復合絕緣子傘裙護套注射成型工藝研究

張 倩 徐衛(wèi)星 司曉闖

(平高集團有限公司，河南 平頂山 467001)

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

隨著需求數(shù)量的迅速增長，市場對復合絕緣子的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都提出了更高的要求，這就迫使各個復合絕緣子制造商不得不改變原來的加工工藝，提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。作為復合絕緣子產(chǎn)品的核心組成部分，傘裙護套的加工工藝近幾年改進最大，從原來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。在實際生產(chǎn)中，模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等因素會對整體注射成型工藝產(chǎn)生重要的影響，所以，有必要對這些影響因素進行深入研究分析。

1 傘裙護套

圖1 復合絕緣子結(jié)構(gòu)組成

復合絕緣子根據(jù)使用情況可以分為空心復合絕緣子、棒形支柱復合絕緣子和線路復合絕緣子。無論哪種絕緣子，一般至少由以下三部分組成(如圖1所示):傘裙護套、端部附件和環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)。其中傘裙護套不僅起到外絕緣的作用，還能保護復合絕緣子內(nèi)部的玻璃纖維材料免受外界環(huán)境的侵蝕，在我國，傘裙護套的材料多數(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，傘裙護套可以耐受日曬、雨淋、風沙、酷暑、嚴寒等惡劣氣象條件，自然鹽堿、化學酸、堿、鹽導電塵埃的污染，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，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)的傘裙護套成型工藝主要是單傘模壓成型，然后再通過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，這種工藝方法實施過程相對復雜，效率低下，每一片傘裙都必須占用一定的硫化時間，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、微小顆粒進入或沉積于絕緣子內(nèi)部的隱患。

模壓工藝曾經(jīng)被長期采用，為我國復合絕緣子的發(fā)展做出了重要貢獻，但隨著國內(nèi)硅橡膠注射機的出現(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備將硅橡膠(HTV)注射進絕緣子傘裙模具型腔內(nèi)，在一定的溫度、壓力、時間等條件下進行硫化，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，但是對設備、模具結(jié)構(gòu)設計、工藝過程控制等要求非常嚴格，任何一個因素的波動或設計不當都會給產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響，所以，下面模具設計、工藝過程控制兩個方面談一下復合絕緣子注射成型工藝的注意事項。

2 模具結(jié)構(gòu)設計

復合絕緣子的外形尺寸決定了傘裙模具的大小，根據(jù)設備單次注射能力的不同，傘裙護套可以一次注射成型，也可分段多次注射成型。對于一次整體注射成型的模具，在設計時需要注意以下幾個要點:

2.1 ?？虿糠?/h3>

模框是復合絕緣子注射模具的基體，直接與注射機相連接，起著加熱、保溫、傳遞壓力的作用。為了使硅橡膠在模腔內(nèi)硫化時有一個相對恒定的環(huán)境溫度，必須合理設計?？虻募訜岚舭惭b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，?？蚝穸鹊脑O計也有講究，由于大多數(shù)注射機上配置的都有一套主加熱系統(tǒng)，模具溫度的80%以上都來自主加熱板傳遞的熱量，因此?？虻撞?圖3中的項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模框不能太薄(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

一般來說，每套復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#進行調(diào)制、表面鍍鉻處理，都能達到上述要求。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計。

首先，模塊在設計時，建議模塊應高出?？蚨嗣?.5mm～1mm(裝配之后)，注意，這種結(jié)構(gòu)只允許出現(xiàn)在其中一個半模上，而另外一個半模則要讓模塊與?？蚨嗣鎸R。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?？蚶碚撋蠒?.5mm～1mm的間隙，有利于膠料注射過程中模腔內(nèi)氣體的排出，傘裙型腔注滿之后多余的膠料也能順著溢料槽從這個間隙流出。實踐證明: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)充滿了空氣，鑒于實際效果不理想，國內(nèi)絕大多數(shù)的復合絕緣子制造廠都沒有采用抽真空的辦法來排氣，而是隨著膠料逐漸填充傘裙型腔，自動讓氣體排出。這種方法既經(jīng)濟又簡單，前提是模具排氣槽的結(jié)構(gòu)設計必須合理，每一片傘裙型腔都要設計排氣槽，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)實際經(jīng)驗來設計，基本原則是讓氣體暢通無阻，而膠料在未填滿型腔之前不能溢出，建議排氣槽:“寬而淺”。

當膠料填滿傘裙型腔之后，內(nèi)部壓力很大，必然會有少量膠料溢出，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模時撕裂傘裙。所以，在模塊上沿著傘裙邊緣附近(1.5mm左右)設計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)

有些高電壓等級的產(chǎn)品由于高度較高，傘裙數(shù)量多，受到設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。這種模具就需要專門設計一套接頭模塊，用于一段與二段之間的對接，對接工藝相對復雜，對模具制造精度要求高。一般常見的接頭結(jié)構(gòu)如圖6所示，把接頭傘裙設計成一個凸起結(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，也就是在注射過程中前一段已經(jīng)成型的那部分傘裙相對于模具不能發(fā)生位移，可以采取多種措施來進行定位，方法很多，在此不再敘述。另外，凸起接頭在設計時應把外側(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入，同時凸起接頭外側(cè)第一個傘套應與模具緊密配合，防止多余膠料從此處進入定位傘型腔，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計一道泄壓槽，當模腔充滿了處于狀態(tài)高壓的膠料時，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

爬電距離是復合絕緣子重要的外絕緣參數(shù)，其實際值不能小于圖紙設計要求。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，會發(fā)生收縮，所以模具型腔在設計時要考慮硅橡膠收縮的影響，按收縮率把圖紙尺寸進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 工藝過程

3.1 工藝參數(shù)

影響復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械性能、化學性能受這三個工藝參數(shù)的影響較大。下面簡要介紹一下這三個參數(shù)的作用機理，并結(jié)合實際經(jīng)驗給出每種參數(shù)的控制范圍作為參考。

壓力主要是指硫化過程中模具型腔內(nèi)的壓力，需要保持恒定，它是保證傘裙護套致密性的關(guān)鍵。在膠料剛剛注滿型腔時，由于膠料還未硫化，具有一定的流動性，同時處于高溫高壓狀態(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，甚至模具本身因為制造精度等原因也會留有縫隙，這些因素都會導致膠料在硫化初期有少量溢出型腔，壓力下降。鑒于此，必須在剛注滿膠料時先進行保壓，目的是彌補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、模腔的密閉程度來合理設置保壓開始的位置(注射量剩余值)，保壓最好分成3～4段進行，每一段的保壓時間根據(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，當高溫硫化硅橡膠采用注射工藝成型時，最好的硫化溫度應該在130℃ ～135℃范圍內(nèi)，并且恒定。溫度過低或過高都不利于硫化，當溫度過低時(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，溫度過高時(模腔表面140℃以上)，注射過程中膠料容易焦燒，表現(xiàn)為傘裙局部老化。一般情況下，設備自帶有溫度測量系統(tǒng)，但它并不能準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使用表面測溫儀實際測量型腔各處的溫度，根據(jù)測量結(jié)果進行局部的調(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，硫化時間的長短主要取決于傘裙護套的最大厚度，厚度越厚所需的硫化時間也越長。一般傘裙護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間，僅供參考，見表1。

表1 不同厚度樣片的硫化時間

3.2 環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)的處理

傘裙護套與環(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)量對復合絕緣子的電氣性能有重要的影響，所以在注射之前需對環(huán)氧玻璃纖維纏繞管(引拔棒)進行處理: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)的殘留會對復合絕緣子的絕緣性能產(chǎn)生不同程度的影響，嚴重時會導致絕緣子閃絡、擊穿。其次，沒有偶聯(lián)劑的作用傘套與纏繞管(引拔棒)不可能真正的連接起來，所以還要均勻的涂抹偶聯(lián)劑，其種類較多，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、刷涂時間、溫度要求等都要合理選擇。

3.3 模具注膠口的打開位置

一般在模具設計時都預留了足夠多的注膠口，但是這些注膠口不能同時打開。不同的產(chǎn)品注膠口的打開位置也不一樣，它主要影響的是傘裙護套的外觀質(zhì)量，如氣泡的多少、位置、大小等，另外對于空心復合絕緣子來說，注膠口的打開位置還會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鹿茏訅毫训龋鴮τ趯嵭局е鶑秃辖^緣子，可能會影響產(chǎn)品的直線度、傘套厚度的均勻性等。下面結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗簡要介紹兩種左右開模的模具常用注膠口的打開位置。

只打開下端注射口，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，因為膠料從下端進入，壓力很大，把整個管子向上托起并擠壓，當模具與玻璃纖維纏繞管的接觸面積(承受壓力位置)太小時就更容易導致管子損傷，另外當管子直徑小、高度大時，這種注射方法還容易導致上下合?？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，以降低膠料對管子的沖擊壓力。

上下均打開同等數(shù)量的注膠口，如圖8所示。這種注膠方式上下對稱注射，受力均勻，玻璃纖維纏繞管不易損傷，缺點是氣體不易排出，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 注射過程控制

不同的設備可能存在一些性能方面的差別，但是基本功能都差不多，對于注射機來說一般都會包括膠料塑化系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。設備參數(shù)的選擇也會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，比如注射過程中的速度和壓力、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際生產(chǎn)中進行調(diào)試和總結(jié)，在此不再詳細講述。

4 結(jié)語

隨著復合絕緣子用量的急劇增加，傳統(tǒng)的加工工藝已遠遠不能滿足市場的需求，整體注射成型技術(shù)的推廣應用，使復合絕緣子的生產(chǎn)變得方便快捷，產(chǎn)品質(zhì)量也得到進一步改善。本文僅從模具設計制造、工藝參數(shù)選擇等方面簡單敘述了注射成型工藝應該注意的事項，其實注射工藝還與生產(chǎn)設備、工裝設計與使用、膠料的工藝配方等很多方面息息相關(guān)。

[1]黃家康.復合材料成型技術(shù)及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2011.

[2]俞翔霄，俞贊琪，陸惠英.環(huán)氧樹脂電絕緣材料[M].北京:化學工業(yè)出版社，2007.

[3]《電氣電子絕緣技術(shù)手冊》編輯委員會.電氣電子絕緣技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[4]嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2002.