3 300 V 級光纖電力復合扁形橡套軟電纜的研制

陳安元，張國平，陳文剛，宋少亮

(上海南洋電材有限公司，上海201615)

0 引言

大型起重機等工業(yè)移動機械用電纜，以往通常采用單獨的動力電纜和控制電纜，分別布設(shè)在機械的兩側(cè)，這既給設(shè)備安裝及運行都帶來了不便，又不可避免引起電磁干擾。若將控制電纜改為光纜并與動力電纜復合成光纖電力復合型電纜，則上述問題迎刃而解。日本住友電工、日立、藤倉相繼開發(fā)了光纖與動力電纜放在一起的光纖電力復合扁型橡套電纜。我公司于2002年為上海振華港口機械(集團)股份有限公司成功開發(fā)了光纖電力復合圓形橡套軟電纜，2004年我公司應(yīng)寶山鋼鐵股份有限公司國產(chǎn)化要求并在其大力協(xié)助下，用了8個月時間成功試制了國產(chǎn)化光纖電力復合扁形橡套軟電纜。電纜具有結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小、敷設(shè)方便、價廉等特點，電纜至今運行正常。本文介紹該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和設(shè)計，制造工藝有關(guān)參數(shù)和措施。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 300 V級光纖電力復合扁形橡套軟電纜型號為:3 300 V YBR-FJ-BG 3×38mm2+1×22mm2+optic 9 cores;3 300 V YBR-FS-BG 3×38mm2+1×22mm2+optic 9 cores。代號含義:Y為移動;B為扁形;R為軟結(jié)構(gòu);FJ為緊包光纖;FS為松套光纖;BG為寶鋼用。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)見圖1，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸及主要性能見表1。

圖1 光纖電力復合扁形橡套軟電纜結(jié)構(gòu)

以下分別對電纜主要組成部分作如下簡介:

(1)導體。因電纜要不斷經(jīng)受彎曲，絞合導體采用正反向絞合方式，即單根股線采用S向(左)絞合，多根股線采用Z向(右)絞合，這樣的導體具有高柔軟性、扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，以及優(yōu)良抗沖擊性和耐彎折性。

表1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸及主要性能參數(shù)

(2)導體屏蔽。為了消除導電線芯表面的電場畸變，均化電場，減少游離放電，采用了半導電尼龍布包帶作為導體屏蔽。

(3)絕緣。絕緣采用我公司自行研發(fā)乙丙絕緣橡皮，它具有優(yōu)良的電氣性能和耐臭氧性能，較高的耐熱性及機械性能。

(4)絕緣屏蔽。采用半導電棉布帶+銅絲編織層的組合屏蔽。半導電棉布帶與絕緣接觸性好，可以減少氣隙及其產(chǎn)生的游離放電，均化電場;絕緣外的金屬編織層，對絕緣有一定保護作用。由于此電纜為移動電纜，運行過程中有時可能因某些因素產(chǎn)生漏泄電流，因此，采用銅絲編織屏蔽并經(jīng)可靠接地后，可提高系統(tǒng)安全性。

(5)護套。護套要經(jīng)受頻繁彎曲、扭轉(zhuǎn)、牽拉、摩擦，以及耐日光老化等等，因此要求護套材料除具有高強度、熱老化性能外，還具有優(yōu)異的耐候性、耐磨性和優(yōu)良機械強度，故采用我公司研發(fā)的以氯丁為基料的橡皮為護套材料。

(6)光纖。光纖采用GI級，共有9芯，光纖單元近似外徑為5.9mm。

2 制造工藝

根據(jù)研制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)性能要求，結(jié)合我公司的實際情況，制定了切實可行的工藝路線。

2.1 工藝設(shè)備

主要工藝設(shè)備如下:

(1)絕緣擠出采用 115連續(xù)硫化機組;

(2)編織屏蔽采用24錠編織機;

(3)光纖單元成纜采用36盤成纜機;

(4)護套擠出采用 150+ 120連硫機組。

2.2 工藝流程

工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程方框圖

2.3 工藝參數(shù)的確定

(1)選擇最佳擠出溫度，使電纜表面具有很好的光潔度;合適的配模對電纜外型尺寸起主要作用。擠橡機長徑比(15～20)∶1，其工藝條件如下:

上述計算式中的符號的說明:t為絕緣(或橡套)標稱厚度;d0為導電線芯外徑(或成纜后外徑);D0為絕緣外徑(或橡套外徑)。

(2)交聯(lián)度與蒸氣壓力及生產(chǎn)線速度有關(guān)，而交聯(lián)度影響著絕緣和護套各項性能及其均勻性，因此，對開車、正常生產(chǎn)和停車等階段的連續(xù)硫化參數(shù)，都須通過優(yōu)化程序計算和驗證后確定。

(3)電纜其他工藝參數(shù)，如編織節(jié)距、繞包搭蓋率、編織角等參數(shù)均須經(jīng)過反復驗證后確定。

2.4 制造工藝中幾項關(guān)鍵措施

扁形護套的偏心是生產(chǎn)過程中最頭痛問題，生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會發(fā)生其他工序均滿足要求，可是到了末道護套擠出工序才發(fā)現(xiàn)偏心嚴重，護套最薄點達不到要求，最終導致整根電纜報廢。出現(xiàn)這種情況的影響因素很多，譬如工裝模具和放線裝置設(shè)計和配置不當?shù)?，在生產(chǎn)過程中須采取如下一些措施:

(1)護套擠出模具設(shè)計借鑒我公司塑料電梯電纜擠出模具特點，結(jié)合我公司生產(chǎn)扁平橡套電纜連續(xù)硫化用擠出模具特點，對模具關(guān)鍵部位尺寸，如內(nèi)承線、外承線，模芯定徑區(qū)、?？诔尚蛥^(qū)做了詳細設(shè)計，尤其是模套。因為電纜外形尺寸主要取決于模套，而模套主要參數(shù)包括流道及?？诔尚蛥^(qū)。如何使膠料擠出能均勻包覆在線芯表面，而且是一個矩形，這就要求膠料流向?？诔尚蛥^(qū)時各個點壓力必須均勻一致，這對擠出電纜外型尺寸好壞起著決定性作用，壓力不均勻，電纜表面就會呈現(xiàn)凹凸不平。

為了解決這一問題，我們按照牛頓流體力學規(guī)律，對圖3所示模套A、B、C、D做了合理設(shè)計，即將模套?？诔尚螀^(qū)兩側(cè)A、B兩點凹進去0.7mm，因A、B點至主線芯距離最短，壓力明顯高于其它各點;而將D、C兩點適當?shù)赝蛊穑驗镈、C點是雙層共擠機頭膠料交集點，壓力也明顯高于其它各點。A、B點凹起及D、C點凸起的作用是讓流道中流出的膠料能向壓力低的地方流動，這樣可以使膠料在流動過程中基本上消除徑向壓力的不一致，從而使同一橫斷面上料流的主擠出壓力均勻一致。

圖3 模套模口結(jié)構(gòu)示意圖

(2)由于規(guī)格大，放線盤具大、盤數(shù)也多，因此對放線裝置要重新設(shè)計制造并調(diào)試。最佳方案采用5個被動放線牽引裝置，并對各組線芯(即圖1中所示的4個絕緣線芯+光單元，以下簡稱線芯)施加均勻張力，然后調(diào)節(jié)張力螺絲，使5個放線裝置基本處于恒定張力。線芯處于平行勻速拉力下，既能減少線芯在模具承線中偏移，也能使電纜外徑均勻。

(3)在進入機頭處安裝可調(diào)定位線芯裝置，使5組線芯通過導向輪后，由曲線轉(zhuǎn)成直線，并進入模具定位系統(tǒng)。

(4)由于原收線牽引輪及導向輪的設(shè)計是生產(chǎn)圓形電纜的，所以與電纜接觸面為凹型，為了能生產(chǎn)扁形電纜，要改為寬平形，寬度在100mm及以上，這些都需要進行改選設(shè)計。

(5)生產(chǎn)寬度100mm以上的扁形電纜，國外一些電纜廠家均采用傳統(tǒng)罐式硫化，而采用半懸鏈式連續(xù)硫化生產(chǎn)線生產(chǎn)還沒有先例。用半懸鏈式連續(xù)硫化生產(chǎn)線最主要的問題是電纜擦管，以及電纜受振動后表面出現(xiàn)波紋。為此我們對連續(xù)硫化生產(chǎn)線產(chǎn)生振動及擦管原因做了分析并調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)。圖4為我公司連續(xù)硫化生產(chǎn)線的示意圖。

圖4 半懸鏈式連續(xù)硫化生產(chǎn)線硫化管示意圖

圖3中A點為交聯(lián)生產(chǎn)線上牽引出線口位置，B為機頭中心點位置，BC間為硫化管，α為硫化管的懸垂角。當電纜在AB間振動，就會引起擦管，電纜表面會出現(xiàn)異樣。振動幅度和頻率的大小與電纜規(guī)格、生產(chǎn)線速度、A與B的距離、硫化管的懸垂角α、放線張力、蒸氣壓力，以及電纜自身重量等均有密切關(guān)系。為此，我們加強設(shè)備維護及保養(yǎng)，檢查擠出機變速箱齒輪間隙，加強需要滑動部件的潤滑，并適當調(diào)整線速、上下牽引的張力，其中很重要的因素是正確選擇硫化管的懸垂角。公司 150+ 120半懸鏈式生產(chǎn)線主機樓層高度約為15 m，懸垂角為17.5°。為了能成功我生產(chǎn)光纖復合扁形橡套軟電纜，我們通過了大量的生產(chǎn)實踐，反復模擬試驗，逐漸完善工藝條件，成功地生產(chǎn)出符合要求的電纜。

5 結(jié)束語

光纖電力復合扁型橡套電纜的制造具有很高技術(shù)難度，怎樣使熱塑性材料在200℃及高壓力下不變形或少變形，還要滿足光纖衰減要求，為此，我們自行研制絕緣、護套材料，并經(jīng)反復工藝試驗，從2004年4月起至2004年12月試制成功，于2005年3月在寶鋼安裝調(diào)試，至今運行正常。通過這次成功試制，給我們研發(fā)其他類似電纜積累豐富經(jīng)驗，只要不斷致力于技術(shù)創(chuàng)新，并在使用單位有關(guān)專家?guī)椭?，一定能開發(fā)出更多優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)化電纜。

［1］王春江主編.電線電纜手冊(第1冊)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］金 玲，王樹盛編.工程制圖基礎(chǔ)［M］.哈爾濱:黑龍江人民出版社，1999.

［3］GB/T 7424.1—2003光纜第1部分:總規(guī)范［S］.