高柔性拖鏈電纜結構優化設計研究

摘要：傳統的拖鏈電纜在經過長時間使用和高頻彎曲以后，會出現磨損、斷裂等方面的問題，對設備正常運行和使用壽命產生不良影響。基于此，歸納拖鏈電纜使用現狀及存在的問題，并探究新型結構優化設計方案以適應復雜多變的工業應用環境。同時，采取有限元分析方法對電纜結構優化后的情況展開模擬驗證，結果表明高柔性拖鏈電纜結構能有效提升電纜使用壽命和性能穩定性。

關鍵詞：高柔性拖鏈電纜結構優化有限元分析

中圖分類號：TM75

ResearchonStructuralOptimizationDesignofHighFlexibleTowlineCable

ZHANGDandan

ShanghaiQifanCableCo.，Ltd.，ShanghaiCity，201514China

Abstract：Traditionaltowlinecablesmayexperiencewear，breakage，andotherproblemsafterprolongeduseandhigh-frequencybending，whichhaveanegativeimpactonthenormaloperationandservicelifeoftheequipment.Basedonthis，thisarticlesummarizesthecurrentfdc2af8dd9f37b92f7629ddc1798524f2c3bba5017aec6372e5d3c7c9e669bdasituationandexistingproblemsoftheuseoftowlinecables，andexploresnewstructuraloptimizationdesignschemestoadapttocomplexandever-changingindustrialapplicationenvironments.Atthesametime，FiniteElementAnalysismethodisadoptedtosimulateandverifytheoptimizedcablestructure，andtheresultsshowthatthehighflexibilitytowlinecablestructurecaneffectivelyimprovetheservicelifeandperformancestabilityofthecable.

KeyWords：Highflexibility;Towlinecable;Structuraloptimization;FiniteElementAnalysis

在工業4.0時代背景下，人們越來越關注和應用“互聯網+制造”理念。在大規模工業用自動化設備普及之下，高品質電纜為各類生產設備穩定、可持續運行提供通信支持、控制支持和動力支持。為規避電纜跟隨運動部件產生疊壓、糾纏、散亂等現象，將其存放入拖鏈盒內予以保護，能夠實現拖鏈盒循環運動百萬次以上并保持不出現任何疲勞故障，這種特殊高柔性電纜便是拖鏈電纜[1]。

1拖鏈電纜使用現狀及問題

1.1柔韌性不足

在超低溫高溫環境、需要頻繁且大幅度彎曲場合等極端工作條件下，傳統的拖鏈電纜展現出柔韌性不足的問題，限制電纜應用范圍，導致電纜在拖鏈中移動時內部結構受到不應有的擠壓或拉伸。在工業自動化的影響下，高度柔韌性的拖鏈電纜可適應復雜多變的運動軌跡，增強生產穩定性和可靠性。在柔韌性不足的條件下，電纜內部導線、絕緣層或其他功能性組件會因為過度機械應力而產生微小的損傷。這些損傷在初期不易被察覺，但會隨著時間推移逐漸累積，影響電纜性能，甚至會導致其完全失去效果[2]。

1.2易磨損問題的深入分析

在某些高速、高頻的工作環境下，傳統的電纜外皮材料難以長時間承受高強度摩擦和磨損。拖鏈電纜的外皮是其最重要的保護層，防止外部環境侵蝕電纜內部結構，并承受在移動和彎曲過程中產生的各種機械應力。此外，外皮的磨損一方面會影響電纜美觀性，另一方面會暴露出電纜內部的導線和絕緣層，使其受到水分、塵埃或其他腐蝕性物質的侵蝕，導致電氣性能下降或是發生電氣故障[3]。

1.3抗疲勞性能差的問題研究

在使用拖鏈電纜過程中，金屬疲勞是經常遇到的問題之一。長期彎曲和伸直導致電纜材料的金屬部分產生微小的裂紋，在反復的應力作用下會逐漸擴展，最終導致材料的斷裂。金屬疲勞會降低電纜的導電性能，還引發電氣故障，導致整個電纜的斷裂。特別是在彎曲半徑小、頻率高的使用場合，這種問題更為突出。

2結構優化設計方案

2.1高柔性拖鏈電纜結構設計

在電氣性能和機械特性上，高柔性拖鏈電纜單芯和多芯結構具有不同的特點，使它們各自適用于不同的應用場景。單芯電纜結構通常較為簡單，可以是屏蔽或非屏蔽。一般情況下，屏蔽結構是在導體外部包覆一層由鍍錫銅絲編織而成的高密度屏蔽網，減少電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）并增強電纜的機械強度。非屏蔽結構的單芯電纜更輕便，成本也更低，但在電磁干擾較多的環境下會性能欠佳。非屏蔽多芯電纜在成本上有優勢，在對信號完整性要求不高、電磁環境相對干凈的環境中具有良好的應用效果。屏蔽多芯電纜提供更好的電磁保護，適用于數據傳輸要求高或電磁環境復雜的場合。而雙絞屏蔽、非屏蔽以及雙護套屏蔽等結構，則是在多芯電纜的基礎上進一步優化性能的設計。

在電纜結構中（如圖1所示），電纜導體是最為核心的部分，主要功能是傳輸電流。超細無氧裸銅絲因其優良的導電性和機械強度而被廣泛使用，而多股精絞集束的設計能夠增加導體的柔韌性，并減少信號傳輸過程中的損耗。不僅如此，電纜導體在設計和制作期間，還可以根據客戶需求定制鍍錫銅絲導體。

以具體的工作環境和性能要求作為依據，充分考量使用電纜時的穩定性和安全性，保證優質高機械性能的混合彈性體材質、汽車料、TPE（熱塑性彈性體）和PE（聚乙烯）等多種材質都可以作為電纜絕緣層設計與制作的絕緣材料。設計與優化芯線結構，其中短節距優化成纜的柔性防扭結構能夠減少電纜在使用過程中的扭曲和變形，分組式間隙填充和雙絞成對結構設計可減少信號串擾。在芯線結構優化更新影響下，既能延長電纜使用壽命，還能夠提高數據傳輸穩定性[4]。

在區分電纜中的芯線時，為了便于識別和維護，可利用彩色線芯和數字編碼實現。引入黃/綠雙色接地保護標識（G），既符合安全標準，也能快速識別接地線芯。面向在需要更高機械保護或防水性能的場合，低黏度強力擠壓式內護套能夠提供額外的保護，防止導體和絕緣層受到外界環境的損害。采用鍍錫銅絲編織設計的高密度屏蔽網層，能夠有效減少電磁噪聲對信號傳輸的影響，提高信號清晰度和穩定性。

2.2高柔性拖鏈電纜主要特性和參數

高柔軟性使電纜能夠輕松適應拖鏈系統的復雜移動模式，減少因彎曲而產生的內部應力，從而延長電纜的使用壽命。同時，耐往復移動彎曲性能則保障了電纜在高頻往復運動中不會因過度磨損或疲勞而失效。在現代工業環境中，電磁干擾無處不在，嚴重影響著數據傳輸。基于此，發揮出屏蔽層的應用優勢，以導電性能良好的金屬材料作為基礎制作而成，有效隔絕外部電磁場對電纜內部信號的影響。對雙絞線的絞合程度和節距展開精確控制，降低信號串擾和衰減問題，增強傳輸數據信息的穩定性和效率。

在具體應用期間設計雙護套結構，緊密結合內外兩層護套，提高電纜的機械強度，還能有效防止水分和灰塵的侵入。這在護套材質的選擇上，彈性體材質因其耐磨、耐候、抗撕裂、耐老化和防淺水等優異性能而廣受青睞。聚氨酯材料具有出色的耐磨損、耐油污、防水和耐酸堿腐蝕能力，非常適合在惡劣環境下使用的拖鏈系統[5]。高柔性拖鏈電纜主要參數如表1所示。

3有限元分析與驗證

3.1構建有限元模型

有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEA）是一種數值技術，用于求解工程和數學物理問題中偏微分方程的近似解。在優化與設計高柔性拖鏈電纜結構期間，有限元分析深入理解電纜在不同工況下的應力分布、變形情況以及潛在的失效模式。為了對設計對高柔性拖鏈電纜結構應用效果展開精確模擬，建立有限元模型分析其幾何形狀與材料屬性。在彈性單位內，材料的應力和應變之間的關系如下：

在公式（1）中，為應力，為彈性模量，為應變。

應變與位移偏導數呈正比關系，其關系如下：

在公式（2）中，為位移，x為位置坐標。

在給定外力作用下，高柔性拖鏈電纜結構位移響應如下：

在公式（3）中，K為剛度矩陣，u為節點位移向量，F為節點力向量。

因溫度變化而產生的熱應力，其關系表達式為：

在公式（4）中，為熱膨脹系數，為溫度變化。

3.2有限元分析結果

在拉伸載荷和25℃溫度的工況下分析電纜中部（即最大應力點），最大應力達到123.78MPa。在該條件下，電纜能夠承受的拉伸強度相當高。最大應變為0.0017，最大位移為0.82mm，提供電纜在拉伸過程中的變形情況。

當電纜受到彎曲載荷并在-10℃的溫度下工作時，觀察到電纜彎曲內側（最大應力點）的最大應力為207.31MPa。由此可見，電纜在低溫彎曲條件下的應力分布發生變化，應力值有所增加。此時的最大應變為0.0029，最大位移為1.34mm，反映電纜在彎曲過程中的柔韌性和變形能力。

在扭轉載荷和40℃溫度的工況下，電纜扭轉最大剪應力為78.46MPa，扭轉角度為34.82°，最大位移為0.63mm，表示電纜在扭轉過程中的力學特性和變形情況。

4結語

傳統的拖鏈電纜在柔韌性、耐磨性和抗疲勞性方面存在問題，限制其應用范圍并可能影響設備的穩定運行。面向工業4.0時代，拖鏈電纜在自動化設備中扮演著重要角色。本文提出高柔性拖鏈電纜的結構優化設計方案，采用特殊材料和結構設計來提升電纜的柔韌性、耐磨性和抗疲勞性能。為驗證設計方案的有效性，利用有限元分析方法進行詳細的模擬和評估。結果顯示，優化后的電纜在各種工況下均表現出優異的力學性能，為工業自動化設備的穩定運行提供有力保障。

參考文獻

[1]孫延蒙，陳靜，趙增，等.高柔性拖鏈電纜結構設計淺談[J].光纖與電纜及其應用技術，2020（2）：37-38.

[2]熊江，云浩，張奇，等.220kV干式電纜終端多物理場仿真分析及結構優化設計研究[J].絕緣材料，2023（15）：119-120.

[3]程浦.面向連接結構設計的歸選式拓撲優化方法研究[D].長沙：湖南大學，2020.

[4]倪艷榮，鄭先鋒，王衛東，等.環保型城市軌道交通柔性耐火電纜的研制[J].裝備制造技術，2021（1）：116-117.

[5]李楷東，周建，李楷純，等.基于BTLY型高性能耐火電纜工藝結構相容性的研究[J].機電工程技術，2022，51（11）：287-291.