连续挤压包覆CATV同轴电缆芯线防灼伤系统研究 - 文章

连续挤压包覆CATV同轴电缆芯线防灼伤系统研究

作者：贾春博刘元文宋宝韫来源：PT现代塑料

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摘要：提出了在CATV同轴电缆连续挤压包覆生产线中采用“芯线保护套”和“喷水冷却装置”使芯线免于灼伤方法，并给出了芯线防凸模灼伤的芯线保护套和防铝管灼伤的喷水冷却装置的设计计算方法。
关键词：同轴电缆；连续挤压/包覆

一、前言
连续挤压/包覆原理如图1所示。被包覆芯线从安装在腔体内的模具中穿过，当挤压轮旋转时，铝杆在摩擦力和挡料块的作用下进入腔体并产生塑性变形，当温度升高到450～500℃、压力达到800MPa左右时，铝杆料从模口挤出形成空套在芯线上的铝管。由于CATV同轴电缆的芯线是不耐高温的发泡塑料，因而在凸模入口处必须对芯线加以防护措施，以防止芯线在工艺过程中被温度高达480℃以上的凸模灼伤；同时，为避免芯线被由模口挤出的铝管烫伤，应及时对铝管进行冷却。本文结合已投产的国产CATV连续挤压包覆生产线中芯线防灼伤系统的研制，分析了芯线保护套和铝管喷水冷却装置的防灼伤原理，给出了其设计方法。

图1 连续包覆原理图

二、芯线保护套

1.芯线防灼伤原理

芯线保护套装于凸模之内，其作用是将芯线架起，避免芯线同高温模具接触而灼伤，其原理如图2所示。

图2芯线保护套原理示意图

图3芯线保护套坐标

A是芯线保护套工作段后端位置处芯线上的最下点；B是芯线保护套工作段前端位置处与芯线的下接触点；C是凸模孔外端的最下点；D是凸模孔外端处芯线上的最下点。把A、B、C三点近似简化成一个圆，以B点为坐标原点建立如图3所示的坐标系并进行坐标旋转，得A、B、C三点所在圆的半径方程为：

(1)

式中X_1C＝X_Ccosα+Y_Csinα
Y_1C＝-X_Csinα+Y_Ccosα

R—芯线在模具中允许最小弯曲半径
XA—A、B两点的水平距离
YA—芯线保护套内孔与缆芯直径差值
XC—C、B两点的水平距离
YC—近似为凸模孔与芯线保护套孔直径差值的1/2

芯线不与模具接触条件为芯线上A、B、D三点所形成弧的半径应大于A、B、C所形成弧的半径。

2.芯线保护套温度计算

当芯线保护套和凸模尺寸确定后，由式(1)可判定，芯线保护套在安装时应最大程度地伸入凸模，即尽可能减小XC距离，这将减少芯线发生灼伤的可能性。在这种情况下，芯线保护套工作段前部一段长度由于受凸模内部结构尺寸的限制，冷却水只能从端面对这一段进行冷却(见图2)。因而必须对这一段温度进行校核，避免其周围温度达480℃灼热空气在这一段的传热导致温度过高而灼伤芯线。

图4 芯线保护套温度计算示意图

如图4所示，设这一段长度为L，对于距芯线保护套工作段前端x处的微元体dx，若由右侧面导入该微元体的热量为Q1，模具内热空气与x段表面的对流换热量为Q2。

根据傅立叶定律

根据牛顿冷却公式 Q₂＝α(T-T₀)x

由能量守衡原理，建立热平衡为Q1＝Q2。将Q1、Q2带入上式并整理得：

积分上式并由边界条件X＝L，T＝T1，得：T＝T₀-(T₀-T₁)e^A (2)

式中

T0—模具内灼热空气的温度
T1—芯线保护套中冷却水的温度
λ—芯线保护套导热系数
α—芯线保护套表面换热系数
t—芯线保护套壁厚

对于CATV连续挤压包覆工艺，T₀＝480℃，T₁＝40℃，设计取L＝28×10^-3m，t＝2×10^-3m。

由式(2)计算出芯线保护套温度最高不会超过62℃，可以保证芯线安全而不被烫伤。

根据芯线保护套表面换热系数及其表面积，可计算芯线保护套吸收热量不足400W，其需要的冷却水量也是微乎其微的。

应用式(1)、(2)已成功地设计了芯线保护套，使芯线以25～60m/min速度通过模具可保证芯线不被灼伤。综上所述，芯线不被凸模灼伤条件为：在芯线通过模具时，在任意(XA+XC)长度内芯线弯曲弧的曲率半径应大于R的计算值，且芯线保护套热端温度不宜过高。

三、产品喷水冷却装置

铝管从模口挤出温度高达500℃以上，必须立即进行冷却以防止铝管灼伤芯线。在连续挤压包覆工艺中采用喷水冷却，并保证冷却水尽可能靠近模口进行冷却以防止铝管灼伤芯线。因铝管壁厚为0.5mm左右，故认为铝管横断面内各质点温度相等［3］。根据能量守衡原理，建立热平衡为：在dτ时间内，铝管在dx微段内放出热量等于冷却水在该微段内吸收的热量。可得铝管温度分布微分方程为：

＝α(T-T1)πDdxdτ

即

积分上式并由边界条件τ＝0，T＝T0得

T＝T₁+(T₀-T₁)e^Aτ (3)

式中

T1—冷却水的温度，T0—铝管初始温度
D—铝管外径，d—铝管内径
ρ—铝的密度，c—铝的比热
α—铝管表面换热系数
τ—铝管在冷却装置内通过的时间τ＝s/v
s—喷水冷却段长度，v—铝管挤出线速度

在CATV同轴电缆连续挤压包覆工艺中T0＝500℃，T1＝40℃，D＝22mm，d＝21mm，s＝400mm，v＝25～60m/min，τ＝0.96～0.4s。

由式(3)计算出铝管在喷水冷却装置中可冷却至46～113℃，从而保证芯线不被灼伤。

根据式(3)设计的产品喷水冷却装置目前正用于两条国产CATV连续挤压包覆生产线，有效地防止了芯线被铝管灼伤，并且突破了英国BWE公司芯线速度必须大于40m/min的限制［2］。

四、结论

(1)在CATV同轴电缆连续挤压包覆生产线中采用“芯线保护套”和“喷水冷却装置”使芯线免于灼伤方法是可行的；
(2)在国产CATV同轴电缆连续挤压包覆生产线上，采用式(2)、(3)设计的芯线防灼伤系统有效地使芯线免于灼伤；
(3)式(2)可以作为芯线防凸模灼伤的芯线保护套的设计计算方法，式(3)可以作为芯线防铝管灼伤喷水冷却装置的设计计算方法。

参考文献
1，英国BWE有限公司J R 道森博士等.光缆和公用电视电缆护套的连续挤压成形.国际电线电缆及线材制品技术学术会议，上海，1994：104～114
2，BWE Limited Co.CONFORM Extrusion Current Methods and Abilities.Wire Industry,1991(6).
3，许肇均主编.传热学.北京：机械工业出版社，1980.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/8/2007)


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