水下承力探測電纜的研制

/湖南華菱線纜股份有限公司 丁炳湘 李華斌 江南工業(yè)集團有限公司 朱連香 楊蓓 張公卓 中南大學(xué) 陳鈺/

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的進步與發(fā)展，對電纜的特種性能要求也越來越多，電纜逐漸向綜合化、特種化發(fā)展。水下承力探測電纜是我公司根據(jù)某武器裝備系統(tǒng)的需要而設(shè)計、研制的一種水下用探測型電纜[1]，適用于某型號武器系統(tǒng)的點火、信號傳輸及控制。

1 電纜的設(shè)計原理

承重電纜長度為18m，需能承受3500N的拉力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、縱向水密、柔軟特性，根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計電纜的拉力由承重繩來決定，防水性能由護套材料決定，因此，承重繩設(shè)計是承重電纜的關(guān)鍵，其次是防水護套。

1.1 材料選擇

根據(jù)電纜要求重量輕、防水、柔軟及承受較大拉力的特點，在設(shè)計中選用了以下四種材料：高強度纖維芳綸絲、鍍銀銅線、氟塑料和聚醚型熱塑性聚氨酯。

1.1.1 高強度纖維芳綸絲

高強度纖維芳綸絲具有伸長率小，抗拉強度大，不熔化，不助燃，熱穩(wěn)定性佳、重量輕、耐輻射性優(yōu)和耐腐蝕等優(yōu)點，早已運用在海底光纜及軍用野戰(zhàn)光纜上。因此項目組設(shè)計選用了進口高強度芳綸絲作為承重電纜的承重繩。

1.1.2 鍍銀銅線

承重電纜要求柔軟、重量輕，外徑要求嚴格，點火線還要承受一定的瞬時電流，因此，盡量減小導(dǎo)體截面而又能滿足承重電纜電性能要求成為導(dǎo)體性能設(shè)計的主要依據(jù)。而同等截面的鍍銀銅線比純銅導(dǎo)體電阻小、防腐性能優(yōu)越，因此項目組設(shè)計采用鍍銀銅線作為承重電纜的導(dǎo)體材料。

1.1.3 氟塑料

氟塑料絕緣性能好、強度高、耐高低溫、防腐性能優(yōu)越，用氟塑料作為導(dǎo)體的絕緣可以適當(dāng)減小絕緣厚度，并保持電纜的絕緣性能不變。因此設(shè)計采用氟塑料作為承重電纜的絕緣層。

1.1.4 聚氨酯

聚氨酯材料在承重電纜中主要是保證電纜的機械物理性能，同時起到防水的作用。聚氨酯材料具有極好的耐磨性，抗拉強度高，耐油性能極佳，耐彎曲疲勞，基本不長霉，且擠出加工性能好等特點，已廣泛用于冶金、石油、汽車、選礦、水利、紡織、印刷、醫(yī)療、體育等工業(yè)部門。聚氨酯材料早已成熟地應(yīng)用在電線電纜上，本設(shè)計采用聚氨酯材料作為承重電纜的防水層。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 承重電纜拉斷力性能設(shè)計

承重電纜承重繩采用的材料是高強度芳綸絲。其技術(shù)指標(biāo)如表1。

根據(jù)表1可以得出:單股高強度芳綸絲斷裂負荷（拉斷力）= 平均抗拉強度*平均線密度 =20*222=4440 cN=44.4N，即每股高強度纖維絲可承受44.4N的拉力，因此選定80股高強度纖維絲即可承受44.4*80=3552N的拉力。考慮到芳綸絲編織過程中的損耗，設(shè)計在16錠編織機上編制承重繩，每錠6股，總計16*6=96股，可承受44.4*96=4262.4N的拉力。對設(shè)計結(jié)果進行了驗證，滿足整根電纜的拉斷力不小于3500N的要求。

編織芳綸繩在拉力作用下會伸長，而導(dǎo)體的斷裂伸長率為14%，所以要求芳綸繩伸長率盡量小，以避免在大的拉力下導(dǎo)體拉細甚至斷裂，實驗對編織角度與伸長率進行了測試，得到編織角度與伸長率關(guān)系見圖1。

圖1 編織角度與伸長率關(guān)系

由圖1可以看出，芳綸繩的編織角度與其在拉力下的伸長率基本成反比關(guān)系，編織角度越大，伸長率越小，考慮到工藝實現(xiàn)，采用75-78度的編織角。

1.2.2 承重電纜導(dǎo)體電阻性能設(shè)計

點火線：承重電纜點火線要求電阻不大于1.60Ω/根，考慮到電纜加工過程中各種工藝因數(shù)的影響，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)采用7根直徑為0.2mm的鍍銀絞合銅線，計算電阻為78.44Ω/km，換算到電纜使用長度上為1.50Ω/根，滿足技術(shù)要求。

信號線：與點火線相同同。

屏蔽信號線：承重電纜屏蔽信號線要求電阻不大于0.50Ω/根，考慮到電纜加工過程中各種工藝因數(shù)的影響，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計用7根直徑為0.12mm的鍍銀絞合銅線，計算電阻為217.88Ω/km，換算到電纜使用長度上為0.42Ω/根。

表1 高強度芳綸絲主要技術(shù)指標(biāo)

對以上設(shè)計結(jié)果進行了驗證，導(dǎo)體電阻性能滿足承重電纜導(dǎo)體20℃時直流電阻的技術(shù)要求。

1.2.3 承重電纜絕緣性能設(shè)計

承重電纜絕緣材料為氟塑料，氟塑料主要性能如表2：

a) 承重電纜絕緣電阻性能設(shè)計

根據(jù)表2，氟塑料體積電阻率為1×1016Ω·cm，設(shè)計絕緣厚度為0.25mm。

則1米長電纜絕緣電阻

式中：R—絕緣電阻，Ω·cm；

D—絕緣外徑，mm；

d—絕緣內(nèi)徑，mm；

L—電纜長度，cm；

換算到電纜使用長度上，絕緣電阻為5.1×105MΩ，對設(shè)計結(jié)果進行了驗證，滿足常溫下整根電纜內(nèi)任意一根絕緣線的絕緣電阻不小于20MΩ的技術(shù)要求。

b) 承重電纜絕緣耐壓設(shè)計

絕緣耐壓主要也是由絕緣材料的性能決定，根據(jù)表2中擊穿電壓性能，設(shè)計絕緣厚度為0.25mm，則絕緣耐壓應(yīng)為0.25*30=7.5kV，工藝規(guī)定絕緣厚度最薄值應(yīng)不小于0.2mm，因此絕緣耐壓為6kV，對設(shè)計結(jié)果進行了驗證，滿足電纜絕緣能承受工頻交流500V/1min電壓試驗不擊穿的要求。

1.2.4 承重電纜水密性能設(shè)計

承重電纜在水下使用，必須具備很好的抗水壓性能，承重電纜水密性能除與材料性能相關(guān)外，其余由加工工藝決定，對于護套防水材料，采用的是聚氨酯材料。聚氨酯材料主要性能如表3。

表2 氟塑料主要性能

表3 聚氨酯材料主要性能

根據(jù)表3，設(shè)計防水層最小厚度為0.4mm，則聚氨酯防水層抗拉強度為：0.4*25=10MPa，完全可以滿足0.5MPa的水壓不破裂。初樣經(jīng)客戶進行海洋摸底聲探測裝置試驗，密封性能滿足電纜水密要求。

1.2.5 承重電纜耐高溫性能、耐低溫性能、耐高低溫沖擊性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、使用壽命設(shè)計

承重電纜的耐高溫性能、耐低溫性能、耐高低溫沖擊性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、倉儲壽命等性能屬于功能特性，由承重電纜使用的非金屬材料性能決定，承重電纜中使用的非金屬材料有高強度芳綸絲、氟塑料和聚醚型熱塑性聚氨酯三種。

a) 對于高強度芳綸絲

高強度芳綸絲由于其分子鏈沿長度方向高度取向，并且具有極強的鏈間結(jié)合力，從而賦予這種纖維空前的高強度、高模量和耐高溫特性。高強度芳綸絲具有持久的熱穩(wěn)定性和超強的耐輻射性，在-196℃～204℃范圍內(nèi)可長期正常運行，其電氣性能與機械性能的有效性可保持15年之久，用50kV的χ射線輻射100h，其纖維強度保持原來的73%，采用高強度芳綸絲作為承重電纜的承力元件，是完全可以滿足承重電纜功能特性的。

b) 對于氟塑料

絕緣用氟塑料材料采用的是進口的氟材料，材料性能見表2，這種氟塑料材料已大量用在軍用線纜上，氟塑料具有優(yōu)異的耐高溫性能、超乎尋常的熱穩(wěn)定性、良好的機械化學(xué)性能以及優(yōu)異的電氣性能，軍工行業(yè)使用氟塑料作為電線的絕緣材料已有40多年，因此用氟塑料是完全可以滿足承重電纜功能特性的。

c) 對于聚醚型熱塑性聚氨酯

聚醚型熱塑性聚氨酯材料性能見表3，聚氨酯材料在較寬的硬度范圍具有較高的彈性，極好的耐磨性，其磨損是在包括橡膠在內(nèi)的所有彈性體中最小的，同時，它還具有突出的耐臭氧性能。聚氨酯在3%的臭氧濃度中，在20%的拉伸狀態(tài)下，500h后雖外觀有變色，其機械性能基本不變。

2 電纜制作工藝

承重電纜綜合起來共有13個技術(shù)指標(biāo)，制作需要經(jīng)過10個工序，對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的主要有：拉斷力、耐水密性能，這兩個技術(shù)指標(biāo)分別在編織承重繩工序、制作扣環(huán)工序和擠包內(nèi)外防水層工序中實現(xiàn)。承重電纜工藝流程如圖2。

生產(chǎn)工藝要點：在電纜制作過程中，各工序均需按照既定工藝，著力與工藝要點，確保工序質(zhì)量，完善產(chǎn)品性能，關(guān)鍵工序要點如下。

圖2 承重電纜工藝流程圖

導(dǎo)體：要求導(dǎo)體絞合圓整、無跳絲、無斷絲，以防刺破絕緣。

扣環(huán)編織：芳綸繩與其他設(shè)備的連接一直是工業(yè)技術(shù)中的一個難題，石秀華等采用制作連接器插頭的方式，工藝較為復(fù)雜，本產(chǎn)品采用人工的方式，將編織狀的芳綸繩兩端織成環(huán)形，通過一個剛性的連接銷使其與連接器連接，在安裝時只要將剛性連接銷穿過芳綸繩兩端織成環(huán)形孔即可實現(xiàn)芳綸與連接器的連接，既省時又省力，是一個純機械的連接方式，不會對芳綸纖維造成任何損傷，解決了承重繩與電纜兩端的連接工藝技術(shù)難題。

外防水層：因電纜長度為18m，在外防水層擠出時，為滿足連續(xù)擠出，將已分開并完成編織扣環(huán)的半成品串聯(lián)起來，然后連續(xù)擠出外防水層。

3 電纜性能

經(jīng)制作后的電纜，檢測主要技術(shù)指標(biāo)如下：

A、拉斷力：整根電纜的拉斷力不小于3500N。

B、絕緣電阻

常溫下，整根電纜內(nèi)任意一根絕緣線的絕緣電阻應(yīng)不小于20MΩ。

C、導(dǎo)體20℃時直流電阻：

點火線：不大于1.60Ω/根。

控制線：不大于0.20Ω/根。

信號屏蔽線：不大于0.50Ω/根。

D、絕緣耐壓

整根電纜內(nèi)所有絕緣能承受工頻交流500V/1min電壓試驗不擊穿。

E、耐水密性能

整根電纜安裝換能器后，在0.5MPa的水壓下，保持5min不滲漏。

F、耐高溫性能

整根電纜在+65℃±2℃的條件下保持2h，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

G、耐低溫性能

整根電纜在-28℃±2℃的條件下保持2h，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

H、耐高低溫沖擊性能

整根電纜在+65℃±2℃條件下保持4h，然后在-28℃±2℃條件下保持4h，循環(huán)三次，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

I、耐浸漬性能

整根電纜（結(jié)合換能器）在常溫下浸入1m深的水中，保持2h，電纜兩端應(yīng)無滴水現(xiàn)象，并滿足1、2、4條的要求。

J、 耐鹽霧性能

整根電纜連續(xù)噴鹽霧48h后，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

K、耐霉菌性能

整根電纜經(jīng)霉菌試驗后，試樣表面長霉程度符合GJB 150.10-86標(biāo)準中2級規(guī)定，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

L、結(jié)構(gòu)及外形尺寸

該電纜結(jié)構(gòu)尺寸如圖3

如圖3中所示，兩芯端結(jié)構(gòu)：由承重繩、2根點火線及內(nèi)防水層組成，端頭2根點火線露出長度不小于200mm。

六芯端結(jié)構(gòu)：由兩芯端、3根控制線、1根信號屏蔽線及外防水層組成，3根控制線和1根信號屏蔽線應(yīng)并排緊密繞在兩芯端的內(nèi)防水層上，端頭2根點火線，3根控制線、1根信號屏蔽線露出長度不小于200mm。

在兩芯端與六芯端交會處，3根控制線、1根信號線露出長度不小于80mm。

M、倉儲壽命

在標(biāo)準軍用倉庫的條件下保存時間不小于12年。

圖3 水下承力探測電纜結(jié)構(gòu)圖

N、適用環(huán)境范圍：-28℃～+65℃。

4 結(jié)論

（1）研制了一種總長度18m、承載力3500N以上的承重電纜，該電纜由內(nèi)防水層和外防水層組成，內(nèi)防水層包括一根承力元件，兩根絕緣線芯，它與外防水層一端結(jié)合成梯形接線端；外防水層包括均布于內(nèi)防水層外的三根絕緣線芯及一根信號線，它與外防水層另一端的內(nèi)防水層端結(jié)合成平齊接線端。

（2）選用芳綸纖維并采用編織方式結(jié)成繩狀作為承重材料，代替普通絞合的鋼絲繩承重，使電纜具有抗拉強度高、柔軟性佳、重量輕、耐候性能好等特點。

（3）將編織狀的高強度纖維繩兩端織成環(huán)形，通過人工的方式，發(fā)明了一種將編織狀的高強度纖維繩兩端織成環(huán)形的方法，解決了承重繩與電纜兩端的連接工藝技術(shù)難題。

（4）將整根電纜做獨特的成階梯型，在電纜中間部位安裝換能器元件時，無需將電纜剪斷，保證了電纜的特性。同時，采用先剪斷再連接的方法，實現(xiàn)了短段電纜的連續(xù)擠出。

[1] 丁炳湘,崔斌,楊蓓等.中國.水下承力探測電纜.[P]. ZL200810031708.8,2008.

[2] 徐應(yīng)麟等.電線電纜手冊[M]. 機械工業(yè)出版社(第二版),2002,319-322.

[3] GB/T 9330-2008 塑料絕緣控制電纜. [S]. 中國國家標(biāo)準化管理委員會,2008.

[4] GB/T 5023-2008 額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜. [S]. 中國國家標(biāo)準化管理委員會,2008.

[5] 石秀華,孫武斌,李增楠等.承力芳綸電纜連接器技術(shù)研究. [J]. 機械設(shè)計1997,22-23.