螺旋電纜的設計研制

1、三律螺旋電纜的研發(fā)設計盧占海，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線，絕緣層和護套層三部分。導線和絕緣層的功能主要是傳輸電信號，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套層有關。比較兩種常用護套材料。1，聚酯彈性體的強度,柔軟性,耐熱老化性能優(yōu)異,長期工作溫度可達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有較高的機械強度，長期工作溫度可達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。對兩種材料的護套進行了對比試驗分析，發(fā)現(xiàn)多次反復拉伸后ETFE護套

2、的彈性保持性能優(yōu)于聚氨酯彈性體。另外若護套層材料與絕緣層相同，則可同時定型優(yōu)化工藝，因此選擇ETFE為護套材料。螺旋電纜的結(jié)構(gòu)設計螺旋電纜采用螺旋狀外形試驗拉伸與壓縮運動，類比圓柱螺旋彈簧對其進行定性分析，根據(jù)機械設計原理，圓柱螺旋彈簧載荷滿足關系式中：P為螺旋負載，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。當材料，螺旋內(nèi)徑已知時，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鍵。為避免芯線錯位破壞結(jié)構(gòu)導致電纜不能回復，在滿足載流量要求條件下，財局減

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)如圖所示設計螺旋電纜外形時，根據(jù)電纜回復高度范圍及電纜外徑取值，合理設計螺旋環(huán)圈數(shù)；多層絞合時小節(jié)距成纜，每層成纜后均繞包F4薄膜，起分隔保護作用，使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，采用絕緣層與護套層材料同時定型的工藝手段，增加電纜彈性，加強伸縮性能。螺旋電纜設計外形如圖2所示根據(jù)使用需求，對螺旋電纜整束成纜狀態(tài)的載荷進行設計計算。取d=10mm，D=60mm，入=60mm，G=23.3map（經(jīng)驗數(shù)據(jù)），計算可得螺旋電纜P=8.1N。在實際產(chǎn)品的常溫性能測試中測得拉伸力約為11.2N，壓縮力為6.9N，且電纜中導線均為各自連

4、續(xù)，分別導通，相互絕緣，滿足拉伸力合壓縮力要求。當電纜的導線成束時，電流通過導線將產(chǎn)生較大溫升，對導線載流量進行了可靠性設計，一束導線中每根導線的最大電流式中:Isw為單獨一根導線的最大電流，N為一束導線的導線數(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，定型直接關系電纜的綜合性能，為關鍵工藝，定型溫度和時間需精確控制，溫度過高，時間過長會使電纜芯線出現(xiàn)粘連，溫度過低，時間過短會造成電纜定型不足，彈性較差。另外，定型時的溫度均勻性亦非常重要，定型溫度不均會造成電纜內(nèi)部應力不均衡，從而導致結(jié)構(gòu)，形狀

5、的變化。螺旋電纜性能試驗材料蠕變試驗螺旋電纜在軌拉伸停留時間有特殊要求。固體材料在應力作用下的時間超過材料的最終松弛時間時，會出現(xiàn)形變不可恢復的蠕變現(xiàn)象，可能造成電纜不能正常回縮，同時蠕變變形量隨恒定拉力作用時間的增加而增大，隨溫度增高而增長。為此，分析了常溫23度和高溫45度下高溫材料的蠕變特性。進行單軸拉伸性能試驗，所得常溫合高溫下第一，二屈服點的應力及應變值見表根據(jù)材料試驗獲得的特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建有限元模型，分析電纜被拉伸至一定長度時的應力，用于后續(xù)蠕變試驗。有限元分析采用高溫材料空心護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。雖然實心電纜拉伸所需作用力應比僅計算空心護套時偏大

6、，但護套與內(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，認為采用空心護套模型進行應力分析時合理的。對護套兩端進行水平加載拉伸至極限位置長度，計算常溫，高溫環(huán)境下拉伸過程中的拉力值及材料的應力分布。所得為拉力-變形曲線如圖6所示。護套的VON MISES應力值見表2，相應的應力云如圖7.8所示。由表2可知，高溫材料護套拉伸至極限位置的應力在常溫和高溫下差別較小，均值約10.5mpa，確定后續(xù)蠕變實驗應力10.5mpa。在常溫及高溫下對高溫材料進行了短周期（1d）和長周期（14D）的蠕變及恢復試驗。實驗過程為加載10.5mpa恒載1d或者14d卸載0.1mpa恒載1d。實驗測得的應變量見表實驗結(jié)果表明，在常溫和高溫下短周期及長周期的蠕變實驗后高溫材料仍可回復。不會出現(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。伸縮性能實驗選用10根螺旋電纜試樣，進行高低溫條件下的拉伸試驗，研究電纜在不同位置的最長停