論導線耐動態切割性能的改進設計范文

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摘要:對電線耐動態切割性能的影響因素導體和絕緣進行分析。導體方面包括結構、材質、鍍層材質和加工工藝，絕緣方面包括材質、厚度、同心度和加工工藝。為保證電線在其使用環境下具有足夠的耐動態切割性能，對其導體和絕緣進行優化設計。同時，需權衡電性能、機械性能等其它性能，使整體性能最優。

關鍵詞:電線;耐動態切割;改進設計

引言

航空導線(以下簡稱電線)的安裝環境有別于其它電線，比較復雜和狹小。在這種環境下使用的電線，可能會受到周邊環境中的金屬邊緣、其它電線等施加的機械負荷銳邊作用力(即動態切割力)，從而出現絕緣損壞的現象。絕緣損壞到一定程度就會造成電線短路，引發事故。在SAEAS22759《銅或銅合金導體含氟聚合物絕緣電線》及其詳細規范中，對航空航天電線的耐動態切割性能就提出了明確要求。本文通過分析電線結構、材質、加工工藝等因素，敘述如何提高電線的耐動態切割性能。

1性能評估

方法介紹SAEAS4373E方法703和ASTMD3032第22章中規定了耐動態切割試驗，模擬電線在室溫及工作溫度下經受機械負荷銳邊作用力時的受損情況，常用于評定電線絕緣耐動態切割的能力。具體試驗是將試樣放在樣品支架上，切刀垂直于試樣。試樣導體和切刀與檢測電路連接。啟動拉力試驗機，以5mm/min的速度向下移動切刀對試樣進行擠壓。當切刀切破絕緣并與導體導通時，自動停止試驗并記錄試驗過程中的最大應力。如果需要進行高溫下試驗，應在試驗前將高溫箱升高至規定溫度，并對試樣和試驗裝置進行預熱以達到熱平衡。

2導體

電線受到耐動態切割力后，隨著應力的逐漸增加，導體開始形變，為絕緣層提供緩沖，即耐動態切割力被導體形變吸收，此時，絕緣層一般不會受到明顯破壞;當應力持續增加至一定程度后，導體的形變達到極限，無法再為絕緣提供緩沖，此時，絕緣完全承受應力，迅速破損從而失效。導體形變的影響因素包括其結構、材質、鍍層材質和加工工藝。

2.1結構

相對于實心導體，絞合導體的絞股單絲間存在空隙，在應力負荷下，絞股單絲之間會產生位移，從而使整個導體在應力負荷下更容易變平，因而更易分散負荷。相同截面的絞合導體，絞股數越多，絞合得越松散(如采用束絞的結構)，在應力負荷下，絞股單絲間將更容易產生位移。根據成品對比，導體外徑近似、導體材質和絕緣材質及壁厚相同、導體結構不同的電線在室溫下的耐動態切割性能，詳見表1～表3。從表1中可以看出絞合導體電線明顯優于實心導體電線。從表2可以看出導體絞股數多的電線明顯優于導體絞股數少的電線。從表3可以看出束絞導體電線明顯優于正規絞合導體的電線。外徑相同時，絞合導體的截面積小于實心導體。導體截面積和導體直流電阻呈反比，截面積越小，直流電阻值越大。而截面積小的導體，其重量會更輕。材質和外徑相同的實心導體和絞合導體，其20℃直流電阻和重量的比較見表4。相對于實心導體，絞合導體由更細的單絲絞合而成，故其柔軟性更好。相對于正規絞合導體，束絞導體的節距更大，絞合得更松散，柔軟性更好，但其圓整度也因此較差。導體結構不同，絕緣加工方式也不同，導體結構的選擇會限制絕緣材料的選擇范圍。因此，在導體結構設計時，需要權衡各方面的因素，在提高耐動態切割性能的同時，兼顧導體直流電阻、圓整度、后續絕緣加工特性等其他性能。

2.2材質導體

材質的軟硬度對其形變亦有影響，導體材質越軟，在擠壓情況下，越容易變形，因此，在電線受到動態切割力時能為絕緣層提供的緩沖更大。以交聯乙烯-四氟乙烯共聚物(X-ETFE)絕緣電線為例，導體結構和絕緣材質及壁厚相同、導體材質不同的電線在室溫下的耐動態切割性能，詳見表5。從表5中可以看出，材質較軟的鍍銀銅線導體電線的耐動態切割性能明顯優于鍍銀銅合金線導體電線。鍍銀銅合金線的耐動態切割性能比鍍銀銅線差，而其他性能，兩種導體互有優劣，鍍銀銅合金線的抗拉強度更好，一般能達到345MPa以上;鍍銀銅線的伸長率更好，一般可以達到10%以上;鍍銀銅合金線由于合成了其他金屬元素，導電率有所下降。導體鍍層一般只有幾微米，因此，對導體機械性能的影響較小，對室溫下電線耐動態切割性能的影響基本可以忽略。導體鍍層材質會對導體的電性能、耐溫等級、裝接方式、絕緣加工工藝等造成影響。鍍銀層有利于提高導體的導電率。鍍鎳銅導體的耐溫等級較高，可以達到260℃，但其不能焊接，只能壓接。鍍錫銅導體可以焊接，但耐溫等級較低，只有150℃，受絕緣加工時高溫的影響，導體絞股單絲之間容易產生粘連，從而影響電線的耐動態切割性能。銀鍍層價格高于錫鍍層，銅合金線價格高于軟銅線。因此，在選擇導體材質時，在提高耐動態切割性能的同時，需兼顧抗拉強度、電性能，并權衡耐溫等級、裝接方式和成本。

2.3加工工藝

導體加工時，壓模、絞合張力、鍍層涂覆方式等對成品電線的耐動態切割性能亦有影響。通過調整壓模和絞合張力以獲得圓整、緊密的絞合導體，但絞合張力越大，壓模越小，絞合就越緊密，絞股單絲之間也就越難產生位移，耐動態切割性能將越差。因此，需要選擇合適的壓模和絞合張力。導體鍍層應在絞股單絲絞合前進行涂覆，絞合后再涂覆會造成絞股單絲粘連，出現粘連的絞股單絲之間較難產生位移，耐動態切割性能會下降。

3絕緣

影響電線耐動態切割性能的絕緣因素，包括材質、厚度、同心度和加工工藝。

3.1材質不同

材質電線的耐動態切割性能不同，其耐動態切割性能隨溫度升高而劣化的速度也有所差異。根據成品對比，導體和絕緣厚度相同、絕緣材質不同的電線在不同溫度下的耐動態切割性能見圖1。從圖1中可以看出，相同環境溫度下聚四氟乙烯(PT-FE)絕緣電線的耐動態切割性能優于聚全氟乙丙烯(FEP)絕緣電線，PTFE絕緣電線耐動態切割性能隨溫度升高而劣化的速度也略小于FEP絕緣電線。雖然，PTFE的耐動態切割性能優于FEP，但PTFE需采用冷推擠包覆在導體上，此過程中會產生很大的擠出壓力，這對導體的結構有所要求，需要導體能承受較大的壓力而不退扭、松散。不同材料的耐溫等級也不同，PTFE耐溫等級可達260℃，而FEP、X-ETFE只有200℃。PTFE耐溫等級較高，但耐輻射性能不如X-ETFE。不同材料的價格不同，PTFE的價格低于FEP。因此選擇絕緣材質時，在提高耐動態切割性能的同時，需兼顧耐輻照等性能，并要權衡絕緣耐溫等級、絕緣加工對導體的要求，以及成本因素。

3.2厚度

導體和絕緣材質相同、絕緣厚度不同的電線在室溫下的耐動態切割性能見表6。由表6可以看出，絕緣層越厚，電線的耐動態切割性能更優良。絕緣厚度的增加也會提高電線的耐電壓等級，但絕緣厚度越大，意味著使用的絕緣料更多，電線的重量和制造成本會有所升高。因此絕緣厚度設計中，在提高耐動態切割性能的同時，需權衡電線重量和成本因素。

3.3同心度

電線的絕緣切片示意圖見圖2。從上式中可以看出，最小絕緣壁厚(δmin)與最大絕緣壁厚(δmax)相差越大，同心度則越差。相同結構尺寸和材料的電線，絕緣同心度越差，電線不同部位的絕緣壁厚差異則越大。而絕緣壁厚對電線的耐動態切割性能有較大影響，因此，絕緣同心度性能的優劣會造成電線不同部位的耐動態切割性能存在差異，同心度越差，差異則越大。對于擠出型絕緣，同心度指標越高，絕緣加工的難度則越大，對設備的要求也越高。而薄膜繞包型絕緣，繞包的加工方式決定了其基本不會出現同心度差的情況。因此，在規定絕緣同心度指標時，需要權衡實際絕緣加工的難易程度，根據現有的設備精度規定合理的指標。對同心度要求比較高時，也可考慮選擇繞包絕緣。

3.4加工工藝

不同的絕緣加工方式，擠出壓力不同，如PTFE推擠和硅橡膠擠出的壓力較大，熔融擠出和繞包則相對較小。相同的絕緣加工方式，工藝參數不同，擠出壓力也相差較大，如PTFE推擠時，不同的缸筒和模具尺寸、不同的溶劑配比等都會對擠出壓力造成影響。而導體的股數越多、絞合得越松散，其耐動態切割性能越好，但其能承受的加工壓力會越小。壓力過大容易造成導體絞股變形、拱起、退扭，從而造成絕緣層電擊穿，嚴重的甚至無法進行絕緣加工。無論是熔融擠出，還是推擠或繞包絕緣后再燒結，都需要經過高溫。高溫可能會造成電線導體的絞股單絲間產生粘連，出現粘連的絞股單絲之間較難產生位移，相應的電線耐動態切割性能會下降。因此，絕緣加工時，需對導體經過的高溫區的溫度和時間進行控制，防止出現導體絞股粘連現象。

3.5絕緣護層

為提升電線的耐動態切割性能，可以在電線絕緣層外設置一個防護層，如玻璃絲編織后整體涂覆耐高溫漆，使電線絕緣層在絕緣護層被破壞前免受損傷，但增加絕緣護層，電線的外徑、重量及制造成本均會有較大的增加。因此，應根據電線使用的實際情況，決定是否需要設置絕緣護層。

4結束語

為保證電線在其使用環境下具有足夠的耐動態切割性能，在確保導體電阻和機械性能、電線外徑和重量、耐環境性能等滿足要求的前提下，宜采用如下改進設計:(1)導體。選擇絞合的導體，必要時，選擇束絞的導體;增加導體股數;選擇較軟的導體材質;選擇耐溫等級較高的導體材質;選擇合適的導體絞合工藝，不采用導體絞合后再整體涂覆鍍層的方式。(2)絕緣。選擇耐動態切割性能隨溫度升高劣化的速度小的材質;選擇耐溫等級較高的材質;適當增加絕緣厚度;確定合理的同心度指標，必要時，采用繞包的絕緣加工方式;絕緣加工時避免導體絞股粘連現象;必要時，增加絕緣護層。在采用上述設計的同時，需權衡電線的其它性能，使電性能和機械性能平衡，整體性能最優。亦要考慮成本因素，以防過度設計，增加制造成本。

參考文獻:

［3］郭漢洋，吳旼，桂觀群．航空絕緣電線耐動態切通試驗影響因素的討論［J］．電線電纜，2015(3):36-38．

作者：丁春風 單位：江蘇通光電子線纜股份有限公司