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

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

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:

, 1)

где:

— 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.);

— стои-

мость незавершенного в производ-

стве продукта, стоимость исходных

материалов (например, бухта про-

волоки диаметром 2 мм);

— стои-

мость переработки, стоимость про-

изводственного процесса, в ходе

которого полуготовый продукт пре-

вращается в конечный продукт;

—

стоимость труда, оплата работаю-

щих на производственной линии;

— фиксированные затраты, отно-

сящиеся к заводу и системам (об-

щезаводские издержки);

— 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

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Тема номера

Для примера рассмотрим изго-

товление гибкой многопроволочной

жилы 24х0,325 мм (с поперечным

сечением 2 мм

). 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

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;

= B

+ T

+ L + F

+ 0

= P

+ T

+ L + F

+ 0

= P

+ T

+ L + F

+ 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

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

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

вход

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

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

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

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

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

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:

где

— внутреннее трение в

устройстве намотки, линейно зави-

сящее от скорости;

— трение

между проволокой в бугеле, трение

между проволокой и шкивом, линей-

но зависит от скорости, типа буге-

ля и от трассы, проходимой прово-

локой;

— 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

Диаметр проволоки, мм

0,325

Скорость, м/с

2,19

0,35

Продукт/ч, кг/ч

3534,9

2240

320

ÝÍÅÐÃÎÑÁÅÐÅÆÅÍÈÅ ÍÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÅ

Page 7

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

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)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Оборотов/мин.

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

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

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.