УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛИТЦЕКРУТИЛЬНОЙ МАШИНЫ КАБЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможный путь решения актуальной задачи кабельного производства - повышение эффективности технологического процесса путем модернизации системы управления технологическим оборудованием путем разработки интеллектуальной системы, позволяющей повысить надежность технологии в целом. В качестве объекта исследования было выбрано крутильное оборудование для осуществления технологии скрутки, а именно литцекрутильная машина. Данное оборудование применяется в производственном процессе изготовления кабельно-проводниковой продукции, в частности производство кабельного полуфабриката – стренг. Проделанная работа по модернизации литцекрутильной машины за счет внедрения интеллектуализированной системы управления позволила получить результаты обеспечивающие высокую гибкость технологии, которая должна соответствовать современным требованиями качества готовой кабельной продукции.

ABSTRACT

The article discusses a possible way to solve the actual problem of cable production - increasing the efficiency of the technological process by modernizing the control system of technological equipment by developing an intelligent system that improves the reliability of the technology as a whole. As an object of study, twisting equipment for the implementation of the twisting technology, namely the twisting machine, was chosen. This equipment is used in the production process for the manufacture of cable and wire products, in particular, the production of cable semi-finished products - strands. The work done on the modernization of the twisting machine through the introduction of an intelligent control system made it possible to obtain results that provide high technology flexibility, which must meet modern quality requirements for finished cable products.

Ключевые слова: кабельно-проводниковая продукция, крутильное оборудование, литцекрутильная машина, стернга, система управления, элементарная проволока, функциональная схема, структурная схема, параметры технологии, технология скрутки, надежность, эффективность.

Keywords: cable and wire products, twisting equipment, twisting machine, strand, control system, elementary wire, functional diagram, block diagram, technology parameters, stranding technology, reliability, efficiency.

В технологии изготовления кабельно-проводниковой продукции особое место занимает технологическая операция – скрутка, качество выполнения которой во многом определяет эксплуатационные параметры готового кабельного изделия.  

Неотъемлемой конструктивной частью любого кабеля и провода является скрученные элементы конструкции: стренга, токопроводящая жила, сердечник, которые обеспечивают поддержание круглой формы готового кабельного изделия.

Высокое качество выполнения рассматриваемой технологической операции определяется эффективностью и точностью работы технологического крутильного оборудования. В зависимости от конструктивного исполнения рабочего узла технологическое крутильное оборудование делится на: фонарные (клетьевые), дисковые, сигарные, бугельные, рамочные (литцекрутильные) и универсальные (Drum Twister) крутильные машины. Благодаря большому разнообразию видов машин в технологическом процессе они осуществляют как скручивание стренг, ТПЖ, заготовки кабелей и проводов из голых (элементарная проволока) и изолированных жил, в зависимости от конструкции кабеля.

Обеспечение эффективности технологического процесса скрутки для элемента кабельного изделия определяется параметрами технологии: диаметр жилы, число скручиваемых жил, тип скрутки, диаметр по скрутке, шаг скрутки, сечение жилы, сечение изделия по скрутке, размеры отдающих барабанов с жилой, вытяжка, обжатие скрученного изделия, тянущая сила, линейная скорость, требования к скрученной заготовки (скрутка с откруткой/без открутки), требуемая производительность по отдельно взятой  операции. При этом, каждый вид крутильной машины специализируется на изготовление только одного, определенного конструктивного элемента кабельного изделия. Учитывая тот факт, что операция скрутка несколько раз выполняется при изготовлении номенклатурной единицы кабельно-проводниковой продукции, то решение вопроса по повышению эффективности рассматриваемой технологии является актуальной задачей.

Особый интерес в изучении крутильного технологического оборудования для нас представляют рамочные, литцекрутильные машины, на которых осуществляется изготовление стренг для токоведущей жилы кабельно-проводниковой продукции (рис. 1).

Стренга (рис. 1) представляет собой токопроводящую жилу (3), состоящую из множества проволок (1), скрученных между собой в повивы (2). Отличительной особенностью стренг, является то, что они выполнены из медного неизолированного проводника и обладают высокой гибкостью, благодаря своему конструктивному решению. Количественно токоведущая жила содержит от нескольких стренг до 20÷40 шт, что обеспечивает высокие требования к механическим параметрам токоведущей части кабеля, т.к.  каждый последующий виток имеет увеличение по шагу скручивания, определяемый конструкцией готового кабельного изделия.

Рисунок 1. Стренга: 1 – проволока; 2 – повив проволок; 3 – токоведущая жила

Вопросами повышения эффективности технологии изготовления кабельно-проводниковой продукции на протяжении многих лет занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Пешков И.Б., Ларин Л.Т., Бульхин К.А., Мясежник Я.Б., Блейхман В.С., Ахмедов О.Ш. Однако, все они на прямую не рассматривали вопросы расширения технологических возможностей лицекрутильных машин и повышения качества изготовляемого номенклатурного изделия, от которых зависит эффективность всей технологии в целом.

Растущее требования к технологическому процессу ставят задачу перед производственной службой кабельного предприятия, не только осваивать новые виды кабельно-проводниковой продукции путем ввода в действие нового технологического оборудования, но и модернизацией действующего оборудования. Одним из возможных путей улучшения работы, установленного в производственных цехах лицекрутильного оборудования является внедрение системы автоматизации и управления как отдельной крутильной машиной, так и всей технологией в целом [1, 3].

В этой связи определяется основная задача нашего научного исследования - повышение эффективности процесса скрутки путем модернизации системы управления лицекрутильтной машины, за счет разработки интеллектуальной системы, позволяющей повысить надежность технологии в целом. Это достигается формированием архивной памяти, включающей в себя хранение, быстрый доступ и использование информационной базы параметров скрутки с учетом всего периода эксплуатации оборудования, оптимизация принятия решения и диагностика работы электромеханической системы исполнительных механизмов для обеспечения контроля безопасности и подержания высокого уровня безаварийности работы исследуемого крутильного оборудования [3].

В качестве объекта исследования определена лицекрутильная машина «BМ 630D» (производитель – «SAMP», Италия (таблица-1) [2].

В состав обобщенной крутильной машины (рис. 2) входит: отдатчик (1), рабочий узел (2), тянущее устройство (3), приемник (4). При этом каждый узел наряду со свой функциональной нагрузкой выполняет основную (общетехническую) и производственную задачу: обеспечение непрерывной подачи заготовок для последующего их скручивания в стренгу с поддержанием заданного параметра величины их натяжения к рабочему углу (для отдатчика), также постоянство угловой скорости (для рабочего узла), стабильности и постоянства линейной скорости и тянущей силы (для приемника). Все перечисленные рабочие параметры машины синхронизируются со приемной скоростью тягового устройства и являются неизменными для строительной длины готовой продукции [2].

Таблица 1.

Технические параметры рамочной крутильной машина BМ 630D (производитель – «SAMP», Италия) [2]

Рисунок 2. Схема обобщенной крутильной машины

В свою очередь изготавливаемая стренга должна соответствовать по качеству требованиям ГОСТ 22483-77. Выбракованной продукцией считается токоведущая жила (ТПЖ), имеющая нижеперечисленные (таблица - 2) отклонения по качеству и наличию недостатков.

Таблица 2.

Виды брака и отклонений по качеству токоведущей жилы

Сопоставитпльный анализ крутильных машин различного назначения показал, что наибольшей производительностью отличаются рамочные машины двойной скрутки (максимальная линейная скорость до 180 м/мин.), далее идут рамочные машины однократной скрутки. Также при одном обороте крутильной рамки в машинах двойной скрутки происходит двухшаговая закрутка, а при однократной скрутке - один шаг – этим и объясняется высокая производительность более чем в 2 раза этих машин, по отношению к машинам однократной скрутки.

Помимо вышеперечисленного, высокая эффективность работы литцекрутильной машины во многом определяются настройкой заданного шага скрутки, который зависит от многих факторов:

• правильностью выбора и изменение числа оборотов рамки рабочего узла (рис. 3) относительно линейной скорости изделия, которое достигается точностью и правильностью подбора передаточного отношения кинематической пары – сменных шестерней;
• эффективной работой установленного на крутильной машине оборудования: счетчик импульсов, частотный преобразователь и т.д.

Рисунок 3. Схема литцекрутильной машины: 1 – отдающие устройства; 2- рабочий узел (люлька); 3 - тянущее устройство; 4 – приемник

Решение поставленной задачи путем разработки специальной системы управления (СУ), должна обеспечить, в условиях высокой динамичности процесса скрутки при резких изменениях рабочих нагрузок, жесткое подержание заданных технологических параметров, надежность работы электропривода (ЭП) и электромеханической системы (ЭМС), точность останова и позиционирование рабочего узла (люльки) литцекрутильной машины. Эффективность интеграции СУ во многом зависит от правильности выбора программно-технических средств: исполнительное устройство (ИУ), контроллеров (К), микропроцессоров (МП), аварийная система (АС). При этом на ИУ возложена функция преобразования электрической энергии (ЭЭ) в механическую энергию (МЭ), которая необходима для приложения внешнего воздействия с работающей ЭМС и ЭП, согласно разработанного алгоритма управления. В свою очередь, К и МП – обеспечивают решение и выполнение логических задач для всей СУ литцекрутильной машины в целом [3-8].

Рисунок 4. Блок-схема алгоритма подпрограммы запуска привода – «Старт привода»

Разработка алгоритма управления и его функциональность также должна дать возможность повышения скорости обработки данных по входному сигналу и четкость задания управляющие воздействия на ИУ при выполнении подпрограмм запуска (рис. 4) и остановки (рис.5) технологии скрутки. При этом входным сигналом задаются команды "Пуск", "Стоп", "Ошибка", а выходным – команды "Старт", "Стоп". Блок-схемы алгоритмов подпрограмм СУ для модернизированной литцекрутильной машины представлены на рис. 4, 5.

Рисунок 5. Блок-схема алгоритма подпрограммы останова ЭП – «Останов ЭП»

Электромеханическая система стандартной литцекрутильной машины включает в себя (рис. 6):

• отдатчик, который имеет свободный ход катушек для отдачи медных элементарных проволок в скрутку;
• розетка, которая является промежуточным звеном между отдатчиком и рабочим узлом (люлькой), обеспечивающее распределение элементарных проволок (ММ, МТ) для укладки посредствам рамы в повив и последующей скрутки стренги;
• ЭП рабочего узла, который содержит двигатели: крутильной рамки, тянущего устройства и приемника.

Рисунок 6. Функциональная схема: Д₁ -двигатель крутильной рамки; Д₂ -тянущего устройства; Д₃ – двигатель приемника; Д_д -датчик веса; Д_н -датчик натяжения; Д_с-датчик скорости

Разработка структурной схемы СУ модернизированной литцекрутильной машины велась в соответствии с поставленной задачей. В результате была принята структура управления (рис.7), которая имеет иерархию, включающую в себя несколько подуровней управления: верхний, средний и нижний.

Нижний уровень имеет основу, состоящую из комплекта датчиков: веса (контроль уровня заполнения отдающих катушек); натяжения (контроль натяжения элементарной проволоки, а также готового полуфабриката – стренги), скорости (контроль работы двигателей).

Средний уровень, включает в себя управление процессом скрутки, состоявший из управляющей сети.

Верхний уровень управления - являющийся основным в разработанной системе управления, выполняющий информационно-вычислительные операции, включающий в себя сервер баз данных, информационный архив, устройство управления.

Рисунок 7. Структурная схема системы управления модернизируемой лицекрутильной машины

Составленная структурная схема СУ литцекрутильной машины позволила разработать систему форм для вода необходимых данных как по заданной  технологии, так и по работе технологического оборудования - крутильной машины. Эффективность технологии определяется уровнем разработки интеллектуализированной системы управления литцекрутильной машины и правильностью выбора параметров технологии и оборудования, которые складываются из следующих параметров: технических, катушки, продукции, настройки приемника, настройки машины и т.д.

Все вышеперечисленные данные водятся в систему вручную, согласно производственному заказу с панели «Меню данных», которая является основной экранной формой (рис. 8).

Рисунок 7. Структурная схема системы управления модернизируемой лицекрутильной машины

Разработанная СУ, позволила усовершенствовать работу литцекрутильной машины, расширив технологические возможности и повысить качество готового кабельного полуфабриката – стренги. При этом было достигнуто не только удовлетворение требований к системе автоматизации, но высокая гибкость технологии, что создало благоприятные условия для улучшения САУ в соответствии с растущими требованиями к качеству технологии изготовления кабельной продукции, которые изменяются в соответствии с существующими эксплуатационными требованиями кабельно-проводниковой продукции.

Список литературы:

1. Проектирование автоматизированных систем. Учебно-методическое пособие: Томский политехнический университет. — Томск, 2009.
2. Технологическая инструкция крутильной машины Е2204 от 13.01 2015.
3. Пирматов Н.Б., Иванова В.П., Цыпкина В.В., Назруллаева О.А., Раматов А.Н. Вопросы цифровой трансформации кабельного предприятия // Universum: технические науки. 2021. №6-4 (87). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/voprosy-tsifrovoy-transformatsii-kabelnogo-predpriyatiya (дата обращения: 22.04.2023).
4. N.B. Pirmatov, D.B. Madrakhimov, V.P. Ivanova, V.V. Tsypkina, M.J. Ortikova, R.F. RSES 202I Rudenko International  Conference "Methodological  problems  in reliability study of large energy systems "Atamukhamedova. Determination of the degree of digitalization at the cable enterprise level. AIP Conference Proceedings 2552, 070009 (2023); https://doi.org/10.1063/5.0117025
5. Tsypkina V, Ivanova V 2019 Modeling of a resource-saving method of drawing E3S Web of Conference 139 (2019) 10 1073 RSES 2019 (https://doi.org/10.1051/e3sconf/20191390 E 3S 139 (2019) 10 1073) September 2019, The European Physical Journal Conferences 2:6-8, DOI:10.1051/e3sconf/2019139010731. https://www.researchgate.net/publication/340547560_Modeling_of_a_resource-saving_method_of_drawing E3S Web Conf., 139 (2019) 01073, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20191390107
6. Madrakhimov D Ivanova V Tsypkina V 2020 Improving the reliability of cable lines operation in hot climates E3S Web of Conf., 216 (2020) 01151 DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601151
7. V. Ivanova, V. Tsypkina Modeling of a resource-saving method of drawing, September 2019, The European Physical Journal Conferences 2:6-8, DOI:10.1051/e3sconf/2019139010731,
8. Пирматов Н.Б., Мадрахимов Д.Б., Иванова В.П., Цыпкина В.В., Ортикова М.Ж., Атамухамедова Р.Ф.; Определение степени цифровизации на уровне кабельного предприятия. Материалы конференции AIP, 5 января 2023 г.; 2552 (1): 070009. https://doi.org/10.1063/5.0117025