電線包覆機(jī)頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

焦冬梅，李冬燕，張 濤，秦 健，田仲可

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島漢纜股份有限公司，山東 青島 266061）

包覆工藝廣泛應(yīng)用于電線電纜的成型中[1-3]，由于芯線牽引帶動(dòng)膠料包覆工藝特殊和包覆機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電線包覆層質(zhì)量的影響因素較多。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力和通訊行業(yè)不斷擴(kuò)展，對(duì)電線的耐高壓、耐腐蝕和防火等要求越來(lái)越高。作為電線的組成材料，包覆膠料的加工穩(wěn)定性和均勻性較難控制，電線包覆層的加工質(zhì)量成為影響財(cái)產(chǎn)安全和人身安全的重要因素[4]。如何提高電線包覆層的加工質(zhì)量一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

電線包覆機(jī)頭成型段膠料出口速度分布不均勻，會(huì)造成包覆層厚度不均和包覆層與芯線不同心等各種質(zhì)量問(wèn)題[5-6]。膠料壓力高有利于包覆層致密性提高，但膠料壓力過(guò)高將導(dǎo)致成品電線包覆層內(nèi)應(yīng)力較高和模具使用壽命縮短。芯線牽引速度增大有利于生產(chǎn)效率的提高，但是芯線牽引速度與膠料入口流量不匹配會(huì)影響包覆層的質(zhì)量。

本工作通過(guò)ANSYS軟件對(duì)電線包覆膠料流場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，研究包覆機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)電線包覆質(zhì)量的影響規(guī)律，并對(duì)電線包覆機(jī)頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高電線包覆質(zhì)量、生產(chǎn)效率和延長(zhǎng)模具的使用壽命。

1 有限元分析

1.1 流場(chǎng)模型建立

膠料選用丁基橡膠膠料，其參數(shù)如下：膠料密度（ρ）0.920 Mg·m-3，無(wú)限剪切粘度 0.922 8 Pa·s，零剪切粘度 179 228 Pa·s，松弛時(shí)間 5 s，冪律指數(shù) 0.325。

包覆機(jī)頭流道的幾何模型如圖1所示。膠料先后通過(guò)包覆機(jī)頭的歧管段、擴(kuò)展段、壓縮段和成型段[7-9]包覆到移動(dòng)芯線上，其中芯線牽引速度為0.10 m·s-1，芯線直徑為32 mm，包覆層厚度為4 mm。膠料包覆流場(chǎng)模型如圖2所示。

圖1 包覆機(jī)頭流道的幾何模型Fig.1 Geometric model of cladding head flow channel

圖2 膠料包覆流場(chǎng)模型Fig.2 Cladding flow field model of compound

1.2 網(wǎng)格及邊界設(shè)置

以膠料出口速度分布來(lái)評(píng)價(jià)膠料的均勻性，因壓縮段截面劇烈變化，導(dǎo)致膠料出口速度和流量變化較大，為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)壓縮段及成型段采用加密的四面體網(wǎng)格。充分考慮芯線牽引作用，將流體內(nèi)壁面劃分為芯線接觸移動(dòng)壁面和模芯座接觸固定壁面兩部分，采用流量入口[10]和壓力出口邊界條件。

1.3 流動(dòng)分析

成型段長(zhǎng)度為24 mm時(shí)，膠料流場(chǎng)壓力分布云圖如圖3所示，速度流線圖如圖4所示，出口速度分布云圖如圖5所示。

從圖3可以看出，流場(chǎng)入口處膠料壓力最大為16.63 MPa，膠料壓力沿流動(dòng)方向逐漸減小。從圖4可以看出，膠料從機(jī)頭入口經(jīng)過(guò)擴(kuò)展段、壓縮段后流出，膠料流動(dòng)速度逐漸提高，但在歧管段流動(dòng)速度較高。從圖5可以看出：膠料出口速度沿圓周方向有差異，出口上方膠料流動(dòng)速度高于下方；膠料出口速度沿徑向也有差異，近芯線位置的膠料流動(dòng)速度高于遠(yuǎn)芯線位置的膠料。這些現(xiàn)象都導(dǎo)致了出口處電線覆膠不均勻，影響電線包覆質(zhì)量，其原因與膠料入口的布局及流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于歧管段的存在，膠料依據(jù)分流器發(fā)生分流，膠料入口側(cè)不同位置流場(chǎng)壓力損失出現(xiàn)差異，導(dǎo)致流動(dòng)過(guò)程中壓力和速度分布不同，從而引起出口處膠料流動(dòng)不均勻。

圖3 膠料流場(chǎng)壓力分布云圖Fig.3 Flow field pressure distribution nephogram of compound

圖4 膠料速度流線圖Fig.4 Velocity streamline diagram of compound

圖5 膠料出口速度分布云圖Fig.5 Exit velocity distribution nephogram of compound

2 膠料擠出均勻性的影響因素及包覆機(jī)頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

覆膠芯線周?chē)邆渚鶆虻牧鲃?dòng)熔體，即圓周各流徑上有均勻的流速、壓力和流量，才能保證電線高質(zhì)量的穩(wěn)定包覆。本工作采用包覆機(jī)頭膠料出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)電線覆膠均勻性（速度標(biāo)準(zhǔn)差越小，膠料出口速度越均勻），并結(jié)合膠料壓力（表征機(jī)頭壽命和覆膠致密性）來(lái)綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的合理性。

2.1 成型段長(zhǎng)度

對(duì)不同成型段長(zhǎng)度（22，24，26，28 mm）進(jìn)行分析，得到膠料流場(chǎng)壓力和出口速度，分別如圖6和7所示（成型段長(zhǎng)度為24 mm時(shí)分別如圖3和圖5所示），不同成型段長(zhǎng)度下膠料流場(chǎng)最大壓力如圖8所示。

圖6 不同成型段長(zhǎng)度下膠料流場(chǎng)壓力分布云圖Fig.6 Flow field pressure distribution nephogram of compound at different forming section lengths

圖7 不同成型段長(zhǎng)度下膠料出口速度分布云圖Fig.7 Exit velocity distribution nephogram of compound at different forming section lengths

圖8 不同成型段長(zhǎng)度下膠料流場(chǎng)最大壓力Fig.8 Flow field maximum pressure of compound at different forming section lengths

從圖3，5，6，7，8可以看出，不同成型段長(zhǎng)度對(duì)膠料流場(chǎng)壓力分布影響不大，但隨著成型段長(zhǎng)度的增大，膠料流場(chǎng)最大壓力增大。

不同成型段長(zhǎng)度下膠料出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差如圖9所示。從圖9可以看出，隨著成型段長(zhǎng)度的增大，膠料出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差呈減小趨勢(shì)，且變化幅度明顯，說(shuō)明電線覆膠均勻性隨成型段長(zhǎng)度的增大而向好。綜合膠料流場(chǎng)壓力和速度均勻性，成型段長(zhǎng)度取28 mm時(shí)較佳，與成型段長(zhǎng)度為20 mm時(shí)相比，其膠料擠出均勻性提升了27.4%，最大壓力增大幅度僅為5.4%。

圖9 不同成型段長(zhǎng)度下膠料出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 Exit characteristic point velocity standard deviation of compound at different forming section lengths

2.2 壓縮角

在壓縮比（機(jī)頭最大進(jìn)料橫截面積與口模和芯線的環(huán)隙橫截面積之比，反映的是膠料熔體的壓實(shí)程度）不變的情況下，模擬得到不同壓縮角下膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系曲線，如圖10所示。從圖10可以看出，膠料流場(chǎng)最大壓力隨著壓縮角的增大呈增大趨勢(shì)，但變化幅值不大，壓縮角為43°時(shí)膠料擠出均勻性較好。

圖10 不同壓縮角下膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.10 Flow field maximum pressure and exit characteristic point velocity standard deviation of compound at different compression angles

2.3 模芯外錐角（α）和模套內(nèi)錐角（β）

根據(jù)壓縮角模擬結(jié)果可知，雖然壓縮角為43°時(shí)膠料擠出均勻性較好，但前提是需要保持壓縮比不變。實(shí)際生產(chǎn)中因流道結(jié)構(gòu)的關(guān)系可能引起壓縮段長(zhǎng)度及β的變化[11]，保持壓縮比不變困難，所以直接研究影響壓縮效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)α和β（見(jiàn)圖11）更有工程意義。

圖11 α和β示意Fig.11 Indication of α and β

不同α下膠料出口速度分布云圖見(jiàn)圖12，膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)圖13。

圖12 不同α下膠料出口速度分布云圖Fig.12 Exit velocity distribution nephogram of compound at different α

圖13 不同α下膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.13 Flow field maximum pressure and exit characteristic point velocity standard deviation of compound at different α

從圖12和13可以看出，隨著α的增大，膠料最大出口速度提高，流場(chǎng)最大壓力呈線性增大。從圖13還可以看出，膠料擠出均勻性隨α增大發(fā)生波動(dòng)，在α為43°時(shí)膠料出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)突變，原因?yàn)檫^(guò)大的α導(dǎo)致的流道過(guò)渡突出，造成流道不光滑，從而引起流動(dòng)阻力增大，使流動(dòng)調(diào)整效果減弱，且成品電線覆膠層可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故設(shè)計(jì)α?xí)r，應(yīng)避免過(guò)大，α控制在43°以內(nèi)為佳。

不同β下膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差如圖14所示。從圖14可以看出，隨著β的增大，膠料流場(chǎng)最大壓力呈減小和擠出均勻性呈下降趨勢(shì)。膠料流場(chǎng)最大壓力減小不利于其致密包覆、均勻擠出，故β應(yīng)控制在48°以內(nèi)。

圖14 不同β下膠料流場(chǎng)最大壓力和出口特征點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.14 Flow field maximum pressure and exit characteristic point velocity standard deviation of compound at different β

綜合得出：α取39°，與α為34°相比，其膠料流場(chǎng)最大壓力增大14.8%，擠出均勻性提升了17.6%；β取45°，與β為47°相比，其擠出均勻性提升了5.0%。

2.4 芯線牽引速度

不同芯線牽引速度下膠料流場(chǎng)最大壓力見(jiàn)圖15。從圖15可以看出，膠料流場(chǎng)最大壓力隨著芯線牽引速度的增大而增大，芯線牽引速度從0.08 m·s-1增大到0.16 m·s-1時(shí)，膠料流場(chǎng)最大壓力增大25.3%。

圖15 不同芯線牽引速度下膠料流場(chǎng)最大壓力Fig.15 Flow field maximum pressure of compound at different traction speeds of core line

膠料入口流量（Q）公式如下

式中，ν為芯線牽引速度，d2和d1分別為包覆層外徑和內(nèi)徑。

膠料在包覆機(jī)頭內(nèi)流動(dòng)滿足如下公式

式中，K為流道形狀系數(shù)，p為流道壓力，μ為膠料粘度。

由式（1）可知芯線牽引速度與膠料入口流量成正比，膠料入口流量隨芯線牽引速度的增大而增大。結(jié)合式（2），在機(jī)頭結(jié)構(gòu)和膠料粘度不發(fā)生變化的情況下，機(jī)頭壓力與膠料入口流量成正比。因此，膠料流場(chǎng)最大壓力隨著芯線牽引速度的增大而增大。模擬預(yù)測(cè)的膠料流場(chǎng)壓力趨勢(shì)與理論分析一致。

不同芯線牽引速度下膠料出口速度分布云圖如圖16所示。從圖16可以看出：芯線牽引速度為0.08和0.16 m·s-1時(shí)，膠料出口速度分布相對(duì)更均勻，膠料擠出均勻性相對(duì)較好；結(jié)合機(jī)頭壽命及生產(chǎn)效率，芯線牽引速度取0.16 m·s-1。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要確定合理的螺桿轉(zhuǎn)速以提供與芯線牽引速度相匹配的膠料流量，保證膠料擠出均勻性及芯線覆膠厚度。

圖16 不同芯線牽引速度下膠料出口速度分布云圖Fig.16 Exit velocity distribution nephogram of compound at different traction speeds of core line

3 結(jié)論

（1）增大成型段長(zhǎng)度有利于提高芯線覆膠均勻性，但機(jī)頭壓力也會(huì)增大，導(dǎo)致機(jī)頭磨損和壽命縮短，需綜合考慮確定適合的成型段長(zhǎng)度。

（2）α變化與成型段長(zhǎng)度變化一樣對(duì)機(jī)頭壓力影響顯著，考慮到減小成品電線覆膠層內(nèi)應(yīng)力及流道光滑過(guò)渡，α宜控制在43°以內(nèi)。

（3）增大β會(huì)導(dǎo)致膠料流場(chǎng)最大壓力減小和擠出均勻性下降的現(xiàn)象，而膠料流場(chǎng)最大壓力下降不利于其致密包覆和均勻擠出，β應(yīng)控制在48°以內(nèi)。

（4）膠料流場(chǎng)最大壓力隨著芯線牽引速度的增大而增大，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮機(jī)頭壽命及生產(chǎn)效率以確定芯線牽引速度，同時(shí)確定合理的螺桿轉(zhuǎn)速，從而提供與芯線牽引速度相匹配的膠料流量，保證膠料擠出均勻性及芯線覆膠厚度。

（5）本研究模型的成型段長(zhǎng)度為28 mm、α為39°、β為45°、芯線牽引速度為0.16 m·s-1時(shí)，膠料擠出均勻，電線包覆質(zhì)量好。