超高壓電纜護(hù)套擠出機(jī)頭的設(shè)計與應(yīng)用

祝 軍， 黃東宇， 畢利琴

(江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，江蘇溧陽213300)

0 引言

超高壓電纜通常是指110 kV及以上的高壓電纜，目前全國立式交聯(lián)(VCV)和懸鏈?zhǔn)浇宦?lián)(CCV)超高壓電纜生產(chǎn)線有110多條，年生產(chǎn)能力達(dá)到40000 km以上。各生產(chǎn)企業(yè)為保證高壓電纜的質(zhì)量，關(guān)鍵工序大多選用進(jìn)口設(shè)備，而超高壓電纜護(hù)套的擠出工序一般都被認(rèn)為是普通工序，生產(chǎn)線大多選用國產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)然國產(chǎn)的擠塑機(jī)只要參數(shù)選用合適也能夠滿足產(chǎn)品的要求，但僅擠塑機(jī)滿足要求還不行，因?yàn)樽o(hù)套擠出最后成型是依靠擠出機(jī)頭來完成的，一個好的機(jī)頭對擠出質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

為此，我公司選擇了上海和杭州兩家知名模具廠生產(chǎn)的機(jī)頭進(jìn)行試用，但試用比較后發(fā)現(xiàn)，兩家模具廠生產(chǎn)的機(jī)頭均存在較為嚴(yán)重的設(shè)計缺陷。原機(jī)頭存在的問題無法解決，市場上又買不到滿意的機(jī)頭，我公司決定自行設(shè)計。通過三個月的努力，最終完成了自制新機(jī)頭的設(shè)計、制造和安裝。安裝后通過對聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、低煙無鹵(LSFOH)等不同材料的擠出驗(yàn)證，結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計要求。

1 原有機(jī)頭存在的問題

提供機(jī)頭的兩家模具廠分別采用不同的方案來生產(chǎn)超高壓電纜護(hù)套:一家模具廠是單層與多層分開，大規(guī)格與小規(guī)格分開，用多個機(jī)頭分別完成。這類機(jī)頭操作復(fù)雜、成本高，同時還有一個致命的問題是分料器流道設(shè)計存在缺陷——有嚴(yán)重的滯留區(qū)。長時間生產(chǎn)PVC會出現(xiàn)焦燒，PE也會因過熱而產(chǎn)生氣泡等問題;另一家模具廠用一個機(jī)頭來生產(chǎn)所有的電纜規(guī)格，每次開車需要重新校模，護(hù)套易偏心，無法快速換規(guī)格，機(jī)頭分料器流道的流線性也較差。兩家機(jī)頭還有一個共同的特點(diǎn)是機(jī)頸長、加熱器設(shè)置不合理，極易造成塑料擠出時局部過熱而產(chǎn)生焦燒。

2 自制新機(jī)頭的設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

所有的擠塑機(jī)機(jī)頭都有著相同的基本要求:操作簡單;安裝拆卸方便;能快速換規(guī)格;分料器流道壓力均勻且無明顯的合膠線。

另外，由于超高壓電纜護(hù)套大多采用雙層擠出，外層較薄且無厚度要求，所以，護(hù)套擠出機(jī)頭在結(jié)構(gòu)上也有一些特殊的要求。

2.2 設(shè)計方案

(1)擠塑機(jī)機(jī)頭規(guī)格的選擇。目前，超高壓電纜生產(chǎn)企業(yè)一般分兩類，一類是生產(chǎn)220 kV及以下電纜的企業(yè)，生產(chǎn)的電纜皺紋鋁套最大外徑約在150 mm;另一類是生產(chǎn)500 kV及以下電纜的企業(yè)，生產(chǎn)的電纜皺紋鋁套最大外徑約在170 mm。兩類電纜企業(yè)生產(chǎn)的電纜皺紋鋁套外徑都在84 mm以上，所以都可以用一個機(jī)頭來生產(chǎn)所有的規(guī)格，只是機(jī)頭的大小有所不同。這樣既可以節(jié)約制作機(jī)頭的成本，也可以免去更換機(jī)頭帶來的不便與風(fēng)險。

(2)機(jī)頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為保證機(jī)頭操作的簡單，在設(shè)計機(jī)頭時應(yīng)盡可能簡化結(jié)構(gòu)，特別是日常操作和拆卸零件。目前，通常的做法是模芯與分料器合二為一，同時分料器之間及分料器與機(jī)頭殼體之間都應(yīng)采用錐面配合(見圖1)。錐面配合有利于分料器和機(jī)體精確定位并保證良好的密封性，也使裝配和拆卸時間縮短。

圖1 分料器與機(jī)頭殼體裝配示意圖

(3)分料器流道的設(shè)計。分料器的流道是擠塑機(jī)機(jī)頭設(shè)計的技術(shù)難點(diǎn)之一。好的機(jī)頭結(jié)構(gòu)，配以合理的分料器流道，機(jī)頭就能夠如虎添翼。目前通常的做法是采用雙流道或多流道設(shè)計，流道要求流線性好，在提高分料器圓周方向壓力均勻性的同時，避免膠料在流道中滯留，從而產(chǎn)生焦燒、氣泡等質(zhì)量問題。分料器的流道深度和流道匯合角也是分料器設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)之一，分料器展開的匯合角根據(jù)不同的擠出材料選擇在70°～80°之間。為使擠塑機(jī)頭能有良好的通用性，一般選擇一個固定角度(見圖2)。

圖2 分料器流道匯合角示意圖

(4)調(diào)偏機(jī)構(gòu)的設(shè)計。在GB/T 11017—2002和GB/Z 18890—2002中，沒有對超高壓電纜護(hù)套外半導(dǎo)電層厚度的規(guī)定，只是要求在外護(hù)套表面應(yīng)有均勻牢固的導(dǎo)電層作為外護(hù)套耐壓試驗(yàn)的外電極。外電極本身比較薄，調(diào)偏量自然也比較小，因此，我們選用調(diào)偏環(huán)來實(shí)現(xiàn);內(nèi)層護(hù)套的調(diào)偏量較大，采用直接調(diào)節(jié)模套的方法。為減小對偏心度的影響，我們可在模套外面加一個套，稱之為模套座。調(diào)偏時不是直接對模套調(diào)整而是對模套座進(jìn)行調(diào)整，更換模套時模套座保持不動(見圖3)，這樣換規(guī)格后偏心度可保持基本不變。

圖3 模套座與模套結(jié)構(gòu)圖

(5)內(nèi)外層交匯的設(shè)計。生產(chǎn)雙層時，內(nèi)分料器前端是模芯，外分料器前端是一個環(huán)形錐形。考慮到生產(chǎn)單層和拆卸外分料器對前端保護(hù)的需要，在外分料器前端設(shè)計一個活動接口——中模。更換中模與外層調(diào)偏環(huán)便可實(shí)現(xiàn)單層的擠出。

(6)機(jī)頸的設(shè)計。超高壓電纜護(hù)套擠出大多采用雙層擠出。目前，設(shè)備安裝時均將兩臺擠塑機(jī)配置在同一側(cè)，主機(jī)與機(jī)頭軸線垂直，半導(dǎo)電擠塑機(jī)與機(jī)頭軸線夾角45°，這樣可以節(jié)省很大的空間。在設(shè)計時兩臺擠塑機(jī)軸線與機(jī)頭軸線的交叉點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近，同時縮短機(jī)頸的長度。原機(jī)頭半導(dǎo)電擠塑機(jī)機(jī)頸長度約為250 mm，重新設(shè)計后機(jī)頸長度僅為120 mm，大大縮短了擠出材料擠出時在機(jī)頸內(nèi)的滯留時間，從而減少了過熱、焦燒的機(jī)會。

(7)抽真空裝置的設(shè)計(見圖4)。為保證外護(hù)套與纜芯接觸緊密，超高壓電纜的護(hù)套都進(jìn)行抽真空生產(chǎn)。由于超高壓電纜護(hù)套擠出時纜芯大多涂有瀝青，因此，真空的密封只能采用金屬環(huán)，同時金屬環(huán)還必須加熱到足以熔化瀝青的溫度。在生產(chǎn)過程中偶爾也會出現(xiàn)瀝青滴落在機(jī)頭內(nèi)的情況，為避免瀝青堵塞真空口，抽真空的出風(fēng)口應(yīng)偏離下方45°以外。為解決瀝青在機(jī)頭內(nèi)因累積過多而可能出現(xiàn)的意外情況，在設(shè)計內(nèi)層分料器內(nèi)孔時將其做成倒錐的形狀，較多的瀝青可一直向后流，并在金屬密封環(huán)處設(shè)計貯存槽，用于貯存較多滴落的瀝青，同時也可在貯存槽的底部開一調(diào)節(jié)小孔，必要時放掉瀝青。

圖4 真空裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(8)加熱器的配置。目前，大機(jī)頭加熱器有不銹鋼云母加熱器和鑄鋁加熱器兩種。不銹鋼云母加熱器加熱直接、速度快，鑄鋁加熱器保溫效果好，用哪一種加熱器要根據(jù)機(jī)頭設(shè)計的具體情況來定。當(dāng)零件較薄、貯熱量少時，需要用鑄鋁加熱器。機(jī)頸處加熱如果采用不銹鋼云母加熱器，需要在加熱器內(nèi)增加貯能器(見圖5)，從而確保溫度的均勻性。加熱器的固定螺釘應(yīng)加裝一個壓緊彈簧，避免反復(fù)加熱后造成加熱器的松動。一個機(jī)頭加熱器的總功率應(yīng)在15～20 kW。

3 自制新機(jī)頭的使用

新機(jī)頭設(shè)計完成后，我們選擇了加工能力較強(qiáng)的外加工單位，這樣的加工單位需要有四軸連動的數(shù)控銑床、大型的內(nèi)圓磨、數(shù)控車床等關(guān)鍵裝備。通過兩個月的加工，完成了自制新機(jī)頭的制造。安裝后通過對PE、PVC、LSFOH等多種不同材料的擠出驗(yàn)證，結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計要求。

圖5 機(jī)頸加熱器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

該機(jī)頭是目前超高壓電纜護(hù)套擠出的新型機(jī)頭。新機(jī)頭操作簡單，第一次校模生產(chǎn)后，再生產(chǎn)無需校模，偏心度基本不變;安裝拆卸方便，原機(jī)頭清理安裝一次需要2 h，新機(jī)頭只需40 min;新機(jī)頭能實(shí)現(xiàn)快速換規(guī)格，做好準(zhǔn)備工作后10 min便可完成。

新機(jī)頭安裝后我公司進(jìn)行了長時間批量生產(chǎn)，至今未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題，就連護(hù)套表面的合膠線也看不到。新機(jī)頭的成功研制將有力保障我公司超高壓電纜護(hù)套的結(jié)構(gòu)尺寸及外觀質(zhì)量。

［1］金日光.高聚物流變學(xué)及其在加工中的應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1986.

［2］洪慎章.塑料成型及模具設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.