楊銳

（上海埃因電線電纜有限公司，上海 201414）

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的理念被越來(lái)越多的人所熟知，隨之而來(lái)的是大規(guī)模工業(yè)用自動(dòng)化設(shè)備的普及，這也對(duì)為設(shè)備提供動(dòng)力、控制、通信功能的電纜提出了更為苛刻的使用要求。為了防止電纜跟隨運(yùn)動(dòng)部件做高速往復(fù)移動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的電纜糾纏、散亂、疊壓，通常把電纜放入拖鏈盒（坦克鏈）中進(jìn)行保護(hù)，這種可以跟隨拖鏈盒進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)百萬(wàn)次以上而不發(fā)生故障的特殊高柔性專用電纜就是拖鏈電纜。

1 拖鏈電纜概述

拖鏈電纜是一種應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、起重機(jī)等領(lǐng)域的特殊結(jié)構(gòu)高柔性專用電纜。由于使用環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性，通常要求電纜具有較好的柔韌性和回彈性，可以保證在百萬(wàn)次甚至千萬(wàn)次的移動(dòng)彎曲下不發(fā)生斷線故障，并具有耐磨、耐油、耐水解及耐高低溫等特性，可以適用于露天、潮濕、油污等極端復(fù)雜惡劣的環(huán)境。

2 拖鏈電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拖鏈電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

拖鏈電纜由內(nèi)到外可分為導(dǎo)體、絕緣、內(nèi)護(hù)套、屏蔽和外護(hù)套以及中心加強(qiáng)件等。

2.1 導(dǎo)體

圖1 拖纜電纜結(jié)構(gòu)

導(dǎo)體是電纜中負(fù)責(zé)電力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。由于拖鏈電纜在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生多次且重復(fù)的彎曲拉伸，所以導(dǎo)體的材料需要具備較強(qiáng)的柔韌性能和較高的電導(dǎo)率。從國(guó)際電工委員 會(huì) 標(biāo) 準(zhǔn)IEC 60228：2004中不難看出，相同截面的導(dǎo)體，當(dāng)其中的單線直徑越小數(shù)量越多時(shí)，導(dǎo)體也就越發(fā)的柔軟。但是，只滿足于上述的要求是無(wú)法達(dá)到百萬(wàn)次彎曲而導(dǎo)體不發(fā)生斷線的要求的，必須同時(shí)從導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)，才能使整個(gè)產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)使用的要求。電纜導(dǎo)體選用的單線直徑比IEC 60228：2004標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的6類軟銅導(dǎo)體最大單線直徑還要小，這樣做可以增加導(dǎo)體的柔韌性。但單線直徑不能過(guò)小，否則，會(huì)造成單絲的纏繞現(xiàn)象，同時(shí)，也增加了導(dǎo)體束絞工藝的難度，降低生產(chǎn)效率。在束合及復(fù)絞節(jié)距上要控制節(jié)距，節(jié)距不可過(guò)大，節(jié)距過(guò)大會(huì)造成電纜彎曲時(shí)單線銅絲間會(huì)受到擠壓或拉伸力而斷線。也不可過(guò)小，過(guò)小的節(jié)距會(huì)使絞入率增大增加額外的制造成本。在絞向上應(yīng)盡量采用同向絞合，并注意各單線及股線的張力控制應(yīng)均勻，不可出現(xiàn)過(guò)松或過(guò)緊的現(xiàn)象。工業(yè)生產(chǎn)上可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳絲徑，節(jié)距和絞向的組合，從而得到最佳的彎曲性能。

2.2 絕緣

拖鏈電纜的運(yùn)行狀態(tài)是不斷彎曲的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這也使得它的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必定有別于傳統(tǒng)意義上的固定敷設(shè)類電纜。絕緣層是電線電纜的重要組成部分，其主要作用是分隔帶電體，使電纜安全運(yùn)行。絕緣材料的選用一般要求有較小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角及較大的耐電能力和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。而絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)該考慮三個(gè)因素為擊穿強(qiáng)度、機(jī)械性能、工藝可行性?？蛇x用半硬質(zhì)PVC、橡膠混合物、橡塑彈性體或聚酯彈性體等性能優(yōu)異的絕緣材料。

2.3 成纜

成纜是把若干個(gè)絕緣線芯或線芯單元組絞合成纜芯的工藝過(guò)程。常規(guī)固定敷設(shè)類電纜的成纜工藝一般都遵循著一些特定的規(guī)則。例如，多芯電纜大多采用所有芯線一次性分層絞合的方式，由內(nèi)至外相鄰層絞合方向相反，最外層一般為右向絞合，7芯、19芯、37芯這種帶中心線的正規(guī)絞合外徑最小結(jié)構(gòu)也最穩(wěn)定，各層間采用較大的節(jié)徑比等。但這種工藝用在拖鏈電纜上顯然是不合適的，因拖鏈電纜自身的運(yùn)行狀態(tài)、使用壽命等要求，與常規(guī)固定敷設(shè)類電纜有著本質(zhì)區(qū)別。

成纜時(shí)線芯排列6芯及以下芯數(shù)與常規(guī)電纜相同，7芯及以上便有所區(qū)別。為了使拖鏈電纜在百萬(wàn)次的彎曲下不斷芯，要求所有芯線按照一定規(guī)則進(jìn)行絞合成纜。故不能如普通成纜結(jié)構(gòu)那樣采用1+6排列和帶有中心線的組合，而應(yīng)采用0+7的成纜結(jié)構(gòu)，即所有芯線在外側(cè)排成一圈中心由填充材料作為支撐件。這樣做的目的是為了避免電纜在彎曲時(shí)產(chǎn)生的擠壓或拉伸力對(duì)中心芯線造成的結(jié)構(gòu)性破壞，以防止斷芯現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)于芯數(shù)較多的10芯以上電纜，這樣的排列結(jié)構(gòu)依然存在弊端。首先，會(huì)使成纜外徑變大，造成后續(xù)工序的加工困難及材料的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的增加。同時(shí)，較大外徑的電纜在制造、包裝、運(yùn)輸、敷設(shè)及使用過(guò)程中會(huì)造成很多隱性成本的支出。所以對(duì)于芯數(shù)較多的拖鏈電纜應(yīng)采用分組絞合后進(jìn)行總成纜的結(jié)構(gòu)，先將一定根數(shù)一般不超過(guò)6芯的線芯進(jìn)行分組成纜，在將各線芯組進(jìn)行總成纜。這樣做可以有效減小成纜外徑，同時(shí)，還可以在一定程度上增加電纜的柔韌性。

作為電纜設(shè)計(jì)人員，應(yīng)當(dāng)考慮根據(jù)不同數(shù)量的芯線，合理選用一次成纜或分組總成的結(jié)構(gòu)，來(lái)設(shè)計(jì)拖鏈電纜的成纜工藝及其參數(shù)?？傊娎|的成纜排列結(jié)構(gòu)是否合理，將直接影響拖鏈電纜的彎曲使用壽命。

2.4 內(nèi)護(hù)套

內(nèi)護(hù)套的作用是減小屏蔽層和絕緣層在彎曲時(shí)相互之間的摩擦，保證絕緣線芯不被損壞。同時(shí)，擠壓式內(nèi)護(hù)還可以起到固定芯線位置的作用，防止線芯在高速移動(dòng)時(shí)位置發(fā)生變化而造成芯線間的疊壓受力不均導(dǎo)致斷線。內(nèi)護(hù)套通常采用彈性好的材料以擠壓式生產(chǎn)，保證芯線與內(nèi)護(hù)套之間的縫隙盡可能小，避免纜芯松動(dòng)。

2.5 屏蔽

屏蔽的作用是保證電纜中信號(hào)傳輸不受外界電場(chǎng)干擾。屏蔽層需要關(guān)注柔韌性能和屏蔽效果兩個(gè)指標(biāo)。其工藝包括編織屏蔽和纏繞屏蔽兩種，編織屏蔽的抗干擾性和抗彎曲性較好，可以選擇高電導(dǎo)率的銅線或錫銅線編織，而纏繞屏蔽的柔韌性和耐扭轉(zhuǎn)性則更好。編織屏蔽的編織角度直接決定了屏蔽層能否在多次彎曲下是否發(fā)生斷裂，易采用較小的編織角度。

2.6 外護(hù)套

外護(hù)套的主要作用是保護(hù)電纜芯線不受外界環(huán)境因素或機(jī)械力的干擾而正常運(yùn)行，因此，外護(hù)套要求具有高耐磨性和耐惡劣環(huán)境的特性?？梢赃x用彈性體聚氨酯、熱塑性混合物橡膠、交聯(lián)橡膠彈性體等。

3 拖鏈電纜的應(yīng)用和特性

拖鏈電纜在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中使用廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域通常有工廠的自動(dòng)生產(chǎn)鏈、工業(yè)上的電子跟蹤控制系統(tǒng)、自動(dòng)化裝配設(shè)備、集裝箱卸裝橋等。綜合來(lái)說(shuō)，應(yīng)用場(chǎng)合多為中大型工業(yè)設(shè)備。

3.1 應(yīng)用介紹

拖鏈電纜可廣泛應(yīng)用在集裝箱港口，采礦生產(chǎn)線、工業(yè)自動(dòng)化裝配車間、汽車自動(dòng)化生產(chǎn)車間，包裝流水線等領(lǐng)域。拖鏈電纜敷設(shè)在各種大型移動(dòng)設(shè)備的拖鏈盒內(nèi)，隨著設(shè)備的移動(dòng)，拖鏈電纜一直處于頻繁連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在數(shù)以百萬(wàn)次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電纜內(nèi)部會(huì)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦。這就要求拖鏈電纜具備優(yōu)異的抗彎曲性能，耐惡劣環(huán)境的性能。這和普通電纜以及柔性電纜有著本質(zhì)的區(qū)別。

3.2 性能比較

拖鏈電纜由于其使用環(huán)境的不同，其性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通電纜、柔性電纜等傳統(tǒng)類型電纜。

柔韌性：通常來(lái)說(shuō)，因?yàn)橥湘滊娎|需要具備更好的抗彎曲性能，所以拖鏈電纜要比普通電纜更軟，但是，也并非越軟越適用，由于其絕緣層材料有很強(qiáng)的耐機(jī)械彎曲耐磨性能，故還是有一定的硬度及以回彈性。

抗拉伸性能：拖鏈電纜相比傳統(tǒng)電纜有更強(qiáng)的抗拉伸性能，在其使用環(huán)境下由于電纜要隨設(shè)備不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中難免出現(xiàn)被動(dòng)拉伸的情況，故電纜需要具備一定的抗拉伸性能。

耐磨性耐油性：通常外護(hù)套選擇具備高耐磨性耐油性的彈性體聚合材料，在電纜高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到的摩擦損耗不言而喻；同時(shí)，應(yīng)用場(chǎng)景大型設(shè)備多，故潤(rùn)滑油機(jī)油等確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的油類物質(zhì)也多，這些油類物質(zhì)難免和電纜接觸，故具有高耐磨性和高耐油性能將大大提高電纜的使用壽命。拖鏈電纜與傳統(tǒng)電纜性能對(duì)比。見(jiàn)表1所示。

表1 拖鏈電纜與傳統(tǒng)電纜性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

拖鏈電纜為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的供電、控制、通信系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的解決方案，其優(yōu)異的機(jī)械性能和供電可靠性，已成為自動(dòng)化設(shè)備不可或缺的配套部件。但因?yàn)橥湘滊娎|的運(yùn)行狀態(tài)及工作方式，注定其使用壽命不會(huì)太長(zhǎng)，屬于消耗性產(chǎn)品。未來(lái)通過(guò)改善電纜材料的特性和工藝結(jié)構(gòu)，以提高拖鏈電纜的使用壽命，將成為電纜設(shè)計(jì)研發(fā)的方向。