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
随着非织造行业的快速发展，人们对非织造材料的面密度、强力均匀性和混合均匀程度等方面的要求越来越高。铺网机是非织造布生产线不可或缺的重要配套装备，是连接整个生产线的纽带，对纤网产品的生产效率、质量以及多样性起着关键性的作用。辊是铺网机传动系统的关键部件，其性能和状态决定铺网机的运转精度，进而影响铺网作业的质量。传统辊体为金属材质，其质量大，会增加启动或制动时的惯性，影响传动系统整体性能。在实际的使用过程中，经常会出现辊体磨损，从而造成震动加大、噪音变大、损坏设备等问题，严重影响生产。此外，金属辊如果要增加幅宽就必须考虑辊体重量的增加和辊体的挠度承受量。但在有些情况下，很多导辊不需要动力，而且由于所需带动薄膜的重量的原因，为了避免拉伸或损坏，金属导辊通常需要由复杂的电子系统来驱动控制，导致成本更高。随着行业的发展和运营成本控制的需求，急需解决辊体轻量化的问题。近年来，碳纤维作为一种高性能材料，具有强度高、质量轻、可设计性好等优点，被誉为21世纪的“新材料之王”。由碳纤维和树脂基体结合形成的碳纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有比模量高、比强度高、抗疲劳性能和减振性能好等优点，目前被广泛应用于各个领域。相比于金属材料的辊体，碳纤维复合材料辊体的质量更轻，降低铺网机启动和停止惯性，提高辊体转速[1，2]。蠕变小、耐腐蚀、耐疲劳性能好，能使铺网机拥有更长的使用寿命[3.4]。噪声小、能耗低、振动衰减性好、安全性高[5，6]。尤其在长周期、大范围的工作背景下，碳纤维复合材料辊体的优势会集中体现，有效降低耗能，提升生产效率，降本增效。本文研究和制造了一种碳纤维复合材料辊，实现了铺网机辊体的轻量化，代替传统金属辊，提高铺网机生产效率。
2碳纤维复合材料辊性能和结构设计
2.1 性能设计
本文研究的碳纤维复合材料辊体设计性能指标如下：
（1）外径 160mm ，内径 140mm ：（2）总长度 4820mm ，辊面长度 4100mm ：（3）辊面承受 40kg 均布载荷， 25kg 集中载荷；（4）不平衡量 ⩽8.3g ：（5）跨距 4300mm 简支条件下，辊体中间部位的最大挠度 ⩽0.15mm 。
2.2 结构设计
碳纤维复合材料辊由碳纤维复合材料圆筒和金属端头构成，其结构示意如图1所示。
3材料选择
3.1增强材料的选择
从减重和性能综合考虑，选择碳纤维为增强材料。对辊体的传统金属和纤维材料进行性能参数的对比，不同材料的性能对照如表1所示。
3.2 基体树脂的选择
本研究选用中温固化环氧树脂体系为基体树脂，环氧树脂是复合材料应用最广、最多的一类树脂基体。不同环氧树脂的固化温度对固化后产品的性能影响不同。当固化温度较高时，所得复合材料制品会产生较大的内应力，不利于控制尺寸精度，甚至会导致材料的提前破坏。中温固化环氧树脂固化温度有所降低，固化时间缩短，内应力小、尺寸稳定性好，设备使用率提高，能耗降低，生产成本降低，生产效率提高。高温固化和中温固化环氧树脂的对比如表2所示。
4碳纤维复合材料辊仿真分析
由于碳纤维复合材料各向异性的特征，把辊中间形状规则的圆柱部分设计为碳纤维复合材料圆筒。由于辊筒主要受集中载荷作用，所以在设计和强度校核中优先考虑的是其承载性能，同时，由于碳纤维复合材料圆筒部分是辊的主体部分，为了满足工作时额定转速的要求，用有限元分析的方法对这一部分的动力学性能进行验证，使辊的主体部分在初步设计中满足设计的要求。利用ANSYS软件建立碳纤维复合材料辊的有限元分析模型，基于Kirchhoff薄板理论，通过取薄板结构的中面，将三维薄板的变形体问题转化为二维挠曲面问题，采用壳单元Shell进行网格划分进而计算求解，单元的基本尺寸设置为 5mm 。经仿真计算，碳纤维复合材料轴的设计方案满足性能要求，可以进行试验件的研制。碳纤维复合材料轴的有限元模型如图2-图4所示。
5碳纤维复合材料辊试验件制备
本文选用威海拓展公司的CCFT700S为增强材料，以环氧树脂为基体材料在金属芯模上制备碳纤维复合材料圆筒。辊两端的接头采用金属材料。对于碳纤维复合材料辊，由于纤维类复合材料力学特性的各项异性，沿着纤维的方向，复合材料拥有较强的抗拉和抗压性能，而非纤维方向的性能则较差。在复合材料成型的过程中，纤维方向，含量等因素都是可以通过复合材料的可设计性来控制。通过调整纤维及树脂基体的种类和纤维的排布方式及加工工艺可满足辊体在不同位置和方向的力学性能要求。按照受力方向铺设碳纤维，发挥其轴向的力学性能优势[7]。在实际工程中，可以通过对碳纤维复合材料的内部结构设计来达到不同的性能要求。通过改变碳纤维的铺层方式可以使其动力学特性发生变化，从而通过对铺层方式的优化来使碳纤维复合材料辊的动力学特性来满足设计要求。本研究采用缠绕成型工艺制备了碳纤维复合材料辊，制备工艺流程如图5所示。
制备完成的碳纤维复合材料辊试验件总长4820mm ，内径 140mm ，外径 160mm ，重量为 38.85kg （不含金属端头），实现减重 62% ，辊体周跳0.02，端面跳动0.08。辊体挠度0.137，长端不平衡量 4.11g ，短端不平衡量 3.79g ，各项指标均满足设计要求。制备的辊试验件产品如图6所示。
形变，有效地提升了安全性能。临界转速是相应金属辊的两倍，具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性，而且噪声小、振动衰减性好，能耗降低 20% ，单机生产效率提高 30% ，降本增效，提升了企业的核心竞争力。
6结语
本研究碳纤维复合材料辊重量更轻、抗震性能更好、噪声更低、工作效率更高，在纺织、锂电池、印刷、造纸等传统行业里已逐渐应用，这些行业的相关设备需要使用大量辊轴类零部件，而且这类零部件在整个设备中起到了“积聚性”作用，当成千上万的碳纤维复合材料辊上线后，在长周期、大范围的工作背景下，碳纤维复合材料工业辊的优势将得到集中体现，提高产业的竞争优势、效益和发展规模，促进产业结构的升级和优化，实现产业创新，推动经济的可持续发展。
本文设计制备了碳纤维复合材料辊试验件，试验结果表明，碳纤维复合材料辊的设计满足技术要求，与同体积、同压力的金属辊相比，重量减轻了62% ，不仅能够承载更大的重量，并且不容易发生
参考文献
[1］洪宝剑．碳纤维复合材料传动轴的设计研究［D]．武汉：武汉理工大学，2012.
[2］陶雷．碳纤维复合材料汽车传动轴结构优化及性能评价［D].上海：东华大学，2017.
[3]YANGM，GUIL，HUY，etal．DynamicanalysisandvibrationtestingofCFRPdrive-line systemusedinheavy-dutymachinetool [J].ResultsinPhysics，2018，S2211379717315760.
[4］崔广群，肖文刚，王鹏飞，等．碳纤维复合材料传动轴承扭性能研究［J]．玻璃钢/复合材料，2014（7）：74-77.
［5］杨睿．碳纤维复合材料传动轴的动力学特性研究［D]．武汉：武汉理工大学，2013.
[6］钮嘉颖．碳纤维机床传动轴的弯扭性能研究［D]．武汉：武汉理工大学，2013.
[7］张胜男，刘艳兵．汽车用碳纤维复合材料的结构设计与加工工艺［J].ATamp;M视界，2018（9）：1-8.
