緊壓扇形導(dǎo)體壓輥孔型的最佳設(shè)計(jì)方案

周俊民， 蔣煒華， 王松顯， 張開(kāi)拓

(1.安徽太平洋電纜集團(tuán)有限公司，安徽無(wú)為238331;2.河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校，河南新鄉(xiāng)453002)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)電線電纜產(chǎn)品提出了高質(zhì)量和低價(jià)格的要求。這就需要對(duì)現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品進(jìn)行研究，充分發(fā)掘潛能，以創(chuàng)造更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在線纜制造行業(yè)中，各個(gè)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，在纜芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以成纜后呈一圓形為準(zhǔn)則，均將導(dǎo)體做成緊壓的扇形導(dǎo)體。這樣在縮小電纜外徑的同時(shí)，使后道工序的材料用量大大減少，達(dá)到了節(jié)約原材料，降低電纜成本的目的。本文介紹了三種緊壓扇形導(dǎo)體壓輥孔型的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算、實(shí)測(cè)與分析比較，得出了一種比較好的設(shè)計(jì)方案。

1 緊壓扇形導(dǎo)體壓輥孔型設(shè)計(jì)的三種方法

本文介紹了粗略計(jì)算校核法、借助畫(huà)圖近似計(jì)算法和電線電纜手冊(cè)第一冊(cè)［1］介紹的共三種設(shè)計(jì)方法。這三種設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)思路上大同小異，但從計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜程度上來(lái)講，又有著很大的不同。本文在對(duì)三種設(shè)計(jì)方案介紹的過(guò)程中，所引入的參數(shù)值都是統(tǒng)一的，其目的是便于分析比較。

1.1 粗略計(jì)算校核法

電纜扇形導(dǎo)體緊壓用壓輥孔型如圖1所示。壓輥孔型截面積由線芯標(biāo)稱(chēng)截面積通過(guò)以下各式計(jì)算確定:

式中，SP為壓輥孔型截面積(mm2);SM為緊壓線芯的有效截面積(mm2);η為緊壓線芯的填充系數(shù)，一般取0.85～0.90;ρ緊壓為導(dǎo)體緊壓后的電阻率(Ω·mm2/m);R20測(cè)為緊壓導(dǎo)體20℃的直流電阻(Ω/m);l為導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)。

圖1 扇形導(dǎo)體緊壓壓輥孔型

通過(guò)大量稱(chēng)重法的實(shí)驗(yàn)證明，利用緊壓導(dǎo)體樣品實(shí)測(cè)電阻、稱(chēng)重計(jì)算截面、實(shí)測(cè)外徑并考慮緊壓系數(shù)后(η一般取0.85～0.90)，經(jīng)計(jì)算，銅、鋁導(dǎo)體緊壓后的電阻率可分別取為0.01750、0.02900Ω·mm2/m;而計(jì)算SM時(shí)，可選用20℃直流電阻的標(biāo)準(zhǔn)值，即 R20測(cè)=R20標(biāo)。

根據(jù)圖1，壓輥孔型各部分尺寸由下式計(jì)算可得:

式中，a為扇形斜邊長(zhǎng)度(mm);b為絕緣線芯與導(dǎo)電線芯兩扇形角頂端之間距離(mm);φ為扇形導(dǎo)體的扇形角(°);δ為絕緣厚度(mm);R為弧面半徑(mm);H為弓形高度(mm);M為扇形寬度(mm);t為兩壓輥間的間隙(mm)，這是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，為使緊壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活而預(yù)留的。t值大小可根據(jù)實(shí)際情況而定，一般取為0.2～0.6 mm。

由于式(3)中a是計(jì)算的近似值，所以計(jì)算后應(yīng)對(duì)壓輥孔型面積進(jìn)行校核。其方法是將線芯緊壓后的有效面積(SM)與壓輥截面(SP)相比，所得的η值應(yīng)在0.82～0.90之間，否則需要改變a值并重新計(jì)算，直至達(dá)到要求為止。核算時(shí)SP可由下式求得:

式中， 為絕緣線芯扇形角頂端與扇形導(dǎo)體兩斜邊端點(diǎn)之間的夾角(弧度)。這里必須說(shuō)明:公式中 、φ的單位有時(shí)為(°)，有時(shí)為弧度，通常在三角函數(shù)運(yùn)算中均為(°)，除此之外，沒(méi)有特殊說(shuō)明均為弧度，以下各式相同。

由此方法求得的緊壓扇形導(dǎo)體壓輥尺寸參數(shù)見(jiàn)表1(參考值)。

表1 粗略計(jì)算校核法求得的壓輥尺寸參數(shù) (單位:mm)

1.2 借助畫(huà)圖近似計(jì)算法

首先繪制緊壓扇形導(dǎo)體及絕緣組成的絕緣線芯(見(jiàn)圖2)。由圖2所示，假設(shè)緊壓扇形導(dǎo)體截面積為 S，則:

式中，S1、S2分別為圖中陰影部分的面積。

根據(jù)幾何知識(shí)，由圖可得:

圖2 緊壓扇形導(dǎo)體組成的絕緣線芯

將式(7)、(8)、(9)、(10)代入式(6)，化簡(jiǎn)可得:

將r1=k1R、r2=k2R代入式(11)中，化簡(jiǎn)整理可得:

對(duì)式(12)求解可得:

其中，k1、k2為經(jīng)驗(yàn)值;S=SP。若將已知的 k1、k2、SP及其他各參數(shù)值代入式(13)后，即可求出R值。

然后結(jié)合圖示，依據(jù)幾何知識(shí)可求得壓輥孔型的其它尺寸:

由此方法求得的緊壓扇形導(dǎo)體壓輥尺寸參數(shù)見(jiàn)表2(參數(shù)值)。

表2 借助畫(huà)圖近似計(jì)算法求得的壓輥尺寸參數(shù) (單位:mm)

1.3 電線電纜手冊(cè)介紹的計(jì)算方法［1］

在“電線電纜手冊(cè)第1冊(cè)”第7.2.5.2節(jié)中介紹了扇形緊壓線芯的結(jié)構(gòu)尺寸另外一種計(jì)算法，其推導(dǎo)、計(jì)算極為復(fù)雜，本文不作介紹，讀者可自行參閱。但按照電線電纜手冊(cè)中介紹的計(jì)算方法，并且選取上述兩種方法相同的參數(shù)，計(jì)算出的壓輥尺寸與前兩種方法極為近似，筆者在此不予重復(fù)計(jì)算。

2 分層緊壓

眾所周知，緊壓導(dǎo)體最理想的緊壓方法是分層緊壓。一次緊壓會(huì)造成內(nèi)層緊壓量小，外層緊壓量大，雖然外形上沒(méi)有太大變化，但導(dǎo)體不是很密實(shí)。因此，在保證同樣導(dǎo)體電阻率的前提下，分層緊壓的導(dǎo)體比一次緊壓導(dǎo)體的等圓直徑要小的多，這樣成品電纜的外徑也相對(duì)變小，這對(duì)電纜的用料成本的下降有很大好處。但若要確保內(nèi)層扇形與外層扇形相吻合，這就要求精確設(shè)計(jì)和合理選擇緊壓壓輥的相關(guān)參數(shù)。金屬導(dǎo)體受緊壓后，主要產(chǎn)生塑性變形，所以可根據(jù)金屬塑變理論，在宏觀上近似認(rèn)為單根圓形導(dǎo)體變成小塊正方形或菱形導(dǎo)體，因此可引入一個(gè)參數(shù)“σ”，并將單線圓面積進(jìn)行變換:，其中，d為單線直徑，σ為引入?yún)?shù)。這樣就可獲得第二層、第三層導(dǎo)體及緊壓壓輥輪廓幾何參數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 分層緊壓時(shí)各層導(dǎo)體和壓輥輪廓幾何參數(shù)(單位:mm)

這樣就可以由扇形緊壓導(dǎo)體參數(shù)求得各層緊壓壓輥孔型尺寸。

3 分析及比較

筆者針對(duì)以上三種設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)一選取不同的參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果極為近似(見(jiàn)表1、表2)。通過(guò)比較，方法一計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單和快速，不容易出錯(cuò)，而且較為精確，在實(shí)際設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)過(guò)程中比較實(shí)用。同時(shí)也說(shuō)明，一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選取和生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)扇形緊壓導(dǎo)體及軋輥的設(shè)計(jì)和制造，以及保證導(dǎo)體直流電阻符合標(biāo)準(zhǔn)要求等起著決定性作用。

［1］王春江.電線電纜手冊(cè)(第一冊(cè))［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］喬月純，等.緊壓絞合導(dǎo)體單絲直徑確定方法的分析和比較［J］.電線電纜，2007(1):26-28.

［3］錢(qián) 偉，呂鎖成.電力電纜分層緊壓扇形導(dǎo)體緊壓輪的設(shè)計(jì)［J］.電線電纜，1999(4):31-34.

［4］汪大年.金屬塑性成形原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［5］婁爾康.現(xiàn)代電纜工程［M］.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989.