有源信標(biāo)電纜的研發(fā)

黑廣杰，張惠琴，呂 淳

(天水鐵路電纜有限責(zé)任公司，甘肅 天水741000)

0 引言

有源信標(biāo)電纜主要用于城市軌道交通信號系統(tǒng)中，用于將地面信標(biāo)應(yīng)答器(鐵路專用的一種信號設(shè)備，用于將地面信息傳輸給列車，同時(shí)將列車的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸給控制室)和線路側(cè)電子設(shè)備單元(LEU)連接起來，組成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車地之間的數(shù)據(jù)傳輸，能夠準(zhǔn)確定位列車的運(yùn)行位置，判斷列車的運(yùn)行方向，測定列車的運(yùn)行速度等，并傳送各種報(bào)文信息。該系統(tǒng)在地鐵輕軌系統(tǒng)中起著非常重要的作用。而有源信標(biāo)電纜作為信息的傳輸通道，其性能好壞直接影響到信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

1 有源信標(biāo)電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品的性能要求

有源信標(biāo)電纜的型號為ET 2PI795，規(guī)格為1×2×0.88 mm2。我公司最初是與卡斯柯信號有限公司進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)的。根據(jù)該電纜的應(yīng)用特點(diǎn)和傳輸要求，該電纜必須具備以下性能要求:

(1)電纜的最大直徑13 mm;

(2)導(dǎo)體的直流電阻≤22Ω/km;

(3)電纜的特性阻抗指標(biāo)為(95±5)Ω;

(4)衰減常數(shù)在50 kHz時(shí)≤3.5 dB/km，在560 kHz時(shí)≤7.5 dB/km，在1 000 kHz時(shí)≤10 dB/km;

(5)電纜的最大拉斷力不小于1 500 N;

(6)電纜具有低煙無鹵阻燃特性，能夠通過GB/T 19666規(guī)定的C類成束燃燒試驗(yàn);

(7)電纜具有良好的彎曲性能，能夠滿足地鐵輕軌的敷設(shè)要求;

(8)電纜具有良好的屏蔽性能，50 Hz下的屏蔽系數(shù)為0.9，能夠滿足地鐵輕軌環(huán)境的要求。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述要求和我公司多年生產(chǎn)地鐵輕軌電纜的經(jīng)驗(yàn)，我們先對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)做初步設(shè)計(jì):

(1)導(dǎo)體采用多股軟銅線絞合，滿足產(chǎn)品彎曲性能要求，導(dǎo)體的截面為0.88 mm2。

(2)絕緣層采用高密度聚乙烯(HDPE)絕緣料，介質(zhì)層采用線性低密度聚乙烯(LLDPE)樹脂料，由于聚乙烯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都相對較小，適合于做通信類電纜的絕緣和介質(zhì)，且聚乙烯具有低煙無鹵性能，能夠滿足地鐵輕軌的使用環(huán)境要求。

(3)屏蔽層采用雙層鍍錫銅絲編織，每層的編織密度不小于85%，采用編織屏蔽不但可提高產(chǎn)品的屏蔽性能，還可保證產(chǎn)品具有良好的彎曲性能。

(4)為增加屏蔽效果并提高產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，增加一層鍍鋅鋼絲編織鎧裝層，并在銅絲編織和鋼絲編織之間設(shè)置一層低煙無鹵阻燃隔離層。

(5)外護(hù)套采用90℃防紫外線低煙無鹵阻燃護(hù)套，可提高產(chǎn)品的抗開裂性能和阻燃性能，保證產(chǎn)品的使用壽命滿足要求。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的初步模型見圖1。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型圖

由于該產(chǎn)品所使用的頻率較高，最高頻率為1 MHz，因此，可以參照高頻對稱通信電纜的計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和電氣參數(shù)計(jì)算。

電纜的各個(gè)參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的，為了簡化計(jì)算，在高頻下，我們只根據(jù)電纜的特性阻抗Z對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再對產(chǎn)品的其它電氣參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

在1 MHz下:

式中:Z為特性阻抗;L為電感;C為工作對電容;Ds為屏蔽層內(nèi)徑或介質(zhì)層外徑;d為絞合導(dǎo)體外徑;a為導(dǎo)體中心距離;k為渦流系數(shù)，對于銅，k=21.3×10－Q(x)為與x(x為與導(dǎo)體直徑和渦流系數(shù)有關(guān)的物理量，x=kd/2)有關(guān)的系數(shù)，可查表求得，當(dāng)x≥10.0時(shí)，Q(x)為屏蔽層的相對磁導(dǎo)率。

根據(jù)上述公式我們初步設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，再進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，經(jīng)過大約2～3次的調(diào)整，試制出符合要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸。最后確定出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸如下:導(dǎo)體采用多根銅絲絞合，導(dǎo)體截面為0.88 mm2，絞合后的導(dǎo)體直徑1.2 mm，絕緣外徑2.3 mm，介質(zhì)層外徑6.6 mm，雙層鍍錫銅絲編織外徑7.8 mm，鎧裝層采用低碳鍍鋅鋼絲編織，護(hù)套采用低煙無鹵阻燃護(hù)套，護(hù)套外徑13.2 mm。

2 產(chǎn)品的首件檢驗(yàn)

對首件產(chǎn)品的電氣性能進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果見表1。

表1 產(chǎn)品性能測試結(jié)果

3 產(chǎn)品的性能改進(jìn)

產(chǎn)品首件測試合格后，進(jìn)行了批量的驗(yàn)證，性能指標(biāo)均符合要求。但產(chǎn)品在用戶使用過程中出現(xiàn)了兩個(gè)問題:一是產(chǎn)品剝皮困難，影響施工效率，而且在剝皮過程中容易損傷導(dǎo)體;另一個(gè)問題是產(chǎn)品在試用期間出現(xiàn)導(dǎo)體斷裂現(xiàn)象。

3.1 原因分析

為了解決這個(gè)問題，我們專門到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地分析。

(1)剝皮困難是因?yàn)榻橘|(zhì)層是一個(gè)實(shí)芯結(jié)構(gòu)，而線對是一個(gè)螺旋絞合結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層緊緊擠包在線對周圍及線對縫隙處;同時(shí)，由于介質(zhì)層材料和絕緣材料相同，在擠出過程中很容易發(fā)生粘連，這兩個(gè)原因共同造成了剝皮困難而影響施工。

(2)導(dǎo)體斷裂是由于導(dǎo)體受到連續(xù)強(qiáng)烈的振動(dòng)所致，因?yàn)樾艠?biāo)電纜接在信標(biāo)應(yīng)答器上，而信標(biāo)應(yīng)答器就放置在兩個(gè)導(dǎo)軌之間，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，由于強(qiáng)烈的振動(dòng)，使連接在信標(biāo)應(yīng)答器上的電纜端頭導(dǎo)體發(fā)生部分或整體斷裂。

3.2 剝皮困難的解決方案

對于絕緣與介質(zhì)層粘連的現(xiàn)象，我們采取了三種方案:

(1)在擠包介質(zhì)層時(shí)，在絕緣層上涂滑石粉;

(2)改變介質(zhì)層材料，采用低煙無鹵阻燃材料;

(3)采用空管的擠包方式(擠出過程注入一定的氣壓來保證空管成形)。

對上述三種方案分別進(jìn)行試制，結(jié)果如下:第一種方案在生產(chǎn)過程中容易造成滑石粉在模具口堆積，引起絕緣斷膠，不能保證產(chǎn)品的定長;第二種方案試制出產(chǎn)品后，產(chǎn)品的衰減和阻抗變化較大，且剝皮仍然困難，用戶還是不滿意;第三種方案試制結(jié)果比較理想，因?yàn)樽鈺r(shí)，氣體會(huì)快速降低介質(zhì)層內(nèi)壁的溫度，使介質(zhì)層與絕緣層不發(fā)生粘連，同時(shí)，由于介質(zhì)層變成管狀結(jié)構(gòu)，減少了剝線時(shí)的阻力。

為了保證介質(zhì)層管狀的圓整，必須采用專門的擠出模具，增加注氣裝置，在生產(chǎn)過程中控制好注氣的壓力，為此，我們還專門做了一套工裝，氣壓調(diào)節(jié)表采用量程小、精度高的儀表。工裝模具圖見圖2。

圖2 介質(zhì)層生產(chǎn)工裝模具圖

由于介質(zhì)層采用了管狀結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層的介電常數(shù)發(fā)生了變化，因此，對絕緣外徑和介質(zhì)層的外徑還要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整方可滿足要求，但這時(shí)的調(diào)整量已經(jīng)很小，不用再進(jìn)行計(jì)算，只要經(jīng)過微調(diào)和驗(yàn)證就可達(dá)到要求。

3.3 導(dǎo)體斷裂的解決方案

(1)對每盤下車的導(dǎo)體都要進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，保證每根導(dǎo)體的伸長率都在22%～26%之間，保證絞合導(dǎo)體的柔軟性和均勻性。

(2)對絞合后的裸導(dǎo)體進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的彎折試驗(yàn)。進(jìn)行彎折試驗(yàn)的設(shè)備是我公司根據(jù)電纜的現(xiàn)場使用情況而自制的。該試驗(yàn)方法與其它標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法不同在于，其它標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法中，導(dǎo)體在彎折處都有一個(gè)彎曲半徑，而我公司的試制方法是導(dǎo)體彎折處成直角，因此，其試驗(yàn)條件更嚴(yán)格，按照我公司規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)合格后，導(dǎo)體可充分滿足現(xiàn)場的使用要求。

(3)介質(zhì)層采用管狀結(jié)構(gòu)，也可增加導(dǎo)體的抗振斷能力。

改進(jìn)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 改進(jìn)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

目前，我公司已經(jīng)為多條線路提供大批量的有源信標(biāo)電纜產(chǎn)品。自我公司產(chǎn)品改進(jìn)以后，未再發(fā)生過用戶質(zhì)量問題反饋情況。

4 生產(chǎn)工藝控制

由于有源信標(biāo)電纜的技術(shù)要求較高，因此，生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制工藝精度。絞合導(dǎo)體應(yīng)圓整光滑，單絲伸長率保持一致，絞合后對每盤導(dǎo)體進(jìn)行彎折試驗(yàn);絕緣同心度應(yīng)達(dá)到97%以上;線對絞合時(shí)放線張力要松緊合適，絞合節(jié)距要穩(wěn)定均勻;介質(zhì)層要控制好厚度、外徑和圓整度，特別是生產(chǎn)過程中要控制好注氣壓力等。

5 結(jié)束語

有源信標(biāo)電纜是我公司根據(jù)客戶要求而研發(fā)的產(chǎn)品，產(chǎn)品從研發(fā)到工藝定型，經(jīng)歷了大約三年時(shí)間，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能全部符合用戶要求，該產(chǎn)品已經(jīng)取得了國家電線電纜檢測中心的檢測報(bào)告，并且被

批量應(yīng)用到地鐵輕軌市場中。

［1］鄭玉東主編.通信電纜［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.