楊雷剛，王 濤

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101499）

螺旋電纜總成作為牽引車與掛車之間電氣連接的載體，在車輛轉(zhuǎn)彎工況下，由于車輛間距離變化的特點，電纜與插頭連接部位會發(fā)生折彎和扭轉(zhuǎn)。當(dāng)電纜抗折彎和扭轉(zhuǎn)性能不足時，會造成內(nèi)部芯線損壞，進而對電壓信號或者CAN網(wǎng)絡(luò)信號傳遞造成影響。當(dāng)掛車燈光信號裝置和制動系統(tǒng)不能正常工作時，會危害到車輛安全。如何提高電纜抗折彎和扭轉(zhuǎn)性能對牽引車的安全性和低故障率起著至關(guān)重要的作用。

ISO 4141-4于2009年進行修訂，提高了折彎試驗的要求，同時增加了扭轉(zhuǎn)試驗部分。中國國家標(biāo)準(zhǔn)目前仍只有折彎試驗的要求，因此有必要緊跟國際標(biāo)準(zhǔn)，對螺旋電纜總成的試驗和要求進行研究，為保證道路車輛安全及螺旋電纜總成的發(fā)展提供技術(shù)支撐。本文主要從預(yù)處理、彎折試驗、扭轉(zhuǎn)試驗進行論述［1］。

1 預(yù)處理

開展本試驗，需要采用符合GB／T 5054.3要求的GB／T 20717“道路車輛牽引車和掛車之間的電連接器24V15芯型”的電纜總成進行試驗 （簡稱“15芯電纜”）。在實施彎折試驗和扭轉(zhuǎn)試驗前需要按照GB／T 20717中規(guī)定的電纜組裝合適的連接器，同時在需要保護的部位安裝抗扭保護裝置，電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)圖

15芯電纜按照以下步驟進行預(yù)處理。

1）將15芯電纜在溫度為 （-40±2）℃低溫箱中放置2h，取出后15s內(nèi)將其拉伸到GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長度3000mm，然后卸去外力。

2） 在室溫 （23±5） ℃中放置120s。

3） 再將15芯電纜在溫度為 （80±2）℃高溫箱中放置2h，取出后15s內(nèi)將其拉伸到GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長度，然后卸去外力。

4）在室溫中放置2h。

預(yù)處理過程如圖2所示，預(yù)處理在低溫箱和高溫箱中放置時間均為2h，從低溫箱和高溫箱中拿出后都要進行一次符合GB／T 5054.3規(guī)定的最大允許拉伸長度的拉伸。區(qū)別在于完成低溫箱試驗后常溫放置時間為120s，在高溫箱試驗完成后放置時間為2h。

圖2 試樣測試前預(yù)處理過程

2 彎折試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

汽車列車在極端轉(zhuǎn)彎工況下，電纜的拉伸達到最大允許拉伸長度LEmax，形成最大電纜折彎角。電纜折彎部位外圓承受拉伸強度和內(nèi)圓承受擠壓強度分別達到最大。當(dāng)汽車列車反方向轉(zhuǎn)彎時，這一受力發(fā)生反轉(zhuǎn)。電纜在拉伸和擠壓反復(fù)作用下，電纜護套可能產(chǎn)生疲勞開裂，芯線導(dǎo)體也可能折斷。為了螺旋電纜總成使用安全，按照電纜折彎試驗方法，驗證電纜在極端工況下使用而不出現(xiàn)裂紋等不良現(xiàn)象。

2.2 試驗條件

在整個試驗階段，應(yīng)接 （5±0.5）A的電流連通所有的導(dǎo)線和接點［1］，監(jiān)控可能的斷線情況和接點接觸情況，如果電流降幅超過1A，持續(xù)10ms，則表示電連接器發(fā)生損壞，在這種情況下試驗程序需要自動停止。

電纜總成2個插頭插入相應(yīng)的插座內(nèi)，至少要有一個固定插座的夾具可以繞軸A旋轉(zhuǎn)。彎折試驗布置示意圖 （俯視圖）見圖3。

圖3 彎折試驗布置示意圖 （俯視圖）

2.3 試驗步驟

將15芯電纜按照圖3a進行布置，連接器應(yīng)該朝兩個方向都旋轉(zhuǎn)到垂直于螺旋線縱向軸的位置；整個測試階段，接通5A電流連通所有接點與導(dǎo)線，以監(jiān)控可能的斷線情況和接點接觸情況。一個彎折循環(huán)測試應(yīng)在（3±1）s的時間內(nèi)完成以下動作：①位置1—基準(zhǔn)面；②繞軸A旋轉(zhuǎn)180°，到位置2；③轉(zhuǎn)回位置1，完成試驗循環(huán)。

將15芯電纜固定在試驗臺上，試驗臺固定插座部位都可以進行旋轉(zhuǎn)，試驗時2個插座總是處于相反的旋轉(zhuǎn)方向，試驗過程如圖4所示。

2.4 試驗要求

樣品應(yīng)能承受至少20000次的連續(xù)循環(huán)，電纜不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或抗扭保護裝置 （如有安裝）不應(yīng)出現(xiàn)移位現(xiàn)象［2］。如果未出現(xiàn)損壞，則完成絕緣耐壓試驗。

在每根導(dǎo)線和其它串聯(lián)在一起的導(dǎo)線間，接通1kV（50Hz或60Hz）交流電或1600V直流電的試驗電壓，試驗時間為1min，不應(yīng)發(fā)生擊穿。

圖4 折彎測試過程

2.5 測試結(jié)果

經(jīng)過20000次循環(huán)折彎測試后，15芯電纜無斷路等電性能故障，見圖5，試樣外觀無斷裂、位移等不良產(chǎn)生。折彎測試后接通1kV（50Hz或60Hz）交流電，漏電流0.195mA，電纜未擊穿，見圖6。

圖5 測試結(jié)果顯示

GB／T5054.4-2008要求進行10000次循環(huán)折彎測試，通過對15芯電纜按照試驗條件和步驟進行20000次循環(huán)折彎測試驗證，測試結(jié)果達到了試驗要求。這說明國內(nèi)生產(chǎn)的螺旋電纜總成具備ISO4141-4：2009要求的抗折彎能力，國家標(biāo)準(zhǔn)修訂時可以向國際標(biāo)準(zhǔn)看齊。

圖6 絕緣介電強度測試

3 扭轉(zhuǎn)試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

螺旋電纜總成其本質(zhì)為一個拉伸彈簧，通過拉伸帶來的長度變化來彌補車輛在轉(zhuǎn)彎時引起的2個插頭間的距離變化。電纜在拉伸時，在拉力作用下螺旋電纜圈徑縮小，螺旋電纜產(chǎn)生的扭力增大。當(dāng)拉力在電纜圓周方向上產(chǎn)生圓周力小于螺旋電纜產(chǎn)生的扭力時，圓周力使得電纜受到徑向力而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。汽車列車在轉(zhuǎn)彎極端工況下，電纜的拉伸達到最大允許拉伸長度LEmax，電纜承受的扭轉(zhuǎn)力也會達到最大。扭轉(zhuǎn)力會使電纜和芯線發(fā)生扭曲，可能造成芯線導(dǎo)體斷裂，護套外皮開裂等不良影響。扭轉(zhuǎn)試驗?zāi)康脑谟谕ㄟ^螺旋電纜總成的抗扭轉(zhuǎn)性能驗證。

3.2 試驗條件

至少有一個插頭應(yīng)插入插座內(nèi)，將電纜和插座固定在裝置上，其中一端裝置應(yīng)在試驗設(shè)備作用下繞軸B旋轉(zhuǎn)，試驗布置見圖7或圖8。以最大20Nm的扭力旋轉(zhuǎn)至角度360°或要求的值，以先發(fā)生為準(zhǔn)，記為結(jié)束位置。整個測試階段，接通5A電流連通所有接點與導(dǎo)線，以監(jiān)控可能的斷線情況和接點接觸情況。

圖7 抗扭轉(zhuǎn)試驗布置

3.3 試驗步驟

將15芯電纜按照圖7布置，以（15±5） °／s速度朝順時針和逆時針兩個方向分別轉(zhuǎn)動展開測試，一次完整的試驗應(yīng)包括以下步驟。

1）在電纜、插頭和抗扭保護裝置 （如果有）之間做一個標(biāo)記作為位置基準(zhǔn)。

2）電纜以順時針方向繞軸B旋轉(zhuǎn)360°。

3）按照3.4中列項2）的要求進行檢查。

4）電纜旋轉(zhuǎn)返回到基準(zhǔn)位置。

5）電纜以逆時針方向繞軸B旋轉(zhuǎn)360°。

6）按照3.4中列項2）的要求進行檢查。

7）電纜旋轉(zhuǎn)返回到基準(zhǔn)位置，完成試驗循環(huán)。

8）對電纜總成另一端完成上述步驟1） ～7）。

將電纜一端固定在試驗臺扭轉(zhuǎn)機上見圖9，在電纜固定點、插座和抗扭保護裝置在X和Y方向上進行標(biāo)記，見圖10。按照試驗步驟完成一個端插頭試驗后，重復(fù)對另一端插頭進行試驗。

圖8 可供選擇的抗扭轉(zhuǎn)試驗布置

圖9 測試布置扭轉(zhuǎn)測試機

圖10 測試前電纜、護套、插座標(biāo)記 （同水平線上）

3.4 試驗要求

扭轉(zhuǎn)試驗應(yīng)符合以下要求。

1）樣品在至少1個循環(huán)之后，電纜和插頭之間標(biāo)記不應(yīng)出現(xiàn)移位；在1000次循環(huán)之后，不應(yīng)出現(xiàn)導(dǎo)電性能失效。

2）在結(jié)束位置電纜不應(yīng)出現(xiàn)裂紋，抗扭保護裝置 （如有安裝）不應(yīng)發(fā)生位移，電纜和插頭之間標(biāo)記不應(yīng)發(fā)生位移。

3）在每根導(dǎo)線和其它串聯(lián)在一起的導(dǎo)線間，接通1kV（50Hz或60Hz）交流電或1600V直流電的試驗電壓，試驗時間為1min，不應(yīng)發(fā)生擊穿。

3.5 試驗結(jié)果

15芯電纜在一個扭轉(zhuǎn)試驗循環(huán)結(jié)束后，電纜、插頭和抗扭保護裝置上的標(biāo)記在一條線上，無明顯位移見圖11。整個試驗過程中都在進行電流監(jiān)控，1000次循環(huán)中沒有出現(xiàn)電流降低1A并且超過10ms的情況，見圖12。1000次循環(huán)后電纜、插頭和抗扭保護裝置上的標(biāo)記在一條線上，無明顯位移見圖13。扭轉(zhuǎn)試驗后接通1kV（50Hz或60Hz）交流電，漏電流0.149mA，電纜未擊穿，見圖14。

圖11 1個扭轉(zhuǎn)循環(huán)測試后

圖12 試驗過程漏電流監(jiān)測

圖13 1000次扭轉(zhuǎn)循環(huán)測試后

圖14 絕緣介電強度測試

本次試驗過程中對螺旋電纜總成采用最大20Nm的力矩扭轉(zhuǎn)到360°，做到了充分的扭轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上螺旋電纜總成完成了一個扭轉(zhuǎn)循環(huán)和1000次扭轉(zhuǎn)試驗，未發(fā)生偏移和電性能失效，說明國產(chǎn)螺旋電纜總成具備了在汽車列車極端轉(zhuǎn)彎工況下的抗扭轉(zhuǎn)能力。可以采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4141-4中扭轉(zhuǎn)試驗和要求的內(nèi)容對國內(nèi)螺旋電纜總成產(chǎn)品提出更高要求，為降低產(chǎn)品故障率、提高車輛安全性奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文主要從預(yù)處理、彎折試驗、扭轉(zhuǎn)試驗螺旋電纜的試驗方法和要求進行了研究。其中對預(yù)處理過程進行了分析，對彎折試驗和扭轉(zhuǎn)試驗從試驗?zāi)康?、試驗條件、試驗步驟、試驗要求和試驗結(jié)果進行了分析。研究結(jié)果對螺旋電纜總成的設(shè)計開發(fā)具有一定的借鑒意義。