高柔性拖链电缆结构优化设计研究

摘要：传统的拖链电缆在经过长时间使用和高频弯曲以后，会出现磨损、断裂等方面的问题，对设备正常运行和使用寿命产生不良影响。基于此，归纳拖链电缆使用现状及存在的问题，并探究新型结构优化设计方案以适应复杂多变的工业应用环境。同时，采取有限元分析方法对电缆结构优化后的情况展开模拟验证，结果表明高柔性拖链电缆结构能有效提升电缆使用寿命和性能稳定性。

关键词：高柔性拖链电缆结构优化有限元分析

中图分类号：TM75

ResearchonStructuralOptimizationDesignofHighFlexibleTowlineCable

ZHANGDandan

ShanghaiQifanCableCo.，Ltd.，ShanghaiCity，201514China

Abstract：Traditionaltowlinecablesmayexperiencewear，breakage，andotherproblemsafterprolongeduseandhigh-frequencybending，whichhaveanegativeimpactonthenormaloperationandservicelifeoftheequipment.Basedonthis，thisarticlesummarizesthecurrentfdc2af8dd9f37b92f7629ddc1798524f2c3bba5017aec6372e5d3c7c9e669bdasituationandexistingproblemsoftheuseoftowlinecables，andexploresnewstructuraloptimizationdesignschemestoadapttocomplexandever-changingindustrialapplicationenvironments.Atthesametime，FiniteElementAnalysismethodisadoptedtosimulateandverifytheoptimizedcablestructure，andtheresultsshowthatthehighflexibilitytowlinecablestructurecaneffectivelyimprovetheservicelifeandperformancestabilityofthecable.

KeyWords：Highflexibility;Towlinecable;Structuraloptimization;FiniteElementAnalysis

在工业4.0时代背景下，人们越来越关注和应用“互联网+制造”理念。在大规模工业用自动化设备普及之下，高品质电缆为各类生产设备稳定、可持续运行提供通信支持、控制支持和动力支持。为规避电缆跟随运动部件产生叠压、纠缠、散乱等现象，将其存放入拖链盒内予以保护，能够实现拖链盒循环运动百万次以上并保持不出现任何疲劳故障，这种特殊高柔性电缆便是拖链电缆[1]。

1拖链电缆使用现状及问题

1.1柔韧性不足

在超低温高温环境、需要频繁且大幅度弯曲场合等极端工作条件下，传统的拖链电缆展现出柔韧性不足的问题，限制电缆应用范围，导致电缆在拖链中移动时内部结构受到不应有的挤压或拉伸。在工业自动化的影响下，高度柔韧性的拖链电缆可适应复杂多变的运动轨迹，增强生产稳定性和可靠性。在柔韧性不足的条件下，电缆内部导线、绝缘层或其他功能性组件会因为过度机械应力而产生微小的损伤。这些损伤在初期不易被察觉，但会随着时间推移逐渐累积，影响电缆性能，甚至会导致其完全失去效果[2]。

1.2易磨损问题的深入分析

在某些高速、高频的工作环境下，传统的电缆外皮材料难以长时间承受高强度摩擦和磨损。拖链电缆的外皮是其最重要的保护层，防止外部环境侵蚀电缆内部结构，并承受在移动和弯曲过程中产生的各种机械应力。此外，外皮的磨损一方面会影响电缆美观性，另一方面会暴露出电缆内部的导线和绝缘层，使其受到水分、尘埃或其他腐蚀性物质的侵蚀，导致电气性能下降或是发生电气故障[3]。

1.3抗疲劳性能差的问题研究

在使用拖链电缆过程中，金属疲劳是经常遇到的问题之一。长期弯曲和伸直导致电缆材料的金属部分产生微小的裂纹，在反复的应力作用下会逐渐扩展，最终导致材料的断裂。金属疲劳会降低电缆的导电性能，还引发电气故障，导致整个电缆的断裂。特别是在弯曲半径小、频率高的使用场合，这种问题更为突出。

2结构优化设计方案

2.1高柔性拖链电缆结构设计

在电气性能和机械特性上，高柔性拖链电缆单芯和多芯结构具有不同的特点，使它们各自适用于不同的应用场景。单芯电缆结构通常较为简单，可以是屏蔽或非屏蔽。一般情况下，屏蔽结构是在导体外部包覆一层由镀锡铜丝编织而成的高密度屏蔽网，减少电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）并增强电缆的机械强度。非屏蔽结构的单芯电缆更轻便，成本也更低，但在电磁干扰较多的环境下会性能欠佳。非屏蔽多芯电缆在成本上有优势，在对信号完整性要求不高、电磁环境相对干净的环境中具有良好的应用效果。屏蔽多芯电缆提供更好的电磁保护，适用于数据传输要求高或电磁环境复杂的场合。而双绞屏蔽、非屏蔽以及双护套屏蔽等结构，则是在多芯电缆的基础上进一步优化性能的设计。

在电缆结构中（如图1所示），电缆导体是最为核心的部分，主要功能是传输电流。超细无氧裸铜丝因其优良的导电性和机械强度而被广泛使用，而多股精绞集束的设计能够增加导体的柔韧性，并减少信号传输过程中的损耗。不仅如此，电缆导体在设计和制作期间，还可以根据客户需求定制镀锡铜丝导体。

以具体的工作环境和性能要求作为依据，充分考量使用电缆时的稳定性和安全性，保证优质高机械性能的混合弹性体材质、汽车料、TPE（热塑性弹性体）和PE（聚乙烯）等多种材质都可以作为电缆绝缘层设计与制作的绝缘材料。设计与优化芯线结构，其中短节距优化成缆的柔性防扭结构能够减少电缆在使用过程中的扭曲和变形，分组式间隙填充和双绞成对结构设计可减少信号串扰。在芯线结构优化更新影响下，既能延长电缆使用寿命，还能够提高数据传输稳定性[4]。

在区分电缆中的芯线时，为了便于识别和维护，可利用彩色线芯和数字编码实现。引入黄/绿双色接地保护标识（G），既符合安全标准，也能快速识别接地线芯。面向在需要更高机械保护或防水性能的场合，低黏度强力挤压式内护套能够提供额外的保护，防止导体和绝缘层受到外界环境的损害。采用镀锡铜丝编织设计的高密度屏蔽网层，能够有效减少电磁噪声对信号传输的影响，提高信号清晰度和稳定性。

2.2高柔性拖链电缆主要特性和参数

高柔软性使电缆能够轻松适应拖链系统的复杂移动模式，减少因弯曲而产生的内部应力，从而延长电缆的使用寿命。同时，耐往复移动弯曲性能则保障了电缆在高频往复运动中不会因过度磨损或疲劳而失效。在现代工业环境中，电磁干扰无处不在，严重影响着数据传输。基于此，发挥出屏蔽层的应用优势，以导电性能良好的金属材料作为基础制作而成，有效隔绝外部电磁场对电缆内部信号的影响。对双绞线的绞合程度和节距展开精确控制，降低信号串扰和衰减问题，增强传输数据信息的稳定性和效率。

在具体应用期间设计双护套结构，紧密结合内外两层护套，提高电缆的机械强度，还能有效防止水分和灰尘的侵入。这在护套材质的选择上，弹性体材质因其耐磨、耐候、抗撕裂、耐老化和防浅水等优异性能而广受青睐。聚氨酯材料具有出色的耐磨损、耐油污、防水和耐酸碱腐蚀能力，非常适合在恶劣环境下使用的拖链系统[5]。高柔性拖链电缆主要参数如表1所示。

3有限元分析与验证

3.1构建有限元模型

有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEA）是一种数值技术，用于求解工程和数学物理问题中偏微分方程的近似解。在优化与设计高柔性拖链电缆结构期间，有限元分析深入理解电缆在不同工况下的应力分布、变形情况以及潜在的失效模式。为了对设计对高柔性拖链电缆结构应用效果展开精确模拟，建立有限元模型分析其几何形状与材料属性。在弹性单位内，材料的应力和应变之间的关系如下：

在公式（1）中，为应力，为弹性模量，为应变。

应变与位移偏导数呈正比关系，其关系如下：

在公式（2）中，为位移，x为位置坐标。

在给定外力作用下，高柔性拖链电缆结构位移响应如下：

在公式（3）中，K为刚度矩阵，u为节点位移向量，F为节点力向量。

因温度变化而产生的热应力，其关系表达式为：

在公式（4）中，为热膨胀系数，为温度变化。

3.2有限元分析结果

在拉伸载荷和25℃温度的工况下分析电缆中部（即最大应力点），最大应力达到123.78MPa。在该条件下，电缆能够承受的拉伸强度相当高。最大应变为0.0017，最大位移为0.82mm，提供电缆在拉伸过程中的变形情况。

当电缆受到弯曲载荷并在-10℃的温度下工作时，观察到电缆弯曲内侧（最大应力点）的最大应力为207.31MPa。由此可见，电缆在低温弯曲条件下的应力分布发生变化，应力值有所增加。此时的最大应变为0.0029，最大位移为1.34mm，反映电缆在弯曲过程中的柔韧性和变形能力。

在扭转载荷和40℃温度的工况下，电缆扭转最大剪应力为78.46MPa，扭转角度为34.82°，最大位移为0.63mm，表示电缆在扭转过程中的力学特性和变形情况。

4结语

传统的拖链电缆在柔韧性、耐磨性和抗疲劳性方面存在问题，限制其应用范围并可能影响设备的稳定运行。面向工业4.0时代，拖链电缆在自动化设备中扮演着重要角色。本文提出高柔性拖链电缆的结构优化设计方案，采用特殊材料和结构设计来提升电缆的柔韧性、耐磨性和抗疲劳性能。为验证设计方案的有效性，利用有限元分析方法进行详细的模拟和评估。结果显示，优化后的电缆在各种工况下均表现出优异的力学性能，为工业自动化设备的稳定运行提供有力保障。

参考文献

[1]孙延蒙，陈静，赵增，等.高柔性拖链电缆结构设计浅谈[J].光纤与电缆及其应用技术，2020（2）：37-38.

[2]熊江，云浩，张奇，等.220kV干式电缆终端多物理场仿真分析及结构优化设计研究[J].绝缘材料，2023（15）：119-120.

[3]程浦.面向连接结构设计的归选式拓扑优化方法研究[D].长沙：湖南大学，2020.

[4]倪艳荣，郑先锋，王卫东，等.环保型城市轨道交通柔性耐火电缆的研制[J].装备制造技术，2021（1）：116-117.

[5]李楷东，周建，李楷纯，等.基于BTLY型高性能耐火电缆工艺结构相容性的研究[J].机电工程技术，2022，51（11）：287-291.