引言

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

1國內(nèi)同行企業(yè)的交聯(lián)生產(chǎn)線現(xiàn)狀

國內(nèi)有些廠家的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線也曾出現(xiàn)過上述現(xiàn)象,說明這是一個(gè)普遍性問題。很多相關(guān)文獻(xiàn)也對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究。

(1）杭州華新電力線纜有限公司的文章《懸鏈?zhǔn)絰LPE絕緣線芯表面產(chǎn)生波紋的原因及分析》對(duì)電纜振動(dòng)原因作了比較廣泛詳細(xì)的分析,歸納起來有以下幾點(diǎn):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(yīng)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(jìn)線角度選擇不當(dāng):4）密封孔徑小,引起摩擦、抖動(dòng)共振:5）擠出溫度設(shè)定不合理,造成出膠不穩(wěn)定:6）擠出機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定:7）生產(chǎn)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(chǎn)線也曾出現(xiàn)過此現(xiàn)象,開始也從電氣傳動(dòng)方面找原因,后來組織各專業(yè)技術(shù)人員攻關(guān),據(jù)了解其原因主要是在擠出模具和導(dǎo)體方面。

(3）廣州電纜廠發(fā)表的文章《懸鏈?zhǔn)浇宦?lián)生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)電纜位置的波動(dòng)現(xiàn)象的分析》認(rèn)為:1）波動(dòng)幅度與電纜在硫化管中的觸管位置關(guān)系甚大:2）計(jì)米牽引(上牽引）的主電機(jī)電樞電流存在與電纜位置波動(dòng)頻率較接近的振蕩。

上述因素對(duì)具體的生產(chǎn)線維修雖有導(dǎo)向作用,但缺乏實(shí)例指導(dǎo),各要點(diǎn)、因素的關(guān)系顯得較分散,不夠連貫,有點(diǎn)抽象。

2 CCV交聯(lián)生產(chǎn)線抖動(dòng)故障的檢修過程

我公司CCV進(jìn)口交聯(lián)生產(chǎn)線全線采用PR0FIBUs總線控制,配有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。CCV交聯(lián)生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)如圖2所示,計(jì)米牽引決定生產(chǎn)線的速度,電纜線芯經(jīng)過3臺(tái)擠出機(jī)3層(導(dǎo)體屏蔽層、絕緣和絕緣屏蔽）擠出后進(jìn)入約156m的半懸掛硫化管。電纜在硫化管中處于半懸垂?fàn)顟B(tài)。硫化管終端密封出口后的張力牽引會(huì)根據(jù)懸鏈線位置測量裝置信號(hào),并及時(shí)調(diào)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(jù)現(xiàn)場觀察的抖動(dòng)現(xiàn)象主要有:

(1）電纜位置抖動(dòng)時(shí),計(jì)米牽引至共擠機(jī)頭之間的銅導(dǎo)體會(huì)大幅振動(dòng),儲(chǔ)線器段的導(dǎo)體較平穩(wěn)。

(2）換盤后,正常生產(chǎn)約幾百米后波動(dòng)就可能出現(xiàn)。

(3）生產(chǎn)過程中出現(xiàn)大幅抖動(dòng),減速后,抖動(dòng)會(huì)緩解至正常波動(dòng)范圍,但重新加速,大幅抖動(dòng)又會(huì)出現(xiàn)。

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)可知,3臺(tái)擠出機(jī)的轉(zhuǎn)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(dòng),偏離平衡點(diǎn)-34%,說明擠出機(jī)運(yùn)行與電纜位置的抖動(dòng)沒有明顯關(guān)系。

圖3是一組電纜位置波動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)。電纜位置顯示的數(shù)據(jù)為-20%,說明電纜位置連續(xù)不斷地抖動(dòng),而上牽引(也稱計(jì)米牽引）的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定的:下牽引(履帶牽引2）的轉(zhuǎn)速也是穩(wěn)定的,與上牽引保持同步,且下牽引的主驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速對(duì)電纜位置的抖動(dòng)有響應(yīng),幅度為0.1m/m:主從驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速是相應(yīng)跟隨的,主從驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)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(dǎo)體在絞合過程中會(huì)產(chǎn)生扭曲應(yīng)力,可能在放線時(shí)引起導(dǎo)體波動(dòng),所以從材料工藝方面進(jìn)行了檢查:發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)體的外觀光滑,拉力、伸長率符合國標(biāo)要求:導(dǎo)體外徑從框絞機(jī)絞合與上盤處測量,以300mm2為例,導(dǎo)體外徑在20.50mm左右,符合導(dǎo)體外徑的工藝要求:生產(chǎn)用模具是21mm,理論上導(dǎo)體應(yīng)是無障礙通過模具。

通過檢查、測試,生產(chǎn)線設(shè)備沒發(fā)現(xiàn)明顯異常,但電纜位置仍大幅抖動(dòng),抖動(dòng)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(dòng)源。

從導(dǎo)體冷壓駁接發(fā)現(xiàn),導(dǎo)體駁接壓管處的兩端導(dǎo)體受擠壓張開,在駁接口處前后至少3m以內(nèi)的外徑達(dá)21mm以上,即確實(shí)有長度10m以上、外徑21mm以上的導(dǎo)體通過機(jī)頭模具:在生產(chǎn)現(xiàn)場能目測觀察到這一變化,可能當(dāng)時(shí)波動(dòng)幅度略小,未達(dá)到故障報(bào)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(dòng)源的?響應(yīng)這個(gè)周期性波動(dòng)的激勵(lì)能量在哪里?

3電纜位置抖動(dòng)現(xiàn)象分析

(1）冷壓駁接時(shí),壓管處的兩端導(dǎo)體受擠壓明顯張開,使外徑超出規(guī)定的公差范圍,雖然經(jīng)打磨,外徑可能還是偏大,通過模具時(shí)發(fā)生摩擦,甚至?xí)悬c(diǎn)卡,受到機(jī)頭模具、上牽引的兩個(gè)擠壓應(yīng)力作用后,就會(huì)發(fā)生波動(dòng),即導(dǎo)體的駁接口有可能是抖動(dòng)的振動(dòng)源。導(dǎo)體在模具內(nèi)受到緊壓后,就會(huì)受到一個(gè)擠壓應(yīng)力,這個(gè)應(yīng)力的方向與導(dǎo)體前移方向相反,指向上牽引。

(2）進(jìn)一步分析激勵(lì)來源,先了解上牽引的驅(qū)動(dòng)裝置工作原理。上牽引是整個(gè)生產(chǎn)線的進(jìn)度基準(zhǔn)。為了保證進(jìn)度基準(zhǔn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定,交流伺服控制器采用轉(zhuǎn)矩控制方式。在轉(zhuǎn)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(jī)所傳動(dòng)的負(fù)載必須接受電機(jī)供給的轉(zhuǎn)矩,其值與該速度下的機(jī)械所做的功和損耗相適應(yīng)。根據(jù)此負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,慣性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可用下式表示(注:理論上的詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)參考有關(guān)專業(yè)書籍,本文只引用公式和結(jié)果）:

式中,7M為電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(N·m）:7L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m）:CD2為電機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩+換算到電機(jī)軸上的負(fù)載飛輪轉(zhuǎn)矩(N·m）:N為轉(zhuǎn)速(r/min）:1為時(shí)間(s）:g為重力加速度(m/s2）。

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

這就意味著電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線7M與負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線7L的交點(diǎn)A確定,即要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,必須具有控制電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩7M的功能。

(3）電纜位置大幅抖動(dòng)的可能原因:上牽引的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為牽引導(dǎo)體的下墜拉力與摩擦力,電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩7M=7L時(shí),加速轉(zhuǎn)矩為0N·m:當(dāng)機(jī)頭模具對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生的擠壓力加入慣性系統(tǒng)時(shí),7M≠7L,而擠壓變力隨導(dǎo)體外徑大小而變化,加速轉(zhuǎn)矩7M也隨之時(shí)大時(shí)小,使電機(jī)速度波動(dòng),變頻器閉環(huán)系統(tǒng)也跟著響應(yīng),使?fàn)恳c導(dǎo)體的摩擦力變化,機(jī)頭模具與前牽引之間的導(dǎo)體波動(dòng)形成一個(gè)正反饋,使導(dǎo)體波動(dòng)幅度加大。這就解釋了導(dǎo)體在進(jìn)擠出機(jī)模具前會(huì)抖動(dòng)的原因。

電纜在硫化管內(nèi)受到兩個(gè)力作用,一個(gè)是下牽引牽拉力,另一個(gè)是機(jī)頭模具產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力,它是一個(gè)阻力,這個(gè)合力代數(shù)和變大,但受到導(dǎo)體抖動(dòng)的影響,在水汽波動(dòng)的助推下,電纜就抖動(dòng)起來,懸垂控制器也隨著變化,使張力牽引進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài):由于電纜位置振蕩應(yīng)該不是控制系統(tǒng)引起的,控制系統(tǒng)的響應(yīng)反而引起更大幅度的振蕩,加大了電纜的抖動(dòng)幅度。

4排除抖動(dòng)的對(duì)策

(1）盡量改善導(dǎo)體駁接口外徑,使其符合工藝要求。因?yàn)轳g接口處長度有8m以上,要把駁接口附近打磨合格,會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且效果不好。

(2）把前牽引的轉(zhuǎn)速本身作為控制對(duì)象,采用速度閉環(huán)作為外環(huán),電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)的控制模式,修改交流變頻伺服控制器的參數(shù)。應(yīng)用這個(gè)方法,電纜位置恢復(fù)到正常的波動(dòng)范圍±10%以內(nèi),如圖4所示。

5結(jié)語

本文通過這次交聯(lián)生產(chǎn)線抖動(dòng)現(xiàn)象的檢修,對(duì)傳統(tǒng)的檢查思路進(jìn)行了一次較全面的驗(yàn)證。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄的故障信息,對(duì)產(chǎn)生抖動(dòng)的原因有了更深的認(rèn)識(shí)和理解,對(duì)新出現(xiàn)的問題有一個(gè)比較合理、清楚的解釋,并采取了有針對(duì)性的措施,取得了良好的效果,有效抑制了電纜抖動(dòng)故障。事后跟蹤至現(xiàn)在,只出現(xiàn)過一次較大的抖動(dòng)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(dǎo)致硫化管內(nèi)的水位波動(dòng)造成的,這說明傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)雖然有效,但要根據(jù)實(shí)際情況,實(shí)事求是,不可亂套經(jīng)驗(yàn)。