彎折耐久線束設計及驗證

摘 ? ?要：彎折耐久線束指線束在工作過程中需要反復進行伸展及彎曲的耐久運動，本文介紹了彎折耐久線束的結構設計，運動仿真以及耐久性能測試，對彎折耐久線束產(chǎn)品開發(fā)過程進行產(chǎn)品質量的監(jiān)控和管理，以滿足產(chǎn)品應用要求。

關鍵詞：線束;彎折耐久;耐久測試

中圖分類號：TH112 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0170-02

1 ?概 述

彎折耐久線束指線束在工作過程中需要反復進行伸展及彎曲運動，在船舶、汽車、機械手、升降機等領域均有應用。該線束不僅需要考慮電信號設計，還需考慮線束的結構設計，保證在彎折耐久運動過程中線束不發(fā)生破損、斷裂等異常導致產(chǎn)品故障。

2 ?線束結構設計

彎折耐久線束運動段兩端固定點，其中一固定點相對靜止，另一固定點進行反復相對運動。線束結構設計時，線束運動段的設計應關注線束運動的三個位置：線束彎折極限位置、平衡點、線束伸展極限位置;當線束伸展至極限位置時，必須預留一部分線長來克服兩運動點之間的最大遠離距離。

在各運動位置，線束均應滿足最小彎曲半徑為5倍線束外徑要求，線束彎折半徑越大，彎折耐久性能越優(yōu)。

線束布置時應選擇機構中運動幅度較小的位置進行布置，線束彎折區(qū)域兩端固定點可使用注塑橡膠與金屬卡扣或支架進行安裝固定，布置時應防止線束的應力集中現(xiàn)象，特別是線束的接頭、固定點位置，線束布置時還應避免線束的扭曲，以提高線束的耐久性能。線束在運動時應避免與其余機構件產(chǎn)生干涉和摩擦，不存在被鈑金割傷的風險，保持足夠的安全距離。

彎折耐久線的線束需選擇特種軟電線[1]，電線絕緣材料均為高彈性體，具備優(yōu)異的耐高低溫、彎曲性、柔軟性等特點，且有光滑、耐磨外絕緣層對電線進行防護。

電線的導體應選擇多股軟銅絲，保證線束的彎折耐久性能，表1為電線按照ISO 14572標準[2]中測試方法所做的彎折耐久測試，從彎折耐久測試數(shù)據(jù)可見：相同截面積的電線，導體芯數(shù)越多，單絲外徑越細，線束的彎折耐久性能越優(yōu)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3 ?運動仿真分析

產(chǎn)品設計完成后，可采用線束運動仿真[3]來分析線束在運動狀態(tài)下的應力應變，運動走向，運動干涉和運動包絡等。通過運動仿真，可以在軟件里模擬產(chǎn)品結構設計和安裝的合理性，可行性。

根據(jù)產(chǎn)品的結構，安裝環(huán)境，固定方式，運動行程構建仿真模型[4]。先將產(chǎn)品模型進行有限元網(wǎng)格劃分。設定電線材料，護套材料參數(shù)以及約束條件，通過仿真分析對產(chǎn)品的設計風險進行優(yōu)化改進。

通過仿真分析得出在線束固定位置線束承受較大應力應變[5]，存在應力集中現(xiàn)象。通過優(yōu)化固定點結構、變更固定點位置，運動線長校核等方式來改善該固定點的應力應變集中現(xiàn)象，提高線束的彎折耐久性能。

通過對線束運動段的運動仿真分析，能一定程度上反應線束的彎折耐久性能，對產(chǎn)品的結構設計有較大幫助。

4 ?耐久試驗驗證

彎折耐久線束除了常規(guī)電性能測試外，一般需要進行彎折耐久測試驗證，以驗證產(chǎn)品是否滿足彎折耐久的使用環(huán)境要求，有的產(chǎn)品根據(jù)其使用環(huán)境需要驗證在不同環(huán)境溫度條件下的彎折耐久性能，表2為某產(chǎn)品的彎折耐久測試標準。

根據(jù)產(chǎn)品的彎折耐久測試要求，設計圖1所示實驗設備用于驗證彎折耐久線束的耐久性能，該設備由伺服電機、齒輪、絲桿、導軌、滑塊、線束安裝結構、電控箱、人機交互界面等組成，通過PLC軟件編程控制伺服電機正反轉運動，齒輪、絲桿、導軌結構實現(xiàn)線束安裝板的上下反復運動，將產(chǎn)品運動段其中一端安裝在左邊固定安裝板固定，另一端安裝在運動安裝板上，即可使線束進行反復耐久運動。

通過實驗設備上面的結構可調(diào)節(jié)固定點和運動點之間X、Y、Z三個方向的相對位置關系，使產(chǎn)品的安裝固定位置、固定方式及與實際應用安裝結構一致。產(chǎn)品的運動幅度、運動頻率均可通過軟件編程、人機交互界面設置，以滿足不同實驗條件的需求。

當需要驗證不同溫度條件下的彎折耐久性能，可將設備放置于溫控箱內(nèi)，設置溫控箱的溫度，即可驗證產(chǎn)品在不同環(huán)境溫度條件下的彎折耐久性能。

實驗前通過人機交互界面設置彎折耐久次數(shù)，頻率，振幅等參數(shù)，產(chǎn)品在測試過程中監(jiān)測電信號的連續(xù)性和阻值變化，判定實驗過程中是否有線芯斷裂失效發(fā)生，同時會記錄發(fā)生線芯彎折斷裂失效時的耐久次數(shù)，圖2為某產(chǎn)品的失效次數(shù)和產(chǎn)品失效照片。

5 ?總 結

本文主要介紹了彎折耐久線束的結構設計，材料選擇要求，并運用運動仿真軟件輔助分析產(chǎn)品結構設計和安裝的合理性，通過仿真分析對產(chǎn)品的設計風險進行優(yōu)化改進，最后通過設計實驗來驗證產(chǎn)品的耐久性能，對彎折耐久線束產(chǎn)品開發(fā)過程中產(chǎn)品質量進行監(jiān)控和管理，對彎折耐久線束的設計具有一定的指導意義，以滿足客戶應用要求。

參考文獻

[1]汪景璞，鄒元傳.電纜材料.機械工業(yè)出版社，1983.

[2]ISO 14572 Test methods and requirement for basic and high performance cables.International Standard，2011.

[3]陳海平，熊 召，劉長春.Top-Down設計模式下的機構運動仿真.新型工業(yè)化，2014（03）：65～69.

[4]呂艷蕊，唐 俊，曹曉蕾.電線束三維設計應用分析.汽車電器，2017，8（04）：38～40.

[5]趙啟元.橡膠動態(tài)應力應變性能.橡膠譯叢，1983.

收稿日期：2018-12-7

作者簡介：周睿智（1982-），男，江蘇南通人，助理工程師，本科，研究方向為船舶工程。