復(fù)合絕緣子傘裙成型模設(shè)計(jì)與應(yīng)用

南無(wú)疆， 陳星睿， 王志文， 王禮先

（1.太原科技大學(xué) 高端重型機(jī)械裝備研究院， 山西 太原 030024；2.山西省電力公司超高壓變電公司， 山西 太原 030021；3.青島泓捷智能科技有限公司， 山東 青島 266111）

0 引 言

針對(duì)我國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)，國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布“碳達(dá)峰、碳中和”方案，以特高壓引領(lǐng)我國(guó)能源互聯(lián)建設(shè)。隨著交、直流高壓工程的大規(guī)模建設(shè)，復(fù)合絕緣子對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行有重要意義。與傳統(tǒng)的玻璃、瓷絕緣子相比,復(fù)合絕緣子具有質(zhì)量輕、抗震性能和耐污性能優(yōu)良、不易破碎，能源功耗低，生產(chǎn)周期短，力學(xué)性能和質(zhì)量穩(wěn)定等特性。復(fù)合絕緣子主要由復(fù)合絕緣芯體、端部法蘭、外層硅橡膠傘裙組成。

隨著復(fù)合材料在電力電氣領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)合絕緣子的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。絕緣子是輸電系統(tǒng)中使用量較大的元器件，一旦發(fā)生故障，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成不利影響，必須對(duì)絕緣子的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證其運(yùn)行過(guò)程中的安全性[1-3]。初期我國(guó)高壓電線路上運(yùn)行的復(fù)合絕緣子都是從國(guó)外進(jìn)口，隨著我國(guó)裝備技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對(duì)復(fù)合絕緣子持續(xù)不斷的研究，現(xiàn)階段我國(guó)生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)異。現(xiàn)通過(guò)對(duì)高壓復(fù)合絕緣子傘裙注射成型工藝和成型模進(jìn)行研究，完成了復(fù)合絕緣子批量生產(chǎn)，通過(guò)試驗(yàn)與實(shí)踐，成型的制品各項(xiàng)性能均滿足要求。

1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)及性能要求

1.1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)

復(fù)合絕緣子由復(fù)合材料芯體、外層硅橡膠傘裙和兩端法蘭組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中復(fù)合材料芯體由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合而成，硅橡膠傘裙大部分通過(guò)注射成型，兩端法蘭是鋁合金鑄造而成，組裝后的復(fù)合絕緣子需保證兩端法蘭孔的角向位置關(guān)系。

圖1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)合絕緣子性能要求

隨著復(fù)合絕緣子的廣泛應(yīng)用，不同電壓等級(jí)的復(fù)合絕緣子性能要求不同，主要體現(xiàn)在雷電沖擊耐受電壓，操作沖擊耐受電壓，最小爬電距離和使用環(huán)境等要求，由于復(fù)合材料芯體成型工藝存在不穩(wěn)定性，如表1所示列出了對(duì)復(fù)合材料芯體性能的具體要求。

表1 復(fù)合材料芯體的性能要求

2 成型工藝及傘裙模具的設(shè)計(jì)與制造

2.1 復(fù)合絕緣子成型工藝確定

根據(jù)復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)，目前復(fù)合材料芯體主要有玻璃纖維纏繞、灌注和拉擠成型工藝成型，而硅橡膠傘裙現(xiàn)有灌膠法、擠包法、注射成型法，兩端法蘭主要采用成熟的鑄造工藝成型。綜合生產(chǎn)效率和制品合格率，對(duì)復(fù)合絕緣子的芯體選取環(huán)氧樹(shù)脂纖維預(yù)制體灌注而成，硅橡膠傘裙由注射成型工藝制造。

2.2 硅橡膠傘裙模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硅橡膠傘裙作為復(fù)合絕緣子的重要組成部分，從早期的單傘模壓成型發(fā)展到當(dāng)前的整體注射成型工藝，使得硅橡膠傘裙生產(chǎn)效率提升，傘裙的外觀質(zhì)量也有顯著改善。硅橡膠傘裙注射成型生產(chǎn)過(guò)程是在注塑設(shè)備上完成，首先將硅橡膠裝入設(shè)備塑化缸中進(jìn)行加熱軟化，高溫硅橡膠在一定的壓力和速度下注入安裝在注塑機(jī)上的模具型腔內(nèi)，使其將定位在模具內(nèi)預(yù)先處理好的復(fù)合材料芯體包覆，再經(jīng)過(guò)硫化、脫模和修邊完成硅橡膠傘裙的制造。

實(shí)際生產(chǎn)中，模具結(jié)構(gòu)與制品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具的使用壽命等均有關(guān)系[4]。 注射模結(jié)構(gòu)為上、下打開(kāi)式，模具的分型面選擇絕緣子回轉(zhuǎn)體軸心線的面上，根據(jù)復(fù)合絕緣子的尺寸，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，模具的上、下模塊分為連接模框和成型模塊，下模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。成型模塊的分型面設(shè)計(jì)要有便于將膠料斷開(kāi)的薄凹槽和排氣槽，成型模塊斷料結(jié)構(gòu)及整體模具外形如圖3所示。鎖模力對(duì)橡膠制品的尺寸精度和質(zhì)量影響較大[5]，為防止模具在注射和硫化過(guò)程中被型腔內(nèi)的膠料頂開(kāi)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鎖模力的大小。

圖2 注射模下模塊結(jié)構(gòu)

圖3 成型模塊斷料結(jié)構(gòu)及模具外形

鎖模力計(jì)算公式：

其中，P為鎖模力，N；n為安全系數(shù)（1.5~1.8）；s為制品外層傘裙模型分型面上的有效投影面積，cm2；p為型腔中膠料的平均壓力，MPa。

2.3 模具生產(chǎn)制造

傘裙注射成型是在一定的流速和壓力條件下將硅膠注入模具內(nèi)復(fù)合材料芯體上，注射過(guò)程中需保證復(fù)合材料芯體在模具內(nèi)定位準(zhǔn)確且固定牢靠，避免成型后制品出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。具體實(shí)施是將粘接好兩端法蘭的復(fù)合絕緣子芯體放入注射模內(nèi)，通過(guò)控制合模力來(lái)實(shí)現(xiàn)兩端法蘭面與模具壓緊塊的環(huán)向定位和密封，通過(guò)絕緣子兩端法蘭盤與模具端面實(shí)現(xiàn)軸向定位。模具需有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保其在長(zhǎng)期注射壓力和溫度變化下不變形、密封性良好，因此模具材料選取至關(guān)重要。模具材料應(yīng)熱穩(wěn)定性好，不易變形，使用安全、可靠，成型的制品質(zhì)量穩(wěn)定，型腔板一般選用P20、718H、738H、S136等模具鋼，因其具有優(yōu)良的拋光性、防銹性、耐磨性[6]。為了保證注射后的制品能順利脫模，不出現(xiàn)粘模現(xiàn)象，模具零件在加工后需進(jìn)行多次拋光，模具型腔壁表面粗糙度Ra≤0.8 μm，同時(shí)注射過(guò)程中為了便于排氣，加工制造的上、下模成型模塊的表面要略高于模框面0.5~0.8 mm。

根據(jù)制品規(guī)格的不同，模具設(shè)計(jì)可以分為1模1腔、1模2腔和1模多腔結(jié)構(gòu)，制品尺寸較大時(shí)一般采用1模1腔結(jié)構(gòu)，且在長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)需要分段注射成型，根據(jù)圖1所示的硅橡膠傘裙尺寸設(shè)計(jì)制造的模具如圖4所示。當(dāng)制品尺寸較小時(shí)，可以采用1模2腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造的模具已在線生產(chǎn)，部分模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 實(shí)際成型模塊及模具外形

圖5 1模2腔模具部分結(jié)構(gòu)

3 模具結(jié)構(gòu)有限元分析

因特高壓復(fù)合絕緣子注射成型模具尺寸較大，一般在模具的內(nèi)部安裝電加熱裝置，為了保證模具內(nèi)部溫度的均勻性，設(shè)計(jì)模具加熱棒數(shù)量和位置尤為重要。利用 Abaqus有限元分析軟件對(duì)模具的加熱過(guò)程進(jìn)行分析，P20鋼的密度為7.8×103kg/m3，熱導(dǎo)率為50 W/(m·K)，比熱為450 J/(kg·K)，將材料特性賦予計(jì)算模型，由于模具外部有保溫措施，模擬過(guò)程中散熱系數(shù)取較小值，加熱時(shí)間為3 600 s，環(huán)境溫度為22 ℃，加熱溫度設(shè)定為170 ℃，通過(guò)對(duì)加熱棒數(shù)量和位置優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化后模具溫度的分布云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后模具溫度分布云圖

4 復(fù)合絕緣子生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)際制品

復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)制造主要分3個(gè)過(guò)程，復(fù)合材料芯體的制造、兩端金屬法蘭的鑄造和外層硅橡膠傘裙注射成型。復(fù)合材料芯體通過(guò)玻璃纖維預(yù)制體和環(huán)氧樹(shù)脂浸制固化成型后，機(jī)加工到規(guī)定尺寸，將鑄造、加工完的金屬法蘭粘接到加工好的復(fù)合材料芯體兩端，粘接時(shí)要保證兩端金屬法蘭連接孔的角向位置關(guān)系，粘接完成后在需要包覆硅橡膠傘裙組件的表面上涂偶聯(lián)劑，再將其裝入注射模內(nèi)進(jìn)行硅橡膠傘裙成型，脫模后清除注射后的復(fù)合絕緣子分型面和澆口處多余的硅橡膠，最后對(duì)硅橡膠傘裙和兩端法蘭接口處進(jìn)行封邊處理。生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子如圖7所示，制品表面光滑，無(wú)褶皺、氣泡、撕裂和缺膠等現(xiàn)象。

圖7 復(fù)合絕緣子

5 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙注射模經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，制品的表面質(zhì)量、精度尺寸和其他性能均滿足要求，并且提高了制品的生產(chǎn)效率。將復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙注射模設(shè)計(jì)成模塊化、通用化，結(jié)構(gòu)更加合理，能夠?qū)崿F(xiàn)型腔內(nèi)各模塊的快速更換，使維護(hù)更加方便、經(jīng)濟(jì)。通過(guò)有限元分析軟件Abaqus優(yōu)化了加熱模具的電熱管位置，使整個(gè)模具的溫度分布更均勻，降低了模具的熱應(yīng)力，提升了注射工藝的穩(wěn)定性。