轨道交通机车线缆高温热切试验探究范文

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《光纤与电缆及其应用技术杂志》2016年第5期

摘要：

在参考客户提供的电缆技术标准和ISO6722：2006标准的基础上，探讨了轨道交通机车线缆高温热切试验原理，介绍自主研发的高温热切试验系统。轨道交通机车线缆高温热切性能设计主要包括材料设计、结构设计、工艺设计和控制，以美标内燃机机车电缆的高温热切性能设计为例对整个设计过程进行了详细介绍。

关键词：

机车电缆；美国标准；高温热切试验

0引言

随着清洁能源的不断发展，轨道交通机车技术不断更新，机车材质更环保、重量更轻，对所用的配件（如线缆）要求也越来越高。轨道交通机车内的工作空间越来越狭小，电缆或电线一般做成线束安装在机车内部用于信号或动力传输。为了确保轨道交通机车安全运行，轨道交通机车线缆必须能在高温、严寒、震动、摩擦等复杂环境中保持良好的工作状态，应具备耐燃料油（如＃902油或＃903油）、耐溶剂（如浸渍漆）、低烟无卤、阻燃耐火、耐腐蚀性气体等性能。目前，轨道交通类电缆标准主要有欧洲标准EN系列、国家标准GB（等同IEC）系列及美国标准系列。其中美国标准系列在美国环保局（U．S．EPA）实行机车Tier4排放标准，要求第四代内燃机车采用排气后处理装置（如颗粒物过滤器或选择性催化还原装置（SCR）等）以达到对环境更环保、污染更降低的效果后，为了与之相适应，对轨道交通类电缆的环境环保性、低污染性提出了更为严格的要求。国内轨道交通机车线缆生产企业较多参照欧洲标准与国家标准生产，很少参照美国标准生产。在面对更为严格的轨道交通机车电缆美国标准系列，以及庞巴迪、大众、GE等机车制造商的企业标准，国内轨道交通机车线缆生产企业在技术上就显得有些准备不足了。为了满足客户的需求，本公司开发了符合美国标准系列的美标内燃机机车电缆。在美标内燃机机车电缆整个开发过程中，从结构设计、材料研发、工艺控制到性能测试等方面均遇到了各类技术难题，在解决技术难题过程中本公司对美标机车电缆的研发能力也同步获得了增强。本文以美标内燃机机车电缆高温热切性能的设计为例进行介绍，为国内轨道交通机车线缆生产企业研发相关产品提供参考。

1高温热切试验设计

高温热切性能是轨道交通机车线缆美国标准系列中要求最为严格的性能，其主要衡量在机车内部高温环境中线缆与利刃接触时仍能有效工作，确保机车运行安全等级的能力。目前，主要根据高温热切试验的通过与否来判定电缆高温热切性能的合格与否，故必须对高温热切试验进行合理设计。

1．1参考标准

根据相关标准规定，在22AWG（直径0．643mm）～1111MCM（截面积562．9437mm2）线缆导体规格中只有导线线规在12AWG（直径2．05mm）及以下电缆需要进行高温热切试验。因此，在设计高温热切试验时，我们主要参考了客户提供的电缆技术标准（《41A313392》H版）和ISO6722：2006标准。表1示出了《41A313392》标准中导体规格12AWG（截面积约为3．33mm2）的高温热切试验规定和ISO6722：2006标准中相近导体规格4mm2的高温压力试验规定［1］。虽然ISO6722：2006标准中高温压力试验所给出的负重质量、刀片半径、预处理温度都要比《41A313392》标准中高温热切试验严格，但因针对的材料有所不同及线缆测试时关注的方面有所不同，故美标内燃机机车电缆高温热切试验的设计主要参考了《41A313392》标准中高温热切试验相关规定。

1．2试验过程设计

以12AWG2000V美标内燃机机车电缆为例，其高温热切试验过程是将试样电缆放入170℃烘箱中静置1h，然后在烘箱内将质量为1500g负重挂在试样电缆上面的刀片挂钩处，刀片的半径≤0．025mm，负重10min，试样电缆绝缘不应被负重刀片切穿，10min后沿着同一截面顺时针旋转120°重复上一步骤，10min后再沿着同一截面顺时针旋转120°重复上一步骤，即同一截面3面皆不可被利刃切穿。试验中所用的烘箱应为UL标准烘箱，换气速度为100～200次／h，3次10min的高温热切试验均在170℃烘箱中完成。

1．3试验设备设计

为了确保高温热切试验顺利进行，我们自主研发了一套高温热切试验系统，并成功申请了专利（专利号：201420536715．4）。该高温热切试验系统的结构如图1所示，其包括紫外线热老化试验箱体、蜂鸣箱、电缆支架及砝码若干。紫外线热老化箱体上方开有两个孔洞，每个孔洞均配有密封垫，从两个孔洞中引出两根导线插入蜂鸣箱内；蜂鸣箱中设置两个指示灯、一个报警器及两根从紫外线热老化箱中引出的带有金属夹头的导线，蜂鸣箱内可设定试验时间，红色灯亮表示试验系统处于工作状态，绿色灯亮表示试验系统工作完成；电缆支架采用不锈钢结构，上层放置试样电缆，并配备悬挂式挂钩，挂钩上方设置一刀片，刀片垂直于试样电缆上表面，挂钩下方悬挂砝码若干；从紫外线热老化箱体上方孔洞中由上而下引入两个带金属夹头的导线，一个金属夹头连接一端剥去绝缘的试样电缆中的导体，另一个金属夹头连接悬挂于刀片下方的挂钩。高温热切试验时，紫外线热老化试验箱内保持一定温度，试样电缆置于电缆支架上，砝码悬挂于刀片下，接通电源后，当试样电缆的绝缘被刀片切透并接触到电缆导体时，则刀片、金属挂钩与蜂鸣器形成一个通路，蜂鸣器报警，由此可判定电缆高温热切性能不合格。

2电缆高温热切性能设计

轨道交通机车线缆高温热切性能设计的主要包括材料设计、结构设计、工艺设计和控制三个方面，下文以美标内燃机机车电缆的高温热切性能设计为例进行详细介绍。

2．1材料设计

多次试验表明，美标内燃机机车电缆如要通过高温热切试验，其所用绝缘材料的断裂伸长率的最佳范围为200％～220％，同时抗拉强度的最佳范围10～14MPa。为了使研制的美标内燃机机车电缆满足客户提供的电缆技术标准，通过高温热切试验，我们根据本公司的实际生产能力，进行了大量的绝缘材料筛选、配比研究试验。其中以乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）、氯化聚乙烯（CPE）、乙丙橡胶（EPR）等为基材，加入无机阻燃剂Mg（OH）2／Al（OH）3、抗氧剂TH－AO2等助剂，再配以其他相关材料合成的辐照型特种交联聚烯烃材料与化学交联弹性体共聚物的电性能、机械性能表现最好。表2对比了该辐照型交联聚烯烃绝缘材料性能指标与国内外标准对轨道交通机车线缆用绝缘材料性能指标要求，可见该辐照型交联聚烯烃绝缘材料可同时满足断裂伸长率≥200％、抗拉强度≥10MPa。

2．2结构设计

理论上，当电缆绝缘材料确定后，电缆同一截面上只要有一个点通过高温热切试验，则剩余两个点也应通过试验。但在大量电缆高温热切试验中，我们发现高温热切试验时电缆同一截面上三个点的测试结果差异很大，而这与电缆的结构设计（导体、绝缘厚度）、工艺设计和控制有较大的关系。美标内燃机机车电缆结构较为简单（如图2所示），即导体＋绝缘，导体由满足ASTMB33标准镀锡铜线绞合而成，导体20℃直流电阻和绝缘厚度应满足标准ICEAS－95－658［2］。以12AWG2000V美标内燃机机车电缆为例，按相关标准，导体由19根0．475mm镀锡铜单线绞合紧压而成，紧压导体外径为2．16mm，绝缘平均厚度为1．14mm，绝缘厚度最薄点为1．03mm，绝缘平均厚度的电缆外径为4．44mm，绝缘厚度最薄点电缆外径为4．22mm，客户要求该电缆的最大外径为4．6mm。为了能顺利通过高温热切试验，绝缘厚度应尽量设计成接近上限1．22mm。

2．3工艺设计和控制

为了满足客户提供的电缆技术标准，通过高温热切试验，美标内燃机机车电缆导体采用德国Niehoff多头连拉连退拉丝机拉制并在线退火、德国Niehoff多头束丝机束丝、分层紧压技术紧压，束丝紧压后测量导体外径和20℃直流电阻，丝径偏差控制在±0．002mm以内，束丝紧压后导体应外径均匀、圆整、平滑。绝缘采用进口挤塑机挤出，精确控制绝缘厚度及电缆外径（尽量接近上限），挤制的电缆应外径均匀、圆整、平滑。由于辐照工艺参数（辐照方式、辐照剂量）的设定直接影响美标内燃机机车电缆绝缘交联水平和电缆绝缘最终机械性能，因此为了确保成品电缆绝缘断裂伸长率不小于200％，同时电缆又能通过高温热切试验，我们进行了大量辐照工艺模拟试验。电子束辐照方式有单向辐照与双向辐照两种。相比于单向辐照方式，双向辐照方式采用在下方安装电磁感应装置，使由上而下发射的电子束在经过磁场时发生了方向偏移进而实现再次辐照，使上下两面辐照更为均匀。由于双向辐照设备尚未实现完全国产化，而进口双向辐照设备又投资较大，因此美标内燃机机车电缆绝缘仍采用国内常用的单向辐照设备辐照，但对单向辐照设备进行改进，使电缆在辐照加速器内行进时定向规则旋转，从而使辐照更为均匀，绝缘交联水平更为稳定，绝缘机械性能更佳。辐照剂量与绝缘性能的关系如图3所示，可见辐照剂量与绝缘各性能（静态模量、动态模量、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、疲劳强度、摩擦因数、耐热性）关系曲线是互相制衡的。绝缘断裂伸长率和拉伸强度这两项指标与电缆高温热切性能密切相关，在其他工艺条件不变的前提下，随着辐照剂量的提高绝缘断裂伸长率呈逐步下降趋势，而拉伸强度则呈先升后降。通过两者关系曲线的相交点，结合电缆绝缘厚度、结构、外径，找到最优辐照剂量，使绝缘获得最佳交联点，以确保成品电缆绝缘断裂伸长率不小于200％，同时抗拉强度不小于10MPa，这样电缆就能通过高温热切试验。以12AWG2000V美标内燃机机车电缆为例，其辐照剂量设定在2．0～5．0m／（min•mA）为宜。

3结束语

为了给我国轨道交通机车线缆生产企业研发相关产品提供参考，本文详细介绍了在参考了客户提供的电缆技术标准（《41A313392》H版）和ISO6722：2006标准的基础上对美标内燃机机车电缆高温热切试验过程的设计，以及为确保高温热切试验顺利进行自主研发的高温热切试验系统，并从材料、结构、工艺三个方面对美标内燃机机车电缆高温热切性能的设计。

参考文献：

［1］ISO．道路车辆—60V和600V单芯电缆—规格、试验方法和要求：ISO6722：2006［S］．2006．

作者:王伊雷 周旭芝 胡清平 张雪莲 单位:远东电缆有限公司