承载型卷筒电缆主要根据用户的需求，参考该水电站及其他场所的各种类型卷筒电缆在实际使用时的效果，参照国内外产品样本及相关技术资料进行设计和研制。
根据上述要求，对产品的结构进行了设计定型
由于电缆的使用环境复杂，要求承载力大、频繁卷绕、保证使用年限等，因此设计时必须考虑以下问题:
1、 导体截面的选择。电缆芯数为 19 芯，载流量大于 10 A，电缆成品外径小于 35 mm，参考《电线电缆载流量》中表 3-3-1，考虑电缆组群的降低因数，导体截面选取 1. 5 mm2 即可满足要求。由于卷筒电缆频繁卷绕会引起温升过高，载流量安全裕度小，最终确定导体截面选用2.5mm²，按橡胶绝缘和护套的电缆结构设计，初步计算规格为19×2.5mm²的成品电缆外径约为 27 mm。
2、电缆的承载强度。通过对使用场合的测试和理论计算，电缆的承拉力大于 6000 N，卷筒电缆频繁卷放、拖曳，长期受力不均衡，因此电缆的承载设计尤为重要。《起重机设计手册》第五章“起重机电气设备”中的第三节“电线和电缆”指出: 移动供电用软电缆的线芯拉断力可按 137 ～ 157 N /mm2 计算，即 2. 5 mm2 的绝缘线芯可承受 342. 5 ～ 392. 5 N的拉力，规格为 19×2.5mm²的卷筒电缆可承受6 507. 5 ～ 7 457. 5 N 的拉力。但多芯电缆在实际使用中由于受力不均容易造成部分绝缘线芯因受力过大而拉断，因此多芯电缆不能作为承载芯来计算承载强度。
市场上部分卷筒电缆为提高承载强度，电缆每芯铜导体的中心层直接采用镀锌钢丝或钢绞线作为承载芯，但钢丝与铜丝的力学性能差异太大，电缆频繁卷放时钢丝应力会很快造成铜丝磨损、断股，故这种结构不合理。最终确认选用符合 YB /T 5004 的型号规格为1 × 7-3. 0-1370-A 的镀锌钢绞线作为承载芯，钢绞线最小破断拉力为 6 920 N。
3、 护套的抗开裂性能。卷筒电缆长期处于卷放、拖曳、挤压等工作状态，工作环境恶劣，电缆的护套容易损伤、破裂，失去保护作用，最终导致电缆报废，缩短电缆的使用寿命，因此护套的加工设计尤为关键，需重点优化护套结构。通过对卷筒电缆使用场合的分析，参照其他橡胶电缆产品结构及使用效果，采取“内外护套 + 编织加强层”的综合结构设计，以满足护套的抗开裂性能，增强护套和电缆的整体强度。
材料选用
1、导体材料。对于承载型卷筒电缆而言，需防止电缆在使用中出现导体断芯现象，影响电缆的正常运行。导体材料选用优质退火无氧铜，符合GB /T 3956 标准要求的第 6 种镀锡软导体，导体表面镀层均匀、光亮，无氧化和毛刺等。
2、绝缘材料。绝缘材料采用符合 IEC 60092-351 的乙丙橡胶混合物，但抗张强度应不小于 6. 5MPa。乙丙橡胶混合物具有卓越的电绝缘性能、优良的耐热老化性、优异的耐寒性、较好的化学稳定性、耐臭氧和耐候性，并且无毒无臭。
3、承载芯。承载芯采用符合 YB /T 5004 的 A级锌层镀锌钢绞线，抗拉强度 1 370 MPa，绞合紧密，绞合节径比不大于 14 倍，钢绞线抗拉强度大。
4、承载芯隔离层。单独设置的承载芯的机械性能完全区别于导体和绝缘等材料，为了防止承载芯直接与绝缘接触，在承载芯外设置一层隔离层，隔离层选用与绝缘同质的材料，通过材料的一致性来减少电缆使用过程中承载芯及隔离层对绝缘的损伤。
5、内、外护套。卷筒电缆应用场合广，电缆护层既要具有高强度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，还要具有耐低温性能。故此按 DIN VDE 0207Teil 21 中 5GM5 为设计基准，对高强度氯丁橡胶护套的配方进行了开发攻关，橡胶材料选用氯丁橡胶为基料，对硫化、防护和补强填充等体系进行研究和改进。硫化体系不仅能改善胶料的交联性、耐热性，降低压缩永久变形，还能提高胶料和纤维的粘合强度，且可以防止胶料在加工过程中焦烧; 防护体系使胶料具有优良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能; 补强填充体系提高胶料的抗撕裂强度和拉伸强度，还可改善胶料的加工性能和挤出外观。通过对硫化、防护和补强填充等体系的研究和改进，优化配方设计，使加工后的护套满足阻燃、耐油、耐磨、耐弯曲和耐低温等性能要求，提高电缆的机械性能和耐环境性能。通过采用正交设计方法，最终得到高强度氯丁橡胶外护套优化配方。
6、编织加强层。在提高内外护套抗张强度、抗撕裂强度和改善耐候性的基础上，在内外护套之间再增设一层加强层，进一步增强电缆护层的综合机械性能。加强层采用杜邦尼龙 66 纤维编织层，纤维具有耐高温、高抗拉、高磨度、耐冲击和耐化学剂等性能。
作者：生长飞， 彭旺全， 轩娜红
根据上述要求，对产品的结构进行了设计定型
由于电缆的使用环境复杂，要求承载力大、频繁卷绕、保证使用年限等，因此设计时必须考虑以下问题:
1、 导体截面的选择。电缆芯数为 19 芯，载流量大于 10 A，电缆成品外径小于 35 mm，参考《电线电缆载流量》中表 3-3-1，考虑电缆组群的降低因数，导体截面选取 1. 5 mm2 即可满足要求。由于卷筒电缆频繁卷绕会引起温升过高，载流量安全裕度小，最终确定导体截面选用2.5mm²，按橡胶绝缘和护套的电缆结构设计，初步计算规格为19×2.5mm²的成品电缆外径约为 27 mm。
2、电缆的承载强度。通过对使用场合的测试和理论计算，电缆的承拉力大于 6000 N，卷筒电缆频繁卷放、拖曳，长期受力不均衡，因此电缆的承载设计尤为重要。《起重机设计手册》第五章“起重机电气设备”中的第三节“电线和电缆”指出: 移动供电用软电缆的线芯拉断力可按 137 ～ 157 N /mm2 计算，即 2. 5 mm2 的绝缘线芯可承受 342. 5 ～ 392. 5 N的拉力，规格为 19×2.5mm²的卷筒电缆可承受6 507. 5 ～ 7 457. 5 N 的拉力。但多芯电缆在实际使用中由于受力不均容易造成部分绝缘线芯因受力过大而拉断，因此多芯电缆不能作为承载芯来计算承载强度。
市场上部分卷筒电缆为提高承载强度，电缆每芯铜导体的中心层直接采用镀锌钢丝或钢绞线作为承载芯，但钢丝与铜丝的力学性能差异太大，电缆频繁卷放时钢丝应力会很快造成铜丝磨损、断股，故这种结构不合理。最终确认选用符合 YB /T 5004 的型号规格为1 × 7-3. 0-1370-A 的镀锌钢绞线作为承载芯，钢绞线最小破断拉力为 6 920 N。
3、 护套的抗开裂性能。卷筒电缆长期处于卷放、拖曳、挤压等工作状态，工作环境恶劣，电缆的护套容易损伤、破裂，失去保护作用，最终导致电缆报废，缩短电缆的使用寿命，因此护套的加工设计尤为关键，需重点优化护套结构。通过对卷筒电缆使用场合的分析，参照其他橡胶电缆产品结构及使用效果，采取“内外护套 + 编织加强层”的综合结构设计，以满足护套的抗开裂性能，增强护套和电缆的整体强度。
材料选用
1、导体材料。对于承载型卷筒电缆而言，需防止电缆在使用中出现导体断芯现象，影响电缆的正常运行。导体材料选用优质退火无氧铜，符合GB /T 3956 标准要求的第 6 种镀锡软导体，导体表面镀层均匀、光亮，无氧化和毛刺等。
2、绝缘材料。绝缘材料采用符合 IEC 60092-351 的乙丙橡胶混合物，但抗张强度应不小于 6. 5MPa。乙丙橡胶混合物具有卓越的电绝缘性能、优良的耐热老化性、优异的耐寒性、较好的化学稳定性、耐臭氧和耐候性，并且无毒无臭。
3、承载芯。承载芯采用符合 YB /T 5004 的 A级锌层镀锌钢绞线，抗拉强度 1 370 MPa，绞合紧密，绞合节径比不大于 14 倍，钢绞线抗拉强度大。
4、承载芯隔离层。单独设置的承载芯的机械性能完全区别于导体和绝缘等材料，为了防止承载芯直接与绝缘接触，在承载芯外设置一层隔离层，隔离层选用与绝缘同质的材料，通过材料的一致性来减少电缆使用过程中承载芯及隔离层对绝缘的损伤。
5、内、外护套。卷筒电缆应用场合广，电缆护层既要具有高强度、高抗撕、阻燃、耐酸、耐油等性能，还要具有耐低温性能。故此按 DIN VDE 0207Teil 21 中 5GM5 为设计基准，对高强度氯丁橡胶护套的配方进行了开发攻关，橡胶材料选用氯丁橡胶为基料，对硫化、防护和补强填充等体系进行研究和改进。硫化体系不仅能改善胶料的交联性、耐热性，降低压缩永久变形，还能提高胶料和纤维的粘合强度，且可以防止胶料在加工过程中焦烧; 防护体系使胶料具有优良的耐久性，包括耐自然老化和加速老化性能; 补强填充体系提高胶料的抗撕裂强度和拉伸强度，还可改善胶料的加工性能和挤出外观。通过对硫化、防护和补强填充等体系的研究和改进，优化配方设计，使加工后的护套满足阻燃、耐油、耐磨、耐弯曲和耐低温等性能要求，提高电缆的机械性能和耐环境性能。通过采用正交设计方法，最终得到高强度氯丁橡胶外护套优化配方。
6、编织加强层。在提高内外护套抗张强度、抗撕裂强度和改善耐候性的基础上，在内外护套之间再增设一层加强层，进一步增强电缆护层的综合机械性能。加强层采用杜邦尼龙 66 纤维编织层，纤维具有耐高温、高抗拉、高磨度、耐冲击和耐化学剂等性能。
作者：生长飞， 彭旺全， 轩娜红
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