悬链式交联生产线电缆位置抖动故障检修

引言

CCV交联生产线是我公司2014年引进的新进口设备。在2015年9月至2016年2月的中压交联电缆生产中,出现了电缆位置大幅抖动的情况,生产线的悬垂控制器抖动幅度达到±80%以上,如图1所示,电缆表面起竹节,线速降幅达到20%。

1国内同行企业的交联生产线现状

国内有些厂家的交联电缆生产线也曾出现过上述现象,说明这是一个普遍性问题。很多相关文献也对这个问题进行了研究。

(1）杭州华新电力线缆有限公司的文章《悬链式xLPE绝缘线芯表面产生波纹的原因及分析》对电缆振动原因作了比较广泛详细的分析,归纳起来有以下几点:1）如果是主牵引与收线牵引间发生同步传输障碍造成的应是无规律的波纹:2）可能是挤出模芯小,模套承载线太长:3）进线角度选择不当:4）密封孔径小,引起摩擦、抖动共振:5）挤出温度设定不合理,造成出胶不稳定:6）挤出机转速不稳定:7）生产线速度控制不稳定。

(2）兰溪电缆厂的全悬链线式交联电缆生产线也曾出现过此现象,开始也从电气传动方面找原因,后来组织各专业技术人员攻关,据了解其原因主要是在挤出模具和导体方面。

(3）广州电缆厂发表的文章《悬链式交联生产线运行时电缆位置的波动现象的分析》认为:1）波动幅度与电缆在硫化管中的触管位置关系甚大:2）计米牵引(上牵引）的主电机电枢电流存在与电缆位置波动频率较接近的振荡。

上述因素对具体的生产线维修虽有导向作用,但缺乏实例指导,各要点、因素的关系显得较分散,不够连贯,有点抽象。

2 CCV交联生产线抖动故障的检修过程

我公司CCV进口交联生产线全线采用PR0FIBUs总线控制,配有实时监控系统。CCV交联生产线的结构如图2所示,计米牵引决定生产线的速度,电缆线芯经过3台挤出机3层(导体屏蔽层、绝缘和绝缘屏蔽）挤出后进入约156m的半悬挂硫化管。电缆在硫化管中处于半悬垂状态。硫化管终端密封出口后的张力牵引会根据悬链线位置测量装置信号,并及时调整张力牵引的速度,从而尽量稳定地将电缆控制在硫化管的中间位置。

根据现场观察的抖动现象主要有:

(1）电缆位置抖动时,计米牵引至共挤机头之间的铜导体会大幅振动,储线器段的导体较平稳。

(2）换盘后,正常生产约几百米后波动就可能出现。

(3）生产过程中出现大幅抖动,减速后,抖动会缓解至正常波动范围,但重新加速,大幅抖动又会出现。

根据实时监控系统的实时运行数据和历史数据可知,3台挤出机的转速是稳定的,线速度也是稳定的,但电缆位置出现抖动,偏离平衡点-34%,说明挤出机运行与电缆位置的抖动没有明显关系。

图3是一组电缆位置波动时的数据。电缆位置显示的数据为-20%,说明电缆位置连续不断地抖动,而上牵引(也称计米牵引）的转速是稳定的:下牵引(履带牵引2）的转速也是稳定的,与上牵引保持同步,且下牵引的主驱动装置的转速对电缆位置的抖动有响应,幅度为0.1m/m:主从驱动装置的转速是相应跟随的,主从驱动装置的转矩基本相同,说明下牵引上下皮带的夹持力稳定,未出现打滑现象。

考虑到导体在绞合过程中会产生扭曲应力,可能在放线时引起导体波动,所以从材料工艺方面进行了检查:发现铜导体的外观光滑,拉力、伸长率符合国标要求:导体外径从框绞机绞合与上盘处测量,以300mm2为例,导体外径在20.50mm左右,符合导体外径的工艺要求:生产用模具是21mm,理论上导体应是无障碍通过模具。

通过检查、测试,生产线设备没发现明显异常,但电缆位置仍大幅抖动,抖动幅值在土50%以上,说明传统的检修方法尚未找到真正的振动源。

从导体冷压驳接发现,导体驳接压管处的两端导体受挤压张开,在驳接口处前后至少3m以内的外径达21mm以上,即确实有长度10m以上、外径21mm以上的导体通过机头模具:在生产现场能目测观察到这一变化,可能当时波动幅度略小,未达到故障报警的阈值,故被监控系统过滤了。这样就带来新的问题,驳接口是怎样变成振动源的?响应这个周期性波动的激励能量在哪里?

3电缆位置抖动现象分析

(1）冷压驳接时,压管处的两端导体受挤压明显张开,使外径超出规定的公差范围,虽然经打磨,外径可能还是偏大,通过模具时发生摩擦,甚至会有点卡,受到机头模具、上牵引的两个挤压应力作用后,就会发生波动,即导体的驳接口有可能是抖动的振动源。导体在模具内受到紧压后,就会受到一个挤压应力,这个应力的方向与导体前移方向相反,指向上牵引。

(2）进一步分析激励来源,先了解上牵引的驱动装置工作原理。上牵引是整个生产线的进度基准。为了保证进度基准准确、稳定,交流伺服控制器采用转矩控制方式。在转矩控制模式,变频器一般无速度环,只有电流环,外上牵引为了维持某一速度,电机所传动的负载必须接受电机供给的转矩,其值与该速度下的机械所做的功和损耗相适应。根据此负载转矩和电机产生的转矩,惯性系统的运动方程式可用下式表示(注:理论上的详细推导请参考有关专业书籍,本文只引用公式和结果）:

式中,7M为电机产生的转矩(N·m）:7L为负载转矩(N·m）:CD2为电机的飞轮转矩+换算到电机轴上的负载飞轮转矩(N·m）:N为转速(r/min）:1为时间(s）:g为重力加速度(m/s2）。

由式(1）、式(2）可导出下列结论:(1）7A=0时,速度N保持一定:(2）7A>0时,速度N上升:(3）7A<0时,速度N下降。

这就意味着电机的转速由电机转矩曲线7M与负载转矩曲线7L的交点A确定,即要控制电机的转速,必须具有控制电机产生转矩7M的功能。

(3）电缆位置大幅抖动的可能原因:上牵引的负载转矩为牵引导体的下坠拉力与摩擦力,电机产生的转矩7M=7L时,加速转矩为0N·m:当机头模具对导体产生的挤压力加入惯性系统时,7M≠7L,而挤压变力随导体外径大小而变化,加速转矩7M也随之时大时小,使电机速度波动,变频器闭环系统也跟着响应,使牵引皮带与导体的摩擦力变化,机头模具与前牵引之间的导体波动形成一个正反馈,使导体波动幅度加大。这就解释了导体在进挤出机模具前会抖动的原因。

电缆在硫化管内受到两个力作用,一个是下牵引牵拉力,另一个是机头模具产生的挤压应力,它是一个阻力,这个合力代数和变大,但受到导体抖动的影响,在水汽波动的助推下,电缆就抖动起来,悬垂控制器也随着变化,使张力牵引进入调节状态:由于电缆位置振荡应该不是控制系统引起的,控制系统的响应反而引起更大幅度的振荡,加大了电缆的抖动幅度。

4排除抖动的对策

(1）尽量改善导体驳接口外径,使其符合工艺要求。因为驳接口处长度有8m以上,要把驳接口附近打磨合格,会费时费力,且效果不好。

(2）把前牵引的转速本身作为控制对象,采用速度闭环作为外环,电流环作为内环的控制模式,修改交流变频伺服控制器的参数。应用这个方法,电缆位置恢复到正常的波动范围±10%以内,如图4所示。

5结语

本文通过这次交联生产线抖动现象的检修,对传统的检查思路进行了一次较全面的验证。通过实时监控记录的故障信息,对产生抖动的原因有了更深的认识和理解,对新出现的问题有一个比较合理、清楚的解释,并采取了有针对性的措施,取得了良好的效果,有效抑制了电缆抖动故障。事后跟踪至现在,只出现过一次较大的抖动现象,后查明是由于水汽平衡系统的排水阀发生堵塞,导致硫化管内的水位波动造成的,这说明传统经验虽然有效,但要根据实际情况,实事求是,不可乱套经验。