張 倩 徐衛(wèi)星 司曉闖

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

我國(guó)于上世紀(jì)80年代開(kāi)始研制并使用復(fù)合絕緣子，復(fù)合絕緣子的掛網(wǎng)運(yùn)行大大提高了輸電線(xiàn)路的耐污閃能力，尤其是在重度污染地區(qū)，復(fù)合絕緣子的使用有效遏制了大面積污閃事故的發(fā)生，該類(lèi)絕緣子還具有重量輕、運(yùn)輸與安裝方便、易維護(hù)、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)90年代中后期，復(fù)合絕緣子的優(yōu)勢(shì)逐漸被人們所認(rèn)同，并且開(kāi)始大量使用，打破了電瓷、玻璃絕緣子一統(tǒng)天下的局面。時(shí)至今日，我國(guó)已成為復(fù)合絕緣子制造及掛網(wǎng)運(yùn)行數(shù)量最多的國(guó)家，從低電壓等級(jí)到高壓、超高壓、特高壓，從交流到直流，復(fù)合絕緣子的應(yīng)用越來(lái)越廣。尤其是在特高壓輸電工程中，要求絕緣子重量輕、成本低、對(duì)外絕緣性能的要求極高，復(fù)合絕緣子的使用比例越來(lái)越高，對(duì)特高壓電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

隨著需求數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都提出了更高的要求，這就迫使各個(gè)復(fù)合絕緣子制造商不得不改變?cè)瓉?lái)的加工工藝，提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。作為復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的核心組成部分，傘裙護(hù)套的加工工藝近幾年改進(jìn)最大，從原來(lái)的單傘模壓成型工藝發(fā)展到現(xiàn)在普遍采用的整體注射成型工藝，使得傘裙護(hù)套加工工序的生產(chǎn)效率提升了至少5倍以上，也明顯改善了傘裙的外觀質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等因素會(huì)對(duì)整體注射成型工藝產(chǎn)生重要的影響，所以，有必要對(duì)這些影響因素進(jìn)行深入研究分析。

1 傘裙護(hù)套

圖1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合絕緣子根據(jù)使用情況可以分為空心復(fù)合絕緣子、棒形支柱復(fù)合絕緣子和線(xiàn)路復(fù)合絕緣子。無(wú)論哪種絕緣子，一般至少由以下三部分組成(如圖1所示):傘裙護(hù)套、端部附件和環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)。其中傘裙護(hù)套不僅起到外絕緣的作用，還能保護(hù)復(fù)合絕緣子內(nèi)部的玻璃纖維材料免受外界環(huán)境的侵蝕，在我國(guó)，傘裙護(hù)套的材料多數(shù)采用的是高溫硫化硅橡膠(HTV)，這種硅橡膠是一種具有優(yōu)良電氣性能的高分了材料，充分硫化后，傘裙護(hù)套可以耐受日曬、雨淋、風(fēng)沙、酷暑、嚴(yán)寒等惡劣氣象條件，自然鹽堿、化學(xué)酸、堿、鹽導(dǎo)電塵埃的污染，以及潮濕等到條件下可能發(fā)生的火花放電或局部電弧的蝕損等綜合考驗(yàn)，因此硅橡膠傘套具有很好的抗老化、耐高低溫、耐臭氧和耐電蝕損等性能。

傳統(tǒng)的傘裙護(hù)套成型工藝主要是單傘模壓成型，然后再通過(guò)粘接劑按照一定的傘型排列順序逐片粘接到環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)上，這種工藝方法實(shí)施過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，效率低下，每一片傘裙都必須占用一定的硫化時(shí)間，粘接質(zhì)量受人為因素影響較大，不同傘裙之間存在環(huán)形接縫，這也是外界潮氣、微小顆粒進(jìn)入或沉積于絕緣子內(nèi)部的隱患。

模壓工藝曾經(jīng)被長(zhǎng)期采用，為我國(guó)復(fù)合絕緣子的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但隨著國(guó)內(nèi)硅橡膠注射機(jī)的出現(xiàn)，這種工藝就逐漸被淘汰，取而代之的是注射成型工藝。注射成型主要是利用高壓設(shè)備將硅橡膠(HTV)注射進(jìn)絕緣子傘裙模具型腔內(nèi)，在一定的溫度、壓力、時(shí)間等條件下進(jìn)行硫化，該工藝可以一次成型多片連續(xù)的傘裙，傘裙在成型過(guò)程中直接包裹在環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)表面，與其粘接牢靠。這種工藝效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，但是對(duì)設(shè)備、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程控制等要求非常嚴(yán)格，任何一個(gè)因素的波動(dòng)或設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響，所以，下面模具設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程控制兩個(gè)方面談一下復(fù)合絕緣子注射成型工藝的注意事項(xiàng)。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合絕緣子的外形尺寸決定了傘裙模具的大小，根據(jù)設(shè)備單次注射能力的不同，傘裙護(hù)套可以一次注射成型，也可分段多次注射成型。對(duì)于一次整體注射成型的模具，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾個(gè)要點(diǎn):

2.1 模框部分

?？蚴菑?fù)合絕緣子注射模具的基體，直接與注射機(jī)相連接，起著加熱、保溫、傳遞壓力的作用。為了使硅橡膠在模腔內(nèi)硫化時(shí)有一個(gè)相對(duì)恒定的環(huán)境溫度，必須合理設(shè)計(jì)模框的加熱棒安裝位置(如圖2所示)，原則是保證模腔內(nèi)不同區(qū)域的溫度大致相同。另外，模框厚度的設(shè)計(jì)也有講究，由于大多數(shù)注射機(jī)上配置的都有一套主加熱系統(tǒng)，模具溫度的80%以上都來(lái)自主加熱板傳遞的熱量，因此?？虻撞?圖3中的項(xiàng)5)，也就是與主加熱板相連的那一部分不易太厚，以免影響熱量的利用效率，在150mm～250mm之間為宜，而?？蛩闹?圖3中的項(xiàng)1、2、3、4)主要起保溫作用，多數(shù)情況下需要安裝輔助加熱棒和隔熱板，為了減少溫度散失這部分?？虿荒芴?建議不小于150mm)。如圖2所示。

圖2 輔助加熱孔位置

圖3 ?？蚪Y(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模塊部分

一般來(lái)說(shuō)，每套復(fù)合絕緣子傘裙注射模具的型腔都有很多模塊拼接而成，這些模塊要求硬度高、耐磨、表面粗糙度底，其材料可以是模具鋼，也可以使用45#進(jìn)行調(diào)制、表面鍍鉻處理，都能達(dá)到上述要求。模塊材料符合要求的情況下，影響傘裙成型效果的就是模塊的尺寸設(shè)計(jì)。

首先，模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，建議模塊應(yīng)高出模框端面0.5mm～1mm(裝配之后)，注意，這種結(jié)構(gòu)只允許出現(xiàn)在其中一個(gè)半模上，而另外一個(gè)半模則要讓模塊與?？蚨嗣鎸?duì)齊。這樣兩半模合緊之后只有模塊部分接觸，承受合模壓力，而兩個(gè)?？蚶碚撋蠒?huì)有0.5mm～1mm的間隙，有利于膠料注射過(guò)程中模腔內(nèi)氣體的排出，傘裙型腔注滿(mǎn)之后多余的膠料也能順著溢料槽從這個(gè)間隙流出。實(shí)踐證明:采用這種結(jié)構(gòu)，傘裙不易產(chǎn)生氣泡，合?？p處毛邊較薄。

另外，在注射之前傘裙型腔內(nèi)充滿(mǎn)了空氣，鑒于實(shí)際效果不理想，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的復(fù)合絕緣子制造廠都沒(méi)有采用抽真空的辦法來(lái)排氣，而是隨著膠料逐漸填充傘裙型腔，自動(dòng)讓氣體排出。這種方法既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單，前提是模具排氣槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理，每一片傘裙型腔都要設(shè)計(jì)排氣槽，其位置最好在傘裙最上端(如圖4所示)，直接與外界空氣相通，排氣槽的具體形狀及尺寸要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，基本原則是讓氣體暢通無(wú)阻，而膠料在未填滿(mǎn)型腔之前不能溢出，建議排氣槽:“寬而淺”。

當(dāng)膠料填滿(mǎn)傘裙型腔之后，內(nèi)部壓力很大，必然會(huì)有少量膠料溢出，在模具分型面處形成毛邊，毛邊太厚，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，還有可能造成制品在開(kāi)模時(shí)撕裂傘裙。所以，在模塊上沿著傘裙邊緣附近(1.5mm左右)設(shè)計(jì)一道溢料槽可以有效控制傘裙毛邊的厚度，為了便于清理溢料槽的形狀最好是外寬內(nèi)窄，且與外界空氣相通(如圖5所示)。

圖4 排氣槽結(jié)構(gòu)

圖5 溢料槽結(jié)構(gòu)

有些高電壓等級(jí)的產(chǎn)品由于高度較高，傘裙數(shù)量多，受到設(shè)備大小的限制不得不采用兩次(或兩次以上)注射成型的辦法。這種模具就需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套接頭模塊，用于一段與二段之間的對(duì)接，對(duì)接工藝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)模具制造精度要求高。一般常見(jiàn)的接頭結(jié)構(gòu)如圖6所示，把接頭傘裙設(shè)計(jì)成一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，高度15mm左右，作為下一片傘的根部。這種結(jié)構(gòu)需要注意的有以下幾方面，首先，為了保證對(duì)接質(zhì)量，必須保證定位傘的位置始終不變，也就是在注射過(guò)程中前一段已經(jīng)成型的那部分傘裙相對(duì)于模具不能發(fā)生位移，可以采取多種措施來(lái)進(jìn)行定位，方法很多，在此不再敘述。另外，凸起接頭在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把外側(cè)(靠近前一段成型傘裙的那一側(cè))緊貼模腔，而內(nèi)側(cè)則要留出間隙以便膠料能夠進(jìn)入，同時(shí)凸起接頭外側(cè)第一個(gè)傘套應(yīng)與模具緊密配合，防止多余膠料從此處進(jìn)入定位傘型腔，影響定位傘外觀質(zhì)量。最后，需要在第一片接頭傘裙上端設(shè)計(jì)一道泄壓槽，當(dāng)模腔充滿(mǎn)了處于狀態(tài)高壓的膠料時(shí)，多余的料就可以順著泄壓槽排除。

圖6 接頭結(jié)構(gòu)

2.3 模腔尺寸

爬電距離是復(fù)合絕緣子重要的外絕緣參數(shù)，其實(shí)際值不能小于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。由于硅橡膠是在高溫狀態(tài)下硫化的，從模具中取出冷卻至室溫后，會(huì)發(fā)生收縮，所以模具型腔在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮硅橡膠收縮的影響，按收縮率把圖紙尺寸進(jìn)行放大即可作為模具型腔的尺寸，一般高溫硫化硅橡膠收縮率在3%左右。

3 工藝過(guò)程

3.1 工藝參數(shù)

影響復(fù)合絕緣子傘裙注射成型質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有:模具型腔內(nèi)的溫度、硫化時(shí)間和模腔內(nèi)部壓力，硅橡膠的硫化速度、硫化程度以及硫化后的機(jī)械性能、化學(xué)性能受這三個(gè)工藝參數(shù)的影響較大。下面簡(jiǎn)要介紹一下這三個(gè)參數(shù)的作用機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出每種參數(shù)的控制范圍作為參考。

壓力主要是指硫化過(guò)程中模具型腔內(nèi)的壓力，需要保持恒定，它是保證傘裙護(hù)套致密性的關(guān)鍵。在膠料剛剛注滿(mǎn)型腔時(shí)，由于膠料還未硫化，具有一定的流動(dòng)性，同時(shí)處于高溫高壓狀態(tài)，理論上模具型腔處于密閉狀態(tài)，內(nèi)部沒(méi)有壓力散失，但是由于溢料槽、排氣槽的存在，甚至模具本身因?yàn)橹圃炀鹊仍蛞矔?huì)留有縫隙，這些因素都會(huì)導(dǎo)致膠料在硫化初期有少量溢出型腔，壓力下降。鑒于此，必須在剛注滿(mǎn)膠料時(shí)先進(jìn)行保壓，目的是彌補(bǔ)溢出的膠料和壓力損失，因此需要根據(jù)制品用膠量的大小、模腔的密閉程度來(lái)合理設(shè)置保壓開(kāi)始的位置(注射量剩余值)，保壓最好分成3～4段進(jìn)行，每一段的保壓時(shí)間根據(jù)需要可以在5～15秒之間。保壓結(jié)束后，模具依然處于高壓狀態(tài)直到硫化結(jié)束。

溫度直接決定硅橡膠能否硫化，當(dāng)高溫硫化硅橡膠采用注射工藝成型時(shí)，最好的硫化溫度應(yīng)該在130℃ ～135℃范圍內(nèi)，并且恒定。溫度過(guò)低或過(guò)高都不利于硫化，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)(模腔表面120℃以下)，硫化緩慢，效率低，也容易出現(xiàn)欠硫現(xiàn)象，溫度過(guò)高時(shí)(模腔表面140℃以上)，注射過(guò)程中膠料容易焦燒，表現(xiàn)為傘裙局部老化。一般情況下，設(shè)備自帶有溫度測(cè)量系統(tǒng)，但它并不能準(zhǔn)確的反映模具型腔表面的溫度值以及是否均勻，所以建議在注射前應(yīng)使用表面測(cè)溫儀實(shí)際測(cè)量型腔各處的溫度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行局部的調(diào)整，確保型腔表面溫度符合工藝要求。

在壓力、溫度一定的條件下，硫化時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于傘裙護(hù)套的最大厚度，厚度越厚所需的硫化時(shí)間也越長(zhǎng)。一般傘裙護(hù)套最厚的地方在大傘裙的根部，大多數(shù)都在6mm～20mm之間，下面一組數(shù)據(jù)是在特定壓力、溫度條件下不同厚度的樣片完全硫化所需的最短時(shí)間，僅供參考，見(jiàn)表1。

表1 不同厚度樣片的硫化時(shí)間

3.2 環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)的處理

傘裙護(hù)套與環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)之間存在界面，二者之間的粘接質(zhì)量對(duì)復(fù)合絕緣子的電氣性能有重要的影響，所以在注射之前需對(duì)環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)進(jìn)行處理:首先，其表面的清潔處理很有必要，不能殘留水分和雜質(zhì)，雜質(zhì)的殘留會(huì)對(duì)復(fù)合絕緣子的絕緣性能產(chǎn)生不同程度的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)、擊穿。其次，沒(méi)有偶聯(lián)劑的作用傘套與纏繞管(引拔棒)不可能真正的連接起來(lái)，所以還要均勻的涂抹偶聯(lián)劑，其種類(lèi)較多，現(xiàn)在普遍采用的有AP133、CH608等，不同廠家的工藝方法不盡相同，偶聯(lián)劑的配比、刷涂時(shí)間、溫度要求等都要合理選擇。

3.3 模具注膠口的打開(kāi)位置

一般在模具設(shè)計(jì)時(shí)都預(yù)留了足夠多的注膠口，但是這些注膠口不能同時(shí)打開(kāi)。不同的產(chǎn)品注膠口的打開(kāi)位置也不一樣，它主要影響的是傘裙護(hù)套的外觀質(zhì)量，如氣泡的多少、位置、大小等，另外對(duì)于空心復(fù)合絕緣子來(lái)說(shuō)，注膠口的打開(kāi)位置還會(huì)影響玻璃纖維纏繞管的內(nèi)在質(zhì)量，如由于受力不均勻?qū)е鹿茏訅毫训?，而?duì)于實(shí)芯支柱復(fù)合絕緣子，可能會(huì)影響產(chǎn)品的直線(xiàn)度、傘套厚度的均勻性等。下面結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)要介紹兩種左右開(kāi)模的模具常用注膠口的打開(kāi)位置。

只打開(kāi)下端注射口，上端注射口全部關(guān)閉，如圖7所示。這種注膠方式非常有利于注射過(guò)程中氣體的排出，制品不易產(chǎn)生氣泡，外觀質(zhì)量好，但是容易壓裂玻璃纖維纏繞管上端內(nèi)壁，因?yàn)槟z料從下端進(jìn)入，壓力很大，把整個(gè)管子向上托起并擠壓，當(dāng)模具與玻璃纖維纏繞管的接觸面積(承受壓力位置)太小時(shí)就更容易導(dǎo)致管子損傷，另外當(dāng)管子直徑小、高度大時(shí)，這種注射方法還容易導(dǎo)致上下合?？p處傘套的厚度出現(xiàn)差異。所以，這種注射方法應(yīng)注意盡量增大模具與玻璃纖維纏繞管的接觸面積，減小鐵芯與管子之間的配合間隙，在膠料不出現(xiàn)焦燒的情況下，減小注射速度，以降低膠料對(duì)管子的沖擊壓力。

上下均打開(kāi)同等數(shù)量的注膠口，如圖8所示。這種注膠方式上下對(duì)稱(chēng)注射，受力均勻，玻璃纖維纏繞管不易損傷，缺點(diǎn)是氣體不易排出，容易產(chǎn)生氣泡，并且氣泡主要分布于上下注膠口的交界面附近。

圖7

圖8

3.4 注射過(guò)程控制

不同的設(shè)備可能存在一些性能方面的差別，但是基本功能都差不多，對(duì)于注射機(jī)來(lái)說(shuō)一般都會(huì)包括膠料塑化系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。設(shè)備參數(shù)的選擇也會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，比如注射過(guò)程中的速度和壓力、注射后的排氣次數(shù)與位置、保壓壓力與位置等等都需要在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)試和總結(jié)，在此不再詳細(xì)講述。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著復(fù)合絕緣子用量的急劇增加，傳統(tǒng)的加工工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，整體注射成型技術(shù)的推廣應(yīng)用，使復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)變得方便快捷，產(chǎn)品質(zhì)量也得到進(jìn)一步改善。本文僅從模具設(shè)計(jì)制造、工藝參數(shù)選擇等方面簡(jiǎn)單敘述了注射成型工藝應(yīng)該注意的事項(xiàng)，其實(shí)注射工藝還與生產(chǎn)設(shè)備、工裝設(shè)計(jì)與使用、膠料的工藝配方等很多方面息息相關(guān)。

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