拖链电缆的结构设计

杨锐

（上海埃因电线电缆有限公司，上海 201414）

随着工业4.0时代的到来，“互联网+制造”的理念被越来越多的人所熟知，随之而来的是大规模工业用自动化设备的普及，这也对为设备提供动力、控制、通信功能的电缆提出了更为苛刻的使用要求。为了防止电缆跟随运动部件做高速往复移动时可能发生的电缆纠缠、散乱、叠压，通常把电缆放入拖链盒（坦克链）中进行保护，这种可以跟随拖链盒进行往复移动百万次以上而不发生故障的特殊高柔性专用电缆就是拖链电缆。

1 拖链电缆概述

拖链电缆是一种应用于自动化生产线、数控机床、仓储设备、起重机等领域的特殊结构高柔性专用电缆。由于使用环境的特殊性、复杂性，通常要求电缆具有较好的柔韧性和回弹性，可以保证在百万次甚至千万次的移动弯曲下不发生断线故障，并具有耐磨、耐油、耐水解及耐高低温等特性，可以适用于露天、潮湿、油污等极端复杂恶劣的环境。

2 拖链电缆的结构设计

拖链电缆结构如图1所示。

拖链电缆由内到外可分为导体、绝缘、内护套、屏蔽和外护套以及中心加强件等。

2.1 导体

图1 拖缆电缆结构

导体是电缆中负责电力传输的关键部件。由于拖链电缆在使用过程中会发生多次且重复的弯曲拉伸，所以导体的材料需要具备较强的柔韧性能和较高的电导率。从国际电工委员 会 标 准IEC 60228：2004中不难看出，相同截面的导体，当其中的单线直径越小数量越多时，导体也就越发的柔软。但是，只满足于上述的要求是无法达到百万次弯曲而导体不发生断线的要求的，必须同时从导体绞合结构方面设计合理的工艺参数，才能使整个产品满足设计使用的要求。电缆导体选用的单线直径比IEC 60228：2004标准中规定的6类软铜导体最大单线直径还要小，这样做可以增加导体的柔韧性。但单线直径不能过小，否则，会造成单丝的缠绕现象，同时，也增加了导体束绞工艺的难度，降低生产效率。在束合及复绞节距上要控制节距，节距不可过大，节距过大会造成电缆弯曲时单线铜丝间会受到挤压或拉伸力而断线。也不可过小，过小的节距会使绞入率增大增加额外的制造成本。在绞向上应尽量采用同向绞合，并注意各单线及股线的张力控制应均匀，不可出现过松或过紧的现象。工业生产上可通过实验确定最佳丝径，节距和绞向的组合，从而得到最佳的弯曲性能。

2.2 绝缘

拖链电缆的运行状态是不断弯曲的往复运动，这也使得它的绝缘结构设计必定有别于传统意义上的固定敷设类电缆。绝缘层是电线电缆的重要组成部分，其主要作用是分隔带电体，使电缆安全运行。绝缘材料的选用一般要求有较小的介电常数和介质损耗角及较大的耐电能力和击穿场强。而绝缘结构的设计主要应该考虑三个因素为击穿强度、机械性能、工艺可行性。可选用半硬质PVC、橡胶混合物、橡塑弹性体或聚酯弹性体等性能优异的绝缘材料。

2.3 成缆

成缆是把若干个绝缘线芯或线芯单元组绞合成缆芯的工艺过程。常规固定敷设类电缆的成缆工艺一般都遵循着一些特定的规则。例如，多芯电缆大多采用所有芯线一次性分层绞合的方式，由内至外相邻层绞合方向相反，最外层一般为右向绞合，7芯、19芯、37芯这种带中心线的正规绞合外径最小结构也最稳定，各层间采用较大的节径比等。但这种工艺用在拖链电缆上显然是不合适的，因拖链电缆自身的运行状态、使用寿命等要求，与常规固定敷设类电缆有着本质区别。

成缆时线芯排列6芯及以下芯数与常规电缆相同，7芯及以上便有所区别。为了使拖链电缆在百万次的弯曲下不断芯，要求所有芯线按照一定规则进行绞合成缆。故不能如普通成缆结构那样采用1+6排列和带有中心线的组合，而应采用0+7的成缆结构，即所有芯线在外侧排成一圈中心由填充材料作为支撑件。这样做的目的是为了避免电缆在弯曲时产生的挤压或拉伸力对中心芯线造成的结构性破坏，以防止断芯现象的发生。

对于芯数较多的10芯以上电缆，这样的排列结构依然存在弊端。首先，会使成缆外径变大，造成后续工序的加工困难及材料的浪费和生产成本的增加。同时，较大外径的电缆在制造、包装、运输、敷设及使用过程中会造成很多隐性成本的支出。所以对于芯数较多的拖链电缆应采用分组绞合后进行总成缆的结构，先将一定根数一般不超过6芯的线芯进行分组成缆，在将各线芯组进行总成缆。这样做可以有效减小成缆外径，同时，还可以在一定程度上增加电缆的柔韧性。

作为电缆设计人员，应当考虑根据不同数量的芯线，合理选用一次成缆或分组总成的结构，来设计拖链电缆的成缆工艺及其参数。总之，电缆的成缆排列结构是否合理，将直接影响拖链电缆的弯曲使用寿命。

2.4 内护套

内护套的作用是减小屏蔽层和绝缘层在弯曲时相互之间的摩擦，保证绝缘线芯不被损坏。同时，挤压式内护还可以起到固定芯线位置的作用，防止线芯在高速移动时位置发生变化而造成芯线间的叠压受力不均导致断线。内护套通常采用弹性好的材料以挤压式生产，保证芯线与内护套之间的缝隙尽可能小，避免缆芯松动。

2.5 屏蔽

屏蔽的作用是保证电缆中信号传输不受外界电场干扰。屏蔽层需要关注柔韧性能和屏蔽效果两个指标。其工艺包括编织屏蔽和缠绕屏蔽两种，编织屏蔽的抗干扰性和抗弯曲性较好，可以选择高电导率的铜线或锡铜线编织，而缠绕屏蔽的柔韧性和耐扭转性则更好。编织屏蔽的编织角度直接决定了屏蔽层能否在多次弯曲下是否发生断裂，易采用较小的编织角度。

2.6 外护套

外护套的主要作用是保护电缆芯线不受外界环境因素或机械力的干扰而正常运行，因此，外护套要求具有高耐磨性和耐恶劣环境的特性。可以选用弹性体聚氨酯、热塑性混合物橡胶、交联橡胶弹性体等。

3 拖链电缆的应用和特性

拖链电缆在工业自动化设备中使用广泛，主要的应用领域通常有工厂的自动生产链、工业上的电子跟踪控制系统、自动化装配设备、集装箱卸装桥等。综合来说，应用场合多为中大型工业设备。

3.1 应用介绍

拖链电缆可广泛应用在集装箱港口，采矿生产线、工业自动化装配车间、汽车自动化生产车间，包装流水线等领域。拖链电缆敷设在各种大型移动设备的拖链盒内，随着设备的移动，拖链电缆一直处于频繁连续的往复运动状态。在数以百万次的往复运动过程中，电缆内部会发生弯曲、扭转、摩擦。这就要求拖链电缆具备优异的抗弯曲性能，耐恶劣环境的性能。这和普通电缆以及柔性电缆有着本质的区别。

3.2 性能比较

拖链电缆由于其使用环境的不同，其性能也远远优于普通电缆、柔性电缆等传统类型电缆。

柔韧性：通常来说，因为拖链电缆需要具备更好的抗弯曲性能，所以拖链电缆要比普通电缆更软，但是，也并非越软越适用，由于其绝缘层材料有很强的耐机械弯曲耐磨性能，故还是有一定的硬度及以回弹性。

抗拉伸性能：拖链电缆相比传统电缆有更强的抗拉伸性能，在其使用环境下由于电缆要随设备不断地往复运动，在运动过程中难免出现被动拉伸的情况，故电缆需要具备一定的抗拉伸性能。

耐磨性耐油性：通常外护套选择具备高耐磨性耐油性的弹性体聚合材料，在电缆高速往复运动的过程中，受到的摩擦损耗不言而喻；同时，应用场景大型设备多，故润滑油机油等确保设备正常运转的油类物质也多，这些油类物质难免和电缆接触，故具有高耐磨性和高耐油性能将大大提高电缆的使用寿命。拖链电缆与传统电缆性能对比。见表1所示。

表1 拖链电缆与传统电缆性能比较

4 结语

拖链电缆为现代工业自动化领域的供电、控制、通信系统提供了优秀的解决方案，其优异的机械性能和供电可靠性，已成为自动化设备不可或缺的配套部件。但因为拖链电缆的运行状态及工作方式，注定其使用寿命不会太长，属于消耗性产品。未来通过改善电缆材料的特性和工艺结构，以提高拖链电缆的使用寿命，将成为电缆设计研发的方向。