淺談電纜成型的設(shè)計(jì)與制造

林殿夫，于慧敏，郭 勝，邵青偉，周婧然

(沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110144)

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電纜已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研等基礎(chǔ)建設(shè)和高新產(chǎn)業(yè)中，其外觀、功能多種多樣，而成纜作為電纜生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，其主要參數(shù)的剪裁對電纜產(chǎn)品的品相、性能、成本都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，合理的設(shè)計(jì)能夠提升電纜產(chǎn)品的外觀、質(zhì)量，降低加工和維護(hù)過程中的成本。本文結(jié)合實(shí)際中的電纜設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將零散、模糊的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)性的匯總。

2 成纜的概念

2.1 成纜的定義

根據(jù)一定規(guī)則，把絕緣線芯集中絞合起來，并對絞合線芯之間予以填充、絞合線芯之外繞包包帶的電纜成型過程叫做成纜。

2.2 成纜的分類

根據(jù)絕緣線芯直徑是否完全相同，可將成纜分為對稱成纜和不對稱成纜。此外根據(jù)成纜時是否退扭，還可以分為退扭成纜(另名“浮動式成纜”)和不退扭成纜(另名“固定式成纜”)。

3 成纜的目的

把多根線芯集中絞合在一起可以制造出多芯電纜，其主要目的在于以下幾個方面：

(1)有效減少電纜的整體體積與占用空間；

(2)增加線纜的圓整度、柔軟度，大大增強(qiáng)適用性；

(3)使結(jié)構(gòu)更加趨于穩(wěn)定，提高了抗振動、抗沖擊等機(jī)械性能；

(4)如果輸入為三相電源信號，那么能夠使三相磁場抵消，起到減少電能損耗的作用；

(5)減少材料定額，降本增效，節(jié)能減排。

4 成纜的主要參數(shù)

4.1 成纜方向

成纜方向分為S絞向、Z絞向。將電纜水平放置并向前看，向左旋轉(zhuǎn)的為S絞向，反之為Z絞向，如圖1、圖2所示。此外電纜也可將絞合方向進(jìn)行周期性改變，稱為SZ絞合，如圖3，成纜原理為固定A、B點(diǎn)，按箭頭方向旋轉(zhuǎn)C點(diǎn)，那么A-C段為S絞向，C-B段為Z絞向，故A-B-C整體為SZ絞合。

圖1 S絞向 圖2 Z絞向

圖3 SZ絞合

在一些電纜(例如礦用電纜、控制電纜)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定成纜最外層方向?yàn)閆絞向。其它電纜在沒有特殊要求時，習(xí)慣上最外層也采用Z絞向或SZ絞合。SZ絞合適用于光纜或承受拉力小的場所，其生產(chǎn)效率較高，具體按用戶實(shí)際使用需求決定。

當(dāng)電纜分層時，內(nèi)層、外層的絞合方向可以相同，也可以相反。同向時電纜的柔軟度較好，適用于外場測試場所；反向時外形規(guī)整、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適用于固話通訊設(shè)備。設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合使用環(huán)境確定選擇。

4.2 節(jié)距、節(jié)距比

單線沿絞線軸線旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離叫絞合節(jié)距。在測繪樣件時，應(yīng)測量多個節(jié)距除以線芯旋轉(zhuǎn)周數(shù)，以提升準(zhǔn)確性[1]，還可采用GB/T4909.2-2009中5.5規(guī)定的直接法、紙帶法。節(jié)距與直徑的比值叫節(jié)距倍數(shù)或節(jié)距比。

成纜節(jié)距通常以節(jié)距比的形式進(jìn)行規(guī)定，其余導(dǎo)體、絕緣的類別和使用環(huán)境息息相關(guān)。一般在頻繁移動、要求柔軟性好或傳輸大電流的場合選用小節(jié)距比電纜，反之選擇大節(jié)距比電纜，例如在塑料絕緣控制電纜中，規(guī)定固定敷設(shè)部分節(jié)距比小于20，移動部分節(jié)距比小于16。此外，扇形線芯采取不退扭成纜，為降低線芯所承受的扭矩，一般比圓形線芯的節(jié)距比更高，如表1所示。

表1 不同線芯截面形狀的節(jié)距比

4.3 絞入系數(shù)、絞入率

在絞線的一個節(jié)距內(nèi)，單線實(shí)際長度與絞線節(jié)距長度的比值為絞入系數(shù)，即L/λ。單線實(shí)際長度與絞線節(jié)距長度的差與絞線節(jié)距長度的百分比為絞入率，即(L-λ)/λ×100%。

圖4 絞線狀態(tài)時節(jié)距長度為λ

圖5 拉伸成直線狀態(tài)時的實(shí)際單位長度為L

5 成纜的過程

5.1 絞纜

通信電纜的電纜芯由若干個線組絞合而成，電纜絞合的過程叫做絞纜，一般可分為束絞、同心絞、單位絞。

束絞是將線對組、星絞組以同方向、不分層地絞合成電纜；同心絞是將線對組、星絞組以同心分層式地排列成電纜；單位式絞合是先將若干個線對組、星絞組構(gòu)成一個單元，再將若干個單元以束絞、同心絞的方式進(jìn)行絞合[2]。

上述的線對組、星絞組結(jié)構(gòu)見圖6、圖8，在星絞組的中心位置還可以增添一根橡膠加強(qiáng)筋，用以增加其強(qiáng)度。

5.2 填充

由于多數(shù)形狀無法實(shí)現(xiàn)密鋪，在絕緣線芯的成纜過程中，線芯之間通常會產(chǎn)生空隙，，如圖6～9所示。經(jīng)實(shí)測，其空隙率見表2。這些空隙通常是不必要的，除了小截面積的多芯電纜外，一般電纜都須要填充，如不對其空間進(jìn)行填充，那么電纜的外觀、耐溫等級、機(jī)械強(qiáng)度均會受到較大影響。

圖6 兩芯成纜圖7 三芯成纜圖8 四芯成纜 圖9 五芯成纜

表2 多芯成纜后截面積及空隙率情況

選擇填充物質(zhì)要遵循“三不能”原則[3]。即不能吸水、不能低于電纜工作溫度、不能與其接觸的材料發(fā)生有害的相互作用，常用的材料有輻照交聯(lián)聚乙烯、氟化碳化氫、聚酰亞胺、橡膠芯、棉紗、混合編織物、發(fā)泡填充帶等等，其中聚乙烯胺是商業(yè)和低頻領(lǐng)域中的普遍材料；氟化碳化氫和聚烯烴則在高頻領(lǐng)域里占有優(yōu)勢；若有耐應(yīng)力的需求，則多選用不銹鋼絲、不銹鋼帶、復(fù)合鋼帶等合金材料；若有阻燃耐火需求，則多選用無塵巖棉繩、玻璃纖維絲等氧指數(shù)不低于30%的難燃材料。設(shè)計(jì)者應(yīng)按實(shí)際情況進(jìn)行裁剪選擇。

電纜在填充后，將會達(dá)到如下的預(yù)期效果：

(1)提高耐擠壓、耐振動等性能；

(2)提高致密結(jié)構(gòu)，有助于散熱能力；

(3)提高電纜的外觀圓整度。

5.3 包帶

在成纜線芯表面繞包隔離層、絕緣皮、扎緊帶等材料的過程叫包帶，包帶層通常起到隔離、絕緣、扎緊的作用[4]。

一般地，包帶的繞包有三種形式：重疊繞包、銜接繞包、間隙繞包。其中重疊繞包、銜接繞包為單層繞包，間隙繞包為雙層繞包。各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 三種繞包方式對比

電纜在包帶后，將會達(dá)到如下的預(yù)期效果：

(1)防止絕緣層之間產(chǎn)生粘合；

(2)防止護(hù)套工藝時，線芯發(fā)生松股，起到集束作用；

(3)提高電纜的柔軟度。

6 成纜的設(shè)備

用于成纜(絞纜、填充、繞包)的生產(chǎn)設(shè)備，稱為成纜機(jī)。通常其具有兩個要素，一是所有單線圍繞設(shè)備的中心做軸向旋轉(zhuǎn)，二是使整個絞合電纜向前做直線運(yùn)動。成纜機(jī)分為籠式成纜機(jī)、管式成纜機(jī)、盤絞式成纜機(jī)，根據(jù)是否退扭、芯數(shù)多少、速度快慢等方面的需求來選擇[5]。籠式成纜機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)退扭，可以同時完成多個絞層，但速度較慢；管式成纜機(jī)離心力小、轉(zhuǎn)速高，所以其不能退扭，但生產(chǎn)效率較高；盤絞式成纜機(jī)既能實(shí)現(xiàn)退扭，速度也較快，造價(jià)昂貴，是一種新型成纜機(jī)。現(xiàn)階段籠式成纜機(jī)的應(yīng)用較為普遍。

圖10 籠式成纜機(jī)

無論哪一種成纜機(jī)，一般由放線部分(大多為放線架)、絞盤、定心軸、牽引裝置、收線裝置等機(jī)構(gòu)組成。

7 成纜的質(zhì)量管控

須對電纜的單絲外徑、絞向、絞合節(jié)距、直徑、直流電阻、外觀品質(zhì)、長度等進(jìn)行檢驗(yàn)和記錄。

成纜機(jī)轉(zhuǎn)速不當(dāng)會引起節(jié)距錯誤，放線張力的不均勻會引起單線斷裂，張力過大會導(dǎo)致跳線，張力過小會導(dǎo)致單線拱起[6]。同時絞線表面還應(yīng)緊湊、完整，禁止有斷頭、缺股、松散等現(xiàn)象。這些常見的錯誤應(yīng)在實(shí)操中盡可能避免。

8 結(jié)束語

電纜的成型是一門綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，由于產(chǎn)品的功用、應(yīng)用場景存在很大差異，成纜的參數(shù)、選材、工藝也不盡相同，設(shè)計(jì)者可在本文的闡述分析基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的使用需求，提出不同的設(shè)計(jì)、工藝方案，對常見問題也應(yīng)采取正確方法處理解決。