CN117951841A - 一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，包括如下步骤：S1：建立金属焊接轧纹管护套等效模型；S2：根据金属焊接轧纹管护套等效模型，计算金属焊接轧纹管护套制作的各项参数，制作参数包括纵包金属圆管直径、纵包金属带宽度、轧纹深度和轧纹节距中的一种或多种；S3：根据制作参数完成金属焊接轧纹管护套的制作。本发明可实现矿物绝缘电缆金属螺纹管工艺结构、质量的一致性和稳定，通过本发明可确保矿物绝缘电缆金属螺纹管通过标准规定的弯曲耐压试验、压扁耐压试验和燃烧耐火试验。

Description

一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法

技术领域

本发明涉及电线电缆技术领域，尤其涉及一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法。

背景技术

我国GB/T34926标准和JG/T313标准规定的矿物绝缘电缆是近十年发展起来适用于消防灭火、救援、逃生系统供配电线路的关键材料之一，由于该类电缆的耐火性能要求极高（耐火温度为950℃、供火时间180min，并经受单纯耐火、耐火加喷水、耐火加机械冲击），所以除电缆绝缘、填充和内衬层为不燃的无机矿物材料外，电缆外护套均为铜带（或铜合金带）纵包焊接螺旋轧纹管(以下简称金属螺纹管或螺纹管护套)。金属螺纹管护套的制造工艺流程如下：

一、金属带纵包成圆管，如图1将切割好宽度的金属带对缝纵包在矿物绝缘缆芯上形成有缝金属圆管，如图2所示，其中，L为金属带长度，由电缆制造长度确定；B为金属带宽度，与金属螺纹管周长相同；δ为金属带厚度，由标准确定。

二、焊接金属圆管纵包合缝，采用氩弧焊接设备，将对缝绕包的金属圆管合缝（见图2所示）焊接牢固、密封，并采用特殊工艺消除焊接处的应力。

三、将焊接金属圆管轧制成螺纹管，金属螺纹管焊接后，通过轧纹装置，在旋转轧纹机构和轧纹模具的作用下，将焊接金属圆管按给定的螺旋升角α、螺纹节距h和轧纹深度e（见图2所示）轧制成金属螺纹管，如图3所示。

应该指出的是：金属螺纹管护套制造的金属带切割、纵包，金属圆管焊接与应力消除，螺纹管轧制全过程都是在一条生产线连续作业完成。然而，由于我国矿物绝缘电缆金属螺纹管技术发展缓慢，尚不成熟，电缆行业没有一个对金属螺纹管护套工艺结构和工艺参数设计和科学完善方法，电缆企业均采用设备制造商提供的轧纹模具及参数生产，这样就至少存在两个缺陷问题。第一，设备制造商提供的模具和参数并不完善，且不能覆盖规格众多的矿物绝缘电缆采用；第二，电缆企业对金属螺纹管工艺结构和工艺参数缺乏科学、完善的设计方法，导致实际生产的螺纹管护套的工艺结构和工艺参数有很大的不一致性，使其质量的稳定性无法保证，这也是经常出现矿物绝缘电缆在施工现场敷设安装时，金属螺纹管护套弯曲时破损，变形的主要原因之一。

发明内容

为了使矿物绝缘电缆金属螺纹管的工艺设计科学系统化、工艺结构标准化、工艺制造参数规范化，实现其工艺结构、质量的一致性和稳定，确保其通过标准规定的弯曲耐压试验、压扁耐压试验和燃烧耐火试验，本发明提供一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，包括如下步骤：

S1：建立金属焊接轧纹管护套等效模型；

S2：根据金属焊接轧纹管护套等效模型，计算金属焊接轧纹管护套制作的各项参数，制作参数包括纵包金属圆管直径、纵包金属带宽度、轧纹深度和轧纹节距中的一种或多种；

S3：根据制作参数完成金属焊接轧纹管护套的制作。

进一步的，所述金属焊接轧纹管护套等效模型是通过模拟绕包成型带按照螺旋升角α在电缆缆芯外面对缝绕包形成的。

进一步的，所述纵包金属圆管直径通过如下公式计算：

；其中，D₁为纵包金属圆管直径，D₀为缆芯直径，e₁为纵包金属圆管与缆芯之间的间隙，δ为纵包金属带厚度。

进一步的，所述纵包金属带宽度通过如下公式计算：

；其中，B为纵包金属带宽度，即纵包金属圆管的周长。

进一步的，所述轧纹深度通过如下公式计算：

；其中，H_s为轧纹深度，k为金属焊接轧纹管护套轧制时，内壁压入缆芯的深度。

进一步的，所述轧纹节距通过如下公式计算：

h=9.37R₂/cosα；其中，h为轧纹节距，R₂为轧纹模具半径。

进一步的，所述制作参数还包括轧纹系数，所述轧纹系数通过如下公式计算：

λ₀=L₀/h；其中，λ₀为轧纹系数，L₀为金属焊接轧纹管护套的波纹弧长。

进一步的，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的内径，所述金属焊接轧纹管护套的内径通过如下公式计算：

D₂=D₀-2k；其中，D₂为金属焊接轧纹管护套的内径。

进一步的，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的外径，所述金属焊接轧纹管护套的外径通过如下公式计算：

D₃=D₂+2δ+2H；其中，D₃为金属焊接轧纹管护套的外径，H为金属焊接轧纹管护套波峰高度。

进一步的，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的重量，所述金属焊接轧纹管护套的重量通过如下公式计算：

；其中，W为金属焊接轧纹管护套的重量，L为金属焊接轧纹管护套单位长度，ρ为纵包金属带密度。

本发明的有益效果在于：本发明可使矿物绝缘电缆金属螺纹管的工艺设计科学系统化、工艺结构标准化、工艺制造参数规范化，可实现矿物绝缘电缆金属螺纹管工艺结构、质量的一致性和稳定，通过本发明可确保矿物绝缘电缆金属螺纹管通过标准规定的弯曲耐压试验、压扁耐压试验和燃烧耐火试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为纵包金属带结构示意图；

图2为纵包金属圆管结构示意图；

图3为金属螺纹管结构示意图一；

图4为模拟绕包成型带剖面图；

图5为模拟绕包成型带结构示意图；

图6为金属螺纹管结构示意图二；

图7为模拟绕包成型带形成的金属螺纹管结构示意图；

图中，1-缆芯，2-焊接金属圆管，3-纵包合缝，4-轧纹管护套，5-绕包合缝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，包括如下步骤：

S1：建立金属焊接轧纹管护套等效模型；

S2：根据金属焊接轧纹管护套等效模型，计算金属焊接轧纹管护套制作的各项参数，所述制作参数包括纵包金属圆管直径、纵包金属带宽度、轧纹深度和轧纹节距中的一种或多种；

S3：根据制作参数完成金属焊接轧纹管护套的制作。

具体的，图3所示的金属带纵包焊接轧纹管（螺纹管）护套的结构，图3中，缆芯1设置于轧纹管护套4的内部，其与由图4、图5所示的金属成型带（或称模拟绕包成型带）按给定的螺旋升角α在电缆缆芯外面对缝绕包形成的结构参数是相同，如图7所示，这是后续建立螺纹管结构参数设计计算和重要基础，其是通过模拟绕包成型带按照螺旋升角α在电缆缆芯1外面对缝绕包形成的，模拟绕包成型带的连接处形成绕包合缝5。已知金属螺纹管是由金属带纵包焊接圆管轧制而成（见背景技术），而金属焊接轧纹螺纹管的结构及参数与采用模拟成型带对缝绕包的螺纹管是相同的。为建立金属螺纹管工艺结构和工艺参数设计计算模型，我们将金属螺纹管结构（参数）投影图和模拟绕包成型带的刮面结构（参数）图绘制如图4和图6，图中，H、Hˋ分别是金属螺纹管波峰高度和模拟绕包成型带高度，H=Hˋcosα（α为螺纹管螺旋升角或成型带绕包角，由设计给定），h是金属螺纹管螺纹节距（也是轧纹节距），D₂是金属螺纹管内径，D₃是金属螺纹管外径，δ是金属纵包带（也即模拟绕包成型带）厚度，由标准确定，R₁、R₂—R₁为模拟绕包成型大圆弧半径，R₂为模拟绕包成型带小圆弧半径（也为金属螺纹管轧纹模具的半径），R₁=nR₂（n=1.2.3……），β为建立螺纹管结构设计模型而由设计给定的模拟绕包成型带。

螺纹管的工艺结构应既具有良好的弯曲性能和耐压扁性能及耐火性能，还应具备经济性。为此目的，设计预先给定的参数如下：

α=10°，β=45°，R₁=6R₂（n=6）；

纵包金属带的宽度B和金属圆管直径D₁的计算方法，由图1和图2可知：缆芯1设置于焊接金属圆管2的内部，焊接金属圆管2的连接处形成纵包合缝3，通过纵包合缝3将焊接金属圆管2焊接牢固、密封，纵包金属带宽度B是与金属带纵包后圆管（即金属圆管）的周长相等。故，应先计算得到金属圆管直径D₁，纵包金属圆管直径D₁由下式计算：

（1）；

式中，D₀为缆芯直径，e₁为焊接金属圆管与缆芯之间的间隙（以符合将金属圆管轧制成螺纹管的需要），e₁由工艺设计给定，δ为金属带厚度，由标准规定。

纵包金属带宽度B（即金属圆管周长）由下式计算：

（2）。

轧纹深度H_S的计算方法，将金属圆管轧制成金属螺纹管的轧制深度（即轧纹深度）H_S由下式计算：

（3）；式中，k为金属螺纹管轧制时，其螺纹管内壁压入缆芯的深度，以使缆芯与金属螺纹管压缩紧密，避免金属螺纹管弯曲、压扁变形。

轧纹节距h的计算方法，金属螺纹管轧纹节距h由下式计算：

（4）。

螺旋波纹弧长L和轧纹系数λ₀的计算方法，一个节距螺旋波纹弧长L由下式计算：

（5）；轧纹系数λ₀（重要的经济技术指标）为波纹弧长L与轧纹节距h之比值，由下式计算：

（6）。

金属螺纹管内径D₂与外径D₃的计算方法，金属螺纹管内径D₂由下式计算：

（7），式中，D₀为缆芯直径，k为螺纹管内壁压入缆芯深度由工艺设计给定。

金属螺纹管外径D₃由下式计算：

（8），式中，D₀为缆芯直径，k为螺纹管内壁压入缆芯深度由工艺设计给定，δ为金属带厚度，由标准确定，H为螺纹管波峰高度（见图6所示），H=Hˋcosα（Hˋ为模拟绕包成型带高度，见图4所示）。

金属螺纹管结构重量W的计算方法，金属螺纹管结构重量W由正式计算：

（9），式中，D₀为缆芯直径，k为螺纹管内壁压入缆芯深度由工艺设计给定，δ为金属带厚度，由标准确定，L为螺纹管单位长度，λ₀为轧纹系数，ρ为金属带密度（铜带为8.89g/cm³）。

在金属螺纹轧制中，其工艺参数选择的方法和步骤如下：

步骤一、根据产品标准规定选择纵包金属带厚度δ；

步骤二、根据缆芯直径D₀选择缆芯与纵包焊接金属管之间的间距e₁，由此计算出纵包焊接金属圆管的直径从而计算选择纵包金属带的宽度B；

步骤三、按不同缆芯直径D₀，选择轧纹模具半径R₂（也即为模拟绕包成型带的小圆弧半径）；

步骤四、按（3）式计算选择不同缆芯直径D₀的对金属焊接圆管的轧纹深度H_S；

步骤五、按（4）式计算选择金属螺纹管的螺纹节距，也即金属焊接圆管的轧纹节距h。

按上述方法和步骤选择的螺纹管轧制工艺参数如表1所示：

表1 矿物绝缘电缆金属螺纹管轧制工艺参数

。

需要说明的是，在螺纹管工艺参数和工艺结构设计中、轧纹系数λ₀（λ₀=L/h）是一个重要的经济技术指标。λ₀过大经济性差，但λ₀过小则可能影响金属螺纹管护套的弯曲性能和压扁性能，所以一般λ₀不宜小于1.08。在实际工艺设计中，除了对以上螺纹管轧制工艺参数进行设计选择外，还应根据（7）式、（8）式和（9）式计算金属螺纹管的内径D₂和外径D₃，以及螺纹管的结构重量W。

依据标准要求，将按本发明方法设计的金属焊接螺纹管护套矿物绝缘电缆送相关权威机构检验试验，其结构如表2、表3和表4所示：

表2 金属焊接螺纹管护套矿物绝缘电缆耐火试验

（产品标准：GB/T34926）

。

表3 金属焊接螺纹管护套矿物绝缘电缆弯曲耐压试验

（产品标准：GB/T34926）

。

表4 金属焊接螺纹管护套矿物绝缘电缆压扁耐压试验

（产品标准：GB/T34926）

。

基于上述实施例，本发明至少具有以下技术效果：

本发明可使矿物绝缘电缆金属螺纹管的工艺设计科学系统化、工艺结构标准化、工艺制造参数规范化，可实现矿物绝缘电缆金属螺纹管工艺结构、质量的一致性和稳定，通过本发明可确保矿物绝缘电缆金属螺纹管通过标准规定的弯曲耐压试验、压扁耐压试验和燃烧耐火试验。

需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立金属焊接轧纹管护套等效模型；

S2：根据金属焊接轧纹管护套等效模型，计算金属焊接轧纹管护套制作的各项参数，制作参数包括纵包金属圆管直径、纵包金属带宽度、轧纹深度和轧纹节距中的一种或多种；

S3：根据制作参数完成金属焊接轧纹管护套的制作。

2.如权利要求1所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述金属焊接轧纹管护套等效模型是通过模拟绕包成型带按照螺旋升角α在电缆缆芯外面对缝绕包形成的。

3.如权利要求2所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述纵包金属圆管直径通过如下公式计算：

；其中，D₁为纵包金属圆管直径，D₀为缆芯直径，e₁为纵包金属圆管与缆芯之间的间隙，δ为纵包金属带厚度。

4.如权利要求3所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述纵包金属带宽度通过如下公式计算：

；其中，B为纵包金属带宽度，即纵包金属圆管的周长。

5.如权利要求4所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述轧纹深度通过如下公式计算：

；其中，H_s为轧纹深度，k为金属焊接轧纹管护套轧制时，内壁压入缆芯的深度。

6.如权利要求5所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述轧纹节距通过如下公式计算：

h=9.37R₂/cosα；其中，h为轧纹节距，R₂为轧纹模具半径。

7.如权利要求6所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述制作参数还包括轧纹系数，所述轧纹系数通过如下公式计算：

λ₀=L₀/h；其中，λ₀为轧纹系数，L₀为金属焊接轧纹管护套的波纹弧长。

8.如权利要求7所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的内径，所述金属焊接轧纹管护套的内径通过如下公式计算：

D₂=D₀-2k；其中，D₂为金属焊接轧纹管护套的内径。

9.如权利要求8所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的外径，所述金属焊接轧纹管护套的外径通过如下公式计算：

D₃=D₂+2δ+2H；其中，D₃为金属焊接轧纹管护套的外径，H为金属焊接轧纹管护套波峰高度。

10.如权利要求9所述的一种矿物绝缘电缆金属焊接轧纹管护套的设计方法，其特征在于，所述制作参数还包括金属焊接轧纹管护套的重量，所述金属焊接轧纹管护套的重量通过如下公式计算：

；其中，W为金属焊接轧纹管护套的重量，L为金属焊接轧纹管护套单位长度，ρ为纵包金属带密度。