彎折耐久線束設(shè)計及驗證

摘 ? ?要：彎折耐久線束指線束在工作過程中需要反復(fù)進(jìn)行伸展及彎曲的耐久運動，本文介紹了彎折耐久線束的結(jié)構(gòu)設(shè)計，運動仿真以及耐久性能測試，對彎折耐久線束產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控和管理，以滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：線束;彎折耐久;耐久測試

中圖分類號：TH112 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0170-02

1 ?概 述

彎折耐久線束指線束在工作過程中需要反復(fù)進(jìn)行伸展及彎曲運動，在船舶、汽車、機(jī)械手、升降機(jī)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。該線束不僅需要考慮電信號設(shè)計，還需考慮線束的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證在彎折耐久運動過程中線束不發(fā)生破損、斷裂等異常導(dǎo)致產(chǎn)品故障。

2 ?線束結(jié)構(gòu)設(shè)計

彎折耐久線束運動段兩端固定點，其中一固定點相對靜止，另一固定點進(jìn)行反復(fù)相對運動。線束結(jié)構(gòu)設(shè)計時，線束運動段的設(shè)計應(yīng)關(guān)注線束運動的三個位置：線束彎折極限位置、平衡點、線束伸展極限位置;當(dāng)線束伸展至極限位置時，必須預(yù)留一部分線長來克服兩運動點之間的最大遠(yuǎn)離距離。

在各運動位置，線束均應(yīng)滿足最小彎曲半徑為5倍線束外徑要求，線束彎折半徑越大，彎折耐久性能越優(yōu)。

線束布置時應(yīng)選擇機(jī)構(gòu)中運動幅度較小的位置進(jìn)行布置，線束彎折區(qū)域兩端固定點可使用注塑橡膠與金屬卡扣或支架進(jìn)行安裝固定，布置時應(yīng)防止線束的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是線束的接頭、固定點位置，線束布置時還應(yīng)避免線束的扭曲，以提高線束的耐久性能。線束在運動時應(yīng)避免與其余機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生干涉和摩擦，不存在被鈑金割傷的風(fēng)險，保持足夠的安全距離。

彎折耐久線的線束需選擇特種軟電線[1]，電線絕緣材料均為高彈性體，具備優(yōu)異的耐高低溫、彎曲性、柔軟性等特點，且有光滑、耐磨外絕緣層對電線進(jìn)行防護(hù)。

電線的導(dǎo)體應(yīng)選擇多股軟銅絲，保證線束的彎折耐久性能，表1為電線按照ISO 14572標(biāo)準(zhǔn)[2]中測試方法所做的彎折耐久測試，從彎折耐久測試數(shù)據(jù)可見：相同截面積的電線，導(dǎo)體芯數(shù)越多，單絲外徑越細(xì)，線束的彎折耐久性能越優(yōu)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3 ?運動仿真分析

產(chǎn)品設(shè)計完成后，可采用線束運動仿真[3]來分析線束在運動狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變，運動走向，運動干涉和運動包絡(luò)等。通過運動仿真，可以在軟件里模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝的合理性，可行性。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，安裝環(huán)境，固定方式，運動行程構(gòu)建仿真模型[4]。先將產(chǎn)品模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。設(shè)定電線材料，護(hù)套材料參數(shù)以及約束條件，通過仿真分析對產(chǎn)品的設(shè)計風(fēng)險進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

通過仿真分析得出在線束固定位置線束承受較大應(yīng)力應(yīng)變[5]，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過優(yōu)化固定點結(jié)構(gòu)、變更固定點位置，運動線長校核等方式來改善該固定點的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象，提高線束的彎折耐久性能。

通過對線束運動段的運動仿真分析，能一定程度上反應(yīng)線束的彎折耐久性能，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計有較大幫助。

4 ?耐久試驗驗證

彎折耐久線束除了常規(guī)電性能測試外，一般需要進(jìn)行彎折耐久測試驗證，以驗證產(chǎn)品是否滿足彎折耐久的使用環(huán)境要求，有的產(chǎn)品根據(jù)其使用環(huán)境需要驗證在不同環(huán)境溫度條件下的彎折耐久性能，表2為某產(chǎn)品的彎折耐久測試標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)產(chǎn)品的彎折耐久測試要求，設(shè)計圖1所示實驗設(shè)備用于驗證彎折耐久線束的耐久性能，該設(shè)備由伺服電機(jī)、齒輪、絲桿、導(dǎo)軌、滑塊、線束安裝結(jié)構(gòu)、電控箱、人機(jī)交互界面等組成，通過PLC軟件編程控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)運動，齒輪、絲桿、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)實現(xiàn)線束安裝板的上下反復(fù)運動，將產(chǎn)品運動段其中一端安裝在左邊固定安裝板固定，另一端安裝在運動安裝板上，即可使線束進(jìn)行反復(fù)耐久運動。

通過實驗設(shè)備上面的結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)固定點和運動點之間X、Y、Z三個方向的相對位置關(guān)系，使產(chǎn)品的安裝固定位置、固定方式及與實際應(yīng)用安裝結(jié)構(gòu)一致。產(chǎn)品的運動幅度、運動頻率均可通過軟件編程、人機(jī)交互界面設(shè)置，以滿足不同實驗條件的需求。

當(dāng)需要驗證不同溫度條件下的彎折耐久性能，可將設(shè)備放置于溫控箱內(nèi)，設(shè)置溫控箱的溫度，即可驗證產(chǎn)品在不同環(huán)境溫度條件下的彎折耐久性能。

實驗前通過人機(jī)交互界面設(shè)置彎折耐久次數(shù)，頻率，振幅等參數(shù)，產(chǎn)品在測試過程中監(jiān)測電信號的連續(xù)性和阻值變化，判定實驗過程中是否有線芯斷裂失效發(fā)生，同時會記錄發(fā)生線芯彎折斷裂失效時的耐久次數(shù)，圖2為某產(chǎn)品的失效次數(shù)和產(chǎn)品失效照片。

5 ?總 結(jié)

本文主要介紹了彎折耐久線束的結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇要求，并運用運動仿真軟件輔助分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝的合理性，通過仿真分析對產(chǎn)品的設(shè)計風(fēng)險進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后通過設(shè)計實驗來驗證產(chǎn)品的耐久性能，對彎折耐久線束產(chǎn)品開發(fā)過程中產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和管理，對彎折耐久線束的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，以滿足客戶應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]汪景璞，鄒元傳.電纜材料.機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2]ISO 14572 Test methods and requirement for basic and high performance cables.International Standard，2011.

[3]陳海平，熊 召，劉長春.Top-Down設(shè)計模式下的機(jī)構(gòu)運動仿真.新型工業(yè)化，2014（03）：65～69.

[4]呂艷蕊，唐 俊，曹曉蕾.電線束三維設(shè)計應(yīng)用分析.汽車電器，2017，8（04）：38～40.

[5]趙啟元.橡膠動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變性能.橡膠譯叢，1983.

收稿日期：2018-12-7

作者簡介：周睿智（1982-），男，江蘇南通人，助理工程師，本科，研究方向為船舶工程。