作者簡歷

姚成城，高級工程師。原航天科技集團第四研究院43研究所資深項目專家?，F任中航工業北京優材百慕航空器材有限公司總經理助理，負責優材百慕西安分公司全面運營工作。在纖維纏繞復材制品和裝備領域擁有較豐富經驗。先后參與四院車用CNG IV型纖維纏繞復合材料氣瓶、纖維纏繞復合材料絕緣產品等項目的技術開發管理、項目建線、項目運營等工作。

01摘要

本文詳細回顧了1958-2023年60余年，國內固體火箭發動機復合材料燃燒室（固發殼體）用中大型纖維纏繞機的3階段發展歷程，包括幾個關鍵事件，如首臺纖維纏繞機的研制和對高性能進口設備的仿制，最終到2023年出現了先進的第3代18軸多通道數控纖維纏繞機，其性能相較前代大幅提升。此外，文中還指出當前傳統纖維纏繞設備存在的五大關鍵問題，涵蓋張力控制、纖維損傷、均勻展帶等。創新性解決方案如自適應張力控制系統和分布式網絡化控制等已被提出，顯著改善了生產效率和加工環境，提升了殼體的整體性能與生產能力，并為后續的技術設計與生產流程提供了重要啟示。

02關鍵詞

固體火箭發動機復合材料燃燒室 / 中大型纖維纏繞機 / 五大頑疾 / 第3代多通道纖維纏繞機

03目錄

一、國內固體火箭發動機復合材料燃燒室中大型纖維纏繞裝備60年的發展脈絡；

二、國內傳統中大型纖維纏繞裝備現存的“五大頑疾”問題；

三、優材百慕研制的第3代纖維纏繞機——對解決上述“五大頑疾”的對策實踐；

四、部分試機效果情況。

注：本文共分四個章節，將在兩期內容中分別推送。本次將介紹文章的第一和第二章內容。

01國內固體火箭發動機復合材料燃燒室中大型纖維纏繞裝備的60年發展脈絡

伴隨新中國導彈工業的發展，用于生產固體火箭發動機復合材料燃燒室（以下簡稱固發燃燒室或固發殼體）所用中大型纖維纏繞裝備，在我國已發展了60多年。從裝備發展角度看，大約歷經3個階段：

1.1 萌芽階段（1958-1998年）

在這40年有5個標志性事件：

* 1956年，國防部5院（導彈院，航天科技及航天科工前身）成立。1958年，建工部玻璃鋼研究小組成立，開始圍繞玻璃鋼固體火箭發動機殼體等制品研制開展了纖維纏繞技術的研究［1］。

圖1：建工部玻璃鋼組成立

圖2：四院43所立式繞臂纖維纏繞機

* 1964年, 配合錢學森提出的新中國《地地導彈發展規劃》，紡織工業部下達大型立式纖維纏繞機項目，聯合國防部五院1分院、中國紡織科學研究院、北京251廠、太原重型機械廠、陜西重型機械廠等共五家單位參與研制［2］，項目于1966年驗收后，放置在國防部5院1分院，目前該設備仍在服役。

* 1965年，北京251廠研制了我國第一臺環鏈臥式纖維纏繞機“525”。

圖3：1965年我國第一臺環鏈臥式纖維纏繞機“525”

* 1974年，哈爾濱玻璃鋼研究所引進西德Joseph.Bayer公司的WE-250型數字程序控制電液伺服纖維纏繞機。

* 1984年，為某型號研制，國家相關部委突破“巴統”限制，從聯邦德國Joseph.Bayer引進微機控制WEⅡ-220/1200-E-S/20纖維纏繞機［2］。1999年國慶閱兵式，DF-31基本型浩浩蕩蕩駛過天安門廣場。

1.2 蓬勃仿制階段（1999-2022）

1999年，隨著“南聯盟屈辱事件”的發生，固發殼體研制進入快速發展階段，基于高性能纏繞機進口受限等原因，國內部分廠家對固發殼體用中大型纖維纏繞機開展了蓬勃仿制，國內諸多非軍工設備制造廠家爭先仿制該類設備。

一直到2017年之前，各個廠家仿制藍本均為WEⅡ纏繞機，包括纏繞機的結構形式都完全照搬。

2018年，航天科技某單位在仿制某型纏繞機時，為提高張力控制精度，縮短紗路距離，由王?。ê教炜萍妓脑貉b備專家）牽頭，首次在纏繞機仿制結構形式上進行了重大優化，將隨動紗架和纏繞小車合二為一，形成“紗箱上小車”模式。

之后，國內其他仿制廠家也紛紛采用“紗箱上小車”結構。下文中，我們將此類纏繞機均稱為“傳統纏繞機”。

圖4：中大型纖維纏繞機仿制典型樣式

1.3 顛覆創新階段-國內第3代固發殼體用纖維纏繞機（2023-）

2022年6月15日，北京優材百慕航空器材有限公司吸納裝備專家王健，成立優材百慕西安分公司，王健任分公司總工。2023年4月，由其牽頭，研制成功國內首臺18軸4聯動大型縱向多通道數控纖維纏繞機。

該纏繞機具有自由度多、運動靈活等優點，2023年4-8月份2次試機結果表明，在不改變固發殼體現有工藝、纏繞程序，且殼體性能不降低的前提下，可實現纏繞效率提升4倍以上。具備高端裝備的諸多特征。

通過查新，該設備未見相關專利及文獻報導。目前已申報多項國家專利，部分即將獲得授權。

從國內固發殼體中大型纖維纏繞機60年的發展脈絡來看，優材百慕公司研發的該設備，對纖維纏繞行業可能產生顛覆性影響。通過與業內專家交流，一致認為該設備從設計理念、結構形式、功能實現、生產效率等方面，應定義為國內第3代纖維纏繞機。

圖5：優材百慕2023年第3代縱向多通道數控纖維纏繞機試機現場

圖6：第3代縱向多通道纏繞機的纏繞線型

02國內傳統中大型纖維纏繞裝備現存的“五大頑疾”問題

2.1 固發殼體用中大型纖維纏繞裝備的2大系統

纖維纏繞機從結構上看，主要由兩大系統5個部分組成

（1）導紗系統：含紗架、膠槽膠輥、繞絲嘴3部分。

（2）主機系統：含芯模主軸和小車2部分。

圖7：纏繞機的2大系統

2.2 導紗系統“三大頑疾”及主要成因

2.2.1 張力控制——頑疾之一“好生差生一起上”

張力控制精度和穩定性是纏繞機的核心性能指標，直接反映了設備的先進程度［3］。張力不僅影響纖維強度的發揮，同時影響固發殼體的含膠量，最終影響殼體強度等性能指標。

在固發殼體纏繞工藝過程中，需要對多團纖維張力進行同步控制，且要求張力大小值盡可能一致。傳統纏繞機紗路系統張力控制單元由于設計缺陷，在工藝實踐中多團纖維張力值往往差異較大，形成“好生差生一起上”現象。

圖8：多團纖維在紗箱內的初始狀態

造成上述“好生差生一起上”的主要原因有以下5點：

* 機械式張力器，如 “CTC”（Compensative Tension Controller），是通過機械結構來實現張力控制的。缺點主要是張力值不能自動設置，反應速度慢，精度低，不能回紗［4，5］。

* 若采用氣電擺桿式張力器，纏繞時纖維仍然存在回紗速度慢、高速纏繞時易斷紗、張力波動較大等問題［5］。

* 采用PID模式進行張力控制，雖然可以提高控制系統精度，但由于控制算法不停的在PD與PID之間切換，會使張力控制系統產生較大波動 [4] 。

* 張力傳感器精度不足：張力傳感器用于實時監測纖維材料在纏繞過程中的張力值。如果傳感器的精度低，響應不靈敏，可能導致張力的滯后控制，進而引發張力波動和不穩定的纏繞質量。

* 導紗路徑的設計及浸膠裝置的設計也會導致張力控制系統產生較大問題，這一點極其容易被忽視。

2.2.2 損紗——頑疾之二“遍體鱗傷上戰場”

在發動機殼體纏繞生產現場，碳纖維斷絲起毛現象困擾著整個生產工藝過程，影響纖維浸潤樹脂能力，極大損害碳纖維性能的發揮。我們稱其為“遍體鱗傷上戰場”現象。這種現象不但污染生產環境、損害員工健康、造成電氣設備的損壞，而且影響殼體性能。

圖9：多絲束纖維通過紗路系統示意圖

造成纖維“遍體鱗傷上戰場”的主要原因有以下6點：

* 傳統纏繞機紗路系統中刀、梳、棒齊全。導紗過程中，碳纖維經過一系列導紗機構，會與其中的導紗桿、梳子、刮刀、導紗輥、繞絲嘴產生劇烈摩擦， 且摩擦將伴隨整個纏繞過程。由于碳纖維韌性低、脆性大的特性，上述摩擦會嚴重損壞纖維表面，導致纖維斷絲 (俗稱“起毛”)［6］。

* 傳動機構的安裝精度對起毛也會產生嚴重的影響，導向桿之間、導紗輥之間跑偏嚴重也會產生毛絲［7］。

* 纏繞張力選取不當或張力不穩定也會導致毛絲產生。張力越大，碳纖維損傷越嚴重。

* 導紗桿、梳子、導紗輥、刮刀等機構的材質、粗糙度、圓度等不符合要求。導紗機構結構設計與使用不合理。

* 纏繞過程中碳纖維浸潤不足，也易出現干紗磨損。

* 在纏繞工藝過程中，斷絲裹挾著樹脂會附著在導紗路徑各環節上，形成斷絲與樹脂混合物堆積的現象，破壞導紗機構的表面狀態，加劇對好纖維的摩擦，形成惡性循環。

2.2.3 均勻展帶——頑疾之三“糾纏不清結繩子”

固發殼體設計和纏繞工藝同時要求，多束纖維通過膠槽浸潤和繞絲嘴后，纏繞到芯模表面時最好呈現均勻展開且彼此不黏連，既不重疊也不拉縫的狀態。此狀態可保證封頭的纖維堆積少，無架空現象，纖維強度得以充分發揮，以滿足發動機殼體結構設計的要求。

使用傳統纏繞機過程中，經常出現通過繞絲嘴后的多束纖維呈現彼此黏連打結，以繩狀（棍狀）形態纏繞到芯模表面。我們稱其為“糾纏不清結繩子”現象。該現象既影響殼體外觀，更影響產品質量。

造成上述“糾纏不清結繩子”的主要原因有以下3點。

* 展紗方式單一。

* 導紗桿、梳子、刮刀、導紗輥等結構設計與使用不合理。

* 張力是纖維束展寬的動力來源，是纖維束展寬的重要原因。張力值的合理選取是紗帶展寬的重要保證。

2.3 主機系統“兩大頑疾”及主要成因

2.3.1 燃燒室封頭段纏繞——頑疾之四“封頭帕金森現象”

在發動機殼體縱向封頭段纏繞過程中，經常會出現運行抖動爬行、動作滯后的現象，我們形象的稱這種現象為“封頭帕金森現象”。

“封頭帕金森現象”導致纖維不能均勻地分布在封頭段，極易導致在該部位出現滑移現象，進而出現拉縫、重疊、架空等現象。

上述現象的成因，在于設備控制系統的動態響應滯后。殼體質量對纖維纏繞機有極高的精度和運動軌跡的控制要求，動態響應能力應該成為纏繞機的關鍵控制指標。

傳統纏繞機動態響應不足，主要是生產廠家對殼體纏繞過程的“動態工藝特性”理解不深，在系統搭建過程中，更多參照機床行業的“穩態運行”思路， 造成設備的動態響應特性不足。

圖10：波動示意

2.3.2 縱向纏繞綜合出紗速度——頑疾之五，“1.5m/s天花板”

“1.5m/s天花板”的含義：當前殼體縱向纏繞速度（綜合出紗速度）依然受到纖維浸膠及其設備機械結構上限的限制，縱向綜合出紗線速度一般都控制在1-1.5m/s左右（大部分取1.2m/s）。而且當線速度很大時，會導致：

* 纖維浸漬程度（含膠量）不夠，出現局部干紗現象；

* CTC、擺臂等張力結構場景下的易斷紗；

* 機械運動機構部分功能超過上限，導致設備故障

“1.5m/s 天花板”與殼體生產效率存在強關聯關系，這種“天花板”使得產品生產效率長期徘徊不前，成為行業難題。如某型號殼體在生產中，一個縱向的時間一直徘徊在50min左右。不同廠家為了提高生產效率，有時不得不提高紗團數以彌補殼體生產效率問題。但大紗團數同步又會帶來浸漬不足、毛紗、線型不規則等問題加劇現象，嚴重影響產品質量。

圖11：國外某型號固體發動機殼體

在下期內容中，我們將著重討論本文的第三、第四章內容，分別是“優材百慕研制的第3代纖維纏繞機—對解決上述“五大頑疾”的對策實踐”以及“部分試機效果情況”。歡迎繼續關注。