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2018

同向絞制工藝在鋁或鋁合金導(dǎo)體中的應(yīng)用

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同向絞制工藝在鋁或鋁合金導(dǎo)體中的應(yīng)用

摘要：將鋁導(dǎo)體分別采用正規(guī)同心式絞合和正規(guī)同心式同向絞合兩種生產(chǎn)工藝進(jìn)行試制生產(chǎn)、取樣后做相關(guān)的外觀檢查、導(dǎo)體稱重、結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量、電阻測(cè)量等試驗(yàn)，并將最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算來(lái)論證緊壓圓形鋁或鋁合金導(dǎo)體采用同向絞制工藝可以提高導(dǎo)體的緊壓系數(shù)，降低單絲電阻率，提高導(dǎo)體的導(dǎo)電性能并能較好地解決采用正規(guī)同心式絞制工藝時(shí)出現(xiàn)的斷絲、表面毛刺、鋁屑等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電線電纜；鋁導(dǎo)體；同向絞制

目前電線電纜用鋁或鋁合金導(dǎo)體采用的絞合緊壓工藝與銅導(dǎo)體的絞合緊壓工藝基本一致，特別是圓形緊壓工藝，一般采用正規(guī)同心式單線絞合并運(yùn)用圓形拉線模拉拔分層緊壓工藝。這種緊壓工藝，對(duì)于銅導(dǎo)體運(yùn)用已非常成熟，絞制緊壓后表面光亮、無(wú)毛刺、尺寸精確。但對(duì)于鋁或者鋁合金導(dǎo)體，其單絲的機(jī)械性能、表面光潔度比銅單絲差很多，再加上為保證導(dǎo)體的圓整度及表面質(zhì)量，生產(chǎn)時(shí)更易產(chǎn)生表面毛刺、鋁屑較多，甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，因此部分生產(chǎn)企業(yè)采用酒精點(diǎn)滴、降低生產(chǎn)速度的方法，但是該方法嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。本文研究的結(jié)果可以較好地解決這一問(wèn)題。

1 定義與分析

1.1 定義

正規(guī)同心式絞合^[1]，即采用同一直徑的單線，按同心圓的方向，一層一層有規(guī)則地絞合，且每一層的絞向都相反，最外層絞向?yàn)樽笙颉?/p>

正規(guī)同心式同向絞合，即采用同一直徑的單線，按同心圓的方向，一層一層地有規(guī)則地絞合，每層方向相同，即均為左向。

1.2 分析

導(dǎo)體采用正規(guī)同心式絞合，相鄰層的絞合方向相反。不僅提高了絞線的穩(wěn)定性，使絞線不易松散變形，而且當(dāng)絞線受到拉力時(shí)，各層產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相反，可以相互抵消，防止各層單線向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)而造成松股，同時(shí)還可避免絞線在未拉緊時(shí)產(chǎn)生打圈現(xiàn)象。因此銅導(dǎo)體的絞制緊壓均采用正規(guī)同心式絞合。而鋁或鋁合金絲采用正規(guī)同心式絞合時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生毛刺，且鋁屑較多，容易堵塞?？冢斐缮a(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)斷絲的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

首先，鋁或鋁合金絲的強(qiáng)度遠(yuǎn)不如銅絲，銅絲的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到400 N/mm^2[2]以上，鋁絲的抗拉強(qiáng)度最大只能達(dá)到200 N/mm^2[3]。其次，采用正規(guī)同心式絞合生產(chǎn)鋁或鋁合金導(dǎo)體時(shí)，由于每一層絞向都相反，這種方式會(huì)在一定程度加劇鋁單絲相互間的擠壓，使鋁單絲不規(guī)則變形量增大，增加了鋁導(dǎo)體過(guò)圓形緊壓拉伸模的摩擦阻力，使其表面產(chǎn)生毛刺，且鋁屑較多，甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。同時(shí)，在一定程度上也加劇了鋁線內(nèi)部晶粒破碎、晶格畸變，使其導(dǎo)電性能下降。鋁線內(nèi)部的晶格變化如圖1。

圖1 緊壓前后金屬晶格的形狀變化

因此，對(duì)于鋁或鋁合金導(dǎo)體的絞制，推薦采用正規(guī)同心式同向絞合。然而正規(guī)同心式同向絞和每層的絞制方向完全相同，均為左向，導(dǎo)體在彎曲時(shí)容易松散，變形。為了保證鋁或鋁合金導(dǎo)體絞制后線芯的穩(wěn)定性，不松散，易于彎曲，調(diào)整為絞制多層鋁導(dǎo)體時(shí)，最外兩層的方向相同，即最外兩層的絞合方向?yàn)樽笙?，?nèi)層的方向相鄰層相反。

為了驗(yàn)證緊壓圓形鋁或鋁合金導(dǎo)體采用同向絞制工藝可以提高導(dǎo)體的緊壓系數(shù)，降低單絲電阻率，以下從正規(guī)同心式絞合和正規(guī)同心式同向絞合兩種生產(chǎn)工藝分別用試制生產(chǎn)、數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)論證。

2 試制與數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 正規(guī)同心式絞合

2.1.1 樣品試制

采用正規(guī)同心式絞合，生產(chǎn)一根標(biāo)稱截面積為150 mm²的緊壓圓形鋁導(dǎo)體。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為37/2.32 mm，鋁單絲體積電阻率為0.0282 Ω·mm²/m。導(dǎo)體絞制的排列結(jié)構(gòu)為1＋6＋12＋18，各層絞合方向如圖2所示。

圖2 正規(guī)同心絞合排列方式

采用圓形緊壓模分層緊壓，緊壓后導(dǎo)體直徑為14.6 mm，經(jīng)過(guò)測(cè)量20℃導(dǎo)體實(shí)測(cè)直流電阻為0.1990 Ω/km。

2.1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)GB/T 3956－2008《電纜的導(dǎo)體》^[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：標(biāo)稱截面積為150 mm²的鋁或鋁合金導(dǎo)體的20℃時(shí)最大直流電阻為0.206 Ω/km。經(jīng)計(jì)算，20℃時(shí)實(shí)測(cè)電阻負(fù)余為：

首先，截取1 m緊壓后的導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)稱重，導(dǎo)體重量為397.6 g/m，鋁導(dǎo)體的密度為2.7 g/m³，可計(jì)算出稱重導(dǎo)體的實(shí)際截面為：

S＝397.6÷2.7＝147.3 mm²

然后，根據(jù)公式R＝ρL/S，可得出經(jīng)過(guò)緊壓變形后鋁導(dǎo)體的體積電阻率為：

式中：ρ為鋁導(dǎo)體的體積電阻率，Ω·mm²/m；R為20℃時(shí)導(dǎo)體的實(shí)測(cè)直流電阻，Ω/km；S為鋁導(dǎo)體的稱重截面積，mm²；L為電纜長(zhǎng)度，m。

計(jì)算得出：經(jīng)過(guò)絞制緊壓后，電阻率由0.0282 Ω·mm²/m增加到0.0293 Ω·mm²/m，

增加比率為：0.0293÷0.0282＝1.039。

最后，計(jì)算緊壓系數(shù)為：

式中：η為緊壓系數(shù)；S為鋁導(dǎo)體的稱重截面積，mm²；d為導(dǎo)體緊壓后直徑，mm。

通過(guò)以上方法，實(shí)際又驗(yàn)證了標(biāo)稱截面積為185 mm²、240 mm²、300 mm²的鋁導(dǎo)體采用正規(guī)同心式絞合緊壓圓形的方法，經(jīng)過(guò)緊壓后電阻率升高范圍在1.03～1.04左右，緊壓系數(shù)在86%～88%。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用正規(guī)同心式絞合的工藝參數(shù)

項(xiàng)目單位工藝參數(shù) 導(dǎo)體標(biāo)稱截面mm2150185240300 根數(shù)/單絲直徑mm37/2.3237/2.5637/2.9561/2.56 絞制結(jié)構(gòu)－1＋6＋12＋181＋6＋12＋181＋6＋12＋181＋6＋12＋18＋24 絞制方向－左－右－左左－右－左左－右－左右－左－右－左導(dǎo)體直徑mm14.616.218.620.6 鋁單絲體積電阻率Ω·mm2/m0.02820.02820.02820.0282 鋁導(dǎo)體緊壓后體積電阻率Ω·mm2/m0.02930.02920.02930.0291 通過(guò)緊壓后電阻率增加值－1.0391.0351.0391.032 20℃標(biāo)準(zhǔn)直流電阻Ω/km0.2060.1640.1250.100 實(shí)測(cè)電阻值Ω/km0.19900.16290.12400.0993 電阻余度%－3.39 －0.67 －0.80－0.70 導(dǎo)體實(shí)際稱重g/m397.6483.9637.9791.5 稱重的截面積mm2147.3179.2236.3293.1 緊壓系數(shù)%88878788

2.2 正規(guī)同心式同向絞合

2.2.1 樣品試制

采用正規(guī)同心式同向絞合，生產(chǎn)一根標(biāo)稱截面積為150 mm²的緊壓圓形鋁導(dǎo)體。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為37/2.32 mm，鋁單絲體積電阻率為0.0282 Ω·mm²/m。導(dǎo)體絞制的排列結(jié)構(gòu)為1＋6＋12＋18，各層方向如圖3所示。

圖3 正規(guī)同心同向絞合排列方式

采用圓形緊壓模分層緊壓，緊壓后導(dǎo)體直徑為14.6 mm，經(jīng)過(guò)測(cè)量20℃導(dǎo)體實(shí)測(cè)直流電阻為0.1976 Ω/km。

2.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

20℃時(shí)實(shí)測(cè)電阻負(fù)余為：

截取1 m緊壓后的導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)稱重，導(dǎo)體重量為397.6 g/m，鋁導(dǎo)體的密度為2.7 g/m³，可計(jì)算出稱重導(dǎo)體的實(shí)際截面為147.3 mm²。

可得出經(jīng)過(guò)緊壓變形后鋁導(dǎo)體的體積電阻率ρ＝0.0291 Ω·mm²/m。

計(jì)算得出：經(jīng)過(guò)絞制緊壓后，電阻率由0.0282 Ω·mm²/m增加到0.0291 Ω·mm²/m。

增加比率為：0.0291÷0.0282＝1.032。

最后，計(jì)算緊壓系數(shù)η＝88%^[1]。

通過(guò)以上方法，實(shí)際又驗(yàn)證了標(biāo)稱截面積為185 mm²、240 mm²、300 mm²的鋁導(dǎo)體采用正規(guī)同心式同向絞合緊壓圓形的方法，經(jīng)過(guò)緊壓后電阻率升高范圍在1.02～1.03左右，提高了導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，且緊壓系數(shù)可以提高到88%～90%，節(jié)約了材料。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

對(duì)比表1、表2中的緊壓系數(shù)，可看出，185 mm²的緊壓系數(shù)由88%提高到90%，240 mm²的緊壓系數(shù)由87%提高到89%，300 mm²的緊壓系數(shù)由88%提高到90%。

表2 采用正規(guī)同心式同向絞合的工藝參數(shù)

項(xiàng)目單位工藝參數(shù) 導(dǎo)體標(biāo)稱截面mm2150185240300 根數(shù)/單絲直徑mm37/2.3237/2.5637/2.9561/2.56 絞制結(jié)構(gòu)－1＋6＋12＋181＋6＋12＋181＋6＋12＋181＋6＋12＋18＋24 絞制方向－右－左－左右－左－左右－左－左左－右－左－左導(dǎo)體直徑mm14.616.218.620.6 鋁單絲體積電阻率Ω·mm2/m0.02820.02820.02820.0282 鋁導(dǎo)體緊壓后體積電阻率Ω·mm2/m0.02910.02890.0290.0288 通過(guò)緊壓后電阻率增加率－1.0311.0241.0281.021 20℃標(biāo)準(zhǔn)直流電阻Ω/km0.2060.1640.1250.100 實(shí)測(cè)電阻值Ω/km0.19760.15590.12000.0961 電阻余度%－4.07－4.93－4.0－3.9 導(dǎo)體實(shí)際稱重g/m397.6500.6652.6809.5 稱重的截面積mm2147.3185.4241.7299.8 緊壓系數(shù)%88908990

3 對(duì)比與分析

經(jīng)過(guò)對(duì)比以上兩個(gè)實(shí)際生產(chǎn)150mm²的緊壓圓形鋁導(dǎo)體的例子，緊壓后，導(dǎo)體的米重均沒有變化，而導(dǎo)體緊壓后的體積電阻率卻由0.0293 Ω·mm²/m減小到0.0291 Ω·mm²/m，縮小6‰，大大提高了導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。通過(guò)對(duì)比表1及表2中其他規(guī)格的鋁導(dǎo)體工藝參數(shù)，可看出通過(guò)采用正規(guī)同心式同向絞合的方式，不僅可以減小體積電阻率的變化程度，同時(shí)也可以提高導(dǎo)體的緊壓系數(shù)。

采用正規(guī)同心式同向絞合的方式使得導(dǎo)體在緊壓的時(shí)候，由于最外兩層方向相同，最外層單絲的緊壓變形剛好填充在次外層的單絲間隙里，從而增大緊壓系數(shù)，使得導(dǎo)體單絲沿阻力最小的方向變形，大大降低導(dǎo)體中單絲不規(guī)則變形量，減小導(dǎo)體過(guò)圓形緊壓拉伸模的摩擦阻力，并在一定程度上減輕鋁線內(nèi)部晶粒破碎、晶格畸變，使其導(dǎo)電性能提高。電阻的負(fù)余度很大，因此，可以調(diào)整單絲直徑，以得到合適的電阻，達(dá)到節(jié)約原材料、降低成本的目的。