陳錦梅

寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司 江蘇揚(yáng)州 225800

1 研究背景

在普通信號電纜生產(chǎn)過程中,需要進(jìn)行導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生不同的絞入因數(shù)。在進(jìn)行導(dǎo)體結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)不同類型電纜的不同需求,既需要考慮導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(fèi),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(biāo)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(jìn)行分析。

2 標(biāo)準(zhǔn)要求

在信號電纜的生產(chǎn)過程中,當(dāng)信號電纜的導(dǎo)體為第1種實(shí)心導(dǎo)體時(shí),不需要考慮導(dǎo)體的絞合節(jié)距。當(dāng)信號電纜的導(dǎo)體為第2種絞合導(dǎo)體、第5種和第6種軟導(dǎo)體時(shí),需要考慮導(dǎo)體的絞合節(jié)距。通常,導(dǎo)體的絞合節(jié)距由各個(gè)電纜生產(chǎn)制造廠家根據(jù)使用設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì),最終滿足國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的成品直流電阻。

普通信號電纜的工藝流程為導(dǎo)體、擠包絕緣、對絞絞合、分屏蔽、成纜絞合、總屏蔽、護(hù)套。

由于對信號電纜目前沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn),因此在電纜行業(yè)中引用相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),包括JB/T 13486—2018《計(jì)算機(jī)與儀表屏蔽電纜》和TICW/06—2009《計(jì)算機(jī)與儀表電纜》。這些標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體截面及以下任意成纜元件的最大對絞絞合節(jié)距應(yīng)為100 mm,2.5 mm2導(dǎo)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(yīng)為120 mm,纜芯成纜絞合節(jié)距應(yīng)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(yuǎn)小于普通信號電纜,這對成品電纜的導(dǎo)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(shè)計(jì)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù),重新驗(yàn)證生產(chǎn)設(shè)備能力,明確為滿足交貨長度而實(shí)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(yán)格。在設(shè)計(jì)電線電纜時(shí),必須精確進(jìn)行電性能計(jì)算,作為選擇材料和結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

導(dǎo)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(dǎo)體的直流電阻應(yīng)符合GB/T 3956—2008《電纜的導(dǎo)體》的要求。

3.2 導(dǎo)體直流電阻計(jì)算

單位長度電纜的導(dǎo)體直流電阻R計(jì)算式為:

R=ρ20[1+α(θ-20)]k1k2k3k4k5/A

(1)

式中:A為導(dǎo)體截面積,如果導(dǎo)體由n根直徑為d的單絲絞合而成,那么A為nπd2/4;ρ20為導(dǎo)體材料在溫度為20 ℃時(shí)的電阻率,標(biāo)準(zhǔn)軟銅為0.017 241 Ω·mm2/m,標(biāo)準(zhǔn)硬鋁為0.028 64 Ω·mm2/m,或?qū)?biāo)企業(yè)產(chǎn)品電阻率;α為導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線加工過程中引起金屬電阻率增大所引入的因數(shù),與導(dǎo)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(dǎo)線絞合而成的線芯使單根導(dǎo)線長度增大所引入的因數(shù);k3為緊壓線芯過程中使導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jì)算導(dǎo)體直流電阻時(shí),k1可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值。電纜采用非緊壓線芯,k3無需考慮。k5可以通過導(dǎo)體的公差來進(jìn)行取值。因此在進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),重點(diǎn)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(dǎo)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(shí)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(jì)算

絞合節(jié)距在電纜實(shí)際生產(chǎn)過程中是由測量得到的。作為工藝人員,應(yīng)根據(jù)相關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的理論節(jié)距比及理論外徑,計(jì)算理論絞合節(jié)距。由于理論節(jié)距與實(shí)際絞合節(jié)距存在一定的誤差,由此引入實(shí)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(shí)用節(jié)距比。實(shí)用節(jié)距比m計(jì)算式為:

m=h/D

(2)

理論節(jié)距比m′計(jì)算式為:

m′=h/D′=mD/D′

(3)

3.5 絞入因數(shù)計(jì)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(jì)算多根導(dǎo)線絞合而成的線芯。需要指出的是,絞入因數(shù)會(huì)因設(shè)備種類、設(shè)備精度、設(shè)備狀態(tài)的不同而不同。因此,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),為保證計(jì)算的正確性,需要結(jié)合設(shè)備的具體情況進(jìn)行修正,即引入修正因數(shù)k′。

3.6 計(jì)算實(shí)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)無法滿足設(shè)計(jì)要求。以RVVSP 4×2×0.75消防類信號電纜為例,根據(jù)上述計(jì)算式對標(biāo)稱截面積0.75 mm2的導(dǎo)體電阻、不同對絞節(jié)距下的導(dǎo)體直流電阻、成纜之后的導(dǎo)體直流電阻進(jìn)行計(jì)算。在Excel軟件中將導(dǎo)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(shè)為可變參數(shù),根據(jù)實(shí)際需要生產(chǎn)的電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變,可自動(dòng)計(jì)算求得導(dǎo)體直流電阻。單芯導(dǎo)體直流電阻理論計(jì)算值為21.71 Ω/km,實(shí)際測量值為21.80 Ω/km。對絞后導(dǎo)體直流電阻見表2,成纜后導(dǎo)體直流電阻見表3。

表2 對絞后導(dǎo)體直流電阻

表3 成纜后導(dǎo)體直流電阻

經(jīng)過多次大批量生產(chǎn)驗(yàn)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(shí)際用量增加。由于絕緣線芯的導(dǎo)體電阻和絞入因數(shù)成正比,因此將導(dǎo)致單位長度電纜的導(dǎo)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(jì)算結(jié)果用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)制造過程,可以控制導(dǎo)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(jì)算求得的單根導(dǎo)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(jī)絞合的不同節(jié)距的多組線對經(jīng)成纜機(jī)成纜后,將出現(xiàn)線對尾線長短不一的情況,會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。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(shí)的余線長度非常關(guān)鍵。

4.2 投產(chǎn)長度計(jì)算

在計(jì)算投產(chǎn)長度時(shí),考慮調(diào)試護(hù)套擠出、調(diào)試噴碼印字、性能檢測、成圈包裝,需要預(yù)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(jì)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(jì)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(jì)算

在成纜過程中,單根絕緣線芯實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)放線設(shè)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(dòng)放線設(shè)備小,但是在實(shí)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(shí),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(dǎo)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(yàn)值1.001 98、1.002 35。

4.4 計(jì)算實(shí)例

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

表4 投產(chǎn)長度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語

通過計(jì)算可知,信號電纜絞合節(jié)距對成品電纜的導(dǎo)體直流電阻和導(dǎo)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(jì)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(jì)算成品電纜導(dǎo)體直流電阻,驗(yàn)證并優(yōu)化導(dǎo)體結(jié)構(gòu),從而達(dá)到節(jié)本降耗的目的。