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请教神医和各位大侠? 最近用catia的analysis模块做了一个曲轴旋转的应力分析,结果发现一运算,曲轴的部分平衡块在图像上都相交了,可是最大的displacement也不过e-10级别,怎么会相交呢? 希望大家踊跃讨论啊:)我也是个初学者!!查看更多 0个回答 . 1人已关注
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电缆及材料的抗开裂性能分析、探讨及对策? 摘要:本文对电缆的抗开裂性能做了详细分析,并从材料的角度探讨了电缆开裂的原因和对策,而为了更好地评估材料的抗开裂性能,对抗开裂性能的检测方法进行了总结,并提出了新的高温折弯检验方法,和热冲击法进行了了对比,发现高温折弯法效果更佳。本文的研究对抗开裂性能较好电缆的开发有一定的指导作用。 关键词:电缆料、抗开裂、原因分析、对策、检验方法 现在人们对电缆的要求越来越高,特别是保证阻燃的同时,不损失其他机械性能,同时又要保证其抗开裂性能。 1 、 电缆的开裂 电缆受到光照、温差、潮湿,甚至动物蛀咬,都可能造成开裂。当电缆在高温、辐射等恶劣环境下使用,就更容易开裂。 郑琪介绍某变电站敷设的 35KV 大外径电缆,两次发现外护套有开裂现象 [1] 。王柏东、程仁良、戴忠华等介绍岭澳核电站例行检查中发现主控室照明电缆(核级 K3 类)运行不到 3 年,伸入灯管段的电缆芯线绝缘发生变色脆化开裂 [2] 。邹东、肖明辉在某地铁运行约一年时发现高架桥上的 33kV 电缆护套有破损,一年后发现更多破损 [3] 。试想如电缆的开裂不能及时发现,造成短路、燃烧等事故,必将对生命和财产安全造成很大威胁。 2 、 电缆开裂判断的标 3 、 准和方法 既然电缆开裂风险很大,其抗开裂性能的验证就受到人们的重视。国标 GB/T2951-2008 《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》中介绍了判断电缆开裂的方法。如 14 部分低温试验介绍了两种方法, 1 、低温下用电缆绕棒,并观察电缆表面开裂的情况,即冷弯; 2 、把电缆彻底冷却后,用重锤冲击电缆,观察表面开裂情况,即冷冲击。第 21 部分弹性体混合料专用试验方法 — 耐臭氧试验中,也是用电缆绕棒,于臭氧中放置一段时间,观察电缆表面开裂情况。而第 31 部分:聚氯乙烯混合料专用试验方法 — 高温压力试验-抗开裂试验中,利用电缆绕棒,在标定温度时间或 150 ℃、 1 小时,观察电缆表面开裂的情况。其他标准如 GB/T19666 《阻燃和耐火电线电缆通则》 中聚烯烃电缆抗开裂测试也采用相同电缆绕棒方法,只是温度 130 ℃,时间 3 小时; GB/T 18015 数字通信用对绞或星绞多芯对称电缆、 GB/T 17556 船用电力和通信电缆护套材料等抗开裂测试即引用 GB/T2951 。国外电缆的抗开裂测试也和此方法类似, GB/T2951 即参考 IEC60811 标准。 电缆安装、使用中,需弯曲、卷绕等,因此检测电缆卷绕后各种条件下抗开裂性能有一定的合理性。但当电缆表面有伤痕,如电缆拖曳时表面擦伤,会使电缆更易开裂。目前还无对电缆有伤痕情况下做抗开裂的标准测试方法。 有些厂家采取直观法检测电缆抗开裂,把成圈的电缆在适当条件下放置,如烘箱中、室外暴晒等,一段时间后观察表面是否有开裂。 4 、 电缆的开裂的原因分析 [4-14] 电缆发生开裂的被覆材料,多为高分子材质,其特性影响电缆抗开裂性能。 聚氯乙烯极性大,无增塑剂难加工,该类电缆开裂主要和增塑剂有关。常用增塑剂低温性能较差,气温太低会失去增塑效果。北方高寒地区冬天达零下 30 ℃或更低,此时增塑效果就会大打折扣。聚氯乙烯电缆中增塑剂可能迁移,高温下迁移速度更快,当增塑剂损失较大,材料性能会大幅度下降。而随着 PVC 低烟阻燃的要求,需加入大量的填料和阻燃剂,也使聚氯乙烯机械性能下降。当聚氯乙烯性能下降,在内应力或外力的作用下,电缆就很容易开裂。 低烟无卤电缆材料多以聚烯烃为基体树脂,并加入大量填料型阻燃剂。该类阻燃剂如氢氧化物、磷氮类等,虽然环保、低烟,但效率低、加入量很大。常用的氢氧化铝、氢氧化镁,加入量 50% 以上,使材料机械性能下降。阻燃剂表面含有羟基或其他极性基团,和基体树脂相容性差。而填料增加后破坏高分子链间的连续性,减少分子链间的缠绕,使材料强度和韧性都降低。树脂和填料的膨胀系数也不一样,热胀冷缩不均匀而产生结构缺陷。内应力和外力作用下,填料和基体树脂还会发生相分离。因上述原因,低烟无卤电缆更易开裂。 图一:电缆加工中受力情况 电缆中应力普遍存在,图一为电缆为加工时产生的应力。左图当电缆挤出时,受到牵引,特别是高速牵引,分子链拉伸取向,纵向抗拉强度大于横向抗拉强度,此时沿电缆纵向易开裂;电缆在圆周方向也存在弯曲应力;右图为电缆弯曲成盘后受力情况,内外侧分别产生压、拉应力,外径越粗拉应力越大;内部绝缘弯曲后有侧压力,电缆弯曲后绝缘线芯沿纵向位移所产生的力也是不均匀的,局部可能出现集中,对护套形成向外挤的应力,使外护套挤破。加工时电缆要用水冷却,此时产生内应力甚至微孔。上述种种原因,都有可能使电缆开裂开裂。 电缆敷设中因走向的需要、空间的限制,要弯曲和捆扎,存在弯曲应力和外力作用。电缆在夏季酷暑暴露于阳光下,向阳面温度很高,温差造成热胀冷缩所产生的应力与拉应力综合作用,会加速护套开裂。 电缆长期和液体接触也会造成应力开裂,该测试依照 GB/T2951-2008 第 41 部分进行检测。环境应力开裂主要是材料和溶剂接触,溶剂沿着细小裂纹进入材料内部,造成表面能下降,并进一步引起开裂。 铠装电缆弯曲时内部钢带会产生更大的侧应力,或存在飞边、缺口、划伤或切入护套使护套受伤,且钢带会与护套粘连等,都会产生局部应力集中,因此铠装电缆的外护套更容易发生开裂。 上述开裂多受应力影响,无化学反应。而室外电缆或恶劣环境下使用的电缆会发生化学键断裂: 1 、光线中紫外光能量高,日光强烈地区,室外电缆因光氧老化造成高分子链的裂解; 2 、高分子材料高温情况下会发生降解,特别是氧气存在更易产生热氧老化,使高分子链裂解; 3 、环境中含高能辐射粒子,攻击高分子链造成裂解。这些高分子链裂解,必然使材料性能下降,造成电缆开裂。 5 、 从材料角度判断电缆的开裂性能 做成电缆后再检测其抗开裂性能,耗费周期长,因此从材料本身预先考察电缆抗开裂性能,利于电缆料的开发与生产。电缆的开裂从材料来说有以下原因: 1 、分子链断裂,此和材料本身特性有关,包括强度、韧性、是否含有容易受自由基攻击的基团,如双键、叔基等。 2 、应力下相分离而开裂,含同相和异相分离:同相分离是分子链取向,在垂直取向方向,受力会发生撕裂;异相分离是因电缆料中含有多种树脂材料以及无机填料,因相容性差,在力作用下产生。 3 、材料变性,电缆料是多种材料的混合物,在电缆的加工、使用过程中,如某种成分改变性状或损失,将会使电缆料性能下降,造成开裂。 和电缆抗开裂性能有关的材料性能,主要有以下几项: 1 、 低温冲击 低温脆化冲击是评估电缆料低温性能的重要指标。如 GB8815-2008 中聚氯乙烯绝缘低温脆化冲击要求是通过 -15 ℃到 -20 ℃,护套通过 -20 ℃到 -25 ℃。 JB/T10707-2007 中对热塑性低烟无卤聚烯烃电缆料低温脆化冲击要求是绝缘 -25 ℃,护套 -40 ℃。聚氯乙烯电缆料因含增塑剂,低温性能略差。聚烯烃电缆料的低温性能较好,纯的聚烯烃材料低温脆化冲击温度都要在 -70 ℃以下,低烟无卤聚烯烃电缆料基本上都可以通过 -40 ℃低温脆化冲击。刘荣德、王晶等人 [15] 研究了 PVC 材质的汽车电缆的冷弯和 PVC 材料低温冲击之间关系,发现护套材料的低温冲击脆化温度在 -21 ℃时,电线可以通过 -40 ℃冷弯试验。可见材料的低温脆化冲击和电缆低温抗开裂性能有一定关系。 2 、 老化 热老化是把材料放入热老化箱中,考察一定温度、时间内,机械性能的变化。热老化后材料性能一般都会下降,热老化是电缆料的重要指标,也是判断电缆耐温等级的依据。如电缆的耐温等级 70 ℃、 90 ℃、 105 ℃、 125 ℃等就是依据热老化的条件而区分。老化性能较差或不符合耐温等级,做成的电缆就会开裂。 电缆材料根据其使用场合及特性要求,还会考察其耐油老化,耐泥浆老化,耐紫外老化,耐盐雾老化等不同老化指标。 3 、 热冲击 热冲击是考察电缆开裂的方法之一,研究工作者在此基础上建立检验方法,考察材料的抗开裂性能,以及和电缆抗开裂的关系。如项健认为 GB/T2951 热冲击方法针对聚氯乙烯材料,并不能完全反应低烟无卤阻燃护套的抗开裂性能,他在卷绕时加上 7Kg 负载,如图二所示, 130 ℃加热 3 小时,观察表面是否有开裂。通过该实验的材料,制成的电缆抗开裂性能不错 [16] 。笔者考察材料在不同温度、不同负载、不同时间下的抗开裂性能,发现前 20 分钟如没开裂,以后就不会开裂。这可能是高温条件下,高分子链段重排,对应力进行了消解。 图二:热冲击试验卷绕后的样品 目前该方法及在此基础上改进的方法 [17-19] ,已成为一些电缆或材料生产厂家评估电缆料抗开裂性能的方法。为了模拟验证电缆表面产生伤痕后的开裂性能,笔者还尝试在样条表面人为制造伤痕来测试,一种为压痕,一种为划痕,各为深 0.1 毫米。测试后发现:压痕对开裂性能影响不大;而划痕对开裂性能影响很大,绝大多数都在划痕处断开,少数几个比较柔软的材料没有断掉,但裂痕增大。这是因为划痕处是个应力集中点,在此处更易发生撕裂。 4 、耐环境应力开裂 GB/T2951-2008 第 41 部分聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法 - 耐环境应力开裂试验的方法,是评估表面有刻痕的方法。该方法是制备一个长方形的样条,在样条上长度方向刻出划痕,然后弯曲 180 ℃置于铜槽中,放在 Igepal co-630 (一种 表面活性剂 )溶液中(如图三),在一定温度和时间内,观察其刻痕的发展方向,并判断耐环境应力开裂性能。 图三:耐环境应力开裂试验样品 5 、高温折弯 为了评估 电缆有伤痕后的抗开裂性能,我们对 GB/T2951-2008 第 41 部分聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法 - 耐环境应力开裂试验方法进行改进,使其更加符合电缆料。如图所示原试验方法刻痕是沿着折弯方向,刻痕本身不受力。我们在该方法的基础上,使刻痕垂直于折弯方向。折弯后,刻痕伤口更容易受到应力损伤。同时我们可以模拟电缆实际使用的环境,进行受热、低温或其他条件的测试,观察表面开裂情况。 图四:改进前后样品上划痕对比 试样尺寸参考 GB/T2951-2008 第 41 部分规定,改进如图四,厚度可以使用 1mm 、 2mm 、 3mm ,在试样上划痕深度 0.1mm ,弯曲好的试样固定在标准要求的黄铜槽中,放入模拟环境中测试其抗开裂性能,主要考察受热下是否会进一步延伸、扩大,以模拟电缆表面受伤后是否进一步造成开裂。 6 、 如何从配方角度抗开裂 对于聚氯乙烯电缆料,避免开裂就要选择适合的增塑剂。如加入低温性能好的 DOS ,提高电缆在低温下抗开裂性能。加入不易挥发的聚酯类增塑剂等,可以避免聚氯乙烯电缆在高温环境中因增塑剂迁移挥发而造成开裂。另外聚氯乙烯电缆料应避免加入过多填料,造成性能大幅度下降而开裂。 交联可在材料内形成三维网状结构,增强电缆的抗开裂性能。最初的交联即橡胶硫化,目前的以橡胶为包覆材料的电缆仍然使用。现常用的交联方式有化学交联、硅烷交联、辐照交联等,交联后的电缆其机械性能有一个较大幅度的提高,应力可以分散到网络状的结构中,抗应力开裂性能增强,且耐油性能也有相当的提升。但交联后的电缆料在抵抗光、热、辐照等方面 [20] 仍有欠缺。 为避免电缆料因受到光和热发生氧化反应使高分子链断裂,需加入适量的抗氧剂或稳定剂。为避免阳光中紫外线对分子链的破坏,可加入 UV 吸收剂或炭黑作为紫外光淬灭剂。 低烟 无卤阻燃电缆料 因高分子的基体树脂和无机填料的两相体系,相容性较差,如发生两相分离就会开裂。为此需要对两相材料进行处理:氢氧化铝、氢氧化镁等无机填料用偶联剂等对表面进行处理,降低极性,提高和基体树脂的相容性;利用接枝、共聚的方法在高分子链上引入马来酸酐、丙烯酸及酯等极性基团,可以增加基体树脂和无机填料的相容性。 低烟无卤阻燃电缆料发展至今已较为成熟,主要由总量 30-35% 左右基体树脂如 EVA (或 EEA 等)、 PE 、 POE 等中数种, 50-60% 左右无机填料如氢氧化铝、氢氧化镁、含磷化合物、其他协效阻燃剂一种或数种组合,适量相容剂如聚烯烃马来酸酐接枝料等,少量加工助剂如抗氧剂、润滑剂等和色粉等,为了某些特殊的性能还会加入一些特性材料 [17,21-22] 。常规的机械性能、一般的防开裂性能很好满足,但随着低烟无卤阻燃电缆在大线径电力电缆、铠装电缆上的应用,其抗开裂要求越来越高。 在目前配方基本成熟的条件下,科研工作者可以在理论指导下进行配方设计,开发抗开裂低烟无卤阻燃电缆料。如 EVA ,高 VA 含量柔韧性好,有利于抗开裂,但强度低。 PE 有 HDPE 、 MDPE 、 LDPE 、 LLDPE 、 mLLDPE 、 VLDPE 等,其有各自的性能特点; POE 有八碳、四碳之分,性能也有差异。同样基体树脂,不同厂家不同牌号的性能是有差异的。这些要根据不同产品的要求进行选择。 针对电缆料抗应力开裂性能,笔者提出了强度补偿、柔性补偿的看法。强度补偿就是提高材料的强度,以对抗内应力和外力。如刘倩如用 HDPE 作为主体骨架材料之一,提高低烟无卤材料在热态时的强度,提高其抗开裂性能,就是利用强度补偿的机理,她用该方法制得的材料可以通过加上 7Kg 负载,温度为 130 ℃, 1 小时的热冲击抗开裂试验 [18] 。笔者也做过 多次试验,在配方总体框架不变的情况下, EVA/LLDPE 总量不变,改变 EVA/LLDPE 的配比,发现当增加 LLDPE 达到一定值,就能通过上述抗开裂试验。分析是因为 LLDPE 的强度大于 EVA ,符合强度补偿机理。把能通过卷绕抗开裂试验上述类似配方中的 LLDPE 换成强度更低的 DFDA-7042 ,则不能通过,也符合强度补偿机理。 但对于强度大的材料,相同的变形,其应力更大,而大的应力也是电缆开裂的主要原因。笔者在做热冲击试验时,如操作不当在样条表面造成伤痕,就容易开裂。而一些柔韧性较好的材料,即使表面有小的缺陷,对抗开裂的影响也没有刚性强的材料大。因此笔者基于高分子链特性,认为柔性补偿机理对于电缆的抗开裂性能更加有利。笔者尝试在配方中加入弹性体材料,如 POE 、 SEBS 等,增加材料的柔韧性,在保证一定强度前提下,很容易通过负载热冲击试验,也可通过有刻痕的高温折弯抗开裂试验。能通过刻痕法高温折弯抗开裂试验的材料多在邵 D50 以下,而常规的低烟无卤电缆料硬度多大于邵 D50 。分析其抗开裂好的原因:柔韧性好的的材料,相同的变形或弯曲程度下应力较小;柔韧性好材料其高分子链柔软,活动范围大,可消解部分内应力。 强度补偿和柔性补偿二者性能最佳的结合是 TPU 材料,用该材料制成的电缆抗开裂性能优良,可惜 TPU 材料阻燃不是太好,且燃烧时烟很大! 笔者根据前述两种材料的抗开裂检测方法,结合 强度补偿和柔性补偿进行配方试验,并研究了和电缆抗开裂性能的关系。对已通过热冲击抗开裂性能的电缆料,进行有刻痕的高温折弯抗开裂试验,发现: 1mm 厚度的样品都可以通过 40 ℃、 60 ℃、 80 ℃各 24 小时的试验;当厚度增加到 2mm 时绝大部分可以通过 40 ℃、 60 ℃各 24 小时,但不容易通过 80 ℃下 24 小时的试验;而对于 3mm 的样品, 40 ℃放置 24 小时部分有开裂, 60 ℃时大部分开裂。为此,我们选择 2mm 厚度的样品来考察电缆料高温折弯情况下的开裂性能。经过试验发现能够通过高温折弯试验的低烟无卤电缆料,伸长率都在 200 以上、邵 D 硬度在 48 以下,而且通过都可以通过通过热冲击抗开裂试验。用两种不同条件通过抗开裂试验的电缆料,制备成电缆,电缆外径为 15mm 、厚度 1mm ,分别为无铠装和有铠装。考察条件为电缆绕成直径为 30mm ,放入烘箱中, 120 ℃放置一段时间后发现:无铠装的电缆,两种电缆都可以维持 1 个月以上不开裂;而仅通过热冲击抗开裂电缆料制得的铠装电缆数天就开裂,而 80 ℃通过有刻痕的高温折弯抗开裂试验的低烟无卤电缆料,维持 1 个月以上不开裂。 参考文献 1 、郑琪,大截面阻燃电缆使用时外护套开裂问题的分析 , 高电压技术 [J], 2004,30(106):34-36 2 、王柏东、程仁良、戴忠华等,电缆开裂原因分析 , 核电工程与技术 [J],2005,3 : 29-36 3 、邹东、肖明辉,地铁高架 33kV 电缆护套开裂原因分析及措施 , 电气化铁道 [J], 2009,2:36-39 4 、毛文沛,无卤低烟阻燃钢带铠装电缆护套应力开裂的探讨 , 电线电缆 [J],2001,6:20-22 5 、周礼文,大外径电力电缆聚乙烯外护套开裂问题的探讨 , 电线电缆 [J],2012,4:44-46 6 、李汉卿,城市轨道交通用电缆外护套开裂原因浅析 , 电气化铁道 [J], 2011,3:40-41 7 、刘强 , 浅析低烟无卤阻燃聚烯烃外护套的开裂原因 , 光纤与电缆及其应用技术 [J], 2013,4:39-40 8 、胡先志、魏忠诚、胡战洪等 , 耐环境应力开裂的 PE 电 ( 光 ) 缆护套料的研制 , 现代塑料加工应用 [J],1996,1 : 28-32 9 、叶昌明, HDPE 耐环境应力开裂的机理、影响因素和改进 , 塑料科技 [J],2002,10:55-58 10 、李国政, 聚乙烯护套料 的耐环境应力开裂性能 , 电线电缆 [J],1998,4 : 23-27 11 、胡亚南 , 电缆聚乙烯护套开裂原因分析与解决措施 , 黑龙江科学 [J],2013,8 : 26-27 12 、葛铁军、刘义、朱诚实, HDPE 电缆绝缘护套料的耐环境应力开裂性改性研究 , 沈阳化工学院学报 [J], 2003,17(2):123-125 13 、张亦希、卢天华 ,LDPE 电缆护套料耐环境应力开裂性的改进 , 塑料工业[J], 1988,5 : 42-46 14、王永、张佳、赵珺,无卤低烟阻燃电力电缆护套开裂问题的分析及处理 , 电世界[J], 2013,10 : 11-13 15 、刘容德、王晶、李静等 . 汽车用环保 PVC 电缆料的研制之三 —— 耐低温性能和耐老化性 [J]. 聚氯乙烯, 2010 ( 10 ): 19-23 16 、项健、汪晓明,无卤低烟阻燃护套料抗开裂性能及其检验方法的研究和探讨 , 高品质射频电缆会议论文 集 ,2009 : 89-92 17 、刘倩如 , 抗开裂低烟无卤阻燃电缆料的研制 , 光纤与电缆及其应用技术 [J],2013,1 : 17-19 18 、张 凯、李秀峰、徐曼等,一种抗开裂低烟无卤阻燃聚烯烃电缆护套料 , 电线电缆 [J],2013,3 : 21-23 19 、 Crack-resistant, flame retardant, halogen-free, cable assembly and coating composition US7964663B2 20 、金金元,低压交联电缆绝缘层开裂原因分析与处理 , 电力安全技术 [J],2012, 14(7) : 51 21 、、 Crack-resistant, flame retardant, halogen-free, cable assembly and coating composition US7964663B2 22 、倪忠斌、陈明清、杨成等,低烟无卤阻燃电缆料的研制 , 无锡轻工大学学报 [J], 2001,5:500-502 Analysis of Anti-cracking Cable Materials and Solving Methods Abstract : The paper analysis the crack-resistant property of cables,and discuss the reasons of the cable and the method how to result them from the cable materials.To evaluate the crack-resistant property of the cable materials,we establish the new method by hot bend.Compared with thermal impact test,hot bend test is better.Our study can direct to develop the crack-resistant cables. 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简介
职业:江苏乐科节能科技股份有限公司 - 品质工程师
学校:陕西纺织服装职业技术学院 - 自动化系
地区:四川省
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