陳勁安

（艾默生精密工具技術(shù)(上海)有限公司，上海 201613）

0 引言

剝切電纜主絕緣層是電力施工搶修的重要環(huán)節(jié)。隨高壓輸電技術(shù)不斷發(fā)展，高壓絕緣電纜的應(yīng)用愈加廣泛[1]。在配網(wǎng)及電氣化鐵路領(lǐng)域中，電纜電壓主要集中于10 kV ～35 kV，其主絕緣層厚度最高可達(dá)15 mm。此外，主絕緣層的材質(zhì)包含交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、交聯(lián)聚氯乙烯和聚丙烯等[2]。剝切這類厚度較高及材質(zhì)較硬的主絕緣層存在較高難度[3]。經(jīng)走訪調(diào)查，電纜主絕緣層的剝切方法一般借助于手動(dòng)工具；一部分人則使用通用型電動(dòng)切割工具，如切割機(jī)；也有少數(shù)將手動(dòng)剝切器固定安裝在通用型電動(dòng)工具上使用[4]。以上方法均存在顯而易見(jiàn)的弊端：一是工作效率低，且需要人工蠻力切割；二是使用電動(dòng)切割對(duì)人員操作要求較高，稍有不慎就會(huì)劃傷電纜內(nèi)絕緣層或金屬芯；三是通用型電動(dòng)工具并不能很好地適配工況要求，且較難做到輕量化。為解決以上缺陷，本文設(shè)計(jì)一種剝切電纜主絕緣層裝置，配合特定的切削刀片及鋰電池驅(qū)動(dòng)，使用簡(jiǎn)單、效率高，切削效果好。

1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

1）為兼顧效率與質(zhì)量，剝切方式為繞電纜軸線斜向環(huán)切，形成螺旋線狀切割線；設(shè)置切割止位，到設(shè)定的位置后自動(dòng)/半自動(dòng)停止。

2）由于不同的電壓、絕緣能力及工藝等因素影響，主絕緣層的內(nèi)外徑大小不均。因此，夾持機(jī)構(gòu)需適配不同尺寸的電纜，同時(shí)刀片應(yīng)可調(diào)節(jié)切割角度及長(zhǎng)度。

3)主絕緣層表面存在彎折或呈橢圓狀。若以其作為基準(zhǔn)面進(jìn)行夾持，繞電纜軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行剝切，則需要該夾持機(jī)構(gòu)具備定心及補(bǔ)償功能。

4）切削刃與電纜金屬芯部接觸處需有耐磨且不損傷芯部的結(jié)構(gòu)或特殊涂層。

5）結(jié)合施工環(huán)境，需要設(shè)計(jì)便于攜帶、輸出扭矩較大的驅(qū)動(dòng)方式，如鋰電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

6）應(yīng)設(shè)有開(kāi)關(guān)或緊急停止功能；同時(shí)刀頭可視，便于觀察刀頭位置及導(dǎo)線剝切狀態(tài)。

綜上，設(shè)計(jì)的剝切裝置三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 剝切裝置的三維結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

剝切裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)，夾持系統(tǒng)，切割系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。本文僅介紹傳動(dòng)、夾持、切割等系統(tǒng)。剝切裝置的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 剝切裝置的三維結(jié)構(gòu)圖

傳動(dòng)系統(tǒng)由框架、齒輪箱、傳動(dòng)皮帶、皮帶輪、張緊輪及無(wú)油軸承組成，將扭矩傳輸至夾持系統(tǒng)；夾持系統(tǒng)由4 組夾持輪組、夾持框架及軌跡架組成，該系統(tǒng)自動(dòng)夾緊于主絕緣層的外徑上，在傳動(dòng)皮帶輪的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)連同切割系統(tǒng)繞電纜軸線定心旋轉(zhuǎn)的功能；切割系統(tǒng)由附著于軌跡架上的刀片、刀片調(diào)節(jié)螺釘、軌跡架的固定螺釘及調(diào)節(jié)螺釘組成，實(shí)現(xiàn)刀片相對(duì)于主絕緣層的角度和深度控制，并有安全緊固功能。

剝切電纜主絕緣層時(shí)，順時(shí)針撥動(dòng)軌跡架調(diào)節(jié)螺釘放入電纜，至所需位置后松開(kāi)軌跡架調(diào)節(jié)螺釘，夾持輪組便能自動(dòng)夾緊電纜。擰緊軌跡架固定螺釘，將切割系統(tǒng)固定在夾持系統(tǒng)上，調(diào)節(jié)刀片的切深與角度至所需位置；觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，夾持、切割系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行切割或停止任務(wù)。

1）可變徑及定心補(bǔ)償?shù)膴A持系統(tǒng)。夾持系統(tǒng)通過(guò)4 個(gè)夾持輪組直接作用于主絕緣層表面。夾持輪組由軸承保持架、軸承輪、彈簧、導(dǎo)向軸及多個(gè)緊固件組成。4 個(gè)輪組安裝于夾持框架的溝槽中，通過(guò)導(dǎo)向軸沿軌跡架向中心聚攏，形成定心夾持機(jī)構(gòu)。

順時(shí)針推動(dòng)軌跡架上的調(diào)節(jié)螺釘，軌跡架相對(duì)于夾持框架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)使夾持輪組張開(kāi)。擰緊固定螺釘可令軌跡架固定于夾持框架上。但是，這種固定非鎖死緊固，而是通過(guò)螺釘與夾持框架之間的橡膠彈性體，設(shè)計(jì)成存在一定微調(diào)空間的緊固關(guān)系，配合輪組彈簧的向心推力，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的同心度補(bǔ)償功能，在夾持橢圓型主絕緣層時(shí)具備較好的定心效果。可變徑及定心補(bǔ)償夾持系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。夾緊過(guò)程如圖4 所示。

圖3 可變徑及定心補(bǔ)償夾持系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖

圖4 夾緊過(guò)程

2）可調(diào)節(jié)防割傷線芯的切割系統(tǒng)。切割系統(tǒng)由切割刀片、進(jìn)深調(diào)節(jié)螺釘、斜度調(diào)節(jié)螺釘組成，均安裝于軌跡架上。切割刀片設(shè)計(jì)了主刀刃及副刀刃，主刀刃角度設(shè)置為30°～45°，用于創(chuàng)造螺旋端面與結(jié)束剝切時(shí)的環(huán)切端面；副刀刃用于分離主絕緣層與線芯或半導(dǎo)體層。為防止鋼制刀片劃傷金屬線芯，在刀片與線芯貼合面沿“W”型鑲嵌了若干耐磨塑料，如PEEK（聚醚醚酮）或PTFE（聚四氟乙烯）等易于成型的熱塑性材料，也可采用樹(shù)脂、彈性體材質(zhì)配制的化學(xué)粘涂耐磨涂層替代。在降低摩擦阻力的同時(shí)，避免主、副刀刃的刀尖與線芯直接接觸。

設(shè)計(jì)切割裝置整體外露，令切割過(guò)程及碎屑及時(shí)可見(jiàn)，以便操作者評(píng)估及調(diào)整切深或切刀角度；隨時(shí)暫停切割進(jìn)度并清理碎屑，避免產(chǎn)生纏繞與卡屑?？烧{(diào)節(jié)的防割傷線芯的切割系統(tǒng)如圖5 所示。刀片的特殊設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖5 可調(diào)節(jié)的防割傷線芯的切割系統(tǒng)

圖6 刀片的特殊設(shè)計(jì)

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)面向的電纜規(guī)格為10 kV 至 35 kV 配網(wǎng)電纜及電氣化鐵路27.5 kV，經(jīng)查閱相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，匯總數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電纜規(guī)格與主絕緣層標(biāo)稱厚度

絕緣層外徑Dc/mm的計(jì)算方法為：

式中，ti為絕緣標(biāo)稱厚度；dL為導(dǎo)體的假設(shè)直徑（不考慮形狀與緊壓程度）。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及計(jì)算，為盡可能涵蓋足夠多的電纜規(guī)格，使整機(jī)重量體積達(dá)到最小化，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查及施工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，制定了適配直徑為以下的主絕緣層電纜：23 ≤Dc≤50，ti≥4.5。電纜規(guī)格與主絕緣層標(biāo)稱厚度見(jiàn)表2。

表2 電纜規(guī)格與主絕緣層標(biāo)稱厚度

3.1 切割扭矩與切割速度

將設(shè)計(jì)刀片樣品置于手工剝切工裝上，針對(duì)規(guī)格中最難剝切的電纜進(jìn)行手工剝切，同時(shí)用兩個(gè)拉力計(jì)測(cè)量?jī)啥说睦χ担涗浟Φ淖饔命c(diǎn)至電纜軸線的垂直距離，如圖7 所示。

圖7 測(cè)試切割力

切割所需力矩Tc=(F1L1+F2L2)×k=40×1.2=48 N·m

其中，k為余量系數(shù)，此處取1.2。

設(shè)定重載區(qū)為電機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)附近。查閱18 V 直流電機(jī)特性表及其曲線，此時(shí)轉(zhuǎn)速及電機(jī)扭矩分別為18 000 r/min 及0.1 067 N·m。切割速度及減速比見(jiàn)表3。

在最嚴(yán)苛的切割要求下，切割系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為39.85 r/min，扭矩為48.2 N·m；輕載條件切割系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速僅為44 r/min，符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 整機(jī)參數(shù)

工具整機(jī)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 整機(jī)參數(shù)

4 樣機(jī)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，組裝如圖8 所示樣品用于驗(yàn)證。同時(shí)，試驗(yàn)設(shè)置了對(duì)照組(手動(dòng)剝切器)，從準(zhǔn)備時(shí)間、切割時(shí)間、試用感受和線芯損傷程度進(jìn)行比較。試驗(yàn)所用電纜為鐵路專用電纜（27.5 kV、400 mm2），剝切長(zhǎng)度為50 mm，由同一位操作工重復(fù)切割3 次，取平均值。結(jié)論見(jiàn)下:實(shí)際測(cè)試中,本設(shè)計(jì)較手動(dòng)剝切器的準(zhǔn)備時(shí)間（夾持固定、切深及角度設(shè)置）增加了了5 s，切削時(shí)間節(jié)省30 s，效率提高39%。如增加主絕緣層剝切長(zhǎng)度，優(yōu)勢(shì)更明顯。

圖8 樣機(jī)試驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析切割范圍、切割速度以及各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)比、靜力等，表明設(shè)計(jì)的剝切裝置及工具具備小型化、輕量化特征，滿足工況需求。為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)提升并優(yōu)化電纜夾持及調(diào)整刀具的設(shè)計(jì)，減少剝切前的準(zhǔn)備工作時(shí)間；繼續(xù)測(cè)試不同材質(zhì)及規(guī)格的電纜，確認(rèn)切割范圍及速度是否滿足不同客戶的需求；確認(rèn)工具樣機(jī)是否能滿足溫濕度、鹽堿及塵埃等特殊環(huán)境要求，搜集數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。