車載電纜終端牽引設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

歐賀湘 ，李鵬輝

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 資產(chǎn)管理部，山東 青島 266111；2. 青島四鐵機電設(shè)備工程有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島 266109)

隨著動車組、高速列車的不斷研發(fā)，其生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對高壓電纜的質(zhì)量要求越來越高。近年來，動車組列車上使用的電纜終端偶發(fā)質(zhì)量問題[1]。研究表明，電纜終端產(chǎn)生故障的主要原因在于生產(chǎn)安裝工藝不合理，安裝時電纜終端與電纜受力不均，造成電纜變形損壞，導(dǎo)致電纜使用時漏電[2]。因此，對于電纜終端安裝過程中的工藝優(yōu)化顯得尤為重要。原有的動車組用高壓電纜終端主要通過人工操作，通過拉拽力進(jìn)行安裝，這會對電纜造成不同程度的損傷變形，而且人為因素不易控制，安裝后質(zhì)量不穩(wěn)定，不合格率極高，對后續(xù)使用產(chǎn)生的危害極大?；诖?，本文設(shè)計了一種車載電纜終端牽引設(shè)備，通過使用PLC及變頻器精準(zhǔn)控制變頻電動機轉(zhuǎn)速，帶動絲杠螺母機構(gòu)，實現(xiàn)電纜終端的自動牽引安裝。

1 車載電纜終端結(jié)構(gòu)

車載電纜終端主要由電纜、收縮傘裙管、密封膠泥、銅套、接線端子、屏蔽線等組成[3]。其中電纜安裝在收縮傘裙管內(nèi)，外圈涂有密封膠泥，可以起到保護(hù)電纜的作用。收縮傘裙管為橡膠材質(zhì)，具有絕緣作用，可防止電纜漏電。車載電纜終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.電纜；2.收縮傘裙管；3.密封膠泥；4.銅套；5.接線端子；6.屏蔽線。圖1 車載電纜終端結(jié)構(gòu)

2 故障原因分析

導(dǎo)致電纜終端故障的因素來源于多方面，從原材料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、安裝工藝到包裝運輸每個環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)質(zhì)量問題。經(jīng)調(diào)查分析，電纜終端原材料質(zhì)量滿足要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求；生產(chǎn)工藝符合設(shè)計要求，且經(jīng)過X射線探傷檢測合格；包裝運輸過程中無磕碰、外力損壞等現(xiàn)象發(fā)生。因此，主要故障環(huán)節(jié)在于電纜安裝工藝。

通過對現(xiàn)場安裝工藝的調(diào)研，總結(jié)目前電纜的安裝工藝如下(圖2)：

圖2 電纜的安裝工藝

(1) 將電纜端部絕緣層剝離500 mm；

(2) 將剝離掉的電纜涂抹密封膠泥，將牽引桿擰在電纜端部接線端子上；

(3) 將牽引桿穿過電纜終端后，安裝手持拉環(huán)，人工施加外力，將電纜拽入電纜終端；

(4) 安裝完成后，拆除牽引桿。

在電纜安裝過程中，牽引桿對電纜終端的損傷最為嚴(yán)重。在人為外力作用下，電纜終端內(nèi)側(cè)壁所受力的方向不確定，且作用力的大小時刻發(fā)生變化，人工操作無法保證電纜終端始終受力均勻，操作人員在拉拽過程中施加力的大小、方向及速度的控制都存在不確定性，很容易造成電纜扭曲變形，甚至對電纜終端內(nèi)部造成損傷。人工牽引時電纜終端受力情況如圖3所示。

圖3 人工牽引時電纜終端受力情況

從受力情況可分析得出，在不同方向的拉拽力作用下，電纜會發(fā)生扭曲變形，對電纜終端內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓，從而導(dǎo)致安裝完成后電纜與電纜終端分離。人工安裝完成后的電纜終端X射線探傷照片如圖4所示，從圖4中可清楚地看出電纜安裝后扭曲變形，并與終端發(fā)生分離現(xiàn)象，不滿足使用要求。

圖4 人工安裝完成后電纜終端X射線探傷圖

因此，有必要從安裝工藝的角度出發(fā)，使電纜終端在安裝過程中始終受到均勻載荷的作用，排除人為因素的干擾，有效解決電纜終端故障問題。

3 解決方案

為解決電纜安裝過程中受力不均，排除人為因素問題，本文從自動化生產(chǎn)的角度出發(fā)，研發(fā)生產(chǎn)了一臺車載電纜終端牽引設(shè)備，可實現(xiàn)電纜安裝過程均勻加載、實時監(jiān)測牽引力的大小等功能。安裝過程中可以根據(jù)需求設(shè)定牽引速度，使電纜在牽引過程中始終保持勻速運轉(zhuǎn)，且受力方向保持不變，從而控制電纜安裝的質(zhì)量。車載電纜終端牽引設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 車載電纜終端牽引設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備通過PLC程序控制電動機以300 r/min的速度轉(zhuǎn)動，電動機通過聯(lián)軸器與直徑30 mm的絲杠連接，絲杠轉(zhuǎn)速不變，絲杠帶動螺母勻速運動，螺母固定臺上安裝有拉力傳感器，拉力傳感器連接牽引桿，帶動電纜按設(shè)定速度輸送至電纜終端，在輸送過程中拉力傳感器可實時監(jiān)測牽引裝置的拉力變化情況，并通過數(shù)據(jù)處理顯示在觸摸屏上，繪制出拉力曲線，工作人員可通過截屏打印功能將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

3.1 受力問題解決

該設(shè)備設(shè)計有牽引裝置，作為電纜安裝過程中的動力裝置，通過變頻電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)，保證電纜在牽引安裝過程中勻速前進(jìn)?？紤]到電纜長度過長，若在安裝過程中隨意擺放，會對電纜終端產(chǎn)生拉拽力，影響安裝質(zhì)量，因此該設(shè)備設(shè)計有電纜輸送裝置，為電纜提供支撐，保證電纜在運動過程中始終與電纜終端同軸，減少電纜彎曲變形對電纜終端產(chǎn)生的損壞。整套設(shè)備可有效保證電纜與電纜終端的同軸度不超過2 mm，確保電纜在牽引過程中受力情況始終保持在同一軸線上。

3.2 人為因素解決

該設(shè)備可實現(xiàn)自動化安裝，有效避免人為不確定因素對電纜終端造成的影響。該設(shè)備配有PLC、觸摸屏、變頻器、變頻電動機、拉力傳感器。設(shè)備開始工作時，操作人員只需點擊開始運行按鈕，觸摸屏便可將信號傳送至PLC，PLC發(fā)送指令至變頻器，變頻器啟動電動機以設(shè)定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，帶動牽引裝置將電纜安裝至電纜終端。整個牽引安裝過程沒有人為干涉，可以有效排除人為因素的干擾。

為避免突發(fā)狀況的產(chǎn)生，該設(shè)備設(shè)計有安全報警功能，在牽引過程中若出現(xiàn)過載、載荷突變等情況，會及時自動停止安裝，確保整個安裝過程的安全性。

3.3 軟件控制系統(tǒng)

該設(shè)備控制軟件可實時記錄電纜終端安裝過程中牽引力的變化，實時顯示拉力值、牽引速度等信息，如圖6所示。工作人員可以在參數(shù)設(shè)置界面根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定電動機轉(zhuǎn)速，使用手動、自動2種模式進(jìn)行電纜終端牽引。完成安裝后，聲光報警燈會閃爍綠色，工作人員可以將試驗結(jié)果直接打印保存，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析處理。

圖6 車載電纜終端牽引裝置控制軟件顯示界面

3.4 主要技術(shù)參數(shù)

車載電纜終端牽引設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 車載電纜終端牽引設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)果分析

該設(shè)備投產(chǎn)完成后，操作人員使用該設(shè)備對電纜終端進(jìn)行了多次安裝試驗，并對安裝完成后的電纜終端進(jìn)行了X射線探傷檢測，如圖7所示。

圖7 使用車載電纜終端牽引設(shè)備安裝的電纜終端的X射線探傷圖

對比圖4和圖7中電纜終端的探傷結(jié)果可知，人工安裝后，電纜終端經(jīng)常會出現(xiàn)分離現(xiàn)象，電纜在電纜終端內(nèi)部有不同程度的扭曲變形，安裝質(zhì)量不合格。而使用車載電纜終端牽引設(shè)備安裝后，電纜終端與電纜緊密貼合，電纜基本無扭曲變形情況，安裝質(zhì)量得到有效改善。采用該設(shè)備對電纜終端的安裝現(xiàn)場如圖8所示，各項功能均滿足生產(chǎn)要求。

圖8 車載電纜終端牽引設(shè)備對電纜終端的安裝現(xiàn)場

5 總結(jié)

(1) 車載電纜終端牽引設(shè)備改善了以往的電纜終端安裝工藝，實現(xiàn)了電纜終端的自動化牽引安裝過程，保證了電纜終端在安裝過程中受均勻載荷作用，排除了人為因素的干擾，使電纜終端的安裝質(zhì)量得到很大提升，具有較高的實用價值。

(2) 車載電纜終端牽引設(shè)備的設(shè)計方法及設(shè)計理念可應(yīng)用于動車組、高速列車、電力電網(wǎng)等相關(guān)行業(yè)電纜終端的生產(chǎn)中，以優(yōu)化電纜終端安裝工藝，提高生產(chǎn)質(zhì)量。