摘" 要：中高壓電力電纜的生產(chǎn)采用三層共擠交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線，當(dāng)需生產(chǎn)另一種規(guī)格型號(hào)電力電纜時(shí)，需要停機(jī)清理擠塑機(jī)頭并更換導(dǎo)體擠塑模具，這將造成交聯(lián)材料的浪費(fèi)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(duì)象，設(shè)計(jì)一種不停機(jī)可更換電力電纜規(guī)格的擠塑模具。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證表明，該模具的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格型號(hào)電力電纜的不停機(jī)連續(xù)生產(chǎn)。能夠解決停機(jī)更換模具引起絕緣材料浪費(fèi)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(guān)鍵詞：電力電纜；交聯(lián)材料；不停機(jī)；擠塑模具；生產(chǎn)成本

中圖分類號(hào)：TM247.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于中高壓電力領(lǐng)域，其生產(chǎn)線主要使用三層共擠化學(xué)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?zhǔn)缴a(chǎn)線[1]。在電力電纜的生產(chǎn)中需使用擠塑模具給導(dǎo)體擠制屏蔽、絕緣層， 但當(dāng)生產(chǎn)另一種型號(hào)規(guī)格的電力電纜時(shí)，需要停機(jī)更換相應(yīng)規(guī)格的擠塑模具，則需要拆卸原有的模具、清理擠塑機(jī)頭、安裝新模具、重新加熱交聯(lián)管路、給管路沖入氮?dú)庵匦录訅汉驼{(diào)節(jié)擠制絕緣層的偏心度[2]。不僅浪費(fèi)了生產(chǎn)時(shí)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?jiǎng)?chuàng)新新技術(shù)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(jìn)口情況影響，銅、鋁材料價(jià)格較高且并不穩(wěn)定，導(dǎo)致企業(yè)擔(dān)憂成本變化過大，不便提前儲(chǔ)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(hào)不同，長短不一，生產(chǎn)過程中會(huì)時(shí)常地更換模具，這導(dǎo)致了電力電纜廠家不僅生產(chǎn)效率低，且浪費(fèi)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(yùn)行，就可以減少三層共擠交聯(lián)機(jī)停機(jī)次數(shù)，降低銅、鋁、絕緣、屏蔽材料在停機(jī)過程中對(duì)原材料的消耗。在此背景下，決定對(duì)企業(yè)的電力電纜三層共擠交聯(lián)機(jī)擠塑模具進(jìn)行改進(jìn)，提高電力電纜生產(chǎn)效率，減少更換模具造成的材料浪費(fèi)，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(jī)生產(chǎn)線主要由儲(chǔ)線盤、放線架、導(dǎo)體屏蔽擠出機(jī)、絕緣擠出機(jī)、絕緣屏蔽擠出機(jī)、交聯(lián)管、氮?dú)庀到y(tǒng)、牽引機(jī)、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(dǎo)體）、模芯二（用于擠制導(dǎo)體屏蔽）、模套（用于擠制絕緣和絕緣屏蔽），3種模具同時(shí)使用共同完成電力電纜的導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠，擠制后的導(dǎo)體在生產(chǎn)線交聯(lián)管內(nèi)的高壓強(qiáng)氮?dú)獗Ｗo(hù)、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(xué)反應(yīng)，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(duì)中高壓電力電纜的導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽的偏心度的要求較為嚴(yán)格，要求絕緣偏心度不大于8%，高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不大于10%[4]。因而標(biāo)準(zhǔn)的高要求就使得交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線對(duì)模芯一和銅、鋁導(dǎo)體的外徑匹配度要求同樣要精準(zhǔn)。若模芯一孔徑較小，雖可使導(dǎo)體位置準(zhǔn)確固定，但若導(dǎo)體存在一定的彎度，則會(huì)造成導(dǎo)體卡模，損壞模具和導(dǎo)體，并對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備造成一定的損傷；若模芯一孔徑較大，則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體在模芯中抖動(dòng)，使得導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽出現(xiàn)不同程度地偏心，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格，造成材料損耗，成本增加。因而，當(dāng)生產(chǎn)完一個(gè)電力電纜規(guī)格需更換為另一規(guī)格型號(hào)時(shí)，要根據(jù)導(dǎo)體的規(guī)格重新更換相對(duì)應(yīng)規(guī)格的模芯一，這就需要停機(jī)更換擠塑模具，一次停機(jī)更換模具至少浪費(fèi)3.5 h以上的工作時(shí)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(shè)計(jì)

擠塑模具是電纜絕緣的定型裝置，其結(jié)構(gòu)、尺寸等對(duì)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(shí)現(xiàn)電纜的絕緣層擠制和定型，擠制的絕緣層和導(dǎo)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(duì)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(dǎo)體抖動(dòng)，引起絕緣偏心；過小，則造成導(dǎo)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(shí)，與導(dǎo)體無縫隙，避免了絕緣分子拉伸而產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，該模具擠制的絕緣強(qiáng)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(dǎo)體上，起初，其一般用于電纜護(hù)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(diǎn)，其模芯與模套之間間距大，出料的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行包覆導(dǎo)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(shè)計(jì)和安裝同心，擠制的絕緣層偏心度很?。挥捎诮^緣可拉伸對(duì)模芯內(nèi)徑尺寸要求不大，通用性強(qiáng)，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(shí)間及更換帶來的絕緣料浪費(fèi)。但擠管式也有一定的缺點(diǎn)，由于其絕緣為拉伸方式，所以絕緣與導(dǎo)體會(huì)有一定的間隙，緊密性差，因此，并沒有在擠制絕緣上實(shí)現(xiàn)大面積地使用，但其可以在機(jī)頭采用真空機(jī)，抽出空氣，改善絕緣層與導(dǎo)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(huì)造成導(dǎo)體卡模的現(xiàn)象，即使導(dǎo)體有輕微的抖動(dòng)，也不會(huì)對(duì)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(shí)。但其不適合生產(chǎn)軟芯電纜，因?yàn)楫?dāng)線芯發(fā)生彎曲時(shí)，易產(chǎn)生偏心，半擠管式模具可根據(jù)導(dǎo)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(dǎo)體外徑的截面積之比。

為實(shí)現(xiàn)不停機(jī)直接更換電力電規(guī)格型號(hào)，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(duì)交聯(lián)機(jī)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(dǎo)體擠塑模具應(yīng)盡量使用擠壓式。經(jīng)過大量的試驗(yàn)總結(jié)，得出以下經(jīng)驗(yàn)。模芯一主要作用是固定電纜導(dǎo)體，使其在牽引的過程中不發(fā)生抖動(dòng)，其內(nèi)徑大小的設(shè)計(jì)一般應(yīng)在電力電纜導(dǎo)體外徑的數(shù)值上加大0.5～1.0 mm，可使得導(dǎo)體的固定效果較好，若模芯一孔徑較小，則會(huì)造成導(dǎo)體卡模，若模芯一孔徑較大，則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體在模芯中抖動(dòng)。模芯二主要用于擠制電纜的導(dǎo)體屏蔽，其內(nèi)徑大小一般為導(dǎo)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(huì)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(huì)造成屏蔽層拉伸，電力電纜的成品出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)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(duì)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(duì)模套的尺寸配置應(yīng)該慎重，經(jīng)試驗(yàn)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(shí)，擠制的絕緣和絕緣屏蔽的厚度及質(zhì)量較為理想。

當(dāng)需更換電纜型號(hào)時(shí)，由于不同規(guī)格導(dǎo)體外徑存在偏差，若不停機(jī)更換模具，小規(guī)格的導(dǎo)體穿過模芯一時(shí)，由于小規(guī)格導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體，當(dāng)牽引導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體由于無法固定，則會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，這將導(dǎo)致導(dǎo)體屏蔽出現(xiàn)偏心，進(jìn)而絕緣和絕緣屏蔽都會(huì)出現(xiàn)偏心，生產(chǎn)的電力電纜無法滿足電網(wǎng)公司的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求，但更換模具又帶來了絕緣材料、電能、生產(chǎn)時(shí)間的消耗。

因此，最為關(guān)鍵的一點(diǎn)就是如何解決支撐更換的電纜導(dǎo)體問題，經(jīng)過對(duì)擠塑機(jī)頭和模芯一結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了一種可不停機(jī)更換電力電纜規(guī)格的改進(jìn)模具，可解決更換電纜導(dǎo)體的職稱問題。其結(jié)構(gòu)為2個(gè)截面相同的模芯對(duì)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(shí)，正好無縫銜接，起到固定模芯一的作用。其內(nèi)徑大小的設(shè)計(jì)可在更換電力電纜導(dǎo)體的外徑上加大0.5～1.0 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。設(shè)計(jì)為2個(gè)半結(jié)構(gòu)，主要是為了更換導(dǎo)體后，便于改進(jìn)模具的安裝，可直接卡在更換導(dǎo)體的兩側(cè)對(duì)接，然后將其插入模芯一，用來固定更換規(guī)格的電纜導(dǎo)體，即可起到不停機(jī)更換電纜規(guī)格的作用，避免了傳統(tǒng)不更換模具導(dǎo)致的電纜導(dǎo)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(dǎo)體更換小規(guī)格導(dǎo)體為例，先將小規(guī)格導(dǎo)體線盤裝入放線架，當(dāng)大規(guī)格導(dǎo)體儲(chǔ)線器還剩40～60 m時(shí)，停止導(dǎo)體放線架的放線，使用儲(chǔ)線器繼續(xù)放線，把導(dǎo)體線盤的導(dǎo)體取下，將空心支撐套筒套穿在大規(guī)格導(dǎo)體外部。然后，將小規(guī)格導(dǎo)體與大規(guī)格導(dǎo)體的接頭焊接在一起，要焊接牢固，避免虛焊，導(dǎo)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(dǎo)體的外徑，因?yàn)槿艚宇^外徑過大，則會(huì)導(dǎo)致接頭卡在模芯一入口處，然后啟動(dòng)導(dǎo)體放線架，繼續(xù)放線。當(dāng)接頭快接近擠塑機(jī)頭時(shí)，放慢生產(chǎn)速度，將2個(gè)相同截面的改進(jìn)模具分別卡在小規(guī)格導(dǎo)體兩側(cè)，然后合并在一起，再擰緊在空心的支撐套筒上。當(dāng)接頭穿過機(jī)頭時(shí)，將套筒及改進(jìn)模具插入模芯一內(nèi)部，這就完成了不停機(jī)改進(jìn)模具的安裝，改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

改進(jìn)模具和模芯一的疊加，使得小規(guī)格導(dǎo)體可穩(wěn)定在改進(jìn)模具內(nèi)，克服了小規(guī)格導(dǎo)體在模芯一中發(fā)生抖動(dòng)的可能，這就使得導(dǎo)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(hào)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(fèi)，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)更換不同電力電纜規(guī)格的可能。

以上模具的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了三層共擠交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線不停機(jī)連續(xù)生產(chǎn)不同規(guī)格電力電纜。但需說明的是，當(dāng)冬季時(shí)，改進(jìn)模具在安裝前應(yīng)提前預(yù)熱，因?yàn)闇夭钶^大，若新裝入的改進(jìn)模具與熔融屏蔽料溫差較大，會(huì)影響屏蔽料的機(jī)械和電氣性能。經(jīng)過大量的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)摸索，得出以下擠塑配模經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)更換為相鄰規(guī)格型號(hào)電纜導(dǎo)體時(shí)，電纜的導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽的厚度會(huì)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(shí)，由于原有模具所設(shè)計(jì)的尺寸與大規(guī)格電力電纜的導(dǎo)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(dǎo)致三層共擠3個(gè)環(huán)節(jié)擠塑厚度均高于標(biāo)準(zhǔn)的要求值，造成屏蔽，絕緣材料的消耗，因此，應(yīng)根據(jù)小規(guī)格電纜適當(dāng)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(dāng)小規(guī)格型號(hào)導(dǎo)體更換大規(guī)格型號(hào)導(dǎo)體時(shí)，必須在接頭進(jìn)入擠塑機(jī)頭前，取出改進(jìn)模具，否則將造成大規(guī)格導(dǎo)體進(jìn)入擠塑機(jī)機(jī)頭，造成卡模的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞擠塑模具，損傷導(dǎo)體，造成擠塑機(jī)的卡機(jī)，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(dǎo)體外徑，避免卡模發(fā)生的可能；裝卸改進(jìn)模具時(shí)，應(yīng)盡量快速、熟練，盡量避免出現(xiàn)卡?；蚶速M(fèi)導(dǎo)體和絕緣材料的可能。

4" 經(jīng)濟(jì)效益分析

中高壓電纜三層共擠交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線的開機(jī)牽引線需導(dǎo)體150 m，調(diào)整絕緣偏心的過程至少需要40 m導(dǎo)體，交聯(lián)組每次停機(jī)的牽引線需有60 m的導(dǎo)體。因而，三層共擠交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線每次的開機(jī)停機(jī)需要至少240 m的導(dǎo)體浪費(fèi)和絕緣材料浪費(fèi)。經(jīng)過2021年9個(gè)月的不停機(jī)擠塑模具使用，車間工作人員將不同規(guī)格的電纜進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，不停機(jī)更換不同型號(hào)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(shí)，生產(chǎn)線開機(jī)啟動(dòng)需要消耗150 m的導(dǎo)體，調(diào)整偏心度和停機(jī)至少需消耗90 m的導(dǎo)體，且停機(jī)后再啟動(dòng)需要重新加熱交聯(lián)管，并給交聯(lián)管充入氮?dú)?，需耗時(shí)3.5 h以上。根據(jù)目前的銅材、絕緣材料、工業(yè)用電價(jià)格計(jì)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(jì)算，可減少三層共擠交聯(lián)機(jī)生產(chǎn)線停機(jī)96次，全年可以節(jié)約材料、電能等費(fèi)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(duì)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(shí)間、提高的生產(chǎn)率和降低的人工成本計(jì)算進(jìn)去，將會(huì)降低更多的成本。

5" 結(jié)束語

本改進(jìn)項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)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(jī)更換擠塑模具造成的生產(chǎn)時(shí)間浪費(fèi)，減少了電能的損耗，降低了銅、鋁、絕緣等材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。自從實(shí)施該項(xiàng)目，經(jīng)過一年以來地摸索、驗(yàn)證及改進(jìn)，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作技術(shù)已經(jīng)成熟，并且不停機(jī)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(qiáng)了企業(yè)在行業(yè)中的競爭力，本項(xiàng)目的成功改進(jìn)也為電力電纜行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量，提高了整體電力電纜行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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