Технические и технологические решения, обеспечивающие снижение энергопотребления в линиях по производству проводов и кабелей

Page 1
background image

Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

24

Тема номера

Снижение стоимости 
производства

Безотносительно вида произ-

водимой продукции, будь то пер-

вичное волочение проволоки, из-

готовление многожильных прово-

дов, скрученных жил или кабелей 

(см. рис. 1), стоимость производ-

ства может быть разделена на пять 

компонентов:

 

P

 = 

B

 + 

T

 + 

L

 + 

F

 + 

O

, 1)

где: 

Р

 — стоимость изготовления 

продукта, его конечная стоимость 

(например, бобина многожильного 

алюминиевого провода 24х0,325 мм 

или бобина многожильного медно-

го луженого провода для экрани-

рующих оплеток и т. п.); 

В

 — стои-

мость незавершенного в производ-

стве продукта, стоимость исходных 

материалов (например, бухта про-

волоки диаметром 2 мм); 

Т

 — стои-

мость переработки, стоимость про-

изводственного процесса, в ходе 

которого полуготовый продукт пре-

вращается в конечный продукт; 

L

 — 

стоимость труда, оплата работаю-

щих на производственной линии; 

F

 — фиксированные затраты, отно-

сящиеся к заводу и системам (об-

щезаводские издержки); 

О

 — дру-

гие затраты, которые не относят-

ся непосредственно к вышеупомя-

нутым компонентам стоимости про-

дукции.

Технические и технологические решения, 
обеспечивающие снижение энергопотребления 
в линиях по производству проводов и кабелей

Глобализация рынка существенно повлияла на промышленность прово-

дов и кабелей (как и в целом на экономику). Большое влияние также оказа-

ли значительные изменения в мировой экономике, которые как никогда ранее 

сделали важным для производителя быть способным управлять процессами 

производства и иметь возможность изготавливать продукцию для различных 

рынков с минимальными издержками. 

Новые возможности будут продолжать появляться, и компании должны 

быть готовы к жесткой конкуренции, невзирая на неопределенность спроса 

и непредсказуемое поведение цен на исходные материалы и стоимость энер-

гоносителей. Многие производители усовершенствовали процессы производ-

ства на своих предприятиях, переместили свои производства в географиче-

ские зоны с меньшей стоимостью труда и сосредоточились на снижении фик-

сированных затрат и накладных расходов, равно как и на снижении внутрен-

них расходов. При наступившем экономическом спаде способность внедрять 

технологию, которая может облегчить решение этих задач, является важней-

шей частью любой долговременной стратегии.

Учет таких ключевых аспектов, как конструкция приводов и бугелей при рас-
смотрении вопросов «Как» и «Почему» создается трение, позволяет разраба-
тывать механизмы, которые увеличивают производительность при одновре-
менном снижении затрат на электроэнергию.

Энрико Конте, 

компания 

Samp Sistemi, Bologna, Italy

Перевод  —

 

Святослав Юрьев

Рис. 1. Кабельная продукция, стоимость 
изготовления которой может быть 
разбита на пять составляющих

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

25

Тема номера

Для примера рассмотрим изго-

товление гибкой многопроволочной 

жилы 24х0,325 мм (с поперечным 

сечением 2 мм

2

). Изготовление это-

го продукта осуществляется в три 

производственных этапа: 

• волочение проволоки для 

уменьшения ее диаметра с 8 до 

2 мм, пригодной для приемного 

устройства корзиночного типа; 

• многопроволочная протяжка 

24-х проволок для получения про-

волоки диаметром 0,325 мм из про-

волоки диаметром 2 мм с исполь-

зованием катушечного приемного 

устройства;

• финальная скрутка и намотка 

на катушку в приемном устройстве.

Три вышеперечисленных этапа 

будут дальше рассмотрены в тер-

минах последовательности техно-

логических операций и видоизме-

нения стоимости, где стоимость ко-

нечного продукта каждого этапа со-

ответствует стоимости полуготово-

го продукта в следующей фазе про-

изводства.

В терминах формирования стои-

мости конечного продукта во внима-

ние будет принята только стоимость 

переработки Т. Основные составля-

ющие величины Т могут быть разде-

лены на четыре группы: производ-

ственное оборудование, рабочие 

жидкости и их очистка, потребляе-

мая энергия, а также фильеры, во-

лочильные барабаны и другие изна-

шивающиеся части оборудования 

в последовательности технологиче-

ских операций производственного 

процесса.

Стоимость производственного 

оборудования может, в свою оче-

редь, быть разделена на составля-

ющие следующим образом: амор-

тизация производственного обору-

дования и поддержание его в нор-

мальном работоспособном состоя-

нии (запасные части, тех. обслужи-

вание и т. д.). Стоимость рабочих 

жидкостей и их очистки разделяет-

ся следующим образом: стоимость 

масла для процесса волочения и от-

жига, а также различные присадки 

(герметики, антипенные эмульсии и 

т. д.); стоимость воды для приготов-

ления эмульсий; стоимость очистки 

эмульсий и их удаления, стоимость 

защиты окружающей среды и обе-

спечения техники безопасности. В 

процессе изготовления проводов и 

кабелей необходимо использование 

электричества для выполнения опе-

раций, непосредственно связанных 

с технологическим процессом и для 

питания вспомогательного оборудо-

вания. Фильеры, волочильные бара-

баны и наконечники являются «ин-

струментами», используемыми для 

переработки исходного материала 

в конечный продукт. Подобно всем 

инструментам, эти инструменты под-

вержены износу, выходу из строя и, 

в свое время, замене. 

Из всех составляющих стои-

мости переработки 

Т

 мы рассмо-

трим только потребляемую энер-

гию. Энергия, расходуемая в про-

цессе волочения и отжига, может 

быть определена при рассмотрении 

макрообластей ее потребления. 

В эти макрообласти включают-

ся: энергия, затрачиваемая на де-

формацию; энергия, рассеиваемая 

в шпинделях и зубчатых передачах; 

P

1

 = B

1

 + T

1

 + L + F

1

 + 0

P

2

 = P

1

 + T

2

 + L + F

2

 + 0

P

3

 = P

2

 + T

3

 + L + F

3

 + 0

Стоимость 

волочильных и 

приемных систем

Стоимость рабочих 

жидкостей

 и их очистки

Стоимость 

израсходованной 

энергии

Стоимость фильер 

и волочильных 

барабанов

Рис. 2. Изменение структуры стоимо-
сти производства для различных тех-
нологических этапов в соответствии с 
уравнением (1)

Рис. 3. Четыре главных 

составляющих 

«трансформации» 

стоимости

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

26

Тема номера

энергия, расходуемая для вращения 

волочильных барабанов в погруж-

ных механизмах; энергия, затра-

чиваемая на отжиг и закаливание; 

энергия для систем осушки и потери 

электроэнергии как следствие не-

эффективности ее использования. 

Причины расходования энергии, 

которые непосредственно не свя-

заны с технологическим процессом, 

могут быть определены в этих макро-

областях, которые уже включают не-

которые виды затрат энергии каждо-

го упомянутого вида. Соответствен-

но, технические и технологические 

решения должны быть ориентирова-

ны на минимизацию эффектов каж-

дой из этих составляющих расходо-

вания энергии.

Рассматривая упомянутые формы 

использования энергии, автор будет 

анализировать некоторые решения, 

принятые в компании SAMPSISTЕMI 

(SAMP), в технологической цепочке 

производства. Расход энергии, свя-

занный с деформацией материала, 

обусловлен трением проволока/фи-

льера, провод/волочильный бара-

бан. Соответственно, технические 

решения фокусируются на увеличе-

нии эффективности смазочных ма-

териалов и улучшении конструкции 

волочильных барабанов. 

Повышенная эффективность 

смазки зоны взаимодействия про-

волока/фильера была достигнута за 

счет использования держателя фи-

льеры со впрыском эмульсии под 

высоким давлением во входной и вы-

ходной областях фильеры. Другим 

фундаментальным способом умень-

шения рассеиваемой мощности и 

улучшения качества проволоки яв-

ляется согласование расположения 

проволоки и фильеры (если, входя в 

фильеру, проволока плохо позици-

онирована, мощность, необходимая 

для волочения, возрастает и каче-

ство проволоки ухудшается). Более 

хорошая смазка контакта проволо-

ка/волочильный барабан достигает-

ся за счет использования дополни-

тельного впрыска смазки из держа-

теля фильеры в направлении воло-

чильного барабана. 

Профиль тянущей поверхности 

волочильного барабана выбран та-

ким, чтобы обеспечить уменьше-

ние трения между проволокой и тя-

нущим барабаном, улучшение каче-

ства поверхности проволоки, пра-

вильное позиционирование прово-

локи относительно фильеры.

Для уменьшения рассеиваемой 

мощности, предотвращения изно-

са фильеры и повышения качества 

конечного продукта, в SAMP выбран 

для использования конусный про-

филь.

Энергия также рассеивается в 

зубчатых передачах волочильной 

машины и в шпинделях. Соответ-

ственно, были проведены исследо-

вания, нацеленные на создание вы-

сококачественных тяговых механиз-

мов, используя кинематические мо-

дели.

Как 

используется 

энергия?

Трение между фильерой 

и проволокой

Трение между проволокой и 

волочильным барабаном

Трение в шестереночной 

передаче

Трение в герметизирующем 

устройстве 

Трение между вращающимися 

частями и эмульсией

Потери энергии на прокачку 

жидкого потока

Потери энергии на прокачку 

воздушного потока

Потери энергии из-за 

электрической 

неэффективности

Энергия, расходуемая 

на деформацию

Энергия, расходуемая на 

работу шпинделя 

и шестереночной передачи

Мощность, расходуемая 

при вращении волочильно-

го барабана в погружном 

механизме

Мощность, 

потребляемая при отжиге 

и закалке

Энергия на осушку

Электрическая неэффек-

тивность 

(КПД менее 1)

вход    выход

вход

выход

выход

вход

1

2

3

впрыскной жиклер 
для входной зоны

впрыскной жиклер 
для выходной зоны

впрыскной жиклер 
для волочильного 
барабана

Рис. 4. Как используется 
энергия?

Рис. 5. Эффективность смазки и конструкция волочильного барабана являются 
ключевыми элементами, определяющими количество энергии, расходуемой в про-
цессе волочения.

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Page 5
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

27

Тема номера

В SAMP работы для минимизации 

расходуемой энергии в многопрово-

лочной волочильной машине велись 

в двух направлениях. В результате 

была создана высококачественная 

передача, основанная на констру-

ировании и изготовлении шестере-

нок с соответствующим скорректи-

рованным эвольвентным профилем 

для уменьшения трения между бо-

ковыми поверхностями зубцов ше-

стеренок. Кроме того, решался во-

прос о минимизации количества ше-

стеренок на основе рассмотрения 

возможностей коррекции кинемати-

ческой схемы. Этот подход исполь-

зуется в компании с 90-х годов, ког-

да началось применение кинемати-

ческих схем, в которых минимизиро-

валось количество шестеренок, чем 

достигалось общее улучшение ха-

рактеристик передачи.

Еще одной зоной, где происходит 

рассеяние энергии в волочильной 

системе, является система уплотне-

ния. Эта система отделяет зону во-

лочения от коробки передач для пре-

дотвращения загрязнения эмуль-

сии/смазки, используемых в процес-

се волочения. Поиски здесь направ-

лены на нахождение эффективных, 

обеспечивающих малое трение ре-

шений вопросов герметизации.

В компании SAMP используют-

ся бесконтактные лабиринтные 

устройства уплотнения, которые 

предотвращают рассеяние мощно-

сти вследствие контакта ось/саль-

ник. Это решение дает также эконо-

мическую выгоду, поскольку снижа-

ются затраты на техобслуживание. 

Для предотвращения загрязнения 

эмульсии/смазки маслом на обору-

довании устанавливается компрес-

сор, обеспечивающий подачу воз-

духа под избыточным давлением. 

Эта система обеспечивает следую-

щие преимущества: воздух исполь-

зуется при корректно выбранной ве-

личине давления и притом подается 

только в случае необходимости. При 

централизованной системе ком-

прессоров необходимый объем воз-

духа должен быть сначала сжат до 

достижения точного значения дав-

ления (6-7 бар) до того, как будет до-

стигнуто рабочее давление (1,5 бар). 

Очевидно, что для такой системы не-

избежны непроизводительные поте-

ри энергии. 

Рассматривая потери мощно-

сти в волочильной установке, следу-

ет иметь в виду, что потери энергии 

являются типичным фактом для по-

гружных механизмов. В таких систе-

мах энергия теряется при вращении 

волочильных барабанов в емкостях 

с эмульсией или маслом. Техниче-

ские разработки концентрируются 

на разработке гидродинамических 

компонентов, поскольку рассеивае-

мая мощность является нелинейной 

функцией скорости, размера воло-

чильного барабана и вязкости. Вра-

щающиеся элементы, разработан-

ные в SAMP, являются гидродина-

мическими и не имеют выступов или 

углублений. Такая конструкция не 

только обладает технологическими 

достоинствами, но также устраняет 

вихревые явления и нестабильность 

уровня эмульсии. Результаты пока-

заны на рис. 6.

В процессе отжига значительное 

количество энергии расходуется во 

время охлаждения провода. Техни-

ческие разработки в этом случае 

должны быть направлены на повы-

шение эффективности систем водя-

ного охлаждения проволоки.

В SAMP повысили эффектив-

ность системы охлаждения, исполь-

зуя специальные профили для улуч-

шения протекания эмульсии. Для 

обеспечения эффективного охлаж-

дения и облегчения операций по 

очистке поверхности эмульсия 

должна протекать на высоких ско-

ростях. 

Охлажденная проволока долж-

на быть осушена. Эта операция осу-

ществляется сжатым воздухом че-

рез воздушные форсунки. Мощ-

ность при этом расходуется во вре-

мя транспортировки воздуха и обду-

ва. Необходимы поиски путей по-

вышения эффективности системы 

сушки.

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

10,000

0,000

80,6

116,4 164,7 227,7

309,1 410,0

533,5

683,3 862,2 1087,6 1371,5

гидродинамическая конструкция

не гидродинамическая конструкция

 Момент т

рени

я

 Число оборотов тяги в минуту

Рис. 6. Результаты, 

полученные при ис-

пользовании в ком-

пании SAMP гидроди-

намических вращаю-

щихся элементов

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Page 6
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

28

Тема номера

В SAMP используются эффек-

тивные керамические сушильные 

устройства, оптимизированные для 

конкретного типа обрабатываемой 

проволоки. Легкое техобслужива-

ние сушильной установки также 

имеет важное значение, посколь-

ку существует необходимость в бы-

строй смене этих установок. Вре-

мя переоснастки при использова-

нии систем продувки уменьшается 

по сравнению с обычными матрич-

ными системами. 

На рис. 7 показаны техниче-

ские решения, которые были ис-

пользованы в устройстве RC 350 

для отжига проводов для приме-

нения в строительстве. Если рас-

сматривать процессы изготовле-

ния гибкого корда 24х0,325, то 

станет ясно, что здесь узким ме-

стом является операция намот-

ки готового продукта на катуш-

ку. В таблице 1 приведены данные 

по часовой производительности 

(кг/час) различных машин.

В рассмотренном выше случае 

отношение производительности 

машины для изготовления катанки 

к производительности волочильной 

машины приблизительно равно 3:2, 

в то время как оно равно 7:1, если 

сравнивать многопроволочную во-

лочильную машину и машину, нама-

тывающую многожильный провод 

на катушку. Как правило, две или 

три волочильные установки обслу-

живают весь завод.

Увеличение эффективности на-

мотки готового провода может быть 

достигнуто увеличением количе-

ства оборотов и/или увеличением 

количества установок.

Для достижения этой цели в ком-

пании SAMP разработаны две ба-

зовые концепции. Все вращающи-

еся компоненты были сконструи-

рованы с учетом аэродинамики для 

того, чтобы стало возможным уве-

личить количество оборотов, также 

было запатентовано двухкатушеч-

ное приемное устройство — два 

устройства намотки были смонти-

рованы в структуре одной машины, 

что позволило уменьшить занимае-

мый объем и величину потребляе-

мой энергии (см. рис. 8 и 9).

Мощность, рассеиваемая в 

устройстве намотки, определяется 

суммой трех составляющих:

 DR

 = 

MR 

MF

 + 

AR

,

где 

MR

 — внутреннее трение в 

устройстве намотки, линейно зави-

сящее от скорости; 

MF

 — трение 

между проволокой в бугеле, трение 

между проволокой и шкивом, линей-

но зависит от скорости, типа буге-

ля и от трассы, проходимой прово-

локой; 

AR

 — аэродинамическое со-

противление бугелей и вращающих-

ся частей, от скорости зависит нели-

нейно и зависит от типа бугеля и его 

формы. 

Особое внимание было уделено 

конструкции бугеля, особое внима-

ние уделялось предельно аэродина-

мичной внешней форме и внутрен-

ней структуре трубчатого типа. Этот 

бугель является усовершенствован-

ной версией ранее запатентованной 

компанией SAMP системы с закры-

тым бугелем (см. рис. 10). 

Преимущество такой кон-

струкции бугеля можно видеть на 

Жиклер для впрыска эмульсии

Annealer RC350

Рис. 7. Камера для отжига, исполь-
зуемая в компании SAMP

Рис. 9. Сдвоенная приемная система 
компании SAMP

Рис. 8. Увеличение скорости крутки 
требует внимания к ключевым 
элементам, таким как трение

Таблица. Часовая производительность изготовления гибкого корда 24х0,325 мм

Прокатка проволоки

Многопроволочное 

волочение

Намотка 

на катушку

Вход

Выход

Вход

Выход

Вход

Количество проводов

1

Диаметр проволоки, мм

8

2

2

0,325

0,325

Скорость, м/с

2,19

35

0,35

0,35

5

Продукт/ч, кг/ч

3534,9

2240

320

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Page 7
background image

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

29

Тема номера

рис. 11, где показаны результаты 

экспериментальных исследований 

для сравнения различных типов бу-

гелей. Кривые поглощения темно-

розового и голубого цвета относят-

ся к бугелям с 32 и 16 направляю-

щими для поволоки, красная кри-

вая относится к закрытому буге-

лю, а зеленая кривая характеризу-

ет аэродинамический бугель труб-

чатого типа. 

Рисунок 11 может трактоваться 

двояко: 

1. При равных скоростях энергия 

экономится.

2. При равных скоростях расхо-

дования энергии улучшаются харак-

теристики.

Использование этих новых буге-

лей в технологической схеме сдво-

енного приемного устройства, в ко-

торой в структуре одной установки 

используются два намоточных ме-

ханизма, позволило достичь резуль-

татов, которые показаны на рис. 12. 

Сдвоенный накопитель потребляет 

меньше энергии, чем два одиночных 

приемных устройства, прежде все-

го, благодаря выбранной геометрии 

структуры установки.

Будущие разработки

Компания SAMP будет прово-

дить исследования и осуществлять 

разработки для увеличения энерге-

тической эффективности техноло-

гического оборудования в следую-

щих направлениях: непрерывное со-

вершенствование технологического 

оборудования за счет простых, эф-

фективных и легко внедряемых тех-

нических решений; за счет разра-

ботки энергетически эффективного 

волочения проволоки, в частности 

для изготовления катанки; за счет 

дальнейшего совершенствования 

вышеупомянутой концепции высоко-

скоростной приемной системы для 

крутильных машин среднего и боль-

шого размера; за счет разработки 

системы управления установок со 

многими электродвигателями, а так-

же за счет разработки энергосбере-

гающих систем.

Оригинал статьи опублико-

ван в журнале WIRE TECHNOLOGY 

INTERNATIONAL, 2009, April, p. 112—

117: «Technical and technological 

solutions to reduce energy consumption 

along wire and cable production lines».

Enrico Conte, получил ученую сте-

пень в университете г. Болонья, Ита-

лия. В настоящее время работает 

в компании Samp Sistemi, Bologna, 

Italy.

 Open 18                Open 32                 Закрытый               Одна труба

Потребляемая мощность 

в зависимости от конструкции бугеля

 Мощнос

ть

 (кВ

т)

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0              1000            2000           3000            4000            5000           6000          7000

Оборотов/мин.

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0                       1000                  2000                   3000                   4000                   5000                   6000                  7000                  8000

Оборотов/мин

Мощнос

ть (кВ

т)

Две одиночные

Сдвоенная

Рис. 10

Рис. 11. Сравнение 
бугелей различно-
го типа

Рис. 12. Сравнение величины потребляемой мощности для одиночной и сдвоен-
ной приемных систем

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ


Читать онлайн

Рассматривая некоторые формы использования энергии, автор анализирует решения в технологической цепочке производства. Учет конструкции приводов и бугелей позволяет разрабатывать механизмы, которые увеличивают производительность при одновременном снижении затрат на электроэнергию. При наступившем экономическом спаде способность внедрять новые технологии является важнейшей частью любой долговременной стратегии.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»