Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета создали цифровую модель, которая с точностью 95% прогнозирует качество изоляции силовых кабелей. Разработка позволяет отказаться от дорогостоящей практики подбора технологических режимов методом проб и ошибок и исключить выпуск брака.
Надежность силовых кабелей среднего и высокого напряжения, от которых зависит энергоснабжение городов и предприятий, напрямую определяется качеством изоляции. Ее производят из сшитого полиэтилена — материала, прочность и термостойкость которого зависит от сложного химического процесса (реакции сшивки). Основная проблема в том, что на этот процесс влияет множество взаимосвязанных факторов: геометрия кабеля, свойства конкретной партии сырья, температурный режим. Подобрать единые оптимальные настройки невозможно, поэтому на производствах до сих пор технологи вынуждены останавливать линию, запускать пробные партии и проверять их в лаборатории, что приводит к огромным потерям времени и материалов.
Ранее ученые ПНИПУ разработали математическую модель, анализирующую влияние температуры и геометрии кабеля на равномерность сшивки. В новом исследовании они доработали ее до промышленного программного комплекса. Для этого сначала были изучены свойства нескольких популярных марок полиэтилена с помощью ротационного реометра — прибора, который определил, как протекает реакция сшивки при температурах от 160 до 200 °C. Полученные данные легли в основу детальной 3D-модели, учитывающей многослойную структуру кабеля, теплообмен и реальные технологические параметры.
«С помощью разработанной цифровой модели мы провели серию виртуальных испытаний. Мы задавали все ключевые параметры, которые варьируются в реальном производстве: толщину кабеля, скорость нагрева, температуру. Модель автоматически рассчитала тысячи сценариев. Совпадение результатов с экспериментальными данными для отработанных режимов составило 95%», — отметила заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике» Наталия Труфанова.
Виртуальные эксперименты позволили выявить количественные закономерности и критические пороговые значения процесса. Главный практический итог — возможность с высокой точностью прогнозировать степень сшивки изоляции для любых заданных условий без дорогостоящих и длительных натурных экспериментов на производственной линии.
«Виртуальные эксперименты на основе созданной модели дали результат, недостижимый традиционными методами, — количественные закономерности, раскрывающие механику процесса. Модель выявила критически важные пороговые значения и зависимости», — добавила Наталия Труфанова.
В результате ученые определили оптимальные режимы, позволяющие без потери качества увеличить общую производительность. На основе данных модели созданы готовые технологические инструкции в виде графиков и таблиц. Теперь, когда на производстве нужно выпустить кабель нового размера или перейти на другую марку сырья, технолог вводит конкретные параметры в программу. Модель проводит виртуальный эксперимент и выдает точный прогноз — например, при какой температуре будет достигнута нужная степень сшивки.
Таким образом, разработка представляет собой готовый к внедрению цифровой инструмент, позволяющий утверждать оптимальный технологический режим заранее, гарантируя качество и исключая брак.
Статья опубликована в научно-практическом журнале «Электричество». Исследование проведено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
