螺旋電纜的設(shè)計(jì)研制

1、三律螺旋電纜的研發(fā)設(shè)計(jì)盧占海，陳偉文（上海三律電氣有限公司）螺旋電纜材料選擇螺旋電纜可分為導(dǎo)線，絕緣層和護(hù)套層三部分。導(dǎo)線和絕緣層的功能主要是傳輸電信號(hào)，分別選用鍍銀銅多股絞線和特殊高溫材料。線纜的彈性和拉伸壓縮力與護(hù)套層有關(guān)。比較兩種常用護(hù)套材料。1，聚酯彈性體的強(qiáng)度,柔軟性,耐熱老化性能優(yōu)異,長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)135攝氏度，低溫柔軟性好，玩去模量隨溫度降低的變壞下，抗紫外輻照能力良好。2，ETFE有較高的機(jī)械強(qiáng)度，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)200攝氏度，可薄壁擠出，從而減輕電纜的尺寸和重量，抗紫外輻照性能極佳，抗老化和耐原子氧能力優(yōu)異。對(duì)兩種材料的護(hù)套進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)多次反復(fù)拉伸后ETFE護(hù)套

2、的彈性保持性能優(yōu)于聚氨酯彈性體。另外若護(hù)套層材料與絕緣層相同，則可同時(shí)定型優(yōu)化工藝，因此選擇ETFE為護(hù)套材料。螺旋電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺旋電纜采用螺旋狀外形試驗(yàn)拉伸與壓縮運(yùn)動(dòng)，類比圓柱螺旋彈簧對(duì)其進(jìn)行定性分析，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，圓柱螺旋彈簧載荷滿足關(guān)系式中：P為螺旋負(fù)載，G為材料剪切彈性模量，d為線纜外徑，D為螺旋中經(jīng)，為螺旋單圈型變量。螺旋電纜可與其類比。當(dāng)材料，螺旋內(nèi)徑已知時(shí)，線纜外徑和單圈型變量是影響拉伸壓縮力的主要因數(shù)，且線纜外徑越小，螺旋圈數(shù)就越多（螺旋段長(zhǎng)度不變的條件下），單圈型變量就越小，故控制成品線纜外徑是關(guān)鍵。為避免芯線錯(cuò)位破壞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電纜不能回復(fù)，在滿足載流量要求條件下，財(cái)局減

3、少芯線種類，多層規(guī)則排列的方式，有效控制電纜外徑，提供了其圓整性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示設(shè)計(jì)螺旋電纜外形時(shí)，根據(jù)電纜回復(fù)高度范圍及電纜外徑取值，合理設(shè)計(jì)螺旋環(huán)圈數(shù)；多層絞合時(shí)小節(jié)距成纜，每層成纜后均繞包F4薄膜，起分隔保護(hù)作用，使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，采用絕緣層與護(hù)套層材料同時(shí)定型的工藝手段，增加電纜彈性，加強(qiáng)伸縮性能。螺旋電纜設(shè)計(jì)外形如圖2所示根據(jù)使用需求，對(duì)螺旋電纜整束成纜狀態(tài)的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。取d=10mm，D=60mm，入=60mm，G=23.3map（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），計(jì)算可得螺旋電纜P=8.1N。在實(shí)際產(chǎn)品的常溫性能測(cè)試中測(cè)得拉伸力約為11.2N，壓縮力為6.9N，且電纜中導(dǎo)線均為各自連

4、續(xù)，分別導(dǎo)通，相互絕緣，滿足拉伸力合壓縮力要求。當(dāng)電纜的導(dǎo)線成束時(shí)，電流通過導(dǎo)線將產(chǎn)生較大溫升，對(duì)導(dǎo)線載流量進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，一束導(dǎo)線中每根導(dǎo)線的最大電流式中:Isw為單獨(dú)一根導(dǎo)線的最大電流，N為一束導(dǎo)線的導(dǎo)線數(shù)，結(jié)果可得成纜狀態(tài)下的載流量為0.653.25a,滿足0.23.0A的使用要求。螺旋電纜的生產(chǎn)制造螺旋電纜的生產(chǎn)制造工藝流程如圖3所示。其中，定型直接關(guān)系電纜的綜合性能，為關(guān)鍵工藝，定型溫度和時(shí)間需精確控制，溫度過高，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使電纜芯線出現(xiàn)粘連，溫度過低，時(shí)間過短會(huì)造成電纜定型不足，彈性較差。另外，定型時(shí)的溫度均勻性亦非常重要，定型溫度不均會(huì)造成電纜內(nèi)部應(yīng)力不均衡，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)，形狀

5、的變化。螺旋電纜性能試驗(yàn)材料蠕變?cè)囼?yàn)螺旋電纜在軌拉伸停留時(shí)間有特殊要求。固體材料在應(yīng)力作用下的時(shí)間超過材料的最終松弛時(shí)間時(shí)，會(huì)出現(xiàn)形變不可恢復(fù)的蠕變現(xiàn)象，可能造成電纜不能正?；乜s，同時(shí)蠕變變形量隨恒定拉力作用時(shí)間的增加而增大，隨溫度增高而增長(zhǎng)。為此，分析了常溫23度和高溫45度下高溫材料的蠕變特性。進(jìn)行單軸拉伸性能試驗(yàn)，所得常溫合高溫下第一，二屈服點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變值見表根據(jù)材料試驗(yàn)獲得的特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建有限元模型，分析電纜被拉伸至一定長(zhǎng)度時(shí)的應(yīng)力，用于后續(xù)蠕變?cè)囼?yàn)。有限元分析采用高溫材料空心護(hù)套圓柱形螺旋彈簧的三折線彈塑性本構(gòu)模型，如圖4.5所示。雖然實(shí)心電纜拉伸所需作用力應(yīng)比僅計(jì)算空心護(hù)套時(shí)偏大

6、，但護(hù)套與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間為非連續(xù)性連接，相互約束作用較小，因此忽略了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為采用空心護(hù)套模型進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)合理的。對(duì)護(hù)套兩端進(jìn)行水平加載拉伸至極限位置長(zhǎng)度，計(jì)算常溫，高溫環(huán)境下拉伸過程中的拉力值及材料的應(yīng)力分布。所得為拉力-變形曲線如圖6所示。護(hù)套的VON MISES應(yīng)力值見表2，相應(yīng)的應(yīng)力云如圖7.8所示。由表2可知，高溫材料護(hù)套拉伸至極限位置的應(yīng)力在常溫和高溫下差別較小，均值約10.5mpa，確定后續(xù)蠕變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力10.5mpa。在常溫及高溫下對(duì)高溫材料進(jìn)行了短周期（1d）和長(zhǎng)周期（14D）的蠕變及恢復(fù)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程為加載10.5mpa恒載1d或者14d卸載0.1mpa恒載1d。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變量見表實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在常溫和高溫下短周期及長(zhǎng)周期的蠕變實(shí)驗(yàn)后高溫材料仍可回復(fù)。不會(huì)出現(xiàn)蠕變斷裂。因此，常溫和高溫線高溫材料的最終松弛時(shí)間均大于14d。滿足螺旋電纜拉伸后正常回縮的使用要求。伸縮性能實(shí)驗(yàn)選用10根螺旋電纜試樣，進(jìn)行高低溫條件下的拉伸試驗(yàn)，研究電纜在不同位置的最長(zhǎng)停