于更换。防护罩前面装有两扇可视门，方便更换卷绕轮及安装试样。门采用的材料为双层无色钢化玻璃，两层玻璃间通过密封胶粘接，增加了玻璃的抗冲击性能。
作为本发明的更进一步改进，所述的防护罩上还设有视频监控***，该视频监控***包括设置在防护罩外侧的监视器、设置在防护罩上方的监控配电箱和设置在防护罩内四个顶角处的摄像头，可对试验过程进行视频监控。摄像头正对试验机轮毂卷面，将轮毂周向上的试样表面状态分为四个不同方向的画面展示在视频上，即覆盖了试样所有的被卷绕面，保证视频监控无盲区。监控配电箱用于给视频监控***提供电源，并可存放数据盒，用于重播视频。此类方法既保障了试验人员的安全，又能实时监控和录制试验过程，提高了对试样破坏状态判断的可靠性。
附图说明
图1是本发明复合芯棒卷绕试验机的结构示意图。
图2是本发明复合芯棒卷绕试验机的轴测图。
图3是本发明防护罩侧板的结构示意图。
图4是本发明试样导入装置的结构示意图。
图5是本发明试样导入装置的轴测图。
图6是本发明试样导入装置另一个方向的轴测图。
图7是本发明试样导入装置的导向机构的结构示意图。
图8是本发明试样导入装置配较小直径卷绕轮时的应用状态图。
图9是本发明试样导入装置配较大直径卷绕轮时的应用状态图。
图10是发明试样导入装置带纵向导向槽实施方式的结构示意图。
图11是发明试样导入装置带纵向调节槽实施方式的结构示意图。
图12是本发明卷绕装置的结构示意图。
图13是图12的左视图。
图14是本发明卷绕装置的卷绕轮的结构示意图。
图15是图14的俯视图。
图16是图14的后视图。
图17是本发明卷绕装置的夹持装置的结构示意图。
图18是发明夹持装置的主视图。
图19是图18A-A向的剖视放大图。
图20是本发明卷绕装置的卷绕轮的装卸示意图。
图21是本发明可编程控制器的结构示意图。
图22是本发明可编程控制器的后视图。
图23是本发明的试验流程图。
图中，1-试样，2-防护罩，3-卷绕装置，4-可视门，5-试样导入装置，6-可编程控制器，7-监视器，8-摄像头，9-监控配电箱；
501-调节孔，502-前导向机构，503-后导向机构，504-撑板，505-立座，506-手轮，507-光杆，508-防脱盖，509-滚珠轴承，510-下导向轮，511-压板，512-支座，513-上导向轮，514-顶板，515-侧板，516-转轴，517-纵向槽，518-转轴，519-纵向导向槽，520-纵向调节槽，523-试样引入点；
302-卷绕轮，303-夹持装置，304-驱动电机，305-支架，306-防脱盖，307-位移编码器，308-联动轴，309-轮辋，310-键槽，311-轮毂，312-通孔，313-轴套，314-安装孔，315-连接头，316-安装孔，317-芯棒夹紧套，318-芯棒穿孔，319-螺孔，320-容置孔，321-螺栓，322-垫片，323-键槽，324-套头，325-套身；
601-人机界面，602-急停按钮，603-地脚，604-长条孔。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明的复合材料芯棒卷绕试验机，包括防护罩2、试样导入装置5、卷绕装置3和可编程控制器6，所述的试样导入装置5的、卷绕装置3设置在所述的防护罩2内，所述的可编程控制器6设置在所述的防护罩2外侧。
由于复合材料芯棒在开裂瞬间会有纤维束和粉尘被弹射到周围空气中，为了保证试验人员的安全，防止试验人员被纤维束弹伤或吸入粉尘，又能实时观察试样的开裂情况，本发明安装了一套视频监控***。此套视频监控***包括设置在防护罩外侧的监视器7、设置在防护罩上方的监控配电箱9和设置在防护罩内四个顶角处的摄像头8，可对试验过程进行视频监控。摄像头8正对试验机轮毂卷面，将轮毂周向上的试样表面状态分为四个不同方向的画面展示在视频上，即覆盖了试样所有的被卷绕面，保证视频监控无盲区。监控配电箱9用于给视频监控***提供电源，并可存放数据盒，用于重播视频。此类方法既保障了试验人员的安全，又能实时监控和录制试验过程，提高了对试样破坏状态判断的可靠性。
参照图3，所述防护罩2的顶板204为金属板，并可拆卸。所述防护罩2前面装有两扇可视门4；所述的可视门4采用的材料为双层无色钢化玻璃，两层玻璃间通过密封胶粘接。
参照图4、图5和图6，本发明的复合材料芯棒卷绕试验机的试样导入装置5，包括一对立座505和一对导向机构502、503，所述的一对导向机构502、503前后设置在所述的立座505上。在所述一对立座5之间还设有撑板504。
参照图7，所述的每个导向机构502、503包括支座512、手轮506、光杆507、压板511以及相对配置的一对上导向轮513和一对下导向轮510。所述的支座512具有顶板514和一对侧板515。
所述的手轮506设置在顶部，其穿过支座512的顶板514后与所述的压板511螺纹连接。所述的上导向轮513的转轴516设置在所述的压板511上，其两端穿入支座512的侧板515上开设的纵向槽517内。由于转轴516可以在纵向槽517内上下***，因此上导向轮513可以随压板511在一定范围内上下移动。所述的下导向轮510的转轴518设置在支座512的侧板515上。所述的光杆507通过滚珠轴承509轴接在所述的支座512的侧板515的中心位置处，两端穿入两立座505上的调节孔501；将防脱盖508从立座505的外侧套装在光杆的端部，再将螺栓525旋入光杆端部上开设的螺孔内524。所述的光杆507与所述上导向轮513的转轴516和下导向轮510的转轴518平行。
旋转手轮506，使压板511上移，上导向轮513也随之上移。将试样1从上下导向轮之间穿过，反方向旋转手轮506，使压板511下行，直至上导向轮513压紧试样。试样的端部连接到卷绕轮上后，便可进行测试。在卷绕过程中，试样保持一定的张力。
导向轮装置除用于给碳纤维棒导向外，还用于给碳纤维棒施加一定的摩擦阻力。
为了使试样导入的角度可调，在所述的每个立座505上对应开设有一组纵向排列的调节孔501，用以固定所述的后导向机构503的光杆507。
参见图8，由于卷绕试验机根据不同规格的试样要求配置不同直径的卷绕轮，为使每次试验都能保证试样呈直线状态切向卷入卷绕轮上，需要对后导向机构的高度进行调整。当卷绕轮302直径较小时，卷绕轮的试样切入点523与前导向机构502的进给高度一致时，后导向机构503固定最下面的调节孔501-1内，使前后导向机构的高度相同，试样1呈水平状态进给。
参见图9，当卷绕轮302直径较大时，卷绕轮的试样切入点523低于前导向机构502的进给高度，此时可将后导向机构503固定在较上面的调节孔501-2，使试样1保持直线状态进给。上述调节孔按已有的卷绕轮直径规格进行设置。
参照图10，在此基础上，所述的每个立座505上还开设有一条与所述各调节孔501联通的纵向导向槽519。在更换不同直径卷绕轮后继续试验时，只需将光杆从一对调节孔出移到纵向导向槽519内，再进入到下一个试验对应的调节孔内即可，使操作更为方便。
参照图11，所述的调节孔也可以用一条纵向的调节槽520替代，将所述的后导向机构503的光杆507固定在该调节槽520内，使可对后导向机构503的高度进行无级调节。
在这种实施方式下，为保证光杆507的水平度，也可以采用电动升降方式控制光杆507。
参照图12和图13，本发明的卷绕装置3，包括支架305、驱动电机304、卷绕轮302和夹持装置303，所述的驱动电机304设置在支架305上，其轴伸端设有联动轴308，所述的卷绕轮302设置在所述的联动轴308上。联动轴308上还设有位移编码器307。
参照图14、图15和图16，卷绕轮302采用MC高强尼龙制作轮毂311，并在不影响轮毂强度的情况下，在轮毂盘面上对称地开设306个通孔312，达到减少轮毂重量，方便安装更换的目的。卷绕轮302上设有与联动轴308配合的轴套313，轴套313上开设有键槽310。轮毂311上开设有安装孔314，用于安装夹持装置303。
参照图17、图18和图19，所述的夹持装置303包括连接头315、芯棒夹紧套317、垫片322和螺栓321。所述的连接头315上开设有安装孔316，该安装孔316与轮毂311上开设的安装孔314一一对应，通过螺钉将连接头315固定到所述的卷绕轮302的轮毂盘面上，连接头315的一端设有容置孔320。
所述的芯棒夹紧套317的套头324上设有芯棒穿孔318，并置于连接头315的一侧，套身325置于所述的容置孔320内，套尾开设有螺孔319。所述的垫片322和螺栓321置于连接头315的另一侧，所述的螺栓321与芯棒夹紧套317的螺孔319连接。
试验时，将试样1穿过夹紧套头324上开设的芯棒穿孔318，旋紧螺栓321，螺栓321顶紧试样使试样固定。
参照图20，为适应不同规格型号芯棒的最小卷绕半径，本发明配套了多种规格的卷绕轮。更换卷绕轮时，首先去掉防脱盖306，然后将轮毂安装在联动轴308上。联动轴308上开设有键槽323，通过键配合将卷绕轮固定在联动轴308上。最后，再盖上防脱盖306。
联动轴的直径比卷绕轮的孔径小1mm，方便安装拆卸。
参照图21和图22，本发明的可编程式控制器6为拖线式控制盒，便于试验人员手拿控制盒站在不同的位置观察试验的同时，也能及时的控制试验机；控制盒底面装有四个橡胶地脚603，可以将控制盒放在桌子上；控制盒的背面做有长条孔604，用于将控制盒挂在防护罩上。控制盒上装有急停开关602，当出现意外需要停机时可以及时停机。控制盒上还设有人机界面601，用于设定参数。
参照图23，本发明试验机的试验过程如下：打开可编程控制器6的主机电源，按下人机界面601上的复位键，卷绕轮302会旋转到能方便试样安装的初始设定位置，根据碳纤维棒的规格选择相应的夹紧套头317，碳纤维棒先穿过试样导入装置的导向轮，再***到卷绕装置的夹紧套317内的孔，拧紧螺钉321，就可以压紧试样，再手动旋紧导入装置的旋转手轮。安装好试样后关闭防护门4。在人机界面上设定卷绕圈数，然后开始试验，当试样崩裂或旋转到规定的圈数时停止试验，通过监视器7观察试样的破坏情况，回转并取下试样，结束试验。试验可以通过视频监控回放。
应注意到，上述说明只是对本发明的一个可行实施例的具体描述，该实施例并非限制本发明的专利范围。本发明还可以有其他实施方式，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围内。

Claims (10)

1.复合材料芯棒卷绕试验机，包括防护罩(2)、试样导入装置(5)、卷绕装置(3)和可编程控制器(6)，所述的试样导入装置(5)的、卷绕装置(3)设置在所述的防护罩(2)内，所述的可编程控制器(6)设置在所述的防护罩(2)外侧，其特征在于：
所述的试样导入装置(5)包括一对立座(505)和一对导向机构(502、503)，所述的一对导向机构(502、503)前后设置在所述的立座(505)上，所述的每个导向机构(502、503)包括支座(512)、手轮(506)、光杆(507)、压板(511)以及相对配置的一对上导向轮(513)和一对下导向轮(510)，所述的手轮(506)穿过支座(512)的顶板(514)后与所述的压板(511)螺纹连接；所述的上导向轮(513)的转轴(516)设置在所述的压板(511)上，其两端穿入支座(512)的侧板(515)上开设的纵向槽(517)内；所述的下导向轮(510)的转轴(518)设置在支座(512)的侧板(515)上；所述的光杆(507)轴接在所述的支座(512)的侧板(515)上，两端固定在所述的一对立座(505)上，并且所述的光杆(507)与所述上导向轮(513)的转轴(516)和下导向轮(510)的转轴(518)平行；
所述的卷绕装置(3)包括支架(305)、驱动电机(304)、卷绕轮(302)和夹持装置(303)，所述的驱动电机(304)设置在支架(305)上，其轴伸端设有联动轴(308)，所述的卷绕轮(302)设置在所述的联动轴(308)上；所述的夹持装置(303)包括连接头(315)、芯棒夹紧套(317)、垫片(322)和螺栓(321)，所述的连接头(315)设置在所述的卷绕轮(302)上，连接头(315)上设有容置孔(320)；所述的芯棒夹紧套(317)的套头(324)上设有芯棒穿孔(318)，并置于连接头(315)的一侧，套身(325)置于所述的容置孔(320)内，套尾开设有螺孔(319)；所述的垫片(322)和螺栓(321)置于连接头(315)的另一侧，所述的螺栓(321)与芯棒夹紧套(317)的螺孔(319)连接。
2.如权利要求1所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述试样导入装置(5)的的光杆(507)通过滚珠轴承(509)轴接在所述的支座(512)上；所述的每个立座(505)上对应开设有一组纵向排列的调节孔(501)，用以固定所述的后导向机构(503)的光杆(507)。
3.如权利要求2所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述的每个立座(505)上还开设有一条与所述各调节孔(501)联通的纵向导向槽(519)。
4.如权利要求1所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述卷绕装置(3)的驱动电机(304)为一体式伺服电机减速机。
5.如权利要求1所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述卷绕装置(3)的卷绕轮(302)的轮毂(311)盘面上均匀开设有多个通孔(312)。
6.如权利要求1所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述卷绕装置(3)的卷绕轮(302)上设有与联动轴(308)配合的轴套(313)；所述的卷绕轮(302)和联动轴(308)键配合；所述的联动轴(308)最外侧设有防脱盖(306)；所述的联动轴(308)上还设有位移编码器(307)。
7.如权利要求1所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述防护罩(2)的两侧板(201)为双层结构，其中里层(202)为金属冲孔网板，外层(203)为有机玻璃板。
8.如权利要求7所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述防护罩(2)的顶板(204)为金属板，并可拆卸。
9.如权利要求8所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述防护罩(2)前面装有两扇可视门(4)；所述的可视门(4)采用的材料为双层无色钢化玻璃，两层玻璃间通过密封胶粘接。
10.如权利要求1-9任何一项所述的复合材料芯棒卷绕试验机，其特征在于所述的防护罩(2)上还设有视频监控***。
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