淺談高強(qiáng)度銅絞線的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

高紅陽(yáng)，鄭永飛，王松顯，嵇建國(guó)

（無(wú)錫江南電纜有限公司，江蘇 宜興 214251）

目前，銅絞線廣泛應(yīng)用于防雷接地水平網(wǎng)、架空地線、電氣化鐵路承力索等場(chǎng)所，而其中的硬銅絞線，由于其抗張強(qiáng)度較大、電阻較小、導(dǎo)電性能優(yōu)良，所以常常用于需要導(dǎo)電且在張力上要求比較高的地方。而目前地區(qū)由于敷設(shè)條件較為惡劣，對(duì)其使用的銅絞線的抗張強(qiáng)度提出了非常高的要求，為了達(dá)到相關(guān)客戶(hù)的技術(shù)要求，本文提出了一種高強(qiáng)度銅絞線的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，并做出了研究分析。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

本文以高強(qiáng)度銅絞線TJT 185 為例，要求結(jié)構(gòu)為37根銅絲絞合而成，成品的20℃直流電阻≯0.0950Ω/km，絞合后的單絲抗拉強(qiáng)度≮435MPa。此技術(shù)指標(biāo)較為苛刻，常規(guī)銅絞線無(wú)法滿足該要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 單絲種類(lèi)選擇

根據(jù)成品的要求，絞合后的單絲抗拉強(qiáng)度≮435N/mm2，對(duì)照GB/T 3953-2009《電工圓銅線》，則TR 型軟圓銅線和TY 型硬圓銅線均無(wú)法滿足該要求，因此只能選擇TYT 型特硬圓銅線，單絲直徑在2.00mm 及以上時(shí)，其電阻率ρ20 ≯0.01777Ω·mm2/m，密度為8.89g/cm3，線膨脹系數(shù)為0.000017℃-1，電阻溫度系數(shù)為0.00377℃-1。按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，絞合前的單絲的抗拉強(qiáng)度在達(dá)到460N/mm2時(shí)，絞合后的單絲抗拉強(qiáng)度可保證在435N/mm2以上。

2.2 截面設(shè)計(jì)

根據(jù)成品的20℃直流電阻≯0.0950Ω/km， 利用導(dǎo)體直流電阻的計(jì)算公式變形，計(jì)算可得出導(dǎo)體最小實(shí)際截面積應(yīng)為：

式中，ρ 為導(dǎo)體電阻率，取值0.017241Ω·mm2/m；R 為20℃導(dǎo)體最大直流電阻，取值0.0950Ω/km；k 為修正系數(shù)，取決于導(dǎo)體用單絲的種類(lèi)、直徑、實(shí)際電阻率、絞合方式等影響因素，根據(jù)我公司實(shí)際工藝，取值1.017，則算出的導(dǎo)體最小實(shí)際截面積S 應(yīng)為184.6mm2。

2.3 單絲直徑設(shè)計(jì)

根據(jù)成品的導(dǎo)體截面積計(jì)算公式，倒推單絲直徑，可得：

式中，S為導(dǎo)體截面積，取值184.6mm2；n為單絲根數(shù)，取值37；k 為絞合系數(shù)，取值1.02，則算出的導(dǎo)體單絲直徑d 應(yīng)為2.50mm。

至此，高強(qiáng)度銅絞線的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，采用37 根標(biāo)稱(chēng)直徑為2.50mm 的TYT 型特硬圓銅線絞合而成，其導(dǎo)體實(shí)際截面積不小于184.6mm2。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 單絲拉絲工藝

采用相同T1 M20 φ8.0mm 的銅桿進(jìn)行拉制，硬拉無(wú)退火，在同一臺(tái)拉絲機(jī)上用不同的條件生產(chǎn)三批次，進(jìn)行工藝對(duì)比。銅大拉機(jī)選擇TS 45/11 型銅大拉，其中第一和第二批次采用的延伸系數(shù)1.30 ～1.32，第三批次采用的延伸系數(shù)為1.56 ～1.25 逐級(jí)遞減，用以探尋拉絲區(qū)穿模道次對(duì)單絲性能的影響；相同延伸系數(shù)的兩批次，退火區(qū)穿線方式有所區(qū)別，第一批次采用正常穿線，第二批次采用簡(jiǎn)易穿線，來(lái)探尋穿線方式對(duì)單絲性能的影響。第三批次的穿線方式與第一批次相同。退火區(qū)穿線圖見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 正常穿線

圖2 簡(jiǎn)易穿線

根據(jù)配模的拉伸道次計(jì)算公式，可計(jì)算出拉伸道次：

式中，d0為進(jìn)線直徑，取8.0mm；d 為出線直徑，取2.50mm；μ 為延伸系數(shù)，第一批次和第二批次取1.31，第三批次取1.56 ～1.25 逐級(jí)遞減，則第一批次和第二批次的拉伸道次n 為9，第三批次的拉伸道次n為7。

根據(jù)配模計(jì)算公式，可計(jì)算出每道模具的尺寸：

式中，dn為每道模具的尺寸，μ 為延伸系數(shù)。

由上式可算出不同批次的拉絲配模尺寸，見(jiàn)表1。

表1 拉絲配模尺寸

拉絲模具采用聚晶模，較鋼模和合金模相比使用壽命更長(zhǎng)，單絲直徑更穩(wěn)定。潤(rùn)滑液濃度7%～9%，pH 值控制在7 ～9，溫度控制在25 ～55℃。

3.2 絞線工藝

導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，根據(jù)技術(shù)要求，37 根絲排列按照1+6+12+18 進(jìn)行非緊壓正規(guī)絞合，為保證導(dǎo)體成型的穩(wěn)定性，相鄰層絞向采用相反的工藝，最外層絞向右向，節(jié)距比逐層減小，即1+6 根絲層采用右向絞合，節(jié)距比選用24 ～30；12 根絲層采用左向絞合，節(jié)距比選用16～18.5；18 根絲層采用右向絞合，節(jié)距比選用13 ～14。具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 絞線結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

為使特硬圓銅線的絞線張力穩(wěn)定一致，在絞線頭分線板處設(shè)計(jì)預(yù)扭成型，整個(gè)走線為大S 形，并將進(jìn)模角度調(diào)整為合適的角度，預(yù)扭裝置見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)扭裝置

為探究高強(qiáng)度銅絞線對(duì)設(shè)備配置的需求，分別采用無(wú)消除應(yīng)力裝置和有消除應(yīng)力裝置進(jìn)行絞線。消除應(yīng)力裝置圖片見(jiàn)圖4。

圖4 消除應(yīng)力裝置

絞線模具采用納米涂層模，較鋼模相比使用壽命更長(zhǎng)，外徑控制上也更穩(wěn)定。

4 生產(chǎn)情況

4.1 拉絲

拉絲工藝按照上述進(jìn)行控制，原材料采用同一廠家同一批次的銅桿，拉絲生產(chǎn)速度均控制在15m/s，鼓輪均繞三圈，設(shè)計(jì)不同的三個(gè)批次做對(duì)比，分別拉制37盤(pán)特硬圓銅線，實(shí)際生產(chǎn)的特硬圓銅線的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 特硬圓銅線檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表1 的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，抗拉強(qiáng)度最大的為第三批次生產(chǎn)的特硬圓銅線，故后續(xù)的絞線使用第三批次的特硬圓銅線作為原材料。

4.2 絞線

絞線采用第三批次的37 盤(pán)特硬圓銅線作為原材料進(jìn)行絞制，工藝按照本文上述絞線工藝進(jìn)行控制。為驗(yàn)證使用應(yīng)力消除裝置對(duì)高強(qiáng)度銅絞線成品的性能是否有影響，第一盤(pán)采用無(wú)應(yīng)力消除裝置的方案，第二盤(pán)采用有應(yīng)力消除裝置的方案。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，無(wú)應(yīng)力消除裝置的高強(qiáng)度銅絞線外觀存在整體輕微蛇形的情況，而有應(yīng)力消除裝置的則沒(méi)有該情況。分別取兩盤(pán)的樣本，檢驗(yàn)成品性能，并將銅絞線散開(kāi)，取特硬圓銅線對(duì)絞合后的單絲抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 成品性能

5 總結(jié)分析

通過(guò)3 種拉絲不同工藝和兩種絞線不同工藝的試制，可以得出最優(yōu)工藝配置方案，拉絲工序在保證連續(xù)拉制的情況下，盡可能地減少拉絲模具，絞線工序使用應(yīng)力消除裝置，可生產(chǎn)出滿足性能需求的高強(qiáng)度銅絞線。

（1）通過(guò)拉絲第一批次和第二批次的特硬圓銅線對(duì)比可以看出，退火區(qū)少繞幾道滾輪可以輕微增加單絲的抗拉強(qiáng)度。究其原因，單子纏繞滾輪的過(guò)程中，會(huì)使單絲輕微軟化，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度輕微降低。

（2）通過(guò)拉絲第一批次和第三批次的特硬圓銅線對(duì)比可以看出，拉絲區(qū)少穿幾道拉絲模具，可以大幅度地增加單絲的抗拉強(qiáng)度。究其原因，銅桿穿過(guò)的拉絲模具越少，其經(jīng)過(guò)每道模具的變形量越大，在小于其屈服極限的情況下加工硬化的程度越大。

（3）通過(guò)絞線第一盤(pán)和第二盤(pán)的高強(qiáng)度銅絞線可以看出，是否有應(yīng)力消除裝置對(duì)銅絞線的物理性能和電性能的影響幾乎為零，但使用應(yīng)力消除裝置，可有效地改善銅絞線蛇形的缺陷。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次生產(chǎn)試制、取樣測(cè)試的大量數(shù)據(jù)分析，均能說(shuō)明高強(qiáng)度銅絞線對(duì)生產(chǎn)工藝要求極高，生產(chǎn)難度也極大。本文提供了一種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高強(qiáng)度銅絞線的方法，希望能給制造企業(yè)帶來(lái)一些參考和啟發(fā)。