Технологическая линия для изготовления арматуры из композитных материалов
PROCESS LINE FOR PRODUCTION OF REINFORCEMENT FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к технологическим линиям для изготовления арматуры из композитных материалов для армирования обычных и предварительно напряженных строительных конструкций.
Физико-механические характеристики композитной арматуры являются значимой альтернативой арматуре из металла по высокой прочности и коррозионной стойкости.
Композитная арматура применяется в промышленном и гражданском строительстве для возведения жилых, общественных и промышленных зданий, в малоэтажном и коттеджном строительстве для применения в бетонных конструкциях, для слоистой кладки стен с гибкими связями, для ремонта поверхностей железобетонных и кирпичных конструкций, а также при работах в зимнее время, когда в кладочный раствор вводятся ускорители твердения и противоморозные добавки, вызывающие коррозию стальной арматуры.
Известна технологическая линия для изготовления композитной арматуры(см патент RU №76659, публ. 27.09.2008 г.), содержащая шпулярник с бобинами ровингов, выравнивающее устройство, камеру отжига, пропиточную ванну с натяжным устройством, отжимное устройство, узел формирования несущего арматурного сердечника, устройство спиральной намотки жгута на сердечник для формирования профиля арматурного стержня, камеру полимеризации, тянущее устройство, узлы резки и сматывания, устройство спиральной намотки жгута выполнено в виде диска с продольной осью вращения, имеющего, по меньшей мере, две оппозитно расположенные, равноудаленные от указанной оси вращения, катушки обмоточного жгута, а также обмоточную втулку, соосную оси вращения диска, на выходе сформированного арматурного стержня из обмоточной втулки формовочного узла расположено устройство предотвращения скрутки волокон, которое выполнено в виде поярусно расположенных относительно продольной оси стержня роликов.
Наличие роликов, между которыми проходит формируемый стержень снижает крутящие моменты и способствует повышению скорости формования арматуры. Однако использование подпружиненных роликов поярусно расположенных относительно формируемого стержня может привести к нарушению параметров сформированного профиля жгута на арматурном стержне.
Кроме того, данная технологическая линия имеет низкую производительность и ограниченные технологические возможности в части формирования в одном и том же технологическом процессе несущих стержней композитной арматуры разных типоразмеров; формирования во время одного и того же технологического процесса композитной арматуры различной структуры из различных материалов (различного ровинга).
Вместе с тем, известно техническое решение по патенту RU №2547036, публ. 10.04.2015, которое выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения и при реализации которого:
обеспечивается повышение производительности технологической линии за счет двухпоточного процесса формирования в одном и том же технологическом процессе арматурных стержней композитной арматуры;
расширяются технологические возможности за счет одновременного формирования во время одного и того же технологического процесса стержней арматуры одних или разных типоразмеров или/и композитной арматуры из различных материалов (различного ровинга).
Технологическая линия по названному патенту содержит шпулярник с бобинами нитей ровинга, узел предварительной сушки ровинга, пропиточную ванну с натяжным и отжимным устройствами, формовочный узел несущих сердечников из пучков нитей ровинга, устройство формирования арматурных стержней, камеры полимеризации и охлаждения, тянущий узел и узел резки, устройство формирования арматурных стержней имеет корпус со смонтированными в нем с обеих сторон относительно продольно-вертикальной плоскости симметрии линии и симметрично относительно нее двумя кинематически связанными между собой вращающимися узлами намотки жгута и/или лент ровингана параллельно перемещаемые несущие сердечники для формирования профиля арматурных стержней, оси вращения узлов намотки параллельны к указанной плоскости симметрии, расположены в перпендикулярной к ней горизонтальной плоскости при траектории их вращения в поперечно-вертикальной плоскости, перпендикулярной к указанной плоскости симметрии, каждый узел имеет установленные на оси его вращения лопасть с катушкой обмоточного жгута и/или лент ровинга, оси поворота катушек параллельны осям вращения каждого узла и равноудалены от осей их вращения, соосно которым в корпусе устройства формирования арматурных стержней размещены направляющие втулки.
Однако данная технологическая линия имеет значительную металлоемкость и энергоемкость, что обусловлено конструктивным исполнением устройства формирования арматурных стержней, на выходе из которого формируются два потока арматурных стержней со значительным расстоянием между ними, увеличивающим как габариты, так и энергоемкость камер полимеризации, охлаждения, тянущего устройства. Использование в составе данной линии расположенного перед тянущим устройством технологического оборудования для подкручивания сформированной арматуры свидетельствует о неэффективности уплотнения нитей ровинга в формируемых стержнях арматуры перед их полимеризацией, при этом также снижается производительность линии, повышается ее материалоемкость и энергоемкость.
Технический результат изобретения заключается в повышении производительности технологической линии по изготовлению арматуры из композитных материалов с одновременным улучшением прочности формируемой арматуры и снижения материалоемкости и энергоемкости технологической линии при двухпоточном процессе формирования композитной арматуры.
Для реализации поставленного технического результата предложена технологическая линия по изготовлению композитной арматуры, содержащая шпулярник с бобинами нитей ровинга, узел предварительной сушки ровинга, пропиточную ванну с натяжным и отжимным устройствами, формовочный узел несущих сердечников из пучков нитей ровинга, устройство формирования арматурных стержней, камеры полимеризации и охлаждения, тянущий узел и узел резки, устройство формирования арматурных стержней имеет корпус со смонтированными в нем с обеих сторон относительно продольно-вертикальной плоскости симметрии линии и симметрично относительно нее двумя кинематически связанными между собой вращающимися узлами намотки жгута и/или лент ровинга на параллельно перемещаемые несущие сердечники для формирования профиля арматурных стержней, оси вращения узлов намотки параллельны к указанной плоскости симметрии, расположены в перпендикулярной к ней горизонтальной плоскости при траектории их вращения в поперечно-вертикальной плоскости, перпендикулярной к указанной плоскости симметрии, каждый узел имеет установленные на оси его вращения лопасть с катушкой обмоточного жгута и/или лент ровинга, оси поворота катушек параллельны осям вращения каждого узла и равноудалены от осей их вращения, соосно которым в корпусе устройства формирования арматурных стержней размещены направляющие втулки, согласно изобретению, узел формирования несущих сердечников из пучков нитей ровинга выполнен в виде расположенных с обеих сторон относительно продольной оси симметрии линии, двух рядов формующих фильер, последовательно расположенных в каждом ряду в направлениях параллельных к продольной оси линии, к последним фильерам по направлению перемещения несущих сердечников обращены катушки узлов намотки, оси вращения которых имеют встречное направление вращения, смещенных продольно-вертикальной плоскости симметрии при расстоянии между ними меньшим 2R, где R - радиус вращения лопастей и которые образуют между собой пересекающиеся траектории вращения с оппозитными относительно горизонтальной плоскости, проходящей через их оси вращения, зонами пересечения для поочередной ориентации в продольно-вертикальной плоскости, проходящей через названные зоны пересечения, осей поворота катушек лопастей узлов намотки, перед выходом сформированных арматурных стержней из размещенных в корпусе направляющих втулок смонтированы расположенные перед камерой полимеризации направляющие ролики, взаимодействующие с обеих сторон каждого арматурного стержня для переориентации направления его перемещения под углом к продольной оси линии и с образованием между продольными осями обоих арматурных стержней острого угла, ориентированного к камере полимеризации, оси вращения роликов первых по направлению перемещения обоих арматурных стержней расположены между ними со смещением к продольной оси симметрии линии, а оси вращения следующих роликов расположены с противолежащих сторон арматурных стержней и при сходе с них ориентируют стержни в направлениях перемещения параллельных к продольной оси линии, причем расстояние между осями данных роликов меньше расстояния между осями вращения предыдущих роликов.
Согласно изобретению, каждый узел намотки имеет одну катушку или две оппозитно расположенные относительно лопасти его вращения, при этом продольные оси лопасти одного узла ориентированы под углом 90° к лопасти другого узла.
Согласно изобретению, каждый узел намотки имеет равномерно распределенные по угловому смещению относительно его оси вращения три или четыре лопасти с катушками обмотки, при этом лопасти одного узла расположены с угловым смещением относительно лопастей другого узла для поочередной ориентации осей поворота их катушек в продольно-вертикальной плоскости, проходящей через зоны пересечения траекторий вращения лопастей узлов намотки.
Согласно изобретению, внутренние поверхности отверстий формообразующих фильер на входе в них пучков нитей ровинга выполнены коническими с меньшей конусностью их со стороны входа пучков нитей ровинга в последние фильеры по направлению перемещения формующих несущих сердечников.
Согласно изобретению, отрезное устройство состоит из двух модулей, независимо перемещающихся в продольном направлении для поперечного отреза сформированной арматуры при двухпоточном ее изготовлении.
При реализации изобретения благодаря использованию в составе технологической линии формовочного узла на основе последовательно расположенных в направлении продольной оси линии фильер для одновременного формирования двух несущих сердечников из пучков нитей ровинга, при указанном конструктивном исполнении устройства формирования арматурных стержней и при наличии направляющих роликов, взаимодействующих с обеих сторон формируемых арматурных стержней для образования между их продольными осями острого угла, ориентированного к камере полимеризации, а при сходе с них арматурных стержней в направлениях параллельных к продольной оси линии обеспечивается двухпоточное формирование арматурных стержней с оптимальной плотностью уплотнения нитей ровинга, что повышает прочность формируемой арматуры, повышается производительность линии, снижается ее материалоемкость и энергоемкость при двухпоточном процессе формирования арматуры по данному изобретению.
При анализе известного уровня техники не выявлены технические решения, имеющие аналогичную совокупность конструктивных признаков заявляемому техническому решению, что свидетельствует о соответствии его критериям изобретения «новизна» «изобретательский уровень» и «промышленная применимость», что подтверждается, описанием изобретения и поясняющими его графическими материалами, где на:
рис. 1 схематично показан общий вид технологической линии для изготовления арматуры из композитных материалов;
рис. 2 - фрагмент технологической линии в зоне формовочного узла несущих сердечников из пучков нитей ровинга и устройства спиральной обмотки несущих сердечников жгутами и/или лентами из нитей ровинга;
рис. 3-6-схематично показаны варианты расположения лопастей с катушками в узлах намотки устройства формирования арматурных стержней.
Технологическая линия по изготовлению композитной арматуры, содержит последовательно расположенные в направлении продольной оси следующее оборудование:
1. Шпулярник 1 с бобинами нитей ровинга, который, предпочтительно, выполнен в виде сдвоенного стеллажа для бобин нитей ровинга. Бобины нитей ровинга имеют направляющие, которые предназначены на распределение пучков нитей ровинга;
2. Узел предварительной сушки ровинга и, пропиточную ванну с натяжным и отжимным устройствами 2.
При реализации изобретения, предпочтительно, используют сдвоенный узел сушки ровинга с пропиточной ванной, натяжным и отжимным устройствами. Узел прогрева имеет расположенные на входе для нитей ровинга горизонтальные направляющие, установленные за ними термостойкие короба с нагревательными элементами (тэнами), датчики температуры и регулятор температуры. За блоками прогрева расположен второй ряд горизонтальных направляющих и пропиточные ванны с датчиками температуры и модулями механического дозированного нанесения связующего. Модули нанесения и дозировки связующего выполнены в виде барабанов, нижняя часть которых погружена в полимерный пропитывающий состав, а в верхней части барабанов установлены отжимные пластины. На выходе указанного узла расположены горизонтальные направляющие для нитей ровинга, которые распределяют на два потока перед входом в узел формирования несущих сердечников 3. Узел формирования несущих сердечников 3 из пучков нитей ровинга выполнен в виде расположенных с обеих сторон относительно продольной оси симметрии I-I линии, двух рядов формующих фильер 4 и 5. Фильеры 4 и 5 последовательно расположенных в каждом ряду в направлениях параллельных к продольной оси симметрии линии.
Внутренние поверхности отверстий формообразующих фильер 4 и 5 на входе в них пучков нитей ровинга выполнены коническими (на рис. не показано), при этом последние фильеры 5 по направлению перемещения формующих несущих сердечников имеют меньшую конусность со стороны входа пучков нитей ровинга, чем конусность входного отверстия предыдущей фильеры 4. В результате на выходе несущих сердечников из последних по направлению их перемещения фильер 5 обеспечивается их формирование с оптимально уплотненными нитями ровинга.
4. На выходе из последних фильер 5 по направлению перемещения формируемых несущих сердечников установлено устройство формирования арматурных стержней, катушки 6 узлов намотки7 которого обращены к выходу несущих сердечников из последних направлению их перемещения фильер 5.
Устройство формирования арматурных стержней имеет корпус со смонтированными в нем с обеих сторон относительно продольно-вертикальной плоскости симметрии I-I линии и симметрично относительно нее двумя кинематически связанными между собой вращающимися узлами намотки 7 жгута и/или лент ровинга на параллельно перемещаемые несущие сердечники для формирования профиля арматурных стержней 8. Оси вращения 9 узлов намотки параллельны к указанной плоскости симметрии, расположены в перпендикулярной к ней горизонтальной плоскости при траектории их вращения в поперечно-вертикальной плоскости II-II, перпендикулярной к указанной плоскости симметрии. Каждый узел намотки 7 имеет установленные на оси его вращения 9 лопасть 10 с катушкой 6 обмоточного жгута и/или лент ровинга, оси поворота катушек 6 параллельны осям вращения каждого узла и равноудалены от осей их вращения. Оси вращения узлов намотки имеют встречное направление вращения «W», смещены к продольно-вертикальной плоскости симметрии при расстоянии между ними меньшим 2R, где R - радиус вращения лопастей 10 и которые образуют между собой пересекающиеся траектории вращения с оппозитными относительно горизонтальной плоскости, проходящей через их оси вращения, зонами пересечения для поочередной ориентации в продольно-вертикальной плоскости, проходящей через названные зоны пересечения, осей поворота катушек 6 лопастей 10 узлов намотки.
Для поочередной ориентации осей поворота катушек 6 смежных узлов намотки, в направлении продольно-вертикальной плоскости, проходящей через зоны пересечения траекторий вращения названных узлов, в конструктивном исполнении их могут быть использованы:
одна лопасть 10 или оппозитно расположенные относительно оси вращения лопасти 10 с катушками 6 обмоточного жгута и/или лент ровинга, при этом продольные оси лопасти 10 одного узла ориентированы под углом 90° к лопасти другого узла намотки (см. рис. 3- 4);
равномерно распределенные по угловому смещению относительно оси вращения 9 три или четыре лопасти 10 с катушками обмоточного жгута и/или лент ровинга, при этом лопасти 10 одного узла намотки расположены с угловым смещением относительно лопастей 10 другого узла намотки для поочередной ориентации осей поворота их катушек 6 в продольно-вертикальной плоскости, проходящей через зоны пересечения траекторий вращения смежных узлов намотки (см. рис. 5-6).
В корпусе устройства формирования арматурных стержней соосно осям вращения 9 размещены направляющие втулки 11, выходы из которых для сформированных арматурных стержней 8 ориентированы к входному отверстию камеры полимеризации 12.
5. На выходе каждого сформированного арматурного стержня 8 из направляющей втулки 11 смонтированы расположенные перед камерой полимеризации 12 направляющие ролики 13, 14 взаимодействующие с обеих сторон каждого арматурного стержня для переориентации направления его перемещения под углом к продольной оси I-I линии и с образованием между продольными осями обоих арматурных стержней острого угла, ориентированного к камере полимеризации 12. Оси вращения роликов 13 первых по направлению перемещения обоих арматурных стержней 8 расположены между ними со смещением к продольной оси симметрии I-I линии. Оси вращения следующих роликов 14расположены с противолежащих сторон арматурных стержней 8 и при сходе ориентируют стержни в направлениях перемещения параллельных к продольной оси линии, причем расстояние между осями данных роликов меньше расстояния между осями вращения предыдущих роликов 13.
Наличие направляющих роликов 13 и 14, их расположение относительно арматурных стержней 8 обеспечивает сходимость двухпоточного направления их перемещения к продольной оси симметрии линии I-I и возможность использования в составе линии менее материалоемкого и энергоемкого технологического оборудования: камер полимеризации, охлаждения, тянущего устройства 15.
Использование в составе технологической линии направляющих ролики 13, 14 взаимодействующих с обеих сторон каждого формируемого арматурного стержня для переориентации направления его перемещения относительно продольной оси симметрии I-I линии не только способствует снижению материалоемкости и энергоемкости технологической линии при двухпоточном процессе формирования арматуры, но и обеспечивает более надежное последовательное уплотнение нитей ровинга в сформированном арматурном стержне с обеих его сторон перед его полимеризацией, тем самым повышается прочность изготовленной композитной арматуры при эксплуатации.
Для повышения прочности уплотнения нитей ровинга в сформированном арматурном стержне предпочтительно используют направляющие ролики 13 и 14 с профилированной наружной поверхностью, имеющей U-образную форму, что повышает надежность перемещения арматурного стержня к оптимизированной по ширине входа камеры полимеризации и обеспечивает уплотнение нитей ровинга.
Камеру полимеризации 12 традиционно изготавливают из теплоизолированного корпуса, имеющего секции с регулируемыми в них параметрами температурных режимов. Секции оснащены нагревательными элементы инфракрасного, лампового или тэнового типа и датчиками контроля рабочей температуры.
Используемая в составе технологической линии камера охлаждения имеет оросительно-каскадную систему охлаждения.
В качестве тянущего устройства 15, предпочтительно, используют гусеничный тянущий механизм, что оптимизирует ширину захвата при двухпоточном направлении движения арматурных стержней к модулям 16 отрезного устройства.
Отрезное устройство состоит из двух модулей 16 независимо перемещающихся в продольном направлении для поперечного отреза сформированной арматуры при двухпоточном ее изготовлении. Для независимого перемещения модулей 16 используют механизм возвратно поступательного перемещения.
В состав технологической линии входят узлы 17 смотки готовой продукции в рулоны, имеющие возможность работы, как в виде общего модуля, так и разделенного на две независимые части, в варианте с принудительным приводом.
В состав технологического оборудования линии входит блок централизованного управления и коррекции производственного процесса.
В данном блоке используют элементы программных модулей-контроллеров, совмещенные с индукционными, оптическими и температурными датчиками на узлах линии. С помощью панели управления можно в режиме онлайн, менять режимы работы линии и параметры изготавливаемой композитной арматуры.
Технологическая линия для изготовления композитной арматуры в части конструктивных особенностей формовочного узла несущих сердечников из пучков нитей ровинга, устройства формирования арматурных стержней, наличия направляющих роликов перед камерой полимеризации для переориентации направления перемещения арматурных стержней, выходящих из устройства их формирования относительно входа в камеру полимеризации обеспечивает:
возможность использования в технологической линии рядно расположенных формующих фильер с оптимальным осевым расстоянием между ними благодаря конструктивным особенностям узлов намотки жгута и/или лент ровинга устройства формирования арматурных стержней. Оптимальность осевого расстояния между параллельными рядами формующих фильер способствует улучшению компактности подачи пучков нитей в фильеры и повышает плотность уплотнения нитей ровинга при двухпоточном формовании несущих сердечников;
возможность использования в кинематической связи встречно вращающихся валов смежных узлов намотки устройства формирования арматурных стержней наиболее надежных в условиях частых пусков и торможений (наличие разрывов жгутов или лент ровинга при формировании арматурного стержня) гибких передач, предпочтительно на основе цепных передач;
возможность уменьшения габаритов технологической линии по межосевому расстоянию между перемещаемыми в направлении к камере полимеризации сформированных арматурных стержней, что способствует возможности использования в технологической линии менее материалоемкого и энергоемкого технологического оборудования при двухпоточном изготовлении композитной арматуры.
Таким образом, в целом повышение производительности технологической линии при двухпоточном процессе формирования композитной арматуры одновременно способствует снижению материалоемкости и энергоемкости технологической линии и повышению плотности уплотнения нитей ровинга при формировании несущих сердечников и при формировании профиля арматурного стержня.
Для изготовления композитной арматуры используют традиционно известное для этих целей технологическое сырье: в том числе, например, стекловолоконный ровинг, прямой ровинг (некрученная прядь из стеклянных элементарных нитей), базальтовое волокно, эпоксидные связующие.
При работе технологической линии обеспечивается одновременное формирование в одном и том же технологическом процессе двух арматурных стержней композитной арматуры, что повышает производительность, расширяются технологические возможности линии за счет одновременного формирования во время одного и того же технологического процесса стержней арматуры одних или разных типоразмеров или/и композитной арматуры из различных материалов (различного ровинга).
Осуществляемый на технологической линии для изготовления арматуры из композитных материалов процесс, последовательность выполняемых технологических операций, температурные режимы, используемые при изготовлении композитной арматуры, является традиционными для технологических линий аналогичного назначения.