护套工艺学.docx

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护套工艺学

光纤光缆护套工艺学

第一节       概述

第二节       护套挤出设备

第三节       塑料挤出理论

第四节       工装设计和选择

第五节       护套挤出的质量控制

第六节       护套挤出的缺陷和预防

第七节       计量器具的使用

第一节  概述

      由于光纤对外界的影响非常敏感，特别是力的问题，直接影响了光纤的传输性能。

因此对光缆来说，由松套管形成的缆芯或松套管尚不具备实际应用条件，必须对其施加一个合适的护套组成完整的光缆结构。

根据光缆的使用场合不同，其护套类型也不相同，最为常见的聚乙烯护套、铝、聚乙烯粘结护套、钢-聚乙烯粘结护套、尼龙护套等。

所谓光缆护套挤出就是利用塑料挤出机将塑料在缆芯或松套管外外形成一个塑料保护层，并加入必要的铝带、钢带或阻水物质等。

         光缆护套的主要作用是提高光缆机械性能，防止水分的径向侵入，保证光缆缆芯结构的完整和稳定，防止外来老化因素对光缆其他元件的侵害，同时提高了光缆的热稳定性。

      光缆护套的常见结构形式，如图所示：

1、聚乙烯护套：

缆芯直接与护套紧密接触。

加工工艺简单，成本低，常用于普通敷设场合，防水性能不如其他护套。

 2、钢或铝粘结护套：

利用复合钢带或铝带在塑料挤出过程中与塑料粘结形成一个完整的整体。

粘结护层的优点是能经受各种热应力时，护套具有抗尺寸变化的特性，这种特性是由于护套结构的金属元件和塑料组成一个整体，使其具有两种元件的的最佳特性。

护套树脂粘结到了金属带上，所有塑料的热膨胀系数就由所依附的金属带的热膨胀系数决定，因此粘结护层结构几乎不发生收缩。

    3、53型护套：

这种护套结构主要由内护层（内衬层）、铠装层和外护层组成。

内衬层的主要作用有二：

一是在铠装过程中作为铠装层的衬垫，可以防止缆芯被铠装层压伤；二是在敷设运行中，可抵御外界腐浊介质的侵入，防止金属护套与外界腐浊介质接触。

        铠装层的主要作用是防止光缆在敷设或运行过程中遭受的机械损伤，提高光缆抗压和抗拉能力。

       外护层的作用是保护铠装层，防止铠装层在敷设过程中遭到损伤，并防止铠装层在运行过程中遭受腐浊，同时具有一定的防水能力。

       光缆护套挤出的生产工艺与其他电线电缆的的绝缘或护套挤出工艺基本一致。

基本工艺流程如下：

第二节 光缆护套的生产设备

        生产工艺与生产设备是密切相关的，生产工艺是在一定的生产设备上形成，生产设备又必须满足工艺要求。

光缆护套生产设备是生产光缆护套的专用设备，它们与护套工艺的关系十分密切。

因此，要研究护套的工艺，首先要熟悉护套设备及其组成。

在松套管外或缆芯外形成塑料管，并加以填充或纵包其他材料使其形成完整光缆结构的生产设备，简称为光缆护套生产线。

一、        光缆护套生产线的组成：

附图：

1、   缆芯放线架和双轮张力控制系统

2、   松套管放线和张力控制系统

3、   双钢丝放线架

4、   油膏填充装置

5、   放带储带和焊接系统

6、   钢带扎纹纵包系统

7、   塑料挤出机

8、   冷却系统

9、   吹干装置

10、            动态线径测量仪

11、            履带牵引机

12、            收排线系统

下面就其构成部件逐一对部件的工作原理和操作作简单介绍。

1、缆芯放线架和双轮张力控制系统

      缆芯放线采用龙门悬挂式放线架,最大装盘规格直径1800mm。

其由机架、升降机构、夹盘机构及电控部分组成。

两只升降柱既可单独升降，也可同时升降，放线张力由磁粉制动器控制。

       张力控制采用双轮储线式张紧装置。

其由两只直径800mm的张紧轮及磁粉制动器组成，改变磁粉制动器的激励电流的大小，就可以得到预定的张力，确保护套过程中缆芯张力恒定。

 2、松套管放线和张力控制系统

       该系统主要是为了生产中心束管结构光缆而装备的。

其张力舞蹈轮可以调节放线速度及时跟踪挤出线速度。

3、双钢丝放线架

      该装置是专为中心束管结构光缆中的W结构而装备的，用于平行放置W结构中的加强钢丝。

要求具有张力控制系统，以确保缆中钢丝张力一致。

4、油膏填充装置

       油膏填充装置主要有料桶抽吸装置、加压储料罐、油膏输出装置等组成。

主要用于缆芯间的油膏填充，提高光缆渗水性能。

5、放带储带和焊接系统

      护套生产线上的放带装置主要有纤维带和金属带放带两种机构，一般有立式放带和卧式放带两种形式。

储带系统是用于连续接带而设置的金属带储存装置。

     金属带焊接系统，一般采用点焊或亚弧焊接机，用于钢带和铝带的对接，提高金属带的利用率。

6、钢带扎纹纵包系统

       该装置扎纹部分是一对有齿条的压辊将钢带碾压成具有直纹的带子，同时压辊的转速受线速度控制。

纵包装置是将压纹后的金属带在缆芯外形成管状，一般由导带部分、预成型部分、成型部分和定径部分组成。

7、塑料挤出机

     塑料挤出机采用一体化设计，主要有挤压系统、传动系统、加热和冷却系统、控制系统等组成。

（1）挤压系统：

包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具等组成，是挤出机的关键部分。

（2）传动系统：

传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程所需的力矩和转速。

有电机、减速箱等组成。

要求螺杆转速稳定，不随负荷而变化，以保证制品的均匀一致。

（3）加热和冷却系统：

加热和冷却是塑料挤出过程能够顺利进行的必要条件。

加热系统有电加热器在外部加热物料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。

冷却系统是用于排除由于螺杆旋转剪切摩擦产生的多余热量，但在加料口的冷却是为了加强对固体物料的输送作用。

（4）挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构组成。

其主要作用是控制和调节挤出机的转速、温度、压力、流量等实现对整个生产线的调节和控制或自动控制。

 8、热水冷却系统

      主要由水箱、固定水槽、移动水槽、加热系统、水泵系统等组成。

热水冷却可分两段进行，以便适应不同塑料的阶梯冷却。

9、冷水冷却系统

     其主要由水箱、水槽、水泵等组成。

主要作用是进一步冷却和固化护套。

10、外径测量系统和光缆干燥装置

       用于光缆外径的测量或监控。

干燥装置是为了干燥光缆表面的水分同时可提高外径测量的正确性。

11、高压火花检测仪

       主要用于对光缆护套的完整性进行检查。

一般有高压直流和高压交流之分，其主要构造有高压发生器、高压检测链珠、击穿记录装置、保护装置等组成。

12、计米印字装置

     其作用是在光缆护套表面印刷光缆标记，同时记录长度。

由标准计米轮、字块安装轮、色带放出和废带吹出装置等组成。

13、履带牵引机

       该装置主要由上下履带、履带牵引系统、长度检测系统组成。

履带在气压的作用下夹持光缆运行，通过调节气压即可调节夹紧力。

上下履带均是主动驱动。

驱动系统采用高精度交流伺服驱动装置，速度平稳，可靠。

     计米系统是通过用光电码盘和光电转换装置检测履带运行速度，并在仪表上显示。

同时可以设定所需要的生产长度，以准时停机或换盘。

14、收线装置

    可以承受2000型的线盘，收线速度由控制面板上的调节电位器调节，同时受位置控制器的控制，基本构造同放线系统。

第三节  塑料挤出理论

      光缆护套挤出其实是一种塑料挤压成型工艺，用塑料挤出机在缆芯外挤套一塑料管。

挤出成型在塑料制品加工种占重要地位。

目前电线电缆的加工均采用连续挤出工艺。

挤出成型具有如下主要特点：

（1）连续化生产，可根据需要生产任意长度。

（2）由很高的生产率。

据有关资料统计，日本一台挤出机平均年生产能力为85.8吨，注射机为27.6吨，由此可见挤出成型生产能力大于注射机。

     （3）应用范围广，能加工绝大多数热塑性塑料合一些热固性塑料。

     （4）投资少，见效快。

       简单地说，塑料挤出理论是指塑料在螺杆挤出机中的运动、变化过程的一种理论。

而我们研究挤出理论的目的就是要揭示、掌握和促进这一运动、变化过程，从而使挤出成型加工达到优质、高产、低消耗的效能。

 一、热塑性塑料的三态变化

      在讨论挤出理论前，让我们先了解一下热塑性塑料在不同温度下的三态变化。

我们知道，物质的性质由物质及分子结构所决定的。

塑料是高分子聚合物，它由柔韧的大分子链结构所组成，分子间的相互作用和分子量决定其所有综合物理性能和主要因素。

       根据高分子物理学的概念，热塑性塑料在受热时存在三种物理状态，即玻璃态——温度低于玻璃化温度Tg、高弹态——温度高于玻璃化温度Tg而低于粘流态温度Tf、粘流态——温度高于粘流态温度Tf而低于聚合物分解温度Td，而当温度高于Td时，聚合物便开始降解或分解。

                      变形

                                               Tg                             Tf                       Td

                                     玻璃态              高弹态                  粘流态                温度

        （红色：

结晶性塑料；绿色：

非结晶性塑料） 

例如：

下表列举一些塑料的三态温度：

塑料

脆化温度T

玻璃化温度Tg

熔点温度Tm

热变形温度

分解温度Td

HDPE

-50

15~35

105~137

43~52

350

PP

-30

15~-40

160~176

60~70

PVC

-30

20~50

160~212

54~74

240

PBT

40~45

255~260

85

      对于非结晶的塑料而言，一般在常温时具有一定的刚性和硬度（但不脆）称为玻璃态。

在玻璃态，塑料受一定的冲击、压缩等负荷作用下，变形很小，并随温度的增加使变形直线上升，但在外力消失后，变形也随之消失，并恢复原状。

这种力学性质称为普弹性（虎克型弹性）。

这是因为在常温时，塑料的大分子不能移动，链段也处于冻结状态，只有大分子上较小的运动单元，如侧基、支链和链节能运动。

我们常用的塑料日用品也是利用塑料常温下的玻璃态性质。

当温度再低时，高聚物处于脆性，在很小的外力作用下，分子链发生断裂，此时材料失去使用价值，该温度即为脆化温度Tx。

当温度上升到玻璃态温度以上时，塑料呈现似橡胶一样的高弹性，称为高弹态。

在高弹态时，塑料在较小的外力作用下可产生很大的变形，且初始时，变形随温度的升高而增大，到一定限度后变为恒定，而外力解除后能够恢复原来状态。

这是因为温度升高后，大分子的振动和转动加速，这时大分子链仍不能移动，但链段已能运动。

这时高分子材料如果受力，卷曲状态的大分子链会沿着受力方向拉长，大分子链由卷曲而拉直，变形可达100%~1000%（普弹性时变形为0.04%~0.1%），处于高弹性的塑料一般不能作结构材料使用。

当温度继续上升至粘流态温度后，不仅大分子链段能运动，大分子之间也可相互滑移。

这时大分子受外力时，产生粘性流动，即处于粘流态。

此时即使外力消失，变形仍然存在。

当高分子的热运动的能量超过化学键能（即化学键形成时放出的能量或化学键断裂时吸收的能量），就会引起化学键的破坏，结果主链断裂或侧基脱离，导致高分子材料性能劣化。

       而结晶性塑料的高弹态却不明显，当温度高于熔化温度时，便很快地熔融而处于粘流态。

热塑性塑料随温度变化而发生上述三态变化是可逆的，当温度低于粘流态温度时，塑料从粘流态转变为高弹态，当温度低于常温时，塑料转变为玻璃态。

       严格地说，高聚物的三态转变的温度范围不是完全固定的，塑料的三态转变除与温度有关外，还和应力作用的时间和作用力施加速度有关。

塑料的挤出工艺就是利用塑料的三态变化来实现的。

       二、塑料在挤出机中的运动过程

     塑料在挤出机中的运动过程为：

装入料斗中的塑料借助重力或加料器进入机筒中，由旋转的螺杆的推力作用不断向前推进，同时塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒的外热及塑料与机筒之间的剪切摩擦热的作用下转变为粘流态，螺槽中形成均匀连续的料流，到达机头的料流经模芯和模套间的环型间隙，形成连续的塑料管挤包于线芯或缆芯外。

整个过程可以简单地理解为三个阶段：

填料过程、混合熔化和均化过程、挤压成型过程。

    三、挤出机螺杆的分段及各区段的基本职能

       根据塑料在挤出机中三种状态的变化过程，以及螺杆各部位的工作要求，通常将螺杆分成加料段，又称为固体输送段；熔融段，又称为压缩段；计量段，又称为均化段。

下面就各区段讨论一下其基本职能。

                               螺杆分段图

（1）加料段

  加料段是有加料区（又称为冷却料斗区）、固体输送区以及一个过渡的迟滞区组成。

一般该段长度为螺杆的有效长度的15~25%。

其主要职能是对塑料进行压实和输送，此段的工作过程为：

塑料自加入料斗进入螺杆以后，在旋转的螺杆作用下，通过机筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实，一般塑料在加料段呈固体向前输送。

 根据实验观察，通常在接近加料段的末端，由于强烈的摩擦热作用，与机筒内壁相接触的塑料已经达到粘流态的温度，开始熔融，而呈现一个过渡区。

严格地说，一般所谓的迟滞区是指以固体输送区结束到熔池最初出现的这一区域。

（2）熔融段

该段的长度一般为螺杆的有效长度的50%~60%。

此段的作用是使塑料进一步压实和塑化，使包围在塑料内的空气回流到加料口排出，并改善塑料的热传导性能。

其工作过程为：

     当塑料从加料口进入熔融段后，随着塑料的继续向前输送，并由于螺杆螺槽的逐渐变浅，以及过滤网、分流板和机头的阻碍作用，塑料逐渐形成高压，并进一步被压实。

与此同时，物料受到来自机筒的外部加热和螺杆与机筒的强烈搅拌、混合和剪切作用，塑料温度不断升高，熔融塑料（称为液相或熔池）量不断增加，而未融化的固态塑料（称为固相或固体床）则不断减少，至熔融段末段塑料全部或大部分熔融而转变为粘流态。

（3）计量段

也称为熔体输送段，一般为螺杆的有效长度的20~25%。

塑料进入计量段后进一步塑化和均匀化，并使之定量、定压、定温地从机头挤出。

   四、塑料挤出理论的研究

      塑料挤出理论的研究就是根据塑料在挤出机中的三个历程——即从加料区的固态到过渡区（熔融区）的固态——粘流态、直到均化区的粘流态这三种物理过程进行研究。

也就是把挤出机的挤出理论主要分成三个职能区进行研究，即一般所谓加料区的固体输送理论、熔融区的熔融理论和粘流体输送理论。

      这些理论不同程度上揭示了物质性质、机器结构参数和工艺条件对熔融过程、输送流率的影响，这就为改进挤出机结构设计、制定合理的工艺条件、选择材料等提供了理论依据。

       由于这次培训的类型及培训时间关系，这里仅对挤出理论的三个理论进行简单的介绍。

（1）固体输送理论

在挤出过程中，加入螺杆中的固体塑料，由旋转螺杆的推力作用，向前推进，在机头阻力作用下，物料不断被压实。

开始塑化和尚未塑化物料连续整齐排列，形成充塞于整个送料段螺槽有弹性的“固体塞”。

根据这一现象，利用固体对固体摩擦的静力平衡方程为基础，建立了固体输送理论。

（2）熔融理论

       熔融理论是建立在热力学、流变学基础上的一种理论。

在加料段末段与加热机筒接触的物料开始熔化，在筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下，聚集在螺纹的前面，形成熔池。

由于随着温度的不断提高及螺杆的剪切作用，熔池不断扩大。

影响熔融段长度的因素主要是物料特性、流率、螺杆转速、机筒温度和物料初温。

（3）熔体输送理论

熔体输送理论又称为流体动力学理论，它是研究螺杆均化段如何保证塑料彻底塑化，并使之定压、定量、定温挤出，以获得稳定的质量和产量。

第四节 工装设计和选择

       光缆护套的生产质量除了与设备和材料有关外，很大程度上还取决与工装模具的设计。

对于光缆护套工艺来说，其所用模具主要有挤塑模具、油膏填充模具、钢铝带纵包模等。

因此下面将简单介绍有关模具、工装的设计和使用问题

一、挤塑模具设计和选配

       护套本身质量的好坏与塑料本身的质量、挤出机性能、挤出温度、速度、挤出的冷却有关外，还与机头模具设计等多种因素有关。

模具的几何形状、结构尺寸、流道设计等直接决定护套的挤出质量。

（一）挤出模具的组合类型

     在电线电缆挤塑生产中使用的模具（包括模芯和模套）主要有三种形式，即挤压式、挤管式和半挤压式三种。

模具的结构基本一样，仅仅在于模芯前端有无管状承径部分和承径与模套的相对位置不同而言。

如图：

1、挤压式模具

       挤压式模具的模芯没有管状承径部分，模芯缩在模套承径后面。

熔融的塑料（以下简称料流）是靠压力通过模套实现最后定型的，挤出的塑料层结构紧密，外表平整。

模芯与模套间的夹角大小决定料流压力的大小，影响塑料层质量和挤出制品的质量。

模芯与模套尺寸及表面光洁度也直接决定挤出制品的几何形状尺寸和表面质量。

模套孔径大小必须考虑解除压力后的塑料“膨胀”，以及冷却后的收缩等综合问题。

由于压力式挤出，塑料在挤出模口处产生较大的反作用力，因此，出胶量较挤管式低得多。

挤压式挤出的另一缺点是调偏困难，护套厚薄不容易控制。

 2、挤管式模具

      其在挤出时模芯有管状承径部分，模芯口端面伸出模套口端面或与模套口端面持平的挤出方式，称为挤管式。

挤管式挤出时由于模芯管状承径部分的存在，使塑料不是直接压在缆芯上，而是沿着管状承径部分向前移动，先形成管状，然后经拉伸再包覆在缆芯上。

在光缆护套挤出中主要采用这类模具。

      挤管式模具具有以下优点：

（1）挤出速度快。

挤管式模具充分利用塑料可拉伸的特性，出胶量有模芯和模套之间的环形截面积来确定，它远远大于护套的厚度，所以线速度可根据拉伸比不同而有所提高。

（2）生产时操作简单，偏芯调节容易。

其径向厚度的均匀性只由模芯模套的同心度来决定。

（3）配模方便。

同一套模具可以利用调整拉伸比的办法，挤制不同尺寸的护套。

（4）塑料经拉伸后发生“定向”作用，特别对结晶性高聚物，结果使塑料机械强度提高。

（5）护套厚薄容易控制。

通过调整牵引速度来调整拉伸比，从而改变护套厚度。

（6）在某些特殊要求中可以挤包得很松，在缆芯外形成一个松包的空心管。

挤管式模具的缺点

（1）塑料层的致密性差。

因为模芯和模套之间的夹角很小，塑料在挤出时受到的压紧力较小。

为了克服这一缺陷，可以在挤出中增加拉伸比，使分子排列整齐而提高塑料层的致密性。

（2）塑料层与缆芯的结合力差。

可通过抽真空或提高拉伸比的方法解决。

（3）挤出外表不如挤压式圆整，缆芯的不均匀性都能在护套表面反映出来。

3、半挤压式模具

     模芯有管状承径部分，但比较短。

模芯承径的端面缩进模套口端面的挤出方式称为半挤压式，这是挤管式和挤压式的过渡形式。

（二）模具尺寸的选用

       模具的几何尺寸有很多，模具的装配尺寸和外形尺寸以及模具的外锥角、内锥角属于设计问题，不属于本次培训的内容。

因此这里仅讨论影响护套尺寸的模具参数进行讨论。

      模具图：

（1）模芯内径选择

       模芯内径就是模芯的承线孔的直径，一般稍大于缆芯外径。

如果选择过大，对于挤压式模具来说，会使偏芯调整困难，还能使熔融的塑料倒流入模芯；对于挤管式模具来说，会增大塑料拉伸比，影响护套外观。

模芯承线孔径选择过小，会使缆芯擦伤，甚至使包带拉断，另外缆芯在模芯内受到阻力，使挤出外径不均匀，甚至出现竹节形。

对于挤压式模芯的承线孔径，一般选择比缆芯外径大0.2~1.0mm；挤管式模芯承线孔径选比缆芯外径大0.5~3mm。

（2）模芯外径

      模芯外径尺寸决定于内径和模芯壁厚的尺寸。

这个壁厚的设计既要考虑模具的寿命，又要考虑塑料的拉伸特性，壁厚太薄，模具容易损坏，壁厚太厚，使拉伸比增大，塑料表面光洁度差，甚至容易拉断料流。

         一般壁厚取0.8~1.5mm，具体根据模芯内径尺寸而定，大时取上限，小时取下限。

  （3）模芯承线长度

        对挤管式模芯来说，其承线长度分为内承线和外承线，而挤压式模芯只有内承线。

其实他是圆柱形孔的长度，内承线过长，则缆芯受到的摩擦阻力大，易使缆芯擦伤，甚至拉断缆芯。

内承线过短，则缆芯不稳定，调整偏芯困难。

模芯的外承线长度应与模套定径长度相适宜，一般比模套定径长度长3~8mm。

   （4）模套内径

        模套孔径是模套定径区孔的直径，他对护套外径和表面质量关系十分密切。

在实际生产中应对塑料的工艺性能、缆芯结构等多种因素综合考虑。

对于挤压式模具来讲，模套孔径选择太大，则塑料在定径区内受到的压力就小，挤出层疏松，有沙眼、脱节、毛糙等缺陷；如果选得过小，则挤出压力较大，外径不均匀，甚至出现麻花纹；一般挤压式摸套孔径等于护套外径，或比护套外径大0.2~0.5mm。

对于挤管式模套孔径的选择应根据塑料的拉伸特性和配模系数来计算确定的，在下一节中专门讨论。

 （5）模套定径长度

      模套定径长度是模套圆柱形孔的长度，它是护套的定径区，塑料在挤出时受到的阻力大则挤包层紧密、光滑，定径区长，护套外径稳定。

但过长，则使塑料挤出压力增加，增加设备负荷，还会造成塑料表面不光、发毛，塑料易倒流入模芯。

定径区过短则塑料受到的阻力小，流量大，挤包层不紧密，同时外径不稳定。

定径长度的选择是以模套孔径为基础的，一般为模套孔径的0.5~1.5倍，但此值要小于模芯外承线长度。

  （6）模芯伸出模套的距离

       一般取0~3mm。

当模芯向前伸时，则护套管内径变大，管壁厚度变薄。

    （7）模芯承径后部与模套定径后部之间的距离

      在挤管式挤出中，要求模芯承径后部退后于模套定径后部有一定距离。

如果此段距离过太短，轻则使挤出的护套管壁变薄，重则引起料流的阻力或反压力太大，造成设备负荷增大。

     一般该段距离取：

当护套厚度小于2mm时取2~3mm，护套厚度大于3mm时取4~6mm。

（三）挤管模具配模系数和拉伸比

        挤管式挤出可以看作在模芯模套出口处有一环状塑料层，经一定拉伸形成一个合适的空心塑料管套在缆芯上，因牵引速度大于料流挤出速度形成拉伸，料流出模口后形成一个圆锥。

假定出胶量不变，根据线速度的不同圆锥锥度也不同，线速度慢，拉伸小，圆锥远离模口；线速度快，拉伸大，圆锥尖端就移向模口，在这个圆锥里，环状截面（即料流的内外径之比）是保持一定比例缩小的，由此可得出一个拉伸比的概念。

       拉伸比的定义：

塑料离开挤出模口时圆环状截面积与冷却后所要求的护套管的圆环截面积之比，称为拉伸比。

对于不同的塑料，根据其熔融状态下的粘度、流动特性、护套层的厚度以及缆结构要求等，其拉伸比也不相同。

       光缆护套常用材料有PVC、PE、PU等，对于PE材料来说，其拉伸比一般取1：

1.5~8，PVC为1：

1.2~5，PU