港口起重機(jī)專用移動電纜的國產(chǎn)化

孫正華

(上海南洋電材有限公司，上海201615)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢的日益確立，以及世界大宗商品的貿(mào)易仍主要依賴港口的格局日益強(qiáng)化，世界各地港口的興建催生了港口機(jī)械的現(xiàn)代化建設(shè)。其中高品位、優(yōu)質(zhì)的港口起重機(jī)專用電纜(簡稱港機(jī)電纜)無疑擔(dān)任了極其重要的角色。由于港口起重機(jī)的工作狀態(tài)和操作頻繁決定了與之配套的電纜必須具備卓越的機(jī)械性、柔性，以及抗頻繁彎曲和卷繞的特性。在這一領(lǐng)域中，知名品牌的國外進(jìn)口電纜長期以來一直主導(dǎo)著我國的高端港機(jī)電纜市場。這類進(jìn)口電纜憑借著優(yōu)異的品質(zhì)特性和相對較長的使用壽命，使電纜具備了較高附加值，他們的產(chǎn)品幾乎籠斷著我國港機(jī)專用電纜市場。從而使得國內(nèi)電纜制造業(yè)希望盡快打破這一技術(shù)、價格籠斷，奪回市場定價權(quán)成為必然的趨勢。

1 港口起重機(jī)專用電纜

所謂港口起重機(jī)專用電纜，是根據(jù)這些特殊起重機(jī)各部的工作狀態(tài)以及供電、數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)纫蠖鋫涞母鞣N專用電纜。如適用于龍門式橋吊主電源供電的移動收放型盤卷電纜;懸掛于起重機(jī)橫樑的拖令電纜(也稱窗簾式電纜)以及安裝于坦克鏈裝置中的拖鏈電纜(也稱拖拽電纜、高柔性電纜);隨起重機(jī)吊具上下頻繁收放的蓄纜筐式電纜等等。

目前供應(yīng)此類電纜的國外品牌有德國的TKD KABEL，依格斯(igus)及纜普電纜(Lappkabel)等。他們所制造的這些電纜已經(jīng)在港口起重機(jī)上應(yīng)用很久，并有較好的業(yè)績，具有相當(dāng)高知名度，如igus制造的Chainflex高柔性電纜可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的電纜移動行程、彎曲半徑和加速度等工作參數(shù)，推算出電纜的使用壽命;拖鏈電纜的設(shè)計壽命可達(dá)500萬次彎曲循環(huán)。

2 嚴(yán)酷的工作環(huán)境需要高柔性電纜

港口起重機(jī)的工作環(huán)境條件可謂相當(dāng)惡劣且嚴(yán)酷。首先用于起重機(jī)各部的電纜差不多全部暴露于日光的紫外線下，還有晝夜的絕對溫差;位于海邊的港口機(jī)械還要長期承受鹽霧的侵蝕。其次是由于起重機(jī)工作時的頻繁移動，電纜必須經(jīng)受高強(qiáng)度的機(jī)械應(yīng)力的持續(xù)施加。鑒于以上工作條件，首先聯(lián)想到的是電纜應(yīng)具有高柔韌性和高機(jī)械性。為了防止電纜在頻繁彎曲、卷繞狀態(tài)下的打扭、開裂、斷芯等常見的機(jī)械損傷，柔性電纜需要的還不僅僅只是柔韌性，還必須具備在外力作用下電纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、零位移性。因?yàn)殡娎|在移動狀態(tài)下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與電纜的使用壽命息息相關(guān)。而且從另一個角度來說，起重機(jī)電纜的使用壽命或可成為評判其品質(zhì)優(yōu)劣的唯一尺度。

3 港口起重機(jī)專用移動電纜國產(chǎn)化工作的要點(diǎn)

3.1 柔性電纜的材料

所有港口起重機(jī)電纜外護(hù)套材料都必須具備戶外抗紫外線的材料特性，除此之外，由于使用場合和特點(diǎn)的不同，材料選擇上也有所不同，以下按不同電纜分別進(jìn)行說明:

(1)低、中、高壓卷盤電力電纜(0.6/1 kV，3.6/6 kV以及6/10 kV級)。卷盤電纜一般都以乙丙或高壓乙丙橡皮混合物作為電纜絕緣層。之所以采用乙丙則是因?yàn)橐冶鹌ぞ邆涓呓^緣性和耐濕性。護(hù)套采用氯丁橡膠或聚氨酯(TPU)。由于卷盤電纜經(jīng)盤具卷繞收集，從而對盤架產(chǎn)生巨大的摩擦，所以一般會優(yōu)先選擇TPU作為電纜的外護(hù)套。除此之外，芳綸紗的編織加強(qiáng)對于卷盤電纜而言也是必不可少的。這些電纜隨起重機(jī)吊車的移動而收放，經(jīng)橋架被提升至收集盤架，其經(jīng)受的引張力大且往復(fù)次數(shù)頻繁。芳綸紗不僅可以對電纜本體形成增強(qiáng)保護(hù)，還可以提高電纜的柔韌性。根據(jù)不同的功能要求，卷盤電纜還可以復(fù)合攜帶光纖用于系統(tǒng)通信。

(2)蓄纜筐式吊具電纜。這是一種用于起重機(jī)吊具的專用電纜，隨吊具的上下升降而收放。蓄纜方式采用直落式蓄纜筐盤繞收集。電纜的絕緣、護(hù)套基本類似于卷盤電力電纜。該電纜的特點(diǎn)是采用了抗風(fēng)防晃技術(shù)，即在電纜內(nèi)部加入鉛珠鏈防風(fēng)配重元件，以適度增加電纜的自重，以確保電纜工作時保持垂墜度。鉛珠鏈經(jīng)錦綸紗連續(xù)編織加套處理，以便形成為電纜絕緣線芯的隔離層，從而減少金屬對絕緣的直接摩擦。

(3)拖令系統(tǒng)(動力/控制)柔性電纜。拖令電纜也俗稱“窗簾式”移動電纜。為確保電纜的柔性，一般會采用尼龍加強(qiáng)芯。電纜的絕緣采用乙丙橡皮混合物，考慮到該系統(tǒng)電纜的抗風(fēng)和耐氣候性，護(hù)套材料采用強(qiáng)抗UV型氯丁橡皮混合物。派生的拖令通信電纜，往往采用鍍錫銅絲編織屏蔽結(jié)構(gòu)。

(4)拖鏈用(動力/控制)電纜。其各部分材料與拖令電纜基本雷同。對于數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)耐湘湽饫|，則增加了玻璃纖維增強(qiáng)樹脂(FRP)強(qiáng)芯，以確保對光纖的拉伸和彎曲的保護(hù)。光纖優(yōu)先采用光波導(dǎo)光纖。由于電纜被置于鏈?zhǔn)较拗寡b置中，故電纜的外護(hù)套需采用TPU耐磨混合物。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝的選擇和改進(jìn)

除上述材料外，柔性電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝對最終造就高品質(zhì)、長壽命的移動電纜也是至關(guān)重要的。眾所周知，移動型電纜特別是處于頻繁彎曲、反復(fù)卷繞的工作狀態(tài)下，是非常容易造成多芯電纜的線芯打扭、曲折，造成局部機(jī)械應(yīng)力集中，使金屬產(chǎn)生疲勞，使聚合體產(chǎn)生應(yīng)力開裂而最終導(dǎo)致電纜斷芯或絕緣、護(hù)套損壞而失效。為避免這一常見的近乎常識性的失效模式的產(chǎn)生，人們發(fā)現(xiàn)對于多芯或多元件復(fù)合電纜而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以電纜整體緊密結(jié)合為好。具體來說，在電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計時力求使電纜在處于彎曲或移動狀態(tài)時纜芯與纜芯之間，纜芯與護(hù)套之間，護(hù)套與加強(qiáng)芯之間盡可能地保持貼合匹配、結(jié)合緊密，避免不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使之產(chǎn)生相對移動或滑動。為實(shí)現(xiàn)這一目的，柔性電纜的纜芯盡可能采用正規(guī)層絞結(jié)構(gòu)。如纜芯元件必須兼有異結(jié)構(gòu)組合，那么應(yīng)仔細(xì)、恰當(dāng)?shù)厥褂锰畛湫净蛱畛湓?，使纜芯間無任何空隙，輔以擠出式內(nèi)護(hù)層以確保纜芯緊密、護(hù)套均勻貼合。填充芯或填充元件的材質(zhì)應(yīng)均勻，尺寸應(yīng)一致，必要時采用成型填充元件，如三芯電纜的中心空隙用三角鞍形橡膠條進(jìn)行填充，這是一種比較可靠的防變形結(jié)構(gòu)。

至于制造工藝，柔性電纜的要點(diǎn)在于纜芯的成纜工藝。一個好的成纜工藝能夠極大地降低電纜在使用過程中產(chǎn)生斷芯的概率。

成纜工藝的要點(diǎn)即必須保持纜芯內(nèi)部所有芯線以及組合元件張力的一致，排除任何芯線可能由于成纜時張力不均所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力存在。如果某芯線或某元件存在這樣一種內(nèi)應(yīng)力，那么就會對日后電纜的正常使用產(chǎn)生很大的隱患。因?yàn)殡娎|在頻繁彎曲、卷繞狀態(tài)下，局部的內(nèi)應(yīng)力會慢慢向某點(diǎn)集中積壓，造成拐點(diǎn)、折角最后造成金屬疲勞而斷裂。

經(jīng)解剖斷芯電纜樣品，發(fā)現(xiàn)某些纜芯存在局部扭曲、芯線錯位，以及某些芯線因伸長而打扭等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象告訴我們，保持纜芯張力均勻一致是一項(xiàng)很重要的防斷芯的工藝控制措施。此外，正確選配成纜壓模也是成纜過程中必須精細(xì)控制的工藝手段，過緊的壓模也會造成纜芯的張力不均。有時為了控制纜芯外徑，往往希望借助壓模來壓縮外徑尺寸，但這無疑是一種錯誤方法。

成纜的另一個要點(diǎn)是空隙填充。對于一般電纜而言，經(jīng)擠壓式擠出后，邊隙填充的充填率大約在70%～80%之間。這時候護(hù)套厚度會出現(xiàn)鋸齒狀不均勻的情況，盡管可能對護(hù)套的平均厚度不會產(chǎn)生多大影響，但當(dāng)電纜受外力產(chǎn)生彎曲時，護(hù)套的不均勻性會對纜芯造成不規(guī)則擠壓，容易使纜芯產(chǎn)生錯位。其次不緊實(shí)的填充所留下的局部空隙更是為纜芯位移提供了結(jié)構(gòu)上的條件。所以成纜時，原則上應(yīng)采用精細(xì)填充的方式，即精確計算結(jié)構(gòu)空隙的空間，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)空間選配尺寸精確的填充材料。填充材料有錦綸絲加強(qiáng)型橡皮填充條或尼龍?zhí)畛湫镜取?/p>

港口起重機(jī)電纜一般都采用內(nèi)外雙層護(hù)套，護(hù)套的擠出必須緊實(shí)，尤其是內(nèi)護(hù)套。在內(nèi)護(hù)套擠出時應(yīng)加大模具的向心壓力，以保證擠出緊密、結(jié)實(shí)。

4 高柔性電纜的安裝敷設(shè)

高柔性電纜的使用壽命在很大程度上還同電纜的安裝操作和敷設(shè)狀態(tài)有密切的關(guān)系。在這里不詳細(xì)討論港口起重機(jī)電纜安裝的操作規(guī)程，但作為這類電纜的制造商或供應(yīng)商，必須對柔性電纜的安裝作出告誡性說明，如電纜安裝前的下料過程和預(yù)退扭過程。在一般情況下成品電纜都是以盤裝交付使用的，那么為了在下料過程中不使電纜產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，則必須使用盤具專用支架進(jìn)行轉(zhuǎn)動式下料，而不是靜止的無退扭的拖拽式下料作業(yè)，后者必然會使電纜扭曲而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。其次，安裝敷設(shè)前的預(yù)退扭處理也極為重要。所謂退扭就是將電纜的一端靜止懸掛超過8 h，使其在自然垂體狀態(tài)下糾正自身可能存在的由外力造成的扭曲變形。

綜上所述，無論是支架轉(zhuǎn)動下料還是退扭預(yù)處理，其目的只有一個.那就是盡可能地保證在安裝和使用前讓柔性電纜消除內(nèi)應(yīng)力，使電纜在日后的使用中不留下造成變形的隱患。

5 結(jié)束語

上述已介紹了港口起重機(jī)專用電纜的特性及這類電纜在港機(jī)中所處的重要地位。由于這類電纜的需求正隨著港口機(jī)械的發(fā)展而日益擴(kuò)大，國產(chǎn)化自主開發(fā)已成為必然的趨勢。經(jīng)過對電纜材料和制造工藝的分析探究，高柔性移動電纜的完全國產(chǎn)化已是可以實(shí)現(xiàn)的。從電纜材料國產(chǎn)化程度到對照目前我國現(xiàn)有的電纜制造設(shè)備和工藝手段，無一不說明當(dāng)前的客觀條件都為港口起重機(jī)電纜國產(chǎn)化這一課題的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。隨著電纜制造業(yè)工程技術(shù)人員的大膽實(shí)踐，完全有理由相信，國產(chǎn)化電纜全面替代進(jìn)口電纜的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

［1］陳慧平.柔性電纜——移動電纜［EB/OL］.http://dxdl.tede.cn/2009/08/1250737379149846.h/2009-08-20/2010-01-20.

［2］陸偉.拖鏈電纜［EB/OL］.http://www.newmaker.com/art_32737.html/2009-03-02/2010-01-20.