緊壓扇形導體壓輥孔型的最佳設計方案

周俊民， 蔣煒華， 王松顯， 張開拓

(1.安徽太平洋電纜集團有限公司，安徽無為238331;2.河南機電高等專科學校，河南新鄉453002)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展和技術的進步，市場對電線電纜產品提出了高質量和低價格的要求。這就需要對現有常規產品進行研究，充分發掘潛能，以創造更大的技術經濟效益。在線纜制造行業中，各個企業為實現此目標，在纜芯結構設計中，以成纜后呈一圓形為準則，均將導體做成緊壓的扇形導體。這樣在縮小電纜外徑的同時，使后道工序的材料用量大大減少，達到了節約原材料，降低電纜成本的目的。本文介紹了三種緊壓扇形導體壓輥孔型的設計方法，通過計算、實測與分析比較，得出了一種比較好的設計方案。

1 緊壓扇形導體壓輥孔型設計的三種方法

本文介紹了粗略計算校核法、借助畫圖近似計算法和電線電纜手冊第一冊［1］介紹的共三種設計方法。這三種設計方法在設計思路上大同小異，但從計算過程的復雜程度上來講，又有著很大的不同。本文在對三種設計方案介紹的過程中，所引入的參數值都是統一的，其目的是便于分析比較。

1.1 粗略計算校核法

電纜扇形導體緊壓用壓輥孔型如圖1所示。壓輥孔型截面積由線芯標稱截面積通過以下各式計算確定:

式中，SP為壓輥孔型截面積(mm2);SM為緊壓線芯的有效截面積(mm2);η為緊壓線芯的填充系數，一般取0.85～0.90;ρ緊壓為導體緊壓后的電阻率(Ω·mm2/m);R20測為緊壓導體20℃的直流電阻(Ω/m);l為導體的長度(m)。

圖1 扇形導體緊壓壓輥孔型

通過大量稱重法的實驗證明，利用緊壓導體樣品實測電阻、稱重計算截面、實測外徑并考慮緊壓系數后(η一般取0.85～0.90)，經計算，銅、鋁導體緊壓后的電阻率可分別取為0.01750、0.02900Ω·mm2/m;而計算SM時，可選用20℃直流電阻的標準值，即 R20測=R20標。

根據圖1，壓輥孔型各部分尺寸由下式計算可得:

式中，a為扇形斜邊長度(mm);b為絕緣線芯與導電線芯兩扇形角頂端之間距離(mm);φ為扇形導體的扇形角(°);δ為絕緣厚度(mm);R為弧面半徑(mm);H為弓形高度(mm);M為扇形寬度(mm);t為兩壓輥間的間隙(mm)，這是考慮到實際生產中，為使緊壓輪轉動靈活而預留的。t值大小可根據實際情況而定，一般取為0.2～0.6 mm。

由于式(3)中a是計算的近似值，所以計算后應對壓輥孔型面積進行校核。其方法是將線芯緊壓后的有效面積(SM)與壓輥截面(SP)相比，所得的η值應在0.82～0.90之間，否則需要改變a值并重新計算，直至達到要求為止。核算時SP可由下式求得:

式中， 為絕緣線芯扇形角頂端與扇形導體兩斜邊端點之間的夾角(弧度)。這里必須說明:公式中 、φ的單位有時為(°)，有時為弧度，通常在三角函數運算中均為(°)，除此之外，沒有特殊說明均為弧度，以下各式相同。

由此方法求得的緊壓扇形導體壓輥尺寸參數見表1(參考值)。

表1 粗略計算校核法求得的壓輥尺寸參數 (單位:mm)

1.2 借助畫圖近似計算法

首先繪制緊壓扇形導體及絕緣組成的絕緣線芯(見圖2)。由圖2所示，假設緊壓扇形導體截面積為 S，則:

式中，S1、S2分別為圖中陰影部分的面積。

根據幾何知識，由圖可得:

圖2 緊壓扇形導體組成的絕緣線芯

將式(7)、(8)、(9)、(10)代入式(6)，化簡可得:

將r1=k1R、r2=k2R代入式(11)中，化簡整理可得:

對式(12)求解可得:

其中，k1、k2為經驗值;S=SP。若將已知的 k1、k2、SP及其他各參數值代入式(13)后，即可求出R值。

然后結合圖示，依據幾何知識可求得壓輥孔型的其它尺寸:

由此方法求得的緊壓扇形導體壓輥尺寸參數見表2(參數值)。

表2 借助畫圖近似計算法求得的壓輥尺寸參數 (單位:mm)

1.3 電線電纜手冊介紹的計算方法［1］

在“電線電纜手冊第1冊”第7.2.5.2節中介紹了扇形緊壓線芯的結構尺寸另外一種計算法，其推導、計算極為復雜，本文不作介紹，讀者可自行參閱。但按照電線電纜手冊中介紹的計算方法，并且選取上述兩種方法相同的參數，計算出的壓輥尺寸與前兩種方法極為近似，筆者在此不予重復計算。

2 分層緊壓

眾所周知，緊壓導體最理想的緊壓方法是分層緊壓。一次緊壓會造成內層緊壓量小，外層緊壓量大，雖然外形上沒有太大變化，但導體不是很密實。因此，在保證同樣導體電阻率的前提下，分層緊壓的導體比一次緊壓導體的等圓直徑要小的多，這樣成品電纜的外徑也相對變小，這對電纜的用料成本的下降有很大好處。但若要確保內層扇形與外層扇形相吻合，這就要求精確設計和合理選擇緊壓壓輥的相關參數。金屬導體受緊壓后，主要產生塑性變形，所以可根據金屬塑變理論，在宏觀上近似認為單根圓形導體變成小塊正方形或菱形導體，因此可引入一個參數“σ”，并將單線圓面積進行變換:，其中，d為單線直徑，σ為引入參數。這樣就可獲得第二層、第三層導體及緊壓壓輥輪廓幾何參數(見表3)。

表3 分層緊壓時各層導體和壓輥輪廓幾何參數(單位:mm)

這樣就可以由扇形緊壓導體參數求得各層緊壓壓輥孔型尺寸。

3 分析及比較

筆者針對以上三種設計方法，統一選取不同的參數，其計算結果極為近似(見表1、表2)。通過比較，方法一計算過程較為簡單和快速，不容易出錯，而且較為精確，在實際設計、加工生產過程中比較實用。同時也說明，一些經驗參數的選取和生產實際經驗，對扇形緊壓導體及軋輥的設計和制造，以及保證導體直流電阻符合標準要求等起著決定性作用。

［1］王春江.電線電纜手冊(第一冊)［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］喬月純，等.緊壓絞合導體單絲直徑確定方法的分析和比較［J］.電線電纜，2007(1):26-28.

［3］錢 偉，呂鎖成.電力電纜分層緊壓扇形導體緊壓輪的設計［J］.電線電纜，1999(4):31-34.

［4］汪大年.金屬塑性成形原理［M］.北京:機械工業出版社，1982.

［5］婁爾康.現代電纜工程［M］.遼寧:遼寧科學技術出版社，1989.