Изготовление токопроводящей жилы (ТПЖ)

В зависимости от назначения и условий эксплуатации кабельных изделий используются разные конструкции ТПЖ.

Какие материалы используются при изготовлении ТПЖ?

Основные материалы для изготовления ТПЖ это медная или алюминиевая проволока.

Cu. Использование меди обусловлено её высокой электропроводностью, устойчивостью к изгибам и растяжению кабеля и хорошей технологичностью в процессе изготовления кабеля. Из медной проволоки изготавливают ТПЖ с 1 по 6 класс гибкости по ГОСТ 22483-2012 Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров.

Для кабелей используемых в условиях агрессивных сред (морские кабели, кабели для подвижного состава и пр.), используют покрытия из инертных металлов (олово, цинк, серебро, никель). Данные металлы наносятся на поверхность медной проволоки и существенно повышают её коррозионную стойкость.

Al. Широкое использование алюминия обусловлено его достаточно высокой электропроводностью и низкой, по сравнению с медью, стоимостью. Алюминиевая проволока обладает худшими, по сравнению с медной, механическими характеристиками и технологичностью, её обычно применяют при производстве кабелей для стационарной прокладки. Эти кабели не подвергаются изгибам в процессе эксплуатации. ТПЖ из алюминиевой проволоки обычно имеет 1-2 класс гибкости по ГОСТ 22483-2012.

Как изготавливают проволоку для ТПЖ?

Основным способом получения медной и алюминиевой проволоки является метод волочения. Он заключается в том, что в процессе волочения катанку (или проволоку большого сечения) протягивают через соответствующее сечение (канал) волочильного инструмента – волоки. Волока имеет канал специальной конфигурации, облегчающей процесс протягивания. Волоки изготавливаются из твёрдого сплава, синтетического поликристаллического алмаза и даже из натуральных технических алмазов. Путём многократного протягивания заготовки через волоки с постепенно уменьшаемым диаметром выходного отверстия, получают проволоку необходимого диаметра. Количество ступеней волочения и соответственно волок, обычно находятся в диапазоне от 9 до 27 штук.

При волочении медной проволоки для смазки канала волоки, охлаждения волок и тяговых бандажей волочильной машины, промывки канала волоки от стружки металла подвергаемого волочению, используется волочильная эмульсия. Эмульсия, как правило, изготавливается путём смешения концентрата эмульсии с водой в определённом соотношении. Концентрат эмульсии представляет собой смесь натуральных и синтетических минеральных масел, поверхностно-активных веществ, растительного масла и др. специальных добавок.

При волочении алюминиевой проволоки используют многокомпонентные смеси натуральных и синтетических масел со специальными добавками (без добавления воды).

В процессе волочения проволоки происходит изменение её пластических свойств, образуется «наклёп». Проволока становится менее гибкой и более хрупкой при изгибе, всё это ухудшает технологичность проволоки в процессе производства кабеля, повышает обрывность и снижает физические характеристики готового кабеля. Для устранения этой проблемы, проволоку подвергают отжигу. В современных волочильных машинах процесс волочения совмещён с процессом отжига, т.е. отжиг происходит непрерывно «на проход». Суть отжига заключается в нагреве и выдержке проволоки до температуры, при которой происходит восстановление структуры металла и его первоначальных характеристик и последующим охлаждении до комнатной температуры. Для медной проволоки температура отжига составляет 480-600˚С, для алюминиевой проволоки 400-480˚С. Нагрев проволоки осуществляется за счёт прохождения через неё электрического тока, подаваемого через контактные ролики.

При отжиге медной проволоки происходит окисление меди из-за её нагрева, поверхность проволоки темнеет из-за образования оксидной плёнки. Поэтому отжиг производят в инертной среде. Как правило, это водяной пар, получаемый при помощи электрического парогенератора или азот, получаемый на специальной установке.

Классификация волочильных машин.

В зависимости от диаметра получаемой проволоки волочильные машины различают:

• машины грубого волочения – Ø 3,5 -1,2 мм;
• машины среднего волочения – Ø 1,2 -0,2 мм;
• машины тонкого волочения – Ø 0,9 – 0,1.

В зависимости от способа многократного волочения (когда используют последовательно несколько волок) различают:

• волочение без скольжения (Проволока после выхода из очередной волоки, наматывается на очередную тяговую шайбу. Машины сложные по конструкции и в эксплуатации, имеют большие габариты и меньшую производительность, используются чаще при волочении алюминиевой проволоки);
• волочение со скольжением (Проволока после выхода из очередной волоки наматывается на бандаж тягового колеса (2-3 витка) и имеет возможность проскальзывания по поверхности бандажа. Машины более производительные.).

В зависимости от количества проволок одновременно подвергающихся волочению на одной машине за «один проход», различают:

• одноходовые машины (имеют небольшую производительность);
• многоходовые машины (мультиваеры) — (Машины имеют высокую производительность и занимают меньше места по сравнению с аналогичным по производительности количеством одноходовых машин. Обеспечивают большую производительность при скрутке ТПЖ, требуют меньшего количества обслуживающего персонала).

Как выбрать волочильную машину для изготовления ТПЖ для кабелей стационарной прокладки (кабели с однопроволочной жилой)?

Пошаговые действия:

1. Принятие решения о номенклатуре и объёме кабельных изделий предполагаемых к производству.
2. Расчёт конструкции ТПЖ, объём производства проволоки для изготовления кабельных изделий (материал проволоки, Ø проволоки, объём производства каждого размера проволоки).
3. Получение коммерческих предложений от потенциальных поставщиков оборудования.
4. Выбор поставщика и типа машины грубого волочения, исходя из: используемого материала жилы, диапазона выпускаемой проволоки, необходимых объёмов производства, наличия /отсутствия встроенной приставки непрерывного отжига и цены оборудования.
5. Проверка соответствия необходимой производительности волочильной машины и паспортной производительности (данные коммерческого предложения). При этом рабочая производительность не должна составлять более 0,8 от паспортной.
6. Принятие решения по укомплектовании волочильной машины приёмными устройствами для проволоки (одноместное прёмное устройство для стальных барабанов / сдвоенное автоматическое приёмное устройство для стальных барабанов / приёмное устройство для приёма проволоки в контейнер-бочку / корзину). Данное решение повлияет на комплект оборудования следующей технологической операции – наложение изоляции на ТПЖ.
7. Оценка количества необходимого вспомогательного оборудования и материалов, их приобретение:

• Баки и их рабочий объём для охлаждающей эмульсии/ для масла (в случае изготовления алюминиевой проволоки). Система охлаждения эмульсии / масла.
• Установка для очистки эмульсии.
• Технологические приёмные барабаны или контейнеры – бочки.
• Острильно-затяжной станок для заправки волочильной машины.
• Сварочный аппарат (контактной или холодной сварки).
• Парогенератор / установка по изготовлению азота для создания инертной среды в приставке непрерывного отжига.
• Разрывная машина для контроля относительного удлинения готовой проволоки.
• Концентрат волочильной эмульсии / волочильное масло (для алюминия).
• Комплект (маршрут) волок исходя из производства проволоки необходимых диаметров.

8. Заключение контракта на поставку машины грубого волочения.
9. Монтаж и пусконаладочные работы (желательно участие инженеров-наладчиков производителя оборудования).
10. Обучение операторов машины грубого волочения.

Как выбрать комплект волочильных машин для гибких кабелей подвергающихся изгибам, кручениям и перемещению с места на место (кабели и провода с многопроволочной жилой)?

Производство кабелей и проводов с гибкой ТПЖ предполагает изготовление ТПЖ состоящей из большого количества скрученных между собой проволок.

Для изготовления проволок необходимого диаметра можно использовать разные комплекты волочильного оборудования:

• Для небольших объёмов производства.
• Для больших объёмов производства.

Для небольших объёмов производства можно использовать полный комплект волочильного оборудования или укороченный. При использовании укороченного варианта, для операции среднего волочения, заготовку (подтяжку) приобретают у внешнего поставщика, а волочение проволоки необходимого диаметра производят на одноходовых машинах среднего и тонкого волочения.

При использовании полного комплекта волочильного оборудования используют следующий алгоритм подбора оборудования:

1. Производят подбор машины грубого волочения, как описано в разделе выше. Данная машина будет производить заготовку для машин среднего/ тонкого волочения.
2. Принятие решения о номенклатуре и объёме кабельных изделий предполагаемых к производству.
3. Расчёт конструкции ТПЖ, объём производства проволоки для изготовления кабельных изделий (материал проволоки, Ø проволоки, объём производства каждого размера проволоки).
4. Получение коммерческих предложений от потенциальных поставщиков одноходовых волочильных машин среднего или тонкого волочения.
5. Выбор поставщика, типа и количества машин среднего или тонкого волочения, исходя из: диапазона выпускаемой проволоки, необходимых объёмов производства, наличия встроенной приставки непрерывного отжига и цены оборудования.
6. Проверка соответствия необходимой производительности волочильных машин и паспортной производительности (данные коммерческого предложения). При этом рабочая производительность не должна составлять более 0,8 от паспортной.
7. Принятие решения по укомплектовании волочильной машины отдающим устройством для заготовки, совместимым с приёмным устройством машины грубого волочения. Принятие решения по приёмному устройству для проволоки, совместимым с отдающими устройствами машин для скрутки ТПЖ.
8. Оценка количества необходимого вспомогательного оборудования и материалов, их приобретение:

• Баки и их рабочий объём для охлаждающей эмульсии. Система охлаждения эмульсии.
• Оценить необходимость в установке для очистки эмульсии.
• Технологические приёмные барабаны или катушки.
• Сварочный аппарат холодной сварки.
• Парогенератор / установка по изготовлению азота для создания инертной среды в приставке непрерывного отжига.
• Концентрат волочильной эмульсии.
• Комплект (маршрут) волок исходя из производства проволоки необходимых диаметров.

9. Заключение контракта на поставку одноходовых машин среднего или тонкого волочения.
10. Монтаж и пусконаладочные работы (желательно участие инженеров-наладчиков производителя оборудования). Обучение операторов волочильных машин.

Для больших объёмов производства используют комплект волочильного оборудования состоящий из машины грубого волочения и многоходовой волочильной машины (мультиваера).

Пошаговые действия:

1. Производят подбор машины грубого волочения, как описано в разделе выше. Данная машина будет производить заготовку для мультиваера.
2. Принятие решения о номенклатуре и объёме кабельных изделий предполагаемых к производству.
3. Расчёт конструкции ТПЖ (включая количество и диаметр проволок в ТПЖ), объём производства проволоки для изготовления кабельных изделий (Ø проволоки, объём производства каждого размера проволоки).
4. Оценка оптимального количества ходов на мультиваере (8, 14, 16, 24, др.) исходя из количества проволок в ТПЖ.
5. Получение коммерческих предложений от потенциальных поставщиков мультиваеров.
6. Выбор поставщика мультиваера, исходя из: количества ходов , диапазона выпускаемой проволоки, необходимых объёмов производства и цены оборудования.
7. Проверка соответствия необходимой производительности мультиваера и паспортной производительности (данные коммерческого предложения). При этом рабочая производительность не должна составлять более 0,8 от паспортной.
8. Принятие решения по укомплектованию мультиваера отдающими устройствами для заготовки, совместимыми с приёмным устройством машины грубого волочения. Принятие решения по приёмным устройствам для проволоки, совместимым с отдающими устройствами машин для скрутки ТПЖ.
9. Оценка количества необходимого вспомогательного оборудования и материалов, их приобретение:

• Баки и их рабочий объём для охлаждающей эмульсии. Система охлаждения эмульсии. Установка для очистки эмульсии.
• Технологические приёмные барабаны для мультиваера.
• Сварочный аппарат холодной сварки.
• Парогенератор / установка по изготовлению азота для создания инертной среды в приставке непрерывного отжига.
• Концентрат волочильной эмульсии.
• Комплект (маршрут) волок исходя из производства проволоки необходимых диаметров.

10. Заключение контракта на поставку мультиваера.
11. Монтаж и пусконаладочные работы (желательно участие инженеров-наладчиков производителя оборудования). Обучение операторов волочильных машин.

Многопроволочные ТПЖ. Виды оборудования для скрутки жилы. Выбор оборудования.

Технологический процесс скрутки токопроводящих жил обеспечивает устойчивость конструкции проводника при изготовлении кабеля и его эксплуатации.

Скрутка ТПЖ представляет собой процесс закручивания отдельных проволок или групп проволок (стренг) вокруг оси жилы (одной или нескольких проволок/стренг).

Виды скруток. По направлению скрутки различают:

• Однонаправленная скрутка. В этом случае скрутка всех элементов жилы производится в одном направлении. Различают «левую» и «правую» скрутку. «Левая» скрутка получается, когда элементы жилы скручиваются против часовой стрелки, «правая», когда по часовой стрелке.
• Разнонаправленная скрутка. В этом случае каждый следующий повив меняет направление скрутки на противоположное.

По организации размещения проволок в ТПЖ различают:

• Правильная (повивная) скрутка. ТПЖ имеет в разрезе более правильную геометрическую форму. Проволоки скручиваются одним или несколькими повивами вокруг центральной проволоки. Направление каждого последующего повива меняется по отношению к предыдущему.
• Пучковая (дикая) скрутка. ТПЖ имеет в разрезе менее правильную геометрическую форму. В этом случае все проволоки скручиваются вместе в одну сторону.

Основные типы машин используемых при скрутке ТПЖ.

В зависимости от требований к ТПЖ, её сечения используют разные типы крутильных машин. Для изделий с жёсткими требованиями к геометрии ТПЖ (например: коаксиальные кабели, изделия с тонкой радиальной толщиной изоляции (автопровода), изделия больших сечений, изделия с секторными жилами) обычно применяют машины обеспечивающие правильную скрутку:

• Фонарные (клетьевые) машины обеспечивают скрутку «с откруткой», т.е в процессе скрутки фонарь машины крутится в одну сторону, а отдающие катушки в другую сторону, что позволяет получить жилу с минимальными внутренними напряжениями.
• Машины жёсткой скрутки. Это разновидность фонарной машины, у которой отдающие барабаны жёстко размещены на раме фонаря и не имеют возможности для обратного вращения по отношению к направлению вращения фонаря. ТПЖ полученная на машинах этого типа более жёсткая.
• Сигарные машины. Данный тип машин имеет крутильную рамку в виде длинного цилиндра с отверстиями в которых размещены «люльки» с отдающими катушками, которые остаются в горизонтальном положении при вращении рамки (тела сигары). Производительность сигарных машин несколько выше, чем у фонарных.
• Бугельные машины. Эти машины можно считать разновидностью сигарных машин, в которых вместо рамки в виде металлического цилиндра, используются дуги, которые вращаются каждая вокруг своего отдающего барабана.

Для ТПЖ с менее высокими требованиями к геометрии, используют машины пучковой скрутки рамочного типа:

• Машины одинарной скрутки. В данном типе машин рамка вращается вокруг приёмного устройства. Машина обеспечивает довольно высокое качество скрутки и производительность.
• Машины двойной скрутки. В данном типе машин рамка вращается вокруг отдающего и приёмного устройства, что обеспечивает скрутку жилы на 2 шага за один оборот рамки. Поскольку вес рамки по сравнению с фонарями или рамками машин правильной скрутки имеет небольшой вес, то производительность данных машин наибольшая и поэтому они находят широкое использование при скрутке ТПЖ максимальным сечением до 95 мм².

Как выбрать машину двойной скрутки для производства гибкой ТПЖ сечением от 0,5 мм² до 6,0 мм²?

Пошаговые действия:

1. Принятие решения о номенклатуре и объёме кабельных изделий предполагаемых к производству.
2. Определение класса гибкости ТПЖ и максимального диаметра проволоки исходя из требований нормативно-технической документации на кабельное изделие.
3. Расчёт конструкции ТПЖ (включая количество и диаметр проволок в ТПЖ, оптимизацию количества проволок, которое может обеспечить многоходовая волочильная машина), объём производства каждого размера ТПЖ.

Например, нам нужно изготовить ТПЖ сечением 0,75 мм². Предположим, что согласно требованиям НТД на кабельное изделие ТПЖ должна соответствовать 5 классу гибкости согласно таблицы 7 ГОСТ 22483-2012 Жилы токопроводящие для кабелей проводов и шнуров. Для сечения 0,75 мм² оговорено, что диаметр проволоки для данного сечения не может быть больше, чем 0,21 мм. Исходя из наличия у Вас 16-ти ходовой волочильной машины (мультиваера), выбираем конструкцию ТПЖ 24×0,20, т.е. для изготовления этой жилы необходимо изготовить на мультиваере комплект заготовки, состоящий из барабана с 16-тью проволоками диаметром 0,20 мм и барабана с 8-ю проволоками диаметром 0,20 мм. В итоге, после скрутки 16+8 проволок мы получим ТПЖ 24×0,20.

4. Получение коммерческих предложений от потенциальных поставщиков машин двойной скрутки.
5. Оценка наиболее предпочтительного варианта крутильной машины исходя из: диапазона скручиваемых сечений, производительности, количества и размера отдающих катушек / барабанов с проволокой, размера приёмного барабана, габаритов машины с учётом отдающих устройств, цены и других, важных для Вас параметров.
6. Расчёт производительности машины двойной скрутки.

Формула для определения линейной скорости машины:

• Vл= 2h × Nрамки, где
• Vл – линейная скорость скрутки, м/мин;
• h – шаг скрутки, метров;
• Nрамки – обороты крутильной рамки, об/мин.

Формула для расчёта производительности машины:

• Р = Vл×T×К, где
• P – производительность машины, м/смену;
• Vл – линейная скорость скрутки, м/мин;
• Т – время работы машины (продолжительность смены), минут;
• К – коэффициент загрузки машины (примерно 0,8).

7. Расчёт необходимого количества машин, исходя из месячной программы производства изделия, производительности машины и фонда рабочего времени.
8. Оценка количества необходимого вспомогательного оборудования и материалов, их приобретение:

• Приёмные барабаны крутильных машин.
• Сварочный аппарат контактной сварки.
• Комплект твердосплавных калибров, исходя из номенклатуры (диаметров) скручиваемых жил.

9. Заключение контракта на поставку крутильных машин.
10. Монтаж и пусконаладочные работы (желательно участие инженеров-наладчиков производителя оборудования). Обучение операторов волочильных машин.