龐 博 范 翔 劉秀亮

（1.上海電纜研究所有限公司特種電纜技術(shù)國家重點實驗室2.機械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟研究所 3.中國質(zhì)量認證中心上海分中心）

0 引言

隨著我國軌道交通技術(shù)的高效發(fā)展，軌道交通已成為人們出行的首選重要交通工具。其中跨接電纜是軌道車輛間實現(xiàn)電氣連接的極其重要部件，其主要功能是實現(xiàn)車輛間控制信號傳輸、網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)淖饔??？缃与娎|位于兩節(jié)車廂之前的狹小的連接部位，在車輛運行過程中，復(fù)雜的應(yīng)力與特殊的工況條件［1］（如惡劣環(huán)境、彎曲半徑過小，沖擊率過大等）對跨接電纜產(chǎn)生重大影響。長期復(fù)雜的受力及運動情況是影響跨接電纜使用壽命的主要原因。跨接電纜設(shè)計的安全可靠性對列車的運行安全非常重要。我國軌道交通發(fā)展起源相對于國外來說較晚，致使在發(fā)展前期一些車型及技術(shù)都是從國外引進。以中車集團為例，CRH型作為主要典型車型，采用日本［2］川崎重工新干線E21000系原型車為基礎(chǔ)，通過不斷地技術(shù)更新與國產(chǎn)化，逐步擁有了核心技術(shù)與研發(fā)能力。早期軌道車輛國產(chǎn)化之前跨接電纜產(chǎn)品均從國外進口，不但交貨周期長，且價格昂貴，物流運輸成本高，最重要的是電纜外徑大，體積大，電纜所用的材料為含有對人體有害的鹵族元素。以日本進口的跨接電纜為例，所使用的護套層材料為含有鹵素的氯丁橡膠及其合成彈性體材料，雖然從柔軟性、阻燃性上有很大優(yōu)勢，但從輕量化、更小外徑、低煙無鹵阻燃、高透光率的新要求下，已不能滿足現(xiàn)行軌道交通車輛的使用要求。因此，研發(fā)新型輕量化低煙無鹵阻燃跨接電纜需求勢在必行。本文主要探討了一種新型輕量化低煙無鹵阻燃跨接電纜的結(jié)構(gòu)，材料，工藝及相關(guān)性能試驗，通過理論計算與工藝驗證，最終獲得了跨接電纜最優(yōu)設(shè)計方案。

1 跨接電纜的設(shè)計要求

從軌道交通安全運行角度來看，跨接電纜在車輛運行過程中起到至關(guān)重要的作用。其設(shè)計的合理性關(guān)系到整列車輛的運行以及人的生命財產(chǎn)安全。既要考慮到正常運行的使用要求，又要考慮到一旦發(fā)生火災(zāi)的情況下，電纜的低煙無鹵阻燃性能為人們逃生爭取更多的時間。因此，新形勢下跨接電纜設(shè)計時滿足表1要求。

表1 跨接電纜要求

2 電纜的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計［3］方案

對于頻繁復(fù)雜三維立體式移動的車體跨接電纜來說，首要應(yīng)考慮的是整根電纜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過多次的方案的設(shè)計與修訂，最終確定了3種較好的跨接電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行討論，如圖1～圖3所示。

圖1

圖3

方案一：中心填充7根芳綸加強芯，第一層10根屏蔽線芯+第二層20根絕緣線芯+第三層25根絕緣線芯（第三層絕緣線芯外徑比第一層大0.184mm），電纜外徑DA=25.7mm。

方案二：中心填充7根芳綸加強芯，第一層10根屏蔽線芯+單元內(nèi)護層。第二層20根絕緣線芯（第二層絕緣線芯外徑比第一層大0.1mm）；第三層25根絕緣線芯（第三層絕緣線芯外徑比第一層大0.3mm）；電纜的總外徑DA≈26.4mm。

方案三：中心填充7根芳綸加強芯，第一層10根屏蔽線芯+第二層9組5根絕緣線芯組成單元成纜組，電纜外徑尺寸DA≈28.7mm。

圖1～圖3中的3種設(shè)計方案，均可以在相應(yīng)的環(huán)境中得到應(yīng)用，每個方案各有利弊，相比其他的方案，方案2設(shè)計中第一層增加了單元內(nèi)護層、第二層增加了成纜繞包與棉線編織加強單元、此措施大大提高了電纜的穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)緊湊，成纜時工藝容易控制。方案3設(shè)計了9組單元成纜，大大提高整體電纜的復(fù)雜移動時的耐扭轉(zhuǎn)能力，相比方案1、方案2來講，外徑大是唯一不足之處，可應(yīng)用到一些對電纜外徑要求不高的相關(guān)的領(lǐng)域［4］。本文主要以結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的方案2進行討論。

3 電纜參數(shù)理論設(shè)計

根據(jù)電纜手冊相關(guān)理論計算公式與實際應(yīng)用參數(shù)，對跨接電纜進行了性能與結(jié)構(gòu)計算。

3.1 直流電阻R的計算

式中，λ為導(dǎo)體總絞合系數(shù)；ρ為導(dǎo)體電阻率；S為導(dǎo)體截面積，S=nπd20/4，n為導(dǎo)體的單絲根數(shù)，do為導(dǎo)體單絲直徑。對于方案2的電纜結(jié)構(gòu)，λ取值為1.01，ρ銅=0.017241Ω·mm2/m，n=49，do=0.175mm。經(jīng)計算得出R=14.7Ω/km，符合表1要求。

3.2 絕緣電阻R i的計算

式中，ρv為絕緣體積電阻系數(shù)；n為芯數(shù)；D為絕緣外徑；d為導(dǎo)體外徑。方案2的電纜結(jié)構(gòu)，實驗室測的ρv=5×1015Ω·m，n=1，D=2.2mm，d=1.50mm，經(jīng)計算得出Ri≈3025MΩ·km，符合表1要求。

3.3 擊穿電壓V的計算

式中，V工為工頻擊穿電壓；δ為絕緣層厚度。

跨接電纜的絕緣材料V工=20kV/mm，δ=0.30mm，通過計算得出擊穿電壓V=6kV，實際電纜使用額定電壓為300V。

3.4 芳綸編織承載的最大拉力F max

式中，N1為填充芳綸的總根數(shù)；F1=1445N為每根填充芳綸破斷力；N2為編織芳綸的總根數(shù)；λ1為芳綸有效利用效率，本文取λ1=0.5；編織角度θ=20℃；計算得出Fmax=（10+7）×1445+0.5×36×1445×0.94≈49.3kN

3.5 跨接電纜的外徑D A

導(dǎo)體單絲直徑d0=0.175mm，d1=1.50mm；絕緣層厚度δ1=0.30mm，δ2=0.35mm，δ3=0.45mm；鍍錫編織單絲直徑d2=0.10mm；加強型低煙無鹵阻燃帶繞包帶厚度約為δ4=0.10mm；芳綸單絲直徑為d2=0.40mm；護套層厚度δ5=2.00mm。

4 電纜制造工藝設(shè)計

從圖2可知，此跨接電纜［5］可分為幾個結(jié)構(gòu)單元，中心芳綸加強填充單元；10根鍍錫銅絲編織屏蔽信號內(nèi)護層單元；20根棉線編織加強非屏蔽信號單元；25根芳綸編織加強層非屏蔽信號單元；護套層。

圖2

1）信號單元。導(dǎo)體采用49根0.175mm的束絞而成，單絲公差要求為正規(guī)絞合方式不緊壓束合，束合方向為左向，7股束合股線復(fù)絞，絞合方向為左向，即束合絞合同向。眾所周知，導(dǎo)體單絲在經(jīng)過緊壓后，其斷裂伸長率會明顯下降，此種設(shè)計大大提高了導(dǎo)體的單絲斷裂伸長率。單絲斷裂伸長率γ≥20%，一次束合節(jié)徑比20倍，復(fù)絞節(jié)徑比14倍。此種結(jié)構(gòu)導(dǎo)體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［6］，抗扭轉(zhuǎn)能力相比普通導(dǎo)體有所加強。

電纜通電后，導(dǎo)體會發(fā)熱，因此，比較理想的絕緣材料應(yīng)有良好的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。絕緣層采用以聚乙烯為基材的高強度、高硬度輻照交聯(lián)低煙無鹵阻燃聚烯烴樹脂材料，耐溫等級達到125℃，體積電阻率可達5×1015Ω·m，與傳統(tǒng)的聚乙烯相比大大提高了耐熱性和機械性能，同時減少了收縮性，并保持優(yōu)良的電氣性能。絕緣擠出時，采用導(dǎo)體預(yù)熱裝置及機頭處采用擠壓式模具，使絕緣緊密包裹在導(dǎo)體上，大大提高了電纜的穩(wěn)定性，避免了電纜在制造過程中以及后續(xù)使用過程中的絕緣變形。為了使電纜在成纜過程中電纜更加緊湊與圓整，每層單元的絕緣線芯外徑都不一樣。其中外徑為2.10mm的屏蔽編織用絕緣線芯10根，第二層成纜單元外徑為2.2mm的絕緣線芯為20根，最外層外徑為2.4mm的絕緣線芯為25根；生產(chǎn)工藝上嚴格按照設(shè)計要求控制絕緣線芯的外徑。

3）中心芳綸加強填充單元采用6440 dtex型進口芳綸絲，直徑為φ0.40mm，外面擠包一層厚度約為0.8mm低煙無鹵阻燃型乙烯醋酸乙烯酯橡膠，7根外徑為2.0mm的芳綸加強芯組合填充電纜正中央，提高成纜過程中的飽和填襯與電纜圓整度的同時，也提高整根跨接電纜阻燃與抗拉強度。

4）10根信號屏蔽單元成纜后邊隙填充芳綸絲，成纜后不繞包，此種設(shè)計為了在其外擠包內(nèi)護層時，膠料由于擠出壓力填滿整個電纜的空隙，使電纜更加緊湊。內(nèi)護層采用低煙無鹵阻燃硅橡膠材料，為了達到內(nèi)護層與屏蔽成纜單元緊密包覆，采用連續(xù)硫化這種交聯(lián)方式進行制造，利用連續(xù)硫化的擠壓式擠出方式和高溫壓力硫化條件，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊穩(wěn)定。

5）成纜工序時，分3次絞合成纜，用具有退扭兼張力控制功能的成纜機完成，成纜時保證每根成纜單元張力均勻一致，3次成纜方向統(tǒng)一為左向，與導(dǎo)體的絞合方向一致，此種結(jié)構(gòu)有助于增強整根電纜的抗扭曲性能。第二層與第三層成纜時繞包一層加強型低煙無鹵阻燃帶（一面聚酯類，另一面是阻燃類復(fù)合帶），阻燃面朝內(nèi)。

6）編織加強層：第二層采用棉線編織加強，編織密度不小于60%，第三層采用6440 dtex型進口芳綸絲，其單絲直徑約為0.40mm，采用36錠臥式編織機編織，編織密度約為80%。

7）護套層的主要作用是提供機械緩沖，減少摩擦，使纜圓整，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。采用輻照型低煙無鹵阻燃高強度、高伸長率的交聯(lián)聚烯烴材料，性能符合表1。護套擠出時，采用輪式牽引裝置，避免傳統(tǒng)的履帶式牽引使成纜線芯壓扁變形，機頭處采用擠壓式模具，且適當調(diào)整增大內(nèi)外模具的距離，增加擠出壓力，使護套材料緊密包覆電纜表面。

5 連續(xù)硫化交聯(lián)工藝關(guān)注事項

因跨接電纜的信號屏蔽單元所用的絕緣材料為125℃輻照交聯(lián)聚烯烴材料，在制造單元內(nèi)護層對連續(xù)硫化管道時對溫度有一定的要求，若溫度過高，絕緣層材料會因高溫高壓而嚴重變形，溫度過低又達不到單元內(nèi)護層硅橡膠材料的硫化溫度，因此一定確定一種相對合理的連續(xù)硫化工藝參數(shù)。利用連續(xù)硫化機組擠包單元硅橡膠內(nèi)護層時控制好蒸汽壓力，控制好適當?shù)臓恳俣?，建議在經(jīng)過連硫工序時待擠包的單元在連硫管道內(nèi)停留的時間不宜過長，推薦經(jīng)驗工藝參數(shù)：蒸汽壓力0.30～0.40MPa，牽引速度25～30m/min。

6 輻照交聯(lián)［7］工藝注意事項

6.1 跨接電纜絕緣線芯輻照交聯(lián)工藝

由于跨接電纜的信號單元與信號屏蔽單元中絕緣線芯，輻照后成纜前還需要火花電壓檢測工序，確保輻照過程中未發(fā)生損壞。然而絕緣線芯絕緣層厚度僅0.30mm，導(dǎo)體截面又比較小，輻照交聯(lián)過程中電子射線完全穿透絕緣，致使在線輻照過程中會有部分高速分電子流殘余在導(dǎo)體與絕緣層之間，靜電積累后擊穿絕緣。輻照過程中，一定要確保電纜絕緣線芯兩端有效完好接地，釋放因輻照過程中的電子射線產(chǎn)生的殘余電荷。輻照后的絕緣線芯下盤后，利用合適的工具接地導(dǎo)通放電停放一段時間，確保殘留電荷的充分釋放，避免后道火花電壓檢測工序絕緣因輻照原因而產(chǎn)生大量擊穿。

6.2 跨接電纜護套層輻照交聯(lián)工藝

護套層輻照過程中，同樣也會遇到電子射線穿透護套層，致使部分絕緣線芯會產(chǎn)生殘留電荷。由于靜電的積累后，在成品芯間電壓工序時，會產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。所以確保信號單元與屏蔽信號單元之間有效接地，釋放電荷。由于電纜外徑比較大，因電纜生產(chǎn)的各工序中使電纜自帶應(yīng)力，在輻照過程中整根跨接電纜會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，為了考慮輻照的均勻性，采用國外進口輻照電子加速器進行加工，必要時進行二次合理劑量輻照。

7 試驗結(jié)果

根據(jù)表1試驗要求，做跨接電纜的所有性能測試，其中左右彎曲耐久性與扭轉(zhuǎn)耐久性兩個關(guān)鍵最難通過的試驗是電纜設(shè)計成功的關(guān)鍵，制定了嚴謹詳細試驗方案，并反復(fù)驗證了實驗結(jié)果，試驗結(jié)論均為符合。全性能試驗結(jié)果詳見表2。

表2 試驗結(jié)果

8 結(jié)束語

本文從軌道交通車輛跨接電纜實際出發(fā)，概述了該電纜的設(shè)計方案，從理論設(shè)計，到跨接電纜的生產(chǎn)工藝關(guān)鍵控制要點分析，詳述了此種新型低煙無鹵阻燃、耐油、耐老化、輕量化、耐扭曲等優(yōu)異性能集一身的特殊電纜。相對于原國外進口的電纜，外徑減少了50%，電纜重量減少了30%，所有的材料均為低煙無鹵阻燃，大大提高了跨接電纜的性價比。本文從三種設(shè)計結(jié)構(gòu)中，選取了僅電纜中心填充的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方案進行性能設(shè)計與最佳工藝要求敘述說明，希望本文能對軌道交通車輛用動態(tài)跨接電纜領(lǐng)域的應(yīng)用起到借鑒的作用。