不停機可更換電力電纜規(guī)格的擠塑模具研究

摘" 要：中高壓電力電纜的生產(chǎn)采用三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線，當需生產(chǎn)另一種規(guī)格型號電力電纜時，需要停機清理擠塑機頭并更換導體擠塑模具，這將造成交聯(lián)材料的浪費及生產(chǎn)效率的降低。為解決這一問題，該文以擠塑模具為研究對象，設計一種不停機可更換電力電纜規(guī)格的擠塑模具。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證表明，該模具的設計可實現(xiàn)不同規(guī)格型號電力電纜的不停機連續(xù)生產(chǎn)。能夠解決停機更換模具引起絕緣材料浪費的問題，提高中高壓電力電纜生產(chǎn)效率，降低電力電纜企業(yè)的生產(chǎn)成本。

關鍵詞：電力電纜；交聯(lián)材料；不停機；擠塑模具；生產(chǎn)成本

中圖分類號：TM247.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0138-04

Abstract： The three-layer co-extrusion on-line production line used in the production of medium and high voltage power cables needs to stop and clean the extrusion head and replace the conductor extrusion die when another type of power cable is needed， which will lead to the waste of cross-linked materials and the reduction of production efficiency. In order to solve this problem， taking the extrusion die as the research object， a kind of extrusion die with changeable power cable specification is designed in this paper. The actual production verification shows that the design of the die can realize the non-stop continuous production of different types of power cables. The problem of waste of insulation materials caused by shutdown and mold replacement is solved， the production efficiency of medium and high voltage power cables is improved， and the production cost of power cable enterprises is reduced.

Keywords： power cable; cross-linked material; non-stop; extrusion die; production cost

交聯(lián)聚乙烯電力電纜具有優(yōu)異的電氣和機械性能，廣泛應用于中高壓電力領域，其生產(chǎn)線主要使用三層共擠化學交聯(lián)生產(chǎn)線，高壓電纜主要采用立式生產(chǎn)線，中壓電纜主要采用懸鏈式生產(chǎn)線[1]。在電力電纜的生產(chǎn)中需使用擠塑模具給導體擠制屏蔽、絕緣層， 但當生產(chǎn)另一種型號規(guī)格的電力電纜時，需要停機更換相應規(guī)格的擠塑模具，則需要拆卸原有的模具、清理擠塑機頭、安裝新模具、重新加熱交聯(lián)管路、給管路沖入氮氣重新加壓和調(diào)節(jié)擠制絕緣層的偏心度[2]。不僅浪費了生產(chǎn)時間，還造成了材料及電能的損耗。

目前，國內(nèi)有上萬家電線電纜生產(chǎn)企業(yè)，競爭十分激烈。企業(yè)為了未來能夠有良好的發(fā)展，不僅要創(chuàng)新新技術新產(chǎn)品，而且在保證常規(guī)產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，注重生產(chǎn)成本控制。近幾年，金屬原材料受國際進口情況影響，銅、鋁材料價格較高且并不穩(wěn)定，導致企業(yè)擔憂成本變化過大，不便提前儲備電力電纜，這就使得簽訂訂單后，生產(chǎn)周期緊張，且一般電力電纜訂單型號不同，長短不一，生產(chǎn)過程中會時常地更換模具，這導致了電力電纜廠家不僅生產(chǎn)效率低，且浪費大量的銅、鋁、絕緣等材料。若能夠?qū)崿F(xiàn)不同規(guī)格的中高壓電力電纜不停車更換，生產(chǎn)線連續(xù)的運行，就可以減少三層共擠交聯(lián)機停機次數(shù)，降低銅、鋁、絕緣、屏蔽材料在停機過程中對原材料的消耗。在此背景下，決定對企業(yè)的電力電纜三層共擠交聯(lián)機擠塑模具進行改進，提高電力電纜生產(chǎn)效率，減少更換模具造成的材料浪費，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

1" 三層共擠擠塑原理及傳統(tǒng)模具存在問題

中高壓三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線主要由儲線盤、放線架、導體屏蔽擠出機、絕緣擠出機、絕緣屏蔽擠出機、交聯(lián)管、氮氣系統(tǒng)、牽引機、收線盤和電氣柜等裝置構(gòu)成[3]。擠塑模具有模芯一（用于固定導體）、模芯二（用于擠制導體屏蔽）、模套（用于擠制絕緣和絕緣屏蔽），3種模具同時使用共同完成電力電纜的導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠，擠制后的導體在生產(chǎn)線交聯(lián)管內(nèi)的高壓強氮氣保護、高溫環(huán)境下，其擠制的聚乙烯絕緣材料從線性結(jié)構(gòu)發(fā)生化學反應，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而完成屏蔽、絕緣的交聯(lián)過程，這就是電力電纜的三層共擠[3]。國家電網(wǎng)公司對中高壓電力電纜的導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽的偏心度的要求較為嚴格，要求絕緣偏心度不大于8%，高于國家標準規(guī)定的不大于10%[4]。因而標準的高要求就使得交聯(lián)機生產(chǎn)線對模芯一和銅、鋁導體的外徑匹配度要求同樣要精準。若模芯一孔徑較小，雖可使導體位置準確固定，但若導體存在一定的彎度，則會造成導體卡模，損壞模具和導體，并對生產(chǎn)線設備造成一定的損傷；若模芯一孔徑較大，則會導致導體在模芯中抖動，使得導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽出現(xiàn)不同程度地偏心，導致產(chǎn)品質(zhì)量不合格，造成材料損耗，成本增加。因而，當生產(chǎn)完一個電力電纜規(guī)格需更換為另一規(guī)格型號時，要根據(jù)導體的規(guī)格重新更換相對應規(guī)格的模芯一，這就需要停機更換擠塑模具，一次停機更換模具至少浪費3.5 h以上的工作時間，不僅降低了電力電纜生產(chǎn)的工作效率，更造成了屏蔽、絕緣材料的損耗。

2" 三層共擠擠塑模具設計

擠塑模具是電纜絕緣的定型裝置，其結(jié)構(gòu)、尺寸等對電纜的絕緣的質(zhì)量有著重要的影響，模具的選用擠塑模有擠壓式、半擠管式（也稱半擠壓式）和擠管式3種，3種擠塑模具在結(jié)構(gòu)上有一定地區(qū)別，其區(qū)別為模芯前端是否有模嘴以及模嘴在模套中的放置位置不同。

擠壓式模具無模嘴，主要依靠壓力實現(xiàn)電纜的絕緣層擠制和定型，擠制的絕緣層和導體貼合緊密、無間隙，若使用擠壓式模具，絕緣層的質(zhì)量要求對模具的要求較高，其模芯與模套的角度差決定了擠出壓力和擠出量的大小，模芯與模套的表面質(zhì)量決定了絕緣的外觀質(zhì)量，模芯的內(nèi)徑大小要合理。過大，則造成導體抖動，引起絕緣偏心；過小，則造成導體卡模及模具的磨損，其擠出絕緣的速度稍慢，但該模具擠制的絕緣層密實，與導體無縫隙，避免了絕緣分子拉伸而產(chǎn)生的應力。因此，該模具擠制的絕緣強度高，絕緣的熱延伸性能及熱收縮性能較好。

擠管式模具是使熔融的絕緣料通過帶模芯嘴的模具形成管狀絕緣層包覆在電纜導體上，起初，其一般用于電纜護套的擠制，現(xiàn)在也常用于絕緣的擠制，其與擠壓式模具相比具有如下優(yōu)勢。由于熔融絕緣料具有拉伸的特點，其模芯與模套之間間距大，出料的速度遠遠大于電纜絕緣要求的厚度，所以收線速度可根據(jù)電纜所需厚度及拉伸比進行調(diào)節(jié)，其出現(xiàn)速度快、產(chǎn)量高；其絕緣經(jīng)過拉伸后再進行包覆導體，所以絕緣是否偏心主要由模芯與模套的同心度決定，只要模具的設計和安裝同心，擠制的絕緣層偏心度很小；由于絕緣可拉伸對模芯內(nèi)徑尺寸要求不大，通用性強，且由于模芯尺寸大，模芯磨損損耗小，延長了模具的使用壽命，由于絕緣材料有一定的拉伸比，所以同一套模具可生產(chǎn)不同規(guī)格的電纜，減少了模具的更換時間及更換帶來的絕緣料浪費。但擠管式也有一定的缺點，由于其絕緣為拉伸方式，所以絕緣與導體會有一定的間隙，緊密性差，因此，并沒有在擠制絕緣上實現(xiàn)大面積地使用，但其可以在機頭采用真空機，抽出空氣，改善絕緣層與導體的緊密性。

半擠管式模具是擠壓式與擠管式的過渡型式，有模芯嘴其比擠管式模芯嘴短，縮在模套內(nèi)徑中，其結(jié)構(gòu)，其主要用于大規(guī)格電纜的擠塑，其模芯內(nèi)徑尺寸較大，不會造成導體卡模的現(xiàn)象，即使導體有輕微的抖動，也不會對絕緣的偏心造成較大的影響。半擠管式與擠壓式相比，出膠量大，其收線速度快；與擠管式相比，其擠制的絕緣層更加密實。但其不適合生產(chǎn)軟芯電纜，因為當線芯發(fā)生彎曲時，易產(chǎn)生偏心，半擠管式模具可根據(jù)導體規(guī)格合理配置模芯模套，主要依據(jù)擠出塑料的拉伸比，拉伸比就是絕緣在模套內(nèi)徑的截面積與包覆于導體外徑的截面積之比。

為實現(xiàn)不停機直接更換電力電規(guī)格型號，就要使用同一套模具卻生產(chǎn)不同規(guī)格的電纜，那么模具的匹配對交聯(lián)機生產(chǎn)線及產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常重要。為滿足絕緣熱延伸性能，導體擠塑模具應盡量使用擠壓式。經(jīng)過大量的試驗總結(jié)，得出以下經(jīng)驗。模芯一主要作用是固定電纜導體，使其在牽引的過程中不發(fā)生抖動，其內(nèi)徑大小的設計一般應在電力電纜導體外徑的數(shù)值上加大0.5～1.0 mm，可使得導體的固定效果較好，若模芯一孔徑較小，則會造成導體卡模，若模芯一孔徑較大，則會導致導體在模芯中抖動。模芯二主要用于擠制電纜的導體屏蔽，其內(nèi)徑大小一般為導體屏蔽外徑數(shù)值增加-0.2～1.5 mm擠制效果較佳，若模芯二孔徑較小，則會出現(xiàn)屏蔽料熔融壓力較大，屏蔽層出現(xiàn)竹節(jié)現(xiàn)象；若模芯二孔徑較大，則會造成屏蔽層拉伸，電力電纜的成品出現(xiàn)內(nèi)應力，降低電纜的熱延伸和收縮性能。模套用于絕緣和絕緣屏蔽的擠制，絕緣層對模套的尺寸敏感度小，影響不大，而絕緣屏蔽為三層共擠的外層，決定了電纜的外徑，因此對模套的尺寸配置應該慎重，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，模套尺寸為電纜絕緣屏蔽外徑的數(shù)值增加-0.5～0.5 mm時，擠制的絕緣和絕緣屏蔽的厚度及質(zhì)量較為理想。

當需更換電纜型號時，由于不同規(guī)格導體外徑存在偏差，若不停機更換模具，小規(guī)格的導體穿過模芯一時，由于小規(guī)格導體外徑比模芯一的內(nèi)徑小2～10 mm，這就使得模芯一與更換導體的外徑差距較大，若模芯一內(nèi)無其他模具支撐更換規(guī)格的電纜導體，當牽引導體時，導體由于無法固定，則會發(fā)生抖動，這將導致導體屏蔽出現(xiàn)偏心，進而絕緣和絕緣屏蔽都會出現(xiàn)偏心，生產(chǎn)的電力電纜無法滿足電網(wǎng)公司的標準質(zhì)量要求，但更換模具又帶來了絕緣材料、電能、生產(chǎn)時間的消耗。

因此，最為關鍵的一點就是如何解決支撐更換的電纜導體問題，經(jīng)過對擠塑機頭和模芯一結(jié)構(gòu)的研究，設計了一種可不停機更換電力電纜規(guī)格的改進模具，可解決更換電纜導體的職稱問題。其結(jié)構(gòu)為2個截面相同的模芯對接組成，外側(cè)尺寸結(jié)構(gòu)與模芯一內(nèi)壁尺寸結(jié)構(gòu)一致，可使其裝入模芯一時，正好無縫銜接，起到固定模芯一的作用。其內(nèi)徑大小的設計可在更換電力電纜導體的外徑上加大0.5～1.0 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。設計為2個半結(jié)構(gòu)，主要是為了更換導體后，便于改進模具的安裝，可直接卡在更換導體的兩側(cè)對接，然后將其插入模芯一，用來固定更換規(guī)格的電纜導體，即可起到不停機更換電纜規(guī)格的作用，避免了傳統(tǒng)不更換模具導致的電纜導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽出現(xiàn)偏心的現(xiàn)象。

3" 不停車更換不同規(guī)格電力電纜過程

以大規(guī)格導體更換小規(guī)格導體為例，先將小規(guī)格導體線盤裝入放線架，當大規(guī)格導體儲線器還剩40～60 m時，停止導體放線架的放線，使用儲線器繼續(xù)放線，把導體線盤的導體取下，將空心支撐套筒套穿在大規(guī)格導體外部。然后，將小規(guī)格導體與大規(guī)格導體的接頭焊接在一起，要焊接牢固，避免虛焊，導致牽引過程中出現(xiàn)斷線的可能，并打磨接頭處，使得接頭外徑不得大于大規(guī)格導體的外徑，因為若接頭外徑過大，則會導致接頭卡在模芯一入口處，然后啟動導體放線架，繼續(xù)放線。當接頭快接近擠塑機頭時，放慢生產(chǎn)速度，將2個相同截面的改進模具分別卡在小規(guī)格導體兩側(cè)，然后合并在一起，再擰緊在空心的支撐套筒上。當接頭穿過機頭時，將套筒及改進模具插入模芯一內(nèi)部，這就完成了不停機改進模具的安裝，改進前后的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

改進模具和模芯一的疊加，使得小規(guī)格導體可穩(wěn)定在改進模具內(nèi)，克服了小規(guī)格導體在模芯一中發(fā)生抖動的可能，這就使得導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽的偏心度不受到影響，保證了更換到小規(guī)格型號后電力電纜質(zhì)量的可靠性，提高了生產(chǎn)效率，減少了材料和電能的浪費，實現(xiàn)了不停機更換不同電力電纜規(guī)格的可能。

以上模具的改進，實現(xiàn)了三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線不停機連續(xù)生產(chǎn)不同規(guī)格電力電纜。但需說明的是，當冬季時，改進模具在安裝前應提前預熱，因為溫差較大，若新裝入的改進模具與熔融屏蔽料溫差較大，會影響屏蔽料的機械和電氣性能。經(jīng)過大量的實際生產(chǎn)試驗摸索，得出以下擠塑配模經(jīng)驗。當更換為相鄰規(guī)格型號電纜導體時，電纜的導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽的厚度會有所增加，但微乎其微，可不必調(diào)節(jié)螺桿速度和牽引速度。但若調(diào)整為非相鄰規(guī)格時，由于原有模具所設計的尺寸與大規(guī)格電力電纜的導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽厚度相匹配，若按照原有螺桿轉(zhuǎn)速和牽引速度生產(chǎn)，將導致三層共擠3個環(huán)節(jié)擠塑厚度均高于標準的要求值，造成屏蔽，絕緣材料的消耗，因此，應根據(jù)小規(guī)格電纜適當調(diào)整螺桿的速度或生產(chǎn)牽引線速度，取得合理的三層共擠擠塑效果。值得注意的是：當小規(guī)格型號導體更換大規(guī)格型號導體時，必須在接頭進入擠塑機頭前，取出改進模具，否則將造成大規(guī)格導體進入擠塑機機頭，造成卡模的現(xiàn)象，進而導致?lián)p壞擠塑模具，損傷導體，造成擠塑機的卡機，影響交聯(lián)管內(nèi)的交聯(lián)質(zhì)量；焊接的接頭要牢靠，且需打磨光滑、圓整，外徑不得大于大規(guī)格導體外徑，避免卡模發(fā)生的可能；裝卸改進模具時，應盡量快速、熟練，盡量避免出現(xiàn)卡模或浪費導體和絕緣材料的可能。

4" 經(jīng)濟效益分析

中高壓電纜三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線的開機牽引線需導體150 m，調(diào)整絕緣偏心的過程至少需要40 m導體，交聯(lián)組每次停機的牽引線需有60 m的導體。因而，三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線每次的開機停機需要至少240 m的導體浪費和絕緣材料浪費。經(jīng)過2021年9個月的不停機擠塑模具使用，車間工作人員將不同規(guī)格的電纜進行連續(xù)生產(chǎn)，不停機更換不同型號規(guī)格電纜共72次。以常見規(guī)格YJV22-8.7/10 kV-3×400 mm2和YJV22-8.7/10 kV-3×300 mm2銅芯電力電纜更換為例，在使用傳統(tǒng)擠塑模具時，生產(chǎn)線開機啟動需要消耗150 m的導體，調(diào)整偏心度和停機至少需消耗90 m的導體，且停機后再啟動需要重新加熱交聯(lián)管，并給交聯(lián)管充入氮氣，需耗時3.5 h以上。根據(jù)目前的銅材、絕緣材料、工業(yè)用電價格計算，每次更換不同規(guī)格電力電纜所消耗的金額為13 476元。若以全年的訂單合同計算，可減少三層共擠交聯(lián)機生產(chǎn)線停機96次，全年可以節(jié)約材料、電能等費用1 293 696元，電力電纜行業(yè)為傳統(tǒng)制造業(yè)，利潤本就微乎其微，對于此類企業(yè)來說是一筆不少的生產(chǎn)節(jié)約，等同于直接提高了企業(yè)經(jīng)營利潤。如果把減少的工作時間、提高的生產(chǎn)率和降低的人工成本計算進去，將會降低更多的成本。

5" 結(jié)束語

本改進項目成功實現(xiàn)了不停機更換70～400 mm2不同規(guī)格的銅、鋁中高壓電力電纜，避免了停機更換擠塑模具造成的生產(chǎn)時間浪費，減少了電能的損耗，降低了銅、鋁、絕緣等材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本。自從實施該項目，經(jīng)過一年以來地摸索、驗證及改進，模具的結(jié)構(gòu)設計、制作技術已經(jīng)成熟，并且不停機更換電力電纜規(guī)格的工藝也已經(jīng)完善，工人的操作水平也不斷提高。這不但保證了電力電纜產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，而且提高了企業(yè)的利潤，增強了企業(yè)在行業(yè)中的競爭力，本項目的成功改進也為電力電纜行業(yè)的發(fā)展貢獻了一份力量，提高了整體電力電纜行業(yè)的經(jīng)濟效益。

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