田慶濤 ,趙國玉 ,曾 軒 ,周洪鵬 ,王少祥

(1.中車唐山軌道交通車輛有限公司,唐山 064000;2.中天科技裝備電纜有限公司,南通 226010;3.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司,株洲 412000;4.中天射頻電纜有限公司,南通 226010)

0 引言

近年來,我國軌道交通行業(yè)快速發(fā)展,對整車通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求也越來越高。車內(nèi)電子設(shè)備增加,列車自動化程度不斷提升,車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷升級,對于列車運(yùn)行精確控制進(jìn)而縮短列車行進(jìn)間隔,對列車通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。

作為軌道交通車輛的“神經(jīng)系統(tǒng)”,列車通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性對于列車能否平穩(wěn)運(yùn)行具有直接影響。軌道交通裝備用通信電纜是構(gòu)建列車網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,具有傳輸性能穩(wěn)定、耐高溫、耐低溫、耐酸堿腐蝕、耐油和阻燃防火等特點(diǎn)。列車在運(yùn)行過程中會受到布線應(yīng)力、彎曲半徑、線纜擺動等多種因素的影響,但目前通信電纜只能依靠工人的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更換和維修,缺少科學(xué)定量的應(yīng)用準(zhǔn)則,導(dǎo)致軌道交通行業(yè)耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。因此,本工作根據(jù)自主化通信電纜的實(shí)際工作環(huán)境和失效機(jī)理對其動態(tài)特性進(jìn)行了深入分析,提出了一整套動態(tài)特性試驗(yàn)方法。對成品通信電纜開展彎曲等動態(tài)特性測試的研究,以獲得通信電纜在彎曲等動態(tài)條件下的傳輸特性指標(biāo),進(jìn)而達(dá)到模擬車輛的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)、提出通信電纜的可控性傳輸指標(biāo)的目的,為通信電纜動態(tài)環(huán)境下使用特性提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

列車運(yùn)行過程中,各種布線不可避免被扭轉(zhuǎn)和拉拽。因此,必須考慮到列車裝車過程中的固定布線時(shí)的受力問題。

本工作以MVB 120 Ω 4×0.5 mm2總線為例,芯線相對位置產(chǎn)生0.2 mm 的位移,近端串音衰減(NEXT)測試即出現(xiàn)大幅度超標(biāo)現(xiàn)象,MVB 電纜線對位置結(jié)構(gòu)發(fā)生0.038 4,0.2 mm 位移的見圖1[1],位置結(jié)構(gòu)變化時(shí)近端串?dāng)_仿真結(jié)果見圖2[1]。

圖1 MVB 電纜線對位置結(jié)構(gòu)發(fā)生位移

圖2 位置結(jié)構(gòu)變化時(shí)近端串?dāng)_仿真結(jié)果

1.1 試驗(yàn)依據(jù)

YD/T 1019—2013《數(shù)字通信用聚烯烴絕緣水平對絞電纜》和EIA/TIA 568.D 《美國電信協(xié)會-對稱結(jié)構(gòu)對絞通信布線及元器件》標(biāo)準(zhǔn)只適用于固定布線系統(tǒng),不包含扭轉(zhuǎn)、沖擊等受力情況下電纜的使用性能的評估指標(biāo)。

IEC 61156-6:2020《數(shù)字通信用多芯電纜 第6部分:1 000 MHz 以下對稱結(jié)構(gòu)對絞及星絞電纜-工作區(qū)域分規(guī)范》及EN 50288-4-2:2013《用于模擬和數(shù)字通信和控制的多元件金屬電纜 第4-2 部:600 MHz 的屏蔽電纜的分規(guī)范 工作區(qū)域及軟電纜》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電纜彎曲、壓扁、沖擊以及反復(fù)彎曲試驗(yàn)方法和判定規(guī)則,詳見表1。

表1 IEC 61156-6:2020 及EN 50288-4-2:2013動態(tài)特性要求對比表

由表1 可知:電纜動態(tài)特性試驗(yàn)要求主要為彎曲、壓扁、沖擊及反復(fù)彎曲試驗(yàn)。其中,IEC 和EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的反復(fù)彎曲均為500 次。

實(shí)際列車運(yùn)行中,只有跨接部分存在反復(fù)彎曲的現(xiàn)象。在列車壽命周期內(nèi)跨接電纜反復(fù)彎曲的次數(shù)均為數(shù)十萬次,復(fù)雜的受力情況是影響跨接電纜疲勞,導(dǎo)致信號傳輸失效的主要原因[2]。

軌道交通裝備通信電纜的動態(tài)特性研究應(yīng)分為車內(nèi)及車端跨接兩種工況:車內(nèi)電纜敷設(shè)存在彎曲、壓扁、沖擊受力情況,應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展必要的動態(tài)性能試驗(yàn);車端部分模擬列車實(shí)際運(yùn)行中車端受力情況,開展10～50 萬次的搖擺測試。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 車內(nèi)電纜彎曲、壓扁和沖擊試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)參考EN 50289-3-9:2001 第4.3 的方法,分別用2D,4D,6D,8D,10D(D表示電纜外徑)彎曲半徑,纏繞6 圈 (從大到小)后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等通信性能指標(biāo),并與初始狀態(tài)進(jìn)行對比。

壓扁試驗(yàn)按EN 50289-3-5:2001 第4.3 的方法,使用1 000 N 的重物,壓在電纜的表面,保持1 min,然后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等性能,并與初始狀態(tài)時(shí)的性能指標(biāo)進(jìn)行對比。

沖擊試驗(yàn)按GB/T 2951.14—2008 的方法,使用1.5 kg 的重錘,從10 cm 高度,在電纜末端1 m處,沖擊3 次,然后測試電纜的近端串音衰減、特性阻抗等性能,并與初始狀態(tài)時(shí)的性能進(jìn)行對比。

柔性試驗(yàn)按EN 50306-2:2002 標(biāo)準(zhǔn),采用EN 50306 試驗(yàn)方法評估整體電纜的柔韌性。

1.2.2 車端跨接電纜試驗(yàn)

列車在實(shí)際運(yùn)行中,隨著車鉤(車端連接器)不斷拉伸或壓縮,電纜反復(fù)承受著拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,跨接電纜應(yīng)力分析見圖3[3]。

圖3 跨接電纜應(yīng)力分析

EN 50289-3-9 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電纜反復(fù)彎曲試驗(yàn)方法,電纜彎曲角度為90°,彎曲次數(shù)為500 次,電纜應(yīng)無任何位移,而且測試只有一個(gè)平面維度。評估認(rèn)為,與車端實(shí)際工況差距較大,建議模擬車端跨接電纜實(shí)際工況,開展兩個(gè)維度10～50 萬次的搖擺測試。

2 樣品制備

車內(nèi)部分試驗(yàn),根據(jù)車內(nèi)電纜的彎曲、壓扁、沖擊、柔性試驗(yàn)方法直接使用整體電纜開展。根據(jù)IEC 61156 標(biāo)準(zhǔn)要求,被測電纜長度應(yīng)不小于100 m。

針對車端跨接部分工況,設(shè)計(jì)了模擬列車跨接部分的試驗(yàn)裝置。按照實(shí)際列車行駛中跨接部分的工況開展,被測電纜裝配連接器后安裝于搖擺試驗(yàn)機(jī)上,縱向行程400 mm,橫向行程400 mm。連接器中心最大距離1 030 mm,最小距離630 mm,擺動頻率8 次·min-1,搖擺測試10～50 萬次。

跨接電纜采用重載連接器將各個(gè)電纜組合安裝,車端跨接電纜試驗(yàn)裝置見圖4。

圖4 車端跨接電纜試驗(yàn)裝置

為了方便試驗(yàn),將電纜制成組件,并使用FLUKE DSX-8000 型電纜分析儀檢測產(chǎn)品傳輸特性。被測電纜組件應(yīng)在試驗(yàn)開始前裝配完成,具體適配方案見表2,其中連接器采用浩亭(Harting)進(jìn)口連接器,電纜測試長度均為1.5 m。

表2 連接器適配方案

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 彎曲試驗(yàn)

以太網(wǎng)電纜Cat7 4×2×24 AWG 在不同彎曲半徑下衰減、回波損耗和近端串音衰減測試結(jié)果見表3,其中 10D-6 表示10 倍電纜外徑纏繞6 圈。

表3 Cat7 4×2×24 AWG 以太網(wǎng)電纜彎曲試驗(yàn)測試結(jié)果

由表3 結(jié)果可知,彎曲對于電纜衰減影響較小,對回波損耗和近端串音衰減影響很大。另外,電纜的彎曲半徑越小,纏繞圈數(shù)越多,回波損耗及近端串音衰減變化越大。當(dāng)電纜在6 倍彎曲半徑以下時(shí),數(shù)據(jù)變化明顯,建議電纜固定敷設(shè)的彎曲半徑不小于6 倍電纜外徑。

3.2 壓扁及沖擊試驗(yàn)

根據(jù)第1 部分試計(jì)方案,對Cat7 4×2×24 AWG(140 m)、Cat5E 4×20 AWG(100 m)以太網(wǎng)電纜進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果分別見表4 和表5。

由表4、表5 結(jié)果可知,電纜經(jīng)受沖擊和壓扁試驗(yàn)后,衰減、近端串音衰減和回波損耗測試值均滿足技術(shù)要求,其中Cat7 4×2×24 AWG 沖擊、壓扁后,在100,600 MHz 頻率下,近端串音衰減和回波損耗出現(xiàn)變差情況,分析可能是線對屏蔽層擠壓變形所致。

表4 Cat7 4×2×24 AWG 以太網(wǎng)電纜壓扁及沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 Cat5E 4×20 AWG 以太網(wǎng)電纜壓扁及沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 柔性試驗(yàn)

對Cat7、Cat5E、WTB、MVB 等6 款型號電纜進(jìn)行了柔韌性測試,數(shù)據(jù)見表6。

表6 柔性測試數(shù)據(jù)

由表6 試驗(yàn)結(jié)果可知,試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。電纜柔韌性與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料密切相關(guān),產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已考慮相關(guān)因素影響。

3.4 跨接系統(tǒng)試驗(yàn)

選取以太網(wǎng)電纜、總線電纜和同軸電纜6 個(gè)典型電纜,在搖擺試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行兩維度的10 萬次、20 萬次和50 萬次搖擺試驗(yàn)。

3.4.1 以太網(wǎng)電纜

采用FLUKE DSX-8000 型電纜分析儀分別進(jìn)行初始、10 萬次、20 萬次和50 萬次電纜插入損耗、回波損耗和近端串音衰減指標(biāo)測試,結(jié)果見表7、表8。

由表7、表8 試驗(yàn)結(jié)果可知,以太網(wǎng)和總線等4 個(gè)型號電纜在經(jīng)歷10 萬次、20 萬次和50 萬次搖擺試驗(yàn)后,測試數(shù)據(jù)變化是隨機(jī)性的,沒有明顯規(guī)律性趨勢,4 個(gè)型號的電纜均通過了50 萬次車端搖擺試驗(yàn)。

表7 以太網(wǎng)電纜跨接系統(tǒng)測試結(jié)果 dB

表8 總線電纜跨接系統(tǒng)測試結(jié)果

3.4.2 同軸電纜

采用5071C 型安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀,對同軸電纜分別進(jìn)行初始、10 萬次、20 萬次和50 萬次衰減和回波損耗測試,試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9 試驗(yàn)結(jié)果可知,同軸電纜衰減指標(biāo)與初始值相比,20 萬次和50 萬次衰減呈明顯的增加趨勢,回波損耗變化呈隨機(jī)性,同軸電纜通過了50 萬次車端搖擺試驗(yàn)。

表9 SYJYZ-50-7-1 同軸電纜跨接系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)及原理分析

4.1 固定敷設(shè)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),彎曲、沖擊、壓扁等對電纜的衰減影響均較小。而對回波損耗、近端串音衰減的影響隨著電纜的導(dǎo)體尺寸、傳輸速率、整體結(jié)構(gòu)各有不同。

其中,對于Cat7 以太網(wǎng)電纜的影響高于Cat5E以太網(wǎng)電纜,特別是壓扁和彎曲造成的應(yīng)力對回波損耗及近端串音衰減影響較大,并且從6 倍直徑的彎曲半徑開始,電纜傳輸特性影響較大。軌道交通裝備車內(nèi)電纜布線主要參考GB 34571—2017 《軌道交通 機(jī)車車輛布線規(guī)則》的規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)中 6.7 條規(guī)定:屏蔽電纜敷設(shè)的最小彎曲半徑不宜小于電纜外徑的10 倍。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求,通信電纜最小彎曲半徑建議為6 倍電纜直徑。

Cat5E 4×20 AWG、Cat7 4×2×24 AWG 電纜結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖5、圖6。

圖5 Cat5E 4×20 AWG 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Cat7 4×2×24 AWG 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5 可以看出,Cat5E 電纜采用星絞組結(jié)構(gòu),導(dǎo)體為20 AWG(約0.5 mm2)。增加中心填充條后,其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,一定程度上可以抵抗外來應(yīng)力對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。Cat7 電纜采用對絞組結(jié)構(gòu),導(dǎo)體為24 AWG(約0.2 mm2),屏蔽采用線對屏蔽加鍍錫銅絲編織總屏蔽結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)存在一定的不穩(wěn)定性。

從Cat7 與Cat5E 電纜結(jié)構(gòu)分析可知,Cat7 對絞屏蔽層容易受到外力影響,造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)畸變。從而對近端串音衰減、回波損耗等與結(jié)構(gòu)相關(guān)的指標(biāo)造成更大的影響。

4.2 跨接狀態(tài)下應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

隨著車鉤(車端連接器)不斷拉伸或壓縮,電纜反復(fù)承受了拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。隨著應(yīng)力不斷堆積,導(dǎo)致電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變,引起阻抗、串音等變化。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),跨接部分的衰減變化較小,阻抗、近端串音衰減、回波損耗變化較大。WTB 120 Ω 2×0.75 受到的影響最小;由于頻率較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的Cat7 4×2×24 AWG 受影響最大。因此,建議跨接系統(tǒng)應(yīng)以WTB 120 Ω 2×0.75、MVB 120 Ω 4×0.5、CANBUS 2×0.5+1×0.5 和 Cat5E 4×20 AWG 為主。

4.3 同軸電纜動態(tài)特性數(shù)據(jù)分析

SYJYZ-50-7-1 同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 SYJYZ-50-7-1 同軸電纜結(jié)構(gòu)圖

由圖7 可知,同軸電纜為結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的通信電纜。試驗(yàn)證明,在其彎曲半徑之內(nèi)且適配連接器良好的情況下,同軸電纜受應(yīng)力影響很小。無論彎曲、沖擊、壓扁或用于跨接系統(tǒng),其性能變化均不大。

3 結(jié)束語

本工作重點(diǎn)介紹了軌道交通裝備通信電纜的使用特性,隨列車運(yùn)行動態(tài)變化。詳細(xì)總結(jié)了不同類型通信電纜在受到彎曲、沖擊、壓扁或跨接系統(tǒng)中受應(yīng)力影響后引起的傳輸特性變化。

通過動態(tài)試驗(yàn),獲得了通信電纜在動態(tài)工況下的傳輸特性數(shù)據(jù)。所有自主化電纜通過了嚴(yán)苛的動態(tài)工況試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)7 類(Cat7)以太網(wǎng)電纜受動態(tài)應(yīng)力影響較大。并根據(jù)各類電纜結(jié)構(gòu)開展了相應(yīng)的理論分析,希望為軌道交通裝備通信電纜產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用提供參考。