摘要：傳統(tǒng)的拖鏈電纜在經(jīng)過長時間使用和高頻彎曲以后，會出現(xiàn)磨損、斷裂等方面的問題，對設(shè)備正常運(yùn)行和使用壽命產(chǎn)生不良影響?；诖?，歸納拖鏈電纜使用現(xiàn)狀及存在的問題，并探究新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案以適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。同時，采取有限元分析方法對電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的情況展開模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)能有效提升電纜使用壽命和性能穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元分析

中圖分類號：TM75

ResearchonStructuralOptimizationDesignofHighFlexibleTowlineCable

ZHANGDandan

ShanghaiQifanCableCo.，Ltd.，ShanghaiCity，201514China

Abstract：Traditionaltowlinecablesmayexperiencewear，breakage，andotherproblemsafterprolongeduseandhigh-frequencybending，whichhaveanegativeimpactonthenormaloperationandservicelifeoftheequipment.Basedonthis，thisarticlesummarizesthecurrentfdc2af8dd9f37b92f7629ddc1798524f2c3bba5017aec6372e5d3c7c9e669bdasituationandexistingproblemsoftheuseoftowlinecables，andexploresnewstructuraloptimizationdesignschemestoadapttocomplexandever-changingindustrialapplicationenvironments.Atthesametime，F(xiàn)initeElementAnalysismethodisadoptedtosimulateandverifytheoptimizedcablestructure，andtheresultsshowthatthehighflexibilitytowlinecablestructurecaneffectivelyimprovetheservicelifeandperformancestabilityofthecable.

KeyWords：Highflexibility;Towlinecable;Structuraloptimization;FiniteElementAnalysis

在工業(yè)4.0時代背景下，人們越來越關(guān)注和應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+制造”理念。在大規(guī)模工業(yè)用自動化設(shè)備普及之下，高品質(zhì)電纜為各類生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定、可持續(xù)運(yùn)行提供通信支持、控制支持和動力支持。為規(guī)避電纜跟隨運(yùn)動部件產(chǎn)生疊壓、糾纏、散亂等現(xiàn)象，將其存放入拖鏈盒內(nèi)予以保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)拖鏈盒循環(huán)運(yùn)動百萬次以上并保持不出現(xiàn)任何疲勞故障，這種特殊高柔性電纜便是拖鏈電纜[1]。

1拖鏈電纜使用現(xiàn)狀及問題

1.1柔韌性不足

在超低溫高溫環(huán)境、需要頻繁且大幅度彎曲場合等極端工作條件下，傳統(tǒng)的拖鏈電纜展現(xiàn)出柔韌性不足的問題，限制電纜應(yīng)用范圍，導(dǎo)致電纜在拖鏈中移動時內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到不應(yīng)有的擠壓或拉伸。在工業(yè)自動化的影響下，高度柔韌性的拖鏈電纜可適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)動軌跡，增強(qiáng)生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性。在柔韌性不足的條件下，電纜內(nèi)部導(dǎo)線、絕緣層或其他功能性組件會因?yàn)檫^度機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生微小的損傷。這些損傷在初期不易被察覺，但會隨著時間推移逐漸累積，影響電纜性能，甚至?xí)?dǎo)致其完全失去效果[2]。

1.2易磨損問題的深入分析

在某些高速、高頻的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)的電纜外皮材料難以長時間承受高強(qiáng)度摩擦和磨損。拖鏈電纜的外皮是其最重要的保護(hù)層，防止外部環(huán)境侵蝕電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并承受在移動和彎曲過程中產(chǎn)生的各種機(jī)械應(yīng)力。此外，外皮的磨損一方面會影響電纜美觀性，另一方面會暴露出電纜內(nèi)部的導(dǎo)線和絕緣層，使其受到水分、塵埃或其他腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致電氣性能下降或是發(fā)生電氣故障[3]。

1.3抗疲勞性能差的問題研究

在使用拖鏈電纜過程中，金屬疲勞是經(jīng)常遇到的問題之一。長期彎曲和伸直導(dǎo)致電纜材料的金屬部分產(chǎn)生微小的裂紋，在反復(fù)的應(yīng)力作用下會逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的斷裂。金屬疲勞會降低電纜的導(dǎo)電性能，還引發(fā)電氣故障，導(dǎo)致整個電纜的斷裂。特別是在彎曲半徑小、頻率高的使用場合，這種問題更為突出。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

2.1高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電氣性能和機(jī)械特性上，高柔性拖鏈電纜單芯和多芯結(jié)構(gòu)具有不同的特點(diǎn)，使它們各自適用于不同的應(yīng)用場景。單芯電纜結(jié)構(gòu)通常較為簡單，可以是屏蔽或非屏蔽。一般情況下，屏蔽結(jié)構(gòu)是在導(dǎo)體外部包覆一層由鍍錫銅絲編織而成的高密度屏蔽網(wǎng)，減少電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）并增強(qiáng)電纜的機(jī)械強(qiáng)度。非屏蔽結(jié)構(gòu)的單芯電纜更輕便，成本也更低，但在電磁干擾較多的環(huán)境下會性能欠佳。非屏蔽多芯電纜在成本上有優(yōu)勢，在對信號完整性要求不高、電磁環(huán)境相對干凈的環(huán)境中具有良好的應(yīng)用效果。屏蔽多芯電纜提供更好的電磁保護(hù)，適用于數(shù)據(jù)傳輸要求高或電磁環(huán)境復(fù)雜的場合。而雙絞屏蔽、非屏蔽以及雙護(hù)套屏蔽等結(jié)構(gòu)，則是在多芯電纜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化性能的設(shè)計。

在電纜結(jié)構(gòu)中（如圖1所示），電纜導(dǎo)體是最為核心的部分，主要功能是傳輸電流。超細(xì)無氧裸銅絲因其優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度而被廣泛使用，而多股精絞集束的設(shè)計能夠增加導(dǎo)體的柔韌性，并減少信號傳輸過程中的損耗。不僅如此，電纜導(dǎo)體在設(shè)計和制作期間，還可以根據(jù)客戶需求定制鍍錫銅絲導(dǎo)體。

以具體的工作環(huán)境和性能要求作為依據(jù)，充分考量使用電纜時的穩(wěn)定性和安全性，保證優(yōu)質(zhì)高機(jī)械性能的混合彈性體材質(zhì)、汽車料、TPE（熱塑性彈性體）和PE（聚乙烯）等多種材質(zhì)都可以作為電纜絕緣層設(shè)計與制作的絕緣材料。設(shè)計與優(yōu)化芯線結(jié)構(gòu)，其中短節(jié)距優(yōu)化成纜的柔性防扭結(jié)構(gòu)能夠減少電纜在使用過程中的扭曲和變形，分組式間隙填充和雙絞成對結(jié)構(gòu)設(shè)計可減少信號串?dāng)_。在芯線結(jié)構(gòu)優(yōu)化更新影響下，既能延長電纜使用壽命，還能夠提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性[4]。

在區(qū)分電纜中的芯線時，為了便于識別和維護(hù)，可利用彩色線芯和數(shù)字編碼實(shí)現(xiàn)。引入黃/綠雙色接地保護(hù)標(biāo)識（G），既符合安全標(biāo)準(zhǔn)，也能快速識別接地線芯。面向在需要更高機(jī)械保護(hù)或防水性能的場合，低黏度強(qiáng)力擠壓式內(nèi)護(hù)套能夠提供額外的保護(hù)，防止導(dǎo)體和絕緣層受到外界環(huán)境的損害。采用鍍錫銅絲編織設(shè)計的高密度屏蔽網(wǎng)層，能夠有效減少電磁噪聲對信號傳輸?shù)挠绊懀岣咝盘柷逦群头€(wěn)定性。

2.2高柔性拖鏈電纜主要特性和參數(shù)

高柔軟性使電纜能夠輕松適應(yīng)拖鏈系統(tǒng)的復(fù)雜移動模式，減少因彎曲而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，從而延長電纜的使用壽命。同時，耐往復(fù)移動彎曲性能則保障了電纜在高頻往復(fù)運(yùn)動中不會因過度磨損或疲勞而失效。在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾無處不在，嚴(yán)重影響著數(shù)據(jù)傳輸?；诖耍l(fā)揮出屏蔽層的應(yīng)用優(yōu)勢，以導(dǎo)電性能良好的金屬材料作為基礎(chǔ)制作而成，有效隔絕外部電磁場對電纜內(nèi)部信號的影響。對雙絞線的絞合程度和節(jié)距展開精確控制，降低信號串?dāng)_和衰減問題，增強(qiáng)傳輸數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定性和效率。

在具體應(yīng)用期間設(shè)計雙護(hù)套結(jié)構(gòu)，緊密結(jié)合內(nèi)外兩層護(hù)套，提高電纜的機(jī)械強(qiáng)度，還能有效防止水分和灰塵的侵入。這在護(hù)套材質(zhì)的選擇上，彈性體材質(zhì)因其耐磨、耐候、抗撕裂、耐老化和防淺水等優(yōu)異性能而廣受青睞。聚氨酯材料具有出色的耐磨損、耐油污、防水和耐酸堿腐蝕能力，非常適合在惡劣環(huán)境下使用的拖鏈系統(tǒng)[5]。高柔性拖鏈電纜主要參數(shù)如表1所示。

3有限元分析與驗(yàn)證

3.1構(gòu)建有限元模型

有限元分析（FiniteElementAnalysis，F(xiàn)EA）是一種數(shù)值技術(shù)，用于求解工程和數(shù)學(xué)物理問題中偏微分方程的近似解。在優(yōu)化與設(shè)計高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)期間，有限元分析深入理解電纜在不同工況下的應(yīng)力分布、變形情況以及潛在的失效模式。為了對設(shè)計對高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果展開精確模擬，建立有限元模型分析其幾何形狀與材料屬性。在彈性單位內(nèi)，材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系如下：

在公式（1）中，為應(yīng)力，為彈性模量，為應(yīng)變。

應(yīng)變與位移偏導(dǎo)數(shù)呈正比關(guān)系，其關(guān)系如下：

在公式（2）中，為位移，x為位置坐標(biāo)。

在給定外力作用下，高柔性拖鏈電纜結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)如下：

在公式（3）中，K為剛度矩陣，u為節(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)為節(jié)點(diǎn)力向量。

因溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，其關(guān)系表達(dá)式為：

在公式（4）中，為熱膨脹系數(shù)，為溫度變化。

3.2有限元分析結(jié)果

在拉伸載荷和25℃溫度的工況下分析電纜中部（即最大應(yīng)力點(diǎn)），最大應(yīng)力達(dá)到123.78MPa。在該條件下，電纜能夠承受的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)高。最大應(yīng)變?yōu)?.0017，最大位移為0.82mm，提供電纜在拉伸過程中的變形情況。

當(dāng)電纜受到彎曲載荷并在-10℃的溫度下工作時，觀察到電纜彎曲內(nèi)側(cè)（最大應(yīng)力點(diǎn)）的最大應(yīng)力為207.31MPa。由此可見，電纜在低溫彎曲條件下的應(yīng)力分布發(fā)生變化，應(yīng)力值有所增加。此時的最大應(yīng)變?yōu)?.0029，最大位移為1.34mm，反映電纜在彎曲過程中的柔韌性和變形能力。

在扭轉(zhuǎn)載荷和40℃溫度的工況下，電纜扭轉(zhuǎn)最大剪應(yīng)力為78.46MPa，扭轉(zhuǎn)角度為34.82°，最大位移為0.63mm，表示電纜在扭轉(zhuǎn)過程中的力學(xué)特性和變形情況。

4結(jié)語

傳統(tǒng)的拖鏈電纜在柔韌性、耐磨性和抗疲勞性方面存在問題，限制其應(yīng)用范圍并可能影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。面向工業(yè)4.0時代，拖鏈電纜在自動化設(shè)備中扮演著重要角色。本文提出高柔性拖鏈電纜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，采用特殊材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升電纜的柔韌性、耐磨性和抗疲勞性能。為驗(yàn)證設(shè)計方案的有效性，利用有限元分析方法進(jìn)行詳細(xì)的模擬和評估。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的電纜在各種工況下均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，為工業(yè)自動化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

參考文獻(xiàn)

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