承載型卷筒電纜主要根據(jù)用戶的需求，參考該水電站及其他場所的各種類型卷筒電纜在實際使用時的效果，參照國內外產(chǎn)品樣本及相關技術資料進行設計和研制。
根據(jù)上述要求，對產(chǎn)品的結構進行了設計定型
由于電纜的使用環(huán)境復雜，要求承載力大、頻繁卷繞、保證使用年限等，因此設計時必須考慮以下問題:
1、 導體截面的選擇。電纜芯數(shù)為 19 芯，載流量大于 10 A，電纜成品外徑小于 35 mm，參考《電線電纜載流量》中表 3-3-1，考慮電纜組群的降低因數(shù)，導體截面選取 1. 5 mm2 即可滿足要求。由于卷筒電纜頻繁卷繞會引起溫升過高，載流量安全裕度小，最終確定導體截面選用2.5mm²，按橡膠絕緣和護套的電纜結構設計，初步計算規(guī)格為19×2.5mm²的成品電纜外徑約為 27 mm。
2、電纜的承載強度。通過對使用場合的測試和理論計算，電纜的承拉力大于 6000 N，卷筒電纜頻繁卷放、拖曳，長期受力不均衡，因此電纜的承載設計尤為重要。《起重機設計手冊》第五章“起重機電氣設備”中的第三節(jié)“電線和電纜”指出: 移動供電用軟電纜的線芯拉斷力可按 137 ～ 157 N /mm2 計算，即 2. 5 mm2 的絕緣線芯可承受 342. 5 ～ 392. 5 N的拉力，規(guī)格為 19×2.5mm²的卷筒電纜可承受6 507. 5 ～ 7 457. 5 N 的拉力。但多芯電纜在實際使用中由于受力不均容易造成部分絕緣線芯因受力過大而拉斷，因此多芯電纜不能作為承載芯來計算承載強度。
市場上部分卷筒電纜為提高承載強度，電纜每芯銅導體的中心層直接采用鍍鋅鋼絲或鋼絞線作為承載芯，但鋼絲與銅絲的力學性能差異太大，電纜頻繁卷放時鋼絲應力會很快造成銅絲磨損、斷股，故這種結構不合理。最終確認選用符合 YB /T 5004 的型號規(guī)格為1 × 7-3. 0-1370-A 的鍍鋅鋼絞線作為承載芯，鋼絞線最小破斷拉力為 6 920 N。
3、 護套的抗開裂性能。卷筒電纜長期處于卷放、拖曳、擠壓等工作狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，電纜的護套容易損傷、破裂，失去保護作用，最終導致電纜報廢，縮短電纜的使用壽命，因此護套的加工設計尤為關鍵，需重點優(yōu)化護套結構。通過對卷筒電纜使用場合的分析，參照其他橡膠電纜產(chǎn)品結構及使用效果，采取“內外護套 + 編織加強層”的綜合結構設計，以滿足護套的抗開裂性能，增強護套和電纜的整體強度。
材料選用
1、導體材料。對于承載型卷筒電纜而言，需防止電纜在使用中出現(xiàn)導體斷芯現(xiàn)象，影響電纜的正常運行。導體材料選用優(yōu)質退火無氧銅，符合GB /T 3956 標準要求的第 6 種鍍錫軟導體，導體表面鍍層均勻、光亮，無氧化和毛刺等。
2、絕緣材料。絕緣材料采用符合 IEC 60092-351 的乙丙橡膠混合物，但抗張強度應不小于 6. 5MPa。乙丙橡膠混合物具有卓越的電絕緣性能、優(yōu)良的耐熱老化性、優(yōu)異的耐寒性、較好的化學穩(wěn)定性、耐臭氧和耐候性，并且無毒無臭。
3、承載芯。承載芯采用符合 YB /T 5004 的 A級鋅層鍍鋅鋼絞線，抗拉強度 1 370 MPa，絞合緊密，絞合節(jié)徑比不大于 14 倍，鋼絞線抗拉強度大。
4、承載芯隔離層。單獨設置的承載芯的機械性能完全區(qū)別于導體和絕緣等材料，為了防止承載芯直接與絕緣接觸，在承載芯外設置一層隔離層，隔離層選用與絕緣同質的材料，通過材料的一致性來減少電纜使用過程中承載芯及隔離層對絕緣的損傷。
5、內、外護套。卷筒電纜應用場合廣，電纜護層既要具有高強度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，還要具有耐低溫性能。故此按 DIN VDE 0207Teil 21 中 5GM5 為設計基準，對高強度氯丁橡膠護套的配方進行了開發(fā)攻關，橡膠材料選用氯丁橡膠為基料，對硫化、防護和補強填充等體系進行研究和改進。硫化體系不僅能改善膠料的交聯(lián)性、耐熱性，降低壓縮永久變形，還能提高膠料和纖維的粘合強度，且可以防止膠料在加工過程中焦燒; 防護體系使膠料具有優(yōu)良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能; 補強填充體系提高膠料的抗撕裂強度和拉伸強度，還可改善膠料的加工性能和擠出外觀。通過對硫化、防護和補強填充等體系的研究和改進，優(yōu)化配方設計，使加工后的護套滿足阻燃、耐油、耐磨、耐彎曲和耐低溫等性能要求，提高電纜的機械性能和耐環(huán)境性能。通過采用正交設計方法，最終得到高強度氯丁橡膠外護套優(yōu)化配方。
6、編織加強層。在提高內外護套抗張強度、抗撕裂強度和改善耐候性的基礎上，在內外護套之間再增設一層加強層，進一步增強電纜護層的綜合機械性能。加強層采用杜邦尼龍 66 纖維編織層，纖維具有耐高溫、高抗拉、高磨度、耐沖擊和耐化學劑等性能。
作者：生長飛， 彭旺全， 軒娜紅
根據(jù)上述要求，對產(chǎn)品的結構進行了設計定型
由于電纜的使用環(huán)境復雜，要求承載力大、頻繁卷繞、保證使用年限等，因此設計時必須考慮以下問題:
1、 導體截面的選擇。電纜芯數(shù)為 19 芯，載流量大于 10 A，電纜成品外徑小于 35 mm，參考《電線電纜載流量》中表 3-3-1，考慮電纜組群的降低因數(shù)，導體截面選取 1. 5 mm2 即可滿足要求。由于卷筒電纜頻繁卷繞會引起溫升過高，載流量安全裕度小，最終確定導體截面選用2.5mm²，按橡膠絕緣和護套的電纜結構設計，初步計算規(guī)格為19×2.5mm²的成品電纜外徑約為 27 mm。
2、電纜的承載強度。通過對使用場合的測試和理論計算，電纜的承拉力大于 6000 N，卷筒電纜頻繁卷放、拖曳，長期受力不均衡，因此電纜的承載設計尤為重要。《起重機設計手冊》第五章“起重機電氣設備”中的第三節(jié)“電線和電纜”指出: 移動供電用軟電纜的線芯拉斷力可按 137 ～ 157 N /mm2 計算，即 2. 5 mm2 的絕緣線芯可承受 342. 5 ～ 392. 5 N的拉力，規(guī)格為 19×2.5mm²的卷筒電纜可承受6 507. 5 ～ 7 457. 5 N 的拉力。但多芯電纜在實際使用中由于受力不均容易造成部分絕緣線芯因受力過大而拉斷，因此多芯電纜不能作為承載芯來計算承載強度。
市場上部分卷筒電纜為提高承載強度，電纜每芯銅導體的中心層直接采用鍍鋅鋼絲或鋼絞線作為承載芯，但鋼絲與銅絲的力學性能差異太大，電纜頻繁卷放時鋼絲應力會很快造成銅絲磨損、斷股，故這種結構不合理。最終確認選用符合 YB /T 5004 的型號規(guī)格為1 × 7-3. 0-1370-A 的鍍鋅鋼絞線作為承載芯，鋼絞線最小破斷拉力為 6 920 N。
3、 護套的抗開裂性能。卷筒電纜長期處于卷放、拖曳、擠壓等工作狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，電纜的護套容易損傷、破裂，失去保護作用，最終導致電纜報廢，縮短電纜的使用壽命，因此護套的加工設計尤為關鍵，需重點優(yōu)化護套結構。通過對卷筒電纜使用場合的分析，參照其他橡膠電纜產(chǎn)品結構及使用效果，采取“內外護套 + 編織加強層”的綜合結構設計，以滿足護套的抗開裂性能，增強護套和電纜的整體強度。
材料選用
1、導體材料。對于承載型卷筒電纜而言，需防止電纜在使用中出現(xiàn)導體斷芯現(xiàn)象，影響電纜的正常運行。導體材料選用優(yōu)質退火無氧銅，符合GB /T 3956 標準要求的第 6 種鍍錫軟導體，導體表面鍍層均勻、光亮，無氧化和毛刺等。
2、絕緣材料。絕緣材料采用符合 IEC 60092-351 的乙丙橡膠混合物，但抗張強度應不小于 6. 5MPa。乙丙橡膠混合物具有卓越的電絕緣性能、優(yōu)良的耐熱老化性、優(yōu)異的耐寒性、較好的化學穩(wěn)定性、耐臭氧和耐候性，并且無毒無臭。
3、承載芯。承載芯采用符合 YB /T 5004 的 A級鋅層鍍鋅鋼絞線，抗拉強度 1 370 MPa，絞合緊密，絞合節(jié)徑比不大于 14 倍，鋼絞線抗拉強度大。
4、承載芯隔離層。單獨設置的承載芯的機械性能完全區(qū)別于導體和絕緣等材料，為了防止承載芯直接與絕緣接觸，在承載芯外設置一層隔離層，隔離層選用與絕緣同質的材料，通過材料的一致性來減少電纜使用過程中承載芯及隔離層對絕緣的損傷。
5、內、外護套。卷筒電纜應用場合廣，電纜護層既要具有高強度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，還要具有耐低溫性能。故此按 DIN VDE 0207Teil 21 中 5GM5 為設計基準，對高強度氯丁橡膠護套的配方進行了開發(fā)攻關，橡膠材料選用氯丁橡膠為基料，對硫化、防護和補強填充等體系進行研究和改進。硫化體系不僅能改善膠料的交聯(lián)性、耐熱性，降低壓縮永久變形，還能提高膠料和纖維的粘合強度，且可以防止膠料在加工過程中焦燒; 防護體系使膠料具有優(yōu)良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能; 補強填充體系提高膠料的抗撕裂強度和拉伸強度，還可改善膠料的加工性能和擠出外觀。通過對硫化、防護和補強填充等體系的研究和改進，優(yōu)化配方設計，使加工后的護套滿足阻燃、耐油、耐磨、耐彎曲和耐低溫等性能要求，提高電纜的機械性能和耐環(huán)境性能。通過采用正交設計方法，最終得到高強度氯丁橡膠外護套優(yōu)化配方。
6、編織加強層。在提高內外護套抗張強度、抗撕裂強度和改善耐候性的基礎上，在內外護套之間再增設一層加強層，進一步增強電纜護層的綜合機械性能。加強層采用杜邦尼龍 66 纖維編織層，纖維具有耐高溫、高抗拉、高磨度、耐沖擊和耐化學劑等性能。
作者：生長飛， 彭旺全， 軒娜紅
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