Filling behavior and process analysis of high-temperature-vulcanFilling behavior and process analysis of high-temperature-vulcanized silicone rubber insert injection molding for hybrid glass insulatorsized silicone rubber insert injection molding for hybrid glass insulators
本研究通过热-流-固化耦合模拟与实验结果验证，表明优化模具温度并采用梯度注射策略，能显著提高用于混合玻璃绝缘子的高温硫化硅橡胶嵌件注塑成型的充填稳定性与尺寸均匀性。
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高压输电线路横跨广袤的景观，将电力输送到数百英里之外。为了确保能源安全并防止电流跳向地面或导致停电，工程师们依赖于绝缘子。由玻璃或瓷制成的传统绝缘子强度极高，但在空气中充满污染、冰雪或潮湿时，它们难以应对，这可能导致危险的电闪。为了解决这一问题，现代工程师经常使用一种混合设计：一个用于提供强度的坚固玻璃芯，外面包裹着一层硅橡胶保护壳。这种橡胶外壳能排斥水分并抵抗污垢，即使在恶劣天气下也能保持电力畅通。然而，制造这些混合部件是一个微妙的平衡过程。该工艺涉及将热的液态硅橡胶注入玻璃芯周围的模具中。如果橡胶流动太慢，它可能在硬化前无法到达每个角落，从而留下缝隙。如果流动太快或模具过热，橡胶可能会开始固化（即变硬）过快，在部件填满之前就堵塞了路径。把握好这种平衡对于制造可靠、安全的电力基础设施至关重要。
南昌大学的研究人员致力于了解这种特定的、大规模组件——一种160千牛顿混合玻璃绝缘子的填充过程究竟是如何运作的。他们想要观察模具的温度和注入速度如何影响最终产品。为此，他们并没有仅仅凭直觉猜测；他们首先测量了原材料硅橡胶的物理特性。他们测试了材料在不同温度和压力下的粘度和稠度，并精确测量了材料在加热时开始硬化的确切时间。利用这些真实的测量数据，他们构建了一个详细的计算机模拟系统，该系统可以同时模拟橡胶的流动、热传递以及化学硬化过程。随后，他们通过进行实际实验来测试他们的计算机模型，在不同的温度下将橡胶注入模具，以观察实际结果是否与数字预测相符。
研究团队发现，在处理这种材料时，直觉可能会产生误导。一个常见的假设可能是，增加模具的加热量会让橡胶流动得更好，因为热量通常会使液体变稀。然而，他们的实验显示了相反的结果。当他们将模具加热到140摄氏度时，橡胶流动顺畅，完全填充了整个空腔。但当他们将温度提高到160或180摄氏度时，橡胶未能填满模具，留下了被称为“欠注”（short shots）的空隙。其原因在于流动与硬化之间的赛跑。虽然更高的热量最初确实让橡胶变稀了，但它也触发了更快的硬化过程。当橡胶留在热模具中时，它在到达空腔远端之前就开始固化并再次变厚。计算机模拟追踪了橡胶前沿的运动，并与物理实验高度吻合，准确预测了橡胶停止流动的确切位置。这证实了对于这种特定的材料和形状，较凉的模具实际上能让橡胶在凝固前移动得更远。
除了温度之外，研究人员还调查了注入速度如何影响橡胶层的最终形状。他们将一种标准方法（即以恒定速度推送橡胶）与一种“梯度”方法（即注入速度从快到慢分阶段减速）进行了对比。恒速法在模具内部产生了高压，导致橡胶涂层非常不均匀；在绝缘子的一侧，橡胶厚度接近9毫米，而在另一侧仅约为3毫米。这种不均匀性发生的原因是，恒定的压力迫使橡胶在硬化过程中不均匀地挤入缝隙。当团队转向梯度注入，即在模具填满时减缓流动速度时，压力显著下降。结果是，橡胶层变得更加均匀，两侧的厚度差异缩减了近77%。梯度法还将机器需要施加的最大压力降低了约8.5%，并将维持模具闭合所需的力降低了近16%。
这些发现为制造这些关键电力组件提供了清晰的前行路径。研究表明，单纯提高热量并不是填充复杂模具的解决方案；相反，控制温度以减缓硬化反应才是关键。此外，随着模具填满时放慢注入速度，可以让橡胶分布得更加均匀，从而减轻对机械的压力，并确保获得一致的保护层。通过将精确的材料测量与计算机建模及实地测试相结合，研究人员提供了一份可靠的指南。他们展示了通过仔细管理热量和流速，完全可以制造出填充完整、结构稳固且涂层均匀的混合绝缘子，从而确保电网在自然元素面前保持韧性。
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