Sähkötekniikan osasto
Sampo Ahonen
KAAPELITEHTAAN PROSESSILASKENNAN MALLINTAMINEN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa
Työn valvoja Työn ohjaaja
¿Tapani Jokinen vt Timo Vedenpää
20018
TKK SAHKÖTEKNÜKA, ■
osaston kirjasio
QTAKA.ARI 5 A 02150 ESPOO
Tekijä: Sampo Ahonen
Työn nimi: Kaapelitehtaan prosessilaskennan mallintaminen
Päivämäärä: 1.5.1996 Sivumäärä:85
Osasto: Sähkötekniikan osasto
Professuuri: S-17 Sähkölaitteiden tuotekehitys Työn valvoja: Tapani Jokinen
Työn ohjaaja: Timo Vedenpää
Diplomityössä on syvennytty kaapelitehtaan tuotteiden ja prosessien mallinta
miseen erityisesti kaapelitehtaan prosessilaskennassa tarvittavien tietojen osalta.
Mallinnustyö on tehty rinnakkaissuunnittelun ja oliomallinnuksen periaatteita noudattaen.
Työn tavoitteena on määritellä prosessilaskennan toiminnot ja tietovirrat sekä tarvittavat laskenta-algoritmit sellaisella tarkkuudella, että saavutettujen tulosten perusteella on mahdollista toteuttaa tietojenhallintaa ja kaapelitehtaan prosessi- laskentaa tukeva tietotekninen mallinnusjärjestelmä. Tavoitteen saavuttamiseksi on selvitetty kaapelitehtaan prosessilaskennassa tarvittavat tiedot, niiden riippuvuudet toisistaan ja tulosten vaikutukset tehdassuunnitteluun erityisesti suunnittelun alkuvaiheissa.
Työssä on luokiteltu ja mallinnettu tavallisimmat kaapelien rakenne-elementit ja elementtien valmistamiseen kaapelitehtailla käytettävät alkeisprosessit sekä niiden liittyminen yhteen kaapeliprosesseiksi. Rakenteille ja prosseille on esitetty säännöt niiden mitoittamiseksi prosessilaskennan yhteydessä.
Työssä esitettyjen mallien avulla on kuvattu kaapelitehtaan tuote- ja tehdasmalli ja siihen kohdistuva prosessilaskennan toimintamalli. Toimintamallissa on kuvattu
prosessilaskennan vaiheet ja vaiheiden väliset tietovirrat.
kaapeli, mallinnus, prosessi, rinnakkaissuunnittelu Avainsanat:
Author: Sampo Ahonen
Name of the thesis: Modelling of process engineering for cable plants
Date: May 1,1996 Number of pages:85
Faculty: Electrical Engineering
Professorship: Engineering of Electromechanics Supervisor: Tapani Jokinen
Instructor: Timo Vedenpää
This Master’s Thesis considers modelling of products and processes in cable plant environment. Modelling work is based on principles of simultaneous engineering and object oriented engineering.
The target of the thesis is to define functions, dataflow and calculation methods of cable plant process engineering. According to achieved results it should be possible to build a modelling system for supporting data management and process engineering in cable plant engineering work. In order to achieve the target there has been defined data and data relations in process engineering work.
All usual cable construction elements and elementary processes needed in production of cables are presented and modelled. The elements are grouped according to similarities in calculation rules. There are also presented rules for connecting construction elements to each other and to processes to form and dimension cable constructions and corresponding process chains.
According to construction and process models there are also presented product and factory models for cable factories. Process engineering steps and information flows between engineering stages is described in functional model.
Keywords: cable, modelling, process, simultaneous engineering
Tämä diplomityö on tehty Nokia-Maillefer Oy Tehdasprojektit-yksikössä, yrityksen myöntämän stipendin turvin. Esitän parhaimmat kiitokset työn ohjaajalle Timo Vedenpäälle työn aikana saamistani kommenteista ja neu
voista sekä diplomityön aiheesta.
Työn valvojana on toiminut professori Tapani Jokinen, jota haluan kiittää opastuksesta diplomityössä sekä hyvästä ja kiinnostavasta opetuksesta, joka herätti kiinnostuksen tuotekehityshankkeita kohtaan.
Lisäksi haluan kiitää Tehdasprojektit-yksikön henkilökuntaa, jotka ovat osallis
tuneet projektin aikana tehtyihin ryhmätöihin ja avustaneet merkittävästi diplomityön etenemisessä. Työskentely-ympäristö yksikössä on ollut mukava ja helpottanut osaltaan työn etenemistä.
Suurimmat kiitokset kuuluvat Minnakaisalle, jonka tuki on ollut erityisen tärkeää ja arvokasta koko opiskeluaikana ja erityisesti diplomityön tekoaikana.
Myös vanhempani ansaitsevat kiitokset opiskeluaikana saamastani tuesta.
Espoossa 1.5.1996
mpo Ahonen
ABSTRACT 3
ALKUSANAT 4
SISÄLLYSLUETTELO 5
LIITELUETTELO 9
KÄYTETYT LYHENTEET JA MERKINNÄT 10
1. JOHDANTO 13
2. KAAPELITEHDASMALLI 16
2.1 Mallinnuksen tarkoitus 16
2.2 Tuotemalli 18
2.3 Tehdasmalli 19
2.3.1 Prosessit 20
2.3.2 Resurssit 20
2.4 Kaapelitehtaan prosessilaskennan toimintamalli 21
2.4.1 Rinnakkaissuunnittelun periaate 21
2.4.2 Rinnakkaissuunnittelu kaapelitehtaan prosessilaskennassa 23
3. KAAPELIN RAKENNE-ELEMENTIT 25
3.1 Rakenne-elementtityypit 25
3.2 Elementtien ominaisuudet 26
3.3 Putkimaiset elementit 26
3.3.3 Pitkittäisnauhoitukset 30
3.4 Kerratut elementit 31
3.4.1 Kerratut johtimet 33
3.4.2 Kerratut parit ja nelikierteet 35
3.4.3 Kerratut alilohkot 36
3.4.4 Kaapelisydämet 37
3.5 Kierretyt elementit 39
3.5.1 Nauhoitukset 39
3.5.2 Kierretyt langat 41
3.6 Nimeämis- ja merkintäjärjestelmä 43
4. PROSESSIT 44
4.1 Prosess ¡tyypit 44
4.1.1 Pääprosessit 45
4.1.2 Apuprosessit 46
4.1.3 On-line prosessit 47
4.2 Lankojen valmistus 47
4.2.1 Valssaus 47
4.2.2 Langanveto 48
4.3.1 Muovin ja kumin puristaminen 50
4.3.2 Metallien puristaminen 51
4.3.3 Rasvatäyttö 52
4.4 Pyörivät prosessit 52
4.4.1 Kertausmenetelmät 53
4.4.2 Nauhoitukset ja sidonta 54
4.4.3 Lankojen kierto 54
4.5 Kappaleprosessit 54
4.5.1 Testaus 55
4.5.2 Ristisilloitus 55
4.6 Kelaus 56
5. KAAPELITEHTAAN PROSESSILASKENTA 60
5.1 Prosessilaskennan tarkoitus 60
5.2 Käytettävien kaapelistandardien valinta 60
5.3 Laskennan lähtötietojen päättäminen 62
5.3.1 Tuotevalikoima 62
5.3.2 Toimituspituus 62
5.3.3 Eräpituus 63
5.3.4 Muut laskennan lähtötiedot 63
5.6 Tarvittavien alkeisprosessien määrittely ja analysointi 66 5.7 Alkeisprosessien yhdistäminen prosessivaiheiksi 68 5.8 Prosessivaiheiden analysointi ja prosessien optimointi 69
5.8.1 Prosessiromu 69
5.8.2 Tuotantoerien vaihto 70
5.8.3 Keloitus 70
5.9 Tuotteiden reitityksen määrittely 71
5.9.1 Tandemointi 71
5.9.2 Reititys 71
5.10 Käytettävien koneiden määrittely ja valinta 72
6. MALLIEN TOIMINTA 74
6.1 Excel-malli 74
6.1.1 Kaapelirakenteet 75
6.1.2 Prosessit 75
6.2 Design++-malli 76
6.3 Quest-malli 77
7. JOHTOPÄÄTÖKSET 79
8. YHTEENVETO 81
Lütte 1 Kerrattujen johtimien minimilankalukumäärät, resistanssit ja niiden määrittäminen.
Lütte 2 Kertoimia yhteen kerrattujen pyöreiden elementtien halkaisijan laskemiseksi.
Uitte 3 DIN 46395-mukaiset kone- ja toimituskelat mittoineen.
Lütte 4 Esimerkki Excel-taulukkolaskentamallilla toteutetuista voimakaa- pelirakennelaskelmista.
Lütte 5 Esimerkki Excel-taulukkolaskentamallilla toteutetuista voimakaa- peliprosessilaskelmista.
a Ristisilloitusaika
A Rakenne-elementin nimellispoikkipinta-ala
d Kaapelin rakenne-elementin sisähalkaisija tai pienempi esite tyistä halkaisijoista
D Kaapelin rakenne-elementin ulkohalkaisija tai suurempi esite tyistä halkaisijoista, kelan yhteydessä kelan laipan halkaisija D1 Kaapelikelan rummun halkaisija
E Kaapelikelalle jätettävä vapaa tila fk Rakenne-elementin pitenemäkerroin ft Rakenne-elementin tiivistyskerroin
h Korkeus
i Päällekkäin yhteenkerrattujen kerrosten lukumäärä k Rakenne-elementin nousukerroin
K [T] Lämpötilasta riippuva ristisilloitusaikaan vaikuttava kerroin
I Pituus
L Kierto-ja kertausnousunpituus L1 Kaapelikelan sisäleveys
m Massa
n Yhteenkerrattujen rakenne-elementtien lukumäärä o Nauhojen suhteellinen päällekkäisyys prosentteina q Yhteenkerrattujen rakenne-elementtien täytekerroin R Prosessin pyörimisnopeus
T Prosessin läpi kulkeva tilavuus aikayksikössä v Prosessin lineaarinen nopeus
w Leveys
a Kiertoja kertauskulma p Materiaalin tiheys
ANSI American National Standards Institute BPO British Post Office
DIN Deutsche Industrial Norme
IEC International Electrotechnical Commission ISO International Organization for Standardization NF Norme Française
PRODEAL Teknologiaohjelma prosessilaitosliiketoiminnan kehittämiseksi SESKO Suomen sähköteknillinen standardisoimisyhdistys
SFS Suomen standardisoimisliitto
STEP Standard for the Exchange of Product Model Data SZ Vaihtosuuntakertaus
VDE Verband Deutscher Elektrotechniker
1. JOHDANTO
Prosessilaitosprojekteihin liittyy valtava määrä kommunikointia ja tietojen
käsittelyä. Monissa tapauksissa on kyse enemmän tietojenkäsittelystä kuin valmistus tai asennustoiminnasta. Laitosprojektien valvontaa ja ohjausta var
ten on tehtävä monenlaisia malleja. /1/
Tuotteiden laadulle asetettavat vaatimukset sekä tarve tuottaa entistä nopeammin asiakkaan tarpeita aiempaa paremmin vastaavia tuotteita on pakottanut yritykset kaikilla aloilla etsimään uusia tehokkaita tapoja hallita tuotetietoja suunnittelu- ja tuotantotoiminnan kaikissa vaiheissa. Lisäksi rinnakkaissuunnittelun vaatimukset perinteisen peräkkäissuunnittelun sijalla asettavat tuotetiedonhallinnan avainasemaan tehtaan suunnitteluketjussa. /2/
Tässä työssä tehdyt mallinnukset tehdään rinnakkaisuunnittelun toimintojen kehittämiselle asettamien vaatimusten ja rinnakkaissuunnittelun periaatteiden mukaisesti. Tuotemallinnuksessa käytetään hyväksi oliomallinnuksen peri
aatteita ja piirrepohjaista mallinnusta.
Lähtökohta uutta kaapelitehdasta suunniteltaessa ja olemassa olevan tehtaan prosesseja uudistettaessa on tarve valmistaa tietty määrä kysyntää vastaavia tuotteita eli kaapeleita. Kaapeleihin ja kaapeliprosesseihin liittyvien ominai
suuksien tehokas hallinta on keskeisin tehdas- ja tuotannonsuunnitteluun vaikuttava tekijä, koska pienetkin muutokset kaapelirakenteissa saattavat aiheuttaa muutostarpeita tuotantolaitteissa.
Työn tavoitteena on määritellä prosessilaskennan toiminnot ja tietovirrat sekä tarvittavat laskenta-algoritmit sellaisella tarkkuudella, että saavutettujen tulos
ten perusteella on mahdollista toteuttaa tietojenhallintaa ja kaapelitehtaan prosessilaskentaa tukeva tietotekninen mallinnusjärjestelmä. Tavoitteen saavuttamiseksi selvitetään kaapelitehtaan prosessilaskennassa tarvittavat tiedot, niiden riippuvuudet toisistaan ja tulosten vaikutukset tehdassuunnit- teluun erityisesti suunnittelun alkuvaiheissa. Tulosten perusteella rakennettava
malli tulee aluksi kattamaan kaapelitehtaan tehdas- ja tuotannonsuunnittelun sekä tuotannonohjauksen. Saman mallin ympärille rakennetaan seuraavissa kehitysvaiheissa kaapelitehtaan myyntiä ja kannattavuuden arviointia tukevat työkalut.
Diplomityössä käsitellään aluksi yleisesti tehdasmallia ja tuotetiedonhallintaa kaapelitehdasympäristössä sekä prosessilaskennan etenemistä asiakastar
peen määrittelystä kaapelien rakenteiden ja prosessien suunnittelusta konei
den ja laitteiden määrittelyyn. Tavallisesti tuotantoyksiköt ovat erikoistuneet valmistamaan tiettyä kaapelityyppiä, kuten puhelin-, voima- tai optokaapeleita.
Tässä työssä luokitellaan ja mallinnetaan tavallisimmat kaapelirakenne- elementit, erityisesti keskitytään prosessien mallintamisessa tarvittavien parametrien määrittämiseen. Kaapelirakenteet mallinnetaan mahdollisimman yleisiksi elementeiksi, joita voidaan käyttää kaapelisuunnittelussa erityyppisten kaapelien mallintamisessa. Työssä tarkastellaan myös tavallisimpien alkeis- prosessien ominaisuuksia, sekä kyseisten alkeisprosessien liittymistä toisiinsa prosesseiksi. Tavoitteena on löytää erilaisista prosesseista mallintamiseen liittyviä ja sitä helpottavia yhteneväisyyksiä. Samankaltaisuuksien perusteella on tavoitteena määritellä ja luokitella eri tyyppisiä alkeisprosesseja, joiden avulla voidaan tehtaan suunnittelua varten mallintaa kaikkia kaapelitehtaan prosesseja. Kaapelin valmistukseen käytettäviä koneita ja laitteita käsitellään tässä työssä ainoastaan resursseina, joilla suunnitellut prosessit voidaan toteuttaa. Koneiden vaikutukset otetaan huomioon elementtiprosesseja mallinnettaessa niin, että kaikki tässä työssä mallinnetut prosessit voidaan toteuttaa jollain markkinoilta saatavilla olevalla kaapelikoneella.
Diplomityö on tehty osana Tekesin PRODEAL-teknologiaohjelmaa, jonka tavoitteena on teknologian kehittäminen prosessilaitosten tehokasta toteutta
mista varten. 13/ Mallinnustyötä on tehty kirjallisuustutkimuksena, haastat
teluina ja ryhmätöinä. Kaapelirakenteita ja prosesseja mallinnettaessa on tutkittu lukuisia kaapelistandardeja sekä kaapelitehtaiden valmistusdoku- mentteja. Käytännön kokemuksia on saatu samalla, kun tehtyjä määrittelyjä on
testattu Excel-taulukkolaskentaan rakennetulla staattisella mallilla ja lisäksi Quest-tehdassimulointiohjelmistolla toteutetulla dynaamisella kaapelitehdas- mallilla. Mallien toimivuutta on lisäksi kokeiltu tietämystekniikkaan perustuvalla D++-mallintajalla.
2. KAAPELITEHDASMALLI
2.1 Mallinnuksen tarkoitus
Mallinnuksen tarkoituksena on kuvata sunnittelun kohteena olevat tuotteet selkeillä malleilla, joiden avulla tutkitaan tuotteiden ominaisuuksia monesta eri näkökulmasta jo ennen valmistusta. Malli esittää todellisen tuotteen yksin
kertaistetussa ja yleistetyssä muodossa. Mallien pitää pystyä vastaamaan kaikkiin kysymyksiin, joita mallinnettuun tuotteeseen liittyvät toiminnat tarvitsevat tuotteen elinkaaren eri vaiheissa. Tuotemalliin kohdistetaan monia kysymyksiä, esimerkiksi: /4/
• miltä tuote näyttää ja mitkä ovat tuotteen mitat
• mitä materiaaleja on käytetty
• miten tuote voidaan valmistaa
• täyttääkö tuote asetetut vaatimukset.
Malleja käytetään muunmuassa suunnittelun tulosten simuloimiseksi ja tuotteen valmistettavuuden varmistamiseksi. Esimerkki mallin toimintaympä
ristöstä on esitetty kuvassa 2.1.
Myynti ja markkinointi
' Prosessi- >
suunnittelu
Lay-out- suunnittelu
( Tuote- suunnittelu
'Tuotannon-^
suunnittelu TUOTE- JA
TEHDASMALLI
KUVA 2.1 Tuote-ja tehdasmallia tarkastellaan useista eri näkökulmista. /4/
Kaapelitehtaan prosessilaskennan kannalta tärkeimmät tuote- ja tehdasmallin tarkastelunäkökulmat ovat tuote-, prosessien- ja tuotannonsuunnittelu sekä simulointi. Eri näkökulmia esitetään tarkemmin luvussa 5 tarkasteltaessa prosessilaskennan vaiheita.
Tuotantolaitoksen malliin kuuluu valmistettavia tuotteita kuvaava tuotemalli ja tuotantoa sekä valmistusta kuvaava tehdasmalli. Kuvassa 2.2 on esitetty mallin looginen rakenne. Viivan yläpuolella olevat tuotteet valmistetaan pro
sesseilla, jotka koostuvat rekursiivisesti toisista prosesseista ja jotka edelleen varaavat tarvitsemiaan resursseja. Tuotteiden ja niiden osien fyysiset ominai
suudet, tuoteosien väliset tiedot ja niiden väliset riippuvuudet voidaan jäsentää tarkemmin käsitemallin avulla tuotetietomalliksi. Tuotemallilla tarkoitetaan tavallisesti kyseisen tuotetietomallin mukaisesti esitetyn tuotteen yksittäisen ilmentymän eli yhden mitoitetun kaapelin sekä siihen liittyvien prosessien ja resurssien tietoja./2/ Kaapelitehdasmalliin kuuluvia tuotteita ja prosesseja käsitellään tarkemmin luvuissa 3 ja 4.
TUOTEMALLI
TEHDASMALLI PROSESSIT
(valmistus) TUOTTEET
(kaapelit)
RESURSSIT (koneet ja linjat)
KUVA 2.2 Kaapelitehtaan mallin looginen perusrakenne. 131
2.2 Tuotemalli
Tuotemallissa kuvataan tuotteen rakentuminen osista ja näiden osien ominai
suudet eli piirteet. Mallissa esitetään erikseen piirteineen kaikki sellaiset tuotteen elementit, joilla on merkitystä suunnittelun tai valmistuksen kannalta.
Tuotemallissa esitetään jokaiselle suunniteltavalle tuotteen elementille käyt
täytymissäännöt, joiden mukaan elementit rakentuvat. Tuotemallissa esitetään myös säännöt elementtien liittämisestä toisiinsa ja valmistusprosesseihin.
Rakenne-elementtien ominaisuuksia kuvataan mallissa esimerkiksi laskenta
kaavoilla, numeroilla tai sovituilla koodeilla. Tuotetiedon mallintamista varten on kehitetty ISO (International Organization for Standardization) -standardoin
tijärjestön johdolla STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) - standardi, joka on keskittynyt lähinnä ohjaamaan erilaisten tuotetietojen mallinnusta tietojärjestelmien välistä integrointia ja tiedonsiirtoa varten. Vaikka STEP-standardi on keskittynyt pääasiassa erilaisten tuotteiden mekaanisten osien hallintaan, sopivat standardin ohjeet hyvin myös kaapelituotemallin rakentamiseen. Kuvassa 2.3 on esitetty osa kerratun johtimen rakennepuusta STEP-standardin mukaisesti.
Massa: d= nm.
Halkaisija: d=3d,
Massa: mp pxV Halkaisija: d,=2.15 mm
Raaka-aine: kupari
Kerrattu johdin
Johdinlanka
Tiheys: p=8.94 kg/dm' Hinta: 11.23 mk/kg Kokoonpano: n=1+6+12
Kertausnousu: L
KUVA 2.3 Esimerkki kuparijohtimen mallista ominaisuuksineen. 151
2.3 Tehdasmalli
Tehdasmallilla kuvataan tuotemallin mukaisen tuotteen valmistukseen liittyvät tiedot eli miten ja millä kyseinen tuote voidaan tehtaassa valmistaa. Tehdas- mallissa esitetään tuotantoprosessit ja niihin liittyvät resurssit ominaisuuk
sineen. Tehtaan tuotesuunnittelijan on rajoituttava suunnittelemaan tuotteita, joita voidaan valmistaa tehtaalla käytettävissä olevilla prosesseilla ja resurs
seilla.
Tehdasmallissa esitettyjä tietoja käytetään erityisesti tuotannonsuunnittelussa ja tehtaan simuloinnissa. Tuotannonsuunnittelussa tehdään päätökset tuotan
non ajoituksesta sekä käytettävistä prosesseista ja resursseista. Simuloinnin tarkoituksena on tuotannon ongelmakohtien etsiminen ja ratkaisujen hake
minen sekä tehtaan toimintaan vaikuttavien muutosten analysointi. Muutoksia
ovat esimerkiksi uuden tuotteen valmistuksen aloitus tai käytettävien resurs
sien kapasiteetin muutokset. 161 2.3.1 Prosessit
Prosessilla tarkoitetaan tuotteeseen tai johonkin sen osaan kohdistuvaa valmistusvaihetta. Tavallisesti prosessit ohjaavat resurssien käyttöä varaa
malla tarvitsemansa määrän tuotantohyödykkeitä tarpeelliseksi ajanjaksoksi.
Prosessit voivat olla itsenäisiä tai koostua useista osaprosesseista. Prosessit yhdistävät kuvan 2.2 mukaisessa mallissa esitetyt tuotteet ja resurssit. /3/
Kaapelitehtaassa prosessilla tarkoitetaan kaikkien niiden alkeisprosessien ketjua, joita tarvitaan tietyn tuotteen valmistamiseen. Kaapeliprosessissa voi olla myös prosessivaiheita, jotka ovat sellaisenaan itsenäisiä osaprosesseja ja koostuvat vielä pienemmistä prosessin osista eli alkeisprosesseista. Prosessit voidaan jakaa pieniin osiin alkeisprosesseiksi, kunnes tulee vastaan jaka
maton yksittäinen prosessi. Osa alkeisprosesseista voidaan toiminnallisuuden perusteella liittää suoraan johonkin kaapelin rakenne-elementtiin, mutta jotkut alkeisprosessit on yleiskäyttöisiä, eivätkä liity suoraan minkään rakenteen osan valmistukseen. Näitä alkeisprosesseja kutsutaan aineettomiksi, koska ne eivät muokkaa kaapelia eivätkä kuluta raaka-ainetta.
2.3.2 Resurssit
Resurssit ovat tuotantohyödykkeitä, joita tehdasmallissa esitetyt prosessit tarvitsevat tuotteita valmistettaessa. Resursseja ovat kaikki valmistuksessa käytettävät koneet, työntekijät, materiaalit ja käyttöhyödykkeet. Myös tuotanto
menetelmien osaaminen on resurssi. Resurssit voivat koostua toisista resursseista, esimerkiksi tuotantolinjassa voi olla monta konetta ja linjan käyttämiseen tarvitaan työntekijöitä. 16/
Kuvassa 2.4 on esitetty kalanruotokuvion avulla toimivan kaapelitehtaan resurssien ja prosessien yhteisvaikutus kaapelin valmistuksessa. Mikäli yksikin
elementeistä puuttuu tai on epätäydellinen, ei lopputuotetta voida menestyksekkäästi valmistaa. Käyttöhyödykkeillä tarkoitetaan kuvassa veden, sähkön ja paineilman lisäksi myös tuotantotiloja. Menetelmiä ovat kaikki ohjaukseen sekä tuotteiden- ja tuotannonsuunnitteluun liittyvät asiat, joihin kuuluu myös tehtaan laatujärjestelmä. Työntekijöitä ovat kaikki tehtaan toimintaan osallistuvat henkilöt. Materiaaleja ovat kaapelinvalmistukseen tarvittavien raaka-aineiden lisäksi koneiden kuluttamat aineet, kuten voitelu
aineet ja kuluvat osat. Koneita ja laitteita ovat kaikki tuotannossa tarvittavat laitteet mukaanlukien operaattorien tarvitsemat käsityökalut. Prosessilla tarkoitetaan kaikkia valmistukseen tarvittavia alkeisprosesseja ja niiden erilaisia yhdistelmiä. /7/
PROSSESSI
TYÖNTEKIJÄT
KÄYTTÖ H YÖ DYKKEET
MENETELMÄT
KONEET JA LAITTEET
TUOTE ELI KAAPELI
MATERIAALIT
KUVA 2.4 Toimivan kaapelitehtaan elementit.
2.4 Kaapelitehtaan prosessilaskennan toimintamalli
2.4.1 Rinnakkaissuunnittelun periaate
Rinnakkaissuunnittelu on toimintatapa, joka pohjautuu tuotteen elinkaaren kaikkien vaiheiden suunnittelemista samanaikaisesti rinnakkain. Tuotteen useiden eri vaiheiden yhtäaikainen suunnittelu vaatii tehokasta tiedonhallintaa, koska tietoja siirretään jatkuvasti suunnitteluvaiheiden välillä molempiin suuntiin. Rinnakkaissuunnittelun lähtökohta on suunnittelupainotteinen toimin
ta ja sen tavoitteena on suunnittelun läpäisyajan lyhentäminen, kustannusten alentaminen ja laadun parantaminen /8/.
Rinnakkaissuunnittelussa hyödynnetään tehokkaasti aikaisempaa suunnittelu- kokemusta, jolloin päästään eroon turhasta uudelleensuunnittelusta ja vanho
jen virheiden toistamisesta. Suunnitteluprosessin kaikissa vaiheissa saadut kokemukset ja tiedot dokumentoidaan ja arkistoidaan tarkasti. Suunnittelussa käytetään mahdollisimman samankaltaisia ja standardien mukaisia tuote- rakenteita. Rinnakkaissunnittelun lähtökohta on suunnittelun yksinkertaista
minen, mikä tarkoittaa:
• osien määrän minimointia
• modulaarisia tuotteita
• osien keskinäistä samankaltaisuutta
• yhdellä osalla monta eri toimintoa
• saman osan käyttämistä useaan eri tarkoitukseen
• helposti valmistettavia osia. 191
Rinnakkaissuunnittelun avulla voidaan suunnittelun läpimenoaikaa lyhentää merkittävästi, koska perinteisessä peräkkäissuunnittelussa joudutaan odotta
maan suunnitteluketjussa edellisen vaiheen valmistumista ennen seuraavan vaiheen aloittamista. Peräkkäissuunnittelussa myös tieto kulkee tavallisesti yhteen suuntaan, jolloin aiempia kokemuksia ei voida hyödyntää tehokkaasti.
Kuvissa 2.5 ja 2.6 on esitetty peräkkäis- ja rinnakkaissuunnittelun eteneminen vaiheelta toiselle. Rinnakkaissuunnittelun vaiheet etenevät tiiviissä vuoro
vaikutuksessa edelliseen ja seuraavaan vaiheeseen, kun peräkkaissuunnit- telussa vaiheiden välinen tiedonsiirto on vähäistä.
KUVA 2.5 Peräkkäissuunnittelun eteneminen vaiheittain. /9/
Vaihe 2
Vaihe 4
Vaihe 5 Vaihe 1
Vaihe 3
KUVA 2.6 Rinnakkaissuunnittelun eteneminen vaiheittain. /9/
Jotta vaiheiden välinen tiedonsiirto ja -hallinta voidaan toteuttaa mahdollisim
man tehokkaasti, käytetään rinnakkaissuunnittelussa usein monia tietotek
niikan apuvälineitä. Tuotteiden suunnittelu tehdään tavallisesti tietokone
avusteisesti tuotteen valmistettavuutta ja kokoonpantavuutta silmälläpitäen.
Myös tuotannonsuunnittelussa ja ohjauksessa sekä mahdollisuuksien mukaan valmistuksessa käytetään tietokoneavusteisia työkaluja. Suunnittelu- ja valmistustehtäviin käytettävien ohjelmistojen lisäksi tietotekniikan avulla pyritään parantamaan tietojen saatavuutta. Kaikkien tietojen pitää olla jokaisen suunnitteluvaiheen käytettävissä jatkuvasti, mikä voidaan hoitaa parhaiten yhteisellä tuotetietomallilla, johon kootaan kaikille vaiheille tarpeelliset suunni
ttelutiedot käytettävään muotoon. /10/
2.4.2 Rinnakkaissuunnittelu kaapelitehtaan prosessilaskennassa
Kaapelitehtaan suunnittelu ja toiminta koostuu monista rinnakkaisista suunnit
teluvaiheista ja -ketjuista. Prosessilaskenta on keskeinen suunnitteluvaihe, koska laskennnan tarkoitus tehdassuunnittelun alkuvaiheessa on tuote- ja tehdasmallin määrittely sekä myöhemmissä vaiheissa mallien ylläpito ja täy
dentäminen. Jotta prosessilaskennan tulosten perusteella määritellyt mallit olisivat kaikkien kaapelitehtaan toimintaan osallistuvien käytössä, on tässä työssä esitetyt mallit tehty rinnakkaissuunnittelun periaatteiden mukaisesti.
Toimintamallilla kuvataan suunnittelun etenemistä vaiheelta toiselle. Tavalli
sesti toimintamalli alkaa asiakastarpeen määrittelyllä jatkuen edelleen tuote
suunnittelulla ja mahdollisesti vielä valmistuksella. Tässä työssä kaapeli- tehtaan prosessilaskennan eteneminen vaiheittain ja tietojen kulku suunnit
teluvaiheiden välillä on mallinnettu kuvan 2.6 mukaisella toimintamallilla, joka koostuu seuraavista rinnakkaisista suunnitteluvaiheista:
• käytettävien kaapelistandardien valinta
• laskennan lähtötietojen päättäminen
• käytettävien kaapelirakenteiden määrittely
• kaapelirakenteiden mitoitus
• tarvittavien alkeisprosessien määrittely ja analysointi
• alkeisprosessien yhdistäminen prosessivaiheiksi
• prosessivaiheiden analysointi ja prosessien optimointi
• tuotteiden reitityksen määrittely
• käytettävien koneiden määrittely ja valinta. /11/
Kuhunkin vaiheeseen kuuluvia toimintoja on tarkasteltu lähemmin luvussa 5.
3. KAAPELIN RAKENNE-ELEMENTIT
3.1 Rakenne-elementtityypit
Kaapelitehtaan tuotemalliin kuuluvat tehtaan valmistamat kaapelit, jotka suun
nitellaan ja valmistetaan rakenne-elementeistä. Jokainen elementti kuvaa konkreettista ja itsenäistä kaapelin rakenneosaa. Kaapelin rakennesuun
nittelussa elementit mitoitetaan valitun standardin ja asiakkaan mahdollisten erityisvaatimusten mukaan. Mitoitetut elementit kytketään rakennepuuksi, josta käy ilmi elementtien järjestys, ominaisuudet ja niiden väliset riippuvuudet.
Kuvassa 3.1 on esimerkki keskijännitevoimakaapelista ja sen rakenne-ele
menteistä. Elementit yhdessä muodostavat kaapelin tuotemallin. Monella tietyn standardin määrittelemällä kaapelilla voi olla sama looginen rakenne, eli rakenne-elementit ja niiden järjestys ovat samanlaisia ja ainoastaan element
tien mitoitus muuttuu.
Teräslanka- Ulkovaippa armeeraus Armeerauksen
Kuparinauha- \ vastakierre
kosketussuoja Välivaippa \ >___
Johdin
Täytelankoja 3-kerrds '
johdineriste Suojanauhoitus
KUVA 3.1 Teräslanka-armeerattu kolmijohdinkaapeli.
Kaapelistandardien perusteella voidaan käyttötarkoituksen perusteella nimetä kymmeniä erilaisia rakenne-elementtejä, jotka tuotemallissa pitää kuvata.
Kaikki elementit eivät kuitenkaan ole suunnittelun kannalta erilaisia, vaan
elementeillä on yhteisiä piirteitä ja ne voidaan luokitella samankaltaisuuksien perusteella putkimaisiin, kerrattuihin ja kierrettyihin elementteihin. Putkimaisia elementtejä ovat esimerkiksi johdinlanka, eristyskerrokset ja vaipat. Kerratuihin elementteihin kuuluvat johdin ja kaapelisydän. Kierrettyjä elementtejä ovat erilaiset nauhoitukset, kuten sidonnat, nauha-armeeraukset ja petinauhoituk- set. Edellä mainitut elementit eivät kata kaikkia erilaisten kaapelien suunnit
telussa vastaantulevia rakenteita, mutta kaikki tavalliset rakenne-elementit voidaan jakaa näihin kolmeen luokkaan.
3.2 Elementtien ominaisuudet
Rakennesuunnittelun kannalta tärkeimmät elementtien ominaisuudet ovat halkaisija, massa ja mahdolliset pitenemät sekä elementin geometria. Näitä tietoja tarvitaan mitoitettaessa kaapelin rakennepuussa seuraavia rakenne- elementtejä. Prosessien mitoituksessa tarvitaan lisäksi materiaalien kulutus- tietoja sekä kertaus- ja kiertonousujen pituuksia. Tässä luvussa luokitellaan ja esitellään tavalliset rakenne-elementit sekä niiden mitoittamiseen tarvittavat säännöt. Kaikki esiteltävät rakenne-elementit perustuvat kansainvälisten normien vaatimuksiin ja eri tehtaiden valmistusdokumentteihin.
3.3 Putkimaiset elementit
3.3.1 Pyöreät langat
Pyöreitä lankaelementtejä ovat johdinten langat, armeerauslangat, johdinsuo- jalangat ja joskus myös täytelangat. Näitä elementtejä voidaan laskennassa käsitellä kuvan 3.2 mukaisina umpinaisina sylintereinä. Sylinterin massa voidaan laskea yhtälön 3.1 mukaan, kun kappaleen halkaisija, tiheys ja pituus tunnetaan. Halkaisija määrätään tavallisesti standardissa ja tiheyden määrää käytetty materiaali. Suunnitteluvaiheessa massat lasketaan kaapelikilometriä kohden, mutta mahdollisten kertaus- ja kiertoelementtien aiheuttamat pituus- lisät on otettava huomioon pituuksia määritettäessä. /12/
n x D2 . m =---x p x I
4
m = sylinterin massa D = sylinterin halkaisija p = materiaalin tiheys I = sylinterin pituus
. Л----
(3.1)
KUVA 3.2 Umpinainen sylinterimäinen elementti.
3.3.2 Eristeet ja vaipat
Kuvan 3.3 mukaisia putkimaisia elementtejä ovat kaikki puristamalla valmis
tettavat eristykset ja väli- sekä ulkovaipat. Myös täyterasvaa voidaan käsitellä putkimaisena elementtinä. Kuvassa 3.3 on esitetty ontto putkimainen element
ti. Putken sisähalkaisijan (d) määrää alla olevan kaapelisydämen halkaisija.
Yhtälön 3.2 mukaan voidaan laskea homogeenisen putkimaisen elementin massa, jos kaapelisydän on pyöreä ja sileäpintainen. Mikäli kaapelisydän ei ole pyöreä, pitää alla olevien epätasaisuuksien viemä tilavuus laskea mukaan massaa laskettaessa. Kaikkien putkimaisten elementtien ulkohalkaisija laske
taan yhtälön 3.3 mukaan, jossa sisähalkaisijaan lisätään kaksi kertaa putken seinämän paksuus. /12/
n x(d2 -d2) m =------— x p x I
4 (3.2)
D = d + 2 x t (3.3)
d = putken sisähalkaisija = alla olevan kaapelin halkaisija D = putken ulkohalkaisija
t = putken paksuus I = putken pituus
p = putken materiaalin tiheys
d D
KUVA 3.3 Putkimainen elementti.
Kuvassa 3.4 on kerratun johtimen päällä kolme putkimaista eristyskerrosta.
Johdinsuoja on puristettu suoraan kerratun johtimen päälle, jolloin pinta ei ole täysin sileä ja johdinsuojaan kuluvan muovin määrää laskettaessa on otettava lankojen välit huomioon. Eristeen ja hohtosuojan alla on sileä ja pyöreä kerros, jolloin niihin voidaan suoraan soveltaa yhtälöä 3.2. /12/
Johdin Hohtosuoja
d = kerratun johtimen halkaisija t-, = johdinsuojan paksuus t2 = eristeen paksuus t3 = hohtosuojan paksuus D = eristetyn johtimen halkaisija
KUVA 3.4. Kerrattu johdin ja kolmikerroseristys.
Vaippojen ja voimakaapelien eristysten paksuudet määrätään standardissa suoraan tai elementin alla olevan kaapelisydämen halkaisijan funktiona.
Telekaapelien eristyspaksuus lasketaan standardien määräämien kapasitans
si-ja läpikuulumisominaisuuksien perusteella.
Mikäli kaapelissa käytetään välivaippaa, sen nimellispaksuus määräytyy alla olevan kaapelisydämen halkaisijan funktiona yhtälön 3.4 mukaisesti. Vastaa
valla tavalla ulkovaipan nimellispaksuus määritellään IEC 502 standardissa yhtälön 3.5 mukaan. Eri kaapelityypeille on standardeissa määritetty vaipan nimellispaksuudet ja mahdollisesti sallittavat poikkeamat. /13/
t = 0.02 x d + 0.6mm t = 0.035 x d +1.0mm
t = vaipan / putken paksuus
d = kaapelin halkaisija ennen vaippausta
Tavallisesti vaippamateriaalina käytetään muoveja tai kumeja, mutta erityisesti vesistökaapeleissa voidaan vaippamateriaalina käyttää myös lyijyä tai alumiinia. Metallivaippojen aiheuttamaa jäykkyyttä voidaan vähentää korru- goimalla vaippa kuvan 3.5 osoittamalla tavalla. Korrugoitua vaippaa käytettäessä pitää halkaisijaa laskettaessa ottaa huomioon myös korrugoinnin korkeus, joka vaihtelee käytettyjen työkalujen mukaan.
(3.4) (3.5)
Muovinen ulkovaippa Korrugoitu
metallivaippa Petinauhoitus
Kosketussuojan vastakierrenauha Kosketussuoja
kuparilangoista
KUVA 3.5 Yksijohdinkaapeli, jossa korrugoitu metallivaippa.
Korrugoidun vaipan massa voidaan laskea samalla tavalla kuin putken massa, kun putken muodosta aiheutuva pituuden lisäys otetaan huomioon. Putken muotoa voidaan riittävällä tarkkuudella approksimoida siniaallolla kuvan 3.6 mukaisesti. /14/
D = halkaisija korrugoinnin päältä h = korrugoinnin korkeus
I = yhden korrugointiaallon pituus f(x) = korrugoinnin sinifunktio
KUVA 3.6 Korrugoinnin muotoa voidaan mallintaa sinikäyrän avulla.
3.3.3 Pitkittäisnauhoitukset
Joissakin kaapelityypeissä käytetään pitkittäisnauhoitusta kaapelin tai sen osan mekaanisena tai kosteussuojana ja joskus myös kosketussuojana.
Pitkittäisnauhoitus on putkimaisten elementtien erikoistapaus. Kuvassa 3.7 on esitetty pitkittäisnauhoituksen periaate. Nauhoitus on tavallisesti niin leveä, että se asettuu osittain itsensä päälle, jolloin alla oleva kaapelisydän on varmasti täysin suojassa. Nauhan massa voidaan laskea yhtälön 3.6 mukaan.
/12/
KUVA 3.7 Pitkittäisnauhoitus kaapelin päästä katsottuna.
m = wxtxp = (l + o)x(7txd)xp ( 3.6)
m = nauhan pituusmassa w= nauhan leveys
t = nauhan paksuus
o = päällekkäisen teipin osuus prosentteina p = nauhoitusmateriaalin tiheys
d = kaapelisydämen halkaisija teipin alla
3.4 Kerratut elementit
Kerrattuja rakenne-elementtejä ovat kaapelien kerratut johtimet, pari- ja nelikierteet, kerratut ali- ja päälohkot sekä kaikki monijohdinkaapelien kaapelisydämet. Kerratut elementit valmistetaan kiertämällä elementtejä toistensa kanssa nippuihin. Kertauselementit ovat aineettomia rakenne- elementtejä, koska niihin ei liity materiaalin kulutusta vaan ne muokkaavat kaapelin edellisiä elementtejä.
Kaikille kerratuille elementeille määritetään kertausnousun pituus L ja kertauksesta johtuva pitenemäkerroin fk. Kertausnousulla tarkoitetaan sitä kaapelin suuntaista lineaarista matkaa, jossa kerrattu elementti on kiertynyt kokonaisen kierroksen ja se tulee uudestaan kaapeliin nähden samaan asemaan. Kertausnousun pituus on tärkein rakenneparametri kertausproses- sia mitoitettaessa ja se määritellään jokaisen kerratun elementin jokaiselle
kerrokselle. Kertausnousun pituus lasketaan yhtälön 3.7 mukaan. Nousu- kerroin k on kokemusperäinen kerroin, joka riippuu kertaustavasta ja kerratta
vien elementtien lukumäärästä ja halkaisijasta. Seuraavissa erilaisia kerrattuja elementtejä käsittelevissä kappaleissa esitellään tyypillisiä kertoimen lukuarvoja eri elementtityypeille. Kuvassa 3.8 on havainnollistettu kertaus- nousun pituutta L.
L = k x D ( 3.7)
.. -V---
L = kertausnousun pituus
D = kerratun elementin halkaisija
KUVA 3.8 Kerratun elementin kertausnousun pituus L.
Kaapeliin ei kertauksessa lisätä materiaalia, mutta kertauksen jälkeistä massaa laskettaessa on huomioitava kertauksesta aiheutuva elementtien piteneminen. Pitenemäkertoimen laskeminen on esitetty yhtälössä 3.8. Mikäli kertauksessa on useampia kerroksia, pitää pitenemäkerroin laskea kullekin kerrokselle erikseen.
sin(arctan ^ ) sin(arctan k-- ^ ) sin(arctan—)
7T X D 71 x D n
L = kertausnousun pituus
k = nousukerroin (johtimille: 12-25)
D = kerratun elementin ulkohalkaisija kertauksen jälkeen fk = pitenemäkerroin
Kaapelisydämen massa kertauksen jälkeen lasketaan yhtälön 3.9 mukaan.
m = n x me x I x fk ( 3.9) m = massa kertauksen jälkeen
n = yhteen kerrattujen elementtien lukumäärä me = yksittäisen elementin pituusmassa I = kerratun elementin pituus
fk = pitenemäkerroin 3.4.1 Kerratut johtimet
Kaapelissa johdin toimii virran kulkutienä. Johtimet voivat olla rakenteeltaan yksisäikeisiä tai kerrattuja. Tavallisesti telekaapelijohtimissa sekä pienissä asennus- ja voimakaapelijohtimissa on ainoastaan yksi säie. Johtimen poikki
pinta-alan kasvaessa ja haluttaessa johtimiin lisää taipuisuutta, valmistetaan johtimet kertaamalla useista johdinlangoista. Johdinkertauksessa suoran johti
men sydämen ympärille kierretään lankoja. Sydän itse voi olla joko yksi- säikeinen tai valmiiksi kerrattu johdin. Johtimet ovat tavallisesti pyöreitä, mutta kaapelin ulkohalkaisijan pienentämiseksi ja johtimen päälle tulevien mate
riaalien säästämiseksi voidaan monijohdinkaapelien johtimista tehdä myös sektorin muotoisia. Johtimen halkaisijan pienentämiseksi voidaan johtimet myös tiivistää yhdessä tai useammassa valmistusvaiheessa valssaamalla./15/
Tavallisimmin käytetty johdinstandardi on IEC 228, jossa johtimet on jaettu luokkiin käyttötarkoituksen ja ominaisuuksien perusteella. Standardi määrää kerratuille johtimille nimellispoikkipinta-alan, maksimiresistanssin ja lankojen minimilukumäärän eri poikkipinta-aloille johtimen muodon ja käytettävän johdinmateriaalin mukaan. Johtimen poikkipinnalla ei tarkoiteta sen geomet
rista vaan nimellistä poikkipintaa, joka määräytyy johtimen tasavirtaresis- tanssin maksimiarvon mukaan. Kerrattujen johtimien minimilankalukumäärät, resistanssit ja niiden määrittäminen on esitetty liitteessä 1. /16/, /17/
Tiivistämättömät johtimet valmistetaan samankokoisista langoista kerroksittain.
Jokaiseen kerrokseen tulee niin monta lankaa, kuin siihen geometrian mukaan
mahtuu. Päällekkäisiin kerroksiin mahtuu 1+6+12+18+24+30 lankaa niin, että johtimen sydämenä on yksi lanka, jonka päälle mahtuu 6 samankokoista lankaa, joiden päälle mahtuu 12 lankaa ja niin edelleen. Kuvassa 3.9 on esimerkki tivistämättömän, kerratun johtimen kerrosrakenteesta.
KUVA 3.9 Kerrattu johdin 1+6+12+18 lankaa.
Tiivistämättömien johtimien halkaisija voidaan laskea yhtälön 3.10 mukaan, kun tiedetään lankojen halkaisijat ja kerrosten lukumäärä.
D = (2 x i -1) x d (3.10)
D = johtimen ulkohalkaisija d = johdinlangan halkaisija i = kerrosten lukumäärä
Mikäli johtimia ei kerrata kerroksittain, mutta kerrattavat langat ovat pyöreitä ja niillä on johtimessa tietty paikka, voidaan halkaisija laskea johtimen geomet
rian avulla. Eri lankakalukumäärille on liitteessä 2 esitetty geometriaan perus
tuvia halkaisijakertoimia. Joskus johtimia kerrataan myös nipuiksi, jolloin johdinlangoilla ei ole tiettyä paikkaa johtimessa, eikä johdin välttämättä ole symmetrinen. Tällöin halkaisijan arvioimiseksi voidaan käyttää aikaisemmin valmistetuista kaapeleista mitattuja kokemusperäisiä kertoimia. Ohuista säi
keistä valmistetuille johtimille määrätään standardeissa myös yksittäisten säikeiden halkaisijat. Lankojen lukumäärä määräytyy tällöin standardin resis- tanssivaatimusten mukaan. /16/
Johtimien valmistaminen tiivistämällä monimutkaistaa laskentaa, koska johdin- langat venyvät ja muuttavat muotoaan tiivistyksen aikana. Tiivistys voidaan
tehdä yhdessä tai useammassa vaiheessa, minkä tahansa kerroksen jälkeen.
Tiivistetyn johtimen halkaisija voidaan laske yhtälön 3.11 mukaan, kun tiede
tään tiivistyskerroin ft, joka riippuu tiivistystavasta ja -työkaluista. Tiivistys- kertoimella tarkoitetaan suhdelukua, joka kuvaa johdinmateriaalin osuutta johtimen geometrisesta poikkipinta-alasta. Tiivistämättömän johtimen kerroin on noin 0.6 - 0.65, tiivistetyn johtimen kerroin on välillä 0.88-0.95 ja yksi
lankaisen johtimen kerroin on yksi. /15/
(3.11) D = tiivistetyn johtimen ulkohalkaisija
A = johtimen nimellispoikkipinta-ala f, = tiivistyskerroin
Nousukertoimen avulla lasketaan kertausnousujen pituudet eri kaapeliker- roksille. Johdinten nousukerroin on noin 15, mikäli johtimessa on alle 37 lankaa ja noin 12, jos lankoja on tätä enemmän. Ohuista säikeistä valmistet
tujen johdinten nousukerroin vaihtelee 20 ja 30 välillä.
3.4.2 Kerratut parit ja nelikierteet
Telekaapeleissa eristetyt johtimet kerrataan yhteen tavallisesti ensin pareiksi tai nelikierteiksi ja sitten edelleen lohkoiksi. Parien ja nelikierteiden kertaus- nousuille asetetaan standardeissa yleensä maksimi- ja minimiarvot, joiden väliltä kertausnousujen pituudet pitää valita. Valmiille kaapeleille asetetaan vaatimuksia parien väliselle läpikuulumiselle, johon voidaan vaikuttaa kertaus- nousujen pituuksia säätelemällä. Läpikuuluvuutta voidaan vähentää valitse
malla valmiissa kaapelissa vierekkäin sijaitsevien parien kertausnousut niin, että ne eroavat toisistaan vähintään 10 %. Kaapelin jokainen pari on siis voitava erottaa toisistaan, mikä on otettava huomioon jo pareja suunnitel
taessa. /18/
3.4.3 Kerratut aiilohkot
Telekaapelien parit tai nelikierteet kerrataan ali- ja päälohkoiksi. Aiilohkot muodostuvat kahdesta tai useammasta elementistä, joita voivat olla parit tai nelikierteet. Tavalliset alilohkojen koot eri standardien mukaan ovat 5-,7-,8, 10-,12-,13-,20- tai 25-paria. Kuvassa 3.10 on esimerkki alilohkosta. Lohkot muodostuvat elastisista elementeistä, minkä takia lohkojen halkaisijan laske
misessa täytyy käyttää kokemusperäistä täytekerrointa q. Täytekerroin kuvaa lohkon tiiveyttä ja on johtimen tiivistyskertoimen ft kaltainen kerroin. Jos täytekerrointa ei tunneta, se voidaan laskea mitatun lohkon halkaisijan perusteella yhtälön 3.12 mukaan. /12/
d = eristetyn langan halkaisija D = lohkon ulkohalkaisija n = lankojen lukumäärä q = täytekerroin
Kaapelia mallinnettaessa pitää lohkon halkaisija määrittää ennen lohkon valmistamista, jolloin täytekertoimelle annetaan kokemusperäinen arvo. Kun täytekerroin tunnetaan, voidaan lohkon halkaisija laskea yhtälön 3.13 mukaan.
(3.13) d = eristetyn langan halkaisija
D = lohkon ulkohalkaisija n = lankojen lukumäärä q = täytekerroin
KUVA 3.10 Lohkorakenne 12 johdinta, rakenne 3+9.
Tiivistyskertoimen arvoja erikokoisille lohkoille on esitetty taulukossa 3.1.
TAULUKKO 3.1 Täytekertoimen arvoja.
Lohkon pariluku Täytekerroin
< 13 0.51
<25 0.54
<50 0.58
<100 0.60
3.4.4 Kaapelisydämet
Telekaapeleissa alilohkot kerrataan isommiksi päälohkoiksi ja edelleen kaapelisydämiksi. Päälohkot ovat tavallisesti 50- tai 100-parisia, mutta joissain standardeissa päälohkojen parilukumääriin lasketaan mukaan myös varaparit, jolloin lohkojen pariluku kasvaa. Kaapelisydämiä voidaan kerrata myös suoraan alilohkoista. Kaapelisydämessä voi olla useita päällekkäisiä kerroksia.
Kerrattavat lohkot eivät ole yleensä kovin tiukkoja, jolloin ne muuttavat kerrattaessa muotoaan kuvan 3.11 osoittamalla tavalla. Koska lohkojen muoto muuttuu, täytyy yhteen kerratun kaapelisydämen halkaisija määritellä kerrat
tavien lohkojen poikkipinta-alojen avulla. Yhtälöissä 3.14 ja 3.15 on esitetty halkaisijan laskeminen lohkoista kerratuille kaapelisydämille. /12/
KUVA 3.11 Kaapelisydän yhteenkerratuista lohkoista, rakenne 2+6.
A, = lohkon poikkipinta-ala
Au = kerratun sydämen poikkipinta-ala D = kerratun kaapelisydämen halkaisija
(3.14)
(3.15)
Kertausnousuille asetetaan standardeissa maksimi- ja minimiarvot, joiden väliltä kaapelisuunnittelija valitsee nousunpituuden. Lohkojen kertausnousujen pituudet vaikuttavat kaapelin tiukkuuteen, sähköisiin ominaisuuksiin ja tuotantoprosessin valintaan. Aivan samoin kuin johdinten kertaus, myös lohkojen yhteenkertaus tehdään kerroksittain vuorotellen molempiin suuntiin.
/19/
Mikäli yhteenkerrattavat elementit ovat pyöreitä ja säilyttävät muotonsa kertauksessa, voidaan kerratun elementin ulkohalkaisija laskea elementtien geometrian perusteella. Kuvassa 3.12 on esimerkki yhteenkerratun kolmi- johdinkaapelin poikkileikkauksesta, jonka ulkohalkaisija voidaan laskea yhtälön 3.16 mukaan. Liitteessä 2 on esitetty halkaisijan laskemiseksi tarvit
tavat kertoimet, mikäli elementtien lukumäärä on suurempi kuin kolme.
D
KUVA 3.12 Yhteenkerratun kolmijohdinkaapelin sydän.
(3.16) vV3 2)
D = kaapelisydämen halkaisija d = kerrattavan elementin halkaisija
3.5 Kierretyt elementit
3.5.1 Nauhoitukset
Nauhoituksia käytetään suojaamaan ja sitomaan välituote eri valmistus
vaiheissa sekä pitämään kaapelin kerrokset erillään toisistaan. Metallisia helikaalisia nauhoja voidaan käyttää myös kosketussuojina tai armeerauksena mekaanista rasitusta vastaan. Suojanauhoituksille ei standardeissa aseteta tavallisesti paksuusvaatimuksia vaan ainoastaan ominaisuusvaateita. Tämä jättää suunnittelijalle tavallisesti melko vapaat kädet valita haluamansa nauhapaksuus, kun muut vaatimukset täyttyvät. Kosketussuojille määrätään standardeissa yleensä sallitut metallit ja vaadittava nimellispoikkipinta-ala.
Armeerausnauhoille asetetaan myös materiaalivaatimuksia ja usein lisäksi minimipaksuus. Lisäksi standardit voivat määrätä pienimmän sallitun teippien päällekkäisyyden tai suurimman sallitun välin kahden teipin välillä. Kuvassa 3.13 on kuvattu helikaalisen nauhoituksen kiertäminen kaapelisydämen ympärille.
KUVA 3.13 Helikaalinen nauhoitus kaapelisydämen ympärillä.
Kiertonousun pituus voidaan laskea kiertokulman a avulla yhtälön 3.17 mukaan. Tämä on luonteva tapa laskea nousunpituus, koska valmistus
prosessissa voidaan helpoiten säätää kiertokulmaa. Kun kulma tunnetaan, voidaan vaadittava nauhanleveys laskea yhtälön 3.18 mukaan. /14/
L = w =
71 X (D + 2 X n X n x D x L J(n XD)2 + L2
t) x tana 1 X 2x(1-o)
(3.17) (3.18)
L = nauhan kiertonousun pituus
D = alla olevan kaapelisydämen halkaisija n = nauhojen lukumäärä
t = käytettävän nauhan paksuus a = kiertokulma
w = nauhan leveys
o = nauhojen päällekkäisyys % nauhan leveydestä, tavallisesti n. 33%
Kun kiertonousukulma tunnetaan, voidaan pitenemäkerroin laskea yhtälön 3.19 mukaan ja edelleen yhden nauhan massa määritetään yhtälön 3.20 mukaan. Nauhoitetun kaapelisydämen halkaisijaa laskettaessa on otettava
nauhan paksuuden lisäksi huomioon mahdollinen päällekkäinen nauhoitus, joka kasvattaa kaapelin laskennallista halkaisijaa nauhan paksuudella molem
min puolin kaapelia.
sinä
m - fk x w x t x p
a = nauhan kiertokulma
m = yhden nauhan pituusmassa fk = nauhan pitenemäkerroin w = nauhan leveys
t = nauhan paksuus p = nauhan tiheys 3.5.2 Kierretyt langat
Kierrettyjä lankaelementtejä käytetään osittain samoihin tarkoituksiin kuin kierrettyjä metallinauhoja. Kaapelia suojaava armeeraus voidaan toteuttaa pyöreillä tai litteillä langoilla. Myös kaapelin kosketussuoja voidaan tehdä kiertämällä riittävä määrä pyöreitä kuparilankoja suojattavan kaapelisydämen ympärille. Sekä lanka-armeerauksen että langoilla toteutetun kosketussuo- jauksen päälle kierretään tavallisesti vastakierrenauha, jonka tarkoituksena on varmistaa lankojen sähköinen yhteys ja sitoa langat paikoilleen. Vastakierre- nauhoitus voidaan kuvata kierrettynä nauhana. /13/
Kosketussuojan lankojen paksuus määräytyy standardin vaatiman kosketus- suojan nimellispoikkipinnan ja toisaalta alla olevan kaapelisydämen halkaisijan perusteella. Nimellispoikkipinta-ala pitää toteutua, mutta samalla pitää valita sellainen lankahalkaisija, että kaikki tarvittavat langat mahtuvat yhteen kerrokseen. Lanka-armeerauksen osalta standardit määräävät vaadittavan lankapaksuuden kaapelin käyttötarkoituksen ja koon perusteella. Lankojen lukumäärä täytyy valita niin, että armeeraus muodostaa yhtenäisen suojan alla
(3.19) ( 3.20)
olevalle kaapelisydämelle. Yhtälön 3.21 avulla voidaan tarkastella tarvittavaa lankojen lukumäärää eri lankahalkaisijoilla ja nousukulmilla.
Kiertonousun pituutta valittaessa pitää huomata, että erityisen lyhyt nousun- pituus aiheuttaa jäykkyyttä, mutta toisaalta pitkä nousunpituus johtaa helposti lankojen välien aukeamiseen kaapelia taivutettaessa. Nousunpituus L voidaan määrätä samalla tavalla, kuin kerratuille elementeille yhtälön 3.7 mukaan.
Nousukertoimen k arvoksi valitaan tavallisesti 14-16, mikä vastaa nousu- kulman a arvoja noin 77°-79°. Nousukertoimen ja nousukulman riippuvuus toisistaan on esitetty yhtälössä 3.22. Kuva 3.14 selvittää nousukulmaa ja kiertonousunpituutta. Yhtälön 3.19 mukaan lasketaan lankojen pitenemäker- roin fk jota tarvitaan lankojen pituuksia määritettäessä.
n x(D + -)
n =---— x sinä (3.21)
d
k = л x tana (3.22)
k = nousukerroin a = nousukulma
n = lankojen lukumäärä
D = alla olevan kaapelisydämen halkaisija d = kierrettävän langan halkaisija
к
KUVA 3.14 Langan kiertokuluna aja kiertonousunpituus L.
3.6 Nimeämis-ja merkintäjärjestelmä
Kaapelien rakenteet voidaan osittain selvittää nimen perusteella. Kaapelien nimet koostuvat yleensä kirjainyhdistelmistä, joissa jokainen kirjain tarkoittaa jotakin kaapelin rakennetta tai materiaalia. Lisäksi kaapeleihin pitää tehdä pituusmerkinnät yleensä metrin välein. Merkinnät tehdään tavallisesti kaapelin vaippaan mekaanisesti painamalla tai joskus myös kirjoittimella. Kaapeleiden merkintään käytetään myös erilaisia värijärjestelmiä. Käytettävät standardit määräävät usein melko tarkasti vaadittavat merkinnät ja merkintätavat. Vaikka merkintä ei ole varsinainen kaapelin rakenne-elementti, pitää se liittää tuotemalliin, koska merkinnän toteuttamiseksi tarvitaan resursseja.
4. PROSESSIT
4.1 Prosessityypit
Prosessimallit muodostavat kaapelitehtaan tehdasmallin ytimen, jossa kuva
taan kaikkien tuotemallissa mallinnettujen rakenne-elementtien valmistami
seen tarvittavat prosessit ja niiden liittyminen toisiinsa prosessivaiheiksi ja prosesseiksi. Prosessimalleissa määritellään säännöt prosessien kuormitusten ja tuotantoparametrien laskemiseksi. Lisäksi mallien avulla määritellään vaatimukset käytettäville koneille ja linjoille.
Kaikki mallinnettavat prosessit kytketään rakenne-elementteihin tai toisiin prosesseihin. Yksi alkeisprosessimalli voidaan kytkeä moneen eri elementtiin ja yhteen rakenne-elementtiin voidaan liittää monta eri vaihtoehtoista alkeis- prosessia. Suoraan johonkin rakenne-elementtiin liittyvät alkeisprosessit ovat tuotannon kannalta pääprosesseja, jotka määräävät tuotantonopeuden. Pää- prosesseihin liittyy tavallisesti apuprosesseja, jotka ovat välttämättömiä halutun lopputuotteen valmistamisessa, mutta eivät yleensä vaikuta tuotanto
kapasiteettien määrittämiseen. Prosessimallissa pääprosessit mitoitetaan en
sin ja apuprosessit pyritään mitoittamaan niin, etteivät ne rajoita tuotantoa.
Joskus joku apuprosessi voi aiheuttaa rajoituksia tuotantonopeuteen, jolloin rajoitukset pitää huomioida. Apuprosessit eivät ole itsenäisiä prosesseja, vaan ne liittyvät aina johonkin pääprosessiin. Kaapeliprosessiin kuuluu myös lukuisia aineettomia alkeisprosesseja, jotka eivät liity suoraan mihinkään kaapelin rakenneosaan, mutta ovat silti välttämättömiä kaapelituotannossa.
Tällaisia ovat esimerkiksi erilaiset valvonta- ja materiaalinohjaustoiminnot.
Kolmas prosessityyppi muodostuu näistä niin kutsututuista on-line-proses- seista, jotka ovat aineettomia alkeisprosesseja. On-line prosessit ovat itsenäisiä ja muista prosesseista riippumattomia alkeisprosesseja, jotka voivat liittyä mihin tahansa prosessivaiheeseen. Kuvassa 4.1 on esitetty eri proses
sityypit ja niiden riippuvuudet toisistaan.
Tässä luvussa esitetään tavallisimmat kaapelinvalmistuksessa käytettävät pääprosessivaihtoehdot ja niiden kuormituksen laskemisessa tarvittavat parametrit. Apuprosesseista esitellään tarkemmit kelaus, joka liittyy jokaiseen prosessivaiheeseen ja vaikuttaa jatkuvan tuotannon prosessinopeuksiin.
Kunkin pääprosessin kannalta tärkeimmät apuprosessit mainitaan pääpro- sessin esittelyn yhteydessä. On-line-prosesseja ei tarkastella yksityiskohtai
sesti.
RASKASVETO
APUPROSESSI
PÄÄPROSESSI
APUPROSESSI
ON-LINE- PROSESSI
APUPROSESSI
AUKIKELAUS
LANGANVETO
LANGAN HEHKUTUS
HALKAISIJAN MITTAUS
KELALLE PUOLAUS
RAKENNE- ELEMENTIT
V
J \
_____ _____У V__________ У V__________ УJOHDINLANKA 0 3.04 mm
KUVA 4.1 Raskasvetoprosessivaiheen alkeisprosessit ja eri prosessityyppien liittyminen toisiinsa.
4.1.1 Pääprosessit
Pääprosessit ovat suoraan rakenne-elementin valmistukseen liittyviä alkeis- prosesseja, jotka pääsääntöisesti määräävät prosessivaiheiden tuotantokapa-
siteetin. Pääprosesseja mitoitettaessa kaapelin rakenne-elementistä proses
seille välitettäviä tietoja ovat massan kulutus kaapelikilometriä kohden, ker
taus-ja kiertonousunpituudet sekä massa ja halkaisija kunkin vaiheen jälkeen.
Yhteen rakenne-elementtiin voi joissain tapauksissa liittyä useampia pääpro
sesseja. Esimerkiksi langan veto 8 mm tangosta alle 1 mm langaksi vaatii vähintään kaksi pääprosessia; raskas-ja välivedon.
Tärkein kuormitusparametri on prosessin lineaarinen nopeus tai prosessointi
apa, mikäli prosessointi tapahtuu kaapelin ollessa koko prosessin ajan samalla kelalla. Pääprosessit on tässä työssä luokiteltu nopeuden määräyty
misperusteen mukaan pyörimisnopeudesta riippuviin, massan tuotosta riippu
viin, kappalelukumäärään perustuviin ja muihin prosesseihin. Johtimen veto ja valssaus on erilaisuutensa takia käsitelty erillisinä pääprosesseina, vaikka niillä on massariippuvuuteen liittyviä piirteitä.
4.1.2 Apuprosessit
Kaapelituotantoon tarvitaan huomattava määrä erilaisia apuprosesseja, jotka liittyvät kiinteästi edellä esiteltyihin pääprosesseihin. Apuprosessit eivät linkity suoraan mihinkään kaapelin rakenne-elementtiin, mutta ovat kokonaispro
sessin kannalta välttämättömiä. Apuprosessit mitoitetaan siten, etteivät ne yleensä rajoita tuotantonopeuksia. Apuprosessit voivat liittyä sekä aineettomiin että aineellisiin alkeisprosesseihin ja ne voivat ainakin välillisesti osallistuvat kaapelin muokkaamiseen. Tarvittavat apuprosessit liitetään tehdasmallissa aina kiinteästi johonkin pääprosessiin. Apuprosessien määrittely on tärkeää, koska niiden toteuttamiseen tarvitaan resursseja, jotka tehdasmallissa kiinnitetään näihin apuprosesseihin. Esimerkki apuprosessista on johdinlangan hehkutus, jossa langanvedossa kovettunut johdin pehmitetään.
4.1.3 On-line prosessit
Kaikki kaapelitehtaan alkeisprosessit eivät ole pakollisia kaapelin valmistuksen kannalta, mutta liittyvät kiinteästi esimerkiksi tehtaan laadunvalvontajärjestel
mään. Tällaisia alkeisprosesseja ovat erilaiset tuotannon käynnissä ollessa tehtävät testaukset ja mittaukset. On-line-prosessit eivät liity loogisesti tuotemallissa esitettyihin rakenne-elementteihin, vaan ne liitetään tehdas- mallissa oleviin prosessivaiheisiin.
On-line-alkeisprosessit mitoitetaan niin, etteivät ne rajoita tuotantonopeuksia.
Tuotantoa ja tehtaan toimintaa suunniteltaessa voidaan on-line-prosesseja liittää kaikkiin tuotantovaiheisiin. On kuitenkin huolehdittava siitä, että tehtaalla on olemassa tarvittavat tuotantoresurssit jokaista alkeisprosessia varten.
4.2 Lankojen valmistus
4.2.1 Valssaus
Valssauksessa valmistettava aihio ohjataan pyörivien työvalssien välistä, jolloin aihio muovautuu valssien välisen raon paksuiseksi ja muotoiseksi. Jos valssattuja tankoja käytetään johdinten valmistuksessa, pitää muovattavan materiaalin olla mahdollisimman tasalaatuista, koska valssattaessa aihio venyy yhtä paljon pinnalta ja sisältä. Esimerkiksi aihioissa olevat ilmakuplat eivät valssattaessa häviä vaan venyvät. Kuvassa 4.2 on esitetty valssauksen periaate. /20/
KUVA 4.2 Valssauksen periaate. /20/
Tavallisesti kaapelitehtaalla ei tehdä valssausta, vaan lanka-aihiot tuodaan tehtaalle valmiiksi valssattuina noin 8 mm paksuisina tankoina. Valssausta käytetään kuitenkin silloin, kun kaapelin johtimet ovat yksilankaisia ja poikki
pinnaltaan suuria. Yleensä tällaisia johtimia ovat sektorin muotoisiksi valssatut pienjännitekaapeleissa käytettävät alumiinijohtimet. Myös kaapelinvalmistuk- sessa käytettävät teräslangat ja -nauhat ostetaan yleensä valmiiksi valssattuina. Mikäli valssausta tehdään, voidaan sen prosessinopeutta tarkastella samalla tavalla kuin seuraavassa kappaleessa esiteltävää langan- vetoa.
4.2.2 Langanveto
Vetäminen on kaapelinvalmistuksessa usein ensimmäinen kaapelitehtailla käytettävä valmistusprosessi. Vetämisessä muokattava aihio vedetään kuvan 4.3 mukaisesti aihion omaa poikkileikkausta pienemmän reiän läpi. Aihiota voidaan vedettäessä ohentamisen lisäksi myös muotoilla. Kaapelitehtaalla vetoprosessi on yleensä monivaiheinen sarjaveto, jossa aihio vedetään yhtä
jaksoisesti useamman perättäisen vetokiven läpi, kunnes saavutetaan haluttu loppuhalkaisija. Johdinlankojen veto tehdään useimmiten kylmämuokkaa- malla. /21/
D = langan halkaisija ennen vetoa d = langan halkaisija vedon jälkeen KUVA 4.3 Vetämisen periaate. /21/
Vetoprosessit voidaan jakaa vedettävän langan halkaisijan perusteella taulukon 4.1 mukaan: /22/
TAULUKKO 4.1 Vetoprosessityypit lankahalkaisijan mukaan.
Prosessityyppi Syöttölangan 0 Vedetyn langan 0
Tankoveto yli 8 mm yli 4.5 mm
Raskas- eli karkeaveto 8 mm 1.0 - 4.5 mm
Keski- eli väliveto 1.0 - 4.5 mm 0.15 - 1.0 mm
Hienoveto 1.0 - 2.0 mm 0.1 - 0.6 mm.
Ultrahienoveto 0.1 - 1.0 mm 0.01 - 0.3 mm
Tanko- ja ultrahienovetoa käytetään kaapelitehtaissa melko harvoin, mutta muut vetokoot ovat tavallisia kaapelitehtaan valmistusprosesseja. Langan- vedossa vedon läpi mennyt lankatilavuus on aina sama vetokiven molemmilla puolilla, jolloin vedosta aiheutuva langan venymä voidaan laskea vedon alku
ja loppuhalkaisijoiden neliöiden suhteella yhtälön 4.1 mukaan. /22/ Venymää tarvitaan laskettaessa vetopituuksia. Erityisen tärkeää venymien määrittely on, jos langanvetoprosesseja on useampia peräkkäin.
e = venymäkerroin
D = langan halkaisija ennen vetoa d = langan halkaisija vedon jälkeen
Vetonopeudet vaihtelevat vedettävän langan halkaisijan ja vetokoneen koon mukaan hienovedon noin 200 m/min isojen raskasvetolinjojen yli 2000 m/min.
Nopeudet ovat suoraan verrannollisia vetokoneiden tuottoon eli koneiden läpi menevän langan halkaisijaan ja materiaaliin. Vetonopeus voidaan laskea yhtä
lön 4.2 mukaan, kun tiedetään käytettävän koneen tuotto eli koneen läpi kulkevan langan tilavuusvirta.
v = prosessin lineaarinen nopeus
T = prosessin läpi kulkevan langan tilavuusvirta A = langan poikkipinta-ala vedon jälkeen
Langanvetoon liittyvistä apuprosesseista tärkein on langan hehkutus, jossa vedossa kovettuneet langat pehmennetään jatkokäsittelyn helpottamiseksi.
Muita tavallisesti käytettäviä apuprosesseja ovat vetoemulsion kierrätys ja puhdistus sekä vedetyn langan jäähdytys.
4.3 Puristus
4.3.1 Muovin ja kumin puristaminen
Erilaisten muovien ja kumien puristaminen alla olevan kaapelisydämen ympärille on kaikkein yleisin valmistusprosessi kaapelitehtaissa. Erilaisia muo
veja ja kumeja käytetään kaapelinvalmistuksessa eriste-, täyttö- ja vaippaus- materiaaleina. Tavallisesti käytettyjä muoveja ovat polyvinyylikloridi (PVC) ja polyeteeni (PE), josta käytetään tiheyden mukaan myös nimityksiä LDPE, MDPE ja HOPE. Kumien käyttö on nykyään muoveja vähäisempää.
Materiaali tuodaan kaapelitehtaalle granulaattina, joka sulatetaan tasaiseksi jatkuvassa ekstruusioprosessissa ja puristetaan sulana sopivan kokoisen suuttimen läpi kaapelin pinnalle sileäpintaiseksi kerrokseksi. Puristaminen tehdään vapaasti valuttamalla tai kovalla paineella, jolloin pyritään täyttämään mahdolliset kaapelisydämessä olevat epätasaisuudet. Puristamisen jälkeen kaapeli ohjataan jäähdytettäväksi tavallisesti vesikouruun, jossa sula muovi jähmettyy ja saa lopullisen muotonsa. Puristusprosessin lineaarinen nopeus riippuu puristimen tuotosta, käytettävän materiaalin määrästä ja ominaisuuk
sista yhtälön 4.3 mukaan. Puristimen tuotto esitetään yhtälössä puristimen läpi
kulkevana massavirtana. Mikäli tuotto ilmoitetaan tilavuusvirtana, se pitää muuttaa massaksi kertomalla tilavuus puristettavan materiaalin tiheydellä. /23/
m
v = prosessin lineaarinen nopeus T = puristimen läpi kulkeva massavirta m = puristettavan materiaalin pituusmassa
Puristettavan rakenne-elementin ominaisuudet määräävät käytettävän mate
riaalin ominaisuudet ja materiaalin kulutuksen sekä elementin seinämän paksuuden ja ulkohalkaisijan, joiden perusteella voidaan edelleen mitoittaa tarvittavien prosessityökalujen koot. Puristimen tuotto on verrannollinen puristimen kokoon ja puristinruuvin pyörimisnopeuteen. Puristimien tuotot vaihtelevat muutamasta litrasta tunnissa aina noin tuhanteen litraan tunnissa.
Puristamiseen liittyvistä apuprosesseista tärkein on jäähdytys, jossa puristettu massa kovetetaan lopulliseen muotoonsa. Erityisesti puhelinkaapeleiden eristysprosesseissa tarvitaan usein myös monia mittausprosesseja, joiden avulla puristusprosessia ohjataan.
4.3.2 Metallien puristaminen
Joskus kaapelivaipat valmistetaan puristamalla alumiinista tai lyijystä. Prosessi on erilainen verrattuna muovien puristamiseen, mutta prosessin kuormitus määräytyy aivan samalla tavalla puristimen tuoton, käytettävän materiaalin ominaisuuksien ja kulutuksen perusteella. Metallien jatkuvapuristusmenetelmä on kehitetty kaapelivaippojen puristusta varten. Puristettaessa vaipattava kaapeli ohjataan puristussuulakkeen läpi, jossa sula metalli puristetaan kaapelin ympärille. Jatkuvapuristuksessa hydraulisessa puristimessa on kaksi mäntää, jotka puristavat vuorotellen metalliaihioita. Jos metallivaippa halutaan korrugoida, se tehdään välittömästi vaipan puristamisen jälkeen. Korrugointi tehdään yleensä työkalulla, joka pyörii kaapelin ympäri painaen samalla metallivaippaan tavallisesti ruuvimaisen kierteen. /20/
4.3.3 Rasvatäyttö
Puhelinkaapelit täytetään joskus rasvalla, jotta ne olisivat vesitiiviitä. Rasva- täyttö tehdään puristamalla kaapelisydämeen kovalla paineella täyttörasvaa, joka tunkeutuu kaikkiin koloihin. Rasvatäyttö tehdään usein samassa proses
sivaiheessa kaapelin kertauksen tai kaapelin vaippauksen kanssa, jolloin se ei yleensä ole tuotantoa rajoittava alkeisprosessi.
4.4 Pyörivät prosessit
Kerratut ja kierretyt rakenne-elementit valmistetaan pyörimiseen perustuvilla prosesseilla. Valmistukseen käytettävät koneet ja laitteet voivat olla hyvin erilaisia. Mallinnuksen kannalta yhdistävä tekijä on se, että kaikkien pyörivien prosessien lineaarinen nopeus riippuu valmistuksessa olevan rakenne- elementin nousunpituudesta ja käytettävän koneen pyörimisnopeudesta. Kun nämä kaksi tekijää tunnetaan, voidaan prosessinopeus laskea yhtälön 4.4 perusteella.
v = R x L (4.4)
v = prosessin lineaarinen nopeus R = prosessin pyörimisnopeus L = kertaus- tai kiertonousun pituus
Prosessilaitteista ja -tyypeistä riippuen saavutettavat pyörimisnopeudet vaih- televat isojen kaapelointikoneiden 50 kierroksesta minuutissa pienten kaksi- nousukoneiden yli 5000 kierrokseen minuutissa.
4.4.1 Kertausmenetelmät
4.4.1.1 Yksi-ja kaksinousukertaus
Tavallisesti kaapelin yhteenkertausprosessit toimivat niin, että jokaista ker- tauskoneen pyörähdystä kohti syntyy yksi kertausnousu. Yksinousukertaus- koneet ovat hyvin luotettavia ja niillä saavutetaan aina haluttu nousunpituus kaikissa kaapelin rakenneosissa. Yksinousukertaus on kuitenkin melko hidasta varsinkin kerrattaessa pieniä nippuja lyhyellä kertausnousulla. Tuotanto- nopeutta voidaan kasvattaa merkittävästi kaksinousukertauskoneilla, joissa jokaista kertauskoneen pyörähdystä kohden syntyy kaksi kertausnousua.
Kaksinousukertauskoneet voivat pyöriä jopa kolme kertaa yksinousukoneita nopeammin, jolloin tuotantonopeus kasvaa vastaavasti kuusinkertaiseksi yksi- nousukertaukseen verrattuna. Kaksinousukertauksen haittapuolena on synty
vien kertausnousujen pituuksien vaihtelu, mikä taas saattaa heikentää kaapelin ominaisuuksia. Kaikesta huolimatta erityisesti pienten johdinten ja kaapelisydänten yhteenkertauksessa käytetään usein kaksinousukertausta.
Isompien johdinten kertaukseen, voimakaapelien johdinten yhteenkertaukseen ja isojen lohkojen yhteenkertaukseen käytetään yleensä konetta, joka tekee yhden nousun pyörähdystä kohti. Sekä yksi- että kaksinousukertauksessa joko lähtö- tai vastaanottokelat tai kummankin pään kelat pyörivät saaden aikaan halutun kertausnousun. /24/, /25/
4.4.1.2 Vaihtosuuntakertaus
Vaihtosuuntakertauksesta käytetään myös nimitystä SZ -kertaus, koska kertaussuunta vaihtuu vuorotellen myötä- ja vastapäivään. Vaihtosuunta- kertauskoneet eivät tarvitse pyöriviä lähtöjä tai vastaanottoja, minkä ansiosta ne tarvitsevat merkittävästi vähemmän tilaa kuin pyörivillä keloilla varustetut kertauskoneet. Vaihtosuuntakertaus on yksinousukertausta, mutta tavallisesti koneen pyörimisnopeus on kuitenkin selvästi perinteisiä yhteensuuntaan pyöriviä koneita nopeampi. Vaihtosuuntakertauksen haittapuolena on pitkään
