陳錦梅

寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司 江蘇揚州 225800

1 研究背景

在普通信號電纜生產(chǎn)過程中,需要進行導體、對絞、成纜等工序的多次絞合。由于不同的生產(chǎn)工藝需求,每次絞合均會產(chǎn)生不同的絞入因數(shù)。在進行導體結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)設計過程中,根據(jù)不同類型電纜的不同需求,既需要考慮導體自身絞合節(jié)距,又需要考慮對絞節(jié)距和成纜節(jié)距的多次絞合對導體直流電阻的影響。在這一過程中,還需要考慮經(jīng)過多次絞合后實際投產(chǎn)長度與成品交貨長度的差異,避免造成生產(chǎn)浪費,增加生產(chǎn)成本。由此可見,絞合節(jié)距的優(yōu)化屬于多目標優(yōu)化問題。筆者就絞合節(jié)距對成品電纜電性能與投產(chǎn)長度的影響進行分析。

2 標準要求

在信號電纜的生產(chǎn)過程中,當信號電纜的導體為第1種實心導體時,不需要考慮導體的絞合節(jié)距。當信號電纜的導體為第2種絞合導體、第5種和第6種軟導體時,需要考慮導體的絞合節(jié)距。通常,導體的絞合節(jié)距由各個電纜生產(chǎn)制造廠家根據(jù)使用設備進行設計,最終滿足國家標準所規(guī)定的成品直流電阻。

普通信號電纜的工藝流程為導體、擠包絕緣、對絞絞合、分屏蔽、成纜絞合、總屏蔽、護套。

由于對信號電纜目前沒有相應的國家標準,因此在電纜行業(yè)中引用相關(guān)的行業(yè)標準或技術(shù)標準,包括JB/T 13486—2018《計算機與儀表屏蔽電纜》和TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》。這些標準均提出電纜中非屏蔽成纜元件和相鄰成纜元件宜采用不同的絞合節(jié)距,1.5 mm2導體截面及以下任意成纜元件的最大對絞絞合節(jié)距應為100 mm,2.5 mm2導體截面及耐火型電纜任意成纜元件的最大對絞絞合節(jié)距應為120 mm,纜芯成纜絞合節(jié)距應不大于成纜外徑的25倍。

以上是目前行業(yè)中對普通信號電纜對絞節(jié)距和成纜節(jié)距的要求。目前,市場上出現(xiàn)了較多的消防類信號電纜,其對絞節(jié)距不大于每根絕緣線芯外徑的16倍,成纜節(jié)距不超過電纜外徑的8倍。僅從成纜節(jié)距對比,消防類信號電纜成纜節(jié)距遠小于普通信號電纜,這對成品電纜的導體直流電阻形成挑戰(zhàn)。因此,消防類信號電纜在生產(chǎn)中需要重新設計導體的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù),重新驗證生產(chǎn)設備能力,明確為滿足交貨長度而實際的投產(chǎn)長度。

由此可見,對于消防類信號電纜,既要滿足客戶要求的對絞節(jié)距和成纜節(jié)距,又要考慮絞合節(jié)距對成品電纜電性能及投產(chǎn)長度的影響。

3 絞合節(jié)距對電性能影響

3.1 電性能重要性

電性能是各類電線電纜最基本的特性,反映了各類電線電纜傳輸電能的能力,以及承受工作電壓的安全裕度、工作狀態(tài)下滿足的電絕緣性能。電性能對于電線電纜而言尤為重要。電性能的要求是多方面的,也極為嚴格。在設計電線電纜時,必須精確進行電性能計算,作為選擇材料和結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

導電線芯直流電阻是電線電纜的基本電性能之一,一般要求直流電阻小,以減少線路損耗。電纜導體的直流電阻應符合GB/T 3956—2008《電纜的導體》的要求。

3.2 導體直流電阻計算

單位長度電纜的導體直流電阻R計算式為:

R=ρ20[1+α(θ-20)]k1k2k3k4k5/A

(1)

式中:A為導體截面積,如果導體由n根直徑為d的單絲絞合而成,那么A為nπd2/4;ρ20為導體材料在溫度為20 ℃時的電阻率,標準軟銅為0.017 241 Ω·mm2/m,標準硬鋁為0.028 64 Ω·mm2/m,或?qū)似髽I(yè)產(chǎn)品電阻率;α為導體電阻的溫度系數(shù),標準軟銅為0.003 93 K-1,涂鍍錫軟銅為0.003 85 K-1,軟銅制品為0.003 95 K-1,標準硬鋁及硬鋁制品為0.004 03 K-1,軟和半硬鋁制品為0.004 10 K-1;k1為單根導線加工過程中引起金屬電阻率增大所引入的因數(shù),與導線直徑大小、金屬種類、表面有否涂層有關(guān),根據(jù)IEC 288規(guī)定取值;k2為用多根導線絞合而成的線芯使單根導線長度增大所引入的因數(shù);k3為緊壓線芯過程中使導線發(fā)硬、電阻率增大所引人的因數(shù),約取1.01;k4為成纜絞合使線芯長度增大所引入的因數(shù);k5為考慮導線允許公差所引入的因數(shù),非緊壓線芯結(jié)構(gòu)為[d/(d-e)]2,e為導線容許公差,緊壓結(jié)構(gòu)線芯約取1.01。

對消防類信號電纜計算導體直流電阻時,k1可以根據(jù)相關(guān)標準進行取值。電纜采用非緊壓線芯,k3無需考慮。k5可以通過導體的公差來進行取值。因此在進行工藝參數(shù)設計時,重點需要考慮的是k2和k4的取值。

3.3 絞合工藝參數(shù)

電纜絕緣線芯對絞或成纜絞合過程與電纜導體絞合原理相似,因此線芯絞合工藝參數(shù)及絞合過程中的變形與絞線也相似,絞合工藝參數(shù)如圖1所示。

圖1 絞合工藝參數(shù)

圖1中,α為螺旋升角,即展開后的單線與絞線的斷面之間形成的夾角;h為絞合節(jié)距,即單線按照螺旋升角在內(nèi)層上繞一整圈的絞線軸向距離;D為絞線最終直徑,即絞線實際測量直徑;D′為絞線節(jié)圓直徑,即由最外層單線中心線所構(gòu)成的絞線直徑,數(shù)值等于絞線最終直徑減去單絲直徑。

成纜因數(shù)見表1。

表1 成纜因數(shù)

3.4 節(jié)距計算

絞合節(jié)距在電纜實際生產(chǎn)過程中是由測量得到的。作為工藝人員,應根據(jù)相關(guān)電纜標準規(guī)定的理論節(jié)距比及理論外徑,計算理論絞合節(jié)距。由于理論節(jié)距與實際絞合節(jié)距存在一定的誤差,由此引入實用節(jié)距比這一概念。絞合節(jié)距與絞線節(jié)圓直徑之比稱為理論節(jié)距比,絞合節(jié)距與絞線最終直徑之比稱為實用節(jié)距比。實用節(jié)距比m計算式為:

m=h/D

(2)

理論節(jié)距比m′計算式為:

m′=h/D′=mD/D′

(3)

3.5 絞入因數(shù)計算

絞入因數(shù)k與理論節(jié)距比m′的關(guān)系式為:

(4)

另有:

k2=kk′

(5)

式中:k′為修正因數(shù)。

關(guān)系式適用于計算多根導線絞合而成的線芯。需要指出的是,絞入因數(shù)會因設備種類、設備精度、設備狀態(tài)的不同而不同。因此,在實際應用時,為保證計算的正確性,需要結(jié)合設備的具體情況進行修正,即引入修正因數(shù)k′。

3.6 計算實例

消防類信號電纜的對絞節(jié)距、成纜節(jié)距與普通信號電纜不同,原有的導體結(jié)構(gòu)無法滿足設計要求。以RVVSP 4×2×0.75消防類信號電纜為例,根據(jù)上述計算式對標稱截面積0.75 mm2的導體電阻、不同對絞節(jié)距下的導體直流電阻、成纜之后的導體直流電阻進行計算。在Excel軟件中將導體結(jié)構(gòu)、絕緣線芯直徑、對絞節(jié)距、成纜節(jié)距、成纜芯數(shù)、纜芯長度設為可變參數(shù),根據(jù)實際需要生產(chǎn)的電纜結(jié)構(gòu)進行改變,可自動計算求得導體直流電阻。單芯導體直流電阻理論計算值為21.71 Ω/km,實際測量值為21.80 Ω/km。對絞后導體直流電阻見表2,成纜后導體直流電阻見表3。

表2 對絞后導體直流電阻

表3 成纜后導體直流電阻

經(jīng)過多次大批量生產(chǎn)驗證,理論節(jié)距比越小,絞入因數(shù)越大,在相同的長度要求下,絕緣線芯的實際用量增加。由于絕緣線芯的導體電阻和絞入因數(shù)成正比,因此將導致單位長度電纜的導體直流電阻和質(zhì)量的增大。將絞合節(jié)距對成品電阻影響的計算結(jié)果用于指導實際生產(chǎn)制造過程,可以控制導體直流電阻余量。

4 絞合節(jié)距對投產(chǎn)長度影響

4.1 投產(chǎn)長度重要性

投產(chǎn)長度指根據(jù)交貨長度確定成纜纜芯長度,再由后道生產(chǎn)工序要求長度推算出前道工序所需生產(chǎn)長度,以此計算求得的單根導體在拉絲絞合工序的長度。

對于多組信號電纜而言,電纜纜芯由多組不同對絞節(jié)距的對絞線對成纜而成,因而每一組對絞線對的絞入因數(shù)不同。如果在電纜纜芯生產(chǎn)制造過程中,未能合理確定絕緣單線的長度,那么對絞機絞合的不同節(jié)距的多組線對經(jīng)成纜機成纜后,將出現(xiàn)線對尾線長短不一的情況,會造成不必要的浪費。由此可見,確定各工序的投產(chǎn)長度對減小多組對絞線對在成纜時的余線長度非常關(guān)鍵。

4.2 投產(chǎn)長度計算

在計算投產(chǎn)長度時,考慮調(diào)試護套擠出、調(diào)試噴碼印字、性能檢測、成圈包裝,需要預留10～20 m損耗長度,因此成纜纜芯長度LC為:

LC=L+20

(6)

式中:L為交貨總長度。

對絞線對長度LD的計算式為:

LD=LCkCk′/kLC

(7)

式中:kC為成纜絞入因數(shù);kLC為成纜拉伸因數(shù)。

絕緣線芯長度LJ的計算式為:

LJ=LDkDk′/kLD

(8)

式中:kD為對絞絞入因數(shù);kLD為對絞拉伸因數(shù)。

4.3 拉伸因數(shù)計算

在成纜過程中,單根絕緣線芯實際受到的拉力為F,軸向拉力為F1,徑向拉力為F2,成纜角θ與螺旋升角α互為余角。F1正比于cosθ,成纜角越小,單根絕緣線芯實際受到的軸向拉力越大,越容易出現(xiàn)拉伸變形。

對于成纜角θ,有:

(9)

可見,實用節(jié)徑比越大,成纜角越小,單根絕緣線芯承受的拉力越大。

式(7)、式(8)成立的條件是對絞線對或絕緣線芯在絞制時不被拉伸。雖然目前大多數(shù)電纜生產(chǎn)制造廠家采用的是主動放線設備,對絞線對或絕緣線芯在絞制過程中的拉伸相對采用被動放線設備小,但是在實際制造過程中仍然無法滿足不被拉伸的要求。在確定對絞線對或絕緣線芯拉伸因數(shù)時,既要考慮對絞工序的拉伸,也要考慮成纜工序的拉伸,并且主要考慮在合適的放線張力下絕緣線芯的導體拉伸,由此,成纜拉伸因數(shù)、對絞拉伸因數(shù)分別可取經(jīng)驗值1.001 98、1.002 35。

4.4 計算實例

以RVVSP 4×2×0.75消防類信號電纜為例,對標稱截面積0.75 mm2的導體經(jīng)絕緣、對絞、成纜等工序后得到的投產(chǎn)長度進行計算。將計算式編入Excel軟件,方便進行計算,計算結(jié)果見表4。

表4 投產(chǎn)長度計算結(jié)果

5 結(jié)束語

通過計算可知,信號電纜絞合節(jié)距對成品電纜的導體直流電阻和導體投產(chǎn)長度產(chǎn)生一定影響。在生產(chǎn)中,可以根據(jù)交貨長度確定成纜纜芯長度,再由后道生產(chǎn)工序要求長度推算出前道工序所需的生產(chǎn)長度,以此計算求得單根絕緣線芯的長度。也可以通過對絞節(jié)距、成纜節(jié)距計算成品電纜導體直流電阻,驗證并優(yōu)化導體結(jié)構(gòu),從而達到節(jié)本降耗的目的。