一种复合材料无磁滚筒及其制作方法

摘要

本发明公开了一种复合材料无磁滚筒，包括筒体及增强区，所述筒体由内而外包括内功能层、结构层及外功能层，所述结构层由玻璃纤维增强热固性树脂复合体系缠绕而成，所述内功能层与所述外功能层的厚度比为1∶5～1∶10。本发明的有益效果：本发明提供了一种无磁、重量轻、刚度高、耐腐蚀、耐疲劳及可靠性高的复合材料无磁滚筒，同时这种无磁滚筒还具有低能耗、低损耗的优点，从而使得有效降低了其生产成本和维护成本，同时，本发明提供的制作方法可合理选择内功能层、外功能层所用的原料及原料之间的配比和厚度，合理设定筒体的厚度、连接方式及成型方法，从而使得制作出来的无磁滚筒使用性能较高，进而达到更加方便安装施工和降低施工人员劳动强度的目的。

权利要求

1.一种复合材料无磁滚筒的制作方法，其复合材料无磁滚筒包括筒体及增强区(4)，所述筒体由内而外包括内功能层(1)、结构层(2)及外功能层(3)，其中，所述结构层(2)由玻璃纤维增强热固性树脂复合体系缠绕而成，并且，所述内功能层(1)与所述外功能层(3)的厚度比为1∶5～1∶10；所述筒体的树脂材质为环氧树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂中的任一种；其制作方法，包括以传统滚筒结构为基础设计其筒体壁厚的步骤、复合材料连接为基础设计增强区域结构的步骤及在筒体外壁覆防老化、抗滑功能表层的步骤，其特征在于，还包括如下步骤：

1)确定该复合材料无磁滚筒的结构：由内而外分别设计为内功能层、结构层及外功能层，其中所述结构层由玻璃纤维增强热固性树脂缠绕而成；

2)确定步骤1)中所述玻璃纤维增强热固性树脂的原料及重量配比以及所述结构层的铺层方案；

3)根据选矿设备使用条件的要求，按照步骤1)中的结构设计制作出不同铺层方向复合材料无磁滚筒结构层的试样和功能层的试样，并对这些试样进行综合测试，最终得出所述内功能层、所述结构层及所述外功能层的机械性能参数和抗滑性能参数；

4)根据步骤3)中所得的各方向铺层的机械性能参数以确定所述结构层的厚度，并确定所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；其中，所述内功能层与所述外功能层的厚度比为1∶5～1∶10；所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的缠绕方式为按照以下缠绕方向角：90°、0°、54°和-54°进行组合缠绕；

5)将步骤3)中所得的各方向铺层机械性能参数与步骤4)中所得的结构层厚度值以及所述玻璃纤维增强热固性树脂的铺层方案输入到有限元分析软件中，构建有限元分析模型，施加载荷然后仿真计算得到该复合材料无磁滚筒在不同载荷工况时的应力值和变形值；

6)将所述复合材料无磁滚筒预先设计的许用应力值与步骤5)中获得的应力值进行对比后计算出该复合材料无磁滚筒的安全系数值，然后将该安全系数值及变形值与设计要求进行比较，即在正常工况条件下所述复合材料无 磁滚筒中部的变形值应不大于筒体长度的15‰，安全系数应不小于3，若满足上述设计要求，则进入构件成型阶段；

上述步骤6)中如果不满足设计要求，则返回步骤4)，重新调整结构层的厚度及玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；然后重复进行步骤5)及步骤6)直到满足设计要求为止，最后进行构件成型阶段，从而完成整个的制作过程。

2.根据权利要求1所述的复合材料无磁滚筒的制作方法，其特征在于，步骤2)中所述玻璃纤维增强热固性树脂为玻璃纤维经高温下固化的环氧树脂胶液浸渍后按规定的方向角顺序缠绕而成的，其中，所述环氧树脂胶液由以下组分的原料组成：环氧树脂90～100份、固化剂1～3份、促进剂0.2～1.5份及色浆0.2～1份。

3.根据权利要求1所述的复合材料无磁滚筒的制作方法，其特征在于，步骤3)中所述结构层的机械性能参数均为：在室温20℃、相对湿度10％的条件下，所述玻璃纤维增强热固性树脂中的玻璃纤维材料拉伸模量为40.9GPa，弯曲模量为11.2GPa，剪切模量为5.2GPa，泊松比为0.33；所述内功能层机所述外功能层的弹性模量为3.5GPa，泊松比为0.3。

4.根据权利要求1所述的复合材料无磁滚筒的制作方法，其特征在于，步骤1)中所述外功能层由环氧树脂与抗老化、防滑填料复合而成，其成型步骤具体如下：

1)将环氧树脂胶液在缠绕完成但未固化的所述结构层表面涂覆2～3次，在所涂覆的环氧树脂胶液未固化前开始涂覆抗滑层；

2)然后将石英砂颗粒撒在所述结构层外表面，并且在石英砂表面淋上所述环氧树脂胶液，其中，所用80％的石英砂目数为40～60目，剩下的石英砂的目数不得小于30目；

3)将上述步骤中石英砂的表面用脱模布缠绕，直至外功能层与结构层固化成一体。

5.根据权利要求4所述的复合材料无磁滚筒的制作方法，其特征在于，所述防老化、防滑填料由抗老化剂及石英砂组成，并且，所述防老化剂及石英砂与所述环氧树脂胶液按照以下百分比配置使用：防老化剂及石英砂2％～4％、 环氧树脂胶液96～98％。

说明书

一种复合材料无磁滚筒及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及选矿设备技术领域，具体来说，涉及一种复合材料无磁滚筒及其制作方法。

背景技术

[0002] 传统的矿山选矿设备大多由不锈钢或普通钢材制成，这些材料制成的设备在工作中普遍存在着感应涡流、质量重、易腐蚀和能耗大的缺陷，并且还存在着耐久性差、使用寿命较短、施工运输和运行维护比较困难的弊端，因此也增加了设备的整个成本。

[0003] 近年来，纤维增强树脂基复合材料(以下简称FRP)由于其无磁、强度高、质量轻以及耐腐蚀、耐疲劳和可设计性强的优点得到了广泛的应用。同时，用复合材料制备无磁设备的理念也被证实是无磁设备的最佳选择。因此，将FRP应用于选矿设备也成为国内外的主要研究热点。针对现有无磁滚筒的状况，将FRP成功制成无磁滚筒成为业内人士亟需解决的难题。但是由于无磁滚筒尺寸较大且载荷工况复杂，因此采用常规设计方法设计制成的复合材料无磁滚筒虽然相对钢制选矿筒重量有所减少，但其结构耐久性和可靠性还是较差，所以设备成本得不到有效降低，不适宜推广应用。

[0004] 针对上述相关技术中所述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

[0005] 针对相关技术中上述的问题，本发明提出一种复合材料无磁滚筒及其制作方法，能够有效使得制成的复合材料无磁滚筒具有无磁、重量轻、刚度高、耐腐蚀、耐疲劳及可靠性高的优点，同时有效解决了现有无磁滚筒高能耗、高损耗的弊端，进而有效降低了设备的生产成本和维护成本。

[0006] 为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

[0007] 一种复合材料无磁滚筒，包括筒体及增强区，所述筒体由内而外包括内功能层、结构层及外功能层，其中，所述结构层由玻璃纤维增强热固性树脂复合体系缠绕而成，并且，所述内功能层与所述外功能层的厚度比为1∶5～1∶10。

[0008] 进一步地，所述筒体的树脂材质为环氧树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂中的任一种。

[0009] 一种复合材料无磁滚筒的制作方法，包括以传统滚筒结构为基础设计其筒体壁厚的步骤、复合材料连接为基础设计增强区域结构的步骤及在筒体外壁覆防老化、抗滑功能表层的步骤，还包括如下步骤：

[0010] 1)确定该复合材料无磁滚筒的结构：由内而外分别设计为内功能层、结构层及外功能层，其中所述结构层由玻璃纤维增强热固性树脂缠绕而成；

[0011] 2)确定步骤1)中所述玻璃纤维增强热固性树脂的原料及重量配比以及所述结构层的铺层方案；

[0012] 3)根据选矿设备使用条件的要求，按照步骤1)中的结构设计制作出不同铺层方向复合材料无磁滚筒结构层的试样和功能层的试样，并对这些试样进行综合测试，最终得出所述内功能层、所述结构层及所述外功能层的机械性能参数和抗滑性能参数；

[0013] 4)根据步骤3)中所得的各方向铺层的机械性能参数以确定所述结构层的厚度，并确定所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；其中，所述内功能层与所述外功能层的厚度比为1∶5～1∶10；所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的缠绕方式为按照以下缠绕方向角：90°、0°、54°和-54°进行组合缠绕；

[0014] 5)将步骤3)中所得的各方向铺层机械性能参数与步骤4)中所得的结构层厚度值以及所述玻璃纤维增强热固性树脂的铺层方案输入到有限元分析软件中，构建有限元分析模型，施加载荷然后仿真计算得到该复合材料无磁滚筒在不同载荷工况时的应力值和变形值；

[0015] 6)将所述复合材料无磁滚筒预先设计的许用应力值与步骤5)中获得的应力值进行对比后计算出该复合材料无磁滚筒的安全系数值，然后将该安全系数值及变形值与设计要求进行比较，即在正常工况条件下所述复合材料无磁滚筒中部的变形值应不大于筒体长度的15‰，安全系数应不小于3，若满足上述设计要求，则进入构件成型阶段；

[0016] 7)上述步骤6)中如果不满足设计要求，则返回步骤4)，重新调整结构层的厚度及玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；然后重复进行步骤5)及步骤6)直到满足设计要求为止，最后进行构件成型阶段，从而完成整个的制作过程。

[0017] 进一步地，步骤2)中所述玻璃纤维增强热固性树脂为玻璃纤维经高温下固化的环氧树脂胶液浸渍后按规定的方向角顺序缠绕而成的，其中，所述环氧树脂胶液由以下组分的原料组成：环氧树脂90～100份、固化剂1～3份、促进剂0.2～1.5份及色浆0.2～1份。

[0018] 进一步地，步骤3)中所述结构层的机械性能参数均为：在室温20℃、相对湿度10％的条件下，所述玻璃纤维增强热固性树脂中的玻璃纤维材料拉伸模量为40.9GPa，弯曲模量为11.2GPa，剪切模量为5.2GPa，泊松比为0.33；所述内功能层机所述外功能层的弹性模量为3.5GPa，泊松比为0.3。

[0019] 进一步地，所述步骤2)中结构层的连接结构为复合材料与金属法兰间的连接，并且，其连接结构设计方法具体包括如下步骤：

[0020] 1)根据筒体的载荷工况及设计要求确定所述复合材料无磁滚筒的壁厚；

[0021] 2)根据《机械设计手册》的规定及设计要求确定所述复合材料无磁滚筒与金属法兰间的螺栓连接数量及尺寸；

[0022] 3)根据复合材料连接特点确定所述复合材料无磁滚筒上螺栓孔的位置，也即螺栓孔距离筒体边界距离不小于3倍螺栓直径，螺栓沉头高度不大于复合材料厚度50％；

[0023] 4)确定所述复合材料无磁滚筒增强区域的尺寸及铺层方案，其宽度确定依据2倍螺栓孔与筒边界的距离确定，厚度依据不少于3倍沉头高度确定，其铺层方案按照不小于30％90°铺层，不小于40％0°铺层和54°螺旋铺层；

[0024] 5)校核不同工况时不同螺栓孔位置上的应力分布，采用有限元分析工具以子模型的整体-局部方法分别仿真计算得到不同工况下各个连接区域上的应力分布；

[0025] 6)取所述复合材料无磁滚筒连接设计的许用应力值与步骤5)中获得的应力值相比，以获得该复合材料无磁滚筒连接区域的安全系数，然后将该安全系数值与设计要求相比，即安全系数要大于或者等于3；若满足设计要求，则完成复合材料无磁滚筒连接区域的设计，进入构件成型的步骤；

[0026] 7)如果所述步骤5)中获得的应力和变形经所述步骤6)对比，不满足设计要求，则返回所述步骤4)，调整连接区域的尺寸和玻璃纤维增强材料的铺层方案；重复所述步骤5)及所述步骤6)，使得到的应力和变形满足所述步骤6)的设计要求，以完成复合材料无磁滚筒连接结构的设计。

[0027] 进一步地，所述连接结构设计方法的所述步骤2)中，复合材料无磁滚筒与金属法兰的连接方式为螺栓机械连接或螺栓机械连接加胶接混合方式中的任一种。

[0028] 进一步地，所述连接结构设计方法的所述步骤3)及所述步骤4)中螺栓孔位置距离筒体边界不小于3倍螺栓直径。

[0029] 进一步地，步骤1)中所述外功能层由环氧树脂与抗老化、防滑填料复合而成，其成型步骤具体如下：

[0030] 1)将环氧树脂胶液在缠绕完成但未固化的所述结构层表面涂覆2～3次，在所涂覆的环氧树脂胶液未固化前开始涂覆抗滑层；

[0031] 2)然后将石英砂颗粒撒在所述结构层外表面，并且在石英砂表面淋上所述环氧树脂胶液，其中，所用80％的石英砂目数为40～60目，剩下的石英砂的目数不得小于30目；

[0032] 3)将上述步骤中石英砂的表面用脱模布缠绕，直至外功能层与结构层固化成一体。

[0033] 进一步地，所述防老化、防滑填料由抗老化剂及石英砂组成，并且，所述防老化剂及石英砂与所述环氧树脂胶液按照以下百分比配置使用：防老化剂及石英砂2％～4％、环氧树脂胶液96～98％。

[0034] 本发明的有益效果：本发明提供了一种无磁、重量轻、刚度高、耐腐蚀、耐疲劳及可靠性高的复合材料无磁滚筒，同时这种无磁滚筒还具有低能耗、低损耗的优点，从而使得有效降低了其生产成本和维护成本，同时，本发明提供的制作方法可合理选择内功能层、外功能层所用的原料及原料之间的配比和厚度，合理设定结构层的厚度及成型方法，从而使得制作出来的无磁滚筒使用性能较高，进而达到更加方便安装施工和降低施工人员劳动强度的目的。

附图说明

[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0036] 图1是根据本发明实施例所述的复合材料无磁滚筒的截面示意图；

[0037] 图2是根据本发明实施例所述的复合材料无磁滚筒的增强区示意图。

[0038] 图中：

[0039] 1、内功能层；2、结构层；3、外功能层；4、增强区。

具体实施方式

[0040] 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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 如图1-2所示，根据本发明实施例的一方面，提供了一种复合材料无磁滚筒，包括筒体及增强区4，所述筒体由内而外包括内功能层1、结构层2及外功能层3，其中，所述结构层2由玻璃纤维增强热固性树脂复合体系缠绕而成，并且，所述内功能层1与所述外功能层3的厚度比为1∶5～1∶10。

[0042] 此外，在一个具体实施例中，所述筒体的树脂材质为环氧树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂中的任一种。

[0043] 如图1-2所示，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种复合材料无磁滚筒的制作方法，包括以传统滚筒结构为基础设计其筒体壁厚的步骤、复合材料连接为基础设计增强区域结构的步骤及在筒体外壁覆防老化、抗滑功能表层的步骤，还包括如下步骤：

[0044] 1)确定该复合材料无磁滚筒的结构：由内而外分别设计为内功能层、结构层及外功能层，其中所述结构层由玻璃纤维增强热固性树脂缠绕而成；

[0045] 2)确定步骤1)中所述玻璃纤维增强热固性树脂的原料及重量配比以及所述结构层的铺层方案；

[0046] 3)根据选矿设备使用条件的要求，按照步骤1)中的结构设计制作出不同铺层方向复合材料无磁滚筒结构层的试样和功能层的试样，并对这些试样进行综合测试，最终得出所述内功能层、所述结构层及所述外功能层的机械性能参数和抗滑性能参数；

[0047] 4)根据步骤3)中所得的各方向铺层的机械性能参数以确定所述结构层的厚度，并确定所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；其中，所述内功能层与所述外功能层的厚度比为1∶5～1∶10；所述玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的缠绕方式为按照以下缠绕方向角：90°、0°、54°和-54°进行组合缠绕；

[0048] 5)将步骤3)中所得的各方向铺层机械能能参数与步骤4)中所得的结构层厚度值以及所述玻璃纤维增强热固性树脂的铺层方案输入到有限元分析软件中，构建有限元分析模型，施加载荷然后仿真计算得到该复合材料无磁滚筒在不同载荷工况时的应力值和变形值；

[0049] 6)将所述复合材料无磁滚筒预先设计的许用应力值与步骤5)中获得的应力值进行对比后计算出该复合材料无磁滚筒的安全系数值，然后将该安全系数值及变形值与设计要求进行比较，即在正常工况条件下所述复合材料无磁滚筒中部的变形值应不大于筒体长度的15‰，安全系数应不小于3，若满足上述设计要求，则进入构件成型阶段；

[0050] 7)上述步骤6)中如果不满足设计要求，则返回步骤4)，重新调整结构层的厚度及玻璃纤维增强热固性树脂中玻璃纤维的铺层方式；然后重复进行步骤5)及步骤6)直到满足设计要求为止，最后进行构件成型阶段，从而完成整个的制作过程。

[0051] 此外，在一个具体实施例中，步骤2)中所述玻璃纤维增强热固性树脂为玻璃纤维经高温下固化的环氧树脂胶液浸渍后按规定的方向角顺序缠绕而成的，其中，所述环氧树脂胶液由以下组分的原料组成：环氧树脂90～100份、固化剂1～3份、促进剂0.2～1.5份及色浆0.2～1份。

[0052] 此外，在一个具体实施例中，步骤3)中所述结构层的机械性能参数均为：在室温20℃、相对湿度10％的条件下，所述玻璃纤维增强热固性树脂中的玻璃纤维材料拉伸模量为40.9GPa，弯曲模量为11.2GPa，剪切模量为5.2GPa，泊松比为0.33；所述内功能层机所述外功能层的弹性模量为3.5GPa，泊松比为0.3。

[0053] 此外，在一个具体实施例中，所述步骤2)中结构层的连接结构为复合材料与金属法兰间的连接，并且，其连接结构设计方法具体包括如下步骤：

[0054] 1)根据筒体的载荷工况及设计要求确定所述复合材料无磁滚筒的壁厚；

[0055] 2)根据《机械设计手册》的规定及设计要求确定所述复合材料无磁滚筒与金属法兰间的螺栓连接数量及尺寸；

[0056] 3)根据复合材料连接特点确定所述复合材料无磁滚筒上螺栓孔的位置，也即螺栓孔距离筒体边界距离不小于3倍螺栓直径，螺栓沉头高度不大于复合材料厚度50％；

[0057] 4)确定所述复合材料无磁滚筒增强区域的尺寸及铺层方案，其宽度确定依据2倍螺栓孔与筒边界的距离确定，厚度依据不少于3倍沉头高度确定，其铺层方案按照不小于30％90°铺层，不小于40％0°铺层和54°螺旋铺层；

[0058] 5)校核不同工况时不同螺栓孔位置上的应力分布，采用有限元分析工具以子模型的整体-局部方法分别仿真计算得到不同工况下各个连接区域上的应力分布；

[0059] 6)取所述复合材料无磁滚筒连接设计的许用应力值与步骤5)中获得的应力值相比，以获得该复合材料无磁滚筒连接区域的安全系数，然后将该安全系数值与设计要求相比，即安全系数要大于或者等于3；若满足设计要求，则完成复合材料无磁滚筒连接区域的设计，进入构件成型的步骤；

[0060] 7)如果所述步骤5)中获得的应力和变形经所述步骤6)对比，不满足设计要求，则返回所述步骤4)，调整连接区域的尺寸和玻璃纤维增强材料的铺层方案；重复所述步骤5)及所述步骤6)，使得到的应力和变形满足所述步骤6)的设计要求，以完成复合材料无磁滚筒连接结构的设计。

[0061] 此外，在一个具体实施例中，所述连接结构设计方法的所述步骤2)中，复合材料无磁滚筒与金属法兰的连接方式为螺栓机械连接或螺栓机械连接加胶接混合方式中的任一种。

[0062] 此外，在一个具体实施例中，所述连接结构设计方法的所述步骤3)及所述步骤4)中螺栓孔位置距离筒体边界不小于3倍螺栓直径。

[0063] 此外，在一个具体实施例中，步骤1)中所述外功能层由环氧树脂与抗老化、防滑填料复合而成，其成型步骤具体如下：

[0064] 1)将环氧树脂胶液在缠绕完成但未固化的所述结构层表面涂覆2～3次，在所涂覆的环氧树脂胶液未固化前开始涂覆抗滑层；

[0065] 2)然后将石英砂颗粒撒在所述结构层外表面，并且在石英砂表面淋上所述环氧树脂胶液，其中，所用80％的石英砂目数为40～60目，剩下的石英砂的目数不得小于30目；

[0066] 3)将上述步骤中石英砂的表面用脱模布缠绕，直至外功能层与结构层固化成一体。

[0067] 此外，在一个具体实施例中，所述防老化、防滑填料由抗老化剂及石英砂组成，并且，所述防老化剂及石英砂与所述环氧树脂胶液按照以下百分比配置使用：防老化剂及石英砂2％～4％、环氧树脂胶液96～98％。

[0068] 综上所述，本发明提供了一种无磁、重量轻、刚度高、耐腐蚀、耐疲劳及可靠性高的复合材料无磁滚筒，同时这种无磁滚筒还具有低能耗、低损耗的优点，从而使得有效降低了其生产成本和维护成本，同时，本发明提供的制作方法可合理选择内功能层、外功能层所用的原料及原料之间的配比和厚度，合理设定结构层的厚度及成型方法，从而使得制作出来的无磁滚筒使用性能较高，进而达到更加方便安装施工和降低施工人员劳动强度的目的。

[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。