碳纖維復合材料輥的設計和制造

Design and manufacture of carbon fiber composite rollers

CHEN Yuting，FEI Chundong，WU Weiping*，WANG Baorui，ZHOU Yanyun，WU Haipeng，GAO Xiaoru（HarbinFRPInstituteCo.，Ltd.，Harbin150028）

Abstract：The basic performanceof carbon fiber compositerols is realized through rawmaterial designandautomatic windingprocess，andthestructuralstabilityofcarbonfibercompositerolsisrealizedthroughsimulationanalysisandoptimized designbyforceanalysisandoptimizationdesign.Thetestresultsshowthatcomparedwiththemetalroller withthesamevolume and pressure，the weight of the carbon fiber composite roller is reduced by 62% ，the critical speed is twice that of the corresponding metal roller，the energy consumption is reduced by 20% ，and the production efficiency of the single machine is increased by 30% . The design of carbon fiber composite rollers meets the technical requirements，reduces costs and increases efficiency，and improves product quality and production efficiency.

Keywords：carbon fiber composites；rollers；lightweighting；filament winding

1引言

隨著非織造行業的快速發展，人們對非織造材料的面密度、強力均勻性和混合均勻程度等方面的要求越來越高。鋪網機是非織造布生產線不可或缺的重要配套裝備，是連接整個生產線的紐帶，對纖網產品的生產效率、質量以及多樣性起著關鍵性的作用。輥是鋪網機傳動系統的關鍵部件，其性能和狀態決定鋪網機的運轉精度，進而影響鋪網作業的質量。傳統輥體為金屬材質，其質量大，會增加啟動或制動時的慣性，影響傳動系統整體性能。在實際的使用過程中，經常會出現輥體磨損，從而造成震動加大、噪音變大、損壞設備等問題，嚴重影響生產。此外，金屬輥如果要增加幅寬就必須考慮輥體重量的增加和輥體的撓度承受量。但在有些情況下，很多導輥不需要動力，而且由于所需帶動薄膜的重量的原因，為了避免拉伸或損壞，金屬導輥通常需要由復雜的電子系統來驅動控制，導致成本更高。隨著行業的發展和運營成本控制的需求，急需解決輥體輕量化的問題。近年來，碳纖維作為一種高性能材料，具有強度高、質量輕、可設計性好等優點，被譽為21世紀的“新材料之王”。由碳纖維和樹脂基體結合形成的碳纖維增強復合材料與傳統的金屬材料相比，具有比模量高、比強度高、抗疲勞性能和減振性能好等優點，目前被廣泛應用于各個領域。相比于金屬材料的輥體，碳纖維復合材料輥體的質量更輕，降低鋪網機啟動和停止慣性，提高輥體轉速[1，2]。蠕變小、耐腐蝕、耐疲勞性能好，能使鋪網機擁有更長的使用壽命[3.4]。噪聲小、能耗低、振動衰減性好、安全性高[5，6]。尤其在長周期、大范圍的工作背景下，碳纖維復合材料輥體的優勢會集中體現，有效降低耗能，提升生產效率，降本增效。本文研究和制造了一種碳纖維復合材料輥，實現了鋪網機輥體的輕量化，代替傳統金屬輥，提高鋪網機生產效率。

2碳纖維復合材料輥性能和結構設計

2.1 性能設計

本文研究的碳纖維復合材料輥體設計性能指標如下：

（1）外徑 160mm ，內徑 140mm ：（2）總長度 4820mm ，輥面長度 4100mm ：（3）輥面承受 40kg 均布載荷， 25kg 集中載荷；（4）不平衡量 ?8.3g ：（5）跨距 4300mm 簡支條件下，輥體中間部位的最大撓度 ?0.15mm 。

2.2 結構設計

碳纖維復合材料輥由碳纖維復合材料圓筒和金屬端頭構成，其結構示意如圖1所示。

3材料選擇

3.1增強材料的選擇

從減重和性能綜合考慮，選擇碳纖維為增強材料。對輥體的傳統金屬和纖維材料進行性能參數的對比，不同材料的性能對照如表1所示。

3.2 基體樹脂的選擇

本研究選用中溫固化環氧樹脂體系為基體樹脂，環氧樹脂是復合材料應用最廣、最多的一類樹脂基體。不同環氧樹脂的固化溫度對固化后產品的性能影響不同。當固化溫度較高時，所得復合材料制品會產生較大的內應力，不利于控制尺寸精度，甚至會導致材料的提前破壞。中溫固化環氧樹脂固化溫度有所降低，固化時間縮短，內應力小、尺寸穩定性好，設備使用率提高，能耗降低，生產成本降低，生產效率提高。高溫固化和中溫固化環氧樹脂的對比如表2所示。

4碳纖維復合材料輥仿真分析

由于碳纖維復合材料各向異性的特征，把輥中間形狀規則的圓柱部分設計為碳纖維復合材料圓筒。由于輥筒主要受集中載荷作用，所以在設計和強度校核中優先考慮的是其承載性能，同時，由于碳纖維復合材料圓筒部分是輥的主體部分，為了滿足工作時額定轉速的要求，用有限元分析的方法對這一部分的動力學性能進行驗證，使輥的主體部分在初步設計中滿足設計的要求。利用ANSYS軟件建立碳纖維復合材料輥的有限元分析模型，基于Kirchhoff薄板理論，通過取薄板結構的中面，將三維薄板的變形體問題轉化為二維撓曲面問題，采用殼單元Shell進行網格劃分進而計算求解，單元的基本尺寸設置為 5mm 。經仿真計算，碳纖維復合材料軸的設計方案滿足性能要求，可以進行試驗件的研制。碳纖維復合材料軸的有限元模型如圖2-圖4所示。

5碳纖維復合材料輥試驗件制備

本文選用威海拓展公司的CCFT700S為增強材料，以環氧樹脂為基體材料在金屬芯模上制備碳纖維復合材料圓筒。輥兩端的接頭采用金屬材料。對于碳纖維復合材料輥，由于纖維類復合材料力學特性的各項異性，沿著纖維的方向，復合材料擁有較強的抗拉和抗壓性能，而非纖維方向的性能則較差。在復合材料成型的過程中，纖維方向，含量等因素都是可以通過復合材料的可設計性來控制。通過調整纖維及樹脂基體的種類和纖維的排布方式及加工工藝可滿足輥體在不同位置和方向的力學性能要求。按照受力方向鋪設碳纖維，發揮其軸向的力學性能優勢[7]。在實際工程中，可以通過對碳纖維復合材料的內部結構設計來達到不同的性能要求。通過改變碳纖維的鋪層方式可以使其動力學特性發生變化，從而通過對鋪層方式的優化來使碳纖維復合材料輥的動力學特性來滿足設計要求。本研究采用纏繞成型工藝制備了碳纖維復合材料輥，制備工藝流程如圖5所示。

制備完成的碳纖維復合材料輥試驗件總長4820mm ，內徑 140mm ，外徑 160mm ，重量為 38.85kg （不含金屬端頭），實現減重 62% ，輥體周跳0.02，端面跳動0.08。輥體撓度0.137，長端不平衡量 4.11g ，短端不平衡量 3.79g ，各項指標均滿足設計要求。制備的輥試驗件產品如圖6所示。

形變，有效地提升了安全性能。臨界轉速是相應金屬輥的兩倍，具有很好的耐疲勞性和耐腐蝕性，而且噪聲小、振動衰減性好，能耗降低 20% ，單機生產效率提高 30% ，降本增效，提升了企業的核心競爭力。

6結語

本研究碳纖維復合材料輥重量更輕、抗震性能更好、噪聲更低、工作效率更高，在紡織、鋰電池、印刷、造紙等傳統行業里已逐漸應用，這些行業的相關設備需要使用大量輥軸類零部件，而且這類零部件在整個設備中起到了“積聚性”作用，當成千上萬的碳纖維復合材料輥上線后，在長周期、大范圍的工作背景下，碳纖維復合材料工業輥的優勢將得到集中體現，提高產業的競爭優勢、效益和發展規模，促進產業結構的升級和優化，實現產業創新，推動經濟的可持續發展。

本文設計制備了碳纖維復合材料輥試驗件，試驗結果表明，碳纖維復合材料輥的設計滿足技術要求，與同體積、同壓力的金屬輥相比，重量減輕了62% ，不僅能夠承載更大的重量，并且不容易發生

參考文獻

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[2］陶雷．碳纖維復合材料汽車傳動軸結構優化及性能評價［D].上海：東華大學，2017.

[3]YANGM，GUIL，HUY，etal．DynamicanalysisandvibrationtestingofCFRPdrive-line systemusedinheavy-dutymachinetool [J].ResultsinPhysics，2018，S2211379717315760.

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［5］楊睿．碳纖維復合材料傳動軸的動力學特性研究［D]．武漢：武漢理工大學，2013.

[6］鈕嘉穎．碳纖維機床傳動軸的彎扭性能研究［D]．武漢：武漢理工大學，2013.

[7］張勝男，劉艷兵．汽車用碳纖維復合材料的結構設計與加工工藝［J].ATamp;M視界，2018（9）：1-8.