一種三維編織復(fù)合材料輸電桿塔及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維編織復(fù)合材料輸電桿塔及其制備方法，屬于復(fù)合材料輸電桿塔制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]桿塔是電力輸送、通訊、高速鐵路以及市政等基礎(chǔ)設(shè)施的重要并且特種的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)施，桿塔的結(jié)構(gòu)性能直接影響到不同種類線路的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。從桿塔的材質(zhì)發(fā)展來看，國內(nèi)外在架空輸電線路中應(yīng)用的桿塔主要有木質(zhì)桿塔、混凝土桿塔或預(yù)應(yīng)力混凝土桿塔、鋼管混凝土桿塔、全金屬材質(zhì)桿塔(鋼管桿塔或鐵塔等)幾類。
[0003]其中木質(zhì)桿塔主要應(yīng)用在加拿大和美國等森林資源較為豐富的地區(qū)，混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土桿塔主要應(yīng)用于南美洲、歐洲、非洲、亞洲等森林資源較為貧乏的地區(qū)或發(fā)展中國家。就我國而言，基本不再使用木質(zhì)桿塔，混凝土桿塔之前在35-110V線路上曾大量使用，在330KV及以下線路運(yùn)輸和施工條件較好的平原和丘陵地帶也到了一定應(yīng)用，鋼管桿塔和鋼管混凝土桿塔在近幾年的城市電網(wǎng)建設(shè)和改造中應(yīng)用的較多。傳統(tǒng)的輸電桿塔在使用過程中長期接受自然環(huán)境的考驗(yàn)，存在質(zhì)量重、易腐爛、銹蝕或開裂等缺點(diǎn)，環(huán)境耐久度較差，尤其在沙漠日曬、海水潮濕侵蝕以及風(fēng)沙吹蝕等自然環(huán)境中其使用壽命更加不足。面對(duì)這種出現(xiàn)問題的桿塔要進(jìn)行修復(fù)或更換難度較大，其施工運(yùn)輸和運(yùn)行的極為困難。因此目前纖維復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用逐漸發(fā)揮出較大的潛力。
[0004]目前的復(fù)合材料材質(zhì)輸電桿塔主要采用非連續(xù)短纖維作為混凝土增強(qiáng)纖維材料和利用連續(xù)纖維復(fù)合材料筋材作為鋼筋替代材料兩種，還有一種全復(fù)合材料的輸電桿塔通常使用樹脂基復(fù)合材料通過預(yù)浸帶纏繞成型。總而言之，傳統(tǒng)復(fù)合材料桿塔的結(jié)構(gòu)通常均采用零維離散短切纖維增強(qiáng)或者連續(xù)纖維二維纏繞形式制備，而對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境下使用的桿塔，一方面要受到環(huán)境因素的考驗(yàn)，另一方面也要有較強(qiáng)的力學(xué)耐久度來經(jīng)受輸電線路的拉力以及側(cè)向風(fēng)的疲勞載荷，這種力學(xué)或者環(huán)境考驗(yàn)對(duì)于零維或者二維等傳統(tǒng)復(fù)合材料增強(qiáng)形式來講較為苛刻，從目前的應(yīng)用情況來看也存在著諸多問題，特別是復(fù)合材料層間界面的破壞一直是此種復(fù)合材料桿塔出現(xiàn)缺陷的集中點(diǎn)，除此之外高壓輸電線路桿塔的塔頭、塔身以及塔腳組合大多需要桁架連接，而傳統(tǒng)復(fù)合材料預(yù)埋金屬部件的連接方式也存在較多結(jié)構(gòu)缺陷隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維編織復(fù)合材料輸電桿塔及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高復(fù)合材料輸電桿塔的性能和耐久度的目的。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種三維編織復(fù)合材料輸電桿塔，包括依次連接的塔頭、塔身與塔腿，塔頭包括橫擔(dān)桿件以及連接在塔身與橫擔(dān)桿件之間的支撐桿件；塔身包括塔身主肢以及連接在塔身主肢之間的塔身支撐桿；塔腿包括塔腿主肢和連接在塔腿主肢之間的塔腿支撐桿；所述塔頭、塔身以及塔腿中的各個(gè)部件都包括三維編織骨架和樹脂基體；
[0008]三維編織骨架包括芯部的玻璃纖維織物和包裹在最外層的混雜纖維織物過渡層，所述玻璃纖維織物的內(nèi)部設(shè)置碳纖維零度紗骨架。
[0009]碳纖維零度紗線作為骨架，提高整體復(fù)合材料桿塔剛度，在塔桿部件的編織過程中實(shí)時(shí)調(diào)整碳纖維和玻璃纖維沿截面徑向由內(nèi)到外的用量，實(shí)現(xiàn)芯部纖維與外部纖維比例的自然過渡變化，從而形成混雜纖維織物整體。
[0010]優(yōu)選的，所述橫擔(dān)桿體的設(shè)定位置預(yù)埋入陶瓷絕緣端子。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述混雜纖維織物過渡層由T300、T700、T800中的一種或多種與玻璃纖維混編而成，所述玻璃纖維織物由高強(qiáng)型S玻璃纖維編織而成。
[0012]優(yōu)選的，所述塔頭、塔身與塔腿中的各個(gè)部件上都設(shè)置有起連接作用的法蘭結(jié)構(gòu)，每個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)均包括法蘭骨架以及包覆在法蘭骨架外側(cè)的三維編織法蘭層。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述法蘭骨架為金屬法蘭骨架，所述三維編織法蘭層將法蘭骨架與主體連接為一個(gè)整體。金屬法蘭骨架的金屬材質(zhì)為不銹鋼或特種合金鋼。
[0014]優(yōu)選的，所述塔頭的橫擔(dān)桿件和支撐桿件的碳纖維零度紗骨架的厚度為橫擔(dān)桿件截面半徑的5-10% ;或玻璃纖維織物的編織形式為三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或多種，玻璃纖維織物的厚度占橫擔(dān)桿件截面半徑的70-80% ;或所述混雜纖維過渡層由碳纖維和高強(qiáng)玻璃纖維混編而成，碳纖維在混合紗線中的比例為90%以上，混雜纖維過渡層的編織形式采用三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種。
[0015]優(yōu)選的，所述塔身的塔身主肢的碳纖維零度紗骨架的厚度為塔身主肢截面半徑的10-15%，塔身支撐桿的碳纖維零度紗骨架的厚度為塔身支撐桿的半徑的5-10% ;或塔身主肢和塔身支撐桿的玻璃纖維織物的編織形式為三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種；或塔身主肢的玻璃纖維織物的厚度占塔身主肢截面半徑的60-70%，塔身支撐桿的玻璃纖維織物的厚度占塔身支撐桿截面半徑的70-80% ;或所述塔身主肢和塔身支撐桿的混雜纖維過渡層中，碳纖維在混合紗線中的比例為95%以上，混雜纖維過渡層的編織形式采用三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種。
[0016]優(yōu)選的，所述塔腿的塔腿主肢的碳纖維零度紗骨架的厚度為塔腿主肢截面半徑的15-20%，塔腿支撐桿的碳纖維零度紗骨架的厚度為塔腿支撐桿的半徑的5-10% ;或塔腿主肢和塔腿支撐桿的玻璃纖維織物的編織形式為三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種；或塔腿主肢的玻璃纖維織物的厚度占塔腿主肢截面半徑的50-60%，塔腿支撐桿的玻璃纖維織物的厚度占塔腿支撐桿截面半徑的70-80% ;或所述塔腿主肢和塔腿支撐桿的混雜纖維過渡層中，碳纖維在混合紗線中的比例為95 %以上，混雜纖維過渡層的編織形式采用三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種。
[0017]優(yōu)選的，所述三維編織法蘭層中的碳纖維紗線占混合紗線用量的50%以上，或三維編織法蘭層與桿件主體之間無縫三維編織，編織形式為三維四向、三維五向、三維六向或三維七向中的一種或者多種。
[0018]優(yōu)選的，所述樹脂基體是熱固性樹脂和熱塑性樹脂復(fù)合制備的改性樹脂；或所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂中的一種或多種，所述熱塑性樹脂為聚氨酯樹脂、聚苯硫醚樹脂或聚酰亞胺樹脂中的一種或多種，熱固性樹脂與熱塑性樹脂的配比根據(jù)輸電桿塔的工作環(huán)境及力學(xué)性能要求具體而定。綜合熱固性和熱塑性樹脂的力學(xué)特點(diǎn)，使復(fù)合材料桿塔即具有熱固性樹脂的剛性又具備熱塑性樹脂的抗沖擊性。
[0019]—種三維編織復(fù)合材料輸電桿塔的制備方法，主要包括以下步驟:
[0020]1)分別單獨(dú)編織輸電桿塔的各個(gè)部件，在橫擔(dān)桿件的設(shè)定位置預(yù)埋入陶瓷絕緣端子;
[0021]2)在輸電桿塔的各個(gè)部件與其他部件的連接處預(yù)埋法蘭骨架，并在法蘭骨架的外側(cè)編織三維編織法蘭層，并與主體桿件之間進(jìn)行無縫編織；
[0022]3)將編織好的各個(gè)部件分別真空導(dǎo)入樹脂基體，固化成型；
[0023]4)將固化成型的各個(gè)部件按順序連接，即