复合材料的公用电线杆及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种空心锥形的纤维增强塑料公用电线杆的计算机模似设计及制造方法。所述方法包括：沿杆的顶部至底部设置多个检验站，根据检测和计算结果，在杆上敷设树脂涂层纤维增强束的环，使其满足杆的厚度与直径比等于或大于一个常数；满足所需的抗应力强度；及额定负载及设定的破环负载满足安全裕量准则等条件；根据计算机模拟计算的结果，将杆敷设在卷筒上，并对树脂作处理。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术总地涉及一种公用电线杆。更具体地，本专利技术涉及由复合材料，如纤维增强塑料（FRP）作的公用电线杆。尤其是，本专利技术不仅涉及利用最少量FRP材料制造能提供所需预选长度的FRP公用电线杆的制造方法，而且也涉及利用该方法制造的杆。输电线、电话线及电灯装置常常被支承在公用电线杆上。这种电线杆必须能不仅承受由被支承物体的重量施加的柱向负载而且能承受由偏心负载及由风施加的弯曲负载。一般而言，木材杆、混凝土杆或钢杆在历史上曾被用于这种目的。这些杆全都很重并且每种均有一些独特的缺点。例如，木材杆会遭到腐蚀-即由细菌或霉菌的作用及害虫如凿木虫及啄木鸟的攻击产生腐蚀。不利的是，木材杆的地面处或地下部分易于被腐蚀，由此会产生杆的断裂或倒塌，有时没有任何预示。为了有助于抵抗这类损坏，通常用化学剂来处理木材杆，力图延长木材杆的使用寿命。但是化学防腐剂会渗出杆外并使当地地下水受污染。此外，化学防腐剂不是持久的，如果在该领域中能够有效地处理木材杆的话，那也是极其困难的。钢杆会生锈，因此需要定期的检查及维修。防锈复合剂的使用也对环境产生有害的作用。即使环境问题能解决，钢杆还是很重并不易于操作。此外，钢杆是导电的，即使极其小心地使电装置与杆相绝缘，但日常的风暴破坏会使杆带电。还有，钢杆是一种昂贵的材料。-->混凝土杆比钢杆更重。其后果是运输及操作混凝土公用电线杆的费用更大。因此它们常在竖立现场非常接近的地方被制作出来。混凝土杆，象上述木杆及钢杆那样，也遭受环境的破坏，尤其是结冰及融化的周期的破坏，而这种周期存在于广大的美国地区上。纤维增强塑料（FRP）杆已被推荐作为木杆、钢杆和/或混凝土杆的优异替换物，因为这种杆不会遭受到同样的破坏。例如，FRP复合材料杆具有的基本电绝缘等级大于木材、钢或混凝土杆，并且这种基本电绝缘等级是保持在FRP杆的整个寿命期间上的。此外，FRP公用电线杆提供了一个非常有利的强度与重量比。FRP公用电线杆通常包括多个纤维增强树脂叠压层。该纤维通常使用玻璃、石墨、硼或其它稀有材料或它们的组合，该纤维具有的杨氏模量至少为10×106psi(6.9×1010N/m2)的数量级-当通常的负载施加于公用电线杆时它能提供足够的必要的圆周强度及刚性以防止杆的弯曲及圆周变形。FRP杆对环境是安全的，因为它不渗出化学剂到土壤中。FRP不象木杆那样，它不需要用化学防腐剂作初次或进一步的处理。相反地，FRP复合材料公用电线杆具有抵抗通常可能在土壤中发现的各种化学物侵蚀的固有能力。但是，现有技术的FRP杆被证实是太昂贵了。典型地，FRP杆是利用在一个锥形卷筒上敷设树脂涂层玻璃纤维或其它的高模量的纤维束来制造的。当将增强纤维束缠绕在锥形卷筒上时，所产生的带锥度的管形杆的顶部具有的壁厚大于其底部的壁厚。用这种方式生产的管状FRP顶部壁厚较大而外径则较小，杆在顶部区-->域具有高的悬臂强度。但是，为了在接近底部处也使管状杆具有足够的悬臂强度，便在顶部上集聚了过量的材料，于是不必要地增加了杆的造价及重量。因此本专利技术的首要目的是提供一种改良的公用电线杆，它具有从杆的基部或底部到顶部逐渐收缩的锥形轮廓，没有明显减少沿底部部分的壁厚而使杆强度受到损坏，或是增加沿顶部部分的壁厚使其超出所需的量，用以沿公用电线杆的整个长度提供所需的杆强度。本专利技术的另一目的是提供如上所述的一种改良的锥形的、低重量的FRP杆，使其重量大约在同样长度的木材、钢或混凝土制杆之重量的三分之一（1/3）到二分之一（1/2）的范围中。本专利技术的另一目的在于提供如上所述的一种改良的、锥形的、低重量的FRP杆，它包括相继的同心FRP层，其中的一些层具有的长度小于整个杆的长度。本专利技术的另一目的在于提供如上所述的一种改良的公用电线杆，它具有的壁厚与杆直径之比大于或等于0.015，并且在沿杆长度的任何横截面上具有的梁强度能承受预定的允许应力。本专利技术的主要目的还在于提供一种制造具有上述特性的FRP公用电线杆的方法。本专利技术的这些及另外的目的及其超过现有技术杆型的优点将通过以下的描述及提出的权利要求书详细阐明。根据本专利技术的构思制造的一种带锥度的管状FRP公用电线杆具有多个根据需要沿杆的可确定长度施加的树脂增强塑料层，其方式为使杆的柱向强度及悬臂强度最优化并使材料的使用量为最小。因为理解这里所使用的术语对于理解本专利技术是关键性的，故应了解该装置，-->即利用多层树脂涂层的增强纤维或纤维束同时地包围卷筒外圆周面的装置，该装置是通过在卷筒和导头之间的相对运动将树脂涂层增强纤维引导到卷筒上而实现的。增强纤维束沿卷筒长度方向在导头与卷筒之间的相对运动为单次圆周运动，被称为是一“道”（“pass”）或“横移”（“traverse”）。当相对运动反向来实现第二道或横移时，这两道被认为是构成了一“圈”（“cycle”）或“环”（“circuit”）。那些沿卷筒一个共同长度上来回运动形成的一个或多个环，包括任何所有的以前敷设的在下部分的环在内，形成了一个纤维增强塑料的“层”（“layer”）。以此为背景，可以表明，至少一个、也可能多个FRP环通常延伸在杆的整个长度上。另外的环通常从杆的基部或底部延伸相继较短的长度，这些长度结束在距离杆一端或另一端的预定距离上。这样产生的较短的环或圈与在先敷设的环的在下部分形成了另外的层，那些沿顶部的层形成的壁厚与沿基部或底部的壁厚相比较，没有提供多余的壁厚。根据现有技术，被工业界广为公知及使用的是，将一个或多个增强材料的纤维束或丝从卷筒的一端开始以一个方向的螺旋形状绕到该卷筒上，接着从卷筒的另一端开始将一个或多个连续的纤维束或丝以相反方向的螺旋形状绕到该卷筒上。这些步骤然后被多次重复直到卷筒上被所需层数所覆盖，然后将这个杆件进行处理。制作FRP杆件的一个有代表性的装置公开在1978年5月16日颁发给P.H.McLain，并作为本专利技术的受让人所有的美国专利US4，089，727中。在该专利中公开的装置描述了在每道上敷设一-->个相对窄的树脂涂层的材料带，但利用修改导头可使足够数目的增强纤维束同时地环绕在卷筒上，以致仅在一道中即可完全地覆盖卷筒。然后，接下来的道仅是起到形成被制作的FRP杆件的厚度的作用。因而在绕制操作期间，具有卷筒及绕制导头之间的相对旋转及相对轴向运动。可以使绕制导头旋转而使卷筒旋转或不旋转。也可以旋转卷筒而使绕制导头不旋转。类似地，绕制导头与卷筒之间的相对轴向运动可以用所述的任一个或两个部件的运动来实现。所有的变型均用于实现绕制导头与卷筒之间所需的相对旋转及平移。与实现本专利技术有关的构思并不限制采用任何特定的装置来完成相对的轴向运动和/或旋转运动。因此，仅是为了简明起见，以下对现有技术及本专利技术的解释均是针对绕制导头不旋转但沿卷筒轴向移动，而卷筒旋转但本身并无轴向运动的情况。当卷筒这样转动，而绕制导头沿其轴向移动时，就使多个加强纤维束实际上敷设到沿卷筒轴向平移的导头后方的整个卷筒外圆柱面上。根据本专利技术，每层的长度是利用在沿计算机模拟设计杆的长度上轴向布置的预定检验站上比较该层的悬臂强度与柱向强度来确定的。计算一管状柱的悬臂强度及它的极限柱向负载的数学式均依赖于柱杆的转动惯量及制造杆的材料的模量。杆的尺寸也必须到使杆壁厚与杆内径之比等于或大于0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，用于由一种合成ＦＲＰ继而制造该杆，该公用电线杆具有一个底部，一个中间部分及一个顶部，所述方法包括下列步骤：确定待制造的杆的长度；选择具有典型径向构型及长度的套筒来提供杆从底部到顶部的整个长度； 沿套筒从要形成顶部的部位到要形成底部的部位递增地设置检验站；从底部部位到顶部部位仿真地以一个环的方式敷设树脂涂层纤维增强束；在接近杆顶部的检验站上，确定该树脂涂层的纤维增强束环的壁厚的厚度与直径的比例是否等于或小于一个确定的常数 ；为了满足在第一检验站上的厚度与直径比，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；及确定在接下来的下一检验站上该厚度与直径比是否等于或大于确定常数；为了满足在下一检验站上的厚度与直径比，必须仿真性敷设树脂涂层纤维增强束的任 何另外的环；继续在每个检验站１上进行检验步骤，根据需要仿真地敷设另外的环，直到沿顶部到底部的所选杆长度上的厚度对直径比的检验均满足条件为止。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1994-2-9 08/194,2221、一种空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，用于由一种合成FRP继而制造该杆，该公用电线杆具有一个底部，一个中间部分及一个顶部，所述方法包括下列步骤：确定待制造的杆的长度；选择具有典型径向构型及长度的套筒来提供杆从底部到顶部的整个长度；沿套筒从要形成顶部的部位到要形成底部的部位递增地设置检验站；从底部部位到顶部部位仿真地以一个环的方式敷设树脂涂层纤维增强束；在接近杆顶部的检验站上，确定该树脂涂层的纤维增强束环的壁厚的厚度与直径的比例是否等于或小于一个确定的常数；为了满足在第一检验站上的厚度与直径比，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；及确定在接下来的下一检验站上该厚度与直径比是否等于或大于确定常数；为了满足在下一检验站上的厚度与直径比，必须仿真性敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；继续在每个检验站1上进行检验步骤，根据需要仿真地敷设另外的环，直到沿顶部到底部的所选杆长度上的厚度对直径比的检验均满足条件为止。2、根据权利要求1所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括,选择千分之十五（0.015）作为厚度与直径比的常数的步骤。3、根据权利要求1所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括下列步骤：确定在相继检验站上在预定负载下计算出的可接受抗应力强度是否大于对每个相应检验站所需的抗应力强度；及在程序进行前为了满足所需的抗应力强度，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环。4、根据权利要求3所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括步骤：借助于下式在每个站上计算抗应力强度：S＝Mc/I式中：M--由所选负载产生的力矩；C--从杆的中心轴到其外表面的距离；及I--对于该检验站处的杆横截面的转动惯量。5、根据权利要求3所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：当仿真杆遭受额定负载时在每个站上计算顶部挠度量；在每个站上从顶部挠度量设定破坏负载；及在程序进行前为了保证额定负载小于设定的破坏负载，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环。6、根据权利要求5所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：Fp=C((FR)/(δ))(a-3LA)式中：FR--引起梁挠曲的额定负载Fp--设定破坏负载；a--从固定平面到额定负载FR施加于梁的点的距离；LA--从固定平面到梁的端部的距离；C--正比例常数；及δ--在施加的负载下的梁挠度量。7、根据权利要求6所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：任意选择一个最大允许应力，最好高于其预期值；选择一个增量应力，用于当检验式FR＜FP＜FR+ε的回答为“是”时调节所述的最大应力。8、根据权利要求6所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：使用破坏负载相对负载挠度参数的线性回归分析确定正比例常数。9、根据权利要求7所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下的步骤：如果检验式（FR-FP）i-1/（FR-FP）i＜0满足时，选择一个新的增量应力，用以借助对半检索程序重新设置所述最大允许应力。10、根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里桑德霍斯福德，约翰弗兰克林布泽三世，小罗伯特阿什利波拉德，小约翰理查德刘易斯，
申请(专利权)人：莎士比亚公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]