王福志,吳 剛,黃偉立

(浙江萬(wàn)馬股份有限公司,杭州 311305)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量逐年加大,超高壓電纜的需求逐漸向更大截面、更高電壓等級(jí)發(fā)展,額定電壓220 kV、導(dǎo)體截面2 500 mm2的交聯(lián)電纜已經(jīng)成為常態(tài)化需求[1]。高壓、超高壓電纜絕緣擠出通常采用三層共擠方式,即導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共用一個(gè)機(jī)頭同時(shí)擠出。傳統(tǒng)的三層共擠模具(包括國(guó)外引進(jìn)設(shè)備的模具)在絕緣擠出過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)界面突起、竹節(jié)、屏蔽起皺、合膠縫明顯、劃傷線較多、外觀不圓整等缺陷,其中界面突起、屏蔽起皺是超高壓交聯(lián)電纜的致命缺陷[2]。大部分電纜廠家依靠選擇合適的屏蔽料和絕緣料來(lái)適應(yīng)擠出機(jī)的特定要求。這是一種權(quán)宜之計(jì),沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。近年來(lái),超高壓絕緣料和屏蔽料的研制國(guó)產(chǎn)化呼聲越來(lái)越大[3],將來(lái)會(huì)出現(xiàn)多廠家、多牌號(hào)材料不停地切換使用的情況,因此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的適應(yīng)性強(qiáng)的超高壓電纜絕緣擠出模具是亟待解決的課題。

本工作基于塑料成型原理,對(duì)超高壓電纜絕緣的三層共擠模具的口徑形式進(jìn)行了改進(jìn),消除界面突起等缺陷,提高電纜產(chǎn)品質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)的三層共擠模具

三層共擠模具采用的是擠壓式模具,三層共擠模具斷面示意見(jiàn)圖1。擠壓式模具的特點(diǎn)是:熔融的塑料是靠壓力通過(guò)模套實(shí)現(xiàn)最后的定型,擠出的塑層結(jié)構(gòu)緊密,表面平整。因此,擠壓模具是超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具的最佳形式[4]。

圖1 三層共擠模具斷面示意圖

傳統(tǒng)形式的三層共擠模具有一定的局限性,針對(duì)某一種物料有很好的擠出表現(xiàn),但是換一種材料,會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)外屏顆粒、合膠縫明顯、界面突起超標(biāo)、內(nèi)外屏劃傷線較多等不良現(xiàn)象。

2 新型模具設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的三層共擠模具無(wú)論是模芯還是模套,在模口處都有一個(gè)平直的承徑區(qū),承徑區(qū)是絕緣定型的關(guān)鍵部位,擠出過(guò)程中屏蔽層和絕緣層進(jìn)入承徑區(qū)后基本定型,不會(huì)再來(lái)回流動(dòng),以確保絕緣線芯外徑的均勻。但正是由于承徑區(qū)的平直形式的存在,有些絕緣料或屏蔽料會(huì)在?？谡秤蟹勰畹奈镔|(zhì),該物質(zhì)是絕緣料或屏蔽料在擠出過(guò)程中的析出物,俗稱“流涎”。?？诜勰┑拇嬖跁?huì)造成屏蔽和絕緣界面不光滑,形成突起或者小顆粒等不良現(xiàn)象。為了完全避免這一現(xiàn)象,需要對(duì)模具承徑區(qū)加以改進(jìn),本工作主要針對(duì)模具的模芯2 和模套進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)“離模膨脹”原理[5],熔體塑料在出?？跁r(shí)壓力得到釋放,熔體的斷面尺寸大于模具端口尺寸,在模具端口處會(huì)留有大量的粉末。本工作將模具端口處設(shè)計(jì)為敞開(kāi)式,熔體在出模前得到充分舒展和緩慢釋放,避免端口形成“流涎”,改造后的新型模芯2 和模套的斷面示意見(jiàn)圖2 和圖3。模具內(nèi)表面的交接面均為大圓弧,熔體在模具內(nèi)部的行程略有增加,可促進(jìn)熔體進(jìn)一步融合并塑化均勻,避免了“流涎”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2 新型模芯2 斷面示意圖

圖3 新型模套斷面示意圖

模芯2 和模套外形尺寸、內(nèi)錐角、外錐角等通用尺寸由各自擠出機(jī)機(jī)頭加以確定,本設(shè)計(jì)的模具主要是模具端口處的形狀設(shè)計(jì),并給出相應(yīng)尺寸確定理論公式。

由圖1～圖3 可知,新型模芯2 和模套的模口為敞開(kāi)式,熔體在離開(kāi)?？跁r(shí)不會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,避免“流涎”生成。

2.2 配模尺寸

2.2.1 模芯2 尺寸

模芯2 內(nèi)側(cè)是導(dǎo)體屏蔽層,導(dǎo)體屏蔽層的厚度通常在1.0～2.0 mm,厚度相對(duì)較薄,其承徑長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng),避免焦燒顆粒產(chǎn)生。承徑長(zhǎng)度L1和L2通?？刂圃?～10 mm 范圍。模芯2 內(nèi)部尺寸由下列公式計(jì)算得出:

式中:d1為模芯2 承徑區(qū)內(nèi)徑,mm;dc為導(dǎo)體外徑,mm;tis為導(dǎo)體屏蔽厚度,mm。模芯2 的β角一般取6°～10°。

2.2.2 模套尺寸

擠壓式模具不必考慮配模系數(shù)和拉伸比等因素[6],需要考慮熱態(tài)下外徑尺寸與冷態(tài)時(shí)的外徑尺寸關(guān)系,通常引入熱膨脹系數(shù)α。

模套內(nèi)側(cè)工作面是導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽匯集處,內(nèi)部尺寸由導(dǎo)體外徑、絕緣線芯的外徑、模芯2 尺寸等因素決定。承徑長(zhǎng)度L3為1 倍的絕緣厚度,開(kāi)口區(qū)水平長(zhǎng)度L4為2 倍的絕緣厚度。模套主要部位尺寸由下列公式計(jì)算得出:

式中:α為熱膨脹系數(shù),取1.15;Dos為絕緣屏蔽外徑,mm;dc為導(dǎo)體外徑,mm。

d3由模套的d4和模芯2 的d2可得

上述模具設(shè)計(jì)打破了三層共擠模具的常規(guī)設(shè)計(jì),尤其是模套承徑區(qū)內(nèi)徑d3、開(kāi)口區(qū)d4的尺寸確定與以往模具設(shè)計(jì)不同,需要考慮離模膨脹尺寸與模具內(nèi)徑的關(guān)系,從而引入了熱膨脹系數(shù)α。新型模具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是擠出壓力得到緩慢釋放、確保絕緣線芯外徑均勻,開(kāi)口區(qū)的形狀可以有效避免“流涎”的生成,消除導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層之間的界面顆粒、界面突起、界面劃傷線等不良現(xiàn)象,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 效果驗(yàn)證

驗(yàn)證的樣品規(guī)格均為220 kV-2500 電纜絕緣線芯,分別進(jìn)行合膠縫刮磨檢測(cè)、絕緣與半導(dǎo)電屏蔽層界面突起檢測(cè)、屏蔽層與絕緣界面劃傷線檢查、外觀檢查和圓整度檢測(cè)。

3.1 合膠縫刮磨檢測(cè)

模擬施工現(xiàn)場(chǎng)操作程序,將絕緣屏蔽沿圓周方向刮磨一部分,觀察合膠縫處界面突起情況,不同模具生產(chǎn)的絕緣屏蔽合膠縫刮磨后情況見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn),新型模具生產(chǎn)的絕緣線芯無(wú)目力可見(jiàn)的界面突起。

圖4 絕緣屏蔽合膠縫

3.2 絕緣與半導(dǎo)電屏蔽層界面突起檢測(cè)

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18890.1—2015 附錄H 的測(cè)試方法取樣切片,對(duì)絕緣與半導(dǎo)電屏蔽層界面的突起進(jìn)行測(cè)試,界面突起情況見(jiàn)圖5。在放大40 倍測(cè)量顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè),傳統(tǒng)模具生產(chǎn)的絕緣線芯界面突起為87 μm,新型模具生產(chǎn)的絕緣線芯界面突起不大于50 μm。

圖5 界面檢測(cè)

3.3 屏蔽層與絕緣界面劃傷線檢查

取絕緣線芯長(zhǎng)度50～100 mm,去掉導(dǎo)體。將其端面切削整齊潔凈,放入硅油,加熱至135 ℃呈透明狀,目力觀察絕緣和屏蔽界面的劃傷線情況,界面情況見(jiàn)圖6。傳統(tǒng)模具生產(chǎn)的絕緣線屏蔽層與絕緣層界面有目力可見(jiàn)的劃傷痕跡,新型模具生產(chǎn)的絕緣線芯屏蔽層與絕緣界面無(wú)目力可見(jiàn)的劃傷線。

圖6 導(dǎo)體屏蔽界面

3.4 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述方法對(duì)絕緣線芯樣品進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表1 可知,使用新型模具消除了屏蔽層與絕緣層界面劃傷痕跡和小顆粒,對(duì)半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣界面的突起有了明顯改善,界面突起符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,收到了較好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽“流涎”造成的不良現(xiàn)象,本工作設(shè)計(jì)了三層共擠模具的模芯2 和模套,適當(dāng)加長(zhǎng)該模具的內(nèi)部流道、擠出壓力由小到大,在端口有個(gè)釋放過(guò)程,可有效避免“流涎”產(chǎn)生,具有成型好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。