轨道交通装备用通信电缆动态特性研究

田庆涛 ,赵国玉 ,曾 轩 ,周洪鹏 ,王少祥

(1.中车唐山轨道交通车辆有限公司,唐山 064000;2.中天科技装备电缆有限公司,南通 226010;3.株洲中车时代电气股份有限公司,株洲 412000;4.中天射频电缆有限公司,南通 226010)

0 引言

近年来,我国轨道交通行业快速发展,对整车通信系统的稳定性、安全性和经济性的要求也越来越高。车内电子设备增加,列车自动化程度不断提升,车内网络系统不断升级,对于列车运行精确控制进而缩短列车行进间隔,对列车通信网络数据传输量和实时性提出了更高的要求。

作为轨道交通车辆的“神经系统”,列车通信网络的稳定性对于列车能否平稳运行具有直接影响。轨道交通装备用通信电缆是构建列车网络的重要组成部分,具有传输性能稳定、耐高温、耐低温、耐酸碱腐蚀、耐油和阻燃防火等特点。列车在运行过程中会受到布线应力、弯曲半径、线缆摆动等多种因素的影响,但目前通信电缆只能依靠工人的操作经验进行更换和维修,缺少科学定量的应用准则,导致轨道交通行业耗费了大量的人力、物力和财力。因此,本工作根据自主化通信电缆的实际工作环境和失效机理对其动态特性进行了深入分析,提出了一整套动态特性试验方法。对成品通信电缆开展弯曲等动态特性测试的研究,以获得通信电缆在弯曲等动态条件下的传输特性指标,进而达到模拟车辆的真实运行状态、提出通信电缆的可控性传输指标的目的,为通信电缆动态环境下使用特性提供科学依据。

1 试验设计

列车运行过程中,各种布线不可避免被扭转和拉拽。因此,必须考虑到列车装车过程中的固定布线时的受力问题。

本工作以MVB 120 Ω 4×0.5 mm2总线为例,芯线相对位置产生0.2 mm 的位移,近端串音衰减(NEXT)测试即出现大幅度超标现象,MVB 电缆线对位置结构发生0.038 4,0.2 mm 位移的见图1[1],位置结构变化时近端串扰仿真结果见图2[1]。

图1 MVB 电缆线对位置结构发生位移

图2 位置结构变化时近端串扰仿真结果

1.1 试验依据

YD/T 1019—2013《数字通信用聚烯烃绝缘水平对绞电缆》和EIA/TIA 568.D 《美国电信协会-对称结构对绞通信布线及元器件》标准只适用于固定布线系统,不包含扭转、冲击等受力情况下电缆的使用性能的评估指标。

IEC 61156-6:2020《数字通信用多芯电缆 第6部分:1 000 MHz 以下对称结构对绞及星绞电缆-工作区域分规范》及EN 50288-4-2:2013《用于模拟和数字通信和控制的多元件金属电缆 第4-2 部:600 MHz 的屏蔽电缆的分规范 工作区域及软电缆》标准规定电缆弯曲、压扁、冲击以及反复弯曲试验方法和判定规则,详见表1。

表1 IEC 61156-6:2020 及EN 50288-4-2:2013动态特性要求对比表

由表1 可知:电缆动态特性试验要求主要为弯曲、压扁、冲击及反复弯曲试验。其中,IEC 和EN标准规定的反复弯曲均为500 次。

实际列车运行中,只有跨接部分存在反复弯曲的现象。在列车寿命周期内跨接电缆反复弯曲的次数均为数十万次,复杂的受力情况是影响跨接电缆疲劳,导致信号传输失效的主要原因[2]。

轨道交通装备通信电缆的动态特性研究应分为车内及车端跨接两种工况:车内电缆敷设存在弯曲、压扁、冲击受力情况,应根据相关标准开展必要的动态性能试验;车端部分模拟列车实际运行中车端受力情况,开展10～50 万次的摇摆测试。

1.2 试验方案

1.2.1 车内电缆弯曲、压扁和冲击试验

弯曲试验参考EN 50289-3-9:2001 第4.3 的方法,分别用2D,4D,6D,8D,10D(D表示电缆外径)弯曲半径,缠绕6 圈 (从大到小)后测试电缆的近端串音衰减、特性阻抗等通信性能指标,并与初始状态进行对比。

压扁试验按EN 50289-3-5:2001 第4.3 的方法,使用1 000 N 的重物,压在电缆的表面,保持1 min,然后测试电缆的近端串音衰减、特性阻抗等性能,并与初始状态时的性能指标进行对比。

冲击试验按GB/T 2951.14—2008 的方法,使用1.5 kg 的重锤,从10 cm 高度,在电缆末端1 m处,冲击3 次,然后测试电缆的近端串音衰减、特性阻抗等性能,并与初始状态时的性能进行对比。

柔性试验按EN 50306-2:2002 标准,采用EN 50306 试验方法评估整体电缆的柔韧性。

1.2.2 车端跨接电缆试验

列车在实际运行中,随着车钩(车端连接器)不断拉伸或压缩,电缆反复承受着拉应力和压应力,跨接电缆应力分析见图3[3]。

图3 跨接电缆应力分析

EN 50289-3-9 标准中规定了电缆反复弯曲试验方法,电缆弯曲角度为90°,弯曲次数为500 次,电缆应无任何位移,而且测试只有一个平面维度。评估认为,与车端实际工况差距较大,建议模拟车端跨接电缆实际工况,开展两个维度10～50 万次的摇摆测试。

2 样品制备

车内部分试验,根据车内电缆的弯曲、压扁、冲击、柔性试验方法直接使用整体电缆开展。根据IEC 61156 标准要求,被测电缆长度应不小于100 m。

针对车端跨接部分工况,设计了模拟列车跨接部分的试验装置。按照实际列车行驶中跨接部分的工况开展,被测电缆装配连接器后安装于摇摆试验机上,纵向行程400 mm,横向行程400 mm。连接器中心最大距离1 030 mm,最小距离630 mm,摆动频率8 次·min-1,摇摆测试10～50 万次。

跨接电缆采用重载连接器将各个电缆组合安装,车端跨接电缆试验装置见图4。

图4 车端跨接电缆试验装置

为了方便试验,将电缆制成组件,并使用FLUKE DSX-8000 型电缆分析仪检测产品传输特性。被测电缆组件应在试验开始前装配完成,具体适配方案见表2,其中连接器采用浩亭(Harting)进口连接器,电缆测试长度均为1.5 m。

表2 连接器适配方案

3 试验数据

3.1 弯曲试验

以太网电缆Cat7 4×2×24 AWG 在不同弯曲半径下衰减、回波损耗和近端串音衰减测试结果见表3,其中 10D-6 表示10 倍电缆外径缠绕6 圈。

表3 Cat7 4×2×24 AWG 以太网电缆弯曲试验测试结果

由表3 结果可知,弯曲对于电缆衰减影响较小,对回波损耗和近端串音衰减影响很大。另外,电缆的弯曲半径越小,缠绕圈数越多,回波损耗及近端串音衰减变化越大。当电缆在6 倍弯曲半径以下时,数据变化明显,建议电缆固定敷设的弯曲半径不小于6 倍电缆外径。

3.2 压扁及冲击试验

根据第1 部分试计方案,对Cat7 4×2×24 AWG(140 m)、Cat5E 4×20 AWG(100 m)以太网电缆进行了冲击试验、压扁试验,其试验结果分别见表4 和表5。

由表4、表5 结果可知,电缆经受冲击和压扁试验后,衰减、近端串音衰减和回波损耗测试值均满足技术要求,其中Cat7 4×2×24 AWG 冲击、压扁后,在100,600 MHz 频率下,近端串音衰减和回波损耗出现变差情况,分析可能是线对屏蔽层挤压变形所致。

表4 Cat7 4×2×24 AWG 以太网电缆压扁及冲击试验数据

表5 Cat5E 4×20 AWG 以太网电缆压扁及冲击试验数据

3.3 柔性试验

对Cat7、Cat5E、WTB、MVB 等6 款型号电缆进行了柔韧性测试,数据见表6。

表6 柔性测试数据

由表6 试验结果可知,试验数据满足设计要求。电缆柔韧性与产品结构、材料密切相关,产品设计时已考虑相关因素影响。

3.4 跨接系统试验

选取以太网电缆、总线电缆和同轴电缆6 个典型电缆,在摇摆试验机上分别进行两维度的10 万次、20 万次和50 万次摇摆试验。

3.4.1 以太网电缆

采用FLUKE DSX-8000 型电缆分析仪分别进行初始、10 万次、20 万次和50 万次电缆插入损耗、回波损耗和近端串音衰减指标测试,结果见表7、表8。

由表7、表8 试验结果可知,以太网和总线等4 个型号电缆在经历10 万次、20 万次和50 万次摇摆试验后,测试数据变化是随机性的,没有明显规律性趋势,4 个型号的电缆均通过了50 万次车端摇摆试验。

表7 以太网电缆跨接系统测试结果 dB

表8 总线电缆跨接系统测试结果

3.4.2 同轴电缆

采用5071C 型安捷伦网络分析仪,对同轴电缆分别进行初始、10 万次、20 万次和50 万次衰减和回波损耗测试,试验结果见表9。

由表9 试验结果可知,同轴电缆衰减指标与初始值相比,20 万次和50 万次衰减呈明显的增加趋势,回波损耗变化呈随机性,同轴电缆通过了50 万次车端摇摆试验。

表9 SYJYZ-50-7-1 同轴电缆跨接系统测试数据

4 数据及原理分析

4.1 固定敷设应力数据分析

通过数据分析可以发现,弯曲、冲击、压扁等对电缆的衰减影响均较小。而对回波损耗、近端串音衰减的影响随着电缆的导体尺寸、传输速率、整体结构各有不同。

其中,对于Cat7 以太网电缆的影响高于Cat5E以太网电缆,特别是压扁和弯曲造成的应力对回波损耗及近端串音衰减影响较大,并且从6 倍直径的弯曲半径开始,电缆传输特性影响较大。轨道交通装备车内电缆布线主要参考GB 34571—2017 《轨道交通 机车车辆布线规则》的规定,标准中 6.7 条规定:屏蔽电缆敷设的最小弯曲半径不宜小于电缆外径的10 倍。结合标准要求,通信电缆最小弯曲半径建议为6 倍电缆直径。

Cat5E 4×20 AWG、Cat7 4×2×24 AWG 电缆结构示意图分别见图5、图6。

图5 Cat5E 4×20 AWG 电缆结构示意图

图6 Cat7 4×2×24 AWG 电缆结构示意图

由图5 可以看出,Cat5E 电缆采用星绞组结构,导体为20 AWG(约0.5 mm2)。增加中心填充条后,其结构较为稳定,一定程度上可以抵抗外来应力对内部结构的影响。Cat7 电缆采用对绞组结构,导体为24 AWG(约0.2 mm2),屏蔽采用线对屏蔽加镀锡铜丝编织总屏蔽结构,此类结构存在一定的不稳定性。

从Cat7 与Cat5E 电缆结构分析可知,Cat7 对绞屏蔽层容易受到外力影响,造成内部结构畸变。从而对近端串音衰减、回波损耗等与结构相关的指标造成更大的影响。

4.2 跨接状态下应力数据分析

随着车钩(车端连接器)不断拉伸或压缩,电缆反复承受了拉应力和压应力。随着应力不断堆积,导致电缆内部结构发生畸变,引起阻抗、串音等变化。

试验发现,跨接部分的衰减变化较小,阻抗、近端串音衰减、回波损耗变化较大。WTB 120 Ω 2×0.75 受到的影响最小;由于频率较高,结构复杂的Cat7 4×2×24 AWG 受影响最大。因此,建议跨接系统应以WTB 120 Ω 2×0.75、MVB 120 Ω 4×0.5、CANBUS 2×0.5+1×0.5 和 Cat5E 4×20 AWG 为主。

4.3 同轴电缆动态特性数据分析

SYJYZ-50-7-1 同轴电缆结构示意图见图7。

图7 SYJYZ-50-7-1 同轴电缆结构图

由图7 可知,同轴电缆为结构最稳定的通信电缆。试验证明,在其弯曲半径之内且适配连接器良好的情况下,同轴电缆受应力影响很小。无论弯曲、冲击、压扁或用于跨接系统,其性能变化均不大。

3 结束语

本工作重点介绍了轨道交通装备通信电缆的使用特性,随列车运行动态变化。详细总结了不同类型通信电缆在受到弯曲、冲击、压扁或跨接系统中受应力影响后引起的传输特性变化。

通过动态试验,获得了通信电缆在动态工况下的传输特性数据。所有自主化电缆通过了严苛的动态工况试验,发现7 类(Cat7)以太网电缆受动态应力影响较大。并根据各类电缆结构开展了相应的理论分析,希望为轨道交通装备通信电缆产品研发及应用提供参考。