ГИБКИЙ ГРУЗОНЕСУЩИЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в конструкции гибких грузонесущих кабелей, применяемых в полевой связи, робототехнике, в различных спускоподъемных устройствах и системах буксировки и прочих областях, где кабель испытывает многократные перегибы, в том числе под нагрузкой.
Известно очень большое количество конструкций гибких грузонесущих кабелей. Подобные кабели, как правило, содержат металлические изолированные и неизолированные проводники в виде одиночных проводов, витых или коаксиальных пар, оптические модули, проволочные экраны, т.е. элементы, передающие сигнал или электрическую мощность, а также грузонесущие элементы и полимерные материалы изоляции и оболочки, обеспечивающие механическую прочность, защиту и герметизацию внутренних элементов кабеля.
Предметом рассмотрения предлагаемой полезной модели является особенность исполнения грузонесущих элементов кабеля и их взаимной компоновки с проводниками и/или оптическими модулями.
Известны патенты №55200 от 28.07.2005, №71471 от 01.11.2007, в которых грузонесущие элементы в виде двух взаимно противоположных повивов высокопрочных нитей наложены на сердечник кабеля, причем в последнем патенте между пучками нитей первого повива размещены токопроводящие жилы электрического питания.
Известен также патент №139699 от 06.08.2013, в котором грузонесущий элемент выполнен в виде обмотки или оплетки и размещен непосредственно под внешней оболочкой кабеля.
Известны патенты №113608 от 26.04.2014, №103663 от 25.11.2010, №127996 от 31.07.2012, в которых грузонесущие элементы выполнены в виде одного или нескольких пучков из высокомодульных технических нитей и размещены в элементах сердечника кабеля, либо непосредственно в сердечнике кабеля между токопроводящими проводниками.
Общим недостатком приведенных конструкций кабелей является низкая надежность и малый эксплуатационный ресурс при многократных перемотках под нагрузкой через систему роликов и даже статическом растяжении. Низкие показатели надежности определяются непосредственно компоновкой кабеля, объединяющего в одной структуре элементы с отличающимися на несколько порядков модулями упругости и показателями упругой и пластической деформации.
Из практики известно, что применяемые в качестве грузонесущих элементов высокомодульные нити имеют относительное удлинение до 3,5% и работают во всем диапазоне растягивающих нагрузок в зоне упругой деформации. Проводники же изготавливаются из мягкой меди, имеющей относительное удлинение до 30%, а зона упругой деформации составляет менее 0,5% от разрывного усилия.
Соответственно, при расположении грузонесущих элементов и медных проводников в одном повиве при приложении растягивающей нагрузки и перемотках через ролики будет происходить следующее:
- элементы повива, находящиеся в момент прохождения по окружности ролика снаружи, будут подвергаться растяжению, а элементы, находящиеся на внутренней к ролику поверхности, сжатию, или меньшей нагрузке, причем в зависимости от диаметра ролика разница в нагрузках может отличаться в несколько раз;
- грузонесущие нити, как упругие элементы, перераспределяют локальные удлинения, вызванные переменной нагрузкой, по своей длине, т.к. работают в пределах упругой деформации и после снятия нагрузки возвращаются в исходное состояние;
- к медным проводникам также прикладывается переменная растягивающая нагрузка, но вследствие малой зоны упругой деформации медный проводник удлиняется и в исходное состояние не возвращается.
- грузонесущие нити, как элементы, воспринимающие основную осевую нагрузку кабеля, всегда стремятся занять такое положение, где нагрузка меньше, а этим положением является часть кабеля, прилегающая к ролику, а проводники при этом вытесняются на внешнюю от ролика сторону кабеля и удлиняются больше, чем грузонесущие нити.
Эти факторы приводят к тому, что после снятия нагрузки, или даже во время перемотки накопившаяся избыточная длина проводника приводит к так называемому зигу или Z-дефекту и повреждению токопроводящей жилы.
Кроме того, конечное оптимальное положение с точки зрения грузонесущих нитей достигается при их сведении в один прямой пучок, а проводниковые элементы сердечника кабеля выдавливаются наружу и кабель приобретает следующий вид: вокруг прямого пучка грузонесущих нитей по спирали навиты остальные элементы кабеля. То есть кабель приобретает необратимый дефект.
Известна конструкция модели кабеля по заявке №2001122563 от 30.07.2001, в котором центральный сердечник выполнен в виде одной изолированной токопроводящей жилы, поверх которой последовательно выполнены электроизоляционная оболочка, затем оплетка из технических нитей СВМ.
Преимуществом этой конструкции является оплетка токопроводящей жилы грузонесущими нитями, что исключает возможные дефекты кабеля, приведенные выше, однако недостаток данного кабеля в том, что он содержит только одну изолированную жилу.
Любая из перечисленных моделей может служить прототипом предлагаемой конструкции гибких грузонесущих кабелей.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик гибких грузонесущих кабелей и повышение их надежности путем компоновки сердечника кабеля и применения современных грузонесущих материалов.
Поставленная цель достигается тем, что в гибком грузонесущем кабеле, содержащем металлические изолированные и/или неизолированные проводники в виде одиночных проводов, витых или коаксиальных пар, оптические модули, проволочные экраны, промежуточные оболочки, хотя бы часть нитей грузонесущих элементов наложены методом оплетки или обмотки непосредственно на проводники или оптические модули, при этом нити грузонесущих элементов кроме своей непосредственной функции могут выполнять роль диэлектрика или проводника.
Среди разработок последнего времени интерес для кабельной промышленности представляют высокопрочные нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Данные нити имеют большую удельную разрывную нагрузку по сравнению с традиционно применяемыми арамидными нитями (зарубежное название Кевлар). У арамидных нитей этот показатель равен 1,8 Н/текс. У СВМПЭ 2,3 Н/текс. Кроме того, экспериментально установлено, что нити из СВМПЭ имеют в 8-10 раз лучшую стойкость к перемоткам и изгибам по сравнению с арамидными волокнами. Кроме того основу СВМПЭ нитей составляет полиэтилен, а этот материал является прекрасным изолятором и диэлектриком. Диэлектрическая проницаемость нитей СВМПЭ аналогична полиэтилену низкого давления, а тангенс угла потерь равен аналогичному показателю физически вспененного полиэтилена. Таким образом, грузонесущие нити из СВМПЭ могут успешно применяться и качестве изолятора для обычных проводников, и в качестве диэлектрика с низкими потерями для коаксиальных и витых пар.
Также в последнее время на рынке появилось углеродное (карбоновое) волокно, имеющее уникальные характеристики. Так в части разрывного усилия это волокно превосходит самые высокопрочные стали и традиционно применяемое арамидное волокно, а относительное удлинение чуть меньше, чем у высокоуглеродистой стальной проволоки и в три раза меньше, чем у арамидного волокна. Кроме того, углеродное волокно является проводящим материалом и это его свойство тоже может быть использовано в конструкции кабелей, например для экранирования витых симметричных или коаксиальных пар.
На фиг. 1 изображена конструкция кабеля, состоящего из коаксильного проводника, имеющего центральный провод 1, экран 2, выполненные из медных проволок, оболочку экрана 3 и повив грузонесущих элементов 4. Часть грузонесущих элементов в повиве заменена симметричными парами, имеющими центральный медный проводник 5 и оплетку из грузонесущих нитей СВМПЭ 6, являющихся одновременно и изолятором для проводников симметричных пар. Сердечник кабеля имеет внешнюю оболочку 7. В такой конструкции медные проволоки симметричных пар защищены нитями СВМПЭ от чрезмерного растяжения при работе кабеля под нагрузкой. Кабели такой конструкции успешно применяются в подводных линиях связи, приема и передачи информации.
На фиг. 2 изображена конструкция силового трехжильного грузонесущего кабеля с тремя оптическими модулями. На каждый силовой проводник, состоящий из медного изолированного сердечника 8, наложены два повива грузонесущих нитей 9, а каждый оптический модуль 10 имеет оплетку из грузонесущих нитей 11. Кабель имеет внешнюю оболочку 12. Предлагаемая конструкция кабеля используется в динамических системах, имеет очень высокий ресурс на пробег по роликам, высокое разрывное усилие, но при этом грузонесущие элементы рассредоточены по элементам кабеля - проводникам и оптическим модулям.
На фиг. 3 изображена конструкция грузонесущего коаксиального кабеля, у которого центральный медный проводник 13 имеет изоляцию 14 из грузонесущих нитей СВМПЭ, являющихся одновременно высокочастотным диэлектриком с низкими потерями, а экран 15 выполнен из грузонесущего проводящего углеродного волокна. Кабель имеет общую оболочку 16.
Предлагаемые конструкции кабелей позволяют увеличить их ресурс, повысить надежность и минимизировать массогабаритные показатели за счет совмещения нескольких функций в одном элементе.