فرایند فشرده سازی رسانا در کابلسازی

فشرده سازی یا کمپکت کردن رسانا (هادی) کابلهای برق، فرایندیست که منجر به کاهش قطر نهایی هادی و از بین رفتن حفره ها و فضاهای خالی میان مفتولها میگردد. کمپکت سازی اغلب دربارۀ هادیهای گرد کابلهای قدرت فشار متوسط، فشار قوی و فوق فشار قوی، رساناهای قطاعی در کابلهای HV و EHV و نیز هادیهای سکتور در کابلهای فشار ضعیف انجام میشود.

فرایند فشرده سازی برای هادی های گرد

فشرده سازی هادیهای تابیدۀ مس و آلومینیوم، عملی نسبتاً آسان در فرایند تولید است؛ اما دستیابی به هادیهای فشرده و کابلهای برق با کیفیت بالا، از اهمیت فراوانی برخوردار میباشد. تابیدن هادی، معمولاً در دستگاهی با حرکت سیاره ای (planetary motion) و یا بدون حرکت سیاره ای موسوم به «ماشین استرندر Rigid» انجام میشود. ماشینهای تابندۀ پرسرعت دیگری نیز با سیستم تابندۀ مرکزی به نام «ماشین تابندۀ مرکزی» وجود دارند.

همۀ انواع این ماشینها دارای وسایل خاصی هستند که بر روی آن بلوکهای تابندۀ اصلی به همراه کلگیهای فشرده سازی قالبها یا غلتکهای مربوط به فرایند فشرده سازی قرار میگیرند. با بکارگیری ماشینهای نسل جدید، بلوکهای تابنده امکان استقرار قالب تابندۀ اصلی و همچنین بخشهای دوار جفت غلتک با قابلیت چرخش را دارند. به این ترتیب دستیابی به «هادی پیش مارپیچ شده» را فراهم میسازند. تعداد بخشهای دوار برای نگهداری جفت غلتکها میتواند شامل دو، سه یا چهار جفت در یک بلوک تابنده پس از هر مجموعۀ چرخنده باشد.

قالب اصلی اغلب به صورت گرد است و تنها امکان هدایت مفتولهای تابیده را در لایۀ مورد نظر فراهم میکند. این قالب میتواند کاملاً ثابت باشد که معمولاً نیز چنین است؛ اما میتوان آن را به صورت چرخش آزاد یا چرخش توسط موتور نیز در نظر گرفت.

دورتر از محل تابیدن یا مستقیماً در فاصلۀ مشخصی از آن، مجموعه ای از ابزارهای فرایند فشرده سازی رسانا قرار میگیرند. این عمل را میتوان به دو صورت انجام داد:

1. قالبهای سخت
2. جفت غلتکها

هر دو سیستم به وفور مورد استفاده قرار میگیرند. برای بسیاری از مهندسین، این پرسش وجود دارد که کدام فرایند فشرده سازی سیستم بهتریست. به این معنا که ساده تر، کاراتر و دارای بهره وری بالاتری میباشد. در این مقاله میخواهیم مقایسه ای بین دو سیستم فشرده سازی انجام دهیم و اثرات عملی در تولید را بر مبنای تجارب کاری مربوط به این دو سیستم فشرده سازی تشریح کنیم.

فشرده سازی با قالبهای سخت

مزایا:

• محاسبۀ قطر عملی و طراحی قالب شکل دهنده بسیار ساده است.
• بکارگیری آن در تولید نیز آسان است.
• گردی هادی کمپکت غالباً مطلوب است.

معایب:

• ساخت قالبهای سخت، بسیار پیچیده و گران است.
• قیمت قالبهای سخت گران است. برای سطوح مقاطع بالاتر از 185 میلیمتر مربع قیمت سری قالبهای الماس مصنوعی سخت به طور قابل توجهی نسبت به مجموعه غلتکهای مربوط به هادی یکسان، بالاتر است.
• طول عمر کاری قالب های سخت به خاطر تنش زیاد سطوح کاری، گرما و سایش ایجاد شده در حین تولید، محدود است. طول عمر مفید این قالبها نسبتاً کوتاه است و از 800 کیلومتر هادی فشرده تجاوز نمیکند.
• گرمایش هادی در حین تولید بسیار بالاست و پس از عبور هادی از قالب، خنک کاری آن ضرورت پیدا میکند. مطابق معمول روشهای گوناگونی برای خنک کاری وجود دارد که میتوان به استفاده از هوای خنک، الکل و حلالهای آلی اشاره کرد.
• فشرده سازی در حالت بکارگیری قالب های سخت، نیاز به توان کششی بسیار بیشتری دارد که در این صورت باعث افزایش بار موتور و در نتیجه گرم شدن بیش از حد آن میشود. به طوری که اغلب موتور نیاز به خنک کاری اضافی پیدا میکند.
• افزایش توان کششی، باعث نسبت تنش شدید در موتور کشنده و افزایش مصرف برق و در نتیجه افزایش هزینۀ تولید میشود.
• در بسیاری از مواقع لازم است سرعت تولید را بیش از حدود 30 درصد کاهش دهیم؛ بنابراین از بهره وری خط ماشین تابنده کاسته خواهد شد.
• در فرایند فشرده سازی رسانا با استفاده از قالبهای الماسۀ سخت، کل ضریب پرکنندگی به سختی به 90% میرسد.
• کاهش نسبت قطر نمیتواند به بیش از 5 درصد برسد و کاهش در هر یک از لایه های بعدی کمتر است و کمترین مقدار مربوط به لایۀ آخر است.
• نسبت کاهش کم در لایۀ آخر مستلزم افزایش ضخامت لایۀ نیمه هادی در تولید کابلهای بیش از 20 کیلو ولت است.
• افزایش ضخامت لایۀ نیمه رسانا، باعث افزایش مصرف مواد عایق و همۀ مواد دیگر تولید نهایی کابل میشود.

کمپکت سازی با غلتک ها

مزایا:

1. بکارگیری غلتکها در فرایند تولید، کاری پیچیده نیست.
2. محدودیتی در سرعت تولید ایجاد نمیکند. استرندر میتواند با حداکثر سرعت طراحی شده کار کند؛ زیرا در حین فرایند فشرده سازی با غلتکها، اثری بر کاهش سرعت تولید به وجود نمی آید.
3. گرمایش هادی در جریان فرایند کمپکت سازی ناچیز است و به خنک کاری نیازی نیست.
4. سایش غلتک ها به پایینترین حد است و عمر کاری غلتکها در مقایسه با عمر کاری قالب سخت، بسیار بیشتر و تا حدود یک میلیون کیلومتر بدون نیاز به تعمیر آنهاست.
5. میزان کاهش قطر برای هر لایۀ تابیده میتواند به بیش از 10 درصد برسد و ضریب پرکنندگی نیز تا 94% باشد.
6. میزان کاهش لایۀ آخر نیز به حدود 10 درصد میرسد. همچنین امکان دستیابی به شکل گرد مناسب و صافیِ سطح مطلوب فراهم میگردد که در نتیجه کاهش ضخامت لایۀ نیمه هادی و افزایش کیفیت ساخت کابل را در پی دارد.
7. کاهش قطر و کاهش ستبری لایۀ نیمه هادی موجب صرفه جویی قابل توجهی در مواد عایقی و سایر لایه ها تا ساخت آخرین لایۀ روکش نهایی در حدود 7 درصد مطابق با طراحی کابل برق خواهد شد.

معایب یا نقاط ضعف:

1. طراحی پروفیل کاری غلتکها بسیار پیچیده است و نیازمند تجربه و بررسی قابل ملاحظه است. این موضوع دلیل اصلی تعداد کم کاربران عرصۀ تولید کابل از فرایند فشرده سازی رسانا با غلتکهای شکل دار خاص است.
2. بلوکهای تابنده و نگهدارنده های غلتک ها باید دارای کیفیت مناسب باشند و در بسیاری از ماشینهای تابندۀ قدیمی، پیش از راه اندازی فرایند کمپکت سازی با غلتکها، لازم است قسمتهای یاد شده را با نوع جدیدتر تعویض نمود.
3. تعداد و نحوۀ قرارگیری سیمها در هادی تابیده در مقایسه با نحوۀ قرارگیری سیمها در هادی بدون فشردگی متفاوت است. محاسبۀ قطر سیمها آسان نیست.
4. تعداد کمتر قرقره های حامل سیم باعث گردش نامتعادل بخشهای دوار حامل قرقره میشود که در نتیجه باعث بار اضافی به اجزای دوار و نیروی مضاعفی به یاتاقانها و بلبرینگهای خاص ماشین میشود.
5. مقدار گردی هادی به کیفیت بسیار بالای ابزار بکار رفته وابسته است. کیفیت بالای ابزارها نیازمند کارگران آموزش دیده و تنظیم بسیار دقیق همۀ جفت غلتکها خصوصاً آخرین دو جفت غلتک است.
6. تولید هادیهای فشردۀ گرد دارای کیفیت بالا با استفاده از طراحی غلتکهای خاص از نوع باز یا از نوع نفوذی، اهمیت زیادی دارد. غلتکهای باز را هنگامی میتوان به کار برد که محورهای چرخندۀ غلتکها دارای کیفیت بالا بوده و امکان تنظیم دقیق مرکز غلتکها فراهم شود.
7. در صورتی که امکان تنظیم دقیق مرکزیت غلتکها نسبت به هم میسر نباشد، باید از غلتکهای نفوذی استفاده نمود که در آنها مرکزیت در حین طراحی و ساخت هر جفت از غلتکها قابل دستیابیست.

مواد اولیۀ ساخت غلتکها از فولاد ابزاری کیفیت بالا با درجۀ سختی 60 HRC پس از عملیات سخت کاری در نظر گرفته میشود. نقاط درگیر تحت کار غلتکها باید سمباده کاری و پس از عملیات سخت کاری به خوبی صیقلی گردد.

حدود رواداری نقاط تحت کار غلتکها باید کمتر از 0.02 میلیمتر باشد. مقدار گردی هادی فشرده بر اساس استانداردهای IEC و VDE در نظر گرفته میشود. الزامات اصلی برای تولید هادیهای فشرده عبارتند از طراحی مناسب و ساخت غلتکهای با کیفیت برای فرایند کمپکت سازی.

فشرده سازی رسانا های سکتور و قطاعی

هادیهای شکل داده شده و قطاعی، اغلب در کابل های فشار ضعیف چند رشته و همچنین کابلهای قدرت HV و EHV موسوم به کابلهای میلیکن کاربرد دارند. در این حالات، در فرایند کمپکت سازی صرفاً از غلتکها استفاده میشود. هرچند در سالهای اخیر قالبهای سکتور شکل دهندۀ هادی از جنس الماس مصنوعی نیز وارد بازار شده است. بیشتر کارخانه های کابل سازی تنها از یک جفت غلتک پس از هر بخش دوار حامل قرقره ها استفاده میکنند. در چنین فرایندی ضریب پرکنندگی کمتر است و فشردگی و یکنواختی کابل نهایی مناسب نمیباشد.

طی سالهای اخیر، استفاده از دست کم دو جفت غلتک در فرایند فشرده سازی بیشتر متداول شده و هر لایۀ تابیده پس از اولین لایه یا دومین لایه توسط دو جفت غلتک و حتی لایۀ آخر با سه جفت غلتک فشرده سازی میشود تا محصول نهایی با کیفیت مطلوب تولید شود. با این روش، دستیابی به بالاترین کیفیت برای هادی فشرده امکانپذیر خواهد بود.

نخستین جفت از غلتکها به غلتکهای «عمودی» موسومند و دومین جفت از آنها را غلتکهای «افقی» مینامند.

ساخت هادیهای سکتور با دو و سه جفت غلتک، سالها قبل گسترش یافته و در تولید، ضریب پرکنندگی این هادیها به حدود 92 تا 94 درصد میرسد. شکل هادی یکنواخت، صاف و عاری از بیرون زدگی شدید رشته هاست. عکس زیر، تصویر روشنی در مورد نقطۀ شروع فرایند فشرده سازی با جفت غلتکهای افقی ارائه میدهد:

تجربۀ طولانی حاکی از آن است که ماشینهای تابنده همگی توانایی تولید هادی فشردۀ با کیفیت را دارند؛ در صورتی که به خوبی طراحی شده باشند و شکل پروفیل غلتکها برای فشرده سازی مناسب بوده و همچنین نگهدارندۀ غلتکها یا کلگی کمپکت سازی از استحکام کافی برخوردار باشد.

برای فرایند تولید این موضوع اهمیت زیادی دارد که جفت غلتکها در حداقل فاصلۀ ممکن نسبت به هم قرار گیرند. همراستا سازی با دقت غلتکها نیز بسیار مهم است.

نتیجه گیری تجاری

با تجزیه و تحلیل دقیق همۀ عوامل مورد بحث، میتوان به نتایج زیر دست یافت:

• فرایند فشرده سازی رسانا با غلتکها، کیفیت محصول را بالاتر میبرد. ضریب پرکنندگی بسیار بالاست و مقدار آن به طور قابل توجهی از ضریب پرکنندگی حاصل از قالبهای سخت بیشتر است.
• هادیهای فشرده با غلتکها بهتر تهیه میشوند و پس از تکمیل شدن کابل نهایی، برای بار الکتریکیِ بیشتر مناسبترند.
• قطر کابل کمتر است و بنابراین بسته به طراحی کابل، دستیابی به صرفه جویی در مصرف عایق و دیگر مواد تا حد 7 درصد، دور از ذهن نیست.
• سرعت خطی ماشین کاهش نمییابد و حداکثر بهره وری ممکن خط تولید امکان تحقق پیدا میکند.
• عمر کاری غلتکها چندین برابر بیش از عمر کاری قالبهای سخت است.

تنها همین چند عامل برای انتخاب سرمایه گذاری در فرایند کمپکت سازی با غلتکها کافیست؛ زیرا سرمایه گذاری در این نوع ابزار در صورتی که تولید با ظرفیت بهینه انجام شود، منجر به بازگشت سرمایه در مدت زمان کوتاه خواهد شد.

نتیجه گیری نظری و عملی

1. برای تولید قطر سیمهای بالاتر، به تعداد کمتری قالب کشش در ماشین کشش راد نیاز خواهد بود که به این ترتیب ظرفیت تولیدی آن افزایش خواهد یافت.
2. ماشینهای استرندر نیز با ظرفیت بالاتری کار میکنند. سرعت بارگیری و تخلیه در آن بالاتر است؛ زیرا در صورتی که مثلاً طراحی تاب و ترتیب آن به گونه ای انجام شود که به جای استفاده از 91 رشته مفتول، 61 رشته سیم در ماشین تابنده به کار رود، در بارگیری و تخلیۀ 30 قرقره صرفه جویی میشود.
3. صرفه جویی قابل توجهی در مصرف برق در فرایند کشش مفتول و در پی آن، فرایند تابیدن رشته ها حاصل میشود.
4. تعداد کمتر سیمها باعث کاهش مقدار فضای خالی بین آنها در هادی فشرده میشود و امکان انتقال جریان بارِ بالاتر فراهم میشود.
5. اگر تعداد مفتول ها زیاد باشد، منجر به افزایش فضاهای خالی بین آنها در هادی فشرده میشود و از امکان انتقال جریان بار بیشتر جلوگیری میکند.
6. میزان فشرده سازی بیشتر در سیمهای با قطر بالا یکنواختی بیشتری را در هادی ایجاد میکند و بنابراین هدایت الکتریکی بالاتر و مقاومت الکتریکی پایینتر حاصل میشود.
7. قطاعهایی که تابیده شده و به خوبی کمپکت شوند، گردی مناسبتری را در هادی تابیده به وجود میاورد که این امر نیز موجب تأثیر در افزایش جریان بار کابل میشود.
8. مقدار بالای فشرده سازی رسانا های تابیده باعث کاهش سایز بخش مرکزی هادی سگمنتال و در نتیجه افزایش یکنواختی هادی تابیدۀ نهایی میشود.
9. برای دستیابی به کیفیت مطلوب فشرده سازی، در طراحی هادی 91 رشته ای به تعداد جفت غلتکهای بیشتری در فشرده سازی نیاز است.
10. امکان ساخت غلتکها برای هر گونه طراحی هادی، سایز و تعداد و آرایش رشته ها وجود دارد؛ ولی همواره توصیه بر آن است که در صورت امکان از تعداد رشتۀ کمتر در هادی استفاده شود.
11. تمامی موارد پیشنهادی در این مقاله بر اساس تجربۀ طولانی در زمینۀ تولید هادیهای فشردۀ با کیفیت بالا صورت گرفته است.
12. امکان طراحی و تولید انواع غلتکهای مربوط به کابل های 3.5 رشته LV نیز وجود دارد. به طوری که سکتورهای مربوط به هادیهای فاز زاویه ای برابر با °101، و زاویۀ مربوط به هادی نول °57 درجه باشد. به این ترتیب، دستیابی به کمترین قطر کابل به همراه کیفیت عالی و صرفه جویی در مصرف مواد میسر خواهد شد.

---

منبع: Pavlovic, Miroslav. General Manager of Miroscable. “Conductor compaction process” Article؛ مترجم: مهندس پورعبدالله، محمدباقر، «فرایند فشرده سازی هادی»، نشریۀ داخلی صنعت سیم و کابل، شمارۀ شصت و نهم، 1396.