一種電纜主絕緣層剝切裝置及工具的設計

陳勁安

（艾默生精密工具技術(上海)有限公司，上海 201613）

0 引言

剝切電纜主絕緣層是電力施工搶修的重要環節。隨高壓輸電技術不斷發展，高壓絕緣電纜的應用愈加廣泛[1]。在配網及電氣化鐵路領域中，電纜電壓主要集中于10 kV ～35 kV，其主絕緣層厚度最高可達15 mm。此外，主絕緣層的材質包含交聯聚乙烯（XLPE）、交聯聚氯乙烯和聚丙烯等[2]。剝切這類厚度較高及材質較硬的主絕緣層存在較高難度[3]。經走訪調查，電纜主絕緣層的剝切方法一般借助于手動工具；一部分人則使用通用型電動切割工具，如切割機；也有少數將手動剝切器固定安裝在通用型電動工具上使用[4]。以上方法均存在顯而易見的弊端：一是工作效率低，且需要人工蠻力切割；二是使用電動切割對人員操作要求較高，稍有不慎就會劃傷電纜內絕緣層或金屬芯；三是通用型電動工具并不能很好地適配工況要求，且較難做到輕量化。為解決以上缺陷，本文設計一種剝切電纜主絕緣層裝置，配合特定的切削刀片及鋰電池驅動，使用簡單、效率高，切削效果好。

1 構型設計

1）為兼顧效率與質量，剝切方式為繞電纜軸線斜向環切，形成螺旋線狀切割線；設置切割止位，到設定的位置后自動/半自動停止。

2）由于不同的電壓、絕緣能力及工藝等因素影響，主絕緣層的內外徑大小不均。因此，夾持機構需適配不同尺寸的電纜，同時刀片應可調節切割角度及長度。

3)主絕緣層表面存在彎折或呈橢圓狀。若以其作為基準面進行夾持，繞電纜軸線旋轉進行剝切，則需要該夾持機構具備定心及補償功能。

4）切削刃與電纜金屬芯部接觸處需有耐磨且不損傷芯部的結構或特殊涂層。

5）結合施工環境，需要設計便于攜帶、輸出扭矩較大的驅動方式，如鋰電池驅動系統。

6）應設有開關或緊急停止功能；同時刀頭可視，便于觀察刀頭位置及導線剝切狀態。

綜上，設計的剝切裝置三維結構圖如圖1所示。

圖1 剝切裝置的三維結構圖

2 工作原理

剝切裝置由驅動系統，傳動系統，夾持系統，切割系統及控制系統組成。本文僅介紹傳動、夾持、切割等系統。剝切裝置的三維結構圖如圖2 所示。

圖2 剝切裝置的三維結構圖

傳動系統由框架、齒輪箱、傳動皮帶、皮帶輪、張緊輪及無油軸承組成，將扭矩傳輸至夾持系統；夾持系統由4 組夾持輪組、夾持框架及軌跡架組成，該系統自動夾緊于主絕緣層的外徑上，在傳動皮帶輪的帶動下，實現連同切割系統繞電纜軸線定心旋轉的功能；切割系統由附著于軌跡架上的刀片、刀片調節螺釘、軌跡架的固定螺釘及調節螺釘組成，實現刀片相對于主絕緣層的角度和深度控制，并有安全緊固功能。

剝切電纜主絕緣層時，順時針撥動軌跡架調節螺釘放入電纜，至所需位置后松開軌跡架調節螺釘，夾持輪組便能自動夾緊電纜。擰緊軌跡架固定螺釘，將切割系統固定在夾持系統上，調節刀片的切深與角度至所需位置；觸動開關，夾持、切割系統同時進行順時針旋轉，執行切割或停止任務。

1）可變徑及定心補償的夾持系統。夾持系統通過4 個夾持輪組直接作用于主絕緣層表面。夾持輪組由軸承保持架、軸承輪、彈簧、導向軸及多個緊固件組成。4 個輪組安裝于夾持框架的溝槽中，通過導向軸沿軌跡架向中心聚攏，形成定心夾持機構。

順時針推動軌跡架上的調節螺釘，軌跡架相對于夾持框架進行轉動，從而驅使夾持輪組張開。擰緊固定螺釘可令軌跡架固定于夾持框架上。但是，這種固定非鎖死緊固，而是通過螺釘與夾持框架之間的橡膠彈性體，設計成存在一定微調空間的緊固關系，配合輪組彈簧的向心推力，實現夾持機構的同心度補償功能，在夾持橢圓型主絕緣層時具備較好的定心效果?？勺儚郊岸ㄐ难a償夾持系統的三維結構圖如圖3 所示。夾緊過程如圖4 所示。

圖3 可變徑及定心補償夾持系統的三維結構圖

圖4 夾緊過程

2）可調節防割傷線芯的切割系統。切割系統由切割刀片、進深調節螺釘、斜度調節螺釘組成，均安裝于軌跡架上。切割刀片設計了主刀刃及副刀刃，主刀刃角度設置為30°～45°，用于創造螺旋端面與結束剝切時的環切端面；副刀刃用于分離主絕緣層與線芯或半導體層。為防止鋼制刀片劃傷金屬線芯，在刀片與線芯貼合面沿“W”型鑲嵌了若干耐磨塑料，如PEEK（聚醚醚酮）或PTFE（聚四氟乙烯）等易于成型的熱塑性材料，也可采用樹脂、彈性體材質配制的化學粘涂耐磨涂層替代。在降低摩擦阻力的同時，避免主、副刀刃的刀尖與線芯直接接觸。

設計切割裝置整體外露，令切割過程及碎屑及時可見，以便操作者評估及調整切深或切刀角度；隨時暫停切割進度并清理碎屑，避免產生纏繞與卡屑?？烧{節的防割傷線芯的切割系統如圖5 所示。刀片的特殊設計如圖6 所示。

圖5 可調節的防割傷線芯的切割系統

圖6 刀片的特殊設計

3 參數設計

設計面向的電纜規格為10 kV 至 35 kV 配網電纜及電氣化鐵路27.5 kV，經查閱相關的國家標準，匯總數據見表1。

表1 電纜規格與主絕緣層標稱厚度

絕緣層外徑Dc/mm的計算方法為：

式中，ti為絕緣標稱厚度；dL為導體的假設直徑（不考慮形狀與緊壓程度）。

根據以上數據及計算，為盡可能涵蓋足夠多的電纜規格，使整機重量體積達到最小化，通過市場調查及施工現場確認，制定了適配直徑為以下的主絕緣層電纜：23 ≤Dc≤50，ti≥4.5。電纜規格與主絕緣層標稱厚度見表2。

表2 電纜規格與主絕緣層標稱厚度

3.1 切割扭矩與切割速度

將設計刀片樣品置于手工剝切工裝上，針對規格中最難剝切的電纜進行手工剝切，同時用兩個拉力計測量兩端的拉力值，記錄力的作用點至電纜軸線的垂直距離，如圖7 所示。

圖7 測試切割力

切割所需力矩Tc=(F1L1+F2L2)×k=40×1.2=48 N·m

其中，k為余量系數，此處取1.2。

設定重載區為電機最優效率點附近。查閱18 V 直流電機特性表及其曲線，此時轉速及電機扭矩分別為18 000 r/min 及0.1 067 N·m。切割速度及減速比見表3。

在最嚴苛的切割要求下，切割系統的轉速為39.85 r/min，扭矩為48.2 N·m；輕載條件切割系統的轉速僅為44 r/min，符合安全標準要求。

3.2 整機參數

工具整機參數見表4。

表4 整機參數

4 樣機驗證

為驗證設計合理性，組裝如圖8 所示樣品用于驗證。同時，試驗設置了對照組(手動剝切器)，從準備時間、切割時間、試用感受和線芯損傷程度進行比較。試驗所用電纜為鐵路專用電纜（27.5 kV、400 mm2），剝切長度為50 mm，由同一位操作工重復切割3 次，取平均值。結論見下:實際測試中,本設計較手動剝切器的準備時間（夾持固定、切深及角度設置）增加了了5 s，切削時間節省30 s，效率提高39%。如增加主絕緣層剝切長度，優勢更明顯。

圖8 樣機試驗

5 結語

綜上所述，通過分析切割范圍、切割速度以及各傳動部件的傳動比、靜力等，表明設計的剝切裝置及工具具備小型化、輕量化特征，滿足工況需求。為進一步優化產品性能，后續應繼續提升并優化電纜夾持及調整刀具的設計，減少剝切前的準備工作時間；繼續測試不同材質及規格的電纜，確認切割范圍及速度是否滿足不同客戶的需求；確認工具樣機是否能滿足溫濕度、鹽堿及塵埃等特殊環境要求，搜集數據用于進一步優化設計。