Flex应用中的电缆应力和故障

　　Flex应用中的电缆应力和故障。最新的过程自动化机器设计为比前几代产品更快地运行，并结合了视觉和众多传感器。这种新的操作环境可能会使电缆和电缆管理设备超出设计能力。电缆应力直接影响自动化设备的可靠性。了解导致高弯曲应用中电缆失效的原因使我们能够在设计阶段采取适当的预防措施，以优化系统的可靠性。

　　布线受到物理限制

　　在操作环境中，电缆经受滚动，嘀嗒，扭转和随机弯曲。

　　电缆在图1所示的四种基本运动中的一种或多种中弯曲。每次电缆弯曲或弯曲时，其铜导体和屏蔽都受到应力。即使应力保持在15％伸长率的最终屈服点以下，铜对重复应力的抵抗力也很差。铜还具有非常低的抗剪切应力，即使应力低于塑性屈服点也会变形。

　　为了减少铜导体和屏蔽层的疲劳，从而消除断线，电缆的弯曲半径应尽可能大，电缆的直径应尽可能小。

　　失败的原因

　　任何受弯曲的电缆有三种失败的基本原因：

　　1.电缆和导体绝缘层的退化

　　2.柔性区域中导体和屏蔽层的疲劳

　　3.终端处导体和屏蔽层的疲劳

　　电缆和导体绝缘的退化

　　电缆护套和绝缘失效的一个原因是电缆通过其他电缆，软管和电缆管理硬件（如电缆轨道）不断磨损。金属或塑料芯片，溶剂和润滑剂会侵蚀和降解电缆护套和绝缘层。电缆护套也易受极端温度和低气压（真空）的影响，这会使护套材料变弱或变脆。

　　除了这些环境因素外，导体绝缘还必须能够抵抗破碎。当电缆在电缆轨道中与其他电缆或软管夹紧或弯曲时，典型圆形电缆中的导体可能承受高压缩力。

　　当电缆护套发生故障时，电缆内部露出。如果存在液体，它会进入电缆并最终导致导体之间的短路。磨料颗粒会侵蚀导体绝缘层，导致失效。如果电缆具有整体屏蔽，则它对地开放。

　　柔性区域中导体和屏蔽层的疲劳

　　最常见的电缆 – 柔性失效类型是屏蔽和/或导体在弯曲区域中的最终破裂。如果屏蔽首先失效，则导体继续工作，但电缆易受EMI / RFI干扰和发射的影响。这会产生错误和错误信号，其来源非常难以识别。

　　要了解导体和屏蔽失效的机理，我们必须回顾应力分析的基本概念。刚体对弯曲的抵抗力取决于材料，形状，横截面的面积和弯曲的曲率半径。这在数学上通过身体的压力来表示，σ，由下式给出：

　　σ=MC/I

　　M=弯矩

　　c=从主体的中性轴到横截面中的任何纤维的距离

　　I=横截面的惯性矩

　　σ=距离为c的光纤应力

　　对于典型的柔性电缆应用，弯曲的几何形状通过考虑因素（包括机械设计约束和封装布局）来确定，因此设计人员必须在这些约束条件下工作，并最大限度地减少导体应力，从而减少弯曲寿命。

　　确定挠曲疲劳寿命的最重要因素是电缆任何部分的最大应力。假设弯曲半径不低于最小值R min，该最大应力由下式给出：

　　σ=Ecmax/Rmin

　　E=模数

　　psi的弹性（ETP铜为17,000,000）

　　C max=从中性轴到任何光纤的最大距离

　　R min=弯曲半径

　　屏蔽扁平电缆是自支撑的，可用于大多数滚动，扭转和嘀嗒弯曲应用。

　　请注意，这种关系适用于任何横截面，因为惯性矩|不会出现。

　　通过减小电缆厚度或直径，C max或通过增加弯曲半径R min可以使应力最小化。通过选择具有比铜更高拉伸强度的导体和屏蔽材料，也可以最小化应力的影响。

　　弯曲测试表明，铜导体和屏蔽层的电阻随着金属在弯曲下更加努力地工作而增加。金属加工越硬，变得越脆。更快的设备循环速率会在铜中产生更高的温度。较小的弯曲半径也会产生较高的温度，以及较高的疲劳程度。温度升高会产生绝缘软化，从而改变绝缘材料的物理性能，降低耐磨性，降低抗切割性和降低抗拉强度。所有这些变化都可能导致电缆过早失效。

　　终端处导体和屏蔽层的疲劳

　　移动电缆产生的弯曲应力和振动会导致连接器和压接和焊接的电缆终端断裂。由于连接器接口处的疲劳，不支持的电缆会过早失效。

　　电缆可能会受到快速移动托架的鞭打伤，导致电缆快速改变方向并卡扣。在所有高速弯曲应用中，静电电缆比跛行电缆具有更好的抗弯曲和弯曲性能。

　　电缆设计可防止故障

　　为了提高柔性应用中电缆的可靠性，请关注基本电缆材料和结构。电缆尺寸是增加弯曲寿命时要考虑的最重要因素。当弯曲半径保持恒定时，减小电缆的直径导致弯曲寿命的指数增加。

　　使用标准铜导线并减小电缆的尺寸和重量可以延长弯曲寿命（可靠性）并最大限度地降低成本。首先使用尽可能薄的导体绝缘层，并具有高介电强度和良好的抗撕裂特性。减小导体绝缘厚度会降低成品电缆的总直径，并使其不易受到与弯曲相关的应力。戈尔MIL-ENE绝缘材料*比同类材料薄50％，额定电压为300 V RMS，壁厚为0.004英寸。

　　电缆敷设和导体敷设对于延长圆形电缆的弯曲寿命至关重要。您可以调整电缆敷设，每英寸导体的捻数和导体敷设，以优化各种柔性应用的电缆可靠性。这种优化不会增加电缆的成本，但如果正确完成，它会对可靠性产生重大影响。

　　电缆屏蔽通常是第一个失效的部件，因为它距离电缆的中性轴最远，因此可以看到最大的应力。需要两个设计元素来解决此问题。

　　首先，使用双层电线屏蔽替换标准编织屏蔽，针对弯曲寿命和屏蔽效果进行了优化。其次，将屏蔽层与导体和外护套隔离，以减少摩擦，从而产生热量并缩短弯曲寿命。使用摩擦系数低的材料，包括静态和动态。

　　戈尔膨胀聚四氟乙烯**具有任何电缆材料的最低摩擦系数。它已被用于从同轴电介质到柔软万向节电缆上的加固外护套的应用。

　　电缆护套保护屏蔽和导体免受环境影响。如果电缆被正确夹紧和端接，护套还可以增加电缆的拉力和弯曲寿命。

　　最好的护套材料很薄，具有高抗拉强度和抗撕裂性，液压油，切削液和溶剂。聚氨酯是电缆护套的绝佳材料。它具有阻燃性，可抵抗大多数工业流体，并具有优异的耐磨性。

　　电缆管理技术可提高机器性能

　　高速自动化设备中的Flex应用可能导致最高质量的圆形电缆发生故障。随着周期时间的减少，电缆和电缆管理系统的重量成为限制因素。

　　在这些应用中，带状电力电缆比标准电力电缆更耐用。带状电缆的弯曲寿命是圆形电缆的100倍，带状电缆是圆形电缆重量的四分之一。带状电缆可减少移动电缆束的质量，从而实现更大的加速度，更小的振动和振动，并减少磨损。

　　带状电缆通常可以在不使用电缆链的情况下弯曲和移动。带状电缆是自支撑的，通过适当的夹具和导向装置，可用于大多数滚动，扭转和嘀嗒弯曲应用。它可以包括模制在夹克上的安装支架。这大大节省了安装人工和成本。

　　结论

　　工业设备应用中使用的传统电缆并非旨在提供新设备设计所需的可靠性和性能。通过使用在军事和汽车应用等相关环境中具有可靠性的材料，并通过改进电缆的基本设计 – 低成本，可以设计出可靠的电缆，以满足工厂自动化设备的需求。