承载型卷筒电缆的研制

生长飞，彭旺全，轩娜红

(河南华泰特种电缆集团有限公司，河南 郑州450041)

0 引言

卷筒电缆广泛应用于各种起重机、散料装卸、冶金、水电和矿山等轨行设备的移动供电和数据传输。由于起重及搬运机械应用场合广，卷筒电缆频繁拖曳或卷放，承受的拉力和扭曲力时刻变化，且大部分起重及搬运机械露天作业，使卷筒电缆长期日晒雨淋，经常遭受货物和杂物的砸、碰、刮、磨，工作环境恶劣，所以，该电缆会在很短时间内因护套机械损伤严重而报废。

进口的卷筒电缆价格高，交货期长，需提前储备，否则会影响设备的正常运行。国产的卷筒电缆在机械性能和耐环境等性能方面存在不少缺陷，使用中容易出现股线断股和护套裂纹等质量问题，使用寿命约为进口电缆的1/3～1/2，影响设备的正常使用并容易造成安全隐患，因此市场迫切需要配套新型高性能承载型卷筒电缆。我们根据卷筒电缆的使用场合要求，结合国内外技术资料与生产经验，研制出一种承载型卷筒电缆。本文主要介绍该电缆的研制情况，就电缆的结构、材料和工艺控制要点等内容进行探讨。

1 技术要求

目前，电动式电缆卷筒的控制方式包括:磁耦合式、力矩电机式、磁滞式、变频控制式等四种，变频控制式与其他三种控制方式的区别是作用在电缆上的张力始终恒定，并可调节，最大限度地保护电缆。但无论何种控制方式，电缆都要经受拖曳和卷放。多数卷筒电缆为轴向多排，卷放过程中电缆很难整齐排列，盘绕时互相挤压，造成电缆与电缆、电缆与卷盘之间相互摩擦。电缆的拖曳和卷放、电缆相互挤压摩擦以及电缆与卷盘之间的摩擦，是导致电缆受力不均、使用寿命减少的主要原因。

在国内某水电站的项目实施中，用户反馈以前使用的进口卷筒电缆，使用寿命约为两年，后来考虑采购周期及成本，更换为国产卷筒电缆后，使用寿命只超过半年，导致卷筒电缆更换频繁，影响正常生产作业，因此用户迫切需要采购新型高性能承载型卷筒电缆。通过与用户的现场对接，明确该电缆技术要求如下:

(1)电缆使用的环境温度为－40～+50℃;

(2)电缆芯数为19芯，载流量大于10A，电缆成品外径小于35 mm;

(3)电缆承拉力大于6000 N;

(4)电缆最小弯曲半径6倍，满足频繁卷绕要求;

(5)电缆能够经受IEC 60332-1-2单根垂直燃烧试验和IEC 60332-3 C类成束燃烧试验要求;

(6)电缆具有耐油、耐磨性能;

(7)电缆使用寿命大于2年。

2 产品设计

承载型卷筒电缆主要根据用户的需求，参考该水电站及其他场所的各种类型卷筒电缆在实际使用时的效果，参照国内外产品样本及相关技术资料进行设计和研制。

2.1 产品结构

根据上述要求，对产品的结构进行了设计定型，图1为额定电压450/750V承载型卷筒电缆结构示意图。

图1 电缆结构示意图

由于电缆的使用环境复杂，要求承载力大、频繁卷绕、保证使用年限等，因此设计时必须考虑以下问题:

(1)导体截面的选择。电缆芯数为19芯，载流量大于10 A，电缆成品外径小于35 mm，参考《电线电缆载流量》中表3-3-1，考虑电缆组群的降低因数，导体截面选取1.5 mm2即可满足要求。由于卷筒电缆频繁卷绕会引起温升过高，载流量安全裕度小，最终确定导体截面选用2.5 mm2，按橡胶绝缘和护套的电缆结构设计，初步计算规格为19×2.5 mm2的成品电缆外径约为27 mm。

(2)电缆的承载强度。通过对使用场合的测试和理论计算，电缆的承拉力大于6000 N，卷筒电缆频繁卷放、拖曳，长期受力不均衡，因此电缆的承载设计尤为重要。《起重机设计手册》第五章“起重机电气设备”中的第三节“电线和电缆”指出:移动供电用软电缆的线芯拉断力可按137～157 N/mm2计算，即2.5 mm2的绝缘线芯可承受342.5～392.5 N的拉力，规格为19×2.5 mm2的卷筒电缆可承受6 507.5～7 457.5 N的拉力。但多芯电缆在实际使用中由于受力不均容易造成部分绝缘线芯因受力过大而拉断，因此多芯电缆不能作为承载芯来计算承载强度。

市场上部分卷筒电缆为提高承载强度，电缆每芯铜导体的中心层直接采用镀锌钢丝或钢绞线作为承载芯，但钢丝与铜丝的力学性能差异太大，电缆频繁卷放时钢丝应力会很快造成铜丝磨损、断股，故这种结构不合理。

最终确认选用符合YB/T 5004的型号规格为1×7-3.0-1370-A的镀锌钢绞线作为承载芯，钢绞线最小破断拉力为6 920 N。

(3)护套的抗开裂性能。卷筒电缆长期处于卷放、拖曳、挤压等工作状态，工作环境恶劣，电缆的护套容易损伤、破裂，失去保护作用，最终导致电缆报废，缩短电缆的使用寿命，因此护套的加工设计尤为关键，需重点优化护套结构。通过对卷筒电缆使用场合的分析，参照其他橡胶电缆产品结构及使用效果，采取“内外护套+编织加强层”的综合结构设计，以满足护套的抗开裂性能，增强护套和电缆的整体强度。

2.2 材料选用

(1)导体材料。对于承载型卷筒电缆而言，需防止电缆在使用中出现导体断芯现象，影响电缆的正常运行。导体材料选用优质退火无氧铜，符合GB/T 3956标准要求的第6种镀锡软导体，导体表面镀层均匀、光亮，无氧化和毛刺等。

(2)绝缘材料。绝缘材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡胶混合物，但抗张强度应不小于6.5 MPa。乙丙橡胶混合物具有卓越的电绝缘性能、优良的耐热老化性、优异的耐寒性、较好的化学稳定性、耐臭氧和耐候性，并且无毒无臭。

(3)承载芯。承载芯采用符合YB/T 5004的A级锌层镀锌钢绞线，抗拉强度1 370 MPa，绞合紧密，绞合节径比不大于14倍，钢绞线抗拉强度大。

(4)承载芯隔离层。单独设置的承载芯的机械性能完全区别于导体和绝缘等材料，为了防止承载芯直接与绝缘接触，在承载芯外设置一层隔离层，隔离层选用与绝缘同质的材料，通过材料的一致性来减少电缆使用过程中承载芯及隔离层对绝缘的损伤。

(5)内、外护套。卷筒电缆应用场合广，电缆护层既要具有高强度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，还要具有耐低温性能。故此按DIN VDE 0207 Teil 21中5GM5为设计基准，对高强度氯丁橡胶护套的配方进行了开发攻关，橡胶材料选用氯丁橡胶为基料，对硫化、防护和补强填充等体系进行研究和改进。硫化体系不仅能改善胶料的交联性、耐热性，降低压缩永久变形，还能提高胶料和纤维的粘合强度，且可以防止胶料在加工过程中焦烧;防护体系使胶料具有优良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能;补强填充体系提高胶料的抗撕裂强度和拉伸强度，还可改善胶料的加工性能和挤出外观。

通过对硫化、防护和补强填充等体系的研究和改进，优化配方设计，使加工后的护套满足阻燃、耐油、耐磨、耐弯曲和耐低温等性能要求，提高电缆的机械性能和耐环境性能。通过采用正交设计方法，最终得到高强度氯丁橡胶外护套优化配方。

(6)编织加强层。在提高内外护套抗张强度、抗撕裂强度和改善耐候性的基础上，在内外护套之间再增设一层加强层，进一步增强电缆护层的综合机械性能。加强层采用杜邦尼龙66纤维编织层，纤维具有耐高温、高抗拉、高磨度、耐冲击和耐化学剂等性能。

3 生产工艺

对于承载型卷筒电缆来说，关键的生产工序为:导体绞合、承载芯隔离层加工、多芯成缆、内外护套和编织加强层加工，以下对这几道关键工序的生产工艺进行逐一探讨。

3.1 导体绞合

导体绞合对于承载型卷筒电缆来说，是非常重要的加工环节。采用多股镀锡铜单丝束线加工，在加工时发现如果采用普通的控制电缆软导体的生产工艺，电缆的柔软度和弯曲性能较差。为了解决此问题，调整了单丝直径、每股根数、复绞股数和复绞节距，在导体复绞过程中，节距均匀，绞合紧密圆整，绞合节径比不大于12倍，生产中严格控制导体的质量，导体工艺的改进可使电缆的柔软度和抗扭转性能大大提高。截面2.5 mm2的导体绞合工艺参数见表1。

表1 截面2.5 mm2的导体绞合工艺参数

3.2 承载芯隔离层加工

承载芯隔离层的加工方式选择与绝缘的加工方式相同，进行挤包加工。生产隔离层时在承载芯外纵包一层聚酯带，使承载芯受外力作用时与隔离层之间能够存在一定程度的滑移，减小承载芯受力时产生的应力对电缆造成的伤害。

3.3 多芯成缆

承载芯在电缆结构中如位置设置不当，会造成承载芯损伤绝缘线芯。成缆时绝缘线芯采用同心式绞合成缆，中心层为挤包隔离层的承载芯，在隔离层外纵包一层聚酯带，进一步增加承载芯和隔离层的整体滑移性能，减小承载芯和隔离层受力时传递给绝缘层的作用力。成缆缆芯采用双层聚酯带重叠绕包，成缆节径比不大于12倍，缆芯应紧密、圆整。

3.4 内外护套和编织加强层

一是内外护套挤橡连硫工艺。结合橡胶的硫化性能，合理选用螺杆的转速，防止因转速太快导致胶料摩擦生热，使胶料在机筒内焦烧硫化。同时，针对氯丁橡胶的硫化体系，合理设定挤橡机机头各区温度的参数。通过调整橡胶材料的粘度，利用高温高压连续硫化工艺，使内、外护套与加强层粘连紧密，形成三层一体的综合结构，在卷筒电缆往复运动中不剥离分层，来提高整个护层的机械性能。

二是编织加强层的加工。编织加强层采用规格为1260D的杜邦尼龙66纤维进行编织，编织密度应不小于30%，编织均匀，不允许整体接续，每1m长度上允许更换一个线锭。

4 结束语

研制的承载型卷筒电缆样品经客户使用，性能符合设计要求，尤其是使用寿命大于2年。目前已批量生产并应用于对卷筒电缆有承载要求的起重及搬运机械上，能够适应各种恶劣的工作环境，其机械性能和耐环境性能优异，且产品进行了系列化的设计，承载强度可以满足用户的不同要求，完全可以替代进口卷筒电缆。随着我国经济的不断发展，起重及搬运机械的大量应用，承载型卷筒电缆以其优异的性能，必将得到进一步的推广应用。

［1］张质文等主编.起重机设计手册［M］.北京:中国铁道出版社，1997.

［2］马国栋.电线电缆载流量［M］.北京:中国电力出版社，2003.