Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при вулканизации полиэтиленовой изоляции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Корелин Артём Александрович

• Корелин Артём Александрович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Корелин Артём Александрович

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Основные положения о пероксидной сшивке

1.2 Методы сшивки

1.3 Оборудование для сшивки

1.4 Способы определения степени сшивки

1.5 Моделирование процессов тепломассопереноса

1.6 Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальное определение кинетических свойств изоляционного материала при вулканизации

2.1 Экспериментальное определение кинетических характеристик сшиваемых изоляционных материалов

2.2 Определение зависимости степени сшивки от времени и температуры

2.3 Определение теплофизических свойств полиэтиленовой изоляции

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Математическое моделирование процесса вулканизации полиэтиленовой изоляции

3.1 Постановка задачи

3.2 Оценка сходимости решения

3.3 Оценка адекватности разработанной модели

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Численное исследование влияния теплофизических, кинетических и технологических параметров на степень сшивки

4.1 Основные результаты реализации

4.2 Анализ влияния кинетических свойств полиэтилена на степень сшивки

4.3 Оценка влияния геометрических параметров изолированной жилы на степень сшивки

4.4 Оценка влияния параметров технологического процесса на степень сшивки

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1 А Справка о внедрении

Приложение 1 Б Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

Введение

Для кабелей среднего и высокого напряжения одним из основных элементов конструкции является изоляционный слой. При использовании современного оборудования, методом пероксидной сшивки достигаются высокие показатели качества вулканизированной изоляции.

Сшитый полиэтилен (СПЭ) широко используется в качестве изоляции для кабелей среднего и высокого напряжения, благодаря улучшенным по сравнению с термопластичным полиэтиленом (ПЭ) эксплуатационным и механическим свойствам (повышенной термостойкости, стойкости к растрескиванию под напряжением, химической стойкости). Пероксидная сшивка является одним из наиболее распространенных методов получения СПЭ. Процесс пероксидной сшивки многостадиен и зависит от множества факторов: технологических, кинетических, теплофизических, геометрических.

Тенденция современного рынка кабельно-проводниковой продукции, в том числе и рынка материалов для их производства, стремится к оптимизации затрат при сохранении качества получаемого продукта. Поскольку в этой связи изменяется используемое сырье, корректируются рецептуры изготовления и технологии производства, то возникает необходимость всестороннего исследования технологического процесса вулканизации полимерной изоляции в процессе изготовления кабельной продукции. Подбор параметров технологического процесса сшивки, обеспечивающих качество сшиваемой изоляции экспериментальными методами, является затратной и трудоемкой задачей.

Использование метода математического моделирования позволяет определить закономерности процесса, рациональные параметры процесса и избежать высоких материальных и временных затрат.

Многие отечественные и зарубежные научные труды посвящены исследованию процесса вулканизации полимеров преимущественно при

изготовлении крупногабаритных изделий в резинотехнической промышленности, и лишь незначительное число работ посвящено изучению процессов тепломассопереноса с кинетикой при изготовлении кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Математические модели, описывающие выше указанные процессы, часто существенно упрощены и не учитывают взаимосвязи между различными стадиями процесса. На сегодняшний день в литературе не представлено математической модели, учитывающей неоднородность температурного поля в изоляции, и позволяющей описать весь процесс сшивки с учетом влияния различных факторов и кинетических свойств полимера, а также и предсказывать свойства СПЭ до начала изготовления кабеля.

Степень разработанности темы исследования.

Исследованию механизмов вулканизации посвящены работы зарубежных и отечественных ученых: Х. Баочжун, А.Г. Гурин, А.С. Кузнецов, В.А. Ищенко, V. Kosar, G. Milani. Рассмотрению альтернативных вариантов вулканизации повещены работы С.В. Скорзникова, Г.К. Новикова, Л.А. Чижовой.

Кинетика вулканизации напрямую связана с температурно-временным режимом обработки материала, поэтому адекватное описание процесса требует учета динамики изменения температуры внутри исследуемой области. Различные аспекты тепломассопереноса рассмотрены в работах С.Д. Иванова, В.А. Ищенко, С.Г. Тихомирова, А.А. Маслова, И.М. Ячикова, M. Ghoreishy, M. Rafei, R. Mohammad и других ученых [15, 40, 58, 65, 71-73, 87, 95, 103]. Существующее математическое моделирование вулканизации кабельной изоляции Е.В. Иванова, Г.В. Кузнецов, Е.А. Мамбетова, B. Likozar и др. [13, 16-18, 35, 39, 59, 80-82, 88] основано на ряде упрощений, недостаточно полно отражающих тепловые процессы в изоляции. Представленный в этих работах анализ влияния скорости изолирования и температуры вулканизационной среды не учитывает кинетические особенности используемого материала и процессов, протекающих при охлаждении заготовки.

Актуальность выбранной темы подтверждается многочисленными исследованиями. Тем не менее, остаются открытыми вопросы разработки эффективных подходов к определению рациональных режимов работы и способов

определения степени сшивки. Отсутствует математическая модель, адекватно описывающая процесс непрерывной вулканизации в среде азота с учетом температурно-временной зависимости кинетических параметров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при вулканизации полиэтиленовой изоляции»

Цель работы.

Разработка математических моделей процесса тепломассопереноса с кинетикой при вулканизации полиэтиленовой изоляции кабелей среднего и высокого напряжения, реализация которой позволит определить рациональные технологические режимы для получения качественной изоляции.

Задачи исследования.

Для реализации поставленной в работе цели были определены следующие задачи:

1. Разработать математическую модель, основанную на описании процесса тепломассопереноса и кинетики в зоне нагрева при вулканизации полиэтиленовой изоляции с учетом сложного теплообмена в пространственной постановке.

2. Разработать математическую модель, основанную на описании процесса тепломассопереноса и кинетики в зоне охлаждения в условиях вынужденной конвекции в осесимметричной постановке.

3. Определить параметры дискретизации расчетной области математических моделей в пространственной и осесимметричной постановке, дающие приемлемое решение поставленной задачи.

4. Провести лабораторные эксперименты по определению кинетических характеристик используемых изоляционных материалов. Построить регрессионную модель для определения степени вулканизации с учетом температурного и временного факторов.

5. Подтвердить адекватность предложенных моделей в пространственной и осесимметричной постановке модели путем сравнения полученных результатов с экспериментальными данными и результатами других авторов.

6. Провести анализ закономерностей процессов тепломассопереноса при вулканизации полиэтиленовой изоляции, полученных на основе проведенных численных экспериментов. Определить влияние кинетических, теплофизических,

геометрических и технологических параметров на степень сшивки получаемой полимерной изоляции.

Методология исследования.

Поставленные в работе задачи решены с использованием теории тепломассопереноса, методов математического моделирования, метода конечных объемов, натурных и численных экспериментов.

Научная новизна.

1. Построена стационарная пространственная модель процесса тепломассопереноса с учётом сложного теплообмена в зоне нагрева при вулканизации полиэтиленовой изоляции.

2. Построена стационарная осесимметричная математическая модель тепломассопереноса с учетом вынужденной конвекции в зоне охлаждения.

3. Проведено исследование кинетических характеристик полиэтиленовой изоляции и построена регрессионная модель для определения степени сшивки как функции температуры и времени.

4. Определены закономерности процесса вулканизации, экспериментально определена значимость кинетических и теплофизических параметров изоляционного материала на конечную степень сшивки.

5. Определено влияние геометрии кабеля и технологических параметров процесса вулканизации на конечную степень сшивки, в том числе определена значимость досшивки изоляции при её охлаждении.

6. Определены технологические параметры, влияющие на качество изоляции, позволяющие подобрать рациональный технологический режим.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Предложенная математическая модель, в отличие от существующих, описывает процессы тепломассопереноса при вулканизации полиэтиленовой изоляции в среде азота и воды, учитывая, как процесс нагрева заготовки, так и процесс охлаждения внутри вулканизационной трубы. Кинетическая модель учитывает изменение вулканизационных свойств изоляционного материала от температуры и времени выдержки. Результаты, представленные в работе, могут

быть полезны на предприятиях по изготовлению кабельно-проводниковой продукции кабелей среднего и высокого напряжения, эксплуатирующие линии непрерывной вулканизации. Применение разработанной математической модели позволяет оценить эффективность используемых в работе технологических режимов изолирования и вулканизации, а также подобрать рациональные технологические параметры для увеличения производительности линии или снижения капитальных затрат на электроэнергию.

На защиту выносятся:

1. Пространственная и осесимметричная математические модели процесса тепломассопереноса при вулканизации полиэтиленовой изоляции на линии непрерывной вулканизации, учитывающая нагрев и охлаждение заготовки в условиях сложного теплообмена.

2. Зависимости вулканизационных и теплофизических свойств полиэтиленовой изоляции от температуры, выявленных на основе проведенных лабораторных исследований.

3. Результаты численных экспериментов, определяющих влияние кинетических, теплофизических, геометрических и технологических характеристик на степень сшивки готового изделия.

Достоверность результатов, полученных с использованием разработанных математических моделей, демонстрируют удовлетворительное соответствие с данными проведенных экспериментов и численными результатами других авторов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследования обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 30-31 мая 2019 г.); «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 09-11 июня 2020 г.); «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 09-11 июня 2021 г.); «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 08-10 июня 2022 г.); XXII Зимней школе по механике сплошных сред (г.

Пермь, 22-26 марта 2021 г.); XXIII Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 13-17 февраля 2023 г.); Международной научно-технической конференции "Пром-Инжиниринг" (г. Сочи, 15-19 мая 2023 г.); XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам - ВМСППС'2023 (4-10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край); XXIV Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 24-28 февраля 2025 г.).

Результаты работы использованы компанией ООО «Камский кабель» при проведении опытно-промышленных испытаний технологии подбора режима работы на линии непрерывной вулканизации наклонного типа, представлена справка о внедрении результатов на предприятии.

Публикации.

Основные результаты по теме исследования опубликованы в 17 печатных работах, включая 7 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук (в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 - в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus). Получено свидетельство о регистрации программы ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 108 наименований. Общий объем работы 106 страниц, в том числе 37 рисунков, 11 таблиц и 2 приложения.

Глава 1. Литературный обзор 1.1 Основные положения о пероксидной сшивке

Пероксидная сшивка находит широкое применение в производстве различных типов кабелей, включая силовые кабели, кабели связи и кабели специального назначения. Благодаря своим превосходным свойствам, сшитый полиэтилен обеспечивает высокую надежность и долговечность кабельной продукции в различных условиях эксплуатации, включая высокие температуры, агрессивные среды и механические нагрузки. Дальнейшие исследования в области пероксидной сшивки направлены на разработку новых пероксидов и оптимизацию процесса сшивки для получения СПЭ с еще более высокими характеристиками. Это позволит расширить области применения СПЭ и создавать новую кабельную продукцию с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Для существенного улучшения электрических и механических свойств полиэтилена силовых кабелях среднего и высокого напряжения применяется процесс сшивки (вулканизации). После нанесения полиэтиленовой изоляции на токопроводящую жилу, материал подвергается специальной термической обработке. В процессе изолирования используется полиэтилен, предварительно модифицированный вулканизирующими агентами. Последующая температурная обработка позволяет создать дополнительные поперечные связи между молекулами полиэтилена, что приводит к улучшению характеристик материала. Различные методы сшивки детально описаны в литературе [2, 61, 75].

Существуют три основные технологии сшивания: пероксидная, силановая и радиационная. Влияние каждого из этих методов на свойства сшитого полиэтилена исследовано в работе [41], где экспериментально продемонстрировано и количественно оценено их воздействие на структуру, кристалличность и температуру плавления материала. Сравнительный анализ изменений структуры и свойств полимера при различных методах сшивки представлен в работе группы авторов [22], в которой экспериментально определены и рассчитаны температурные и прочностные характеристики полученных материалов.

1.2 Методы сшивки

Пероксидная сшивка. При использовании такой технологии используются наклонные или вертикальные линии, где непрерывно, методом экструзии накладывается изоляция. Также возможно одновременное наложение сразу нескольких слоев, таких как электропроводящий экран по изоляции и по токопроводящей жиле. Пероксидная сшивка представляет собой процесс формирования пространственной сетки из макромолекул полиэтилена под действием свободнорадикальных реакций. Ключевым агентом процесса служат органические пероксиды, которые при нагреве распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов. Эти активные частицы атакуют углерод-водородные связи в полимерных цепях, инициируя реакции рекомбинации макрорадикалов и образования прочных ковалентных связей между ранее разрозненными макромолекулами.

Особенностью данного метода является его термоактивационная природа -реакции сшивки запускаются только при достижении температуры распада пероксида, что позволяет точно контролировать начало и скорость процесса, который происходит в вулканизационной трубе, в среде инертного газа - азота. Температура внутри трубы может достигать 500 градусов по Цельсию.

Известно свыше 100 видов перекисей, которые можно использовать для сшивки полиэтилена, но на производстве применяются не более 20 видов из данных соединений. Самыми распространенными являются: перекись дикумила; 2,5-Диметил-2,5-дитретбутилпероксидгексан (ДТБПГ) и

дитретбутилпероксидизопропилбензол (ДТБПИПБ).

Для качественной сшивки полиэтилена пероксид должен обладать следующими свойствами [102]:

- Пероксид должен быть равномерно распределен в полимере;

- Пероксид должен быть малолетуч и нетоксичен;

- Пероксид не должен вступать во взаимодействие с другими добавками.

Катализатором сшивки в основном является перекись дикумила. Пероксид добавляется перед наложением изоляции. Под действием температуры происходит распад перекиси, образуя свободные радикалы. Эти радикалы взаимодействуют с молекулами полиэтилена, отрывая у них атом водорода, в результате чего получается макрорадикал. Такая активная молекула может соединиться с аналогичной и образовать связь, т.е. сшивку. Образование поперечных связей происходит при взаимодействии соседних макрорадикалов. Обеспечение нужного теплового режима является основной задачей, так как необходимо не допустить чрезмерно раннюю сшивку еще в экструдере.

При сшивке образуются побочные продукты, такие как метан, ацетофенон и метиловый спирт. Со временем они испаряются сами по себе или могут быть удалены при помощи дегазации в термокамере, так как не образуют инородных включений в изоляции.

Помимо этого, существует и альтернативный метод пероксидной сшивки [79]. Данный метод сшивки полиэтилена заключается в использовании небольшого количества наноструктурированного гибридного агента,

октавинилполиэдрического олигомерного силсесквиоксана (ОВПОСС), в качестве сшивающего агента, который значительно уменьшает количество используемой перекиси дикумила (ПДК) и таким образом, получается избежать разрывов цепи, перегрева и образования мелких пор. Путем добавления агента ОВПОСС перед экструзией он равномерно распределяется среди полиэтилена. Для изучения процесса сшивания и свойств продукта используется реометрия, а также методы ИК-спектроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Авторами этого метода [79] было выяснено, что винильные группы ОВПОСС сначала активируются перекисью дикумила, а затем реагируют с молекулами полиэтилена, образуя поперечные связи. Процесс сшивания таким способом происходит быстро и очень эффективно, потому что каждая молекула ОВПОСС имеет восемь реакционно способных винильных групп. Реакции завершаются в течение 10 мин при 175 °С и ускоряются с увеличением содержания ПДК или ОВПОСС. Скорость сшивания увеличивается при увеличении концентрации ПДК,

а степень сшивки увеличивается с увеличением концентрации ОВПОСС. Следовательно, для качественной сшивки необходима оптимальная комбинация ОВПОСС и ПДК. Полученный таким методом, сшитый полиэтилен подходит для производства изоляции высоковольтных кабелей [79].

Также для снижения концентрации перекиси дикумила можно ввести олигоэфиракрилаты. При оптимальном соотношении этих элементов можно добиться улучшения качества пероксидной сшивки, а также увеличения скорости прохождения данного процесса [55].

Исходя из сказанного выше, можно выявить следующее:

- преимущества пероксидной сшивки: высокая эффективность сшивания, возможность проведения процесса в широком диапазоне температур, хорошие механические свойства вулканизатов.

- недостатки: возможность деструкции полимера при неправильном подборе условий процесса, необходимость использования специального оборудования.

- детали: важным аспектом пероксидной вулканизации является правильный выбор типа и концентрации пероксида, а также температуры и времени вулканизации. Эти параметры подбираются индивидуально для каждого типа полимера и зависят от требуемых свойств конечного продукта.

Силановая сшивка. Метод силановой сшивки является более легким в эксплуатации, используемое оборудование использует меньшие площади, а его стоимость гораздо ниже. Силановая сшивка применяется в основном для сшивания полимеров, содержащих гидроксильные или карбоксильные группы, таких как полиэфиры, полиуретаны и силиконовые каучуки. Сшивающими агентами выступают силаны, содержащие алкоксильные или ацилоксильные группы. В процессе вулканизации происходит гидролиз силановых групп с образованием силанолов, которые затем взаимодействуют с функциональными группами полимера, образуя поперечные связи. Также могут использоваться различного вида модификаторы, которые позволяют улучшить свойства готовой изоляции. Используемые силаны чаще всего - кремневодороды. Также при производстве используются винилтриэтокси-силан и винилтриметоксисилан,

винилтрихлорсилан. Процесс основан на гидролизе, который возникает при воздействии влаги (пар или вода). Сначала происходит наложение изоляции методом экструзии, а после происходит сшивка. Под воздействием тепла или же использованием специальных катализаторов, процесс можно ускорить. К существенным минусам данного метода можно отнести то, что есть существенные ограничения по толщине изоляции, сшивка при этом получается неоднородной по толщине, а также невозможность применения данного метода при изготовлении кабелей на среднее и высокое напряжение из-за остаточной влаги в порах изоляции, что при больших нагрузках может привести к росту триингов и преждевременному выходу из строя кабеля [21].

Радиационная сшивка. Этот метод основан на использовании ионизирующего излучения (гамма-излучение, электронные пучки) для инициирования процесса сшивания. Излучение вызывает образование свободных радикалов в полимере, которые, подобно пероксидной вулканизации, взаимодействуют друг с другом, образуя поперечные связи. Подбор соответствующего излучения зависит от толщины изоляционного покрытия заготовки. При небольших толщинах используют бета-излучение, а при увеличении толщины изоляции переходят к гамма-лучам [56].

Источниками излучения выступают электронные ускорители, энергии которых находятся в пределах от 0,3 до 5 МэВ и мощностью до сотни киловатт [8]. При облучении вещество будет нагреваться, а ускоритель вводит в данное изделие необходимые дозы облучения. По сравнению с другими методами, процесс сшивки происходит гораздо быстрее. Радиационное сшивание позволяет получить высокую механическую прочность и термостойкость изоляции. Недостатком данного метода является снижение равномерности сшивания при больших толщинах изоляции, по этой причине данным методом пользуются только при изготовлении кабелей на низкое напряжение. Также минусом будет являться то, что радиационное излучение будет не только способствовать сшивке молекул полиэтилена, но и разбивать соседние связи, что приведет к укорочению молекул

[47].

Подробно процесс радиационной сшивки рассчитан и описан в статье А.Г. Гурина и др. [8]. В ней приведена оценка возможности применения такого метода, анализ применяемых ускорителей и расчет допустимых доз облучения. Также авторами [57] проводилось исследование влияний условий радиационной сшивки на плотность получаемой сетки и конечные механические свойства сшитого образца. Проведен расчет и подбор некоторых оптимальных значений величины излучения электронной пушки для получения более качественной сшивки.

Кроме перечисленных выше методов, существуют и другие способы вулканизации, например, вулканизация серой: традиционный метод, используемый для сшивания ненасыщенных каучуков; вулканизация смолами: применяется для сшивания фенольных и эпоксидных смол; вулканизация аминами: используется для сшивания полиуретанов.

1.3 Оборудование для сшивки

Современное кабельное производство требует высокоэффективных методов обработки полимерных материалов. Линии непрерывной вулканизации представляют собой ключевое оборудование в этом процессе, позволяющее осуществлять тепловую обработку полимерной изоляции в непрерывном режиме. Данная технология обеспечивает высокую производительность, стабильное качество продукции и экономию энергоресурсов по сравнению с периодическими методами вулканизации. При пероксидной сшивке чаще всего используют наклонные линии, реже вертикальные. Схематичное изображение линии наклонной вулканизации приведено на рисунке 1.1.

Отдающие

Рисунок 1.1 - Схема наклонной линии вулканизации Тяговым устройством колесного типа токопроводящая жила подается с отдающего барабана через накопитель в головку экструдера, где на нее накладывается слой изоляционного покрытия. Помимо изоляции, одновременно могут быть наложены электропроводящий экран по жиле и по изоляции. Далее заготовка выходит из головки экструдера под определенным углом, необходимым для того, чтобы изолированная жила не касалась стенок вулканизационной трубы, после чего она поступает в вулканизационную трубу, в которой поддерживается необходимое давление и температуры [36].

Температуры по всей длине линии поддерживаются специальными нагревателями, позволяющими четко регулировать температуру в каждой секции для плавного прогрева изоляционного покрытия. В процессе нагрева изоляции происходит сшивка полимера и в результате изменения внутренней молекулярной структуры приобретаются необходимые термические и механические характеристики. Затем изолированная жила постепенно охлаждается и поступает на приемное устройство.

В линии вертикальной вулканизации (рисунок 1.2) процесс происходит таким же образом, только жила после наложения изоляции движется вертикально вниз. Это позволяет производить изолирование и сшивание кабелей в широком диапазоне размеров.

Экструдеры

г С ^

и,

ш

Зона нагрева

Отдающий

барабан Приемный барабан 1 ^

Рисунок 1.2 - Схема вертикальной линии вулканизации

Линии могут быть оснащены до 3 экструдеров. Используются различного вида приемные и отдающие устройства.

Для того, чтобы поддерживать постоянное положение кабеля относительно пола и поддерживать постоянное натяжение кабеля используют компенсатор-накопитель, который состоит из рычага с колесом, который движется по кабелю.

При радиационном методе сшивки часто используются ускорители, резонансного типа, которые работают по принципу линейного высоковольтного ускорителя. Электроны в нем ускоряются потенциальным электрическим полем, создаваемым каскадным генератором напряжения с индуктивной связью. В основе действия ускорителя лежит метод прямого ускорения заряженной частицы в электрическом поле.

Также используют систему 4-х стороннего облучения, что позволяет получить более качественную изоляцию провода [8].

1.4 Способы определения степени сшивки

Определение степени сшивки (степени вулканизации) полиэтилена - важный этап контроля качества материалов, позволяющий оценить эффективность процесса вулканизации и предсказать эксплуатационные характеристики готового изделия. Существует несколько методов определения степени сшивки, каждый из которых основан на измерении определенных физических или химических свойств материала.

Динамический механический анализ (ДМА) - метод для определения вязкоупругих свойств материалов, включая полимеры. Он позволяет определить степень сшивки, исследуя изменения механических свойств материала в зависимости от температуры, частоты и амплитуды колебаний. ДМА предоставляет информацию о модуле упругости, модуле потерь и тангенсе угла механических потерь ^апб).

Порядок проведения испытаний включает в себя:

1. Подготовка образца. Образец должен быть подготовлен в соответствии с формой и размеров требуемых методикой испытаний или техническими возможностями анализатора. Важно обеспечить хороший контакт между образцом и зажимами анализатора.

2. Выбор режима измерения. Существуют различные режимы измерения, включая изгиб, растяжение, сжатие и сдвиг. Выбор режима зависит от типа материала и интересующих свойств. Для определения степени сшивки часто используется режим растяжения или сдвига.

3. Температурная развертка. Измерения проводятся в режиме температурной развертки, при которой температура образца изменяется с постоянной скоростью (например, 2-5 °С/мин) в заданном диапазоне температур. Диапазон температур должен охватывать температуру стеклования (Tg) материала, так как степень сшивки влияет на свойства материала выше Tg.

4. Частота колебаний. Измерения проводятся при одной или нескольких фиксированных частотах колебаний (например, 1 Гц). Частота влияет на измеряемые значения модулей.

5. Анализ данных. ДМА анализатор регистрирует значения модуля упругости (E'), модуля потерь (E") и tan 5 в зависимости от температуры. Степень сшивки коррелирует с модулем упругости в резиноподобном состоянии (выше Tg). Чем выше степень сшивки, тем выше значение E' в этом температурном диапазоне. Переход из стеклообразного состояния в высокоэластическое определяется по пику на кривой tan 5. Изменение температуры этого пика также может свидетельствовать об изменении степени сшивки.

Используя ДМА, можно получить детальную информацию о влиянии степени сшивки на механические свойства полимеров, что важно для оптимизации процесса вулканизации и контроля качества готовых изделий.

Реометрия. Реометрический анализ является одним из основных методов определения степени сшивки полимерных материалов, в частности каучуков и эластомеров. Этот метод основан на регистрации изменений вязкостных и упругих характеристик материала по мере протекания процесса вулканизации. Измерения выполняются с помощью прибора, называемого реометром.

Процедура определения степени сшивки с помощью реометра включает следующие этапы:

1. Подготовка образца: исследуемый образец помещается в измерительную ячейку реометра, располагаясь между двумя роторами, которые могут быть выполнены в виде дисков, пластин или конуса и пластины. Для получения достоверных результатов важно обеспечить плотный контакт образца с поверхностями роторов и равномерное распределение материала внутри камеры.

2. Настройка параметров измерения: перед началом измерений устанавливаются температура, которая должна превышать температуру начала вулканизации, и частота осцилляций (обычно в диапазоне от 0,1 до 100 Гц).

3. Проведение измерения: реометр приводит во вращение один из роторов с заданной частотой и амплитудой колебаний, одновременно измеряя крутящий момент, необходимый для поддержания этих колебаний.

4. Построение кривой вулканизации: в ходе вулканизации происходит образование поперечных связей между полимерными цепями, что сопровождается увеличением вязкости и упругости материала. Реометр непрерывно регистрирует изменения крутящего момента (или модуля упругости) во времени, формируя кривую вулканизации.

Анализ кривой вулканизации:

Типичная кривая вулканизации имеет S-образную форму и описывается следующими характеристиками:

- Минимальный крутящий момент (МЬ): характеризует вязкость исходной смеси до начала процесса сшивки.

- Максимальный крутящий момент (МН): отражает наивысшую степень сшивки, достигнутую в заданных условиях. Разница между МН и МЬ (ДМ = МН -МЬ) пропорциональна плотности сшивки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Корелин Артём Александрович, 2026 год

/ / / /

V

-Изол. - 6,7 мы -Изол. - 5,4 мы Изол. - 4 Л мы Изол. - 2=7 мы Изол. - 1 ;4 мы ШЖ

Длина. ы

20

40

60

КО

100

120

140

160

180

Рисунок 4.3 - Распределение температуры по толщине изоляционного слоя вдоль линии

вулканизации

Из данных рисунка 4.3 видно, что как в зоне нагрева, так и в зоне охлаждения температура внутри изоляционного слоя неравномерна. За счет низкой теплопроводности материала изоляции, нагрев внутренних слоев значительно отстает от внешнего. Неоднородность температурного поля влияет и на степень

вулканизации изоляции. На рисунке 4.4. приведено распределение степени сшивки по толщине изоляции.

Рисунок 4.4 - Распределение степени сшивки по толщине изолированной

жилы вдоль линии вулканизации

Из рисунка 4.4 видно, что на длине 100 метров только внешний слой изоляции вулканизируется за счет высокой температуры азота. На длине 60 метров, поверхность изоляции прогревается до 280 °С при этом степень вулканизации превышает 80 %, при этом на внутреннем слое изоляции степень сшивки составляет 0 %, так как поверхность только достигла температуры начала вулканизации (140 °С). По мере движения заготовки, изоляционный слой прогревается и вулканизируется неравномерно: температуры внутреннего и внешнего слоя изоляции на выходе из зоны нагрева (70 м) отличаются практически в два раза.

Реакция сшивки происходит не только в зоне нагрева, но и продолжает развиваться в зоне охлаждения, поскольку внутренние слои имеют высокую температуру. Так на толщине 1,4 мм практически весь процесс вулканизации происходит в зоне охлаждения, а для толщины изоляции в 2,7 мм он заканчивается в зоне охлаждения на длине 140 м. Величина досшивки будет изменяться в зависимости от выбранных технологических параметров.

При данном технологическом режиме, к концу линии вулканизации, в конце зоны охлаждения, степень сшивки внутреннего слоя изоляции составит только 52 %, что не допустимо по существующей нормативно-технологической документации. Очевидно, что в этом случае необходимо снижать скорость изолирования при всех остальных неизменных параметрах.

В дальнейшем, при анализе влияния исследуемых параметров на степень сшивки, будут рассматриваться процессы сшивки на внутренних слоях, что позволит оценить качество изоляции.

4.2 Анализ влияния кинетических свойств полиэтилена на степень сшивки

На производстве используются различные марки пероксидосшиваемого полиэтилена, которые имеют разный химический состав: различные примеси и различное количество пероксидосшиваемого агента-катализатора, перекиси дикумила, значение которого может варьироваться от 1 до 5 % [69]. В этой связи возникает необходимость в проведении лабораторных исследований, по определению кинетических свойств 3 марок полиэтилена (результаты исследования вулканизационных свойств приведены в главе 2).

На рисунке 4.4 приведено распределение степени сшивки на внутреннем слое изоляции при прохождении заготовки по всей длине линии вулканизации для каждой из исследуемых марок изоляционного материала при одинаковом технологическом режиме.

Из рисунка 4.4 можно сделать вывод, что минимально допустимая степень сшивки в 70 % для каждого из рассматриваемых материалов достигается на длине 62-65 м, характер и скорость сшивания имеют небольшие отличия. Разница в скорости реакции находится в диапазоне от 5 до 8 %.

При этом, если рассматривать характер вулканизации образцов со степенью сшивки от 70 до 100 %, можно увидеть, что скорость реакции марки 2 происходит значительно быстрее.

Рисунок 4.4 - Изменение степени сшивки 3-х марок ПЭ вдоль всей линии вулканизации

При использовании марки 2 степень сшивки в 100 % достигнута на длине 84 м, для марок 1 и 3, при этих же условиях, - на длине 110 м. Разница в скорости протекания реакции достигает 24 %. Таким образом, кинетические характеристики материала могут отличаться и для получения изоляции с заданными свойствами необходимо определять рациональные параметры технологического режима.

4.3 Оценка влияния геометрических параметров изолированной жилы на

степень сшивки

Поскольку в кабельной промышленности производится широкий ряд кабельной продукции с изоляцией из сшитого полиэтилена, то возникает необходимость не только в оценке влияния геометрии изолированной жилы на процесс вулканизации, но и выбора рациональных параметров технологического режима.

В работе был проведен ряд исследований для кабельных изделий с различными сечениями токопроводящей жилы и толщиной изоляционного слоя. Рассмотрены три сечения алюминиевой жилы: 50 мм2, 95 мм2 и 150 мм2 как наиболее распространенные. В качестве радиуса токопроводящей жилы были

взяты средние значения рекомендуемых размеров ТПЖ в соответствии с ГОСТ 22483 [10]: 4,1 мм, 5,8 мм, 7,2 мм.

Толщина изоляционного слоя, используемого при расчете, соответствует номинальной по ГОСТ 34834 для класса напряжения 10, 15, 20 и 35 кВ. Ввиду того, что для кабелей среднего и высокого напряжения изоляция представлена в виде трёх слоев, а именно электропроводящего экрана по жиле, непосредственно изоляционного слоя и электропроводящего экрана по изоляции, накладываемых одновременно, при расчете использовалась их суммарная толщина: 10 кВ - 4,7 мм, 15 кВ - 5,7 мм, 20 кВ - 6,7 мм, 35 кВ - 9,7 мм с усредненными значениями теплофизических характеристик. [9]

На рисунке 4.7 представлено изменение температуры на поверхности изоляции и токопроводящей жилы по всей длине линии вулканизации для различных сечений токопроводящей жилы. Расчет был проведен при использовании температурного режима трубы, приведённого в таблице 2.1, скорости 0,2 м/с и толщине изоляции 4,6 мм.

Температура, °С 400

Изол 50 мм2 -ТПЖ 50 мм2 -Изол 95 мм2

- - ТПЖ 95 мм2 -Изол 150 мм2

- - ТПЖ 150 мм2

Длина, м

Рисунок 4.7 - Распределение температуры на поверхности изоляции и токопроводящей

жилы при разном сечении проводника

Из рисунка 4.7 видно, что при увеличении сечения токопроводящей жилы, заметно снижается температура на внутренних слоях изоляции. Так для жилы

сечением 50 мм2 максимальное значение температуры - 370 °С, в то время, как для жилы сечением 150 мм2 - 280 °С, что в 1,3 раза меньше. Данный эффект связан с тем, что на нагрев жилы большего сечения затрачивается дополнительное количество энергии. В зоне охлаждения процессы теплопереноса для сечений 95 и 150 мм2 протекают с небольшим отличием. Значение температуры на поверхности жилы в начале зоны охлаждения (на длине 70 м) для сечения 50 мм2 на 60 °С выше, чем для жилы сечением 150 мм2 в виду того, что изолированная жила в первом случае успевает прогреться до более высоких температур. Нужно отметить, что все заготовки с разными сечениями жил для толщины изоляционного слоя 4,6 мм успевают охладиться к концу зоны охлаждения до приемлемых температур.

Аналогичное исследование было проведено для изолированных жил с различной толщиной изоляционного слоя сечением 95 мм2. Температурный и скоростной режимы остались неизменными.

На рисунке 4.8 приведены зависимости температуры по длине на поверхности изоляции и жилы для различной геометрии заготовки, когда изменялась толщина изоляции.

Температура, °С 400

350 300 250 200 150 100 50 0

У К V

У / / / у •л 1. ч ч

/ ' / ^ У У -* 1 \

1 л У У N.

г у у \

/ X

^ ~ - ----_

1

-Изол ЮкВ -ТПЖ ЮкВ Изол 15кВ ТПЖ 15кВ -ТПЖ 20 кВ - Изол 20кВ -Изол 35 кВ -ТПЖ 35 кВ

20 40 60 80 100 120 140 160

180

200

Рисунок 4.8 - Распределение температуры на поверхности изоляции и токопроводящей жилы сечением 95 мм2 при изменении толщины изоляции

Поскольку теплопроводность полимерного материала низка, то изменение толщины изоляции существенно влияет на температурное поле в заготовке. При увеличении толщины изоляции более чем в 2 раза, температура внутреннего слоя снижается на 80 °С.

Процесс охлаждения для рассмотренных конструкций заготовки протекает по-разному. Ввиду низкой теплопроводности и большой толщины изоляции, температура жилы к концу длины линии вулканизации для заготовки 4 (35 кВ) значительно выше, чем для изолированных жил с меньшей толщиной изоляции. Причем температура жилы на выходе из трубы превышает 60 °С, что не допустимо, так как в этом случае происходит замятие изоляции при намотке на приемное устройство. В этом случае требуется корректировка параметров технологического режима.

Для всего диапазона сечений и толщин изоляции на основе полученных полей температур была определена степень сшивки. Результаты исследования приведены на рисунке 4.9, где представлены кривые изменения степени сшивки слоя изоляции расположенного около жилы по длине трубы в зависимости от толщины изоляции для каждого из трех площадей поперечного сечения токопроводящей жилы.

а)

б)

в)

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

_^

/ /

V/

М/^У

-Толпшна 4,6 мм (10кВ)

-Толщина 5,7 мм (15кВ)

-Толпшна 6,7 мм (20кВ)

Толщина 9,7 мм (35кВ)

Длина, м

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Рисунок 4.9 - Распределение степени сшивки при изменении толщины изоляции для сечения ТПЖ при скорости 0,4 м/с: а) 50мм2; б) 95 мм2; в) 150 мм2.

Увеличение толщины изоляции при неизменной площади поперечного сечения жилы приводит к снижению интенсивности процесса вулканизации, при чем тем больше, чем больше площадь поперечного сечения проводника. Отличие между величиной степени сшивки для наибольшего и наименьшего значения толщины изоляции на длине 100 м в первом случае (б=50мм2), рисунок 4.9а, составило около 30 %, то для s= 95мм2 - 60 %, для s = 150 мм2 - 85 %. Нужно отметить, что в третьем варианте, рисунок 4.9в, изоляция на выходе из вулканизационной трубы остается недосшитой.

Комплексно данную закономерность можно рассмотреть на представленном в виде трехмерного поля распределения степени сшивки в зависимости от толщины изоляции и сечения проводника на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Зависимость степени сшивки от толщины изоляции и сечения токопроводящей жилы на выходе их вулканизационной трубы

Из полученного поля степени сшивки видно, что зависимость последней, как и от толщины изоляции, так и от величины площади сечения проводника имеет нелинейный характер. Для одинаковых технологических параметров, увеличенный слой изоляции будет значительно дольше прогреваться и в силу неравномерного течения процесса вулканизации, к примеру, для сечения 150 мм2 степень сшивки в конце вулканизационной трубы при увеличении толщины изоляции с 4,6 мм до 9,7 мм снижается на 43 % и делает кабель непригодным для эксплуатации. Существенное влияние на степень сшивки на выходе из вулканизационной трубы оказывает величина площади поперечного сечения проводника. При рассмотрении изоляции толщиной 5,7 мм, увеличение сечения проводника в 3 раза, снизит

конечную степень сшивки на 33 %. Несмотря на высокий коэффициент теплопроводности алюминия, по сравнению с полиэтиленом, при увеличении сечения количество энергии, затрачиваемое на нагрев жилы будет больше, следовательно, внутренние слои изоляции будут находится при меньшей температуре. Таким образом, геометрический фактор существенно влияет на выбор рациональных параметров технологического режима изолирования.

Анализ влияния геометрических параметров на значение степени сшивки по сечению показал, что при производстве кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией, при минимальной допустимой степени сшивки в 70 %, в ряде случаев целесообразно увеличивать скорость изолирования в иных - уменьшать, что в первом случае позволит увеличить производительность линии, во втором -уменьшить объем брака.

4.4 Оценка влияния параметров технологического процесса на степень

сшивки

Одним из технологических параметров, который может повлиять на степень сшивки, является предварительный нагрев токопроводящей жилы. Внешние слои изоляции, контактирующие с нагретым азотом в трубе вулканизации, быстро прогреваются, в то время как внутренние слои, прилегающие к холодной жиле, остаются относительно холодными. Нагрев жилы обеспечивает более плавный прогрев внутренних слоев изоляции, что способствует лучшей адгезии изоляции к жиле и более однородной структуре сшивания по всему сечению изоляции. На сегодняшний день, из практики производственных предприятий известно, что предварительный нагрев жилы имеет диапазон от 20 до 130 °С. Непосредственно сам нагрев жилы происходит бесконтактным способом, при прохождении через индукционный нагреватель. Это позволяет эффективно, равномерно и без повреждения жилы провести её нагрев.

Для оценки влияния указанного параметра на степень сшивки, в работе определены поля температур и степени сшивки для токопроводящей жилы

сечением 150 мм2 и толщиной изоляции 6,7 мм для различных значений начальной температуры при скорости изолирования 0,4 м/с. Результаты приведены на рисунке 4.11 и 4.12.

— Из. (Ттпж - 20°С) —Из. (Ттпж - 50°С)

-Из. (Ттпж - 70°С)

-Из. (Ттпж - 90°С)

-Из. (Ттпж - 110°С)

-Из. (Ттпж - 130°С)

-ТПЖ (Ттпж - 20°С)

ТПЖ (Ттпж - 50°С)

-ТПЖ (Ттпж - 70°С)

-ТПЖ (Ттпж - 90°С)

-ТПЖ (Ттпж - 110°С)

-ТПЖ (Ттпж - 130°С)

Длина, м

Рисунок 4.11 - Распределение температуры на поверхности изоляции и ТПЖ при изменении начальной температуры ТПЖ: 1 - 20 °С; 2 - 70 °С; 3 - 90 °С; 4 - 110 °С; 5 - 130 °С

На рисунке 4.11 приведено изменение температуры на поверхности изоляции и ТПЖ для различных значений температуры предварительного подогрева. Видно, что увеличение температуры предварительного нагрева существенно влияет на скорость нагрева и температуру внутреннего слоя изоляции. При изолировании жилы без предварительного нагрева, внутренние слои прогреваются до температуры начала вулканизации на длине 62 м, а при увеличении температуры предварительного нагрева до 130 °С, температура начала вулканизации на внутренних слоях достигает на длине 35 м.

Влияния температуры предварительного нагрева на степень сшивки можно оценить по результатам, приведенным на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Изменение степени сшивки при изменении начальной температуры ТПЖ

Из рисунка видно, что в отсутствии предварительного нагрева степень сшивки будет составлять всего 14 %, в то время как увеличение температуры до 130 °С позволяет достичь степени сшивки в 86 % при прочих равных условиях. Таким образом, предварительный подогрев жилы существенно влияет на степень сшивки материала, сокращает время сшивки и позволяет увеличивать производительность линии, последнее требует выбора соответствующих рациональных параметров технологического процесса.

Для оценки влияния технологических параметров на качество сшитой изоляции был проведен ряд численных экспериментов, в результате которых было получено распределение температуры на внутреннем слое изоляции и определена степень сшивки при изменении скорости прохождения заготовки внутри трубы вулканизации, изменении температурного режима нагрева заготовки, а также изменении температурного режима охлаждения изолированной жилы. Анализ влияния процесса охлаждения изолированной жилы важен и с точки зрения обеспечения бездеформационной намотки кабеля на приемное устройство (средняя температура по сечению не должна превышать 60 °С).

На рисунке 4.13 приведена зависимость степени сшивки внутреннего слоя изоляции на выходе из вулканизационной трубы для трех сечений ТПЖ от

скорости изолирования и толщины изоляционного слоя, при этом начальная температура ТПЖ задавалась 70 °С.

9*1 о2, %

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

X \\

за

>ч_

4 \ V \\

N \

—•—4,6 мм 5,7 мм —»--6,7 мм - • - 9,7 мм

Скорость, м/с

а)

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

ср'102 , %

NN V Л »Л

ч Д ч \\

4 А V ч\ . \

^ \ 4 А \ \\

^ Л ч Д

4 'А \ *) \ \

^ -____12

►—4,6 мм 5,7 мм 6,7 мм » - 9,7 мм

Скорость, м/с

б)

0,2

0,4

0,6

0,8

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10

•102 , %

в)

0,00

Ч ^ ч 1

*

\\ \ 1 \

ч \ \ \

4 ч\\ \\Л

4 Л

\чд \\

—•— 4,6 мм 5,7 мм —•—6,7 мм - • - 9,7 мм

Скорость, м/с

0,2

0,4

0,6

0,8

Рисунок 4.13 - Изменение степени сшивки при изменении скорости изолирования и толщины изоляции: а) сечение ТПЖ 50 мм2; б) сечение ТПЖ 95 мм2;

в) сечение ТПЖ 150 мм2 Изменение скорости изолирования наиболее существенно влияет на качество получаемой изоляции. При скорости изолирования равной 0,2 м/с степень сшивки

для каждой из рассматриваемых толщин и сечений составила 100 %, этот результат говорит о том, что линия работает не в оптимальном режиме и есть возможность увеличения производительности линии без потери качества. Увеличение скорости в два раза до 0,4 м/с снижает степень сшивки для разных марко-размеров от 13 % до 60 %. Учитывая то, что минимальным требованием, предъявляемым к качеству сшитой изоляции, является степень сшивки не менее 70 %, то, к примеру, для ТПЖ сечением 150 мм2 и толщины слоя 6,7 мм (20 кВ) скорость 0,32 м/с будет оптимальной по соотношению качество/производительность. Для толщины изоляции 9,7 мм (35 кВ) такое значение скорости слишком велико, так как конечная степень сшивки составит 66 %. Дальнейшее увеличение скорости приведет к резкому снижению качества изоляции, это происходит в связи с критически низкой температурой прогрева изоляции. При высокой скорости изолированная жила не успевает прогреться до необходимых для вулканизации температур.

Аналогичное влияние оказывает величина скорости изолирования при изменении сечения проводника. На рисунке 4.14 представлен график изменения степени сшивки для нескольких сечений ТПЖ с толщиной изоляции 4,6 мм (10кВ).

ф* 1 102 . %

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 Ч ''*•!.. 50 мм2 95 мм2 —•—150 мм2 1 Скорость, м/с

\ " N » \

\ \ 1 \ '■•.

\ 4 • \ 4 '■•

\ 4

\ 4 \ 4

\ v \ \ 1.

\ \

\ * ч.

---—

2 0,4 0,6 0 8

Рисунок 4.14 - Изменение степени сшивки от скорости изолирования при различных сечениях

проводника

При одинаковой толщине изоляции и прочих равных условиях для каждого из представленных сечений ТПЖ степень сшивки составляет 100 % для значения скорости изолирования 0,2 м/с. При увеличении скорости до 0,4 м/с максимальное отличие степени сшивки для рассматриваемых сечений ТПЖ составляет 18 %, а

для скорости до 0,6 м/с - больше 30 %. В последнем случае величины степени сшивки являются неприемлемыми. Таким образом, выбор рационального значения скорости изолирования должен проводится для каждого марко-размера в отдельности.

Для каждого из сечений, на основе полученных результатов, может быть определена рациональная скорость работы линии (рисунок 4.14): к примеру, при толщине изоляции 4,6 мм (10 кВ) для сечения 50 мм2 - 0,47 м/с, 95 мм2 - 0,44 м/с, 150 мм2 - 0,40 м/с. Для предложенных значений скоростей движения заготовки будет достигнута минимально необходимая степень сшивки в 70 %. При чем увеличение скорости с 0,40 м/с до 0,47 м/с в первом случае приводит к увеличению производительности линии на 15 %.

Аналогичные рекомендации можно сделать и при рассмотрении других геометрий заготовок, на основании результатов, представленных на рисунках 4.13, 4.14.

Для оценки влияния температурного режима нагрева вулканизационной трубы на степень сшивки было проведено несколько вариантов расчета: снижение исходного температурного режима, указанного в таблице 3.1 на 5 %, 10 % и 15 %. Использованные при расчете температуры по зонам приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Температурный режим нагрева заготовки

Температурный режим по зонам, °С

Вар. Т 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Тср

1 Исх. 450 450 450 450 450 450 440 430 420 410 440

2 -5% 427,5 427,5 427,5 427,5 427,5 427,5 418 408,5 399 389,5 418

3 -10% 405 405 405 405 405 405 396 387 378 369 396

4 -15% 382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 382,5 374 365,5 357 348,5 374

В соответствии с вариантами, представленными в таблице 4.1, была проведена серия численных экспериментов. На рисунке 4.15 приведена

зависимость степени сшивки от скорости изолирования для различных температурных режимов для ТПЖ сечением 95 мм2 и толщиной изоляции 4,6 мм (10 кВ) и температурой предварительного нагрева 70 °С.

(р*102, %

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

'Л

N.

ир \ \ \ \

\ \ \

\ \ Л

\ \ ■. \ \ \ \ \ \

\ \ \ ц_ \ \

V \д

_^_1

-Тер = 440 °С Тер = 418 °С 1 - Тер = 396 °С • Тер = 374 °С

Скорость, м/с

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Рисунок 4.15 - Изменение степени сшивки при изменении скорости изолирования и

температурного режима нагрева

Изменение средней температуры по зонам трубы нагрева критически влияет на степень сшивки заготовки. Данный параметр будет малозначимым при малых скоростях или безосновательно высоких, но при подборе рационального режима и увеличении скорости изолирования, данный параметр необходимо учитывать. При скорости изолирования 0,4 м/с, для сечения 95 мм2 и толщины изоляции 4,6 мм, снижение температур на 15 % приведет к значительному падению скорости протекания реакции вулканизации, степень сшивки снизится более чем на 60 %. Снижение температуры в зоне нагрева на 5 % позволяет не потерять в качестве сшивки для скорости изолирования 0,4 м/с, с одной стороны, и снизить капитальные затраты на электроэнергию, с другой. Таким образом, можно сделать вывод, что скорость изолирования и температурный режим также существенно влияют на получение качественной изоляции, а вкупе с геометрией выбранного марко-размера кабеля потребует комплексного подхода к определению рациональных параметров технологического режима.

Режим охлаждения заготовки. Исходя из особенностей технологического процесса пероксидной сшивки, а именно наличия высоких температур в зоне нагрева, изолированную заготовку равномерно охлаждают до температур, при которых изоляция кабеля не деформируется при намотке на приемный барабан.

Как было указано ранее, длина зоны охлаждения составляет 114 метров. В качестве охлаждающей среды используется проточная вода, подаваемая насосом в противоположном направлении движения изолированной жилы. Оснащенность линии позволяет настраивать как температуру подаваемой воды, так и её массовый расход.

В силу неравномерности протекания процесса сшивки, внутренние слои изоляции продолжают сшиваться во время движения заготовки в зоне охлаждения. Этот процесс был рассмотрен в главе 3, где отмечено, что только к концу зоны охлаждения реакция вулканизации близка к завершению.

В работе проведена серия численных экспериментов, в рамках которых изменялся режим охлаждения: варьировались величины массового расхода и температуры воды.

Результаты исследования для ТПЖ сечением 150 мм2, толщиной изоляции 6,7 мм и скоростью изолирования 0,32 м/с приведены на рисунках 4.16, 4.17.

Анализ рисунков 4.16 и 4.17 позволяет сделать вывод о том, что на степень сшивки изменение режима охлаждения в выбранном диапазоне влияет незначительно. Увеличение массового расхода подаваемой в трубу жидкости на 20 % снижает температуру токопроводящей жилы на 1-2 °С.

Снижение температуры воды в зоне охлаждения с 30 °С до 10 °С приводит к снижению температуры ТПЖ на выходе из трубы на 14 °С и температуры поверхности изоляции на 20 °С, при этом степень сшивки снижается на 2 % (с 71 % до 69 %).

250

200

150

100

50

Т, °С

Гемп. изоляции - . — ■.— — Степень сшивки

/ / /Ч * с

У X X ✓ > /

✓ И / / 'V ч. "с ^

X г ( ч ^

/ / —________

0,8 Ф, 102 % 0,7

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 ь, м

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-Изол. - 1в

-ТПЖ - 1в

-Изол. - 2в

---ТПЖ - 2в

-Изол. - Зв

---ТПЖ - Зв

Сшивка 1в

— • - Сшивка 2в

— • - Сшивка Зв

Рисунок 4.16 - Распределение температуры на поверхности изоляции и ТПЖ при изменении температуры воды (Тводы) в трубе охлаждения: 1в - 30 °С; 2в - 20 °С; 3в - 10 °С

Т °С

300 250 200 150 100 50 0

Темп. изоляцш I У

/ / / / Степень сшивки

Темп. ТПЖ У 7\ \ X

у / / 1 1 1 1 Ч, ч

( /

/ /

ср-102 % 0,8

0,7

■Изол. <3=2,9 кг/с

-Изол. <3=3,33 кг/с

---ТПЖ <3=3,33 кг/с

-Изол. <3=3,77 кг/с

- ТПЖ <3=3,77 кг/с

-----Сшивка <3=2,9 кг/с

-----Сшивка <3=3,33 кг/с

.......Сшивка <3=3,77 кг/с

0 Ь, м

20 40

60

80 100 120 140 160 180

Рисунок 4.17 - Распределение температуры на поверхности изоляции и ТПЖ при изменении массового расхода воды в трубе охлаждения

Необходимо также отметить, что при выходе из трубы нагрева (68 м), внутренний слой изоляции имеет степень сшивки 18 % и процесс досшивки внутреннего слоя происходит при прохождении заготовки внутри трубы

охлаждения до величины 72 %. В каждом из рассматриваемых случаев (рис. 4.16, 4.17) на длине 105-110 м, когда температура опускается ниже температуры поддержания процесса вулканизации, дальнейшее изменение температур влияет только на конечную температуру заготовки.

И, мм И, мм

Рисунок 4.18 - а) Изменение длины окончания процесса вулканизации для сечения 50 и 95 мм2 при разной толщине изоляции; б) Изменение величины досшивки внутреннего слоя изоляции для сечения 50 и 95 мм2 при разной толщине изоляции.

Анализ рисунков 4.18а и 4.18б позволяет оценить, на какой длине заканчивается процесс вулканизации внутреннего слоя изоляции при изменении сечения токопроводящей жилы и толщины изоляции и величину сшивки. При увеличении толщины изоляции в 2 раза (с 4,6 до 9,7 мм), длина на которой закончится процесс вулканизации увеличивается более чем на 50 м, при прочих равных технологических параметрах. Изменение длины окончания вулканизации при увеличении сечения жилы для различных толщин изоляции находится в диапазоне от 6 до 12 м. При рассмотрении изменения величин досшивки изоляции при прохождении зоны охлаждения видно, что для рассматриваемых марко-размеров величина досшивки может составлять от 40 до 100 % в зависимости от толщины изоляции и сечения проводника, что говорит о том, что исследование процессов тепломассопереноса и кинетических процессов в зоне охлаждения

необходимо для определения конечной степени завершенности кинетических преобразований.

Для рассмотренных в работе марко-размеров кабеля и базового режима процесса вулканизации (температурный режим нагрева в соответствии с таблицей 3.1, предварительный нагрев ТПЖ 70 °С, температура охлаждающей воды 30 °С, скорость изолирования 0,2 м/с), было определено, что степень сшивки внутреннего слоя изоляции составляет 100 % по всей толщине. Для повышения производительности линии определена рациональная скорость изолирования, при которой будет обеспечена минимально допустимая степень сшивки 70 % на внутреннем слое изоляции, при этом средняя по толщине степень сшивки будет составлять 85 %. Рациональная скорость изолирования для рассматриваемых марко размеров приведена в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Рациональная скорость изолирования

Сечение ТПЖ, мм2 Толщина изоляции, мм Скорость изолирования, м/с

50 4,6 0,47

5,7 0,46

6,7 0,45

9,7 0,44

95 4,6 0,44

5,7 0,43

6,7 0,41

9,7 0,37

150 4,6 0,40

5,7 0,34

6,7 0,32

9,7 0,30

Как видно из данных таблицы 4.2 скорость изолирования, без потери в качестве изоляции, в ряде случаев может быть увеличена более чем на 30 %.

4.5 Выводы по главе 4

1. Анализ полученных полей температур и скоростей в трубе вулканизации позволяет оценить протекающие процессы тепломассопереноса и определить их закономерности.

2. Оценено влияние кинетических свойств изоляционного материала на распределение температур и степени сшивки по толщине изоляции. Определено: кинетические свойства могут значительно влиять на процесс вулканизации, а теплофизические параметры влияют на процесс незначительно.

3. Показано влияние геометрических параметров изолированной жилы (толщина изоляции и сечение проводника) на распределение температуры в заготовке и степень сшивки.

4. Определено влияние технологических параметров, таких как скорость изолирования, предварительный нагрев ТПЖ, температурный режим нагрева и температурный режим охлаждения, на степень сшивки полимерной изоляции. Сделан вывод о необходимости исследования кинетических процессов в зоне охлаждения и о значительном влиянии технологических параметров на процесс протекания процесса вулканизации.

5. Обоснован выбор рациональных параметров технологического режима, позволяющий увеличить производительность линии для ряда марко-размеров.

Заключение

1. Разработана пространственная математическая модель процессов тепломассопереноса в зоне нагрева вулканизационной трубы в условиях сложного теплообмена.

2. Разработана осесимметричная математическая модель процессов тепломассопереноса в зоне охлаждения с учетом вынужденной конвекции.

3. Проведен анализ сходимости численных решений. Определены пространственные параметры дискретных моделей.

4. Экспериментальным путем определены кинетические и теплофизические характеристики полиэтиленовой изоляции.

5. Предложена трёхпараметрическая кинетическая модель, описывающая степень сшивки как функцию температуры и времени, позволяющая рассматривать процесс вулканизации в неоднородном температурном поле и с различной скоростью протекания реакции.

6. Доказано соответствие результатов, полученных при численной реализации предложенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов.

7. Получены температурные поля, поля скоростей и распределение степени сшивки во всем объеме исследуемой области, позволяющие провести комплексный анализ протекающих процессов тепломассопереноса с кинетикой.

8. На основе численных исследований оценено влияние кинетических, теплофизических, геометрических и технологических параметров на распределение температуры в изолированной жиле и степень сшивки в изоляции.

9. Определены значимые параметры технологического режима, позволяющие выбрать рациональные параметры производственного процесса вулканизации.

Список сокращений и условных обозначений

ПЭ - полиэтилен

СПЭ - сшитый полиэтилен

ТПЖ - токопроводящая жила

ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия

ДМА - динамический механический анализ

ТГА - термогравиметрический анализ

ПДК - перекись дикумила

VBA - Visual Basic

Список литературы

1. Аваев, А. А. Двухмерная математическая модель внутреннего теплопереноса в процессе вулканизации эластомерного покрытия. Движение зоны активного теплового воздействия вдоль внешней поверхности покрытия / А. А. Аваев // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2009. - № 1(20). - С. 106-109

2. Баочжун, Х. Моделирование свойств сшитого полиэтилена // Актуальные проблемы современной науки. - 2005. - №5.

3. Валиуллин, М.А., Замалеев З.Х., Зиганшин А.М. Справочные таблицы по тепломассообмену для самостоятельных заняятий студентов специальности 290109 / КГАСУ. Сост. Валиуллин М.А., Замалеев З.Х., Зиганшин А.М.

4. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука. 1972. 720 с.

5. Габрусь, А.А. Влияние тепловых режимов вулканизации на свойства резин / А. А. Габрусь, С. Н. Каюшников, А. Ю. Люштык, Ж. С. Шашок, Е. П. Усс // Труды БГТУ. - 2021. № 2 (2). - С. 33-38.

6. Григорьева, М.М. Математическое моделирование физико-химических процессов в кабельных изделиях при электрической перегрузке : Диссертация кандидата технических наук / Григорьева Муза Михайловна. - Томск, 2010. -114с.

7. Григорьева, М.М. Тепломассоперенос в условиях электрической перегрузки кабельных линий / Григорьева М.М., Кузнецов Г.В. // Известия Томского политехнического университета, 2010. - №4. - С. 34-38.

8. Гурин, А. Г., Корнилов Е. А., Ложкин Р. С. Перспективы применения сильноточных электронных пучков для радиационной сшивки полиэтилена / А. Г. Гурин, Е. А. Корнилов, Р. С. Ложкин // Электротехника и Электромеханика. -2013. - №4.

9. ГОСТ 34834-2022. Кабели силовые с экструдированной изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кв включительно. Общие технические условия.

10. ГОСТ 22483-2012. Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров.

11. ГОСТ 1ЕС 60811-507-2015. Кабели электрические и волоконно-оптические. Методы испытаний неметаллических материалов. Часть 507. Механические испытания. Испытание на тепловую деформацию для сшитых композиций.

12. Дятлов, И. Я. Численное исследование влияния технологических параметров на степень завершенности вулканизации изоляции кабеля / И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Научно-технический вестник Поволжья. - 2022. - № 8. - С. 17-20.

13. Дятлов, И.Я. Описание вулканизационных кривых при помощи трехпараметрического уравнения / И.Я. Дятлов, Н.М. Труфанова // Электротехника. -2020. - № 11. - С. 34-38.

14. Ершов, С.В. Пространственное течение расплавов полимеров в канале зоны дозирования пластицирующего экструдера и формующего инструмента: Диссертация кандидата технических наук / Ершов Сергей Владимирович. -Пермь, 2018. - 119с.

15. Иванов, С. Д. Математическое моделирование технологического процесса вулканизации / С. Д. Иванов, Г. Г. Гоппе, Д. С. Киргин // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. - № 9(68). - С. 219-224.

16. Иванова, Е.В. Численное моделирование температурных полей цилиндрических изделий при вулканизации / Е.В. Иванова, Г.В. Кузнецов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. - № 7. - С. 10-11.

17. Иванова, Е.В., Стрижак П.А. Математическое моделирование процесса вулканизации кабельных изделий с учетом влияния условия естественной конвекции // Теплофизические основы энергетических технологий: материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Томск, 24-26 июня 2010 года. - Томск: НИТПУ, 2010. - с. 105-108

18. Иванова, Е. В. Численное моделирование комплекса теплофизических и термохимических процессов при вулканизации кабельных изделий / Е. В. Иванова, П. А. Стрижак // Тепловые процессы в технике. - 2012. - Т. 4, № 4. - С. 187-192

19. Ищенко, В. А. Расчет температурных полей при вулканизации эластомерных изделий / В. А. Ищенко, М. В. Шаптала // Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. - 2005. - № 9. - С. 174-176.

20. Ищенко, В. А. Особенности расчетов режимов вулканизации пневматических шин с учетом трехмерности конструкции // Системные технологии: региональный межвуз. Сб. науч. Трудов. - Днепропетровск, - 2008. - № 2 (55). - С. 147 - 158

21. Карпушенко, В.П. Электрическая система испытаний силовых кабелей всех классов напряжений с изоляцией из сшитого полиэтилена / В.П. Карпушенко [и др.] // Электротехника и электромеханика. - 2013. - № 4. - С. 60-64.

22. Кикель, В.А. Сравнительный анализ структуры и свойств сшитого различными методами полиэтиленов / В.А. Кикель, В.С. Осипчик, Е.Д. Лебедева // Пластические массы. - 2005. - №8. - С. 3-6.

23. Кириллов, П.Л., Богословская, Г.П. Теплообмен в ядерных энергетических установках: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 2000. - 456с.

24. Корелин, А. А. Математическое моделирование процесса сшивки полиэтилена в азотной среде / А. А. Корелин, И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: Материалы всероссийской научно-технической конференции. В 2-х томах, Пермь, 30-31 мая 2019 года. Том 2. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2019. - С. 124-130.

25. Корелин, А. А. Численное исследование процесса сшивки полиэтилена в вулканизационной трубе в среде азота / А. А. Корелин, И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Научно-технический вестник Поволжья. - 2019. - № 7. - С. 111-114.

26. Корелин, А. А. Математическая модель и численный анализ процесса пероксидной сшивки изоляции кабелей на среднее напряжение / А. А. Корелин, И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2020. - № 35. - С. 119-132.

27. Корелин, А. А. Численное исследование температурных полей в процессе пероксидной сшивки при производстве кабелей с полиэтиленовой изоляцией / А. А. Корелин, И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Автоматизированные системы управления и Информационные технологии: Материалы всероссийской научно-технической конференции. В двух томах, Пермь, 09-11 июня 2020 года. Том 2. -Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2020. - С. 106-111

28. Корелин, А. А. Математическое моделирование и численный анализ процесса вулканизации полиэтиленовой изоляции / А. А. Корелин, И. Я. Дятлов, Н. М. Труфанова // Научно-технический вестник Поволжья. - 2021. - № 5. - С. 87-90.

29. Корелин, А. А. Влияние технологических параметров на качество сшивки изоляции кабеля на среднее напряжение / А. А. Корелин, Н. М. Труфанова // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: Материалы всероссийской наук. В 2-х томах, Пермь, 09-11 июня 2021 года. Том 2. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2021. - С. 99-104

30. Корелин, А. А. Анализ численного решения математической модели процесса вулканизации полиэтилена / А. А. Корелин, Н. М. Труфанова // Автоматизированные системы управления и Информационные технологии: Материалы всероссийской научно-технической конференции в 2-х томах, Пермь, 08-10 июня 2022 года. Том 2. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2022. - С. 99-102

31. Корелин, А. А. Математическое моделирование задачи тепломассопереноса при пероксидном сшивании полиэтиленовой изоляции / А. А. Корелин, Н. М. Труфанова // Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2023): Материалы конференции, с. Дивноморское, Краснодарский край, 04-10 сентября 2023 года. - Москва: Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2023. - С. 361

32. Корелин, А. А. Математическая модель процесса вулканизации изоляции из полиэтилена / А. А. Корелин, Д. А. Киряков, Н. М. Труфанова // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: Материалы всероссийской научно-технической конференции. В 2-х томах, Пермь, 05-07 июня 2024 года. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2024. - С. 194-202

33. Корелин, А. А. Анализ влияния кинетических и теплофизических характеристик полиэтилена при моделировании процесса пероксидной сшивки изоляции / А. А. Корелин, Н. М. Труфанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2024. - № 50. - С. 5-22.

34. Корелин, А. А. Влияние технологических параметров на степень сшивки полимерной изоляции / А. А. Корелин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2025. - № 7. - С. 43-46.

35. Кузнецов, Г. В. Математическое моделирование температурных полей в процессе вулканизации типичных кабельных изделий / Г. В. Кузнецов, Е. В. Иванова // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316, № 4. - С. 38-41.

36. Леонов, В. М. Основы кабельной техники: учебник для студ. высш. уч. заведений / В. М. Леонов, И.Б. Пешков, И. Б. Рязанов, С. Д. Издательский центр «Академия», 2006.

37. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник для вузов. — 7-е изд., испр. — М.: Дрофа, 2003. — 840 с.

38. Лукомская, А.И. Расчеты и прогнозирование режимов вулканизации резиновых изделий / А.И. Лукомская, П.Ф. Баденков, Л.М. Кеперша. - М.: Наука, 1995. - 351 с.

39. Мамбетова, Е.А. Математическое моделирование температурных полей и степени вулканизации в процессе вулканизации типичных кабельных изделий / Е.А. Мамбетова, Н.М. Труфанова // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2012. - № 6. - С. 152-158.

40. Маслов, А. А. Разработка системы принятия решений для определения оптимального режима процесса неизотермической вулканизации: специальность 05.13.01 "Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Маслов Александр Александрович. - Воронеж, 2019. - 175 с.

41. Минг, Л.Ч., Хонг Х.Б. Сравнение влияний разных способов сшивания на свойства полиэтилена // Актуальные проблемы современной науки. - 2005. - №5. - С. 135-137.

42. Митрохин, А. А. Модели прогнозирования качества продукции потенциально опасного процесса вулканизации автомобильных шин / А. А. Митрохин, К. Ю. Гусев, В. Л. Бурковский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. - Т. 13, № 3. - С. 28-33.

43. Молчанов, В. И. Моделирование кинетики вулканизации полидиенов / В. И. Молчанов, О. В. Карманова, С. Г. Тихомиров // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. - № 1(55). - С. 142-145.

44. Молчанов, В. И. Моделирование кинетики неизотермической вулканизации массивных резиновых изделий / В. И. Молчанов, О. В. Карманова, С. Г. Тихомиров [и др.] // Труды БГТУ. №4. Химия, технология органических веществ и биотехнология. - 2014. - № 4(168). - С. 100-104.

45. Молчанов, В. И. Разработка математической модели вулканизации двухфазных полимерных систем / В. И. Молчанов, О. В. Карманова, Д. О. Паршута // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. - № 1(55). - С. 127-130.

46. Навалихина, Е.Ю. Математическое моделирование процессов сложного тепломассопереноса в кабельном канале: дис. ...канд. техн. наук 05.13.18 / Навалихина Е.Ю. - Пермь, 2015. - 109 с.

47. Новиков, Г. К. Модификация радиационной сшивки в электрическом газовом разряде и механическая прочность полиэтиленовой кабельной изоляции //

Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2017. - №8. С. 122-129.

48. Осипов, С. Ю. Эксплуатационные и качественные характеристики эластомерных покрытий гуммированных объектов / С. Ю. Осипов, Ю. Р. Осипов, О. А. Панфилова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2013. - № 1. -С. 38-42.

49. Осипов, С. Ю. Система автоматизированного проектирования непрерывных процессов термообработки материалов с полимерным покрытием/ Ю.Р. Осипов, О.В. Левыкина // Пенитенциарная наука. - 2009. - №7. - С. 63-66.