（机械设计及理论专业论文）35kv电缆终端应力锥硅橡胶注射模具计算机辅助设计.pdf

摘要 电力电缆及其附件的安全运行是整个电力系统安全的基本保障。对 于运行的安全性与电缆本体相比，电缆终端的接头是薄弱环节，以往输 电线路故障发生的概率表明，电缆附件发生故障的概率大约为输电线路 发生故障的7 0 。而确保其质量的关键是要有一个科学合理的电缆接头 结构。利用计算机对电缆附件模具设计进行优化分析，对于电场的数值 计算方法正在逐步得到广泛的应用，从而能快速准确的实现电场数值计 算，进而将有限元分析技术设计引入到电缆附件的设计中来，对其进行 不断的优化，来提高产品质量的要求。 本文完成主要工作包括：利用计算机辅助设计完成应力锥注射模具 的设计，并建立三维参数化图形库，实现产品的系列化；对电缆附件的 电场进行计算机仿真，进而优化初始设计的结构，最终确定最优的可行 性方案 关键词：应力锥计算机辅助设计模具设计屯场仿真 a b s t r a c t t h cs a f er u n n i n go fc a b l ea n di t sa t t a c h m e n t si se s s e n t i a ls a f e g u a r df o r t h ep o w e rs y s t e m c a b l et e r m i n a li ss u b m i t t e dt of a i l u r ee a s i l yc o m p a r e dt o c a b l e ，w h i c hi sp r o v c db ys t a t i s t i c a lp r o c e s sa st ot h ef a i l u r e so c c u r r e di nt h e p o w e rs y s t e m ：t e r m i n a lf a i l u r e si sa b o u t7 0 0 ft h et o t a lf a i l u r e so c c u r r c d j n 五ep o w e rs y s t e m t h u sc a h i et e r m i n a l sa f cc r i t i c a lc o n n e c t i o n sf o rp o w e r s y s t e ma n dt h e i rr u n n i n gs t a t u si si m p o r t a n tf o rt h es a f er u n n i n go fp o w e r s y s t e m t oi n s u r et h eq u a l i t yo fc a b l et e r m i n a l s ，am o r ep r o p e rs c i e n t i f i c p h y s i c a ls t r u c t u r eo fc a b l et e r m i n a l si sak e yc l e m e n tf o rt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n go fc a b l et e r m i n a l s w i t ht h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g no p t i m i z e 加o l do ft h ec a b l ea t t a c h m e n t , an e w 、r a l u ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hc o u l d c a l c u l a t et h ev a l u eo fe l e c t r i cf i e l dr a p i d l ya n da c c u r a t e l yi sd e v e l o p e da n d a p p f i e di nt h ef i e l do ft h ed e s i g no fc a b l ct e r m i n a l s t h en e n o vc a l c u l a t i o n m e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yc o u l dr e a l l yo p t i m i z et h ed e s i g np a r a m e t e r so fc a b l et e r m i n a i s i t c o u l di m p r o v et h eq u a l i t v0 ft h es t f c s sc o l i c t h ef o l l o w i n gs t u d i e sw e r es u c c e e d e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h em a i n t a s k s o ft h i sp a l e i e rw e r e ：d e v e l o p e dt h ec o n i c a ls t r e s si n j e c t i o nm o c l e l ， e s t a b l i s h e dt h e3 dp a r a m e t e rg r a p h i cd a t ab a s e s i m u l a t e dt h ee l e c t r i cf i e l d o fc a b l ea t t a c h m e n t sa n do p t i m i z et h e i rs t r u c t u r e w h i c hf i n a l l yc o n f i r m e d t h eo p t i m i z e dd e s i g ns t r u c t u r e k e yw o r d s ：s t r e s sc o n ec o m p u t e ro i d e dd o s i g n m o i dd e s i g nt h e s i m u i a t i o no fe l e c t r i nf i e i d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文1 3 5 k v 电缆终端应力锥硅 橡胶注射模具计算机辅助设计是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鸳望迎z 生五且也目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垒蛐边丑生笸且鲤日 指导导师签名宝i 拯 五且迎目 第一章绪论 1 ：1 橡塑模具发展现状 橡胶注射成型是现代橡塑工业中的一种重要加工方式。注射成型的 关键在于注射模的设计制造和注射成型工艺的制定。注射工艺和注射模 设计从传统的经验技艺走上科学化的道路，经历了几十年的历程，只是 在近1 5 年内有了明显的发展。目前，注射模的设计、分析、制造，已 广泛利用计算机辅助技术来代替技术人员的经验和直觉，并取得了明显 的经济效益。 多年来，人们一直期望能预测注射成型时，胶料熔体在流道、型腔 中的流动情况和注射制品在型腔内的冷却、凝固过程，以便在模具制造 之前就能发现设计中的问题，修改图纸而不是修改模具。但这种愿望的 基础是计算机技术在工业生产中的广泛应用。 注射模c a d ，c a e ，c a m 技术是注射成型加工技术发展过程中的一 个重要罩程碑，注射模c a d c a e c a m 使设计人员避免了设计中的盲 目性；使工程技术人员在模具加工完成试模工作；使生产操作人员能预 测工艺参数对制品外观和性能的影响。模具设计者和生产者能有目的的 修正设计方案和工艺条件，克服因经验少、工作疏漏造成的不良后果， 集中精力进行新产品、新工艺的研究，已适应日益激烈的竞争环境。 随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑料 模具c a e 功能进一步扩充，性能也进步提高，呈现出如下的发展趋 势【”。 1 数学模型、数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展 塑料模具c a d c a e c a m 技术的实用性，取决于数学模型的准确及数 值算法的准确。随着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述 更准确、真实。如，三维模具设计和制造软件与模拟软件的集成所i 搿新 一代塑模软件，是利用计算机集成制造技术( c i m ) 建立的注射模集成制 造系统( c i m s ) ，这种高度集成的系统应能支持模具设计与制造的全过 程，因此三维几何建模和三维模具设计与制造的应用至关重要。 2 人工智能、知识工程的运用，使用户界面更加友好 由于计算机技术及多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、 直感和直觉性，用户能已较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等 信息提示，实现简单的“傻瓜”操作。 由于计算机图形处理能力的大幅度提高及三维图形算法、图形运算 和参数化建模方法的发展，注射模软件的前后处理技术将会有新的发 展。如，复杂三维实体及相应的自适应网格划分、分析结果的实时展示、 成型过程的动态仿真等。 塑料模具技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规 范，以及大量的人类专家知识，利用模糊算法、人工智能及知识工程可 自动选择合理的方案、判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的 干涉。 3 优化理论及算法，使计算机技术“主动”地优化设计 现有的注射模技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计 方案的合理性，“优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需 要设计者的经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判 断来确定，使设计与分析过程仍带有盲目性和随机性。 利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造的有效地反问题算法， 给出明确的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分 重要。这样，可以从根本上解决依赖经验和技巧地方法和手段 4 橡胶注射模软件技术的集成化与网络化发展 随着互联网技术地普及，宽带通讯技术地突破及通讯、广播和计算 机三网融合步伐地加快，计算机及网络正从社会的各个方面改变着人类 地学习、生活 现代设计理论地应用，如并行工程等，用户将需要无缝连接的集成 化软件，具有专业特色地c a d c a e c a m c a p p p d m e r p 产品将应运而生， 逐步完成模具及成型加工全过程的模拟及控制，形成“过程工程与技术” 的关键技术。该技术基于网络环境，实时设计与制造系统的全程结合， 建立整个制造过程的研究、开发、设计、实施与控制及管理的新体系。 为适应电子商务的发展要求，塑料模具软件技术，将立足于全社会 的公开网络环境，实现异地的“协同设计”及“虚拟制造”，建立专业 化的虚拟网络服务环境，并开发相关产品，实施网上的经销、培训和服 务。 5 橡塑模具专用材料的研究与开发 模具材料选用在模具设计与制造中占有重要地位，直接影响模具成 本、使用寿命及塑料制件的质量。针对各类塑料模具的工作条件和失效 形式，为了提高模具使用寿命，并获得良好的切削加工工艺性能，国内 外模具材料工作者进行了大量的研究工作，已开发出较为完善的系列化 塑料模具专用钢，具体可分为5 种类型。 ( 1 ) 基本型如5 5 钢，使用硬度小于2 0 h r c ，切削加工性能好。但 模腔表面粗糙程度高，使用寿命低，现已被预硬型钢所代替。 ( 2 ) 预硬型在中、低碳钢中加入适量合金元素的低合金钢。其淬透 性高，加工性能好，调质后硬度为2 5 3 5 h r c ，是目前应用较为广泛的 2 通用塑料模具钢。其典型品种为3 c r 2 m o 或美国的p 2 0 钢。 ( 3 ) 时效硬化型在中、低碳钢中加入n i 、c r 、a 1 、c u 、t i 等合金 元素的合金钢，耐磨性和耐腐蚀性优于预硬型钢，经时效处理后，硬度 可达4 0 5 0 h r c 。其典型品种为2 5 c r n i 3 m o a l 或美国的p 2 1 钢、日本的 n a k 5 5 钢等，多用于复杂、精密塑料模具，或大批量生产长寿命塑料模 具 “) 热处理硬化型这类塑料模具钢经淬火和回火处理后，使用硬度 可达5 0 6 0 h r c ；模腔能达到很高的镜面程度，并可进行表面强化处理。 其典型品种为c r l 2 m o v 或美国的d 2 钢等 ( 5 ) 马氏体时效钢和粉末冶金模具钢使用于要求高耐磨性、高耐腐 蚀性、高韧性和超镜面的塑料模具。如0 6 n i 6 c r m o v t i a l 马氏体时效钢 或美国的p 3 、日本的a s p 等粉末冶金模具钢。 6 模具加工的新技术与发展 为了提高加工精度、缩短模具制造周期，塑料模成型零件的加工已 广泛应用仿行加工、电加工、快速成形制造、数控加工及微机控制加工 等先进技术，同时，也应用到坐标镗、坐标磨和三坐标测量仪等机密加 工与测量设备。模具加工技术与设备的现代化发展，推进了模具行业企 业向着技术密集、专业化和柔性化相结合、高技术与高技艺相结合的方 向发展。 1 2 橡胶注射成型模具计算机辅助设计 传统的橡塑制品开发是以尝试法完成的。模具的设计与制造主要是 依靠模具工作者的直觉和经验以及制模工人的技艺，加工的模具往往要 经过反复的调试与修正才能正式投入生产。这不仅使模具的生产周期和 新产品的开发周期延长，生产成本增加，而且难以保证产品的质量；特 别是对大型、精密模具和采用新型橡胶原料时，问题更加突出早期的 纯数学方法只能给出注射成型加工过程中各物理现象的描述，难以得到 偏微分方程组的解析，对生产实践的指导意义有限注射成型试验方法 的研究，可帮助人们了解成型机理，测出已有制品的质量，发现成型加 工中存在的不足，但无法预测出成型加工中出现的问题，仍无法避免传 统中的反复调试过程。 注射成型是相当复杂的物理过程。非牛顿的高温胶料熔体通过流 道、浇口向较低温度的模具型腔充填，熔体一方面由于模具传热而快速 冷却，另一方面因高速剪切而产生热量，同时伴有胶体阻尼流动、体积 收缩、取向、交联等过程因此全面、深刻地理解注射成型过程要有高 分子物理学、流变学、传热学、注射成型工艺学多方面的知识。显然， 3 传统的人工经验和直觉难以全面考虑这些因素。早期的纯数学方法及实 验研究也无法解决这一难题解决这一难题的关键在于使注射模的设计 与制造、注射成型工艺的制定以科学分析为基础，突破经验的束缚。 数值技术的发展和计算机技术的应用，为模拟注射过程、优化注射 工艺条件，提高模具设计与制造质量，降低生产成本。缩短模具设计制 造周期提供了有效手段模具结构的人工绘制被计算机自动绘图取代， 数据库，标准图形库的建立和使用，使设计速度提高；在模具制造前的 计算机模拟，可获得可行的或优化的模具结构参数和工艺参数；数控设 备的应用提高了模具加工的精度和效率。资料表明，应用计算机技术后， 模具的设计时间缩短5 0 ，制造时间缩短3 0 ，成本下降1 0 ，塑料 原料节省7 因此，计算机辅助设计，即c d 忙a e c a m 技术在塑料 成型加工方面的应用是提高塑料制品质量及其附加值的关键【2 j 橡胶注射模c d ，c e 厄a m 技术始于2 0 世纪6 0 年代，蓬勃发展 于加世纪8 0 、9 0 年代，进入2 1 世纪后，功能、性能方面有很多改善， 但基本的理论框架体系仍然没有大的改变。 1 橡胶注射模c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 主要功能是辅助完成模具零件设计、模具结构设计。c a d 功能的 发展层次是：完成手册、图表、计算公式的计算机化，减少设计强度： 人工智能技术辅助选料、选择工艺参数；完成塑件造型、模具结构图的 设计，并为c a e 、c a m 技术提供输入，服务于系统的集成化、网络化。 软件系统以几何造型为主，能进行图形绘制；能存储大量模具标准图及 标准组合资料，使计算机针对模具结构需要能自动选择标准件与标准图 组合；能根据胶件的形状及一定的参数自动、半自动地生成型腔和部分 模具结构。总体说来，注射模具c a d 的内容有如下几点： ( 1 ) 注射制品的几何造型采用几何造型系统，如线框造型、面造 型和实体造型，在计算机中生成注射制品的几何模型，这是注射模结构 的c a d 的第一步。由于注射制品大多是薄壁件，且又有复杂的表面， 因此常用表面造型方法来生产制品的几何造型。 ( 模腔面形状的生成在注射模具中，型腔用来生成制品外表面， 型芯用来生成制品的内表面由于塑料的成型收缩率，模具磨损及加工 精度的影响，制品的内外表面尺寸并不就是模具的型芯面、型腔面的尺 寸，两者之间需要经过比较繁琐的换算。目前流行的商品化注射模c a d 软件并未能较好地解决这种换算，因此制品地形状和模腔的形状要分别 地输入，工作量大且十分繁琐，如何由制品形状方便、精确、快捷地生 成型腔和型芯表面形状仍是当前地研究课题。 ( 3 ) 模具机构方案设计采用计算机软件来辅助计算最佳型腔数 目，引导模具设计者布置型腔，构思浇注系统、冷却系统和推出机构， 4 为选择标准模架和改计动模部装图和定模部装图做准备。 ( 4 ) 标准模架选择采用计算机软件来设计模具地前提是尽可能多 地实现模具标准化，包括模架标准化、模具零件标准化及工艺参数标准 化等。一般而言，用作标准模架选择的设计软件应具有两个功能，一是 能引导模具设计者输入本企业的标准模架，以建立专用的标准模架库： 二是能方便地从己建好的专用标准模架库中，选出在本次设计中所需的 模架类型及全部模具标准件的图形和数据。 ( 5 ) 部装图及总装图的生成根据所选定的标准模架及已完成的型 腔布置，模具设计软件以交互方式引导模具设计者生成模具部装图和总 装图。模具设计者在完成总装图时，能利用光标在屏幕上拖动模具零件 以搭积木的方式装配模具总图。 ( 6 ) 模具零件图的生成模具设计软件能引导用户根据模具部装 图、总装图以及相应的图形库完成模具零件的设计、绘图和标注尺寸。 ( 7 ) 常规计算和校核模具设计软件可将理论计算和行之有效的设 计经验相结合，为模具设计师提供对模具零件全面的计算和校核，以验 证模具结构等有关参数的正确性。 2 注射模c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 注射模c a e 是指在模具制造之前，对给定的模具结构、工艺参数 进行注射成型过程的数值模拟，以预测制品的成型质量，检查模具结构、 工艺参数是否合理。c a e 的主要特点是在设计阶段完成对设计方案的 模拟、修改，避免直接对模具实物进行修整。 注射模+ c a e 是有关产品设计、制造、工程分析、仿真，试验等信 息处理以及包括相应数据库和数据管理系统在内的计算机辅助综合系 统。数学模型、数值算法、程序代码是构成c a e 技术的基本要素。数 学模型完成注射过程各物理现象的描述，数值算法完成对数学模型的简 化求解，并通过程序实施其求解过程【5 j 。 产品造型前童e 理罔辖划分 模壁、橡料等材料参数 成型工艺参教、有限元参数教 翘曲应力分析 ，一慧茹嚣，褊髫 ；后处理( 计算结果可视化) 热膨胀系效，光学性质等 图1 1 注射模c a e 软作结构图 5 注射模c a e 的目标是通过对塑料材料性能的研究和注射工艺过程 的模拟，为制品设计、材料选择、模具设计、注射工艺的制定及注射过 程的控制提供科学依据。注射模c a e 的研究内容很广泛，主要包括： ( 1 ) 流动模拟 流动模拟的目的是预测塑料熔体经过流道、浇口、填充型腔的过程， 计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场，剪切应变率分布 以及剪切应力分布，并将这些结果以图表、等值线、阴影图等形式显示， 工程设计人员分析、评价模具设计参数和注射成型工艺条件通过流动 模拟，可帮助设计人员优化注射成型工艺参数，确定合理的浇口、浇道 数目和位置，预测所需的注射压力及锁模力，并发现可能出现的注射不 足、热降解、不合理的熔接线位置等缺陷。 ( 2 ) 保压分析 型腔顺利充满是获得合格制品的先决条件，因此流动模拟的重要性 是不言而喻的。但是型腔充满后的保压过程对制品内部结构性能、变形 和尺寸稳定性有很大的影响，因此对流动过程的模拟完成之后，有必要 对保压阶段进行深入的研究保压阶段对于提高制品的密度，减少收缩 和克服制品的缺陷有重要作用，尤其是对于厚壁制件和精密成型的情 况。保压模拟的目的是预测保压过程中型腔内熔体的压力场、温度场、 密度分布和剪切应力分布等，帮助设计人员确定合理的保压压力和保压 时间，改进浇口设计，以减少型腔内熔体体积收缩的变化保压模拟是 实现注射全过程分析的重要环节。 ( 3 ) 冷却分析 在注射成型的生产循环中，冷却占整个生产周期的2 3 以上，因此 冷却系统的设计直接影响注射生产率。冷却分析的目的是对注射模具的 热交换效率和冷却系统的设计方案进行模拟，从而获得制品表面温度分 布、热流量分布，冷却回路的热交换率及最小冷却时间等数据，帮助设 计人员确定冷却时间、冷却管路布置及冷却介质的流速、温度等冷却工 艺参数，使型腔表面的温度尽可能均匀。 ( 4 ) 缠结、取向分析 缠结、取向分析属于橡胶制品的微结构问题。注射制品的性能取决 于制品的形态结构，而形态结构又强烈的依赖于成型条件。注射成型中 熔体的流动特性在很大程度上取决于聚合物分子的取向趋势。聚合物分 子取向不仅使流动中的熔体粘度降低，而且会造成注射制品的各向异 性。 3 注射模c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 注射模c a m 与一般的机械c a m 并没有本质上的不同，只是一般 6 c a m 中增加了模具制造业的特点，是伴随随着各种新技术的发展而发 展的。模具c a m 主要是指使用计算机通过与生产资料的直接或间接接 口对模具生产中的各个工序进行计划和控制。它借助计算机完成制造过 程中各项工作，包括生产工艺准备和制造过程( 加工、装配、质量检验、 存储、运输等1 ，c a m 与c a d 的关联度很大。 目前的计算机在橡塑模制造中的应用大致可分为两类：一类是直接 应用，指计算机与制造过程直接连接，对生产过程进行“在线”监视和 控制：另一类是间接应用，计算机与制造加工设备无直接联系，以“离 线”方式辅助生产操作，如工艺准备，工艺过程设计，生产作业计划和 数控编程等。 1 3 电缆终端 现今，电能己经成为人类生活中不可缺少的能源，将电能从发电厂 输送到各用电单位，离不开电线电缆。传送大功率电能的输电线路，通 常用的是架空线和电力电缆，而传送小功率的输电线路一般属于电气装 备用电线电缆。架空线结构简单，仅仅只有导体，因而价格便宜，我国 目前远距离的输电线路都采用的是高压架空线。电力电缆比架空线结构 复杂，造价高。但是，电力电缆线问绝缘距离小，占地少，作为地下敷 设时不占空间，对人身安全，送电可靠，不容易污染环境，运行维护工 作量小，因而在大城市、人口稠密地区的输电网络和发电厂、大型工厂、 交通拥挤区等要求占地面积少又要求安全的地方，则多用电力电缆。 电力电缆及其附件的安全运行是整个电力系统安全的基本保障，而 与电缆本体相比，电缆终端的接头是薄弱环节，以往输电线路故障发生 的概率表明，电缆附件发生故障的概率大约为7 0 ，因此，电缆终端 作为关键的连接装置，其运行的好坏直接影响到电缆线路的安全运行 电缆终端无论在制造还是在运行中都应满足较高的要求：具有能满足电 缆线路在各种状态下长期安全运行的电气绝缘结构；具有良好的密封 性，能承受一定的机械应力；能经受电气设备交接验收试验标准所规定 的交直流耐压试验，己投入运行的电缆终端必须要求各处泞体连接良好 等。虽然制造部门和运行部门总是千方百计地提高电缆终端的质量，但 由于电缆终端本身结构、制作和连接以及运行条件的复杂性，各种故障 总是频繁发生。 1 3 1 电缆终端的概况 电力电缆终端是安装在电缆末端，以保证电缆与系统其它部分的电 气连接，并维持绝缘直到连接点的终端装置。 7 电缆端部的电场分布比电缆绝缘层内的分布要复杂得多，电场集中 在靠近金属护套边缘，并具有很大的轴向分量，这就要求电缆附件具有 较好的绝缘性能。为了保证终端头与电缆有相同的电气强度，必须采取 措施，或提高其电气强度如增加终端头的绝缘厚度；或改善其电场分 布，如装置屏蔽环以降低电场的集中；或采用电容式终端头，增加电缆 终端绝缘的表面电容，使电场沿轴向呈均匀分布。于是，针对电缆终端 的可靠性设计，国内外许多公司都进行了大量的尝试。电缆终端的主要 品种为户外终端、气体绝缘终端( g i s ) 及油浸终端( 安装于变压器油 箱内) 目前1 1 0 k v 3 4 5 k v 等级的终端主要型式为预制橡胶应力锥终 端。日本古河公司输出用于丹麦哥本哈根市电网工程的4 2 0 k v x i p e 电 缆户外终端与g i s 终端均为预胶应力力锥结构，其雷电冲击电压试验耐 受水平为1 4 2 5 k v ，荷兰n 埝司4 0 0 k vx i j e 电缆户外终端与g i s 终 端采用插接预胶应力锥( c l i c k - f i t 专利技术) ，其雷电冲击试验电压为 1 4 2 5 k v ，操作冲击试验电压1 0 5 0 k v 。 在我国，各电力工程单位倾向于采用预模制附件。这是由于预模制 附件现场安装方便，安装时问较短，并可保证附件质量的一致性；其关 键部件如橡胶应力锥均在工厂内加工制成，并在出厂前经受严格的检 验，因此安装后的预模性能较少受到工人安装技能的影响。世界各国电 缆附件技术发展的过程及发展方向理应成为我国电缆生产的借鉴、技术 创新的阶梯。 1 3 2 电缆终端的分类 从电缆终端使用的绝缘材料来分终端的类型主要有一类、二类、三 类终端三种。 一类终端是指高压极与接头极之问以无机材料作为外绝缘并具有 容纳绝缘浇注剂的防潮密封盒体的终端。 二类终端是指具有容纳绝缘浇注剂的防潮密封盒体的终端( 如尼龙 头、手套、瓷手套、铅手套、环氧树脂套、酚醛树脂、户内、户外终端) 。 三类终端是指以高分子材料制作的终端，包括现场制作的( 如绕包 式、浇注式) 和工厂预制现场装配的( 如预制件装配式、热收缩式及冷 收缩式) 终端。 从电场应力分布的控制方式来分类，电缆终端结构主要有5 种结构 形式： ( 1 ) 增绕绝缘式，通过增绕绝缘电缆终端处的等效半径增大，从而 减小了金属护套边缘最大的场强。 ( 2 ) 电容控制式，又分电容饼式和电容锥式。电容控制式终端是在 8 电缆终端上附加一些电容极板，强制电场分布均匀，充分利用电缆终端 的长度，以缩短整个终端的长度。 ( 3 ) 非线性半导电材料控制式，通过在绝缘表面涂一层非线性的半 导电材料来改变不同绝缘层表面电位的趋同，进而改善电场的分布。 ( 4 ) 变介电常数材料控 目式，通过在绝缘层表面涂一层变介电常数 的材料来改变绝缘层表面电容的大小，进而改善电场的分布这是一种 新兴的方法，目前正处于研究中 ( 5 ) 阻容控制式，通过在绝缘层表面采用半导电材料和高介电常数 的材料结合来控制电场的分布 1 3 3 发展趋势 在高压电缆终端设计中，有多种不同的电缆终端，但本质都是利用 不同的材料和结构来尽量改善电缆终端的电场分布其中，电缆终端采 用非线性半导电材料的结构来改善电缆终端的电场分布代表最新电缆 终端发展的趋势。 1 4 本研究的意义及主要研究内容 1 4 1 选题的意义 本文是结合吉林省科学技术厅科技计划项目。电缆终端是电缆线路 中电场应力集中、复杂和绝缘较差的部位，事故多发于此电缆终端多 使用在环境较恶劣的工矿环境下，在电缆屏蔽的末端处，由于电场的集 中，导致了屏蔽末端处的电场强度急剧增大，这也从一方面反映了电缆 终端发生故障率高的原因每次故障的发生，由于电缆终端放电、击穿 等原因造成的火灾和人身安全事故时有发生，常造成大面积的停电事 故，其直接或间接经济损失很大。因此，为了保证电力系统的安全运行， 研究电缆终端的故障原因、破坏机理及相应的改善电缆终端的设计就显 得十分重要。故提出了以硅橡胶冷收缩材料为主体制造电缆终端使其能 够有效的适应以上的使用环境要求。通过对电缆终端模具的计算机辅助 设计从而提高电缆的生产率、改善质量且适应了国内电缆附件产品系列 化、标准化的发展趋势，并保证电缆终端能有效的适应不同环境的要求。 电缆终端通常是由硅橡胶压缩或注射而成。由于终端头的复杂外 形、流动性和收缩率等因素的影响，正确地计算加料体积，对减少废品 和降低成本是一个重要的问题。 硅橡胶材料有优异的耐老化性能和电绝缘性能及机械性能，能满足 电力设备外绝缘的基本要求，在此领域的应用已获得成功并展现良好发 9 展前景。硅橡胶材料在电力设备外绝缘的应用上不仅具有技术性能优 势，而且在超高压领域具有价格优势，它将对电瓷产品在此领域的统治 地位提出强有力挑战与一般压缩件相比较，终端头具有形状复杂，结 构尺寸小的特点 1 4 3 主要研究内容 ( 1 ) 设计3 5 k v 应力锥的硅橡胶注射成型模具； ( 2 ) 通过对电缆终端进行参数化设计以形成一系列的产品，并实现 其参数化设计： ( 3 ) 利用a n s y s 对不同电压电缆终端进行电场分析。 1 0 第二章电缆终端应力锥的注射模设计 2 1 注射成型 注射是将粉状或颗粒状固体树脂转变为粘性液体或熔体，熔体在压 力作用下，通过喷嘴进入模具型腔，经过冷却定型后形成塑料制品。 1 注射的优点有： 。 生产效率高。如，大屏幕电视机外壳需1 r a i n ，若小型制品则 一模可打数百个型腔； 所需的劳动力相对较低。一个操作工常常可以看管两台或更多 的及其，特别是当塑件可以自动卸到输送带时更甚； 制品无需修整或仅需少量修整，如可以消除飞边，自动切除浇 注系统等： 设计灵活( 光洁度、颜色、嵌件、材料) ，通过共注可成型多于 一种以上的材料，可以有效地成型表皮硬而心部发泡地材料，可以成型 热固型塑料和纤维增强塑料； 废料损耗最小，对于热塑性塑料，浇注系统可以在利用； 可以成型形状复杂的制品，模具的机构、加工模具的刀具起着 决定的作用： 可以得到狭窄额公差，现代微机控制，加上精密的模具和精密 的液压系统，可使积公差达到1 a n ( 如果没有高水平的操作工人不断 地看管则不行) ； 可以充分利用聚合物独特地属性，如流动性、质轻、透明、耐 腐蚀等，从每天使用的塑料制品数量和种类可以得到证明”1 。 2 注射成型的基本过程 完整的注射成型工艺过程包括：成型物料准备( 预处理) 、注射机 上成型和成型所得制品的热处理和调湿处理( 后处理) 三个大的阶段， 多数情况下，注射机上的成型是决定制品质量的关键。 注射件的生产工艺流程如图2 1 所示： 图2 1 注射件生产工艺流程图 1 1 2 2 应力锥 2 2 1 电缆终端产品应力锥 电缆与其他电气设备相连接时，需要有一个能满足一定绝缘与密封 要求的连接装置，该装置叫做电缆终端头 终端头通常是由硅橡胶压缩或注射而成。由于终端头的复杂外形、 流动性和收缩率等因素的影响，正确地计算加料体积，对减少废品和降 低成本是一个重要的问题 硅橡胶材料有优异的耐老化性能和电绝缘性能及机械性能，能满足 电力设备外绝缘的基本要求，在此领域的应用已获得成功并展现良好发 展前景硅橡胶材料在电力设备外绝缘的应用上不仅具有技术性能优 势，而且在超高压领域具有价格优势，它将对电瓷产品在此领域的统治 地位提出强有力挑战与一般压缩件相比较，终端头具有形状复杂，结 构尺寸小的特点其精度及表面粗糙度要求为；1 ) 一般要求压缩件精 度最好低于1 0 级；2 ) 压缩件的表面粗糙度r a 一般在1 2 5 l jm 以上。 2 2 2 硅橡胶材料特性 硅橡胶是一种直链状的高分子量的聚硅氧烷，是一种分子键兼具无 机和有机性质的高分子弹性材料，由硅原子和氧原子交替组成 ( - - s i o - s i - ) 硅氧键的键能达3 7 0 k j m 0 1 分子量一般在1 5 万以上， 它的结构形式与硅油类似。根据硅原子上所链接的有机基团不同，硅橡 胶有二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基硅橡胶、氟硅橡胶、 腈硅橡胶、乙基硅橡胶乙基苯撑硅橡胶等许多品种。 构成硅橡胶主链的硅氧键的性质决定了硅橡胶具有天然橡胶及其 他橡胶所不具备的优点，它具有最广的工作温度范围( 一1 0 0 3 5 0 ) ， 耐高低温性能优异，此外，还具有优良的热稳定性、电绝缘性、耐候性、 耐臭氧性、透气性、撕裂强度，优良的散热性以及优异的粘接性、流动 性和脱模性，一些特殊的硅橡胶还具有优异的耐油、耐溶剂、耐辐射及 在超高低温下使用等特性在使用温度范围内，硅橡胶不仅能保持一定 的柔软性、回弹性和表面硬度，机械性能也无明显变化，而且能抵抗长 时间的热老化。 由于硅橡胶特殊的性能，可用于模压高电压缘子和其他电子元件。 硅橡胶具有极好的耐漏电起痕性和很高的电阻率且在很宽的温度和频 率范围内其阻值保持稳定；普通橡胶在电晕放电产生的臭氧作用下迅速 降解，而硅橡胶则不受臭氧影响。且长时间在紫外线和其他气候条件下， 其物性也仅有微小变化，成为户外主要使用的密封材料；硅橡胶还具有 较好的耐寒性和耐热性：硅橡胶在一6 0 度一7 0 度时仍具有较好的弹性， 某些特殊配方的硅橡胶还可承受极低温度；硅橡胶比普通橡胶具有好得 多的耐热性，可在1 5 0 度下几乎永远使用而无性能变化；可在2 0 0 度下 连续使用1 0 0 0 0 小时；在3 5 0 度下亦可使用一段时间；同时硅橡胶对高 压电晕放电和电弧放电具有很好的抵抗性，且具有优良的脱模性，使得 它广泛应用在各个领域。正是由于硅橡胶的优异的电学性能和较高的性 价比，使其逐渐成为电缆行业的主要原材料硅橡胶终端的发展，随着 硅橡胶在电气绝缘领域的成功使用，人们开始把硅橡胶的应用拓展到电 缆终端的外绝缘领域。首先人们采用硅橡胶复合套管代替瓷套作为户外 终端的外绝缘。复合套管重量轻，有优良的防爆性，它能保证周围的人 员和设备的安全。在国外最先出现的是增绕绝缘式终端，该种终端首先 应用在油浸纸绝缘的电力电缆中，在电缆终端的绝缘层的表面，增绕多 层绝缘纸作为增绕绝缘，其结构图如图2 2 所示 一 图2 2 增绕绝缘式终端 从图2 2 中可以看出从铅套边缘到增绕绝缘外表面中间有一个过度表 面，即为应力锥由于硅橡胶产品的优良特性上世纪9 0 年代末，一种 新型的全预制干式合成绝缘户外电缆终端问世，这种新型的户外终端是 集应力锥、衫裙和绝缘层于一体，成为一个整体预制件这种结构极大 地简化了终端的安装工序，即在通常处理完成的电缆端头上压接好接线 杆，然后将整个终端预制件套入到电缆终端绝缘上即成瑞士n e x a n s 公司首先开发了该类型的产品，其终端产品如图2 - 3 所示。 1 3 图2 3 全干式软性合成绝缘户外终端 2 2 3 应力锥主要性能要求： 应力锥主要性能要求： 1 表面质量： 应力锥特别是内部表面，不允许有波纹、皱纹、凹痕、边缘拉痕及 其他破坏表面完美的缺陷内表面要求两个件的衔接处轮廓线不允许参 差不齐，必须完全吻合； 2 符合要求的几何尺寸和曲面形状； 应力锥的形状复杂，立体曲面多，其几何尺寸和曲面形状必须符合 图纸和主模型的要求； 3 良好的工艺性，无气泡和尖突； 4 要有足够的机械强度，能适应各种运行条件 2 3 应力锥注射模具工艺分析 电缆终端应力锥的形状比较复杂，尺寸不大，但内壁精度要求比较 高，材料为硅橡胶，弹性和韧性都很好。 本文所要求的应力锥如图所示： 1 4 圈2 4 应力锥零件图 工艺参数的确定： 1 胶料原料体积计算 胶料制件体积：v r = 4 0 4 7 8 ( 皿n 3 ) 硅橡胶收缩率：k ；2 模具型腔体积：v r = v 以1 - 目= v 巩1 2 ) = 4 1 3 0 4 ( m m 3 ) 2 锁模力的计算 锁模力是指压缩塑件时所需的压力，选定压力机的时候必须保证压 力机额定压力大于理论成型压力锁模力的计算公式为： f = a n k p 1 0 0 0 其中，单个型腔的投影面积a - - 4 5 2 3 9 ( m m 2 ) 型腔的数量n = 4 压力系数k 选1 1 根据塑件形状、型腔结构、压缩工艺以及使用的塑料选用的单位压 强p = 2 0 m p a 得出f = 4 5 2 3 9 4 x1 1 2 0 1 0 0 0 = 3 9 8 1 ( k n ) 3 卸料力、推件力 由于制件是硅橡胶制件，尺寸不大，且硅橡胶成型以后很柔软，弹 性非常好，为了节省生产成本，采用人工卸料，略去卸料推件装置。 4 流道的设计 平衡即是保证流过多腔模具的每个浇口，并( 或) 经过每个浇口( 如 果不止一个浇口) 进入每个模腔的塑料流量实际上相等的。到达所有的 浇口的塑料应具有相月的压力和温度，这样一个模具生产的所有制品才 会具有一直的性能。 要达到平衡，有好几条思路。多年来，人们喜欢把胶料入口处( 注 道) 其实的所有流道，对称布置到达各个浇口这对于某些设计来说是 相当容易的( 特别是模腔数较少的情况) ，但当模腔数很多时这样做就 难以行得通了另外，即使几何尺寸都是对称的，也可能难以实现理想 的平衡流动，这是因为： 流道中的胶料熔流在分配到分流道的每个分配点处都会发生变 化，并且这取决于在变化点处塑料熔流改道的数量； 熔体的流动取决与机加工的精度和流道的粗糙度； 流道周围钢材的不均匀加热和冷却会造成流道内的温度差别； 浇口存在制作公差； 某些树脂的流动对方向改变十分敏感，通常在一个流道系统中绕 几个弯就会造成不均匀流动，那么对于多腔模具来说要做出平衡 流道实际上是不可能的； 不均匀的排气会影响到模腔的填充； 成型面的质量差别会影响流动； 如今常用的方法是近似平衡。即只建立一个尽可能做到平衡的几何 方案，但不进行复杂的构型。其理论是，在最后的分流道处，即使不能 实现真正的平衡，进入浇口的流量和压力的差异也是很小的，并在可接 受的范围之内，因此制品的质量显然不受影响这一方法常用于加工日 用塑料( p p 、p e 或p s ) 制品的多腔热流道模具，或在高速高压注射时 用于某些冷流道模具。通常，流道应尽可能的短，并尽可能地做到实际 上的平衡。 对于流道的长度应尽可能的短，以减少塑料用量，但又必须足够长 以满足其他条件的要求流道的截面应尽可能的小，但仍要适于塑料流 动的要求，有些情况可以做成特殊的形状来满足要求。其中的圆形截面 能够为最小的塑料用量提供最大的流动面积，而且通常在两板模具中使 用 由于本文中采用的采用的是4 腔模具的布局，故采用x 形流道，其 优点是其流道较短( 并且较轻) 流道及流道布局的具体如图2 4 所示。 图2 5 流道的布局 5 模具的精度要求 模具中决定塑件几何形状和尺寸的零件称为成型零件，包括凹模、 型芯、成型杆和成型环等。成型零件工作时，直接与塑料接触，塑料熔 体的高压、料流的冲刷，脱模时与塑件间还发生摩擦。因此，成型零件 要求有正确的几何形状，较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，此外， 成型零件还要求结构合理，有较高的强度、刚度及较好的耐磨性能。 设计成型零件时，应根据塑料的特性和塑件的结构及使用要求，确 定型腔的总体结构，选择分型面和浇口位置，确定脱模方式、排气部位 等，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求进行成型零件结构 设计，计算成型零件的工作尺寸，对关键的成型零件进行强度和刚度校 核【1 5 1 。 确定工作尺寸除根据塑件尺寸及精度要求外，还必须考虑下列影响 塑件尺寸精度的因素： 1 成型零件的制造公差6 。； 2 成形零件的磨损量6 。； 3 成型收缩率s ； 对于成形零件工作尺寸主要按平均收缩率计算。 各种参量的定义： q 0 一平均收缩率 一成形零件制造公差( 蛐) 1 7 6 ，一模具制造公差 对于中小型塑件 取6 ：= 6 。 ， 模具精度按七级精度制造，公差为a - 0 0 6 则a = 必= o 0 6 x = 0 0 2 6 分型面的设计 分型面的总体选择原则是：保证塑件质量、便于制品脱模和简化模 具结构。 具体包括以下几条： 分型面位置硬设置在塑件截面尺寸最大的部分，便于脱模和加工 型腔，这是分型面选择的首要原则； 有利于保证塑件尺寸精度； 有利于保证塑件的外观质量； 考虑满足塑件的使用要求，选择分型面时应从使用角度避免工艺 缺陷影响塑件功能； 尽量方便浇注系统的布置； 有利于排气； 尽可能将塑件留在动模一侧，易于设置和制造简便易行的脱模机 构； 考虑锁模力，尽量见效塑件在分型面的投影面积； 考虑侧向抽拔距； 综合考虑以上分型面的选择原则，选择如图2 3 所示的分型面： 分鲥 图2 6 应力锥分型面 1 8 由所选分形面得到的应力锥模具爆炸图如图2 7 所示， 图2 7 应力锥开模图 由分形面得到的凸凹模如图2 8 ，2 9 所示 图2 8 凸模 图2 9 凹模 7 成型零件的加工工艺以及试模与修模 成型零件结构设计完后，就要开始零件的下材料和加工制作等。由 于此电缆终端的材料的主要成分是硅橡胶，无毒无腐蚀性，要求有较好 的力学性能，能有抗冲击强度，较强的绝缘性能等，因此其成型零件的 材料的各种性能要求相当好，并且必须进行热处理，提高它们的硬度。 本套模具的成型零件都采用一种牌号叫s 1 3 6 _ h 的瑞典进口模具钢。它 是一般模具钢材中性能最好也是价格比较昂贵的一种它是一