軌道交通裝備用通信電纜動態(tài)特性研究

田慶濤 ,趙國玉 ,曾 軒 ,周洪鵬 ,王少祥

(1.中車唐山軌道交通車輛有限公司,唐山 064000;2.中天科技裝備電纜有限公司,南通 226010;3.株洲中車時代電氣股份有限公司,株洲 412000;4.中天射頻電纜有限公司,南通 226010)

0 引言

近年來,我國軌道交通行業(yè)快速發(fā)展,對整車通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性的要求也越來越高。車內(nèi)電子設備增加,列車自動化程度不斷提升,車內(nèi)網(wǎng)絡系統(tǒng)不斷升級,對于列車運行精確控制進而縮短列車行進間隔,對列車通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量和實時性提出了更高的要求。

作為軌道交通車輛的“神經(jīng)系統(tǒng)”,列車通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性對于列車能否平穩(wěn)運行具有直接影響。軌道交通裝備用通信電纜是構建列車網(wǎng)絡的重要組成部分,具有傳輸性能穩(wěn)定、耐高溫、耐低溫、耐酸堿腐蝕、耐油和阻燃防火等特點。列車在運行過程中會受到布線應力、彎曲半徑、線纜擺動等多種因素的影響,但目前通信電纜只能依靠工人的操作經(jīng)驗進行更換和維修,缺少科學定量的應用準則,導致軌道交通行業(yè)耗費了大量的人力、物力和財力。因此,本工作根據(jù)自主化通信電纜的實際工作環(huán)境和失效機理對其動態(tài)特性進行了深入分析,提出了一整套動態(tài)特性試驗方法。對成品通信電纜開展彎曲等動態(tài)特性測試的研究,以獲得通信電纜在彎曲等動態(tài)條件下的傳輸特性指標,進而達到模擬車輛的真實運行狀態(tài)、提出通信電纜的可控性傳輸指標的目的,為通信電纜動態(tài)環(huán)境下使用特性提供科學依據(jù)。

1 試驗設計

列車運行過程中,各種布線不可避免被扭轉和拉拽。因此,必須考慮到列車裝車過程中的固定布線時的受力問題。

本工作以MVB 120 Ω 4×0.5 mm2總線為例,芯線相對位置產(chǎn)生0.2 mm 的位移,近端串音衰減(NEXT)測試即出現(xiàn)大幅度超標現(xiàn)象,MVB 電纜線對位置結構發(fā)生0.038 4,0.2 mm 位移的見圖1[1],位置結構變化時近端串擾仿真結果見圖2[1]。

圖1 MVB 電纜線對位置結構發(fā)生位移

圖2 位置結構變化時近端串擾仿真結果

1.1 試驗依據(jù)

YD/T 1019—2013《數(shù)字通信用聚烯烴絕緣水平對絞電纜》和EIA/TIA 568.D 《美國電信協(xié)會-對稱結構對絞通信布線及元器件》標準只適用于固定布線系統(tǒng),不包含扭轉、沖擊等受力情況下電纜的使用性能的評估指標。

IEC 61156-6:2020《數(shù)字通信用多芯電纜 第6部分:1 000 MHz 以下對稱結構對絞及星絞電纜-工作區(qū)域分規(guī)范》及EN 50288-4-2:2013《用于模擬和數(shù)字通信和控制的多元件金屬電纜 第4-2 部:600 MHz 的屏蔽電纜的分規(guī)范 工作區(qū)域及軟電纜》標準規(guī)定電纜彎曲、壓扁、沖擊以及反復彎曲試驗方法和判定規(guī)則,詳見表1。

表1 IEC 61156-6:2020 及EN 50288-4-2:2013動態(tài)特性要求對比表

由表1 可知:電纜動態(tài)特性試驗要求主要為彎曲、壓扁、沖擊及反復彎曲試驗。其中,IEC 和EN標準規(guī)定的反復彎曲均為500 次。

實際列車運行中,只有跨接部分存在反復彎曲的現(xiàn)象。在列車壽命周期內(nèi)跨接電纜反復彎曲的次數(shù)均為數(shù)十萬次,復雜的受力情況是影響跨接電纜疲勞,導致信號傳輸失效的主要原因[2]。

軌道交通裝備通信電纜的動態(tài)特性研究應分為車內(nèi)及車端跨接兩種工況:車內(nèi)電纜敷設存在彎曲、壓扁、沖擊受力情況,應根據(jù)相關標準開展必要的動態(tài)性能試驗;車端部分模擬列車實際運行中車端受力情況,開展10～50 萬次的搖擺測試。

1.2 試驗方案

1.2.1 車內(nèi)電纜彎曲、壓扁和沖擊試驗

彎曲試驗參考EN 50289-3-9:2001 第4.3 的方法,分別用2D,4D,6D,8D,10D(D表示電纜外徑)彎曲半徑,纏繞6 圈 (從大到小)后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等通信性能指標,并與初始狀態(tài)進行對比。

壓扁試驗按EN 50289-3-5:2001 第4.3 的方法,使用1 000 N 的重物,壓在電纜的表面,保持1 min,然后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等性能,并與初始狀態(tài)時的性能指標進行對比。

沖擊試驗按GB/T 2951.14—2008 的方法,使用1.5 kg 的重錘,從10 cm 高度,在電纜末端1 m處,沖擊3 次,然后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等性能,并與初始狀態(tài)時的性能進行對比。

柔性試驗按EN 50306-2:2002 標準,采用EN 50306 試驗方法評估整體電纜的柔韌性。

1.2.2 車端跨接電纜試驗

列車在實際運行中,隨著車鉤(車端連接器)不斷拉伸或壓縮,電纜反復承受著拉應力和壓應力,跨接電纜應力分析見圖3[3]。

圖3 跨接電纜應力分析

EN 50289-3-9 標準中規(guī)定了電纜反復彎曲試驗方法,電纜彎曲角度為90°,彎曲次數(shù)為500 次,電纜應無任何位移,而且測試只有一個平面維度。評估認為,與車端實際工況差距較大,建議模擬車端跨接電纜實際工況,開展兩個維度10～50 萬次的搖擺測試。

2 樣品制備

車內(nèi)部分試驗,根據(jù)車內(nèi)電纜的彎曲、壓扁、沖擊、柔性試驗方法直接使用整體電纜開展。根據(jù)IEC 61156 標準要求,被測電纜長度應不小于100 m。

針對車端跨接部分工況,設計了模擬列車跨接部分的試驗裝置。按照實際列車行駛中跨接部分的工況開展,被測電纜裝配連接器后安裝于搖擺試驗機上,縱向行程400 mm,橫向行程400 mm。連接器中心最大距離1 030 mm,最小距離630 mm,擺動頻率8 次·min-1,搖擺測試10～50 萬次。

跨接電纜采用重載連接器將各個電纜組合安裝,車端跨接電纜試驗裝置見圖4。

圖4 車端跨接電纜試驗裝置

為了方便試驗,將電纜制成組件,并使用FLUKE DSX-8000 型電纜分析儀檢測產(chǎn)品傳輸特性。被測電纜組件應在試驗開始前裝配完成,具體適配方案見表2,其中連接器采用浩亭(Harting)進口連接器,電纜測試長度均為1.5 m。

表2 連接器適配方案

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 彎曲試驗

以太網(wǎng)電纜Cat7 4×2×24 AWG 在不同彎曲半徑下衰減、回波損耗和近端串音衰減測試結果見表3,其中 10D-6 表示10 倍電纜外徑纏繞6 圈。

表3 Cat7 4×2×24 AWG 以太網(wǎng)電纜彎曲試驗測試結果

由表3 結果可知,彎曲對于電纜衰減影響較小,對回波損耗和近端串音衰減影響很大。另外,電纜的彎曲半徑越小,纏繞圈數(shù)越多,回波損耗及近端串音衰減變化越大。當電纜在6 倍彎曲半徑以下時,數(shù)據(jù)變化明顯,建議電纜固定敷設的彎曲半徑不小于6 倍電纜外徑。

3.2 壓扁及沖擊試驗

根據(jù)第1 部分試計方案,對Cat7 4×2×24 AWG(140 m)、Cat5E 4×20 AWG(100 m)以太網(wǎng)電纜進行了沖擊試驗、壓扁試驗,其試驗結果分別見表4 和表5。

由表4、表5 結果可知,電纜經(jīng)受沖擊和壓扁試驗后,衰減、近端串音衰減和回波損耗測試值均滿足技術要求,其中Cat7 4×2×24 AWG 沖擊、壓扁后,在100,600 MHz 頻率下,近端串音衰減和回波損耗出現(xiàn)變差情況,分析可能是線對屏蔽層擠壓變形所致。

表4 Cat7 4×2×24 AWG 以太網(wǎng)電纜壓扁及沖擊試驗數(shù)據(jù)

表5 Cat5E 4×20 AWG 以太網(wǎng)電纜壓扁及沖擊試驗數(shù)據(jù)

3.3 柔性試驗

對Cat7、Cat5E、WTB、MVB 等6 款型號電纜進行了柔韌性測試,數(shù)據(jù)見表6。

表6 柔性測試數(shù)據(jù)

由表6 試驗結果可知,試驗數(shù)據(jù)滿足設計要求。電纜柔韌性與產(chǎn)品結構、材料密切相關,產(chǎn)品設計時已考慮相關因素影響。

3.4 跨接系統(tǒng)試驗

選取以太網(wǎng)電纜、總線電纜和同軸電纜6 個典型電纜,在搖擺試驗機上分別進行兩維度的10 萬次、20 萬次和50 萬次搖擺試驗。

3.4.1 以太網(wǎng)電纜

采用FLUKE DSX-8000 型電纜分析儀分別進行初始、10 萬次、20 萬次和50 萬次電纜插入損耗、回波損耗和近端串音衰減指標測試,結果見表7、表8。

由表7、表8 試驗結果可知,以太網(wǎng)和總線等4 個型號電纜在經(jīng)歷10 萬次、20 萬次和50 萬次搖擺試驗后,測試數(shù)據(jù)變化是隨機性的,沒有明顯規(guī)律性趨勢,4 個型號的電纜均通過了50 萬次車端搖擺試驗。

表7 以太網(wǎng)電纜跨接系統(tǒng)測試結果 dB

表8 總線電纜跨接系統(tǒng)測試結果

3.4.2 同軸電纜

采用5071C 型安捷倫網(wǎng)絡分析儀,對同軸電纜分別進行初始、10 萬次、20 萬次和50 萬次衰減和回波損耗測試,試驗結果見表9。

由表9 試驗結果可知,同軸電纜衰減指標與初始值相比,20 萬次和50 萬次衰減呈明顯的增加趨勢,回波損耗變化呈隨機性,同軸電纜通過了50 萬次車端搖擺試驗。

表9 SYJYZ-50-7-1 同軸電纜跨接系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)及原理分析

4.1 固定敷設應力數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),彎曲、沖擊、壓扁等對電纜的衰減影響均較小。而對回波損耗、近端串音衰減的影響隨著電纜的導體尺寸、傳輸速率、整體結構各有不同。

其中,對于Cat7 以太網(wǎng)電纜的影響高于Cat5E以太網(wǎng)電纜,特別是壓扁和彎曲造成的應力對回波損耗及近端串音衰減影響較大,并且從6 倍直徑的彎曲半徑開始,電纜傳輸特性影響較大。軌道交通裝備車內(nèi)電纜布線主要參考GB 34571—2017 《軌道交通 機車車輛布線規(guī)則》的規(guī)定,標準中 6.7 條規(guī)定:屏蔽電纜敷設的最小彎曲半徑不宜小于電纜外徑的10 倍。結合標準要求,通信電纜最小彎曲半徑建議為6 倍電纜直徑。

Cat5E 4×20 AWG、Cat7 4×2×24 AWG 電纜結構示意圖分別見圖5、圖6。

圖5 Cat5E 4×20 AWG 電纜結構示意圖

圖6 Cat7 4×2×24 AWG 電纜結構示意圖

由圖5 可以看出,Cat5E 電纜采用星絞組結構,導體為20 AWG(約0.5 mm2)。增加中心填充條后,其結構較為穩(wěn)定,一定程度上可以抵抗外來應力對內(nèi)部結構的影響。Cat7 電纜采用對絞組結構,導體為24 AWG(約0.2 mm2),屏蔽采用線對屏蔽加鍍錫銅絲編織總屏蔽結構,此類結構存在一定的不穩(wěn)定性。

從Cat7 與Cat5E 電纜結構分析可知,Cat7 對絞屏蔽層容易受到外力影響,造成內(nèi)部結構畸變。從而對近端串音衰減、回波損耗等與結構相關的指標造成更大的影響。

4.2 跨接狀態(tài)下應力數(shù)據(jù)分析

隨著車鉤(車端連接器)不斷拉伸或壓縮,電纜反復承受了拉應力和壓應力。隨著應力不斷堆積,導致電纜內(nèi)部結構發(fā)生畸變,引起阻抗、串音等變化。

試驗發(fā)現(xiàn),跨接部分的衰減變化較小,阻抗、近端串音衰減、回波損耗變化較大。WTB 120 Ω 2×0.75 受到的影響最小;由于頻率較高,結構復雜的Cat7 4×2×24 AWG 受影響最大。因此,建議跨接系統(tǒng)應以WTB 120 Ω 2×0.75、MVB 120 Ω 4×0.5、CANBUS 2×0.5+1×0.5 和 Cat5E 4×20 AWG 為主。

4.3 同軸電纜動態(tài)特性數(shù)據(jù)分析

SYJYZ-50-7-1 同軸電纜結構示意圖見圖7。

圖7 SYJYZ-50-7-1 同軸電纜結構圖

由圖7 可知,同軸電纜為結構最穩(wěn)定的通信電纜。試驗證明,在其彎曲半徑之內(nèi)且適配連接器良好的情況下,同軸電纜受應力影響很小。無論彎曲、沖擊、壓扁或用于跨接系統(tǒng),其性能變化均不大。

3 結束語

本工作重點介紹了軌道交通裝備通信電纜的使用特性,隨列車運行動態(tài)變化。詳細總結了不同類型通信電纜在受到彎曲、沖擊、壓扁或跨接系統(tǒng)中受應力影響后引起的傳輸特性變化。

通過動態(tài)試驗,獲得了通信電纜在動態(tài)工況下的傳輸特性數(shù)據(jù)。所有自主化電纜通過了嚴苛的動態(tài)工況試驗,發(fā)現(xiàn)7 類(Cat7)以太網(wǎng)電纜受動態(tài)應力影響較大。并根據(jù)各類電纜結構開展了相應的理論分析,希望為軌道交通裝備通信電纜產(chǎn)品研發(fā)及應用提供參考。