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《光纖與電纜及其應用技術雜志》2016年第5期

摘要：

在參考客戶提供的電纜技術標準和ISO6722：2006標準的基礎上，探討了軌道交通機車線纜高溫熱切試驗原理，介紹自主研發(fā)的高溫熱切試驗系統(tǒng)。軌道交通機車線纜高溫熱切性能設計主要包括材料設計、結構設計、工藝設計和控制，以美標內(nèi)燃機機車電纜的高溫熱切性能設計為例對整個設計過程進行了詳細介紹。

關鍵詞：

機車電纜；美國標準；高溫熱切試驗

0引言

隨著清潔能源的不斷發(fā)展，軌道交通機車技術不斷更新，機車材質更環(huán)保、重量更輕，對所用的配件（如線纜）要求也越來越高。軌道交通機車內(nèi)的工作空間越來越狹小，電纜或電線一般做成線束安裝在機車內(nèi)部用于信號或動力傳輸。為了確保軌道交通機車安全運行，軌道交通機車線纜必須能在高溫、嚴寒、震動、摩擦等復雜環(huán)境中保持良好的工作狀態(tài)，應具備耐燃料油（如＃902油或＃903油）、耐溶劑（如浸漬漆）、低煙無鹵、阻燃耐火、耐腐蝕性氣體等性能。目前，軌道交通類電纜標準主要有歐洲標準EN系列、國家標準GB（等同IEC）系列及美國標準系列。其中美國標準系列在美國環(huán)保局（U．S．EPA）實行機車Tier4排放標準，要求第四代內(nèi)燃機車采用排氣后處理裝置（如顆粒物過濾器或選擇性催化還原裝置（SCR）等）以達到對環(huán)境更環(huán)保、污染更降低的效果后，為了與之相適應，對軌道交通類電纜的環(huán)境環(huán)保性、低污染性提出了更為嚴格的要求。國內(nèi)軌道交通機車線纜生產(chǎn)企業(yè)較多參照歐洲標準與國家標準生產(chǎn)，很少參照美國標準生產(chǎn)。在面對更為嚴格的軌道交通機車電纜美國標準系列，以及龐巴迪、大眾、GE等機車制造商的企業(yè)標準，國內(nèi)軌道交通機車線纜生產(chǎn)企業(yè)在技術上就顯得有些準備不足了。為了滿足客戶的需求，本公司開發(fā)了符合美國標準系列的美標內(nèi)燃機機車電纜。在美標內(nèi)燃機機車電纜整個開發(fā)過程中，從結構設計、材料研發(fā)、工藝控制到性能測試等方面均遇到了各類技術難題，在解決技術難題過程中本公司對美標機車電纜的研發(fā)能力也同步獲得了增強。本文以美標內(nèi)燃機機車電纜高溫熱切性能的設計為例進行介紹，為國內(nèi)軌道交通機車線纜生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)相關產(chǎn)品提供參考。

1高溫熱切試驗設計

高溫熱切性能是軌道交通機車線纜美國標準系列中要求最為嚴格的性能，其主要衡量在機車內(nèi)部高溫環(huán)境中線纜與利刃接觸時仍能有效工作，確保機車運行安全等級的能力。目前，主要根據(jù)高溫熱切試驗的通過與否來判定電纜高溫熱切性能的合格與否，故必須對高溫熱切試驗進行合理設計。

1．1參考標準

根據(jù)相關標準規(guī)定，在22AWG（直徑0．643mm）～1111MCM（截面積562．9437mm2）線纜導體規(guī)格中只有導線線規(guī)在12AWG（直徑2．05mm）及以下電纜需要進行高溫熱切試驗。因此，在設計高溫熱切試驗時，我們主要參考了客戶提供的電纜技術標準（《41A313392》H版）和ISO6722：2006標準。表1示出了《41A313392》標準中導體規(guī)格12AWG（截面積約為3．33mm2）的高溫熱切試驗規(guī)定和ISO6722：2006標準中相近導體規(guī)格4mm2的高溫壓力試驗規(guī)定［1］。雖然ISO6722：2006標準中高溫壓力試驗所給出的負重質量、刀片半徑、預處理溫度都要比《41A313392》標準中高溫熱切試驗嚴格，但因針對的材料有所不同及線纜測試時關注的方面有所不同，故美標內(nèi)燃機機車電纜高溫熱切試驗的設計主要參考了《41A313392》標準中高溫熱切試驗相關規(guī)定。

1．2試驗過程設計

以12AWG2000V美標內(nèi)燃機機車電纜為例，其高溫熱切試驗過程是將試樣電纜放入170℃烘箱中靜置1h，然后在烘箱內(nèi)將質量為1500g負重掛在試樣電纜上面的刀片掛鉤處，刀片的半徑≤0．025mm，負重10min，試樣電纜絕緣不應被負重刀片切穿，10min后沿著同一截面順時針旋轉120°重復上一步驟，10min后再沿著同一截面順時針旋轉120°重復上一步驟，即同一截面3面皆不可被利刃切穿。試驗中所用的烘箱應為UL標準烘箱，換氣速度為100～200次／h，3次10min的高溫熱切試驗均在170℃烘箱中完成。

1．3試驗設備設計

為了確保高溫熱切試驗順利進行，我們自主研發(fā)了一套高溫熱切試驗系統(tǒng)，并成功申請了專利（專利號：201420536715．4）。該高溫熱切試驗系統(tǒng)的結構如圖1所示，其包括紫外線熱老化試驗箱體、蜂鳴箱、電纜支架及砝碼若干。紫外線熱老化箱體上方開有兩個孔洞，每個孔洞均配有密封墊，從兩個孔洞中引出兩根導線插入蜂鳴箱內(nèi)；蜂鳴箱中設置兩個指示燈、一個報警器及兩根從紫外線熱老化箱中引出的帶有金屬夾頭的導線，蜂鳴箱內(nèi)可設定試驗時間，紅色燈亮表示試驗系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，綠色燈亮表示試驗系統(tǒng)工作完成；電纜支架采用不銹鋼結構，上層放置試樣電纜，并配備懸掛式掛鉤，掛鉤上方設置一刀片，刀片垂直于試樣電纜上表面，掛鉤下方懸掛砝碼若干；從紫外線熱老化箱體上方孔洞中由上而下引入兩個帶金屬夾頭的導線，一個金屬夾頭連接一端剝?nèi)ソ^緣的試樣電纜中的導體，另一個金屬夾頭連接懸掛于刀片下方的掛鉤。高溫熱切試驗時，紫外線熱老化試驗箱內(nèi)保持一定溫度，試樣電纜置于電纜支架上，砝碼懸掛于刀片下，接通電源后，當試樣電纜的絕緣被刀片切透并接觸到電纜導體時，則刀片、金屬掛鉤與蜂鳴器形成一個通路，蜂鳴器報警，由此可判定電纜高溫熱切性能不合格。

2電纜高溫熱切性能設計

軌道交通機車線纜高溫熱切性能設計的主要包括材料設計、結構設計、工藝設計和控制三個方面，下文以美標內(nèi)燃機機車電纜的高溫熱切性能設計為例進行詳細介紹。

2．1材料設計

多次試驗表明，美標內(nèi)燃機機車電纜如要通過高溫熱切試驗，其所用絕緣材料的斷裂伸長率的最佳范圍為200％～220％，同時抗拉強度的最佳范圍10～14MPa。為了使研制的美標內(nèi)燃機機車電纜滿足客戶提供的電纜技術標準，通過高溫熱切試驗，我們根據(jù)本公司的實際生產(chǎn)能力，進行了大量的絕緣材料篩選、配比研究試驗。其中以乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）、氯化聚乙烯（CPE）、乙丙橡膠（EPR）等為基材，加入無機阻燃劑Mg（OH）2／Al（OH）3、抗氧劑TH－AO2等助劑，再配以其他相關材料合成的輻照型特種交聯(lián)聚烯烴材料與化學交聯(lián)彈性體共聚物的電性能、機械性能表現(xiàn)最好。表2對比了該輻照型交聯(lián)聚烯烴絕緣材料性能指標與國內(nèi)外標準對軌道交通機車線纜用絕緣材料性能指標要求，可見該輻照型交聯(lián)聚烯烴絕緣材料可同時滿足斷裂伸長率≥200％、抗拉強度≥10MPa。

2．2結構設計

理論上，當電纜絕緣材料確定后，電纜同一截面上只要有一個點通過高溫熱切試驗，則剩余兩個點也應通過試驗。但在大量電纜高溫熱切試驗中，我們發(fā)現(xiàn)高溫熱切試驗時電纜同一截面上三個點的測試結果差異很大，而這與電纜的結構設計（導體、絕緣厚度）、工藝設計和控制有較大的關系。美標內(nèi)燃機機車電纜結構較為簡單（如圖2所示），即導體＋絕緣，導體由滿足ASTMB33標準鍍錫銅線絞合而成，導體20℃直流電阻和絕緣厚度應滿足標準ICEAS－95－658［2］。以12AWG2000V美標內(nèi)燃機機車電纜為例，按相關標準，導體由19根0．475mm鍍錫銅單線絞合緊壓而成，緊壓導體外徑為2．16mm，絕緣平均厚度為1．14mm，絕緣厚度最薄點為1．03mm，絕緣平均厚度的電纜外徑為4．44mm，絕緣厚度最薄點電纜外徑為4．22mm，客戶要求該電纜的最大外徑為4．6mm。為了能順利通過高溫熱切試驗，絕緣厚度應盡量設計成接近上限1．22mm。

2．3工藝設計和控制

為了滿足客戶提供的電纜技術標準，通過高溫熱切試驗，美標內(nèi)燃機機車電纜導體采用德國Niehoff多頭連拉連退拉絲機拉制并在線退火、德國Niehoff多頭束絲機束絲、分層緊壓技術緊壓，束絲緊壓后測量導體外徑和20℃直流電阻，絲徑偏差控制在±0．002mm以內(nèi)，束絲緊壓后導體應外徑均勻、圓整、平滑。絕緣采用進口擠塑機擠出，精確控制絕緣厚度及電纜外徑（盡量接近上限），擠制的電纜應外徑均勻、圓整、平滑。由于輻照工藝參數(shù)（輻照方式、輻照劑量）的設定直接影響美標內(nèi)燃機機車電纜絕緣交聯(lián)水平和電纜絕緣最終機械性能，因此為了確保成品電纜絕緣斷裂伸長率不小于200％，同時電纜又能通過高溫熱切試驗，我們進行了大量輻照工藝模擬試驗。電子束輻照方式有單向輻照與雙向輻照兩種。相比于單向輻照方式，雙向輻照方式采用在下方安裝電磁感應裝置，使由上而下發(fā)射的電子束在經(jīng)過磁場時發(fā)生了方向偏移進而實現(xiàn)再次輻照，使上下兩面輻照更為均勻。由于雙向輻照設備尚未實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，而進口雙向輻照設備又投資較大，因此美標內(nèi)燃機機車電纜絕緣仍采用國內(nèi)常用的單向輻照設備輻照，但對單向輻照設備進行改進，使電纜在輻照加速器內(nèi)行進時定向規(guī)則旋轉，從而使輻照更為均勻，絕緣交聯(lián)水平更為穩(wěn)定，絕緣機械性能更佳。輻照劑量與絕緣性能的關系如圖3所示，可見輻照劑量與絕緣各性能（靜態(tài)模量、動態(tài)模量、硬度、拉伸強度、斷裂伸長率、疲勞強度、摩擦因數(shù)、耐熱性）關系曲線是互相制衡的。絕緣斷裂伸長率和拉伸強度這兩項指標與電纜高溫熱切性能密切相關，在其他工藝條件不變的前提下，隨著輻照劑量的提高絕緣斷裂伸長率呈逐步下降趨勢，而拉伸強度則呈先升后降。通過兩者關系曲線的相交點，結合電纜絕緣厚度、結構、外徑，找到最優(yōu)輻照劑量，使絕緣獲得最佳交聯(lián)點，以確保成品電纜絕緣斷裂伸長率不小于200％，同時抗拉強度不小于10MPa，這樣電纜就能通過高溫熱切試驗。以12AWG2000V美標內(nèi)燃機機車電纜為例，其輻照劑量設定在2．0～5．0m／（min•mA）為宜。

3結束語

為了給我國軌道交通機車線纜生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)相關產(chǎn)品提供參考，本文詳細介紹了在參考了客戶提供的電纜技術標準（《41A313392》H版）和ISO6722：2006標準的基礎上對美標內(nèi)燃機機車電纜高溫熱切試驗過程的設計，以及為確保高溫熱切試驗順利進行自主研發(fā)的高溫熱切試驗系統(tǒng)，并從材料、結構、工藝三個方面對美標內(nèi)燃機機車電纜高溫熱切性能的設計。

參考文獻：

［1］ISO．道路車輛—60V和600V單芯電纜—規(guī)格、試驗方法和要求：ISO6722：2006［S］．2006．

作者:王伊雷 周旭芝 胡清平 張雪蓮 單位:遠東電纜有限公司