环氧玻璃钢管具有耐腐蚀、内壁光滑、保温性能好和工程造价低等诸多优点，使其成为传统钢管的佳替代品，在输油、输水、化工和热电工程中得到广泛应用…．目前，各国生产玻璃钢管的主要方法是采用环氧树脂作为的基体的纤维缠绕成型法，缠绕后的管道需要加热固化，然后进行脱模．传统的玻璃钢管道采用“外加热固化”工 艺制造，即将缠绕成型的管道置人固化炉中进行 固化．外固化的特点是：加热时，炉体加热板的热 量通过辐射、传导和对流等方式传递给管体．传热 方向由外部空间指向管道的中心轴线．由于固化 炉热惯量大、能耗高，而主要的传热介质――空气 的热容值小，所以管件升降温速度慢，对固化温度的设置与调控困难．这导致了管体固化质量差，且 产品成品率低．
    “内加热固化”则是将浸渍树脂的纤维缠绕在可加热的金属芯模外面 芯模腔中的热能通过 较小热阻的金属管壁直接传给待固化的玻璃纤维 层．这种传热方式可使制品。陕速升温，从而迅速引 发环氧树脂的凝胶和固化反应 在工艺条件没置 得当时可在数十分钟内完成树脂固化的全过程． 而且在升降温程序上可作较精确的调节与控制， 实现环氧玻璃钢管的精细化制造  ．
1  工作原理
    机床机械结构如图 1所示．该设备总长 26 米，可加工长 9，15米的玻璃钢管，机床装有四根 主轴。分为两组，两组主轴共用一个缠绕小车，缠绕小车由一个伺服电机驱动．因此本机床一次-Ⅱ 以同时缠绕两根玻璃钢管．工作时，浸渍树脂的玻璃纤维通过缠绕机小车上的丝嘴按殴计的线型有规律地缠绕在芯模表面上形成缠绕层，多层缠绕后形成端部带有阴螺纹的缠绕管件．在管道缠绕过程中或缠绕结束后，通过向芯模内腔通饱和水蒸汽加热缠绕管体，从而引发树脂凝胶固化 固化后进入脱模工序．排烟罩用于排出固化时产生的
气体．旋转接头用来连接固定的蒸汽管道和旋转的芯模 ，是连接蒸汽、压缩空气和冷却水管道的接M．主轴驱动电机及变速机构位于主轴箱内．脱模 小车在缠绕时用于拉紧  模，脱模时通过脱模小车 L的皮爪子将管道抓紧并沿脱模小车轨道在脱模小车电机的驱动下将管体和芯模分离．

    管道制造机床控制系统如图2所示．缠绕部分由工控机和Trio嵌人式运动控制器来实现线 型设计、工艺设计和小车与主轴的同步运动控制．固化部分由嵌人式工控机和 PLC完成固化曲线设定、温度压力信号采集和凋节闻控制．脱模部分由 PLC控制脱模小车、支撑辊和挡胶帽等协调运动实现芯模和管体的分离．该系统的两组主轴需要共用一个小车进行缠绕，因此两组主轴不能同时进行缠绕，但可以同时进行固化和脱模．在进行大口径厚壁管道缠绕时可同时启动固化系统，以提高生产效率．

 
2 缠绕控制系统
    证缠绕过程中．主轴和小车电机在运行时要根据工艺要求不断进行加减速，而且小车和主轴负载随着缠绕胶量和管体缠绕厚度的变化而变化．因此，该系统是一个惯量变化很大的非线性时变速度同步随动控制系统．因此．采用基于电子齿轮的位置跟踪控制方式以确保纱片搭接良好．该控制方式不把主轴作为运动控制对象，而是通过电子齿轮完成小车跟踪主轴的运动．系统采用多任务的嵌入式同步运动控制器，将所有运动控制都集成在运动控制器内，工控机仅作为人机交互的接口．从而提高缠绕机控制系统的可靠性和实时性
2．1 缠绕运动控制模型
    根据管道结构及尺寸不同，纤维在芯模表面上的排布规律(线型)也不同，因此导丝头与芯模相对运动电不同．缠绕线型是保证缠绕管道质量 的重要前提，也决定管道结构在不同方向上的强 度比．文献[3]给出了精确缠绕线型设计模型．该 系统进行大口径管道缠绕时采用单切点、多纱条缠绕，端部停留角的控制公式为：

2．2 缠绕控制 系统设计
缠绕控制系统硬件结构如图3所示．工控机 和MC206通过 FtS一232串口基于 MODBUS协议 完成工艺参数下载和机床状态参数上传显示．工控机实现人机界面管理、运动状态显示、远程监 控、工艺文件存储和线型设计．MC206负责实时运动控制和逻辑控制．缠绕机主轴电机用变频器驱动，运动控制器轴 1和 2接口的模拟量输出作为变频器速度控制输入信号．安装于变速箱输入轴上的旋转编码器完成主轴转角和速度的检测。变频器的PG―X2速度卡把编码器采样的信号一路作为变频器输入实现速度闭环控制，一路作为速度和位置信号输入到控制器的编码器接口，实现了由一个编码器完成速度闭环控制和主轴转角位置采样的功能．MC206的轴 0接口工作于伺服模式，完成小车伺服电机的闭环控制．两主轴编码器反馈分别接到 MC206轴 1和2的编码器接口， 为小车跟踪运动提供位置指令输入脉冲．

    缠绕控制系统上位机程序用 VC++6．0基 于 Windows 2000平台开发，控制软件主要由工艺设计、串口通讯、运行状态显示和远程通讯等模块组成．工艺设计模块根据玻璃钢管道的几何参数和设计工艺要求计算出玻璃钢管加工工艺参数，如纱片宽度、缠绕角、每层小车往返次数和端部加减速长度等，后生成加工工艺文件．上位机具有 机床运行状态显示和远程通讯功能，可实现远程工艺文件修改和下载，方便了管理MC206的运动控制程序共建立了四个任务，其中任务 7用于缠绕机电机运动控制和机床逻辑控制，任务 6用于管理机床与缠绕相关的I／O信号和主轴转速控制，任务2完成串口通讯功能，任务 1实现输胶控制．其中任务 7和6的优先级高，每个伺服周期 (1ms)都分配时间片，任务 1、2和 Command Line (C／L)优先级相同，在每个伺服周期轮流为其分 配时间片．
3  固化控制
    内加热成型工艺中的热传递、化学流变和化学动力学过程，都是在芯模外表面完成的．玻璃钢管固化时在模具内高温的作用下，树脂体系发生放热性化学反应，释放出大量的热能，释放的热量又进一步提升复合材料的温度，促进树脂固化，从而释放出更多的热量．经过几个阶段加热后树脂基体固化完成．在不同的固化工艺参数(模具初始温度，加热温度，加热时间等)下，管体内温度和固化度分布不同，获得的产品质量也不同．固化反应完成后，再输送冷却水使芯模迅速冷却，管道与模具因冷却收缩不同步而产生间隙，该特性有利于管道脱模，后向管道内通入压缩空气，将残留的冷却水排出．利用数值模拟 I9 可以兼顾确保温度均匀和节省固化时间这两方而来调整升温和恒温，还能准确地判断到达凝胶点的时间和固化结束时间，避免固化不足和过度固化，从而优化固化工艺参 数，提高制品固化质量．玻璃钢管热传递和固化模型是建立玻璃钢管体内温度和固化度分布的数学模型，是计算机数值模拟的核心．
3．1 热传导和固化反应动力学方程
    玻璃钢管固化过程中，管体内部的温度分布由向管体传热的速率和固化反应生成热的速率决定．所以对其温度场的分析本质上是一个具有非线性内热源的热传导问题．其中内热源由树脂基体的固化反应放出的热量确定．假设忽略管道在轴线方向上的热传导，可以用傅立叶热传导定律 和能量平衡原理建立该问题的数学模型：

式中： Tm (t)是芯模加温历程即固化制度；h为 玻璃钢管外表面热交换系数；为管道的外表面 处温度；Tm为环境温度．
    树脂 的固化反应是非常复杂的化学现象．因 此大多数有关反应动力学的方程是建立在经验模 型的基础上的．其中对环氧树脂体系来说，使用方程  ：

3．2 固化过程数值模拟
    该问题是一个瞬态热传导问题，在数值分析时，必须分别在空间域和时间域中对热传导控制方程进行离散，具体离散方法，和离散后得到两个求解固化阶段瞬态温度场和固化度场的线性方程组的解耦方法请参阅文献[14]．本文以上述理论为基础，利用有限元软件 ANSYS作为平台分析固化过程中复合材料的各参数变量的变化过程，即选择若干组加温历程分别带人程序，计算固化体系的各参数变量随时间的变化．操作过程应确保固化体系内温度的均匀，即材料的表层与中间层的温差小于某一界限，使各铺层的固化进展一致，确保力学等性能的一致．树脂基体的固化反应不可过于剧烈而导致温度骤变．另外，体系内的温度不可超过某一高允许值，以免材料内的残余应力过大¨ ．以上述分析为依据对输出计算结果的合理性进行判断，确定使输出结果佳的一组操作变量作为实际操作变量的选定参考值，再进行一定的实验来验证和修订工艺参数，后根据实际测定管道性能确定佳操作工艺．根据实验测出的树脂凝胶曲线和经数值模拟优化 ，并经实验修订的的典型的玻璃钢管固化曲线如图4所示．图中所示固化管道的原料为双酚 A型环氧树脂和改性多胺 固化剂 ，其重量为 100比 35．管件参数为：管长 9．15 m，管径 150 mm，管道压力 l2 Mpa，管体层数 56层， 头部和尾部各加厚 4O层．为提高生产效率，在生产时将芯模加热到 100摄 氏度进行管道缠绕，然后进行三阶段加热固化 ，各阶段固化时间和固化温度如图4所示．

3．3 内加热固化系统
    内固化加热系统工作时，来 自锅炉的饱和水蒸汽经过流量调节阀进入芯模内腔，经内腔壁上的小孔进入外腔对芯模加热，从外腔流出的蒸汽和凝结水分别经流量调节阀和开关阀进入热水箱．安放于芯模出口处的压力和温度传感器实现芯模内蒸汽压力和温度的检测．加热固化完成后，经软化处理的冷却水进入芯模，从芯模外腔流出的热水进入散热器，然后流回冷却水箱循环利用，完成芯模冷却工艺．管道冷却后须将芯模内剩余冷却水排出，将空气经气泵增压、过滤和干燥处理后通人芯模，压缩空气带动芯模内剩余冷却水流
出，进行气水分离后压缩空气排气，完成冷却后的吹扫工艺．内固化控制系统硬件是北京昆仑通态公司的 TPC105一TC22嵌入式一体化工控机和日本 OM― RON公司的CJ1G PLC．工控机与 PLC采用 RS一 485通讯方式相连．利用工控机嵌入的 MCGS组态软件进行热固化控制程序开发．该软件完成对四个轴的固化工艺控制，分别由四个控制界面和一个主界面构成．主界面用于四个控制界面的切换和与脱摸的联锁控制．每个控制界面设置了三 种控制模式，即自动，分段和手动控制．自动运行时，设定好各个阶段的加热时间、预定温度、冷却时间和吹扫时间后，程序按照设定参数，按顺序控制各气动阀的开启顺序和调节阀的开度，实现自动固化；分段控制则可以分别进行加热、冷却和吹扫阶段的控制；手动模式下，人工控制各气动阀的开闭和调节阀的开度，该模式主要用于调试．
4 管道性能检测试验
    为了验证该玻璃钢管的各项物理、化学性能指标，对同一批内固化制造的管线进行了为期六个月的性能检测试验．
4．1 试验条件
    大工作压力 16 MPa；高工作温度 50℃； 试验介质高浓度 CO 盐水；试样数 12；管道平均内径为48．7 mm，平均外径为60．1 mm．
4．2 试验方法
    试样 1―6每星期做五次循环压力试验，其中试样 1持续一个月，试样 2持续两个月，试样3持续三个月，试样4持续四个月，试样 5持续五个月，试样 6持续六个月；试样7每星期做一次循环 压力试验，试样 8每月做一次循环压力试验，试样9每三个月做一次循环压力试验，试验持续六个月；试样 10、11做静压试验，试样 10做 CO 气压试验，试样 1 1做盐水试验，试验持续六个月；试样 12做对比试样．
4．3 试验结果
    经过六个月的循环和静压试验后，每个试样均截下一段 20厘米管体进行物理评估，其余部分则进行轴向和环向破坏试验．试验部分数据见表 1，试验结果表明：所有的试样浸入染料渗透剂后，再进行外观检查后，没有肉眼可见的微小裂纹 或脱层；所有试样在进行扫描对比法评估后，玻璃 化转变温度平均值为 108．8~C；所有试样水力试 验的弹性极限平均值为26．59MPa；所有试样水力 试验的爆破压力平均值为58．64MPa；所有试样应 力、应变值变化不大．

5  结  论
    1)6个月的含有高浓度 CO 盐水循环和静压 试验后，玻璃钢管线没有发生任何形式的物理和化学变化，也没有发生任何形式的物理化学降解， 各项性能指标均在设计值之内；2)采用内加热固 化工艺可实现环氧玻璃钢管道快速、高效的工业化制造．