CN104538118A - 一种细微数据线物理发泡生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细微数据线物理发泡生产设备，包括依次连接的导体动力放线机构(01)、导体预热器(04)、高压注氮系统(05)、发泡挤出主机(00)、活动温控水槽(10)、固定冷水槽(11)、高速双轮牵引机 (12)、吹吸水器(14)、同心度检测仪(15)、凹凸检测仪(16)、偏心检测仪(17)、缓冲张力架(18)、高频火花机(19)和自动换盘收卷机(20)；整套设备各部件由电气控制箱(09)控制。设备对线材的阻力小，控制精度高，能够满足线材的严格性能要求；制备的电缆发泡度极高且稳定，尤其适用于发泡绝缘材料为聚乙烯（PE)，发泡介质为氮气（N₂)的线缆产品。

Description

一种细微数据线物理发泡生产设备

技术领域

本发明涉及属于电线电缆制造设备领域，具体涉及一种细微数据线物理发泡生产设备。

背景技术

随着通讯行业的发展，在线传输频率越来越高，数据容量越来越大，对传输线路提出了更高的要求。传统化学发泡生产工艺因生产成本高，胶料的固有原因导致生产线缆内影响性能的残留，已不能满足市场的需求。物理发泡生产工艺经过持续的完善与改进，成为成熟与可靠地生产工艺，正逐渐取代化学发泡生产工艺，被市场完全接受并应用于实际生产。

物理发泡生产工艺同化学发泡生产工艺相比，具有发泡度高、较低的介电常数ε和介质损耗角tgδ，降低了电缆衰减，发泡均匀性好、发泡孔细密、密闭、生产效率高等一系列优点和好处。同时，发泡度的提高使物理发泡工艺具有更多优势，包括：提高信号的传输速度和传输频率，从而进一步提高产品的性能；提高生产线的速度，减少绝缘材料的使用量和外屏蔽铜材料的重量，从而进一步降低生产成本。

一般被采用的发泡绝缘材料包括聚乙烯(PE)和氟塑料(FEP)，可用于通讯电缆、数据电缆、同轴电缆和射频电缆等。由于要达到极高且稳定的发泡度，物理发泡生产线的设备设计与制造要比化学发泡更复杂，例如需要更长的挤出机及气体注射系统等。

然而现有技术中还没有细微高频数据线物理发泡生产设备。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种细微数据线物理发泡生产设备。

该细微数据线物理发泡生产设备，包括依次连接的导体动力放线机构(01)、导体预热器(04)、高压注氮系统(05)、发泡挤出主机(00)、活动温控水槽(10)、固定冷水槽(11)、高速双轮牵引机 (12)、吹吸水器(14)、同心度检测仪(15)、凹凸检测仪(16) 、偏心检测仪(17)、缓冲张力架(18)、高频火花机(19)和自动换盘收卷机(20)；整套设备各部件由电气控制箱(09)控制；动力放线机构(01)上设有导体直径检测仪(02)和导体张力检测仪(03)；发泡挤出主机(00)包括内层护套挤出机构(06)、中间发泡层挤出主机(07)和外层护套挤出机构(08)，机头为三层共挤十字机头(001)，以保证内、中和外三种不同的皮厚层在机头内按比例稳定成型；其中

导体动力放线机构(01)包括导体放线轴(011)、活动储线轮(014)和摆杆(012)，摆杆(012)带有配重铁，通过调整配重铁的位置来调整导线张力要求，摆杆(012)在不同的摆动角度位置会输出一个对应的电压信号给线盘驱动电机，驱动电机驱动导体放线轴(011)调整放线速度，随放线速度的变化，摆杆(012)也不断的变换位置，二者之间互动，保证生产过程中张力恒定和速度稳定；

高压注氮系统(05)包括增压泵，以调压阀、节流阀和稳流阀进行控制，增压泵通过注气针连接内层护套挤出机构(06)；通过一定压力的压缩空气启动增压泵，使氮气在增压泵内升压，以调压阀，节流阀，稳流阀进行控制，然后通过注气针把高压氮气以超音速注入到内层护套挤出机构(06)中；

动温控水槽(10)由电机带动前后移动，移动距离800mm；

高速双轮牵引机 (12)采用交流变频电机和交流变频调速装置驱动，来实现调速传动。

优选地，导体动力放线机构(01)中导体放线轴(011)与摆杆(012)联动控制，活动储线轮(014) 设于摆杆(012)长臂臂端，与导体放线轴(011)通过滑轮组连接，活动储线轮(014)摆动到水平位置，是速度与张力的平衡点；活动储线轮(014)向上摆动于设定角度范围内，导体放线轴(011)驱动放线盘减速或反转；活动储线轮(014)向下摆动于设定角度范围内，放线盘加速旋转；活动储线轮(014)向上摆动至设定角度极限位，视为断线故障，系统停机。

优选地，所述三层共挤十字机头(001)的成型模具为半压力式模具，由内向外依次包括用于将从内层护套挤出机构(06)包覆内皮层的导线穿过的导线轴，模芯和模套；其中导线轴与模芯之间存在间隙，与中间发泡层挤出主机(07)联通以挤出中皮层，模芯与模套之间存在间隙，与外层护套挤出机构(08)联通以挤出外皮层。

优选地，活动温控水槽(10)包括依次连接的喷淋水冷移动水槽(103)和恒温循环水箱(102)，通过安装在恒温循环水箱(102)末端的水中电容测试器(13)测定发泡线的电容值，进而确定发泡度高低，发出偏差信号以控制喷淋水冷移动水槽(103)前后移动和高压注氮系统(05)的注气压力控制发泡度。

优选地，电容值的调节范围为±10PF/m。

优选地，还包括水中电容测试器(13)和高压测试器，水中电容测试器(13)安装在高速双轮牵引机(12)箱体内，测量单位长度绝缘线芯对水的静电电容；高压测试器安装在高速双轮牵引机 (12)之后，用来检测绝缘针孔，并予以计数。

优选地，还包括绝缘外径测试器，安装在高压测试器之后，为一个光电设备，在绝缘线芯的径向对其外径作X向与Y向、X向与Y向互成直角的双向测量。

优选地，还包括记录仪，安装在电气控制箱(09)上，根据绝缘外径测试器和水中电容测试器(13)给出的信号，用记录器把绝缘外径及电容的变化值以曲线波动的形式记录下来。

本发明具有以下有益效果：

本发明的细微数据线物理发泡生产设备，对线材的阻力小，控制精度高，能够满足线材的严格性能要求；制备的电缆发泡度极高且稳定，尤其适用于发泡绝缘材料为聚乙烯（PE)，发泡介质为氮气（N₂)的线缆产品。

附图说明

图1是设备整体结构平面示意图，图1-A为设备前半段，图1-B为设备后半段；

图2是导体放线轴011与摆杆012联动控制平面示意图；

图3是三层共挤十字机头001的成型模具剖面示意图；

图4是活动温控水槽与水中电容测试器联动控制平面示意图。

具体实施方式

 1.生产线缆的规格及技术要求：

线材结构：内皮层--发泡层--外皮层；

导体直径：φ0.32mm(28AWG)；

内皮层厚度：0.02mm，材料：LDPE；

发泡层厚度：0.24mm，材料：LDPE(70％)+HDPE(20％)+聚核剂（10％）；

外皮层厚度：0.05mm，材料：HDPE；

完成外径：φ0.94±0.013；

在线电容值：91.8±1.64 pf/m；

耐压测试：AC 1.8kv；

同心度：＞85％。

从以上线材性能参数看出，线材直径小，需要张力值很小，须尽量减小各处导轮的重量，以减小对线材的阻力。提高过程中的控制精度，设备的制造精度以满足线材的严格性能要求。

 2.设备构成及说明：

参照图1，本发明的细微数据线物理发泡生产设备包括依次连接的导体动力放线机构01、导体预热器04、高压注氮系统05、发泡挤出主机00、活动温控水槽10、固定冷水槽11、高速双轮牵引机12、吹吸水器14、同心度检测仪15、凹凸检测仪16、偏心检测仪17、缓冲张力架18、高频火花机19和自动换盘收卷机20；整套设备各部件由电气控制箱09控制。

动力放线机构01：摆杆012为一配重张力摆杆，通过调整摆杆012上配重铁的位置来适应导体张力的大小，通过调整配重铁的重量能满足实心铜线、铜包钢线、铜包铝线等导体的张力要求。 摆杆012在不同的摆动角度位置会输出一个对应的电压信号给线盘驱动电机，驱动电机以此小范围调整放线速度，同时因放线速度的变化，摆杆012也不断的变换位置，二者之间的互动，保证了生产过程中张力恒定和速度稳定。驱动电机：2.2kw,4p，放线张力范围：0-100g。动力放线机构01上设有导体直径检测仪02和导体张力检测仪03。

导体直径检测仪02：为保证电线的品质，不合导体直径要求的导体将被检出。检测范围：0.1-5mm。

导体张力检测仪03：检测导体的在线张力，并以数字方式显示。张力检测范围：0-2000g。

导体预热器04：在内层护套挤出前将导体预热，可提高绝缘层与导体的剥离强度。采用高频感应加热方式，根据导体的在线速度，自动跟踪调节加热温度，导体平直通过预热装置，以减少微弯。加热功率为10kw，满足导体预热温度范围环境温度-150℃。

高压注氮系统05：通过一定压力的压缩空气启动增压泵，使氮气在增压泵内升压，以调压阀，节流阀，稳流阀进行控制，然后通过注气针把高压氮气以超音速注入到挤出机中，该装置可提高注气压力，自带气路气压显示并具有在线自动调节气压功能。一般氮气的注入压力Pi≥1.9P₀(P₀为机筒内压力，即熔体压力)时，氮气流的注入速率为音速，在音速注气的条件下可保证单位时间内氮气的注入量正比于氮气的压力。为了增加氮气的溶解度，机筒氮气注入段的压力一般保持在200bar以上，该氮气注射系统可将30～50bar气源，增压至700bar左右，波动在±1bar，稳定氮气流。在生产大线径物理发泡PE绝缘料时，该系统与低压注氮系统相比有较强的优越性。

发泡挤出主机00：包括内层护套挤出机构06、中间发泡层挤出主机07和外层护套挤出机构08，机头为三层共挤十字机头001，以保证内、中和外三种不同的皮层在机头内按比例稳定成型。

为使发泡层和导体线能有效地粘结，导体线在进行发泡挤出前，需包覆一层0.02mm左右的LDPE料作为内皮层（内层护套挤出机构06挤出），防止在机头内眼模处气体沿着导体的表面释放，其厚度及同心度的变化，对最终产品性能影响较大。发泡后外层用HDPE料包覆0.05mm左右的外皮层（外层护套挤出机构08挤出）可保证线缆机械强度和良好的表面质量，提高整个绝缘层的耐磨性。因此，内、外皮层挤出机构设计为φ25-25D，采用4kw交流变频电机和交流变频调速装置驱动，通过调节螺杆转速来调整压胶量，以确保稳定、均匀地挤出极薄的内外皮层。机身温控分C1，C2，C3三段，机夹一段D1，溢流阀一段D2。整机可灵活的上下，前后，倾斜角度三维空间位置调整，与机头连接操作更方便。

中间发泡层挤出主机07采用7.5kw交流变频电机和交流变频调速装置驱动，来实现调速，螺杆规格是φ35-30D，保证挤出量稳定，绝缘层发泡度符合设计要求，发泡孔细腻均匀、闭合。 机身温控分C1，C2，C3，C4四段，机夹一段D1，溢流阀一段D2。

发泡线缆成型的关键是三层共挤十字机头001，保证三种不同的皮厚层在机头内按比例稳定的成型。因此机头内熔体流道及成型模具的设计至关重要。由于物理发泡绝缘层厚度为泡沫结构，冷却时由外向内逐步固化，过程很慢，这易导致内层向外层收缩而脱离内导体，故采用半压力式模具，由内向外依次包括用于将从内层护套挤出机构06包覆内皮层的导线穿过的导线轴，模芯和模套；其中导线轴与模芯之间存在间隙，与中间发泡层挤出主机07联通以挤出中皮层，模芯与模套之间存在间隙，与外层护套挤出机构08)通以挤出外皮层。参照图3所示，其中A为模芯内径，B为模套内径，C为定径区长度。

活动温控水槽10：包括依次连接的喷淋水冷移动水槽103和恒温循环水箱102，通过安装在高速双轮牵引机12内部的水中电容测试器13测定发泡线的电容值，进而确定发泡度高低，发出偏差信号以控制喷淋水冷移动水槽103前后移动和高压注氮系统(05)的注气压力控制发泡度。

喷淋水冷移动水槽103可在电机的带动下，前后移动，移动距离800mm。用活动温控水槽10与机头出线眼模的距离来控制绝缘发泡度的大小，当绝缘发泡过高时，水中电容测试器13会发出负偏差信号，控制喷淋水冷移动水槽103便向前移动，通过水冷却使绝缘发泡度降低；反之，发出正偏差信号，控制喷淋水冷移动水槽103后退，冷却时间延后。使发泡度升高。活动温控水槽10对绝缘线芯水中静电电容的调节范围约在±10PE/m。同时为减小线缆冷却时产生的应力，恒温循环水箱102内能提供恒定低于70℃的温水，并可循环利用。恒温循环水箱102内加热功率10KV。

固定冷水槽11：发泡线内的发泡层向外导热较慢，冷却时间要相对较长也就是冷却水槽要比较长，须保证发泡线在冷却过程中充分冷却与定型。

高速双轮牵引机12：包括引取轮槽和两个引取轮。采用4kw交流变频电机和交流变频调速装置驱动，来实现调速传动。保证无论在低速起动还是高速生产过程中牵引速度都无串动、抖动、震动的现象。高速双轮牵引机12性能的好坏直接决定生产线缆的品质。使用直径φ350mm,12槽引取轮，保证线材牵引时的弯曲曲率，同时又不至于出现打滑现象。两引取轮中心距1200mm，装配后检测须满足：引取轮槽底同轴度不大于0.05，槽底跳动不大于0.05，槽底直径偏差不大于0.03，两引取轮平行度不大于0.1。在引取轮固定轴上检测出整条生产线的线速和以生产米数。

吹吸水器14：抽风机功率2.2kw，以吹气和吸气两种方式除去线材表面的冷却水，同时以风冷使线材充分冷却定型。

在线检测系统：水中电容测试器13、高压测试器、绝缘外径测试器、同心度检测仪(15)、凹凸检测仪(16) 、偏心检测仪(17)和记录仪。     发泡线材包覆后，应对线材的外径、电容、同心度等性能值在线监测并反馈控制。

（1）水中电容测试器13 

水中电容测试器13安装在高速双轮牵引机12体内，它必须充满水。它所测的是单位长度绝缘线芯对水的静电电容，测试结果显示在电气控制箱09的电容控制仪上。该水中电容测试器13可测定静电电容的标称和允许正、负偏差值，当电容超差时，它能控制喷淋水冷移动水槽103前后移动进行校正。

（2）高压测试器

高压测试器安装在高速双轮牵引机12之后，用来检测绝缘针孔，并予以计数。检测电压一般设在AC 2kv左右。应予注意，若生产环境空气含尘量高或绝缘料中含有杂质，或导体上有乳浊液或其它物质的残留物，高压往往加不上。

（3）外径测试器

绝缘外径测试器安装在高压测试器之后，它是一个光电设备，在绝缘线芯的径向对其外径作双向（X向与Y向；X向与Y向互成直角）测量。在主操作柜的外径控制仪上得到X向、Y向及X、Y向的平均值等三个绝缘线芯外径的读数，平时读出的是平均值。在外径控制仪上可测定标称和允许正、负偏差值，当绝缘外径调整偏差时，以控制主挤出机螺杆转速来进行校正。

（4）记录仪

记录仪安装在电气控制箱09上，它根据绝缘外径测试器和水中电容测试器13给出的信号，用记录器把绝缘外径及电容的变化值以曲线波动的形式记录下来，可作生产档案，以便查考或在发生质量问题时进行分析。

缓冲张力架18：使用配重铁调整所需要的张力。提供给收线机恒定的收线张力并在收线机换盘时暂时储存多余的线材。正常生产时，活动储线轮014上下运动来储线。同时位置的变化会给出相对应的使收线机速度变化的电压值。

高频火花机19：用于绝缘电缆线芯进行耐压检测，控制破皮等瑕疵的产生。

自动换盘收卷机20：与传动双轴收线机相比，自动换盘收卷机的两个收线轴不间断自动切换收线线盘，自动完成夹线、剪线、接线、排线动作，全程PLC程序控制。最大限度的提高收线效率。收线速度500m/min，收线线盘直径φ300，主轴电机DC 5.5kw+DC控制器。

 3.设备工艺控制

（1）导体放线轴与摆杆联动控制（参照图2)

活动储线轮014摆动到如图所示水平位置，是速度与张力的平衡点。

活动储线轮014摆动到如图α角度范围内，放线盘应减速或反转。

活动储线轮014摆动到如图β角度范围内，放线盘应加速旋转。

活动储线轮014摆动到如图α角度极限位，则视为断线故障，系统会停机。

（2）活动水槽与电容值的联动控制

为实现发泡线特性阻抗、衰减性能方面。该生产线主要控制的工艺参数为绝缘外径和发泡度。为实现准确的绝缘外径和发泡度，需要控制的主要设备参数包括：生产线速度、主发泡挤出机螺杆转速（发泡押胶量）、注气气压（注气量）和电容（衡量和控制发泡度的重要参数）。为实现对这些参数的准确控制，发泡生产线须具有良好的自动调节控制功能，在优先保证发泡线的外径与工艺设定值一致的基础上，再自动检测，控制发泡度的值。发泡度不一定是越大越好，生产过程中过大的发泡度可能导致发泡层气孔的均匀性不好，从而造成发泡线电压驻波比不合格，须在满足电气性能规定值内设置合适的发泡度。参照图4，说明如何通过控制活动温控水槽10的位置和高压注氮系统05的注气气压来控制发泡度。当水中电容测试器13检测到电容值偏低则发泡度偏高时，水中电容测试器13会发出负偏差信号，喷淋水冷移动水槽103便向前移动，通过水冷却使绝缘发泡度降低，同时减小注气气压；反之，发出正偏差信号，喷淋水冷移动水槽103便后退，冷却时间延后，同时增大注气气压，使发泡度升高。活动温控水槽10对发泡线电容值的调节范围约在±10PF/m。

如下表显示各参数设置及之间的变化关系：       

（3）发泡线定型控制

冷却降温过程（参照图4）：温水慢降温（活动温控水槽10内)-常温冷却（固定冷水槽11）-常温喷雾冷却（高速双轮牵引机12内）-空冷（吹吸水器14）

（4）发泡挤出主机温度设置与控制

 

于上表显示主机各段加热温度设置，各段均有热电偶检测实际温度。主机机身各加热分区有一对应的冷却风机，其余为自然风冷。热电偶检测到的实际温度数据传给专业PID温度控制模块，与工艺设定温度不断做比对控制，使加热温度与工艺设定温度相近或一致。

Claims (8)

1.一种细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，包括依次连接的导体动力放线机构(01)、导体预热器(04)、高压注氮系统(05)、发泡挤出主机(00)、活动温控水槽(10)、固定冷水槽(11)、高速双轮牵引机 (12)、吹吸水器(14)、同心度检测仪(15)、凹凸检测仪(16) 、偏心检测仪(17)、缓冲张力架(18)、高频火花机(19)和自动换盘收卷机(20)；整套设备各部件由电气控制箱(09)控制；动力放线机构(01)上设有导体直径检测仪(02)和导体张力检测仪(03)；发泡挤出主机(00)包括内层护套挤出机构(06)、中间发泡层挤出主机(07)和外层护套挤出机构(08)，机头为三层共挤十字机头(001)，以保证内、中和外三种不同的皮厚层在机头内按比例稳定成型；其中

导体动力放线机构(01)包括导体放线轴(011)、活动储线轮(014)和摆杆(012)，摆杆(012)带有配重铁，通过调整配重铁的位置来调整导线张力要求，摆杆(012)在不同的摆动角度位置会输出一个对应的电压信号给线盘驱动电机，驱动电机驱动导体放线轴(011)调整放线速度，随放线速度的变化，摆杆(012)也不断的变换位置，二者之间互动，保证生产过程中张力恒定和速度稳定；

高压注氮系统(05)包括增压泵，以调压阀、节流阀和稳流阀进行控制，增压泵通过注气针连接内层护套挤出机构(06)；通过一定压力的压缩空气启动增压泵，使氮气在增压泵内升压，以调压阀，节流阀，稳流阀进行控制，然后通过注气针把高压氮气以超音速注入到内层护套挤出机构(06)中；

动温控水槽(10)由电机带动前后移动，移动距离800mm；

高速双轮牵引机 (12)采用交流变频电机和交流变频调速装置驱动，来实现调速传动。

2.根据权利要求1所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，导体动力放线机构(01)中导体放线轴(011)与摆杆(012)联动控制，活动储线轮(014) 设于摆杆(012)长臂臂端，与导体放线轴(011)通过滑轮组连接，活动储线轮(014)摆动到水平位置，是速度与张力的平衡点；活动储线轮(014)向上摆动于设定角度范围内，导体放线轴(011)驱动放线盘减速或反转；活动储线轮(014)向下摆动于设定角度范围内，放线盘加速旋转；活动储线轮(014)向上摆动至设定角度极限位，视为断线故障，系统停机。

3.根据权利要求1所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，所述三层共挤十字机头(001)的成型模具为半压力式模具，由内向外依次包括用于将从内层护套挤出机构(06)包覆内皮层的导线穿过的导线轴，模芯和模套；其中导线轴与模芯之间存在间隙，与中间发泡层挤出主机(07)联通以挤出中皮层，模芯与模套之间存在间隙，与外层护套挤出机构(08)联通以挤出外皮层。

4.根据权利要求1所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，活动温控水槽(10)包括依次连接的喷淋水冷移动水槽(103)和恒温循环水箱(102)，喷淋水冷移动水槽(103)由电机带动前后移动，通过安装在恒温循环水箱102末端的水中电容测试器(13)测定发泡线的电容值，进而确定发泡度高低，发出偏差信号以控制喷淋水冷移动水槽(103)前后移动和高压注氮系统(05)的注气压力控制发泡度。

5.根据权利要求4所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，电容值的调节范围为±10PF/m。

6.根据权利要求1所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，还包括水中电容测试器(13)和高压测试器，水中电容测试器(13)安装在高速双轮牵引机(12)箱体内，测量单位长度绝缘线芯对水的静电电容；高压测试器安装在高速双轮牵引机 (12)之后，用来检测绝缘针孔，并予以计数。

7.根据权利要求6所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，还包括绝缘外径测试器，安装在高压测试器之后，在绝缘线芯的径向对其外径作X向与Y向、X向与Y向互成直角的双向测量。

8.根据权利要求7所述的细微数据线物理发泡生产设备，其特征在于，还包括记录仪，安装在电气控制箱(09)上，根据绝缘外径测试器和水中电容测试器(13)给出的信号，用记录器把绝缘外径及电容的变化值以曲线波动的形式记录下来。