Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы производство термопластичных материалов и изделий из них достигло значительных объемов. Особенно большое развитие получила переработка полиэтилена (ПЭ). Обладая хорошими диэлектрическими свойствами, ПЭ активно используется в кабельной промышленности. При производстве кабелей и проводов с ПЭ изоляцией широкое распространение получили экструдеры. Экструдер является основным устройством, обеспечивающим' наложение изоляции на токопроводящую жилу (ТПЖ). Преимуществом процесса экструзионной переработки ПЭ является его непрерывность. В состав экструзионной линии, кроме экструдера, входит ряд устройств, необходимых для осуществления качественного изолирования. Одним из таких устройств является ванна, обеспечивающая охлаждение разогретой ПЭ изоляции. В процессе охлаждения происходит формирование внутренней структуры, диэлектрических, механических и химических свойств изоляции. Заданные технологические условия проведения охлаждения влияют на перечисленные свойства ПЭ изоляции. Необходимость наложения жестких требований к диэлектрическим свойствам изоляции обусловлена рядом причин. В частности:
- ростом потребности в качественных кабельных изделиях,
- стремлением снизить себестоимость готового изделия за счет
сокращения расхода материалов, входящих в состав провода (кабеля).
При этом, конструктивные особенности кабельного изделия
определяются условиями эксплуатации (электрическое поле,
температурные воздействия и механические нагрузки).
Одним из мероприятий по улучшению свойств изоляции является
оптимально заданный режим ее охлаждения. При неравномерном
охлаждении возможно появление опасных технологических
напряжений в изоляции и, как следствие, нарушение ее сплошности, отсутствие адгезии к жиле. Быстрая скорость охлаждения приводит к недостаточной закристаллизованности ПЭ, что ведет к снижению электрической прочности изоляции. В связи с этим, актуальными являются исследования и анализ причин, вызывающих изменения эксплуатационных характеристик изоляции во время охлаждения, а также выявления закономерностей влияния параметров режима охлаждения на эти процессы.
Тема диссертационной работы совпадает с одним из направлений научных исследований, проводимых на кафедре Конструирование и технология электрической изоляции Пермского государственного технического университета и является составной частью хоздоговорной работы для АО "Камкабель".
Цель работы:
- изучение влияния условий проведения охлаждения изоляции из полиэтилена низкого давления (ПЭНД) на распределение температурных полей в объеме провода, степени кристалличности и величины технологических напряжений в объеме полимера,
,: - определение оптимальных условий охлаждения изоляции с точки зрения электрической прочности и механической сплошности ПЭНД на основании просчитанных вариантов.
Задачи исследования.
1. Анализ литературных источников, существующих систем
охлаждения, а также методов определения температурного поля и
остаточных напряжений в изоляции. Изучение работ, касающихся
определения зависимости диэлектрических свойств ПЭ от
температуры.
2. Разработка математической модели расчета температурного и
конверсионного (кристаллизационного) полей в проводе.
3. Проведение экспериментов для определения значений
необходимых констант и зависимостей свойств конкретного полимера
от температуры.
4. Построение физических соотношений, описывающих
напряженно - деформированное состояние (НДС) полимера.
Разработка математической модели формирования остаточных
напряжений в ПЭ в процессе его охлаждения.
5. Расчет распределения температуры, степени кристалличности,
перемещения и радиального напряжения по длине ванны для провода с
конкретным марко - размером и технологическим режимом его
изготовления.
6. Подбор условий охлаждения, при которых не возникает
нарушения сплошности изоляции и в конце ванны реализуется
максимально возможное и равномерное по радиусу поле степени
кристалличности.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса охлаждения ПЭ изоляции провода при его производстве, учитывающая внутренние источники теплоты, нелинейность свойств материалов провода и изменение морфологии. С использованием модели исследованы поля температур, степени кристалличности, напряжений, деформаций и перемещений в проводе в процессе охлаждения.
Практическая ценность. Проведенные исследования выполнены по заказу АО "Камкабелъ". Проведены расчеты для конкретного промьшіленного изделия. На основании расчетов даны практические рекомендации по улучшению свойств и качества изоляции изготавливаемого провода. Разработанная модель дает возможность варьировать параметры изделия и условия его охлаждения, тем самым,
решать широкий круг технологических задач, в частности, для действующего технологического оборудования позволяет подобрать рациональный по тем или иным параметрам режим охлаждения. Научные разработки диссертации можно использовать при проектировании нового экструзионного оборудования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснованы: теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теории теплопроводности и упругости; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами натурных наблюдений и экспериментов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на 8 - ой Всероссийской научно - технической конференции "Научно - технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала", на 11 - ой Зимней школе (2 - ой международной) по механике сплошных сред, на научных семинарах кафедр: «Конструирование и технология электрической изоляции», «Вычислительная математика и механика», «Прикладная математика», «Математическое моделирование систем и процессов», «Теоретическая механика» Пермского государственного технического университета (1998 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 7 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (77 наименований) и приложения. Материал изложен на 120 страницах и содержит 98 рисунков, 11 таблиц.