引言

CCV交聯(lián)生產線是我公司2014年引進的新進口設備。在2015年9月至2016年2月的中壓交聯(lián)電纜生產中,出現(xiàn)了電纜位置大幅抖動的情況,生產線的懸垂控制器抖動幅度達到±80%以上,如圖1所示,電纜表面起竹節(jié),線速降幅達到20%。

1國內同行企業(yè)的交聯(lián)生產線現(xiàn)狀

國內有些廠家的交聯(lián)電纜生產線也曾出現(xiàn)過上述現(xiàn)象,說明這是一個普遍性問題。很多相關文獻也對這個問題進行了研究。

(1）杭州華新電力線纜有限公司的文章《懸鏈式xLPE絕緣線芯表面產生波紋的原因及分析》對電纜振動原因作了比較廣泛詳細的分析,歸納起來有以下幾點:1）如果是主牽引與收線牽引間發(fā)生同步傳輸障礙造成的應是無規(guī)律的波紋:2）可能是擠出模芯小,模套承載線太長:3）進線角度選擇不當:4）密封孔徑小,引起摩擦、抖動共振:5）擠出溫度設定不合理,造成出膠不穩(wěn)定:6）擠出機轉速不穩(wěn)定:7）生產線速度控制不穩(wěn)定。

(2）蘭溪電纜廠的全懸鏈線式交聯(lián)電纜生產線也曾出現(xiàn)過此現(xiàn)象,開始也從電氣傳動方面找原因,后來組織各專業(yè)技術人員攻關,據了解其原因主要是在擠出模具和導體方面。

(3）廣州電纜廠發(fā)表的文章《懸鏈式交聯(lián)生產線運行時電纜位置的波動現(xiàn)象的分析》認為:1）波動幅度與電纜在硫化管中的觸管位置關系甚大:2）計米牽引(上牽引）的主電機電樞電流存在與電纜位置波動頻率較接近的振蕩。

上述因素對具體的生產線維修雖有導向作用,但缺乏實例指導,各要點、因素的關系顯得較分散,不夠連貫,有點抽象。

2 CCV交聯(lián)生產線抖動故障的檢修過程

我公司CCV進口交聯(lián)生產線全線采用PR0FIBUs總線控制,配有實時監(jiān)控系統(tǒng)。CCV交聯(lián)生產線的結構如圖2所示,計米牽引決定生產線的速度,電纜線芯經過3臺擠出機3層(導體屏蔽層、絕緣和絕緣屏蔽）擠出后進入約156m的半懸掛硫化管。電纜在硫化管中處于半懸垂狀態(tài)。硫化管終端密封出口后的張力牽引會根據懸鏈線位置測量裝置信號,并及時調整張力牽引的速度,從而盡量穩(wěn)定地將電纜控制在硫化管的中間位置。

根據現(xiàn)場觀察的抖動現(xiàn)象主要有:

(1）電纜位置抖動時,計米牽引至共擠機頭之間的銅導體會大幅振動,儲線器段的導體較平穩(wěn)。

(2）換盤后,正常生產約幾百米后波動就可能出現(xiàn)。

(3）生產過程中出現(xiàn)大幅抖動,減速后,抖動會緩解至正常波動范圍,但重新加速,大幅抖動又會出現(xiàn)。

根據實時監(jiān)控系統(tǒng)的實時運行數據和歷史數據可知,3臺擠出機的轉速是穩(wěn)定的,線速度也是穩(wěn)定的,但電纜位置出現(xiàn)抖動,偏離平衡點-34%,說明擠出機運行與電纜位置的抖動沒有明顯關系。

圖3是一組電纜位置波動時的數據。電纜位置顯示的數據為-20%,說明電纜位置連續(xù)不斷地抖動,而上牽引(也稱計米牽引）的轉速是穩(wěn)定的:下牽引(履帶牽引2）的轉速也是穩(wěn)定的,與上牽引保持同步,且下牽引的主驅動裝置的轉速對電纜位置的抖動有響應,幅度為0.1m/m:主從驅動裝置的轉速是相應跟隨的,主從驅動裝置的轉矩基本相同,說明下牽引上下皮帶的夾持力穩(wěn)定,未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

考慮到導體在絞合過程中會產生扭曲應力,可能在放線時引起導體波動,所以從材料工藝方面進行了檢查:發(fā)現(xiàn)銅導體的外觀光滑,拉力、伸長率符合國標要求:導體外徑從框絞機絞合與上盤處測量,以300mm2為例,導體外徑在20.50mm左右,符合導體外徑的工藝要求:生產用模具是21mm,理論上導體應是無障礙通過模具。

通過檢查、測試,生產線設備沒發(fā)現(xiàn)明顯異常,但電纜位置仍大幅抖動,抖動幅值在土50%以上,說明傳統(tǒng)的檢修方法尚未找到真正的振動源。

從導體冷壓駁接發(fā)現(xiàn),導體駁接壓管處的兩端導體受擠壓張開,在駁接口處前后至少3m以內的外徑達21mm以上,即確實有長度10m以上、外徑21mm以上的導體通過機頭模具:在生產現(xiàn)場能目測觀察到這一變化,可能當時波動幅度略小,未達到故障報警的閾值,故被監(jiān)控系統(tǒng)過濾了。這樣就帶來新的問題,駁接口是怎樣變成振動源的?響應這個周期性波動的激勵能量在哪里?

3電纜位置抖動現(xiàn)象分析

(1）冷壓駁接時,壓管處的兩端導體受擠壓明顯張開,使外徑超出規(guī)定的公差范圍,雖然經打磨,外徑可能還是偏大,通過模具時發(fā)生摩擦,甚至會有點卡,受到機頭模具、上牽引的兩個擠壓應力作用后,就會發(fā)生波動,即導體的駁接口有可能是抖動的振動源。導體在模具內受到緊壓后,就會受到一個擠壓應力,這個應力的方向與導體前移方向相反,指向上牽引。

(2）進一步分析激勵來源,先了解上牽引的驅動裝置工作原理。上牽引是整個生產線的進度基準。為了保證進度基準準確、穩(wěn)定,交流伺服控制器采用轉矩控制方式。在轉矩控制模式,變頻器一般無速度環(huán),只有電流環(huán),外上牽引為了維持某一速度,電機所傳動的負載必須接受電機供給的轉矩,其值與該速度下的機械所做的功和損耗相適應。根據此負載轉矩和電機產生的轉矩,慣性系統(tǒng)的運動方程式可用下式表示(注:理論上的詳細推導請參考有關專業(yè)書籍,本文只引用公式和結果）:

式中,7M為電機產生的轉矩(N·m）:7L為負載轉矩(N·m）:CD2為電機的飛輪轉矩+換算到電機軸上的負載飛輪轉矩(N·m）:N為轉速(r/min）:1為時間(s）:g為重力加速度(m/s2）。

由式(1）、式(2）可導出下列結論:(1）7A=0時,速度N保持一定:(2）7A>0時,速度N上升:(3）7A<0時,速度N下降。

這就意味著電機的轉速由電機轉矩曲線7M與負載轉矩曲線7L的交點A確定,即要控制電機的轉速,必須具有控制電機產生轉矩7M的功能。

(3）電纜位置大幅抖動的可能原因:上牽引的負載轉矩為牽引導體的下墜拉力與摩擦力,電機產生的轉矩7M=7L時,加速轉矩為0N·m:當機頭模具對導體產生的擠壓力加入慣性系統(tǒng)時,7M≠7L,而擠壓變力隨導體外徑大小而變化,加速轉矩7M也隨之時大時小,使電機速度波動,變頻器閉環(huán)系統(tǒng)也跟著響應,使牽引皮帶與導體的摩擦力變化,機頭模具與前牽引之間的導體波動形成一個正反饋,使導體波動幅度加大。這就解釋了導體在進擠出機模具前會抖動的原因。

電纜在硫化管內受到兩個力作用,一個是下牽引牽拉力,另一個是機頭模具產生的擠壓應力,它是一個阻力,這個合力代數和變大,但受到導體抖動的影響,在水汽波動的助推下,電纜就抖動起來,懸垂控制器也隨著變化,使張力牽引進入調節(jié)狀態(tài):由于電纜位置振蕩應該不是控制系統(tǒng)引起的,控制系統(tǒng)的響應反而引起更大幅度的振蕩,加大了電纜的抖動幅度。

4排除抖動的對策

(1）盡量改善導體駁接口外徑,使其符合工藝要求。因為駁接口處長度有8m以上,要把駁接口附近打磨合格,會費時費力,且效果不好。

(2）把前牽引的轉速本身作為控制對象,采用速度閉環(huán)作為外環(huán),電流環(huán)作為內環(huán)的控制模式,修改交流變頻伺服控制器的參數。應用這個方法,電纜位置恢復到正常的波動范圍±10%以內,如圖4所示。

5結語

本文通過這次交聯(lián)生產線抖動現(xiàn)象的檢修,對傳統(tǒng)的檢查思路進行了一次較全面的驗證。通過實時監(jiān)控記錄的故障信息,對產生抖動的原因有了更深的認識和理解,對新出現(xiàn)的問題有一個比較合理、清楚的解釋,并采取了有針對性的措施,取得了良好的效果,有效抑制了電纜抖動故障。事后跟蹤至現(xiàn)在,只出現(xiàn)過一次較大的抖動現(xiàn)象,后查明是由于水汽平衡系統(tǒng)的排水閥發(fā)生堵塞,導致硫化管內的水位波動造成的,這說明傳統(tǒng)經驗雖然有效,但要根據實際情況,實事求是,不可亂套經驗。