论导线耐动态切割性能的改进设计范文

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摘要:对电线耐动态切割性能的影响因素导体和绝缘进行分析。导体方面包括结构、材质、镀层材质和加工工艺，绝缘方面包括材质、厚度、同心度和加工工艺。为保证电线在其使用环境下具有足够的耐动态切割性能，对其导体和绝缘进行优化设计。同时，需权衡电性能、机械性能等其它性能，使整体性能最优。

关键词:电线;耐动态切割;改进设计

引言

航空导线(以下简称电线)的安装环境有别于其它电线，比较复杂和狭小。在这种环境下使用的电线，可能会受到周边环境中的金属边缘、其它电线等施加的机械负荷锐边作用力(即动态切割力)，从而出现绝缘损坏的现象。绝缘损坏到一定程度就会造成电线短路，引发事故。在SAEAS22759《铜或铜合金导体含氟聚合物绝缘电线》及其详细规范中，对航空航天电线的耐动态切割性能就提出了明确要求。本文通过分析电线结构、材质、加工工艺等因素，叙述如何提高电线的耐动态切割性能。

1性能评估

方法介绍SAEAS4373E方法703和ASTMD3032第22章中规定了耐动态切割试验，模拟电线在室温及工作温度下经受机械负荷锐边作用力时的受损情况，常用于评定电线绝缘耐动态切割的能力。具体试验是将试样放在样品支架上，切刀垂直于试样。试样导体和切刀与检测电路连接。启动拉力试验机，以5mm/min的速度向下移动切刀对试样进行挤压。当切刀切破绝缘并与导体导通时，自动停止试验并记录试验过程中的最大应力。如果需要进行高温下试验，应在试验前将高温箱升高至规定温度，并对试样和试验装置进行预热以达到热平衡。

2导体

电线受到耐动态切割力后，随着应力的逐渐增加，导体开始形变，为绝缘层提供缓冲，即耐动态切割力被导体形变吸收，此时，绝缘层一般不会受到明显破坏;当应力持续增加至一定程度后，导体的形变达到极限，无法再为绝缘提供缓冲，此时，绝缘完全承受应力，迅速破损从而失效。导体形变的影响因素包括其结构、材质、镀层材质和加工工艺。

2.1结构

相对于实心导体，绞合导体的绞股单丝间存在空隙，在应力负荷下，绞股单丝之间会产生位移，从而使整个导体在应力负荷下更容易变平，因而更易分散负荷。相同截面的绞合导体，绞股数越多，绞合得越松散(如采用束绞的结构)，在应力负荷下，绞股单丝间将更容易产生位移。根据成品对比，导体外径近似、导体材质和绝缘材质及壁厚相同、导体结构不同的电线在室温下的耐动态切割性能，详见表1～表3。从表1中可以看出绞合导体电线明显优于实心导体电线。从表2可以看出导体绞股数多的电线明显优于导体绞股数少的电线。从表3可以看出束绞导体电线明显优于正规绞合导体的电线。外径相同时，绞合导体的截面积小于实心导体。导体截面积和导体直流电阻呈反比，截面积越小，直流电阻值越大。而截面积小的导体，其重量会更轻。材质和外径相同的实心导体和绞合导体，其20℃直流电阻和重量的比较见表4。相对于实心导体，绞合导体由更细的单丝绞合而成，故其柔软性更好。相对于正规绞合导体，束绞导体的节距更大，绞合得更松散，柔软性更好，但其圆整度也因此较差。导体结构不同，绝缘加工方式也不同，导体结构的选择会限制绝缘材料的选择范围。因此，在导体结构设计时，需要权衡各方面的因素，在提高耐动态切割性能的同时，兼顾导体直流电阻、圆整度、后续绝缘加工特性等其他性能。

2.2材质导体

材质的软硬度对其形变亦有影响，导体材质越软，在挤压情况下，越容易变形，因此，在电线受到动态切割力时能为绝缘层提供的缓冲更大。以交联乙烯-四氟乙烯共聚物(X-ETFE)绝缘电线为例，导体结构和绝缘材质及壁厚相同、导体材质不同的电线在室温下的耐动态切割性能，详见表5。从表5中可以看出，材质较软的镀银铜线导体电线的耐动态切割性能明显优于镀银铜合金线导体电线。镀银铜合金线的耐动态切割性能比镀银铜线差，而其他性能，两种导体互有优劣，镀银铜合金线的抗拉强度更好，一般能达到345MPa以上;镀银铜线的伸长率更好，一般可以达到10%以上;镀银铜合金线由于合成了其他金属元素，导电率有所下降。导体镀层一般只有几微米，因此，对导体机械性能的影响较小，对室温下电线耐动态切割性能的影响基本可以忽略。导体镀层材质会对导体的电性能、耐温等级、装接方式、绝缘加工工艺等造成影响。镀银层有利于提高导体的导电率。镀镍铜导体的耐温等级较高，可以达到260℃，但其不能焊接，只能压接。镀锡铜导体可以焊接，但耐温等级较低，只有150℃，受绝缘加工时高温的影响，导体绞股单丝之间容易产生粘连，从而影响电线的耐动态切割性能。银镀层价格高于锡镀层，铜合金线价格高于软铜线。因此，在选择导体材质时，在提高耐动态切割性能的同时，需兼顾抗拉强度、电性能，并权衡耐温等级、装接方式和成本。

2.3加工工艺

导体加工时，压模、绞合张力、镀层涂覆方式等对成品电线的耐动态切割性能亦有影响。通过调整压模和绞合张力以获得圆整、紧密的绞合导体，但绞合张力越大，压模越小，绞合就越紧密，绞股单丝之间也就越难产生位移，耐动态切割性能将越差。因此，需要选择合适的压模和绞合张力。导体镀层应在绞股单丝绞合前进行涂覆，绞合后再涂覆会造成绞股单丝粘连，出现粘连的绞股单丝之间较难产生位移，耐动态切割性能会下降。

3绝缘

影响电线耐动态切割性能的绝缘因素，包括材质、厚度、同心度和加工工艺。

3.1材质不同

材质电线的耐动态切割性能不同，其耐动态切割性能随温度升高而劣化的速度也有所差异。根据成品对比，导体和绝缘厚度相同、绝缘材质不同的电线在不同温度下的耐动态切割性能见图1。从图1中可以看出，相同环境温度下聚四氟乙烯(PT-FE)绝缘电线的耐动态切割性能优于聚全氟乙丙烯(FEP)绝缘电线，PTFE绝缘电线耐动态切割性能随温度升高而劣化的速度也略小于FEP绝缘电线。虽然，PTFE的耐动态切割性能优于FEP，但PTFE需采用冷推挤包覆在导体上，此过程中会产生很大的挤出压力，这对导体的结构有所要求，需要导体能承受较大的压力而不退扭、松散。不同材料的耐温等级也不同，PTFE耐温等级可达260℃，而FEP、X-ETFE只有200℃。PTFE耐温等级较高，但耐辐射性能不如X-ETFE。不同材料的价格不同，PTFE的价格低于FEP。因此选择绝缘材质时，在提高耐动态切割性能的同时，需兼顾耐辐照等性能，并要权衡绝缘耐温等级、绝缘加工对导体的要求，以及成本因素。

3.2厚度

导体和绝缘材质相同、绝缘厚度不同的电线在室温下的耐动态切割性能见表6。由表6可以看出，绝缘层越厚，电线的耐动态切割性能更优良。绝缘厚度的增加也会提高电线的耐电压等级，但绝缘厚度越大，意味着使用的绝缘料更多，电线的重量和制造成本会有所升高。因此绝缘厚度设计中，在提高耐动态切割性能的同时，需权衡电线重量和成本因素。

3.3同心度

电线的绝缘切片示意图见图2。从上式中可以看出，最小绝缘壁厚(δmin)与最大绝缘壁厚(δmax)相差越大，同心度则越差。相同结构尺寸和材料的电线，绝缘同心度越差，电线不同部位的绝缘壁厚差异则越大。而绝缘壁厚对电线的耐动态切割性能有较大影响，因此，绝缘同心度性能的优劣会造成电线不同部位的耐动态切割性能存在差异，同心度越差，差异则越大。对于挤出型绝缘，同心度指标越高，绝缘加工的难度则越大，对设备的要求也越高。而薄膜绕包型绝缘，绕包的加工方式决定了其基本不会出现同心度差的情况。因此，在规定绝缘同心度指标时，需要权衡实际绝缘加工的难易程度，根据现有的设备精度规定合理的指标。对同心度要求比较高时，也可考虑选择绕包绝缘。

3.4加工工艺

不同的绝缘加工方式，挤出压力不同，如PTFE推挤和硅橡胶挤出的压力较大，熔融挤出和绕包则相对较小。相同的绝缘加工方式，工艺参数不同，挤出压力也相差较大，如PTFE推挤时，不同的缸筒和模具尺寸、不同的溶剂配比等都会对挤出压力造成影响。而导体的股数越多、绞合得越松散，其耐动态切割性能越好，但其能承受的加工压力会越小。压力过大容易造成导体绞股变形、拱起、退扭，从而造成绝缘层电击穿，严重的甚至无法进行绝缘加工。无论是熔融挤出，还是推挤或绕包绝缘后再烧结，都需要经过高温。高温可能会造成电线导体的绞股单丝间产生粘连，出现粘连的绞股单丝之间较难产生位移，相应的电线耐动态切割性能会下降。因此，绝缘加工时，需对导体经过的高温区的温度和时间进行控制，防止出现导体绞股粘连现象。

3.5绝缘护层

为提升电线的耐动态切割性能，可以在电线绝缘层外设置一个防护层，如玻璃丝编织后整体涂覆耐高温漆，使电线绝缘层在绝缘护层被破坏前免受损伤，但增加绝缘护层，电线的外径、重量及制造成本均会有较大的增加。因此，应根据电线使用的实际情况，决定是否需要设置绝缘护层。

4结束语

为保证电线在其使用环境下具有足够的耐动态切割性能，在确保导体电阻和机械性能、电线外径和重量、耐环境性能等满足要求的前提下，宜采用如下改进设计:(1)导体。选择绞合的导体，必要时，选择束绞的导体;增加导体股数;选择较软的导体材质;选择耐温等级较高的导体材质;选择合适的导体绞合工艺，不采用导体绞合后再整体涂覆镀层的方式。(2)绝缘。选择耐动态切割性能随温度升高劣化的速度小的材质;选择耐温等级较高的材质;适当增加绝缘厚度;确定合理的同心度指标，必要时，采用绕包的绝缘加工方式;绝缘加工时避免导体绞股粘连现象;必要时，增加绝缘护层。在采用上述设计的同时，需权衡电线的其它性能，使电性能和机械性能平衡，整体性能最优。亦要考虑成本因素，以防过度设计，增加制造成本。

参考文献:

［3］郭汉洋，吴旼，桂观群．航空绝缘电线耐动态切通试验影响因素的讨论［J］．电线电缆，2015(3):36-38．

作者：丁春风 单位：江苏通光电子线缆股份有限公司