CC BY
34
УДК 669.24:539.8
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1282-1285
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОПАРНОГО КАБЕЛЯ С МИНЕРАЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
© В.В. Рубаник, Ю.В. Царенко
Институт технической акустики НАН Беларуси, г. Витебск, Республика Беларусь,
e-mail: [email protected]
Установлено, что волочение термопарного кабеля с наложением ультразвуковых колебаний позволяет существенно снизить шероховатость поверхности термоэлектродных жил, при этом формировать более однородное сечение проводников по длине изделия. Использование ультразвуковых колебаний при волочении кабельной заготовки повышает как производительность процесса изготовления, так и качество готового изделия. Ключевые слова: термопарный кабель; ультразвук; порошковая изоляция; волочение.
Термопарные кабели с минеральной изоляцией (рис. 1а) получают путем многократных циклов волочения и термообработки заготовки. При волочении сначала обжимается оболочка и происходит уплотнение изоляционного материала. Затем, когда плотность достигнет некоторого значения, начинается процесс волочения всей системы в целом, т. е. происходит пропорциональное уменьшение внешнего диаметра и сечения жил с одновременным удлинением заготовки. Неоднородность поверхности жил и изменение их диаметра зависит от физико-механических свойств как материала жил, так и свойств порошкового наполнителя. Это приводит при последующем волочении, особенно кабеля малого диаметра, к обрывам жил, а также к нестабильности электро-физических свойств, преждевременному выходу из строя термопреобразователей, изготовленных из термопарного кабеля [1-2].
При волочении кабельной заготовки происходит перемещение частиц порошковой изоляции (оксида магния) и их дробление. Деформирование жил происходит под действием сил, передаваемых через слой порошкового наполнителя. В результате на поверхности жил образуются вмятины (шероховатости), формируется значительная неоднородность по сечению заготовки (рис. 1б).
Рис. 1. Поперечное сечение термопарного кабеля (а), общий вид термоэлектродной жилы (б)
ъ
Рис. 2. Поперечное сечение 4-жильного термопарного кабеля (а), сечение термоэлектродной жилы (б)
Из рис. 2 видно, что цилиндрическая форма жилы сдвоенного термопарного кабеля внешним диаметром 2,8 мм значительно искажена. Средний диаметр термоэлектродов кабеля на этом размере составлял 0,4 мм.
Ранее установлено [3-4], что наиболее интенсивно дробление порошка происходит после волочения заготовки с наложением ультразвуковых колебаний, что обеспечивает снижение обрывности жил. При волочении термопарного кабеля с наложением ультразвуковых колебаний формируется поверхность термоэлектродных жил с низкой шероховатостью, наблюдается более однородное сечение проводников по длине изделия (рис. 3).
Неоднородность поверхности жил (площадь и глубина вмятин) зависит от физико-механических свойств как материала жил, так и порошкового наполнителя и в особенности его гранулометрического состава. Это приводит при последующем волочении, особенно кабеля малого диаметра, к обрывам жил, а также к нестабильности термоЭДС. Переход к порошкам, обладающим меньшими размерами частиц, например, окиси магния марки «ЧДА», получаемой химическим способом, в значительной степени устраняет указанные недостатки [2].
Рис. 3. Продольное и поперечное сечение термоэлектродной жилы термопарного кабеля КТМС после волочения с 3,5 мм на 1,5 мм с использованием заводской технологии (а, в) и наложением ультразвуковых колебаний (б, г)
Для повышения электрофизических свойств готового изделия, а также качества кабельной заготовки предложен способ изготовления кабеля с порошковой минеральной изоляцией [5], при котором в трубчатую оболочку помещают токопроводящие жилы, оболочку кабеля заполняют с наложением ультразвуковых колебаний амплитудой от 15 до 20 мкм смесью порошков из частиц крупной и мелкой фракции, соотношение между размерами частиц каждой фракции составляет от 7 до 15, содержание более мелкой фракции в смеси составляет от 25 до 40 % объема.
Предварительно крупная и мелкая фракции порошка тщательно перемешиваются. Для получения высоких электрических свойств и предохранения заготовки от увлажнения изоляционная масса засыпается при температуре около 100 °С. Применение двух фракций порошка с размерами частиц, отличающимися в 7.. .15 раз, позволяет обеспечить максимально плотную засыпку в оболочку кабеля [3; 5]. Смешивание различных фракций порошковой изоляции проводили с использованием ультразвуковых колебаний, в режиме акустической кавитации, путем диспергирования их в водной среде. Данный процесс обеспечивал производительность и позволял получить наиболее равномерное распределение мелкодисперсной фракции окиси магния в объеме изоляционного порошка. Засыпка более мелких фракций порошка затруднена из-за высокой способности их к комкованию. Оптимальное массовое содержание мелкой фракции в смеси составляет 25.40 %, при данном соотношении наблюдается наиболее полное заполнение пустот между крупными частицами при засыпке порошка в оболочку кабеля. При возбуждении при засыпке ультразвуковых колебаний порошок, находясь в контакте с вибрирующей поверхностью стенок трубы, свободно перемещается, причем скорость движения порошка значительно увеличивается по сравнению с процессом в обычных условиях. Это обусловлено тем, что силы трения, возникающие между движущимися частицами порошка и поверхностью трубы и токопроводящих жил, при воздействии ультра-
звуковых колебаний существенно снижаются. Эксперименты показали, что оптимальное значение амплитуды ультразвуковых смещений при засыпке составляет 15.20 мкм. При меньших амплитудах смещений сыпучесть порошка повышается незначительно. При больших амплитудах не обеспечивается необходимая плотность засыпки порошка в заготовке вследствие его разрыхления, что приводит затем к нарушению конструкции кабеля при последующем волочении.
На рис. 4 представлены фотографии порошка пе-риклаза электротехнического после волочения термопарного кабеля. Средний размер частиц периклаза после деформации кабеля с ультразвуком составлял 3.10 мкм, при этом вследствие дробления образуется некоторое количество изоляционного порошка с размерами менее 1,0 мкм.
После засыпки изоляции заготовка подвергается волочению и последующему отжигу при температуре 1000 °С в проходной печи. При волочении сначала обжимается оболочка и происходит уплотнение изоляционного материала. Затем, когда плотность изоляционного материала достигает определенного значения, начинается процесс волочения всей системы в целом. В процессе волочения пропорционально уменьшаются диаметр и толщина оболочки кабеля, а также токопро-водящих жил, при этом плотность порошковой изоляции достигает своего оптимального значения. Волочение заканчивается, как только диаметр оболочки кабеля достигнет заданного значения.
Пробивное напряжение кабелей с магнезиальной изоляцией зависит от плотности изоляции. В изогнутом состоянии плотность изоляции уменьшается, возможно образование трещин, которые снижают пробивное напряжение. При пробое кабеля напряженность электрического поля в магнезиальной изоляции при нормальном ее состоянии равна примерно 6 кВ/мм, а при изогнутом состоянии изоляции эта напряженность уменьшается до 3 кВ/мм.
Поскольку термопарные кабели с минеральной изоляцией получают путем многократных циклов волочения и термообработки исходной заготовки, что приводит к неоднородности жил по длине, особенно кабелей малого диаметра, к обрывам жил, а также к нестабильности электрофизических свойств, преждевременному выходу из строя термопреобразователей, изготовленных из термопарного кабеля [2; 4]. Характерные дефекты термоэлектродных жил после многочисленных циклов пластической деформации кабеля представлены на рис. 5.
Рис. 4. Порошковая изоляция кабеля после волочения на размер 2,0 мм
Рис. 5. Несплошности в материале термоэлектродных жил термопарного кабеля, полученного по заводской технологии (а, б) и волочением с применением ультразвуковых колебаний (в, г). Продольное сечение жилы - а, в; поперечное сечение жилы - б, г
На жилах кабеля, полученного по обычной технологии (рис. 5а, 5б), наблюдаются значительные несплошности, размеры их достигают 10 мкм в длину и глубиной около 2,0 мкм. После волочения термопарного кабеля с наложением ультразвуковых колебаний размеры дефектов значительно меньше, их размеры не превышают 1,0 мкм. Кроме того, следует отметить, что ультразвуковые колебания были использованы при волочении заготовки с диаметрами от 3,5 до 2,0 мм.
Разработан способ подготовки к волочению кабельной заготовки в металлической оболочке с порошковой изоляцией [6], позволяющий снизить обрывность переднего конца заготовки при волочении, а также уменьшить количество операций по подготовке заготовки к волочению.
Таким образом, из анализа результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что использование ультразвуковых колебаний при волочении кабельной заготовки позволяет повысить как производительность процесса изготовления, так и качество готового изделия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сучков В.Ф., Светлова В.Н., Финкель Э.Э. Жаростойкие кабели с минеральной изоляцией. М.: Энергоатомиздат, 1984. 120 с.
2. Клубович В.В., Рубаник B.B., Царенко Ю.В. Ультразвук в технологии производства композиционных кабелей. Минск: Беларус. навука, 2012. 293 с.
3. Рубаник В.В., Царенко Ю.В. Применение ультразвука для повышения служебных характеристик жаростойких кабелей // 21 Петербургские чтения по проблемам прочности. Санкт-Петербург, 15-17 апреля 2014 г.: сборник материалов. СПб.: Соло, 2014. С. 227-229.
4. Царенко Ю.В., Бобров В.П. Влияние деформационного воздействия на параметры термопарного кабеля с минеральной изоляцией // Перспективные материалы и технологии: сборник материалов Международного симпозиума, 27-29 мая 2015 г. Витебск: ВГТУ, 2015. С. 55-57.
5. Царенко Ю.В., Рубаник В.В. Способ формирования порошковой изоляции кабеля: пат. 19682. Республика Беларусь, МПК7 H 01B 13/00/; заявитель ИТА НАН Беларуси; опубл. 30.12.15.
6. Царенко Ю.В., Рубаник В.В. Способ подготовки к волочению кабельной заготовки в металлической оболочке с порошковой изоляциеи: пат. 19114 Республика Беларусь, МПК7 B 21C 5/00/; заявитель ИТА НАН Беларуси; опубл. 30.04.15.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 669.24:539.8
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1282-1285
EFFECT OF ULTRASONIC TREATMENT ON THE PARAMETERS OF A THERMOCOUPLE CABLE WITH MINERAL INSULATION
© V.V. Rubanik, Y.V. Tsarenko
Institute of Technical Acoustics NAS of Belarus, Vitebsk, Republic of Belarus, e-mail: [email protected]
It is established that lug thermocouple cable superimposed ultrasonic vibration can significantly reduce the surface roughness of the thermocouple conductors, thus forming a more uniform wire cross section along the length of the product. The use of ultrasonic vibrations during drawing cable preform enhances both productivity of the manufacturing process and the quality of the finished product. Key words: thermocouple cable; ultrasound; powder insulation; drawing.
REFERENCES
1. Suchkov V.F., Svetlova V.N., Finkel' Je.Je. Zharostojkie kabeli s mmeral'noj izoljaciej. Moscow, Energoatomisdat Publ., 1984. 120 p.
2. Klubovich V.V., Rubanik B.B., Carenko Ju.V. Ul'trazvuk v tehnologii proizvodstva kompozicionnyh kabelej. Minsk, Belorusskaja nauka Publ., 2012. 293 p.
3. Rubanik V.V., Carenko Ju.V. Primenenie ul'trazvuka dlja povyshenija sluzhebnyh harakteristik zharostojkih kabelej. 21 Peterburgskie chtenijapoproblemamprochnosti. St. Petersburg, Solo Publ., 2014, pp. 227-229.
4. Carenko Ju.V., Bobrov V.P. Vlijanie deformacionnogo vozdejstvija na parametry termoparnogo kabelja s mineral'noj izoljaciej. Sbornik
materialov "Mezhdunarodnogo simpoziuma Perspektivnye materialy i tehnologii". Vitebsk, Vitebsk State Technological University Publ., 2015, pp. 55-57.
5. Carenko Ju.V., Rubanik V.V. Sposob formirovanijaporoshkovoj izoljacii kabelja. Patent 19682 Republic of Belarus, no. MPK7 H 01B 13/00/, 2015.
6. Carenko Ju.V., Rubanik V.V. Sposob podgotovki k volocheniju kabel'noj zagotovki v metallicheskoj obolochke s poroshkovoj izoljaciej. Patent 19114 Republic of Belarus, no. MPK7 B 21C 5/00/, 2015.
Received 10 April 2016
Рубаник Василий Васильевич, Институт технической акустики НАН Беларуси, г. Витебск, Республика Беларусь, доктор технических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, директор института, e-mail: [email protected]
Rubanik Vasiliy Vasilevich, Institute of Technical Acoustics NAS of Belarus, Vitebsk, Republic of Belarus, Doctor of Technics, Corresponding Member of the NAS of Belarus, Director of Institute, e-mail: [email protected]
Царенко Юрий Валентинович, Институт технической акустики НАН Беларуси, г. Витебск, Республика Беларусь, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной и инновационной работе, e-mail: [email protected]
Tsarenko Yuriy Valentinovich, Institute of Technical Acoustics NAS of Belarus, Vitebsk, Republic of Belarus, Candidate of Technics, Associate Professor, Deputy Director for Scientific and Innovative Work, e-mail: [email protected]
