具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-8；抢修杆在生产使用过程中，抢修杆的长度可能有所不同，但一般 情况下，抢修杆需要的长度为12m,本发明以生产12m长的抢修杆为例，对复合材 料抢修杆的生产制造工艺进行进一步阐述，基于抢修杆主体的长度，以及在实际 过程中抢修杆为顶端直径小于根部直径的锥形结构，其中顶径φ190mm，根径φ 350mm；本发明在制造芯模时，结合考虑抢修杆壁厚的初步设定值，将芯轴的尺 寸设计为芯模轴头φ155mm，轴尾φ327mm，再加上尾部支撑和过渡连接段，总长 为12992mm的锥形接结构，如图2所示。

为了使芯模可以重复利用，芯模采用金属材料制成，超长的芯模在实际生产 过程中，芯模在自重负载的情况下会产生一定的挠度，为了减少芯模的挠度值对 缠绕成型的抢修杆的质量的影响，选用模量较大不易变形的钢作为芯模材料，根 据有限元建模分析，可以得知材质为钢的芯模，在简支式约束，自重负载情况下， 其最大挠度值为3.5mm，对抢修杆质量影响可以忽略，如附图4所示，为芯模挠 度变化图、芯模挠度变化云图以及芯模挠度沿长度变化图。

为了实现使芯模实现内加热在线固化，芯模中间部分为中空圆柱体；内部有 一与芯轴1同轴的蒸汽管道2，蒸汽管道2的一端封闭，另一端开放，开放端用 于通入蒸汽；在蒸汽管道2轴向方向的几个固定位置上分布有四个方向的均匀出 气孔3；在蒸汽管道的入口端，设有蒸汽入口4以及与外部连通的冷凝水出口5； 用于蒸汽和冷凝水的排出；如图3所示。

为了实现生产过程中的缠绕以及芯模更好的更好的转动，芯轴1的头端设有 旋转头6，所述芯轴1的尾端设有尾部支撑7。

本发明中复合材料抢修杆的制造工艺采用上述芯模进行制造，主要应用内加 热固化加热方法，进行抢修杆内结构层和中防护层的边缠绕边固化，具体如图1 可知，本发明包括以下步骤；

S1；准备模具，并在模具外表面涂覆脱模剂(便于后续脱模)；

S2；制作内结构层，对模具进行内加热，并在模具外表面进行内结构层的缠 绕以及固化；

S3；制作中防护层，待S2中内结构层半固化后，在S2中内结构层的外侧进 行中防护层的缠绕以及固化；

S4；制作外防滑层，对缠绕完成的内结构层和中防护层的外缘面进行喷砂处 理；

S5；整体固化、脱模、切割形成成品。

所述的步骤S2中的内加热方式为蒸汽加热，通过在模具内部的蒸汽管道2 通入高温蒸汽进行对模具表面的均匀加热；由于在蒸汽管道的侧壁上沿轴向间隔 的分布的有圆周开设的出气孔3，使蒸汽可以均匀地分布在芯轴1内腔中，实现 均匀加热，实现更好的固化效果。

为了保证内结构层的强度，在选材时，内结构层采用碳纤维复合材料缠绕， 配合树脂浇铸进行固化保证良好的强度和模量，此外在浇铸树脂时掺加固化剂， 配合加热技术，实现内结构层的缠绕和固化同步进行，可以有效的提高工作效率

但是虽说碳纤维复合材料的密度小，强度、模量高，特别是弹性模量比玻璃 纤维高约2.5倍，而且蠕变、耐疲劳等耐久性优异，使用寿命长，但碳纤维复合 材料的缺点也比较明显，其脆性大，冲击强度大易碎裂，签于复合材料抢修杆搭 在运输、安装过程中易发生摩擦、磕碰，甚至工人在立杆填埋土石时难免有尖石、 钢钎对复合材料抢修杆搭有磕碰现象；为了更好的提高抢修杆的使用寿命，在内 结构层的外部设计中防护层，所述中防护层采用玻璃纤维复合材料缠绕而成，在 缠绕时浸润树脂与固化剂混合物，实现中防护层的缠绕和固化同步进行；本发明 中防护层可以对抗紫外线和腐蚀的耐老化层，对抢修杆起到保护作用，即在内结 构层缠绕完成后再次采用浸润了耐老化的脂肪族双组份聚氨酯的玻璃纤维环向 缠绕两层；中防护层的总厚度1.2mm～1.5mm，而且表面层中有超过65％的玻璃纤维含量，可以大大提高了表面层的抗刮擦磨损的能力。

此外由于在中防护层缠绕完成固化后，由于其材质特性，抢修杆表面比较光 滑，使得轻型材料抢修杆在运输、安装、维护过程中，爬杆容易打滑，同时不方 便立杆，因此在中防护层的外侧专门设计制作了一层外防滑层，即对抢修杆进行 喷砂处理，在中防护层缠绕结束后，树脂固化之前，立即对抢修杆整个杆身表面 喷涂石英砂，厚度不小于0.5mm。

通过以上边加热边缠绕以及结合同步固化的方法，相对于传统外固化工艺有 如下优点：(1)由于省去了中间的拆卸、转移和安装过程，热缠绕显然具有更高 的成型效率；(2)高温高压蒸汽的流动速度快，金属芯模的传热效率高，从而能 提高加工过程的能源效率；(3)由于缠绕和固化同步进行，复合材料抢修杆能实 现逐层成型，因此固化反应过程中产生的气泡能够及时排出，更有利于树脂流动 和材料的密实，从而使得成型后的复合材料抢修杆具有更好的质量和性能；此外 抢修杆三层结构的设计，使得抢修杆具有良好的强度，抗腐蚀，易安装维护等特 性，具有更好的使用寿命。

本发明中内结构层的强度是整个抢修杆质量的重中之重，为了保证抢修杆更 好的强度，需要对内结构层进行进一步研究，采用尽可能提高其强度的方法进行 制造，采用缠绕式方式生产时，影响结构强度的因素主要有缠绕角度、铺层层数 以及铺层厚度等。

首先考虑缠绕角度方面进行考虑，缠绕角度的不同会影响抢修杆的挠度值、 应力值以及失效参数，需要综合考虑选择合适的铺设角度，一般来说，复合材料 当作正交异性材料分析使用，纤维在轴向方向的性能远超横向方向，所以增加0 度铺层有利于提高抢修杆塔整体抗弯性能，但实际中的缠绕工艺难以实现严格0 度铺层。理论上铺层角度越接近0度，在服役工况下，抢修杆挠度值越小，具体 变化曲线如附图5所示，负载6kN时，抢修杆最大挠度值随纤维铺层角度的不同 而变化的曲线，可以看出，在纤维角度小于20度时，最大挠度值的增加随纤维 角度的增加并不明显。

如图5所示，负载6kN时，抢修杆最大应力值随纤维铺层角度的不同而变化， 可以看出抢修杆在承担6kN负载时，根部位置最大应力值随铺层角度从0度到90 度的变化而变化。当纤维角度小于45度时，纤维角度的增加会导致最大应力值 增加，当纤维角度大于45度时，纤维角度的增加会导致最大应力值减小，最大 应力值在纤维角度为45度时具有最大值。这是因为轴向应力取决于刚度矩阵的 轴向方向分量，而这一项除了和材料轴向性能之直接相关外，还与材料横向性能 对轴向的耦合有关，当纤维角度由0度增加至45度，轴向性能减弱，横向性能 减弱轴向性能作用力增加，当纤维角度由45度增加至90度，轴向性能减弱，横 向性能减弱轴向性能的作用力减弱，在纤维角度为45度，横向性能修减弱轴向 性能的作用力最大。因此在纤维角度为45度时，其轴向应力最大。

如图5所示，负载6kN时，抢修杆失效参数随纤维铺层角度的不同而变化， 可以看出抢修杆在承担6kN负载时，抢修杆失效参数随铺层角度从0度到90度 的变化而变化。失效参数小于1表示组成抢修杆的任何一层复合材料没有发生破 坏，当失效参数等于或大于1表示在所有铺层中的复合材料中有一层发生了破坏， 其承载能力减弱或者不能承担任何负载。失效参数越小，说明轻型材料抢修杆的 强度越高，越不容易破坏，失效参数越高，说明抢修杆越接近破坏，越不安全。 图中所示当纤维角度大于50度，失效参数随纤维角度的增加而快速增加，而当 纤维角度在小区间变化时，失效参数随纤维角度的增加而增加的并不明显。

从以上三个因素的变化图进行分析，综合考虑最大挠度值、最大应力值、失 效参数与纤维角度相关的曲线图，以及缠绕工艺对纤维角度、展纱宽度、缠绕切 点数量的限制，本发明在纤维小角度区间选择15度作为铺层角度；另外本发明 增加了90度纤维铺层以避免杆体径向开缝，以及90度铺层可以在后续的缠绕成 型制造工艺中起到将多余树脂挤出的作用，为了更好地发挥90度纤维铺层的作 用，应限制最大连续铺层数，不宜连续铺设同向铺层超过4层，因此交内结构层 在铺设过程中交替铺设±15°铺层和90°铺层。

如图6可知，为负载6kN时，铺层厚度对挠度值、应力值以及失效参数的关 系；通过图中曲线，把在铺层厚度是4mm时获得最大挠度和最大应力当作标准， 其他铺层厚度时的结果与铺层厚度是4mm时结果的差值，是当铺层厚度增加时， 最大挠度和最大应力的减少量，再把减少量除以铺层厚度是4mm时相应的结果， 得到的比例值当作相应结果参数的减少比例，如图7所示。在铺层厚度小于7mm， 最大挠度和最大应力减少速度较快，抢修杆的最大挠度和最大应力随铺层厚度增 加的减少比例的变化趋势是快速下降的，当铺层厚度大于7mm，最大挠度和最大 应力的减少趋势随着铺层厚度的增加而变缓。

综上，考虑设计铺层角度为±15度和90度，结合缠绕工艺中对单层小角度 铺层以及环向铺层厚度的限制，本发明中设计铺层厚度最优选择为7mm。

此外由于缠绕角度的设定较小，结合目前国内缠绕设备工艺状态，采用9～ 15°的小角度以保证纤维力学性能，但这个小角度缠绕在工艺上会带来芯模端部 缠绕线型不稳定等难题。为了解决该问题，芯模两端设计有多齿篦环，如图8所 示；图中1-芯模；8-篦齿环；9-挂纱板；10-纱片；11-防悬垂装置。

在纱带随小车运行至芯模一端时，篦齿环实现挂纱功能，该结构在小角度缠 绕下改善纤维缠绕滑线，减少材料损耗，缩短端部小车停留时间。所述芯轴的两 端均设有篦齿环，用于方便小角度挂纱。

此外在实际生产过程中，还需要考虑其他因素的影响，比如缠绕切点、缠绕 张力，胶含量等，对于缠绕切点，切点数越多，纤维缠绕在芯模上的交叉次数就 越多，致使纤维在两端聚积，有可能出现应力集中，因此应选择少切点的线型。 经实践测定，φ50～φ100mm圆管可选择3切点，φ300～φ400mm可选择8切点， φ800mm以上的圆管需可选择18切点。因本抢修杆芯模梢部直径φ155mm，根部 直径φ327mm，轴向展纱宽度为113mm，所以，本发明轻型材料抢修杆缠绕切点数 应选择9点合适。

对于缠绕张力，复合材料抢修杆结构层强度、模量与缠绕张力有着密切关系。 缠绕张力过小，制品强度低，缠绕张力过大，会使纤维的强度损失加大，制品强 度下降。同时，缠绕张力大小对复合缠绕层含胶量高低也有显著影响。所以，缠 绕张力选择要适当，其大小一般为纤维强度的5％～10％。

关于胶含量的控制，目前，复合材料电杆均采用湿法缠绕工艺。湿法缠绕是 将纤维集束浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点主要有： ①成本比干法缠绕低40％；②空隙率低，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡 挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液， 可减少纤维磨损；⑤生产效率高(达200m/min)。湿法缠绕的缺点主要有：①树 脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制。本项目在实施过程中， 采用手工刮胶法，将多余树脂挤出。

综上所述，本发明通过通过相应的芯模进行复合材料抢修杆三层结构的制 造，采用内加热式的缠绕和固化同步进行的制造方法，结合对生产过程中各个工 艺参数的选择，可以有效的保证抢修杆的生产效率以及质量，有效的避免出现电 力故障时，传统方法修复较慢，造成重大损失的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也视为本发明的保护范围。