Определение критерия качества, предсказывающего образование дефектов при охлаждении пластмассовой изоляции провода, наложенной методом экструзии

Производство проводов с изоляцией из термопластичных кристаллических полимеров осуществляется на экструзионной линии. Одним из условий, обеспечивающих качество получаемой изоляции, является рациональный процесс ее охлаждения.

Существующие на предприятиях режимы охлаждения кабелей, которые обычно подбираются на основании натурных экспериментов и практического опыта технолога, не всегда оптимальны с точки зрения качества конечного продукта. Это обстоятельство может приводить к выходу кабеля из строя раньше установленного срока эксплуатации.

Охлаждение экструдированной изоляции провода происходит в условиях неоднородного температурного поля и фазовых превращений в полимере, что приводит к неоднородным полям деформации и напряжений провода. В результате, при определенных технологических условиях, могут появляться пустоты (каверны) в изоляции и отслоение полимера от токопроводящей жилы, что не может быть допустимо с точки зрения качества изделия (рис. 1).

Для определения причин нарушения сплошности изоляции и потери контакта с жилой поставлена и численно решена температурно-механическая задача для изолированной жилы при различных условиях охлаждения.

Исследуемый провод представляет собой осесимметричную конструкцию из двух разнородных материалов: медь или алюминий (жила), полиэтилен низкого давления (изоляция) (Рис. 2).

Задача решается в два этапа: на первом этапе рассматривается температурно-конверсионная задача, на втором — механическая.

Процесс охлаждения полимера является экзотермическим. При решении температурно-конверсионной задачи принимаются допущения: 1) характер процесса стационарный; 2) изолированная жила обладает осевой симметрией геометрии и условий охлаждения; 3) скорость движения провода постоянна; 3) материалы жилы и изоляции изотропны; 4) изменения размеров провода, вызванные усадкой изоляции, не учитываются. В рамках решения этой задачи рассматривается неизотермическая кристаллизация, описывающая изменение температурного поля в проводе и кристаллизационного поля в изоляции в процессе охлаждения провода.

Задача о напряженно-деформированном состоянии охлаждаемого провода решается с использованием результатов решения предыдущей задачи и формулируется в рамках следующих допущений: 1) не учитываются силы инерции; 2) используется гипотеза о плоско-деформированном состоянии (ε_z=0); 3) провод является осесимметричным; 4) принимается условие малости деформаций.

Подробное описание детерминированной математической модели процесса охлаждения экструдированной полимерной изоляции представлено в работе [1], а основные аспекты построения разностных схем и алгоритмов решения поставленных задач подробно рассматриваются в работе [2].

Целью исследования являлось определение закономерностей процесса охлаждения и критериев, позволяющих предсказывать образование каверн.

В таблице 1 представлено несколько экспериментальных режимов охлаждения провода марки кабеля КПБП 3×10, проверенные на действующем оборудовании ОАО «Камкабель» (г. Пермь) (всего проведено более 20 экспериментов). В вариантах 1–2 жила выполнена из меди, в вариантах 3–4 — из алюминия.

На рисунках 3–4 приведены результаты численного моделирования полей температур провода и степени кристалличности в полимере при задании 1-го варианта охлаждения провода (Табл. 1).

Характерное распределение температуры и степени кристалличности по радиусу в различных сечениях по длине провода представлены на рисунке 3. Видно, что температура в жиле мало изменяется по радиусу в связи с большой теплопроводностью металла, в то время как в изоляции на первых метрах охлаждения она претерпевает значительные изменения.

При температуре полимера ниже температуры плавления (Рис. 3а, кривая 3) начинается процесс кристаллизации, который постепенно захватывает внутренние слои (Рис. 3б, кривая 3).

На рисунке 3 показано, что в изоляции точки с различным радиусом имеют свою скорость охлаждения и, соответственно, степень кристалличности, увеличивающуюся с уменьшением скорости охлаждения. Так на участке охлаждения 5–13 метров (Рис. 3а, кривые 3, 5) центральные слои охлаждаются со 103 до 83°С. Степень кристалличности в этом случае увеличивается с 0,031 до 0,224 (Рис. 3б, кривые 3, 5). В то время как внешние слои, охладившись с большей скоростью до температуры 83°С (Рис. 3а, кривая 3), имеют кристалличность, в 1,74 раза меньшую и равную примерно 0,129 (Рис. 3б, кривая 3).

Степень кристалличности также больше в случае более длительного пребывания изоляции в температурном диапазоне максимального изменения β (рассматриваемый диапазон зависит от скорости охлаждения полимера и, в общем случае, находится приблизительно между 50 и 118°С) [2]. Так, несмотря на высокую скорость охлаждения, внешние слои (Рис. 3б, кривая 8) в конце ванны имеют большую β, чем внутренние слои.

Это объясняется тем, что при соответствующей скорости охлаждения температурный диапазон максимального изменения β совпадает с диапазоном, в котором внешние слои находятся достаточное для увеличения β до значения 0,8 время (Рис. 4б, кривая 3).

Исследуя кривую 3 рисунка 4, а и сопоставляя ее с кривой 3 рисунка 4, б, можно заметить, что условия теплообмена внешних слоев изоляции, охлаждаемых в воде с температурой 80°С, изменяют β этих слоев от 0 до ≈0,31. Дальнейшее охлаждение в воде с температурой 60°С приводит к изменению от ≈0,31 до ≈0,64, причем время нахождения внешних слоев в воде при обеих температурах одинаковое (Табл. 1). Из анализа кривых, изображенных на рисунках 3 и 4 видно, что максимальное изменение β во внешних слоях происходит в диапазоне от 60 до 88°С, во внутренних слоях — в диапазоне от 50 до 95°С.

На втором этапе решения поставленной задачи на основании полученных температурных и кристаллизационных полей для вариантов охлаждения провода (Табл. 1), получены поля перемещений, радиальных и окружных напряжений. Для выбора критерия, характеризующего потерю сплошности материала (образование каверн), в работе рассмотрены совместно поля температур, кристаллизационные поля и поля радиальных напряжений.

Характерное изменение температуры, степени кристалличности и радиальных напряжений в полимере по радиусу в различных сечениях по длине охлаждающей ванны представлено на рисунке 5 для 1-го варианта охлаждения провода (Табл. 1). На начальном этапе охлаждения на длине 2,35 м в изоляции по всей толщине возникают значительные сжимающие напряжения (Рис. 5а, кривая 3) за счет возрастания температуры жилы до 134°С и, соответственно, ее расширения, а также за счет усадки внешних слоев изоляции вследствие их резкого охлаждения в воде. Дальнейшее охлаждение внешних слоев приводит к росту степени кристалличности по всей толщине изоляции, при этом кристалличность внешних слоев превышает кристалличность внутренних.

Совместное деформирование относительно жестких наружных и менее жестких внутренних, испытывающих структурную усадку слоев приводит в дальнейшем к образованию растягивающих радиальных напряжений во внутренних слоях (Рис. 5б, кривая 3). Из рисунка 5 видно, что растягивающие напряжения в месте контакта изоляции и жилы возникают на фоне небольшой (β ≤ 0,08) кристалличности полимера. Эти напряжения также незначительны и не способны привести к возникновению каверн.

В связи с этим особый интерес представляет поведение радиальных напряжений на внутренней поверхности изоляции и фазовое состояние полимера в данной области провода. На рисунке 6 представлены изменение температуры, степени кристалличности и радиальных напряжений в полимере по длине охлаждающего участка в точке контакта жилы и изоляции для 2–4-го вариантов охлаждения провода (Табл. 1).

В 2-м варианте на расстоянии 8,5 м от начала охлаждения во внутренних слоях изоляции начинают появляться и резко возрастать растягивающие напряжения; при этом полимер находится в расплавленном состоянии (Рис. 6а). Вероятно, это обстоятельство и является причиной образования каверн в месте контакта материалов провода.

В 3-м варианте (Рис. 6б), охлаждение производится полностью на воздухе при малой скорости движения провода, поэтому температурное и кристаллизационное поля распределяются по радиусу более равномерно, чем при охлаждении в воде. Как следствие, растягивающие радиальные напряжения в жиле появляются уже после того, как β достигает значения (0,06), достаточного для выполнения условия отсутствия каверн. Использование 3-го варианта охлаждения на производстве недопустимо, так как средняя температура изоляции в конце охлаждающей ванны едва достигает 100°С. При такой температуре изоляции нельзя производить смотку провода на барабан. Для реализации режима воздушного охлаждения необходимо или значительно снижать скорость провода, или повышать длину охлаждающего участка, что неэкономично.

В 4-м варианте (рис. 6в) применялись более высокая по сравнению с 3-м скорость изолирования и водяное охлаждение в конце воздушной секции. Эти отличия и предопределили появление каверн на внутренней поверхности изоляции. При попадании в секцию с водой из-за резкого перепада температур в охлаждаемом проводе начинается интенсивная кристаллизация и усадка внутренних слоев изоляции на фоне более жестких (закристаллизовавшихся) слоев на поверхности и расплавленных, прилегающих к жиле. Это вызывает возникновение и рост растягивающих радиальных напряжений и, как следствие, образование каверн на внутренней поверхности изоляции (Табл. 1).

По результатам проведенных натурных экспериментов для 2-го и 4-го вариантов установлено наличие каверн на внутренней поверхности изоляции (в месте контакта полимера с жилой); в 1-м и 3-м вариантах дефекты в изоляции не обнаружены. Анализ численных исследований полей радиальных напряжений и степени кристалличности позволяет отметить, что для 2-го и 4-го вариантов режимов охлаждения, во внутренних слоях изоляции в моменты, когда степень кристалличности равна нулю (расплав полимера) устанавливаются достаточно высокие уровни растягивающих радиальных напряжений, которые, по-видимому, приводят к отслаиванию изоляции. В режимах 1 и 3 радиальное напряжение в расплаве полимера всегда сжимающее. И только после перехода расплава полимера в аморфно-кристаллическое состояние (степень кристалличности отлична от нуля на внутренней поверхности изоляции) возникают растягивающие радиальные напряжения.

Таким образом, для рассматриваемого в данной работе провода практическим критерием неудовлетворительного режима охлаждения можно считать появление растягивающих напряжений в зонах с нулевой степенью кристалличности. Анализ результатов численных исследований остальных экспериментальных режимов подтверждает правильность выбора этого критерия, предсказывающего образование каверн.

В результате вычислительных экспериментов были предложены режимы воздушно-водяного охлаждения, позволяющие избежать возникновения радиальных растягивающих напряжений в критических зонах изоляции и при этом увеличить скорость изолирования на 25–30%.

Литература
1. Зиннатуллин Р.Р., Труфанова Н.М. Численное моделирование технологических напряжений при изготовлении пластмассовой изоляции провода // Вычисл. мех. сплош. сред. — 2009. — Т. 2, № 1. — С. 38–53.
2. Труфанов Н.А., Труфанова Н.М., Широких Д.И. Математическая модель образования технологических напряжений в пластмассовой изоляции провода // Пластические массы, 1997. — № 8. — С. 33–36.