承載型卷筒電纜的研制

生長飛，彭旺全，軒娜紅

(河南華泰特種電纜集團有限公司，河南 鄭州450041)

0 引言

卷筒電纜廣泛應用于各種起重機、散料裝卸、冶金、水電和礦山等軌行設備的移動供電和數(shù)據(jù)傳輸。由于起重及搬運機械應用場合廣，卷筒電纜頻繁拖曳或卷放，承受的拉力和扭曲力時刻變化，且大部分起重及搬運機械露天作業(yè)，使卷筒電纜長期日曬雨淋，經(jīng)常遭受貨物和雜物的砸、碰、刮、磨，工作環(huán)境惡劣，所以，該電纜會在很短時間內(nèi)因護套機械損傷嚴重而報廢。

進口的卷筒電纜價格高，交貨期長，需提前儲備，否則會影響設備的正常運行。國產(chǎn)的卷筒電纜在機械性能和耐環(huán)境等性能方面存在不少缺陷，使用中容易出現(xiàn)股線斷股和護套裂紋等質(zhì)量問題，使用壽命約為進口電纜的1/3～1/2，影響設備的正常使用并容易造成安全隱患，因此市場迫切需要配套新型高性能承載型卷筒電纜。我們根據(jù)卷筒電纜的使用場合要求，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)資料與生產(chǎn)經(jīng)驗，研制出一種承載型卷筒電纜。本文主要介紹該電纜的研制情況，就電纜的結(jié)構(gòu)、材料和工藝控制要點等內(nèi)容進行探討。

1 技術(shù)要求

目前，電動式電纜卷筒的控制方式包括:磁耦合式、力矩電機式、磁滯式、變頻控制式等四種，變頻控制式與其他三種控制方式的區(qū)別是作用在電纜上的張力始終恒定，并可調(diào)節(jié)，最大限度地保護電纜。但無論何種控制方式，電纜都要經(jīng)受拖曳和卷放。多數(shù)卷筒電纜為軸向多排，卷放過程中電纜很難整齊排列，盤繞時互相擠壓，造成電纜與電纜、電纜與卷盤之間相互摩擦。電纜的拖曳和卷放、電纜相互擠壓摩擦以及電纜與卷盤之間的摩擦，是導致電纜受力不均、使用壽命減少的主要原因。

在國內(nèi)某水電站的項目實施中，用戶反饋以前使用的進口卷筒電纜，使用壽命約為兩年，后來考慮采購周期及成本，更換為國產(chǎn)卷筒電纜后，使用壽命只超過半年，導致卷筒電纜更換頻繁，影響正常生產(chǎn)作業(yè)，因此用戶迫切需要采購新型高性能承載型卷筒電纜。通過與用戶的現(xiàn)場對接，明確該電纜技術(shù)要求如下:

(1)電纜使用的環(huán)境溫度為－40～+50℃;

(2)電纜芯數(shù)為19芯，載流量大于10A，電纜成品外徑小于35 mm;

(3)電纜承拉力大于6000 N;

(4)電纜最小彎曲半徑6倍，滿足頻繁卷繞要求;

(5)電纜能夠經(jīng)受IEC 60332-1-2單根垂直燃燒試驗和IEC 60332-3 C類成束燃燒試驗要求;

(6)電纜具有耐油、耐磨性能;

(7)電纜使用壽命大于2年。

2 產(chǎn)品設計

承載型卷筒電纜主要根據(jù)用戶的需求，參考該水電站及其他場所的各種類型卷筒電纜在實際使用時的效果，參照國內(nèi)外產(chǎn)品樣本及相關技術(shù)資料進行設計和研制。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述要求，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行了設計定型，圖1為額定電壓450/750V承載型卷筒電纜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

由于電纜的使用環(huán)境復雜，要求承載力大、頻繁卷繞、保證使用年限等，因此設計時必須考慮以下問題:

(1)導體截面的選擇。電纜芯數(shù)為19芯，載流量大于10 A，電纜成品外徑小于35 mm，參考《電線電纜載流量》中表3-3-1，考慮電纜組群的降低因數(shù)，導體截面選取1.5 mm2即可滿足要求。由于卷筒電纜頻繁卷繞會引起溫升過高，載流量安全裕度小，最終確定導體截面選用2.5 mm2，按橡膠絕緣和護套的電纜結(jié)構(gòu)設計，初步計算規(guī)格為19×2.5 mm2的成品電纜外徑約為27 mm。

(2)電纜的承載強度。通過對使用場合的測試和理論計算，電纜的承拉力大于6000 N，卷筒電纜頻繁卷放、拖曳，長期受力不均衡，因此電纜的承載設計尤為重要?！镀鹬貦C設計手冊》第五章“起重機電氣設備”中的第三節(jié)“電線和電纜”指出:移動供電用軟電纜的線芯拉斷力可按137～157 N/mm2計算，即2.5 mm2的絕緣線芯可承受342.5～392.5 N的拉力，規(guī)格為19×2.5 mm2的卷筒電纜可承受6 507.5～7 457.5 N的拉力。但多芯電纜在實際使用中由于受力不均容易造成部分絕緣線芯因受力過大而拉斷，因此多芯電纜不能作為承載芯來計算承載強度。

市場上部分卷筒電纜為提高承載強度，電纜每芯銅導體的中心層直接采用鍍鋅鋼絲或鋼絞線作為承載芯，但鋼絲與銅絲的力學性能差異太大，電纜頻繁卷放時鋼絲應力會很快造成銅絲磨損、斷股，故這種結(jié)構(gòu)不合理。

最終確認選用符合YB/T 5004的型號規(guī)格為1×7-3.0-1370-A的鍍鋅鋼絞線作為承載芯，鋼絞線最小破斷拉力為6 920 N。

(3)護套的抗開裂性能。卷筒電纜長期處于卷放、拖曳、擠壓等工作狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，電纜的護套容易損傷、破裂，失去保護作用，最終導致電纜報廢，縮短電纜的使用壽命，因此護套的加工設計尤為關鍵，需重點優(yōu)化護套結(jié)構(gòu)。通過對卷筒電纜使用場合的分析，參照其他橡膠電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及使用效果，采取“內(nèi)外護套+編織加強層”的綜合結(jié)構(gòu)設計，以滿足護套的抗開裂性能，增強護套和電纜的整體強度。

2.2 材料選用

(1)導體材料。對于承載型卷筒電纜而言，需防止電纜在使用中出現(xiàn)導體斷芯現(xiàn)象，影響電纜的正常運行。導體材料選用優(yōu)質(zhì)退火無氧銅，符合GB/T 3956標準要求的第6種鍍錫軟導體，導體表面鍍層均勻、光亮，無氧化和毛刺等。

(2)絕緣材料。絕緣材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡膠混合物，但抗張強度應不小于6.5 MPa。乙丙橡膠混合物具有卓越的電絕緣性能、優(yōu)良的耐熱老化性、優(yōu)異的耐寒性、較好的化學穩(wěn)定性、耐臭氧和耐候性，并且無毒無臭。

(3)承載芯。承載芯采用符合YB/T 5004的A級鋅層鍍鋅鋼絞線，抗拉強度1 370 MPa，絞合緊密，絞合節(jié)徑比不大于14倍，鋼絞線抗拉強度大。

(4)承載芯隔離層。單獨設置的承載芯的機械性能完全區(qū)別于導體和絕緣等材料，為了防止承載芯直接與絕緣接觸，在承載芯外設置一層隔離層，隔離層選用與絕緣同質(zhì)的材料，通過材料的一致性來減少電纜使用過程中承載芯及隔離層對絕緣的損傷。

(5)內(nèi)、外護套。卷筒電纜應用場合廣，電纜護層既要具有高強度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，還要具有耐低溫性能。故此按DIN VDE 0207 Teil 21中5GM5為設計基準，對高強度氯丁橡膠護套的配方進行了開發(fā)攻關，橡膠材料選用氯丁橡膠為基料，對硫化、防護和補強填充等體系進行研究和改進。硫化體系不僅能改善膠料的交聯(lián)性、耐熱性，降低壓縮永久變形，還能提高膠料和纖維的粘合強度，且可以防止膠料在加工過程中焦燒;防護體系使膠料具有優(yōu)良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能;補強填充體系提高膠料的抗撕裂強度和拉伸強度，還可改善膠料的加工性能和擠出外觀。

通過對硫化、防護和補強填充等體系的研究和改進，優(yōu)化配方設計，使加工后的護套滿足阻燃、耐油、耐磨、耐彎曲和耐低溫等性能要求，提高電纜的機械性能和耐環(huán)境性能。通過采用正交設計方法，最終得到高強度氯丁橡膠外護套優(yōu)化配方。

(6)編織加強層。在提高內(nèi)外護套抗張強度、抗撕裂強度和改善耐候性的基礎上，在內(nèi)外護套之間再增設一層加強層，進一步增強電纜護層的綜合機械性能。加強層采用杜邦尼龍66纖維編織層，纖維具有耐高溫、高抗拉、高磨度、耐沖擊和耐化學劑等性能。

3 生產(chǎn)工藝

對于承載型卷筒電纜來說，關鍵的生產(chǎn)工序為:導體絞合、承載芯隔離層加工、多芯成纜、內(nèi)外護套和編織加強層加工，以下對這幾道關鍵工序的生產(chǎn)工藝進行逐一探討。

3.1 導體絞合

導體絞合對于承載型卷筒電纜來說，是非常重要的加工環(huán)節(jié)。采用多股鍍錫銅單絲束線加工，在加工時發(fā)現(xiàn)如果采用普通的控制電纜軟導體的生產(chǎn)工藝，電纜的柔軟度和彎曲性能較差。為了解決此問題，調(diào)整了單絲直徑、每股根數(shù)、復絞股數(shù)和復絞節(jié)距，在導體復絞過程中，節(jié)距均勻，絞合緊密圓整，絞合節(jié)徑比不大于12倍，生產(chǎn)中嚴格控制導體的質(zhì)量，導體工藝的改進可使電纜的柔軟度和抗扭轉(zhuǎn)性能大大提高。截面2.5 mm2的導體絞合工藝參數(shù)見表1。

表1 截面2.5 mm2的導體絞合工藝參數(shù)

3.2 承載芯隔離層加工

承載芯隔離層的加工方式選擇與絕緣的加工方式相同，進行擠包加工。生產(chǎn)隔離層時在承載芯外縱包一層聚酯帶，使承載芯受外力作用時與隔離層之間能夠存在一定程度的滑移，減小承載芯受力時產(chǎn)生的應力對電纜造成的傷害。

3.3 多芯成纜

承載芯在電纜結(jié)構(gòu)中如位置設置不當，會造成承載芯損傷絕緣線芯。成纜時絕緣線芯采用同心式絞合成纜，中心層為擠包隔離層的承載芯，在隔離層外縱包一層聚酯帶，進一步增加承載芯和隔離層的整體滑移性能，減小承載芯和隔離層受力時傳遞給絕緣層的作用力。成纜纜芯采用雙層聚酯帶重疊繞包，成纜節(jié)徑比不大于12倍，纜芯應緊密、圓整。

3.4 內(nèi)外護套和編織加強層

一是內(nèi)外護套擠橡連硫工藝。結(jié)合橡膠的硫化性能，合理選用螺桿的轉(zhuǎn)速，防止因轉(zhuǎn)速太快導致膠料摩擦生熱，使膠料在機筒內(nèi)焦燒硫化。同時，針對氯丁橡膠的硫化體系，合理設定擠橡機機頭各區(qū)溫度的參數(shù)。通過調(diào)整橡膠材料的粘度，利用高溫高壓連續(xù)硫化工藝，使內(nèi)、外護套與加強層粘連緊密，形成三層一體的綜合結(jié)構(gòu)，在卷筒電纜往復運動中不剝離分層，來提高整個護層的機械性能。

二是編織加強層的加工。編織加強層采用規(guī)格為1260D的杜邦尼龍66纖維進行編織，編織密度應不小于30%，編織均勻，不允許整體接續(xù)，每1m長度上允許更換一個線錠。

4 結(jié)束語

研制的承載型卷筒電纜樣品經(jīng)客戶使用，性能符合設計要求，尤其是使用壽命大于2年。目前已批量生產(chǎn)并應用于對卷筒電纜有承載要求的起重及搬運機械上，能夠適應各種惡劣的工作環(huán)境，其機械性能和耐環(huán)境性能優(yōu)異，且產(chǎn)品進行了系列化的設計，承載強度可以滿足用戶的不同要求，完全可以替代進口卷筒電纜。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，起重及搬運機械的大量應用，承載型卷筒電纜以其優(yōu)異的性能，必將得到進一步的推廣應用。

［1］張質(zhì)文等主編.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［2］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京:中國電力出版社，2003.