螺旋電纜總成的試驗(yàn)方法研究

楊雷剛，王 濤

（北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司，北京 101499）

螺旋電纜總成作為牽引車(chē)與掛車(chē)之間電氣連接的載體，在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎工況下，由于車(chē)輛間距離變化的特點(diǎn)，電纜與插頭連接部位會(huì)發(fā)生折彎和扭轉(zhuǎn)。當(dāng)電纜抗折彎和扭轉(zhuǎn)性能不足時(shí)，會(huì)造成內(nèi)部芯線(xiàn)損壞，進(jìn)而對(duì)電壓信號(hào)或者CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞造成影響。當(dāng)掛車(chē)燈光信號(hào)裝置和制動(dòng)系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，會(huì)危害到車(chē)輛安全。如何提高電纜抗折彎和扭轉(zhuǎn)性能對(duì)牽引車(chē)的安全性和低故障率起著至關(guān)重要的作用。

ISO 4141-4于2009年進(jìn)行修訂，提高了折彎試驗(yàn)的要求，同時(shí)增加了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)部分。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)目前仍只有折彎試驗(yàn)的要求，因此有必要緊跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)螺旋電纜總成的試驗(yàn)和要求進(jìn)行研究，為保證道路車(chē)輛安全及螺旋電纜總成的發(fā)展提供技術(shù)支撐。本文主要從預(yù)處理、彎折試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)行論述［1］。

1 預(yù)處理

開(kāi)展本試驗(yàn)，需要采用符合GB／T 5054.3要求的GB／T 20717“道路車(chē)輛牽引車(chē)和掛車(chē)之間的電連接器24V15芯型”的電纜總成進(jìn)行試驗(yàn) （簡(jiǎn)稱(chēng)“15芯電纜”）。在實(shí)施彎折試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)前需要按照GB／T 20717中規(guī)定的電纜組裝合適的連接器，同時(shí)在需要保護(hù)的部位安裝抗扭保護(hù)裝置，電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)圖

15芯電纜按照以下步驟進(jìn)行預(yù)處理。

1）將15芯電纜在溫度為 （-40±2）℃低溫箱中放置2h，取出后15s內(nèi)將其拉伸到GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長(zhǎng)度3000mm，然后卸去外力。

2） 在室溫 （23±5） ℃中放置120s。

3） 再將15芯電纜在溫度為 （80±2）℃高溫箱中放置2h，取出后15s內(nèi)將其拉伸到GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長(zhǎng)度，然后卸去外力。

4）在室溫中放置2h。

預(yù)處理過(guò)程如圖2所示，預(yù)處理在低溫箱和高溫箱中放置時(shí)間均為2h，從低溫箱和高溫箱中拿出后都要進(jìn)行一次符合GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長(zhǎng)度的拉伸。區(qū)別在于完成低溫箱試驗(yàn)后常溫放置時(shí)間為120s，在高溫箱試驗(yàn)完成后放置時(shí)間為2h。

圖2 試樣測(cè)試前預(yù)處理過(guò)程

2 彎折試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

汽車(chē)列車(chē)在極端轉(zhuǎn)彎工況下，電纜的拉伸達(dá)到最大允許拉伸長(zhǎng)度LEmax，形成最大電纜折彎角。電纜折彎部位外圓承受拉伸強(qiáng)度和內(nèi)圓承受擠壓強(qiáng)度分別達(dá)到最大。當(dāng)汽車(chē)列車(chē)反方向轉(zhuǎn)彎時(shí)，這一受力發(fā)生反轉(zhuǎn)。電纜在拉伸和擠壓反復(fù)作用下，電纜護(hù)套可能產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，芯線(xiàn)導(dǎo)體也可能折斷。為了螺旋電纜總成使用安全，按照電纜折彎試驗(yàn)方法，驗(yàn)證電纜在極端工況下使用而不出現(xiàn)裂紋等不良現(xiàn)象。

2.2 試驗(yàn)條件

在整個(gè)試驗(yàn)階段，應(yīng)接 （5±0.5）A的電流連通所有的導(dǎo)線(xiàn)和接點(diǎn)［1］，監(jiān)控可能的斷線(xiàn)情況和接點(diǎn)接觸情況，如果電流降幅超過(guò)1A，持續(xù)10ms，則表示電連接器發(fā)生損壞，在這種情況下試驗(yàn)程序需要自動(dòng)停止。

電纜總成2個(gè)插頭插入相應(yīng)的插座內(nèi)，至少要有一個(gè)固定插座的夾具可以繞軸A旋轉(zhuǎn)。彎折試驗(yàn)布置示意圖 （俯視圖）見(jiàn)圖3。

圖3 彎折試驗(yàn)布置示意圖 （俯視圖）

2.3 試驗(yàn)步驟

將15芯電纜按照?qǐng)D3a進(jìn)行布置，連接器應(yīng)該朝兩個(gè)方向都旋轉(zhuǎn)到垂直于螺旋線(xiàn)縱向軸的位置；整個(gè)測(cè)試階段，接通5A電流連通所有接點(diǎn)與導(dǎo)線(xiàn)，以監(jiān)控可能的斷線(xiàn)情況和接點(diǎn)接觸情況。一個(gè)彎折循環(huán)測(cè)試應(yīng)在（3±1）s的時(shí)間內(nèi)完成以下動(dòng)作：①位置1—基準(zhǔn)面；②繞軸A旋轉(zhuǎn)180°，到位置2；③轉(zhuǎn)回位置1，完成試驗(yàn)循環(huán)。

將15芯電纜固定在試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)固定插座部位都可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)時(shí)2個(gè)插座總是處于相反的旋轉(zhuǎn)方向，試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

2.4 試驗(yàn)要求

樣品應(yīng)能承受至少20000次的連續(xù)循環(huán)，電纜不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或抗扭保護(hù)裝置 （如有安裝）不應(yīng)出現(xiàn)移位現(xiàn)象［2］。如果未出現(xiàn)損壞，則完成絕緣耐壓試驗(yàn)。

在每根導(dǎo)線(xiàn)和其它串聯(lián)在一起的導(dǎo)線(xiàn)間，接通1kV（50Hz或60Hz）交流電或1600V直流電的試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)時(shí)間為1min，不應(yīng)發(fā)生擊穿。

圖4 折彎測(cè)試過(guò)程

2.5 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)20000次循環(huán)折彎測(cè)試后，15芯電纜無(wú)斷路等電性能故障，見(jiàn)圖5，試樣外觀(guān)無(wú)斷裂、位移等不良產(chǎn)生。折彎測(cè)試后接通1kV（50Hz或60Hz）交流電，漏電流0.195mA，電纜未擊穿，見(jiàn)圖6。

圖5 測(cè)試結(jié)果顯示

GB／T5054.4-2008要求進(jìn)行10000次循環(huán)折彎測(cè)試，通過(guò)對(duì)15芯電纜按照試驗(yàn)條件和步驟進(jìn)行20000次循環(huán)折彎測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了試驗(yàn)要求。這說(shuō)明國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的螺旋電纜總成具備ISO4141-4：2009要求的抗折彎能力，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)可以向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)看齊。

圖6 絕緣介電強(qiáng)度測(cè)試

3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

螺旋電纜總成其本質(zhì)為一個(gè)拉伸彈簧，通過(guò)拉伸帶來(lái)的長(zhǎng)度變化來(lái)彌補(bǔ)車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的2個(gè)插頭間的距離變化。電纜在拉伸時(shí)，在拉力作用下螺旋電纜圈徑縮小，螺旋電纜產(chǎn)生的扭力增大。當(dāng)拉力在電纜圓周方向上產(chǎn)生圓周力小于螺旋電纜產(chǎn)生的扭力時(shí)，圓周力使得電纜受到徑向力而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。汽車(chē)列車(chē)在轉(zhuǎn)彎極端工況下，電纜的拉伸達(dá)到最大允許拉伸長(zhǎng)度LEmax，電纜承受的扭轉(zhuǎn)力也會(huì)達(dá)到最大。扭轉(zhuǎn)力會(huì)使電纜和芯線(xiàn)發(fā)生扭曲，可能造成芯線(xiàn)導(dǎo)體斷裂，護(hù)套外皮開(kāi)裂等不良影響。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^(guò)螺旋電纜總成的抗扭轉(zhuǎn)性能驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)條件

至少有一個(gè)插頭應(yīng)插入插座內(nèi)，將電纜和插座固定在裝置上，其中一端裝置應(yīng)在試驗(yàn)設(shè)備作用下繞軸B旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)布置見(jiàn)圖7或圖8。以最大20Nm的扭力旋轉(zhuǎn)至角度360°或要求的值，以先發(fā)生為準(zhǔn)，記為結(jié)束位置。整個(gè)測(cè)試階段，接通5A電流連通所有接點(diǎn)與導(dǎo)線(xiàn)，以監(jiān)控可能的斷線(xiàn)情況和接點(diǎn)接觸情況。

圖7 抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)布置

3.3 試驗(yàn)步驟

將15芯電纜按照?qǐng)D7布置，以（15±5） °／s速度朝順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向分別轉(zhuǎn)動(dòng)展開(kāi)測(cè)試，一次完整的試驗(yàn)應(yīng)包括以下步驟。

1）在電纜、插頭和抗扭保護(hù)裝置 （如果有）之間做一個(gè)標(biāo)記作為位置基準(zhǔn)。

2）電纜以順時(shí)針?lè)较蚶@軸B旋轉(zhuǎn)360°。

3）按照3.4中列項(xiàng)2）的要求進(jìn)行檢查。

4）電纜旋轉(zhuǎn)返回到基準(zhǔn)位置。

5）電纜以逆時(shí)針?lè)较蚶@軸B旋轉(zhuǎn)360°。

6）按照3.4中列項(xiàng)2）的要求進(jìn)行檢查。

7）電纜旋轉(zhuǎn)返回到基準(zhǔn)位置，完成試驗(yàn)循環(huán)。

8）對(duì)電纜總成另一端完成上述步驟1） ～7）。

將電纜一端固定在試驗(yàn)臺(tái)扭轉(zhuǎn)機(jī)上見(jiàn)圖9，在電纜固定點(diǎn)、插座和抗扭保護(hù)裝置在X和Y方向上進(jìn)行標(biāo)記，見(jiàn)圖10。按照試驗(yàn)步驟完成一個(gè)端插頭試驗(yàn)后，重復(fù)對(duì)另一端插頭進(jìn)行試驗(yàn)。

圖8 可供選擇的抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)布置

圖9 測(cè)試布置扭轉(zhuǎn)測(cè)試機(jī)

圖10 測(cè)試前電纜、護(hù)套、插座標(biāo)記 （同水平線(xiàn)上）

3.4 試驗(yàn)要求

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)符合以下要求。

1）樣品在至少1個(gè)循環(huán)之后，電纜和插頭之間標(biāo)記不應(yīng)出現(xiàn)移位；在1000次循環(huán)之后，不應(yīng)出現(xiàn)導(dǎo)電性能失效。

2）在結(jié)束位置電纜不應(yīng)出現(xiàn)裂紋，抗扭保護(hù)裝置 （如有安裝）不應(yīng)發(fā)生位移，電纜和插頭之間標(biāo)記不應(yīng)發(fā)生位移。

3）在每根導(dǎo)線(xiàn)和其它串聯(lián)在一起的導(dǎo)線(xiàn)間，接通1kV（50Hz或60Hz）交流電或1600V直流電的試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)時(shí)間為1min，不應(yīng)發(fā)生擊穿。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

15芯電纜在一個(gè)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)循環(huán)結(jié)束后，電纜、插頭和抗扭保護(hù)裝置上的標(biāo)記在一條線(xiàn)上，無(wú)明顯位移見(jiàn)圖11。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都在進(jìn)行電流監(jiān)控，1000次循環(huán)中沒(méi)有出現(xiàn)電流降低1A并且超過(guò)10ms的情況，見(jiàn)圖12。1000次循環(huán)后電纜、插頭和抗扭保護(hù)裝置上的標(biāo)記在一條線(xiàn)上，無(wú)明顯位移見(jiàn)圖13。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后接通1kV（50Hz或60Hz）交流電，漏電流0.149mA，電纜未擊穿，見(jiàn)圖14。

圖11 1個(gè)扭轉(zhuǎn)循環(huán)測(cè)試后

圖12 試驗(yàn)過(guò)程漏電流監(jiān)測(cè)

圖13 1000次扭轉(zhuǎn)循環(huán)測(cè)試后

圖14 絕緣介電強(qiáng)度測(cè)試

本次試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)螺旋電纜總成采用最大20Nm的力矩扭轉(zhuǎn)到360°，做到了充分的扭轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上螺旋電纜總成完成了一個(gè)扭轉(zhuǎn)循環(huán)和1000次扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，未發(fā)生偏移和電性能失效，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)螺旋電纜總成具備了在汽車(chē)列車(chē)極端轉(zhuǎn)彎工況下的抗扭轉(zhuǎn)能力。可以采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4141-4中扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和要求的內(nèi)容對(duì)國(guó)內(nèi)螺旋電纜總成產(chǎn)品提出更高要求，為降低產(chǎn)品故障率、提高車(chē)輛安全性奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從預(yù)處理、彎折試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)螺旋電纜的試驗(yàn)方法和要求進(jìn)行了研究。其中對(duì)預(yù)處理過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)彎折試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)從試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)條件、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)要求和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對(duì)螺旋電纜總成的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。