CN102017019B - 具有双层护套的软电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性多导体电缆以及一种制造柔性多导体电缆的方法，其中，所述电缆尤其适于在机械电缆轨道式提升设备中使用。所述电缆包括由双层护套包围的两个或更多个绝缘导体。所述双层护套包括内层和外层，所述内层包括具有更高拉伸模量的热塑性弹性体材料，所述外层包括具有更低拉伸模量的热塑性弹性体材料。所述电缆的材料选择成使得所述电缆能在适应机械电缆轨道的外部物理要求，以及还防止将擦抹效应传递到所述导体上。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年3月2日提交的美国临时专利申请No.61/156,675的权益。
技术领域
本发明涉及软电缆，而且尤其涉及供机械电缆轨道中使用的多导体电缆(多芯电缆)。
背景技术
电缆利用适合于内部和外部机械、环境以及Listing Agency标准及要求的材料和方法以各种方式制造。还利用各种制造具有独特性质和性能特性的构造的方法来组装导体的组合，包括适用于弯曲应用场合所需的那些。这些实践领域和这些方法都有良好地文献记载。
现有技术包括机械电缆轨道，机械电缆轨道容纳用于在构造设备上将动力从一个位置传送到另一位置的各种电线以及液压线。具体而言，有用于将工人升降至某一高度并允许执行具体任务的这种类型的提升设备。这些任务与设备自身的控制共同要求使用各种单导体(芯)和多导体电缆。置于一个保护护套下的多电导体是一种紧凑设计中需要的集束多条电线(wire)的有效方式，也提供了连接电缆的有效方式。出于成本和空间的原因，柔性轨道空间被最小化，因而有效使用该空间是重要的。因为轨道提供设备的动力及控制，而且设备由篮筐中的一个人来运行，所以电缆的耐久性和可靠性是关键的。
图1是现有技术中的提升设备的一个实例。典型构件包括底座单元、具有机械电缆轨道的铰接动臂和作业平台。
针对在如此所述的这样一种环境下的电缆的优良构造，申请人已进行了大量的研发工作。
在现有技术的一个实施例中，轨道应用涉及链环型轨道，行业称之为“C”轨道。图2示出了在枢转位置处相连的模拟机械电缆轨道的链环，其带有用来连接链环的横向延伸的条。链环设计成便于较小半径弯曲(参见图3)，且用于允许设备在提升/延伸及操纵序列过程中的连续操作。轨道容纳用于提供底座单元和在延伸的“臂”或吊杆的端部处的一些设备(例如用于工人的篮筐或笼子)之间的动力和控制连接的电缆。轨道的链环包括在各端部处的枢轴关节(pivot joint)，且这些链环通过平的板、条或辊来左右连接，以形成“轨道或链环”。这些轨道沿两个方向在一个平面内行进。它们具有延伸模式和收缩模式。在延伸模式期间，电缆接触链条链环的内轨道链环连接装置/手段(即所述平的板、条或辊)，且在链环或链条的枢转处存在着电缆对设备的相当显著的接触、摩擦(rubbing)或擦拭(wiping)。这发生在轨道的各枢转或接触点处。依赖于所需的到达范围或延伸范围而定，轨道以变化的长度使用。如橡胶(CPE)和/或氯丁二烯橡胶之类的材料尤其受到这种“光滑表面”摩擦的损害，而且尽管这些材料具有相当的拉伸模量性能，但是这些材料相当快速地被破坏并被磨损(例如低于15,000轨道周期)，由此露出绝缘导体。相反，典型的热塑性弹性体和PVC通常具有更低拉伸模量性能及更低表面摩擦系数，允许它们在光滑表面摩擦接触条件下良好地工作，但是它们通常在防止轨道擦拭效应(track wiping effect)的传递方面不够可靠。
在收缩模式期间，电缆被允许松弛。然而，施加在电缆上的力未发生反向。因此，电缆上的应力仅仅而且经常沿一个方向，例如设备的延伸模式。按照常识，会试图将施加在电缆上的力描述成在本质上是扭力。这种错误的结论在观察电缆之后得出。尤其是，电缆呈现当电缆经受过度扭转载荷或力时发生的扭曲的或拧绳状的外观。但是，本申请人已发现所施加的力非扭力。所述力可以最好被描述成施加到电缆外接触面上的擦拭或“挤奶(milking)”力，例如图4所看到的那样。假定所述力在本质上为扭力，则导体会呈现规则扭曲形状，而导体扭绞长度(lay length)沿着暴露于所述力下的长度均匀地减少。相反，本申请人已发现，发生的是沿着长度非均匀分布的扭绞长度的明显持续变化。这种结果被认为仅发生在轨道的电缆与链环连接机构的所述平的板、条或辊相接触处的枢转端附近。据认为，护套的伸长性能允许护套发生位移(拉长)以及随后将力传递至导体层。因为接触发生在所述轨道托板(track blade)的整个宽度上(例如约3英寸)，所以压力擦拭导体，影响扭绞并形成拧绳或扭曲效应，例如图5和图6所示。较不易于拉长或伸长(即具有高拉伸模量性能)的材料不能有效地用作外护套材料，因为它们在轨道的规律接触和擦拭下破裂或磨损，且柔性不足以安装于并用于典型C轨道的较小弯曲半径。
现有技术包括多导体电缆，其制造有允许电缆承受反复弯曲的导体铰距长度。尤其是，导体扭绞或螺旋允许导体能避免在同一位置和同一平面内反复受到应力。然而，如果导体经历扭绞加紧，从而导体呈现行业中称之为“Z”扭结的情况，导体将被有效地锁定某一位置。结果，导体将遭到损坏。所述损坏是铜股线遭受导致导体加工硬化并丧失延长率的弯曲和应力的结果。延长率的丧失和加工硬化导致导体破坏和电失效。
申请人针对擦拭对电缆的影响进行了研究，所述电缆具有多导体并以特定扭绞长度制备。尤其是，在轨道测试之后，可再测量扭绞长度并记录效应。申请人发现的是，扭绞的加长陡然跟随有扭绞长度的减少。这种效应也可在电缆的外侧见到。就是说，电缆呈现了扭曲或拧绳状外观。所述外观实际上是在一个点的扭绞长度加长跟随有相邻点的扭绞长度加紧或积聚的结果。这些间隔的加紧和积聚将沿着已经经历轨道效应的电缆的长度重复，而且将不会发生在同一电缆长度未曾经历该接触处。在采用反螺旋导体层的情况下时，力(轨道擦拭)可从外导体层传递到刚好在其下的层，因为所述层沿着相对反向缠绕，外层可强迫内层导体皱折(这已在实际轨道测试中观察到)。在扭绞“加紧”(或者更精确地说，积聚或减短)的最极端情况下，所述效应非常极端以致造成导体聚成一团。在没有扭绞长度是明显的情况下，导体不能进一步向下擦拭，且作为这种弯曲的结果，导体可成为被损坏的对象。行业中称此为“Z”扭结。图7示出了呈现这种特征的样本导体。为了更好地示出导体上的这种效应，已将护套去除。图7A示出了扭绞的加长，其后跟随有导体扭绞减小。G1样本仅包括单层压力挤出护套。图7B中的G3样本为相同导体组合，然而其中正如本发明所教导的且进一步如下说明的，采用了内外层构思。
发明内容
本发明提供一种柔性多导体电缆以及一种制造柔性多导体电缆的方法，其中，所述电缆尤其适于在机械电缆轨道中使用。电缆的材料优选地选择成使得所述电缆能适应机械电缆轨道的外部物理要求，而且还：防止将擦抹效应传递到所述导体上；允许与绝缘导体和导体层的低摩擦紧密接触；防止压缩内导体层以产生由单导体或多导体发生Z扭结的机会；和适用于光滑表面摩擦应用场合。在一个实施例中，电缆包括18AWG或更大的导体以用于动力和控制应用。电缆设计成承受长期暴露于-40℃温度下而电缆不会运动继之以重复的延伸和收缩周期。此外，电缆设计成能承受紫外线照射、天气、灰尘和污物、混凝土、以及偶然发生的油或油脂接触。
附图说明
图1是现有技术中的提升设备的正视图。
图2是提升设备的机械电缆轨道的一部分以及多条现有技术电缆的立体图，所述电缆各具有多个导体。
图3是图2的机械电缆轨道和现有技术电缆的一部分的立体图。
图4是图2的机械电缆轨道和现有技术电缆的一部分的侧立体图。
图5是图2的机械电缆轨道和现有技术电缆的一部分的端立体图。
图6是图2的机械电缆轨道和现有技术电缆的一部分的局部端立体图。
图7A是现有技术电缆的平面图，其中去除护套以暴露出多个导体G1。
图7B是根据本发明的电缆的平面图，其中去除护套以暴露出多个导体G3。
图8是根据本发明一个实施例的电缆的剖视图。
图9是根据本发明另一实施例的电缆的侧视图。
图10是图9的电缆的剖视图。
具体实施方式
如上所述，图1示出了现有技术提升设备10的一个实例。该典型实施例包括底座单元12、包括机械电缆轨道的铰接动臂14以及作业平台16。作业平台16将容纳一个或更多个工人。当没有任何操作人员位于底座单元12中时，控制系统18定位在作业平台16处，从而工人可从作业平台16上操纵提升设备。由此，提供控制和动力的电缆系统在底座单元12和作业平台16之间延伸。图2至图6示出了这种沿着电缆轨道延伸的现有技术电缆系统的一部分。所述电缆系统沿着铰接动臂14的长度延伸。
图1所示的铰接动臂14处于延伸位置。将认识到的是，铰接动臂14可以收折或折叠在自身上，这时作业平台16刚好位于底座单元12上方。
图8是示出了根据本发明一个实施例的供上述电缆系统使用的电缆20。电缆20包括双层护套22。护套22包括外层24和内层26。电缆20还包括多个绝缘导体28。绝缘导体28可提供动力和控制应用。
双层护套22包括抵抗在护套22的外层24上的轨道摩擦的材料和抵抗护套22的内层26上的拉伸的材料。两种材料包括热塑性弹性体(TPE)的配方。然而，内层26和外层24的性能存在着差异，以实现本发明的目的。尤其是，内层26的材料具有高拉伸模量，以抵抗外部作用于所述电缆上的拉伸力。相比较而言，外层24的材料具有低拉伸模量，以在电缆被外部表面擦拭或摩擦时避免断裂和破裂。在一个实施例中，内层26的拉伸模量为1572psi，而外层24的拉伸模量为1232psi。将认识到的是，在刚才说明的实施例中，与外层24相比，内层26的拉伸模量大了27.6％。
内层26和外层24的拉伸和延长性能选择成承受所提到的应用的环境条件。
通过一起共挤出所述两种材料，成品电缆20能承受所有受到的力和暴露于的情况。因为所述材料在基础化学性质上相似，所以无需粘接剂或粘接层。因为所述材料在它们的特定性能上显著，所以无需另外材料层或为获得合适的电缆性能所需的其它措施。例如，无需包括内护套层、粘接剂、编织层或其他机械组件。一些粘接剂或包套可用于在制造过程中将一组保持在一起，或者减少部件之间的摩擦，但是不需要这些添加物来提高电缆承受轨道擦拭的能力。这样的材料组合具有足够的抵抗能力，从而不要求良好的电缆几何及设计。就是说构件之间不存在空隙、反螺旋导体层和完美导体数均是不要求的。例如，在图8所示的实施例中，带“管式”护套的电缆20不具有同心层，且空隙和敞开间隙清楚可见，而没有利用压力挤出来“捕获”导体28。然而，当然，压力挤出应用场合也将会受益于本发明。
下表给出本发明一个实施例的护套22的内层26和外层24的性能。
图9给出了本发明另一实施例的电缆。如所示，电缆40包括十二根导体的外层42、六根导体的内层44以及中间对46。还示出了双层护套48。
图10为图9的电缆40的剖视图。示出外层50和内层52。还将认识到的是，所示出的实施例为围绕绝缘导体的压力挤出应用。然而，本发明同样可适用于围绕绝缘导体的“管状”护套应用场合。还应注意的是，在由所述导体形成的间隙内没有挤出材料的内层。
将认识到的是，可作出各种修改和变形而不脱离本发明的新颖构思范围，而且应理解的是，本申请仅由随附权利要求范围来限定。
Claims (16)
1.一种多导体电缆，适于在机械电缆轨道中使用，其中，所述电缆在所述轨道的延伸模式下经受收缩，且擦拭或挤奶作用施加于所述电缆的外接触表面，所述电缆包括：
两个或更多个绝缘导体，所述导体在尺寸上为20AWG或更大；以及
双层护套，所述双层护套具有内层护套和外层护套，所述内层护套具有拉伸模量为至少1550psi的热塑性弹性体，以抵抗外部施加给所述电缆的拉伸力，所述外层护套具有拉伸模量不大于1300psi的热塑性弹性体，其中，所述内层和所述外层被共挤出，所述共挤出在所述内层护套和外层护套之间自然地形成不同的但不可分离的层而无需粘合剂或粘接剂，所述电缆呈现柔性，且能承受长时间暴露于-40℃温度下。
2.如权利要求1所述的电缆，其中，所述两个或更多个绝缘导体包括用于控制应用的导体和用于动力应用的导体。
3.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的热塑性弹性体的拉伸模量约为1570psi，而所述外层护套的热塑性弹性体的拉伸模量约为1230psi。
4.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的热塑性弹性体的拉伸模量处于1550-1650Pa的范围内，而所述外层护套的热塑性弹性体的拉伸模量处于1180-1280Pa的范围内。
5.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的热塑性弹性体的拉伸强度约为2390Pa，而所述外层护套的热塑性弹性体的拉伸强度约为2180Pa。
6.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的热塑性弹性体的延长率处于310％-370％的范围内，而所述外层护套的热塑性弹性体的延长率处于290％-340％的范围内。
7.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的热塑性弹性体的延长率约为340％，而所述外层护套的热塑性弹性体的延长率约为323％。
8.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内层护套的拉伸强度额定值比所述外层护套的拉伸强度额定值大了约9.8％，而所述内层护套的延长率比所述外层护套的延长率大了约5.3％，且所述内层护套的拉伸模量比所述外层护套的拉伸模量大了约27.6％。
9.如权利要求1所述的电缆，其中，所述电缆形成为管状护套。
10.如权利要求1所述的电缆，其中，所述电缆通过围绕所述两个或更多个绝缘导体而压力挤出所述内层和所述外层来形成。
11.如权利要求1所述的电缆，其中，所述电缆不具有能供所述导体在应力下运动的中央空隙或空间。
12.一种提升设备，包括：
底座单元；
平台；
臂，具有第一端和第二端，一端安装于所述底座单元而另一端安装于所述平台，所述臂具有多个平板，所述多个平板部分地形成具有一个或更多个半径的机械电缆轨道；以及
一个或更多个多导体电缆，所述多导体电缆每个具有两个或更多个绝缘导体，所述导体在尺寸上为20AWG或更大，每个电缆还包括双层护套，所述双层护套具有内层护套和外层护套，所述内层护套具有拉伸模量为至少1550psi的热塑性弹性体，以抵抗外部施加给所述电缆的拉伸力，所述外层护套具有拉伸模量不大于1300psi的热塑性弹性体，其中，所述内层和所述外层被共挤出，所述共挤出在所述内层护套和外层护套之间自然地形成不同的但不可分离的层而无需粘合剂或粘接剂，所述电缆呈现柔性，且能承受长时间暴露于-40℃温度下。
13.一种用于制造多导体电缆的方法，所述多导体电缆适于在机械电缆轨道中使用，其中，所述电缆在所述轨道的延伸模式下经受收缩，且擦拭或挤奶作用施加于所述电缆的外接触表面，所述方法包括以下步骤：
设置两个或更多个绝缘导体，所述导体具有20AWG或更大的尺寸；
选择一种热塑性弹性体作为用于内层护套的第一材料，所述用于内层护套的第一材料具有为至少1550psi的拉伸模量，以抵抗外部施加给所述电缆的拉伸力；
选择一种热塑性弹性体作为用于外层护套的第二材料，所述第二材料具有不大于1300psi的拉伸模量，以在电缆被外部表面擦拭或摩擦时避免断裂和破裂，并且抵抗轨道摩擦；以及
共挤出所述第一材料和所述第二材料以形成所述内层护套和所述外层护套，其中，所述第一材料和所述第二材料的相似材料化学性质导致所述内层护套和所述外层护套之间的自然熔合粘接。
14.如权利要求13所述的方法，其中，选择第一材料的步骤包括选择具有约为1570psi的拉伸模量的材料，而选择第二材料的步骤包括选择具有约为1230psi的拉伸模量的材料。
15.如权利要求13所述的方法，其中，选择第一材料的步骤包括选择具有约为2390Pa的拉伸强度的材料，而选择第二材料的步骤包括选择具有约为2180Pa的拉伸强度的材料。
16.如权利要求13所述的方法，其中，选择第一材料的步骤包括选择具有约为340％的延长率的材料，而选择第二材料的步骤包括选择具有约为323％的延长率的材料。
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