纤维增强复合材料浸渍系统及其曲轴旋转振动设备和应用的制作方法

本申请涉及但不限于纤维增强复合材料的成型技术，尤其涉及但不限于一种纤维增强复合材料的浸渍系统及其曲轴旋转振动设备和应用。
背景技术：
：在纤维增强聚氨酯泡沫塑料成型技术中，为实现多束连续长玻纤有效增强发泡聚氨酯泡沫，需要两者之间充分均匀浸渍。目前纤维增强聚氨酯泡沫塑料成型工艺中浸渍段采用多人轮班交替揉搓的方式，浸渍效果不稳定，特别是长时间生产时，工人的疲劳感增加、专注度下降，浸渍效果会随之下降。此外，聚氨酯树脂完成发泡后就会发生固化，因此在生产合成轨枕时需要在聚氨酯树脂完成发泡前完成对连续长纤维的浸润。但聚氨酯树脂的发泡时间较短，受聚氨酯树脂发泡时间的限制，生产大尺寸的制品时，采用人工揉搓浸润的方式在短时间内无法将树脂基体材料与纤维充分浸润，从而限定了成型制品的尺寸，无法通过一次成型得到满足铁路用的大尺寸的合成轨枕，只能先成型为小尺寸的制品，然后通过多层粘接的方式形成满足铁路用的大尺寸的合成轨枕。这样不仅增加了加工成本还降低了生产效率，并且采用粘接的，方式存在粘接面开裂的风险，影响列车运行安全。技术实现要素：以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。本申请提供了一种纤维增强复合材料的浸渍系统及其曲轴旋转振动设备和应用，该浸渍系统能够使纤维被树脂充分浸润，并且机械化程度高，不会随生产时间延长导致浸渍效果下降，而且能够一次成型得到满足铁路用的合成轨枕。具体地，本申请提供了一种曲轴旋转振动设备，所述曲轴旋转振动设备包括：曲轴旋转振动棒，所述曲轴旋转振动棒的棒状主体的外周面上设置有复数圈凹槽；一台电机；和两个凸轮与转动导杆组合结构，所述曲轴旋转振动棒固定在所述两个凸轮与转动导杆组合结构之间，其中一个凸轮与转动导杆组合结构与所述电机的电机轴相连接，并且被所述电机驱动然后带动所述曲轴旋转振动棒上下振动并朝着纤维移动的方向旋转。在本申请的实施方式中，所述凸轮与转动导杆组合结构可以包括凸轮、转动导杆和曲轴棒固定座，所述凸轮上设置有第一齿轮和凸轮导向槽，所述凸轮导向槽设置在所述第一齿轮的四周；所述转动导杆包括连接杆和转动杆，其中一个凸轮与转动导杆组合结构的连接杆与所述电机的电机轴相连接，所述转动杆上设置有安装孔；所述曲轴棒固定座的一端设置有第二齿轮，另一端与所述曲轴旋转振动棒连接固定，所述曲轴棒固定座的设置有第二齿轮的一端穿过所述安装孔后嵌入所述凸轮导向槽中，并且所述第一齿轮与所述第二齿轮相啮合。在本申请的实施方式中，所述凹槽的深度可以为10mm～100mm，相邻的所述凹槽之间的间距可以为10mm～100mm。在本申请的实施方式中，所述凹槽可以为三角形或矩形凹槽。在本申请的实施方式中，所述曲轴旋转振动棒可以由金属、木材、塑料和橡胶中的任意一种或更多种材料制成。本申请还提供了一种纤维增强复合材料浸渍系统，所述浸渍系统包括：配料设备，所述配料设备供给树脂基体材料；混料设备，所述混料设备与所述配料设备相连接，配置为将来自于所述配料设备的树脂基体材料混合均匀，所述混料设备上设置有出料口；和如上所述的曲轴旋转振动设备，所述曲轴旋转振动设备设置在所述混料设备的下游，所述曲轴旋转振动棒设置在被所述混料设备浇注了树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部中的任意一处或更多处。在本申请的实施方式中，所述曲轴旋转振动棒可以设置有3个，3个所述曲轴旋转振动棒可以分别设置在被所述混料设备浇注了树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部。在本申请的实施方式中，所述混料设备的出料口可以配置为能够沿垂直于所述纤维移动的方向往复摆动。在本申请的实施方式中，所述混料设备上可以设置有出料管，所述出料管的远离所述混料设备的一端的出口为所述出料口，所述出料管的远离所述混料设备的一端可以在往复式机械设备的驱动下沿垂直于所述纤维移动的方向往复摆动，所述往复式机械设备可以包括两根导轨、滑台、气缸和固定支架，所述滑台可滑动地设置在所述两根导轨之间，所述气缸与所述滑台相连接并驱动所述滑台在所述两根导轨上滑动，所述固定支架设置在所述滑台上，所述混料设备的出料口固定在所述固定支架上。本申请还提供了如上所述的纤维增强复合材料浸渍系统的应用，包括：所述配料设备向所述混料设备供给树脂基体材料，在所述混料设备内将所述树脂基体材料混合均匀；将纤维牵引至所述混料设备的出料口的下方，通过所述出料口将混合均匀的树脂基体材料浇注在所述纤维上；在所述混料设备的下游，将所述曲轴旋转振动棒设置在浇注有树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部中的任意一处或更多处，开启所述驱动装置，驱动所述曲轴旋转振动上下振动并朝着纤维移动的方向旋转。在本申请的实施方式中，所述曲轴旋转振动棒的振动幅度可以为-50mm～50mm，所述曲轴旋转振动棒的旋转线速度可以与纤维的移动速度基本一致。本申请的纤维增强复合材料的浸渍系统采用曲轴旋转振动设备代替了人工揉搓浸渍，提高了系统的机械化程度，使浸渍系统不仅具有高效稳定的生产效率，而且解决了多人轮班交替揉搓存在的纤维、树脂基体浸渍不均匀、成本高、成型产品尺寸受限等诸多问题。本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。图1为本申请实施例的曲轴旋转振动设备的结构示意图。图2为图1的曲轴旋转振动设备的主视图。图3为本申请实施例的曲轴旋转振动棒的结构示意图。图4为图3的曲轴旋转振动棒的主视图。图5为申请实施例的曲轴旋转振动设备的凸轮的结构示意图。图6为申请实施例的曲轴旋转振动设备的转动导杆的结构示意图。图7为申请实施例的曲轴旋转振动设备的曲轴棒固定座的结构示意图。图8为本申请实施例的纤维增强复合材料的浸渍系统的结构示意图。图9为本申请实施例的往复式机械设备的结构示意图。附图中的附图标记为：1-曲轴旋转振动棒2-电机11-凹槽12-锯齿3-凸轮与转动导杆组合结构31-凸轮311-第一齿轮312-凸轮导向槽32-转动导杆321-连接杆322-转动杆323-安装孔33-曲轴棒固定座331-第二齿轮4-配料设备41-黑料罐42-白料罐43-干燥器44-搅拌器45-计量泵5-混料设备51-出料口52-出料管6-往复式机械设备61-导轨62-滑台63-气缸64-固定支架100-纤维200-树脂基体材料具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本申请实施例提供了一种曲轴旋转振动设备，如图1-2所示，所述曲轴振动设备包括曲轴旋转振动棒1、一台电机2和两个凸轮与转动导杆组合结构3。所述曲轴旋转振动棒1固定在所述两个凸轮与转动导杆组合结构3之间，其中一个凸轮与转动导杆组合结构3与所述电机2的电机轴相连接，并且被所述电机2驱动然后带动所述曲轴旋转振动棒3上下振动并朝着纤维移动的方向旋转。如图3-4所示，所述曲轴旋转振动棒1的棒状主体的外周面上设置有复数圈凹槽11。棒状主体上未设置凹槽11的部分形成锯齿12。在本申请实施例中，所述曲轴振动棒的长度可以为100mm～1000mm，例如，为500mm；所述曲轴旋转振动棒的直径可以为20mm～200mm，例如，为50mm；所述曲轴旋转振动棒的凹槽的深度可以为10mm～100mm，例如，为35mm；相邻的所述凹槽之间的间距可以为10mm～100mm；所述曲轴旋转振动棒的凹槽的形状可以为三角形或矩形，图2所示即为三角形；所述曲轴旋转振动棒的材质可以为金属、木材、塑料和橡胶中的任意一种或更多种，例如为45号碳钢，当材质为两种及两种以上时，意指曲轴旋转振动棒的不同部位的材质不同。所述凸轮与转动导杆组合结构可以采用机械领域常用的凸轮与转动导杆组合结构。如图1所示，所述凸轮与转动导杆组合结构3包括凸轮31、转动导杆32和曲轴棒固定座33。所述电机2设置在所述凸轮31的一侧。如图5所示，所述凸轮31的远离所述电机2的一侧上设置有第一齿轮311和凸轮导向槽312，所述凸轮导向槽312设置在所述第一齿轮311的四周。如图6所示，所述转动导杆32包括连接杆321和转动杆322，其中一个凸轮与转动导杆组合结构3的连接杆321与所述电机的电机轴相连接，所述转动杆322上设置有安装孔323。如图7所示，所述曲轴棒固定座33的一端设置有第二齿轮331，另一端与所述曲轴旋转振动棒连接固定。所述第一齿轮311的形状可以为圆形或椭圆形。所述安装孔323的长度大于所述第一齿轮311的边缘与所述第一齿轮311的中心之间的最大距离，以允许所述第二齿轮331在所述凸轮导向槽312中转动。所述凸轮导向槽312的相对的两侧之间的距离与所述曲轴旋转振动棒1的振动幅度有关，当所述第一齿轮311的形状可以为圆形时，所述凸轮导向槽312的内周也为圆形，该内周的半径等于所述曲轴旋转振动棒1的振动幅度。安装时，将所述曲轴棒固定座33的设置有第二齿轮331的一端穿过所述安装孔323后嵌入所述凸轮导向槽312中，并且使所述第一齿轮311与所述第二齿轮331相啮合。工作时，开启所述电机2，与所述电机2相连接的所述转动导杆32随电机同步转动，同时带动穿过所述转动导杆32的所述曲轴棒固定座33在所述凸轮导向槽312内转动。所述曲轴棒固定座33上连接的曲轴旋转振动棒1随所述转动导杆32转动，同时所述曲轴旋转振动棒1自身在所述第二齿轮331的带动下进行旋转。本申请实施例还提供了一种纤维增强复合材料的浸渍系统，如图8所示，所述浸渍系统包括配料设备4、混料设备5和如上所述的曲轴旋转振动设备。所述配料设备4供给树脂基体材料(包括异氰酸酯、多元醇和匀泡剂、发泡剂、抗老化剂、阻燃剂、紫外吸收剂等助剂)。所述配料设备4可以包括用于盛放异氰酸酯的黑料罐41和用于盛放多元醇以及助剂的白料罐42，所述黑料罐41上端设置有干燥器43，可以避免异氰酸酯与水接触发生化学反应，所述白料罐42中设置有搅拌器44，可以将所述白料罐42中的多种原料搅拌均匀。所述黑料罐41和所述白料罐42的下端可以分别通过管道与所述混料设备5的上端相连接。在所述黑料罐41与所述混料设备5之间的管道和所述白料罐42与所述混料设备5之间的管道上可以分别设置有一个计量泵25，用于分别控制所述黑料罐41和所述白料罐42中原料的供给量。所述混料设备5与所述配料设备4相连接，配置为将来自于所述配料设备4的树脂基体材料混合均匀，所述混料设备5上设置有出料口51。所述混料设备5可以为静态混合器、高压发泡机或低压发泡机，例如，为高压发泡机(结构如图8所示)，例如，可以为温州飞龙聚氨酯设备工程有限公司生产的pu22f-系列的高压发泡机。所述混料设备5的出料口51可以配置为能够沿垂直于所述纤维移动的方向往复摆动。在本申请实施例中，所述混料设备5上可以设置有出料管52，所述出料管52的远离所述混料设备5的一端的出口作为所述出料口51，所述出料管52的远离所述混料设备5的一端可以在往复式机械设备6的驱动下沿垂直于所述纤维移动的方向往复摆动。如图9所示，所述往复式机械设备6可以包括两根导轨61、滑台62、气缸63和固定支架64，所述滑台62可滑动地设置在所述两根导轨61之间，所述气缸63与所述滑台62相连接并驱动所述滑台62在所述两根导轨61上滑动，所述固定支架64设置在所述滑台62上，所述混料设备5的出料口51固定在所述固定支架64上。所述气缸63可以为单轴气缸或双轴气缸。所述曲轴旋转振动设备设置在所述混料设备5的下游，所述曲轴旋转振动棒1设置在被所述混料设备5浇注了树脂基体材料200的纤维100的上部、中部和下部中的任意一处或更多处。工作时，曲轴旋转振动棒1通过上下振动和朝着纤维移动的方向旋转不断地接触和拍打纤维100，其上的锯齿有助于纤维表面的树脂基体材料200进入纤维内部。所述曲轴旋转振动设备可以设置有复数台，例如3台，3台所述曲轴旋转振动设备中的3个曲轴旋转振动棒1可以分别设置在被所述混料设备5浇注了树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部，用以分别对纤维的上部、中部和下部进行振动拍打。3个所述曲轴旋转振动棒1可以在所述纤维的移动方向上等距离地均匀设置，例如，可以分别设置在纤维的前端、中部和后端，从而实现树脂基体材料对纤维的充分浸渍。本申请实施例还提供了如上所述的浸渍系统的应用，包括：(1)所述配料设备向所述混料设备供给树脂基体材料，在所述混料设备内将所述树脂基体材料混合均匀；(2)将纤维牵引至所述混料设备的出料口的下方，通过所述出料口将混合均匀的树脂基体材料浇注在所述纤维上；(3)在所述混料设备的下游，将所述曲轴旋转振动棒设置在浇注有树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部中的任意一处或更多处，开启所述驱动装置，驱动所述曲轴旋转振动上下振动并朝着纤维移动的方向旋转。在步骤(1)中，可以根据生产需求(例如，生产速度和损胶率等)计算树脂基体材料的每分钟用量，调整计量泵参数，使黑料罐和白料罐中的树脂基体材料按比例输送至所述混料设备，混合均匀。当采用高压发泡机作为混料设备时，可以通过高压发泡机控制树脂基体材料的每分钟浇注量。高压发泡机自带一个小的黑料灌和白料罐，它们分别与配料设备的黑料罐和白料罐相连接，当高压发泡机自带的黑料灌和白料罐中的树脂基体材料消耗至一定界限时，连接的配料设备的黑料罐和白料罐会自动进行供给补充，整个过程连续可调可控。在步骤(2)中，可以根据生产需求(例如，合成轨枕的密度、尺寸、树脂基体材料的含量计算所需的纤维的用量，并将所述纤维按顺序均匀排布在集纱板上，然后将纤维牵引至所述混料设备的出料口的下方，通过所述出料口将混合均匀的树脂基体材料浇注在所述纤维上，使树脂基体材料初步浸渍纤维。牵引设备可以为成型设备的履带式层压输送机。在浇树脂基体材料时，可以使所述混料设备的出料口沿垂直于所述纤维移动的方向往复摆动，从而使所述树脂基体材料较均匀地分布在所述纤维上。在步骤(3)中，可以将曲轴旋转振动棒设置在被所述混料设备浇注了树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部中的任意一处或更多处。曲轴旋转振动棒在纤维上部、中部和下部进行上下振动并朝着纤维移动的方向旋转，使纤维表面的树脂基体材料在曲轴振动棒的运动作用下进入纤维内部，从而对纤维进行二次浸渍。当纤维的上部、中部和下部均设置有曲轴旋转振动棒时，能快速实现较好的浸渍效果。本申请实施例提供的浸渍系统的应用方法通过初次浸渍和二次浸渍结合的方式，能够实现树脂基体材料对纤维的充分浸渍。在本申请实施例提供的浸渍系统的应用中，可以设置复数个曲轴旋转振动棒。应用时，前端的曲轴旋转振动棒通过上下振动和自身旋转将纤维表面的树脂基体材料分散到纤维内部，接着中部的曲轴旋转振动棒继续振动和旋转，使树脂基体材料与纤维再次混合浸渍，最后在后端的曲轴旋转振动棒的振动和旋转下完成对纤维的充分浸渍。而且，可以根据前端的曲轴旋转振动棒的浸渍效果，调整中部和后端的曲轴旋转振动棒的振动幅度和振动频率，保证树脂对纤维的浸渍效果。如图8所示，混料设备浇注在纤维上的树脂基体材料分布不均匀，外侧的纤维上的树脂基体材料较少，在通过前端的第一个曲轴旋转振动棒后，纤维上的树脂基体材料分布的均匀性提高了，在通过中部和后端的第二、三个曲轴旋转振动棒后，纤维上的树脂基体材料分布的均匀性不断提高。在本申请实施例中，所述曲轴旋转振动棒的旋转线速度可以与纤维的移动速度基本一致，例如，为0.8m/min。在本申请实施例中，所述曲轴旋转振动棒的振动幅度可以为-50mm～50mm，例如，为-30mm～30mm。本申请的纤维增强复合材料的浸渍系统可以实现树脂基体材料，尤其是高粘度树脂基体材料、发泡树脂基体材料等对短切纤维、连续纤维、纤维织物和立体织物等纤维增强材料的浸润。当纤维增强材料中含有短切纤维时，可采用以下两种方式加入短切纤维：1、采用可以预混短切纤维的本申请的浸渍系统的高压发泡机将树脂基体材料与短切纤维进行混合，然后将树脂基体材料与短切纤维的混合物浇注到连续纤维表面，并对连续纤维进行浸渍；2、在采用本申请的浸渍系统将树脂基体材料浇注在连续纤维上后，将短切纤维直接喷洒在浇注有树脂基体材料的纤维表面，然后采用本申请的浸渍系统的机械振动设备将树脂基体材料与短线纤维、连续纤维混合浸渍。生产合成轨枕时，将经过本申请实施例提供的浸渍系统浸渍后的纤维送入发泡模具进行固化成型，即可得到合成轨枕。通过调整曲轴振动棒的尺寸、振动频率、振动幅度等结合纤维排布的宽度、厚度、排布层数，树脂基体材料的用量等参数的调整可以实现任意尺寸合成轨枕的生产。实施例1采用本申请实施例提供的纤维增强复合材料的浸渍系统对纤维进行浸渍，所述曲轴旋转振动设备包括3根曲轴旋转振动棒，分别设置在浇注有树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部。曲轴旋转振动棒的振动幅度为-50mm～50mm，旋转线速度与纤维的移动速度基本一致，为0.8m/min，凹槽的形状为三角形，深度为35mm，相邻的凹槽之间的间距为10mm。设置供胶量(即树脂基体材料的用量)为22kg/min，生产速度为0.8m/min，纤维与树脂的质量比为1:1，成型设备型腔的尺寸为260×260(mm)，9600tex的玻纤用量2140束，生产成型截面尺寸为260×260(mm)的760kg/m3的合成轨枕。按照标准cj-t399-2012-聚氨酯泡沫合成轨枕测试得到的合成轨枕的性能，主要测试结果如下表所示。检测项目单位第1小时的测试结果第3小时后的测试结果表观密度kg/m3760760螺纹道钉抗拔力kn6568成品抗弯性能kn182180弯曲强度mpa128130弯曲模量gpa8.99.2压缩强度mpa7880剪切强度mpa9.510.0实施例2采用本申请实施例提供的纤维增强复合材料的浸渍系统对纤维进行浸渍所述曲轴旋转振动设备包括3根曲轴旋转振动棒，分别设置在浇注有树脂基体材料的纤维的上部、中部和下部。曲轴旋转振动棒的振动幅度为-30mm～30mm，旋转线速度与纤维的移动速度基本一致，为0.8m/min，凹槽的形状为矩形，深度为100mm，相邻的凹槽之间的间距为100mm。设置供胶量为25kg/min，生产速度为0.8m/min，纤维与树脂的质量比1:1，成型设备型腔尺寸为260×260(mm)，9600tex的玻纤用量2394束，生产成型截面尺寸为260×260(mm)的850kg/m3的合成轨枕。按照标准cj-t399-2012-聚氨酯泡沫合成轨枕测试得到的合成轨枕的性能，主要测试结果如下表所示。检测项目单位第1小时的测试结果第3小时后的测试结果表观密度kg/m3850850螺纹道钉抗拔力kn7680成品抗弯性能kn191190弯曲强度mpa137140弯曲模量gpa9.710.2压缩强度mpa8685剪切强度mpa10.811对比例1本对比例与实施例1的不同之处仅在于：采用人工轮班揉搓的方式对纤维进行浸渍，制备厚度约为87mm的合成轨枕，然后将3块合成轨枕粘结在一起得到厚度为260mm的轨枕。得到的合成轨枕的主要性能测试结果如下表所示。检测项目单位第1小时的测试结果第3小时后的测试结果表观密度kg/m3760760螺纹道钉抗拔力kn6052成品抗弯性能kn165160弯曲强度mpa110102弯曲模量gpa7.87.2压缩强度mpa7670剪切强度mpa9.08.3轨枕的力学性能(螺纹道钉抗拔力、成品抗弯性能、弯曲强度、弯曲模量、压缩强度、剪切强度、组合件抗疲劳性能)可以反映出生产轨枕时树脂对纤维的浸渍效果。可以看出，采用本申请实施例提供的浸渍系统得到的合成轨枕的力学性能几乎稳定不变，说明浸渍系统的浸渍效果非常稳定，不会随生产时间的延长而下降；采用多人轮班交替揉搓的方式得到的合成轨枕的力学性能虽然也能满足轨枕的使用要求(通过多班工人轮班实现)，但力学性能不如采用本申请实施例的浸渍系统得到的合成轨枕的力学性能，而且力学性能不稳定，说明人工揉搓的浸渍效果不稳定。此外，长时间生产时，工人的疲劳感增加、专注度下降，浸渍效果会随之显著下降。传统的浸渍方法为了生产出合格的轨枕，必须投入更多的人工进行轮班，因此本申请的优势还在于能够大大降低生产的人工成本，并且解决了传统人工揉搓浸渍工艺的多人轮班操作的不稳定性等诸多弊端。而且，本申请的浸渍系统可以在较短时间内达到很好的浸渍效果，可以一次成型得到较大尺寸的合成轨枕，满足铁路使用要求，避免了粘接开裂的风险。虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。当前第1页12