電纜壓接性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

，，，，

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

0 引言

電纜接頭壓接質(zhì)量在很大程度上決定了電纜線路能否安全運(yùn)行[1]。電纜線芯連接主要采用2種方式，即焊接和壓接。其中焊接方式對(duì)工藝的要求較高，所以目前通常采用壓接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜芯的連接[2]。

而電纜中間接頭壓接電阻大小與連接管尺寸、材質(zhì)及安裝制作工藝等密切相關(guān)[3-4]。電纜需具備以下電器性能，電纜中間接頭壓接電阻不應(yīng)大于同長(zhǎng)度電纜電阻的1.2倍，新制作的電纜中間接頭的壓接電阻不應(yīng)大于同長(zhǎng)度電纜電阻的1倍[5]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電纜經(jīng)壓接與導(dǎo)體連接做成接頭后，其機(jī)械性能應(yīng)滿足的需求為：機(jī)械試驗(yàn)中，銅材料的拉力負(fù)荷為60 N/mm2(最大值為20 000 N)，接頭承受上述的拉力負(fù)荷時(shí)，于1 min內(nèi)壓接處不發(fā)生滑移[6]。目前，工業(yè)實(shí)際上的壓接制作過(guò)程缺乏對(duì)電纜性能的保證，多數(shù)為依據(jù)制作者的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平進(jìn)行操作，導(dǎo)致接頭的制作存在很多問(wèn)題[7]。

因此，針對(duì)電纜中間接頭的電力及機(jī)械性能要求，設(shè)計(jì)了一套測(cè)試系統(tǒng)，用于研究及分析電纜壓接方式中施力大小、施力方式、壓痕數(shù)量和壓接位置等因素對(duì)其性能的影響。以得到可供壓接制作過(guò)程參考的標(biāo)準(zhǔn)，并且為自動(dòng)壓接設(shè)備的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 壓接性能測(cè)試系統(tǒng)

基于工業(yè)上對(duì)電纜壓接產(chǎn)品所制定的標(biāo)準(zhǔn)，包括抗拉強(qiáng)度以及直流電阻的合格指標(biāo)，提出了一套測(cè)試系統(tǒng)，用于研究電纜壓接過(guò)程中的各特征指標(biāo)的變化，以及提供對(duì)各性能變化機(jī)理的研究依據(jù)。

本文提出的電纜壓接測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。加壓?jiǎn)卧臉?biāo)稱最大輸出壓力為100 kN。加壓?jiǎn)卧戏綒飧滋庍B接有比例閥，可通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥來(lái)對(duì)加壓?jiǎn)卧淖畲筝敵鰤毫M(jìn)行調(diào)節(jié)，最大輸出壓力的調(diào)節(jié)范圍為0到加壓?jiǎn)卧茌敵龅淖畲髩毫χ怠Ｔ诩訅簡(jiǎn)卧碌装逄幵O(shè)計(jì)并安裝有電纜支撐平臺(tái)，用于固定下半壓接模具，并且安裝有電纜支撐裝置和平移導(dǎo)軌，用于固定實(shí)驗(yàn)電纜以及在改變壓痕時(shí)用于以精確長(zhǎng)度移動(dòng)電纜。

圖1 電纜壓接性能測(cè)試系統(tǒng)

加壓?jiǎn)卧掀脚_(tái)可在加壓時(shí)下降，在上平臺(tái)設(shè)計(jì)并安裝有壓接模具的固定裝置，固定有上半壓接模具，并將固定裝置通過(guò)壓力傳感器與加壓?jiǎn)卧纳掀脚_(tái)相連。

加壓?jiǎn)卧笤O(shè)計(jì)有壓力控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及測(cè)量采集系統(tǒng)。壓力控制系統(tǒng)通過(guò)控制器給比例閥相應(yīng)的控制信號(hào)，起到調(diào)節(jié)加壓?jiǎn)卧敵鰤毫Φ墓δ?。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)加壓?jiǎn)卧倪\(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行控制，測(cè)量采集系統(tǒng)利用傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以及上傳上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。

測(cè)量采集系統(tǒng)中，壓力傳感器精度為200 N(量程為200 000 N)，通過(guò)采集其輸出的模擬量信號(hào)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量壓接過(guò)程中的壓接力的大小及變化。上平臺(tái)的固定裝置中安裝有激光位移傳感器，精度為20 μm，采集其輸出的模擬量信號(hào)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量壓接實(shí)驗(yàn)中上半壓接模具的移動(dòng)距離，從而間接表現(xiàn)出電纜壓接處的變形量，為電纜壓接中性能變化的機(jī)理性分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于STM32的控制系統(tǒng)

在加壓?jiǎn)卧?，設(shè)計(jì)有控制液壓平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制面板，控制面板上設(shè)計(jì)有“下壓氣缸上升”“下壓氣缸下壓”以及“下壓氣缸增壓”等按鈕，分別用來(lái)執(zhí)行加壓?jiǎn)卧掀脚_(tái)上升，加壓?jiǎn)卧掀脚_(tái)下降，以及加壓?jiǎn)卧掀脚_(tái)輸出壓力。

根據(jù)系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的對(duì)電纜壓接過(guò)程的壓接力和電纜變形量的實(shí)時(shí)記錄，以對(duì)電纜壓接過(guò)程的機(jī)理分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有控制器，其控制器組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓力傳感器為毫伏級(jí)的小電壓輸出，通過(guò)放大模塊將其信號(hào)調(diào)整成0～5 V的輸出電壓，電壓值與實(shí)際壓力值成線性關(guān)系。激光位移傳感器也選擇為0～5 V的模擬量輸出模式。2路傳感器的模擬量信號(hào)均由同一AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入控制器核心。

圖2 控制器的結(jié)構(gòu)

AD轉(zhuǎn)換模塊的型號(hào)選擇為AD7606，為8通道16位的ADC模塊，可同時(shí)以200 kHz頻率采集數(shù)據(jù)，具有較高的精確度，且工業(yè)穩(wěn)定性高。壓力測(cè)量模塊和激光測(cè)距模塊均設(shè)計(jì)為0～5 V的模擬量輸出，分別接入AD7606的2個(gè)通道，在該模塊中將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并通過(guò)SPI串口輸出。

控制器以STM32F103為核心，其通過(guò)SPI總線的方式與AD模塊進(jìn)行通信，接收其轉(zhuǎn)換的2路傳感器數(shù)字量信號(hào)，并通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集的信號(hào)傳到上位機(jī)，起到信號(hào)采集與傳輸?shù)墓δ堋?/p>

STM32模塊通過(guò)SPI串口接收AD轉(zhuǎn)換模塊采集的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)字量信號(hào)，設(shè)定了10 Hz的采樣頻率，并設(shè)計(jì)了大小為2 KB的緩存區(qū)域，以4個(gè)數(shù)據(jù)為單位對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并上傳到上位機(jī)。其緩存機(jī)制保證了在上位機(jī)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的情況下，仍使上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)與時(shí)間軸長(zhǎng)度保持一致。控制器與上位機(jī)間通過(guò)串口進(jìn)行有線通信，并在通信中加入了CRC重傳機(jī)制，通過(guò)校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了丟包或者誤傳時(shí)的重傳機(jī)制，保證了上傳數(shù)據(jù)的正確性，以及保證了上位機(jī)收到的數(shù)據(jù)與時(shí)間軸長(zhǎng)度保持一致。

2.2 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件為基于Qt的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序中主要實(shí)現(xiàn)的功能如圖3所示。該軟件主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)基礎(chǔ)信息的選擇與記錄，對(duì)實(shí)驗(yàn)中各路傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄與顯示，以及可視化實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成。

圖3 上位機(jī)軟件功能

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有“電纜壓接實(shí)驗(yàn)記錄與分析軟件”的界面，軟件可自動(dòng)記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并提供了各實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)信息的下拉框選擇欄和數(shù)據(jù)鍵入欄，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)基本信息的記錄及保存。下位機(jī)所對(duì)應(yīng)的串口號(hào)為通過(guò)直接查詢注冊(cè)表的方式，找到下位機(jī)的串口號(hào)，并設(shè)置按鈕進(jìn)行手動(dòng)連接及斷開(kāi)串口，從而實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。應(yīng)用程序中設(shè)置有對(duì)壓力數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的圖表窗口，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化圖表。

應(yīng)用程序中采集的位移及壓力數(shù)據(jù)與同一時(shí)間軸對(duì)標(biāo)，可以得到每個(gè)壓力值所對(duì)應(yīng)的同時(shí)刻的變形值，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中電纜所受壓力以及當(dāng)時(shí)的形變狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合分析。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

先在壓接所用的銅管上標(biāo)記好需要壓接的壓痕位置，將銅管和電纜連接好后放置在電纜支持平臺(tái)上。將上平臺(tái)下移至壓接模具上半部分壓至銅管處，控制上平臺(tái)加力，開(kāi)始對(duì)銅管及內(nèi)部電纜進(jìn)行壓接，到指定壓力后保持一段時(shí)間。松開(kāi)增壓按鈕，并將上平臺(tái)上升。利用移動(dòng)平臺(tái)將電纜整體移動(dòng)至銅管下一壓痕的標(biāo)記位置與壓接模具對(duì)齊處，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在此實(shí)驗(yàn)中記錄壓接過(guò)程內(nèi)動(dòng)態(tài)的壓接力大小，以及動(dòng)態(tài)的電纜變形量的大小。為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，需在實(shí)驗(yàn)前將需壓接的兩端電纜端頭處理平整，并根據(jù)中間連接管的長(zhǎng)度標(biāo)記所需插入銅管中的部分。

3.2 數(shù)據(jù)分析

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中取尺寸規(guī)格為120 mm2的電纜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)時(shí)間與壓力值和變形量的數(shù)據(jù)，用MATLAB分別繪制壓力與變形隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 壓力與變形對(duì)時(shí)間變化曲線

在壓力曲線中，壓力值的跳變點(diǎn)為實(shí)際中加壓?jiǎn)卧_(kāi)始加壓的時(shí)刻，變形曲線中可以找到對(duì)應(yīng)的該時(shí)間點(diǎn)，并觀察加壓后的變形量變化方式。由變形曲線可知，剛開(kāi)始加壓變形的時(shí)刻，變形量隨壓力值的增加變化很大；當(dāng)變形量超過(guò)一定的范圍后，其變形量的增大速度開(kāi)始減弱。由于壓力值的變化趨勢(shì)也趨于平緩，所以再根據(jù)時(shí)間的對(duì)標(biāo)，繪制變形量與壓力的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，電纜的變形隨壓力的變化趨勢(shì)主要分為3段，第1段是開(kāi)始加壓到壓力值約為14 kN時(shí)，電纜的變形隨壓力的增大變化較大；第2段是從14 kN壓力值增大到約70 kN時(shí)，電纜的變形量仍隨著壓力的增大而增大，但變形量的增大速度明顯大幅度降低； 第3段是從70 kN壓力值繼續(xù)增大到80 kN時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力值的增大，電纜的變形量沒(méi)有明顯的改變。根據(jù)各段電纜變形與壓力變化之間的關(guān)系，可以分析壓接過(guò)程中的電纜變化的機(jī)理。根據(jù)銅管與電纜間的初始間距，考慮到電纜壓接的過(guò)程分為銅管的受壓變形，以及銅管與電纜接觸時(shí)共同的受壓變形。同時(shí)考慮電纜中的銅絲由原形狀在受壓時(shí)發(fā)生的重新排布，以及銅的彈性形變及塑性形變，從而為電纜變形與壓力之間的相互變化關(guān)系的機(jī)理性研究分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖5 變形與壓力變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了電纜壓接測(cè)試系統(tǒng)，集成了加壓器、控制器和傳感器，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電纜壓接實(shí)驗(yàn)的控制及數(shù)據(jù)采集，為壓接工藝的合格研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為后續(xù)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了參考。