螺旋电缆的设计研制

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1、三律螺旋电缆的研发设计卢占海，陈伟文（上海三律电气有限公司）螺旋电缆材料选择螺旋电缆可分为导线，绝缘层和护套层三部分。导线和绝缘层的功能主要是传输电信号，分别选用镀银铜多股绞线和特殊高温材料。线缆的弹性和拉伸压缩力与护套层有关。比较两种常用护套材料。1，聚酯弹性体的强度,柔软性,耐热老化性能优异,长期工作温度可达135摄氏度，低温柔软性好，玩去模量随温度降低的变坏下，抗紫外辐照能力良好。2，ETFE有较高的机械强度，长期工作温度可达200摄氏度，可薄壁挤出，从而减轻电缆的尺寸和重量，抗紫外辐照性能极佳，抗老化和耐原子氧能力优异。对两种材料的护套进行了对比试验分析，发现多次反复拉伸后ETFE护套

2、的弹性保持性能优于聚氨酯弹性体。另外若护套层材料与绝缘层相同，则可同时定型优化工艺，因此选择ETFE为护套材料。螺旋电缆的结构设计螺旋电缆采用螺旋状外形试验拉伸与压缩运动，类比圆柱螺旋弹簧对其进行定性分析，根据机械设计原理，圆柱螺旋弹簧载荷满足关系式中：P为螺旋负载，G为材料剪切弹性模量，d为线缆外径，D为螺旋中经，为螺旋单圈型变量。螺旋电缆可与其类比。当材料，螺旋内径已知时，线缆外径和单圈型变量是影响拉伸压缩力的主要因数，且线缆外径越小，螺旋圈数就越多（螺旋段长度不变的条件下），单圈型变量就越小，故控制成品线缆外径是关键。为避免芯线错位破坏结构导致电缆不能回复，在满足载流量要求条件下，财局减

3、少芯线种类，多层规则排列的方式，有效控制电缆外径，提供了其圆整性和结构的稳定性，内部结构如图所示设计螺旋电缆外形时，根据电缆回复高度范围及电缆外径取值，合理设计螺旋环圈数；多层绞合时小节距成缆，每层成缆后均绕包F4薄膜，起分隔保护作用，使结构更稳定，采用绝缘层与护套层材料同时定型的工艺手段，增加电缆弹性，加强伸缩性能。螺旋电缆设计外形如图2所示根据使用需求，对螺旋电缆整束成缆状态的载荷进行设计计算。取d=10mm，D=60mm，入=60mm，G=23.3map（经验数据），计算可得螺旋电缆P=8.1N。在实际产品的常温性能测试中测得拉伸力约为11.2N，压缩力为6.9N，且电缆中导线均为各自连

4、续，分别导通，相互绝缘，满足拉伸力合压缩力要求。当电缆的导线成束时，电流通过导线将产生较大温升，对导线载流量进行了可靠性设计，一束导线中每根导线的最大电流式中:Isw为单独一根导线的最大电流，N为一束导线的导线数，结果可得成缆状态下的载流量为0.65~3.25a,满足0.2~3.0A的使用要求。螺旋电缆的生产制造螺旋电缆的生产制造工艺流程如图3所示。其中，定型直接关系电缆的综合性能，为关键工艺，定型温度和时间需精确控制，温度过高，时间过长会使电缆芯线出现粘连，温度过低，时间过短会造成电缆定型不足，弹性较差。另外，定型时的温度均匀性亦非常重要，定型温度不均会造成电缆内部应力不均衡，从而导致结构，

5、形状的变化。螺旋电缆性能试验材料蠕变试验螺旋电缆在轨拉伸停留时间有特殊要求。固体材料在应力作用下的时间超过材料的最终松弛时间时，会出现形变不可恢复的蠕变现象，可能造成电缆不能正常回缩，同时蠕变变形量随恒定拉力作用时间的增加而增大，随温度增高而增长。为此，分析了常温23度和高温45度下高温材料的蠕变特性。进行单轴拉伸性能试验，所得常温合高温下第一，二屈服点的应力及应变值见表根据材料试验获得的特征数据，构建有限元模型，分析电缆被拉伸至一定长度时的应力，用于后续蠕变试验。有限元分析采用高温材料空心护套圆柱形螺旋弹簧的三折线弹塑性本构模型，如图4.5所示。虽然实心电缆拉伸所需作用力应比仅计算空心护套时

6、偏大，但护套与内部结构之间为非连续性连接，相互约束作用较小，因此忽略了内部结构的影响，认为采用空心护套模型进行应力分析时合理的。对护套两端进行水平加载拉伸至极限位置长度，计算常温，高温环境下拉伸过程中的拉力值及材料的应力分布。所得为拉力-变形曲线如图6所示。护套的VONMISES 应力值见表2，相应的应力云如图7.8所示。 由表2可知，高温材料护套拉伸至极限位置的应力在常温和高温下差别较小，均值约10.5mpa，确定后续蠕变实验应力10.5mpa。在常温及高温下对高温材料进行了短周期（1d）和长周期（14D）的蠕变及恢复试验。实验过程为加载10.5mpa恒载1d或者14d卸载0.1mpa恒载1

7、d。实验测得的应变量见表实验结果表明，在常温和高温下短周期及长周期的蠕变实验后高温材料仍可回复。不会出现蠕变断裂。因此，常温和高温线高温材料的最终松弛时间均大于14d。满足螺旋电缆拉伸后正常回缩的使用要求。伸缩性能实验选用10根螺旋电缆试样，进行高低温条件下的拉伸试验，研究电缆在不同位置的最长停留时间及拉伸一定时间后能否正常回复。试验结果见表4试验结果表明，螺旋电缆在对接位置，极限位置的最长停留时