CN101427433B - 使线缆管路畅通的方法及管件 - Google Patents

Abstract

一种使线缆管路畅通的方法及管件，用于使线缆管路在一个建筑体平面内或两个表面互相不平行的、相连在一起的建筑体之间顺畅变向。该方法包括：在确保各个弯管的等效弯曲半径满足最低要求的前提下，选择累积转弯角度较小的路径和管件组件；在不影响累积转弯角度的前提下，选择等效弯曲半径较大的转弯路径和弯管管件。

Description

使线缆管路畅通的方法及管件

技术领域

本发明涉及一种在建筑电气配管、建筑综合布线或装修工程中应用的，使线缆管路畅通的方法及管件。特别地，所述的方法和管件是用于使线缆管路在一个建筑体平面内或两个表面互相不平行的、相连在一起的建筑体之间顺畅变向的弯管方法和管件。

背景技术

现代建筑中各种线缆的使用越来越多，在建筑的使用期内，线缆的变更和添加需求经常发生。这些日益增长的需求，对线缆管路的设计和施工质量，尤其是管路的通畅性和多次重复利用性提出了更高的要求与期望。而随着新型建筑材料和建筑技术的采用，建筑体，特别是建筑内墙的厚度在明显减小，建筑体内可供管路敷设的空间越来越受到更多的限制，这些都对管路的设计和施工技术提出了新的挑战。

影响管路畅通的因素很多。本发明重点解决如下难题。

管路在两个建筑体之间变向时，在偏转距离受限的情况下如何实现不小于10倍管径弯曲半径的转弯；如何减少整个管路的累积转弯角度，尽可能减少不必要的迂回。

关于弯曲半径问题，目前在建筑电气配管和综合布线的中国国家标准中，暗配管的最小弯曲半径要求不小于配管管径的6倍，最好在10倍以上。从配线施工的角度看，弯曲半径越大，穿过电气配管中的线缆越容易敷设和更换，线缆在敷设时受到的损伤也更小。

但是，在实践中，特别是在装修工程中，墙体和楼板对管子的敷设空间有诸多限制。当管子在楼板和墙体之间转向，或两个墙体之间转向时，由于管子在与建筑体表面垂直的方向的偏转受到建筑体厚度、建筑结构和施工工艺要求的限制，按传统的垂直平面弯管方法，实现10倍以上管径的弯曲半径是很困难的，在许多施工条件下，甚至是不可能的。

图1显示的是以垂直平面弯管方法，管路在两个表面相互垂直的建筑体之间变向的情形，它是沿管子中轴线的剖面图。a和b分别是管子在与两个建筑体表面垂直的方向所容许的最大偏转限制距离，即垂直偏转限制距离，∏1和∏2是内侧的两个限制面，它们的交线就是术语中介绍的限制线。在图1中限制线c显示为一个点，两个外侧的限制面的交线h显示为另一个点，D是管径，r是中间变量。那么，这个垂直平面弯管的最大弯曲半径Rmax由下列方程组确定：

Rmax＝r+D/2；r²＝(r-a)²+(r-b)²

其中r≥a，r≥b

图2显示的是两个建筑体表面之间成某种角度相连的更普遍的情形。D是管子的管径，a和b分别是垂直偏转限制距离，φ是两个建筑体表面之间的夹角，φ1、φ2和r是中间变量。该垂直平面弯管的最大弯曲半径Rmax由下列方程组确定：

Rmax＝r+D/2；φ＝φ1+φ2；sinφ1＝(r-a)/r；sinφ2＝(r-b)/r

其中r≥a，r≥b，φ1≤90°，φ2≤90°，sin为正弦函数

当φ＝90°时，上述方程组就简化为前一组方程组。

对于常见的φ＝90°的情形，我们针对实际工程中使用的管径D，来看一下为了得到10倍管径的弯曲半径，所需要的垂直偏转限制距离a和b的值。表中计算值精确到0.1厘米，所有单位都为厘米(cm)。

从表中的数据可以清楚地知道：对于实际的建筑或装修施工中的线缆管路，为实现10倍管径的弯曲半径，当其中一个建筑体，比如楼板，只有不超过3厘米的垂直偏转限制距离时，另一个建筑体就需要有8.8厘米以上的垂直偏转限制距离。这种要求是难以满足的。也就是说，按照传统的垂直平面弯管方法，要实现10倍管径以上弯曲半径的弯管，是非常不现实的。对于需要采用更大管径或需要更大弯曲半径的应用需求，难度就更大了。

另一个需要重视的问题是，要实现同样大的弯曲半径，仍然存在很多不同的路径方案，他们对线缆的阻力，也就是对线缆顺畅通过的影响是有差别的。对于弯曲半径没有显著差别的各个弯管，还有什么因素在影响线缆管路的通畅性呢？

发明内容

本发明所提供的方法及管件既可以解决由于建筑体厚度、建筑结构和施工工艺要求的限制难以实现10倍管径以上大弯曲半径转弯的问题，又可以尽可能地节省路径，减少不必要的迂回所产生的阻力。这些措施作为整体保证了管路的畅通无阻。同时，为方便大规模工业化生产，还对管件的结构进行了优化。

首先要对虚拟管路等相关概念进一步说明。

在各种建筑电气国家标准中，对线缆弯管的弯曲半径最小值都有一定的要求。对于理想的圆弧形或接近圆弧形的平滑的弯管，弯曲半径的概念能够准确地反映其实际的弯曲效果，

但是，工程中实际的管路存在各种客观状况，如管子接口的细小错位对接、管子的变形，以及管段间的非平滑连接，典型的非平滑连接是被连接的两个管段在连接点处是某种角度的折线。这些客观存在使得管路中难免会存在一些奇点。奇点处的弯曲半径非常显著地小于其他管段的弯曲半径，某些情况下甚至为零。奇点的概念在术语中有更详细的定义。

图3就是存在奇点的管路示意图。其中奇点S1两侧的直线管段以夹角θ1连接，奇点S1处的弯曲半径为零；奇点S2处与直线管段相切连接的是一小段弯曲半径非常小的弧形管段，奇点S2处的弯曲半径小于管径。

奇点的存在使得原来的弯管弯曲半径的数值不再能准确反映线缆弯管的真实弯曲效果。

实际上，某些奇点的存在对线缆管路通畅性的影响是很小的，而另一些奇点的存在对线缆管路通畅性的影响是却是致命的。我们在工程中经常见到的直角弯就是一种严重影响线缆管路通畅程度的奇点。图3显示的弯管中虽然存在奇点S1和奇点S2，但是θ1的角度很小，奇点S2处弯曲半径非常小的弧形管段的转弯角度也很小，图中的圆圈内就是奇点S2处局部放大图。这两个奇点对线缆管路通畅性的影响是很微小的。

虚拟管路概念的引入，就是为了更准确地衡量实际弯管的弯曲效果。

图4是沿管子轴线的剖面图。在存在奇点的弯管中引入一条虚拟管路L，其管径Dv小于弯管的内径。虚拟管路L上不再有奇点存在，各管段的弯曲半径分别是R1、R2、R3和R4。

在图5中，我们在存在奇点S3的弯管中引入一条虚拟管路L后，奇点仍然存在，只是原来弯曲半径为零的奇点S3换成了弯曲半径不为零的奇点S4。

在过滤掉那些对线缆管路通畅性影响很小的奇点后的虚拟管路能够准确地反映实际弯管管路的弯曲效果吗？实际上，同一条弯管管路内可以存在任意条虚拟管路，他们有不同的路径，因而也有不同的弯曲半径。所以我们有必要从中找到一条弯曲半径最大的虚拟管路来代表实际管路的弯曲效果，这就是最优虚拟管路。

虚拟管路概念的引入，就像一个筛子，它把那些对线缆管路通畅性的影响很小的奇点过滤掉了，而保留了那些对线缆管路通畅性的影响比较大的奇点。

虚拟管路的管径的选择，或者说虚实比的选择，可以看作是这个筛子的筛孔的大小。虚实比越大，筛孔越小，被筛掉的奇点越少。反之，则越多。

有了最优虚拟管路，我们就可以用最优虚拟管路的弯曲半径，即等效弯曲半径的概念，来定量地评价实际弯管管路的弯曲效果。

另外还需要对两个管段之间的平滑连接做进一步的定义。

线缆管路的各个管段之间的所谓平滑连接是个模糊的说法。理想的连接方式是相切连接。但是在实践中，要求绝对的相切连接是不太现实的。容许管段之间的连接存在奇点是更经济、更实际的做法，只要这个奇点对线缆管路通畅性的影响可以在某种程度上忽略不计。更精确的含义就是，该奇点的存在不会使被连接的两个管段作为一个整体管路的等效弯曲半径小于这两个管段的各自等效弯曲半径中较小者。

更进一步，基于本发明的目的，这里所说的管段都是等效弯曲半径不小于管径10倍的弯管或者是直管。我们对平滑连接的要求是被连接的两个管段作为一个整体管路的等效弯曲半径仍然不小于管径10倍。也就是说，这个连接不管是相切连接还是存在奇点的连接，他们的效果是近似一致的。这就是等效平滑连接的概念。它的引入方便了技术方案的清晰表达。

一、伪立体弯管

所谓伪立体弯管，就是由两个所在平面不平行的平面弯管等效平滑连接形成的立体弯管，这里所说的平面弯管如术语中定义的，有更宽泛的含义。这个立体弯管的中轴线在与两个平面弯管所在平面都垂直的平面上的投影是由两条直线段以某种夹角相连的折线。图6就是一种伪立体弯管的立体示意图。

在图6中，平面弯管1和平面弯管2的等效弯曲半径都不小于管径的10倍，它们在0点等效平滑连接。

两个平面弯管之间的连接可以是固定连接，也可以是适应范围更宽的活动连接。

图7是两个平面弯管固定连接为一体的、所在平面相互垂直的伪立体弯管的三视图。R是弯曲半径，D是管径。在其中的侧视图中，两个平面弯管的中轴线是相互垂直的。

图8是两个平面弯管活动连接的伪立体弯管的三视图。R是弯曲半径，D是管径。活动连接使得这个伪立体弯管能适应建筑体表面之间的各种夹角情形。

图9显示的是活动连接的伪立体弯管在不同角度的状态。

当上述角度调整到180°时，活动连接的伪立体弯管就变成了一个S型的平面弯管。图10显示的是以直通活动连接的伪立体弯管在展平以后的情形。R是弯曲半径。

伪立体弯管的等效弯曲半径只取决于形成这个伪立体弯管的两个平面弯管的等效弯曲半径，与建筑体的垂直偏转限制距离没有关系。为了实现管径10倍以上的等效弯曲半径的立体转弯，需要两个平面弯管的等效弯曲半径都达到管径的10倍以上。

这种结构简单的伪立体弯管比较容易加工和生产，在应用时使两个平面弯管与两个建筑体的表面分别平行就可以轻松实现10倍以上弯曲半径的变向转弯。

但是这种方案在实际效果上也存在一些明显弱点。

首先，它没有利用建筑体所容许的偏转空间，也就是建筑体的垂直偏转限制距离。所希望达到的等效弯曲半径的指标都依靠在与建筑体表面平行的平面内的迂回转弯实现。相对于后面将要介绍的方案，它在节省路径方面效果要差。

另一个问题是，在需要多条伪立体弯管并排敷设的时候，弯管之间的间距太大。

图11显示的就是三条伪立体弯管并排敷设的情形，图示的是正视图和俯视图。对于管径D为2cm的常见线管，当伪立体弯管的弯曲半径R达到管径的10倍，即20cm时，这三条并排敷设的伪立体弯管之间的水平间距E的值大约为9cm。显然，对于工程中经常遇到的从排在一起的几个插座下同时引出一排线管的情形，这个间距太大了。

二、立体弯管

相对于上述伪立体弯管的弱点，我们所期望的立体弯管方案的重大改进就是要充分利用建筑体的垂直偏转限制距离所提供的迂回空间。

为了更好地理解这种改进的作用，下面就影响线缆管路通畅程度的另一个指标，即累积转弯角度，进行分析。

累积转弯角度概念的引入，就是为了更准确地评价弯曲半径相同的不同弯曲路径之间的区别，而这种区别与线缆通过弯管的受阻程度成某种正相关关系。

下面用常见的L型弯管和S型弯管及其变种进行解释。

为简化示意图，各条弯管都以粗线条表示，所有的弯管都是平面弯管。

图12和图13显示的是直角L型弯管及其变种。对于同样的弯曲半径R，给出了四种不同的弯管路径。

弯管B1是最常见的弯管类型，它的累积转弯角度是90°。

弯管B2是由两段弯管和夹在中间的一段直管组成，它的累积转弯角度是两段弯管的转弯角度Ψ1和Ψ2之和，在本例中，也是90°。

弯管B3和B4采用了三段弯管来完成所需要的90°转弯，它们的累积转弯角度分别是各自的三段弯管的转弯角度之和，在本例中，分别是150°和210°。

我们分别用AA1，AA2，AA3，AA4来表示弯管B1至B4的累积转弯角度。从上面的数值我们得到下面的关系式：AA1＝AA2＜AA3＜AA4。

在其他条件都相同的情况下，这四条不同路径的弯管对线缆通过的阻碍程度之间也存在相似的关系。如果用Z1，Z2，Z3，Z4来表示弯管B1至B4对线缆通过的阻碍程度，那么根据经验我们得到下面的关系式：Z1≈Z2＜Z3＜Z4。

可以看出，相对于弯管B3和B4，弯管B1和B2是阻力更小的、更优秀的路径。

图14显示的是S型弯管及其变种。图中，S型弯管两端的切线延长线互相平行。对于同样的弯曲半径R，图中给出了两种不同的弯管路径。

弯管B5是由两段90°的弯管连接组成，其累积转弯角度是180°。

弯管B6是由两段弯管和夹在中间的一段直管组成，它的累积转弯角度是两段弯管的转弯角度之和，即2倍的Ψ6。当Ψ6＝45°时，累积转弯角度为90°。很明显地，随着Ψ6值的进一步减小，累积转弯角度也在减小，整个S型弯管也变得越顺直，其通畅性也越好。理论上，Ψ6的值是可以趋近于零的。

更深入的数学分析可以提供如下的结论：

弯管的累积转弯角度的极限最小值就是弯管两端延长线之间的夹角。

对于延长线互相不平行的平面弯管，采用前述图12中B1和B2的弯管方法就可以得到累积转弯角度最小的，或者称之为累积转弯角度最优的弯管。但是对于延长线互相平行的平面弯管和延长线不在一个平面的立体弯管，最小的累积转弯角度只是一种理论极限。实际应用中，应根据不同的施工条件，合理地选择弯曲路径，以得到相对较小的累积转弯角度。

在介绍立体弯管之前，再回头看一下最早介绍的垂直平面弯管方案。如图15所示，为了获得更大的弯曲半径，可以尽量利用垂直偏转限制距离所能提供的迂回空间。但是，由于通常线缆管路所要到达的插座底盒离墙面的深度是有限的，在增大弯曲半径的同时难免要牺牲转弯角度。图15中，由于底盒24的位置限制，Ψ01和Ψ02会随着R的增大而增大。

如果在充分利用了垂直偏转限制距离后仍然无法满足管路弯曲半径的最低要求，或者使得累积转弯角度变得太大，那么就必须考虑采用其他方案。在图15示例情况，当Ψ01+Ψ02≥180°时，即使弯曲半径R达到了期望值，这仍然不是理想的方案。

那么我们所期望的立体弯管，其累积转弯角度必须小于伪立体弯管的累积转弯角度。当然这种比较是基于两者两个端口方向，即延长线方向是相同的。

图16是立体弯管的立体示意图。

表面上看，图16与图6中的伪立体弯管是相似的。相对于伪立体弯管，立体弯管方案的不同点在哪里呢？

图17是立体弯管的三视图。其中Rx、Ry和Rz分别是管段5在三个投影面上的投影的等效弯曲半径。通过对比图7，可以看到，图17中的侧视图与图7中的侧视图有显著区别。需要补充说明的是，为便于表达弯管的结构，图17和图7的视角选择都是以两个相互垂直的建筑体表面作为正视图和附视图的投影面，而侧视图都是弯管在与两个建筑体表面相垂直的的平面上的投影。

在图17中的侧视图里，管段5的投影的等效弯曲半径Rz满足下面的关系：0＜Rz≤Rmax，其中，Rmax是根据垂直偏转限制距离a和b所计算出的垂直平面弯管的最大弯曲半径。假定我们所需要实现的立体弯管的等效弯曲半径的目标值是R，并且R＞Rmax，而图17中的管段3和管段4都是平面弯管，它们的等效弯曲半径也是R。

由于Rz＞0，要使管段5的等效弯曲半径不小于R，Rx和Ry可以小于R。

进一步的对比需要将立体弯管展平。前面介绍的伪立体弯管是由两个平面弯管组成的，它的展平是很容易的。但是这里介绍的立体弯管的展平需要引入曲面的概念。

这里所说的曲面是由立体弯管的中轴线沿着与两个建筑体表面的交线相平行的方向扩展形成的。图18是立体弯管所在曲面的示意图。为便于理解，在曲面上加了一些与两个建筑体表面的交线相平行的参考线，它们分别与立体弯管的中轴线相交。中轴线上任何一点的切线都不与两个建筑体表面的交线相平行，这是所期望的立体弯管的另一个特征。

把曲面展平以后，立体弯管就变成了图19的平面图。R是弯曲半径。中间的虚直线代表两个建筑体表面的交线。

把拥有同样的端口方向的伪立体弯管和立体弯管展平后放在一起对比一下，如图20。

伪立体弯管B7的一端P7和立体弯管B8的P8重合，其切线也重合；另外一端Q7和Q8的切线互相平行。从图中可以知道：伪立体弯管B7的累积转弯角度Ψ7＝Ψ71+Ψ72，展平后的立体弯管B8的累积转弯角度Ψ8＝Ψ81+Ψ82。其中Ψ7是个固定值，完全由伪立体弯管B7的两个端口的延长线分别与两个平面弯管所在平面的交线之间的夹角决定。而立体弯管B8的累积转弯角度Ψ8的值是个可变值。结合图17进一步分析，在保持立体弯管两个端口的方向和立体弯管的弯曲半径不变的条件下，当Rz增大时，Ψ8减小。虽然Ψ7＞Ψ8，但是立体弯管B8的实际累积转弯角度与Ψ7的关系并不确定。

相关实验表明，确实存在无数的能够实现同样弯曲半径转弯的立体弯管，它们的累积转弯角度比伪立体弯管的累积转弯角度更小，需要的迂回空间更小，管路的顺畅程度要更高。

虽然立体弯管方案比伪立体弯管方案在使用效果上更优秀一些，但是，新的问题又出现了。除了我们已经掌握的一些特征外，从上面的描述中，我们无法清晰地表述我们所期望得到的更小累积转弯角度的立体弯管的具体结构，尤其是在加工和生产时如何准确度量和控制这种形状复杂的弯管的弯曲半径和弯曲方向。很明显，这种结构不清晰的，存在太多变数的立体弯管是难以工业化批量生产的。

从工业应用的角度来看，为了充分利用建筑体所提供的偏转空间，而针对不同的垂直偏转限制距离去专门加工出特定的、理想的立体弯管是不现实的。

我们需要一种新的方案，既拥有伪立体弯管的简单结构以便于大量生产加工，又具有接近于理想立体弯管的使用效果。

三、旋转伪立体弯管方案

旋转伪立体弯管方案的基本方案是：通过调整伪立体弯管的两个平面弯管与各自所在建筑体表面的夹角，使得伪立体弯管能充分利用建筑体的垂直偏转限制距离，以达到接近理想的立体弯管的使用效果之目的。

下面通过几个图来解释。

图21是典型的各部分的弯曲半径都为R的伪立体弯管展平后的示意图。其中伪立体弯管用粗实线表示，直线f是两个平面的交线，射线m和射线n在两个平面内分别与交线f垂直、且分别与两个平面圆弧管段所属的圆相切，伪立体弯管的两个平面是互相垂直的。在下面所介绍的伪立体弯管的旋转就是分别以射线m和射线n为转轴实施的。在以其中一条为转轴旋转过程中，另一条射线则在所属的平面内平移，并保持与交线f始终垂直。

为清楚地显示出旋转前后的对应关系，伪立体弯管的两个平面弯管的连接点O和两个端点(P和Q)都用醒目的圆点表示，两个平面弯管所属的圆用虚线表示。

伪立体弯管的旋转分两步完成：以射线m为转轴，沿射线n的方向旋转；以射线n为转轴，沿射线m的方向旋转。这两个旋转没有次序之分。

图22显示的是更普遍的一种情形，图中只显示了伪立体弯管的其中一段平面弯管OP，OP并不是简单的圆弧形，其等效弯曲半径为R，但是OP上没有一个点的切线与交线f垂直。为了完成旋转，增加了一段弯曲半径为R的圆弧PPe，它与弯管OP在P点相切连接，Pe点的切线与交线f垂直，这样就有了一条通过Pe点的转轴m，这段圆弧PPe就是术语中所定义的延长弧。如定义中所描述，延长弧PPe与弯管OP在一个平面内，而且在P点的切线的同一侧。

图23是图21的伪立体弯管旋转后的正视图和俯视图。为对比方便，将两个视图中的交线f重合了。ωm和ωn分别是以射线m和射线n为转轴的转角。直线c与交线f平行，且与旋转前两个平面的距离分别是a和b，这两个距离也就是建筑体所容许的垂直偏转限制距离。

从图中可以看到，旋转后，两个平面弯管所属的虚线表示的圆在正视图和俯视图中变成了椭圆。管段OP在正视图中是椭圆弧的一部分，在俯视图中是一个直线线段。管段OQ在俯视图中是椭圆弧的一部分，在正视图中是一个直线线段。

图24是伪立体弯管旋转后的左视图。图23中的交线f和直线c在本图中显示为两个点，管段OP和管段OQ在左视图中是仍然分别是两个椭圆弧的一部分，它们在O点相切连接。

在图23和图24中需要注意的是，旋转后两个平面的交线为g，而伪立体弯管旋转前与射线m和射线n的交点P和Q在旋转后分别变成了交点Pm和Qn，伪立体弯管旋转后在Pm和Qn点的切线方向就是伪立体弯管旋转前在P和Q点的切线方向，也就是说旋转后的伪立体弯管中只需要其中的一部分，即从点Pm到点Qn的部分，又称之为有效部分，就可以完成旋转前的伪立体弯管同样的转弯目的。因此在后面的图25和图26中，多余的管段PPm和QQn分别改用粗虚线表示。

图25是旋转后两个平面弯管OP和OQ在各自平面的俯视图。

把这两个视图拼接在一起，使它们交线g重合，端点O重合，就得到了图26。图26实际上就是伪立体弯管旋转后沿新的交线g展平后的平面视图。需要注意的是，在图26中有两条交线f，它们分别反映的是实际的交线f在两个不同的平面的视图位置，与射线m垂直相交的交线f在管段OP所在的平面内，而与射线n垂直相交的交线f在管段OQ所在的平面内。

在图25和图26中，Ψm和Ψn分别是伪立体弯管旋转后的平面弯管管段OPm和OQn的转弯角度，那么伪立体弯管旋转后的有效部分的累积转弯角度Ψ＝Ψm+Ψn。其他标记的含义与图23相同。结合图23，得到图27中的立体几何图形，其中f和g分别是图23中的交线f和g，m和n分别是图23中的射线m和n，ω m和ωn分别是图23中的旋转角度ωm和ωn，Ψm和Ψn分别是图26中的转弯角度Ψm和Ψn。经过简单运算，我们得到如下方程组：

ctgΨn＝tgωm·cosωn；

ctgΨm＝tgω n·cosωm

其中，0≤ωm＜90°，0≤ωn＜90°，0＜Ψm≤90°，0＜Ψn≤90°，cos为余弦函数，tg为正切函数，ctg为余切函数。

看一下特例，当ωm＝0时，也就是以射线m为转轴没有旋转的情形，这时

Ψn＝90°；Ψm＝90°-ωn

那么，Ψ＝180°-ωn，也就是说ωn越大，Ψ越小。

通过进一步分析得到，增大ωm和ωn的值，就可以减小累积转弯角度Ψ。

要计算ωm和ωn的最大值，必须做一些合理的限定：

0≤a＜R，  0≤b＜R，(R-a)²+(R-b)²＞R²，0≤ωm＜90°，0≤ωn＜90°

当ωm为0时，ωn的最大值满足下面的方程：

(R-a/sinωn)²+(R-b)²＝R²

同样当ωn为0时，ωm的最大值满足下面的方程：

(R-b/sin ωm)²+(R-a)²＝R²

分析一下特例：伪立体弯管的旋转使得伪立体弯管的中点O，即两个平面弯管相交的点，刚好落在图23和图24中的限制线c上。也就是说，旋转后的0点到旋转前的伪立体弯管的两个平面的距离刚好分别是相应的垂直偏转限制距离a和b。图28显示的是管段OQn的示意图，其中R是弯曲半径，0点距离旋转前的伪立体弯管的两个平面的距离刚好分别是相应的垂直偏转限制距离a和b，f是图22中的交线f，n是图23中的射线n，ωn是图23中的旋转角度ωn，Ψn是图26中的转弯角度Ψn。经过计算，得到关系式：(R-R·cosΨn)sinωn＝a。

类似地，有(R-R·cosΨm)sinωm＝b。

再结合从图27得到的两个方程，最终得到转弯角度Ψm和Ψn满足下列方程组：

(R-R·cosΨn)sinωn＝a；

(R-R·cosΨm)sinωm＝b；

ctgΨn＝tgωm·cosωn；

ctgΨm＝tgωn·cosωm

其中，0≤ωm＜90°，0≤ωn＜90°，0＜Ψm≤90°，0＜Ψn≤90°，sin为正弦函数，cos为余弦函数，tg为正切函数，ctg为余切函数。

在上述特例中，可以通过R，a，b的值计算出弯管的累积转弯角度。

再来分析一下图24中的曲线的弯曲半径，由于曲线OP和OQ分别是两个椭圆的一部分圆弧，它们相切连接的点O就是整个曲线PQ中弯曲半径最小的地方。用曲线PQ中弯曲半径最小的点O去适应伪立体弯管在建筑体垂直偏转限制距离a和b范围内的转弯中最困难的地方，就是旋转伪立体弯管方案的优化特例。这个最困难的地方就是图23和图24中的限制线c。

四、布管路径的选择和优化

在前面的方案中，我们介绍了实现大弯曲半径立体转弯的问题，也介绍了影响管路畅通程度的另一项重要指标，累积转弯角度。那么在实际管路路径的设计和施工中如何综合考虑弯曲半径和累积转弯角度这两个因素对管路通畅性产生的作用呢？

在弯曲半径相同时，累积转弯角度越小，管路通畅性越好；在累积转弯角度相同时，弯曲半径越大，管路通畅性越好。

图29显示的是管路通畅性与弯曲半径R和转弯角度Ψ之间的定性关系。曲线t1代表管路通畅性好，曲线t2代表管路通畅性一般，曲线t3代表管路通畅性差。

从图形中可以知道，当转弯角度大到一定程度，即使弯曲半径很大也难以改善管路通畅性；而当转弯角度很小时，即使弯曲半径很小管路通畅性仍然很好。图中的点S代表的就是弯曲半径很小但是转弯角度也很小的情形，实际上就是前面介绍过的奇点之一，比如图3中的S2。

那么路径设计和优化的方法就是：在保证弯管的最小等效弯曲半径满足要求的前提下，优先选择累积转弯角度较小的路径；在累积转弯角度不变的情况下，优先选择弯曲半径较大的路径。

附图说明

本发明各个附图中默认所有管子的截面都为圆形。下面是各附图的简要介绍。

图1和图2是垂直平面弯管方法示意图，其剖面是沿管子的轴线的。

图3是管路中存在奇点情况的示意图。

图4是虚拟管路的剖视图，其剖面是沿管子的轴线的。

图5是实体管路和虚拟管路都存在奇点的示意图。

图6是伪立体弯管的立体示意图。

图7至图9分别是固定连接和活动连接的伪立体弯管的三视图和活动状态图。

图10是以直通连接的伪立体弯管在展平后的平面视图。

图11是三条伪立体弯管并排在一起的正视图和俯视图。

图12至图14是六种平面弯管路径拥有不同累积转弯角度的示意图。

图15是累积转弯角度受到插座底盒位置的影响的剖面图。剖面是沿管子的轴线的。

图16和图17分别是立体弯管的立体图和三视图。

图18是立体弯管所在曲面的示意图。

图19是立体弯管所在曲面展平后示意图。

图20是展平后的立体弯管和伪立体弯管的对比示意图。

图21和22是展平后的伪立体弯管和旋转转轴关系示意图。

图23和24是旋转后的伪立体弯管的正视图、俯视图和侧视图。

图25是旋转后的伪立体弯管的两个平面弯管在各自平面上的平面视图。

图26是伪立体弯管沿旋转后两个平面的交线展平后的平面视图。

图27是用于计算转弯角度和旋转角度之间关系的立体模型示意图。

图28是用于计算伪立体弯管的中点0旋转到限制线时的转弯角度的立体模型示意图。

图29是管路通畅程度与弯曲半径和转弯角度之间关系示意图。

图30是45°平面弯管和三种接头管件的轴向剖面图。

图31是管路路径选择方法示意图。

实施方式

本发明的实施方式包含三方面的内容。

一、管件的生产加工。1、利用模具批量生产不同规格型号的不小于10倍管径的大弯曲半径伪立体弯管和平面弯管管件，在应用时通过伪立体弯管、平面弯管和直管等管件的组合来达到所需要的变向转弯；2、利用弯管设备，如弯管弹簧，根据现场需要把可弯曲的线管，如PVC管、金属管，加工成所需要弯曲半径和转弯角度的立体弯管或伪立体弯管。

二、立体弯管或伪立体弯管的现场安装方法。特别是如何控制弯管的旋转以获得更小的累积转弯角度。

三、在各种可行的管路敷设方案中如何选择合适的管件和优化的路径。

批量生产不同规格型号的伪立体弯管和平面弯管管件，可以显著提高工程施工的效率，避免现场加工弯管所产生的各种隐患，特别是弯管弯曲半径不达标的问题得到了有效控制。

下面介绍两种适合模具化生产的管件。

管件一：30°-45°和75°-90°平面弯管

按照管径、弯曲半径的不同有多种规格。其中管径的规格宜采用现行国家或行业标准，弯曲半径的规格建议采用10倍、15倍和20倍管径三个档次。当然，在确定规格的时候可以在6倍和20倍之间选择其他合适的梯度数值。

图30显示的是45°平面弯管和配套使用的几种管接头的轴向剖视图。75°-90°平面弯管的结构相同，只是转弯角度为75°-90°。实际设计生产时，可以选择30°，35°，40°，45°，75°，80°，85°，90°等规格的平面弯管。

该平面弯管的弯曲半径R有三种规格，分别为管径的10倍、15倍和20倍。当然也可以选择其他的规格梯度数值。

图中的三种接头配合同样管径和弯曲半径规格的管件之间的紧密连接。接头的内径和管子的外径相匹配。其中接头110用于同心弯管间的连接，接头100用于弯管和直管间的连接，接头120用于反向弯管间的连接。为预防穿线器在接头处的阻塞，接头中间的环形分隔部分130，做了圆滑处理。当然还可以有立体变向的弯管接头，也就是用于不在同一平面的两个弯管的连接。为方面施工时识别弯管接头的弯曲方向，可以在接头上做标记，也可以在弯曲部分的内弯侧或外弯侧沿轴向增加一条凸棱或凹槽。

为易于弯管在连接点的旋转变向，可以在平面弯管的一端或两端各延伸出一小段直管。这样就可以用传统的直通来连接弯管了。

为减少穿线器或线缆在接头处的阻塞，该平面弯管两端端口的内侧为圆弧型端口或斜口。作为示例，图30中的平面弯管6的一端61为斜口，另一端62为圆弧型端口。

管件二：双45°和双90°垂直型伪立体弯管

双45°垂直型伪立体弯管是由两个45°平面弯管连接组成的，其两个平面互相垂直。而双90°垂直型伪立体弯管是由两个90°平面弯管连接组成的，其两个平面互相垂直。

管径和弯曲半径也有多种规格，如管件一所述。双45°和双90°伪立体弯管的两个平面弯管之间的连接可以是固定连接，如图7，也可以是活动连接，如图8。

两个平面弯管的转弯角度可以有更多的选择，如管件一所述。

立体弯管或伪立体弯管在敷设施工时，通过合适的旋转可以获得相对更小的累积转弯角度。对于结构复杂的立体弯管，只能通过现场尝试来获得较小的累积转弯角度。

对于本发明所介绍的伪立体弯管，则有简单有效的旋转方法：使伪立体弯管的中点，也就是两个平面弯管的连接点，尽量地靠近两个建筑体的限制线。

管路敷设路径的优化需要考虑的因素非常多，除了本发明所关注的弯曲半径和累积转弯角度外，还包括建筑结构、其他管路以及所穿线缆种类和数量的影响。要得到理想的路径，必须综合考虑各种因素。本发明所提供的方法是在弯曲半径和累积转弯角度两个因素共同考虑时所采用的方法，即在保证弯管的最小等效弯曲半径满足要求的前提下，优先选择累积转弯角度较小的路径；在累积转弯角度不变的情况下，优先选择弯曲半径较大的路径。

图31显示的是位于墙上的管子30到位于地面上的管子31、32和33之间的三种路径设计示意图。其中两个45°平面弯管9和10互相垂直，构成了一个伪立体弯管。这个伪立体弯管的旋转没有在图中表示。为了避开混凝土柱子20，伪立体弯管到管子31的路径选择了另一个45°平面弯管来连接。从管子30到管子31的累积转弯角度是135°。

对于两个建筑体中的一个是圆柱体的特殊情形，只要这个圆柱体的弯曲半径不小于所需要的弯管的弯曲半径，就可以把圆柱体的柱面展平来看待，应用前述的技术方案实现大弯曲半径的变向转弯。

术语

线缆(Cables and wires)：指电线电缆、光缆、控制电缆、信号电缆和各种通信电缆，包括但不限于同轴电缆、计算机网络线、音视频信号线、电话线，以及施工、检测时使用的牵引缆绳和穿线器。

管路(Conduit)：由若干条直管、弯管和必要的管接头连接成一体的完整的管道通路。一条管路有两个端口，或称出入口。一条直管或弯管本身就可以成为一条最简单的管路。

平面弯管(Flat bend)：绝对意义的平面弯管是只在一个平面内弯曲的弯管。也就是说，管子的中轴线在一个平面内。由于单纯一条直管无法确定唯一的一个平面，所以单纯一条直管不属于本发明所提及的平面弯管。考虑到实际情况，本发明所述及的平面弯管包括了那些一部分中轴线少量偏离所述平面的情形，只要这些偏离确保在弯管内仍然可以找到一条虚拟管路，该虚拟管路属于绝对意义的平面弯管。虚拟管路的定义在后面有详细解释。

垂直平面弯管(Vertical flat bend)；特指所在平面与两个建筑体的表面都垂直的平面弯管。

弯管的弯曲半径(Bending radius)：即弯管中轴线的弯曲半径。在弯管各管段的弯曲半径不一致的情况下，弯管的弯曲半径就是指其中的最小弯曲半径。

垂直偏转限制距离(Vertical variation limits)：由于建筑体的厚度限制、建筑结构和施工工艺等的要求，使得管路在建筑体内或建筑体表面的敷设，在垂直于建筑体表面的方向的偏转距离，或称迂回距离，受到某种程度的限制，其最大值就是垂直偏转限制距离。对于现有民用建筑来说，墙体内的垂直偏转限制距离一般为2-8cm左右，而楼板内的垂直偏转限制距离通常只有1-3cm。在装修阶段敷设的管路的垂直偏转限制距离要明显更小。

限制线(Limit)：建筑体对管子在垂直于建筑体表面的方向的偏转距离的限制构成了内外两个限制面，两个成夹角相连的建筑体的限制面从与两个建筑体表面都垂直的剖面看是一内一外两个L形的折线，内侧的两个限制面的交线称为限制线。对于埋在建筑墙体和地板内的管路，在容许管子贴近建筑体表面的情况下，这个限制线就是通常所说的墙角线。  垂直平面弯管的最大弯曲半径(Maximal bending radius of vertical flat bend)：垂直平面弯管的最大弯曲半径就是在充分利用了垂直偏转限制距离的情形下所能实现的最大的弯曲半径。

立体弯管(Three-dimensional bend)：简单的定义，就是不存在这样一个平面，弯管的中轴线的各个部分都在这个平面内。在后文中会对立体弯管的特征做进一步的说明。

伪立体弯管(Pseudo-three-dimensional bend)：由两个所在平面不平行的平面弯管连接形成的立体弯管，这个立体弯管的中轴线在与两个平面都垂直的平面上的投影是由两条直线段相连形成的折线。

奇点(Odd-spot)：线缆管路在弯曲时的弯曲半径对管路通畅存在影响。在实际工程应用中，期望的弯管弯曲半径一般在管径的六倍至十倍左右。本发明所提供的弯管方法所实现的目标是管径的十倍以上。但是，对于一条使用效果已经达到管径六倍以上弯曲半径的弯管，实际的弯管管路中难免会存在一些局部弯曲半径很小，甚至弯曲半径为零的地方，我们把这些局部弯曲半径小于管径，甚至弯曲半径为零的地方称为奇点。

虚拟管路(Virtual conduit)：由于实际的管路中难免会存在一些奇点，而某些情况下这些奇点对线缆的通过实际上影响很小。在评价衡量弯管的通畅性的时候，以弯管的绝对弯曲半径作为指标就会产生很大偏差，为得到接近真实的评价，有必要忽略那些影响不大的奇点。为了方便衡量实体管路的实际弯曲程度，在实体管路内部虚拟出的一条管壁厚度为零的管路，称为虚拟管路，其管径小于等于实体管路的内径。

最优虚拟管路(Optimum virtual conduit)：在给定的实体管路内部，在给定某个可行的虚拟管路管径情况下，存在一条或任意条虚拟管路，其中拥有最大弯曲半径的虚拟管路称为最优虚拟管路。所谓可行的虚拟管路管径是指管径大小的选择应使得能在实体管路内部至少找到一条虚拟管路。相反的情形是，当虚拟管路管径选择过大时，有可能无法找到这样一条虚拟管路。

等效弯曲半径(Equivalent bending radius)：最优虚拟管路的弯曲半径。在使用等效弯曲半径概念的时候，通常会根据应用的需要对虚拟管路的管径最小值有个限定。

虚实比(Virtual-real diameter rate)：最优虚拟管路的管径与实体管路内径的比值。其数值最大为1，最小为0。在大多数工程场合，虚实比以界于1/2至2/3为宜，也就是最优虚拟管路的管径以限定在实体管路内径的1/2至2/3之间为宜。为简化技术方案的介绍，在本文中除特别说明的情况，最优虚拟管路的虚实比一律默认为1/2。

等效平滑连接(Equivalent smooth-connecting)：是指该连接使得被连接的两个管段作为一个整体管路的等效弯曲半径等于这两个管段的等效弯曲半径中较小者。

累积转弯角度(Accumulative bending angle)：对于一个连续弯，其累积转弯角度就是沿转弯路径上各个弯的转弯角度的累加。对于只有一个弯的简单情形，累积转弯角度就是那个弯的转弯角度。

平面弯管的延长弧(Extended arc)；引入延长弧的概念是为了清晰地说明伪立体弯管的旋转。对于转弯角度小于90°的平面弯管，自其一端在同一平面内延伸出一段圆弧线，称为延长弧。该圆弧线与平面弯管的最优虚拟管路的中轴线的一端相切连接，平面弯管与该圆弧线在切线的同一侧，圆弧线延伸的长度刚好使得平面弯管与该圆弧线作为整体的转弯角度为90°，并且该圆弧线的弯曲半径等于平面弯管的等效弯曲半径。

Claims (17)

1.使线缆管路畅通的一种方法，其特征是：线缆管路在同一建筑面内的敷设和相连的不同建筑体之间变向转弯时的敷设满足各个建筑体的垂直偏转限制距离的要求，在确保各个弯管的等效弯曲半径满足国家或行业标准对弯管最小弯曲半径的要求的前提下，选择累积转弯角度较小的路径和管件组合；在不影响累积转弯角度的前提下，选择等效弯曲半径不小于管径的10倍的转弯路径和弯管管件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述弯管用于在同一建筑面内转向时是等效弯曲半径满足要求的平面弯管，所述弯管用于在相连的两个建筑体之间转向时是等效弯曲半径满足要求的立体弯管或者是伪立体弯管，所述累积转弯角度较小的路径对于相连的不同建筑体之间的转向是指对转弯处的立体弯管或伪立体弯管施以旋转并切除多余管段后的有效路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：对伪立体弯管的旋转是指，在保持伪立体弯管的两个平面弯管的最优虚拟管路的中轴线或其延长弧与旋转前各自所在平面相切连接的同时，分别以这两个切线为转轴的旋转，该旋转使得伪立体弯管的两个平面弯管的连接点向两个相连建筑体的限制线靠近。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是：所述的等效弯曲半径是指虚实比为1/2时的最优虚拟管路的弯曲半径。

5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是：所述的等效弯曲半径是指虚实比为2/3时的最优虚拟管路的弯曲半径。

6.使线缆管路畅通的一组弯管管件，包括伪立体弯管、圆弧形平面弯管和对应的管接头，其特征是：所述伪立体弯管是由等效弯曲半径不小于管径10倍的平面弯管等效平滑连接组成的，所述圆弧形平面弯管和对应的管接头的弯曲半径不小于管径10倍。

7.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管是由两个弯曲半径不小于管径10倍的圆弧形平面弯管等效平滑连接组成的，该连接可以是固定连接，也可以是活动连接。

8.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管和圆弧形平面弯管的一端或两端延伸有一小段同样管径的直管。

9.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管的两个平面弯管和圆弧形平面弯管的转弯角度为45°或90°。

10.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管的等效弯曲半径是指虚实比为1/2时的最优虚拟管路的弯曲半径。

11.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管的等效弯曲半径是指虚实比为2/3时的最优虚拟管路的弯曲半径。

12.根据权利要求6所述的弯管管件，其特征是：所述管接头分别由弧形管段和直管、两个同心弧形管段或两个反向弧形管段相切连接构成。

13.根据权利要求12所述的弯管管件，其特征是：所述管接头内腔中部的环形分隔部分(130)的表面为圆弧状。

14.根据权利要求6至11之一所述的弯管管件，其特征是：所述伪立体弯管和圆弧形平面弯管的两端端口内侧为斜口(61)或圆弧型端口(62)。

15.使线缆管路畅通的一种立体弯管，用于在相连的不同建筑体之间变向转弯，该弯管的转弯满足建筑体的垂直偏转限制距离的要求，其特征是：所述立体弯管的最优虚拟管路的中轴线上任何一点的切线都不与两个建筑体的限制线相平行。

16.根据权利要求15所述的立体弯管，其特征是：所述立体弯管的等效弯曲半径不小于管径的10倍。

17.根据权利要求15或16所述的立体弯管，其特征是：所述立体弯管是由两个以上的平面弯管等效平滑连接组成的。

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