МНОГОЖИЛЬНЫЙ СКРУЧЕННЫЙ КАБЕЛЬ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
MULTI-CORE TWISTED CABLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение в основном относится к многожильным скрученным кабелям, способу их изготовления и их применению. В частности, изобретение относится к многожильным кабелям, скрученным спирально, способу их изготовления и их применению. Такие многожильные скрученные спирально композитные кабели могут быть использованы в качестве кабелей для линий электропередачи и для других случаев.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Скрутка кабеля - это процесс получения готового кабеля, согласно которому отдельные провода соединяются, как правило, посредством их скручивания спирально. Такие способы описаны в патентах US 5171942 и US 5554826. Гибкость многожильного кабеля или проволочного каната, изготовленного таким способом, гораздо больше, чем у одножильного провода с эквивалентным поперечным сечением. Скручивание также имеет существенное значение, поскольку при изгибании скрученного кабеля во время транспортировки, при его установке и использовании круглая форма поперечного сечения кабеля сохраняется по всей его длине. Такие спирально скрученные кабели используются в разных случаях, например в грузоподъемных тросах, авиационных тросах и кабелях для линий электропередачи.
Многожильные спирально скрученные кабели обычно изготавливают из гибких металлов, таких как сталь, алюминий или медь. В некоторых случаях, например в неизолированных воздушных линиях электропередачи, кабель состоит из сердечника, выполненного из скрученного спирально провода и токопроводящего слоя. Сердечник, выполненный из спирально скрученных проводов, может включать провода из гибкого металла, выполненные из первого материала, например такого как сталь, а наружный токопроводящий слой может включать провода из гибкого металла, выполненные из другого материала, например такого как алюминий. В некоторых случаях предварительно скрученный кабель используется в качестве сердечника для производства кабеля большего диаметра для линий электропередачи. Многожильные спирально скрученные кабели, в основном, могут включать не менее семи отдельных проводов, а более распространенные конструкции включают 50 проводов или больше.
На Фиг.1 изображен типичный многожильный спирально скрученный кабель для линий электропередачи, описанный в патенте US 5554826. Изображенный многожильный спирально скрученный кабель 20 для линий электропередачи включает центральную гибкую токопроводящую жилу или провод 1, первый слой 13 из гибких токопроводящих проводов 3 (показаны шесть проводов), скрученных вокруг центральной гибкой токопроводящей жилы 1 в первом направлении скрутки (показано направление скрутки по часовой стрелке, соответствующее направлению скрутки вправо), второй слой 15 из гибких токопроводящих проводов 5, скрученных вокруг первого слоя 13 во втором направлении скрутки, противоположном первому направлению скрутки (показано направление скрутки против часовой стрелки, соответствующее направлению скрутки влево), и третий слой 17 из гибких токопроводящих проводов 7, скрученных вокруг второго слоя 15 в третьем направлении скрутки, противоположном второму направлению скрутки (показано направление скрутки по часовой стрелке, соответствующее направлению скрутки вправо).
В процессе скручивания кабеля провода, выполненные из гибких металлов, подвергаются воздействию нагрузок, превышающих напряжение текучести металлического материала и не превышающих предельное или разрушающее напряжение. Такая нагрузка вызывает пластическую деформацию металлического провода по мере того, как он накручивается вокруг центрального провода или вокруг предыдущего слоя с относительно маленьким радиусом скрутки. Недавно появились удобные в использовании кабели, которые выполнены из композитных материалов и поэтому не подвержены пластической деформации и изменению формы. Типичными примерами таких материалов являются армированные волокнами композиционные материалы, привлекающие своими улучшенными по отношению к металлам техническими свойствами.
Композитные кабели, содержащие провода, выполненные из полимерного композиционного материала, известны в области техники, так же как и композитные кабели, содержащие провода, армированные керамическим волокном, которые описаны, например, в патентах US 6559385, US 7093416 и международной заявке WO 97/00976.
Одним из примеров применения многожильных скрученных композитных кабелей (например, кабелей, содержащих композитные провода, выполненные из полимерной матрицы или металлической матрицы) является их использование в качестве элемента жесткости в неизолированных кабелях для линий электропередачи. Несмотря на то, что кабели для линий электропередачи, включающие композитные провода, выполненные из алюминиевой матрицы, известны, в некоторых случаях использования таких кабелей по-прежнему существует необходимость в улучшении их технических характеристик. Специалисты в области техники постоянно стараются улучшить характеристики многожильных скрученных композитных кабелей и усовершенствовать способы их изготовления, а также расширить область их использования.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для некоторых случаев конструкцию многожильных скрученных кабелей и способ их изготовления необходимо дополнительно усовершенствовать. В определенных случаях использования многожильных спирально скрученных кабелей желательно улучшать их физические свойства, например прочность на разрыв и предельное растяжение. В некоторых особых случаях применения желательно дополнительно иметь удобное средство для удерживания композитных проводов в скрученном состоянии до того, как они будут использованы в последующем продукте, таком как кабель для линий электропередачи. Такое средство для удерживания в скрученном состоянии было не нужно в прежних сердечниках, включающих гибкие металлические провода, поддающиеся пластической деформации, или провода, которые можно использовать после их предварительного скручивания спирально.
В отдельных примерах осуществления заявляемого изобретения описаны многожильные скрученные кабели и способы скрутки композитных проводов спирально в одном направлении, что, в результате, приводит к поразительному увеличению прочности на разрыв композитного кабеля по сравнению с композитными кабелями, спирально скрученными с попеременным направлением скрутки каждого слоя композитных проводов. Такое поразительное увеличение предела прочности на разрыв не наблюдается у обычных гибких (например, металлических или других не композитных) проводов при скручивании в одном направлении. К тому же, практически нет заинтересованности в таком скручивании содержащихся в обычном кабеле гибких проводов, так как гибкие провода могут легко пластически деформироваться, шаги скрутки в таких кабелях, в большинстве случаев, более короткие, и для сохранения целостности кабеля могут быть предпочтительны попеременные направления скрутки.
Таким образом, одной задачей заявляемого изобретения является создание усовершенствованного многожильного скрученного кабеля. В соответствии с изобретением многожильный скрученный кабель включает одиночный провод, задающий центральную продольную ось, первое множество композитных проводов, скрученных вокруг одиночного провода в первом направлении скрутки под первым углом скрутки относительно центральной продольной оси и с первым шагом скрутки, и второе множество композитных проводов, скрученных вокруг первого множества композитных проводов в первом направлении скрутки под вторым углом скрутки относительно центральной продольной оси и со вторым шагом скрутки, при этом относительная разность между первым углом скрутки и вторым углом скрутки составляет не больше, чем около 4°.
В одном из примеров осуществления заявляемого изобретения многожильный скрученный кабель дополнительно включает третье множество композитных проводов, скрученных вокруг второго множества композитных проводов в первом направлении скрутки под третьим углом скрутки относительно центральной продольной оси с третьим шагом скрутки, при этом относительная разность между вторым углом скрутки и третьим углом скрутки составляет не больше 4°. В другом примере осуществления заявляемого изобретения многожильный скрученный кабель дополнительно включает четвертое множество композитных проводов, скрученных вокруг третьего множества композитных проводов в первом направлении скрутки под четвертым углом скрутки относительно центральной продольной оси с четвертым шагом скрутки, при этом относительная разность между третьим углом скрутки и четвертым углом скрутки составляет не больше 4°.
В других примерах осуществления заявляемого изобретения многожильный скрученный кабель может дополнительно включать дополнительные композитные провода, скрученные вокруг четвертого множества композитных проводов в первом направлении скрутки под некоторым углом скрутки относительно центральной продольной оси, при этом композитные провода имеют собственный шаг скрутки, а относительная разность между четвертым углом скрутки и углом скрутки любого последующего множества проводов составляет не больше 4°.
В определенных примерах осуществления изобретения относительная разность между первым углом скрутки и вторым углом скрутки, вторым углом скрутки и третьим углом скрутки, третьим углом скрутки и четвертым углом скрутки и, в общем случае, между углом скрутки любого внутреннего слоя и углом скрутки прилегающего наружного слоя составляет не больше 4°, более предпочтительно не больше 3°, наиболее предпочтительно не больше 0,5°. В некоторых примерах осуществления изобретения первый угол скрутки равен второму углу скрутки, и/или второй угол скрутки равен третьему углу скрутки, и/или третий угол скрутки равен четвертому углу скрутки, и, в общем случае, угол скрутки любого внутреннего слоя равен углу скрутки прилегающего наружного слоя проводов.
В дополнительных примерах осуществления заявляемого изобретения первый шаг скрутки меньше, чем второй шаг скрутки или равен ему, и/или второй шаг скрутки меньше или равен третьему шагу скрутки, и/или четвертый шаг скрутки меньше или равен непосредственно следующему за ним шагу скрутки, и/или каждый последующий шаг скрутки меньше или равен непосредственно предшествующему шагу скрутки. В других примерах осуществления заявляемого изобретения один или несколько первых шагов скрутки равен второму шагу скрутки, второй шаг скрутки равен третьему шагу скрутки, и третий шаг скрутки равен четвертому шагу скрутки. В некоторых примерах осуществления заявляемого изобретения может быть предпочтительно использование параллельной скрутки, известной специалистам в данной области техники.
Дополнительно, в альтернативных примерах осуществления заявляемого изобретения описывается многожильный скрученный кабель для линий электропередачи, состоящий из сердечника и токопроводящего слоя, в котором в качестве сердечника использован любой из описанных выше многожильных скрученных кабелей. В некоторых примерах осуществления изобретения многожильный скрученный кабель дополнительно включает множество гибких проводов, накрученных вокруг скрученных композитных проводов сердечника многожильного скрученного композитного кабеля.
В определенных примерах осуществления заявляемого изобретения множество гибких проводов накручивается относительно центральной продольной оси в виде множества кольцевых слоев вокруг композитных проводов композитного кабеля. В дополнительных типичных примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, часть множества гибких проводов накручивается в первом направлении скрутки под некоторым углом скрутки относительно центральной продольной оси и с первым шагом скрутки. В других типичных примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, часть множества гибких проводов накручивается во втором направлении скрутки под некоторым углом скрутки относительно центральной продольной оси и со вторым шагом скрутки.
Для выполнения любой из описанных выше задач для многожильных скрученных кабелей и в соответствующих им примерах осуществления могут выгодно использоваться следующие типичные примеры осуществления изобретения. Так, в одном типичном примере осуществления изобретения одиночный провод имеет круглую или овальную форму поперечного сечения. В определенных примерах осуществления изобретения одиночный провод является композитным проводом. В дополнительных типичных примерах осуществления изобретения каждый композитный провод и/или гибкий провод имеет круглую, овальную или трапециевидную форму поперечного сечения.
В дополнительных типичных примерах осуществления изобретения многожильный скрученный кабель дополнительно включает удерживающее средство вокруг, по меньшей мере, одного из множеств композитных проводов, первого, второго, третьего или четвертого. В некоторых примерах осуществления изобретения удерживающее средство выполнено в виде связующего или клейкой ленты. В определенных примерах осуществления изобретения лента выполнена в виде клейкой ленты, намотанной вокруг, по меньшей мере, одного из множеств композитных проводов, первого множества или второго. В настоящее время в предпочтительных примерах осуществления изобретения в качестве клейкой ленты используют самоклеющуюся пленку.
Другим объектом изобретения является способ изготовления описанного выше многожильного скрученного кабеля, включающий скручивание первого множества композитных проводов вокруг одиночного провода, задающего центральную продольную ось, при этом скручивание первого множества композитных проводов осуществляют в первом направлении скрутки под первым углом скрутки относительно центральной продольной оси с первым шагом скрутки и скручивание второго множества композитных проводов вокруг первого множества композитных проводов, при этом скручивание второго множества композитных проводов осуществляют в первом направлении скрутки под вторым углом скрутки относительно центральной продольной оси со вторым шагом скрутки, при этом скручивание первого и второго множеств проводов осуществляют таким образом, что относительная разность между первым углом скрутки и вторым углом скрутки составляет не больше 4°. В конкретном примере осуществления изобретения способ дополнительно включает скручивание множества гибких проводов вокруг композитных проводов.
Многожильные скрученные кабели согласно типичным примерам осуществления заявляемого изобретения имеют различные признаки и характерные особенности, которые обеспечивают не только возможность использования таких кабелей в разных случаях, но и создают определенные преимущества. Например, в некоторых примерах многожильные скрученные кабели, выполненные согласно заявляемому изобретению, по сравнению с другими композитными кабелями меньше подвержены преждевременному разрыву или повреждению при изготовлении или применении. К тому же, по сравнению с обычными многожильными скрученными кабелями, выполненными из гибких металлов, многожильные скрученные кабели согласно некоторым типичным примерам осуществления изобретения могут проявлять улучшенные антикоррозионные свойства, климатическую износостойкость (например, сопротивление воздействию ультрафиолетового излучения и влагостойкость), устойчивость к потере прочности при повышенных температурах, крипоустойчивость, а также имеют относительно высокий модуль упругости, низкую плотность, низкий коэффициент теплового расширения, высокую электропроводность, высокую устойчивость к провисанию и высокую прочность.
В некоторых типичных примерах осуществления изобретения многожильные скрученные кабели, выполненные согласно примерам осуществления заявляемого изобретения, могут иметь прочность на разрыв на 10% выше или больший этот показатель по сравнению с композитными кабелями, известными из уровня техники. Соответственно, себестоимость многожильных скрученных кабелей, выполненных согласно определенным примерам осуществления заявляемого изобретения, может быть гораздо ниже, так как кабель, выполненный посредством скручивания, отвечает требованиям к прочности на разрыв для определенных, особенно важных случаев его использования, например в воздушном кабеле электропередачи.
Различные особенности и преимущества, описанные в примерах осуществления заявляемого изобретения, обобщены. В части раскрытия изобретения не описывается каждый изображенный пример осуществления изобретения или каждый случай осуществления определенных типичных вариантов осуществления заявляемого изобретения. Чертежи и описание осуществления изобретения, приведенное ниже, более детально поясняют определенные предпочтительные примеры осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры осуществления заявляемого изобретения дополнительно описаны со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1А изображен в аксонометрии многожильный спирально скрученный кабель для линий электропередачи, известный из уровня техники.
На Фиг.1В изображен в аксонометрии многожильный спирально скрученный композитный кабель согласно примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.2А-2С изображены схематически согласно примерам осуществления заявляемого изобретения виды сверху слоев композитных кабелей, показывающие направление, угол и шаг скрутки.
На Фиг.3A-3D изображены виды поперечного сечения различных многожильных спирально скрученных композитных кабелей согласно примеру осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.4А-4Е изображены виды поперечного сечения различных многожильных скрученных спирально композитных кабелей с одним или более слоями, включающими множество гибких проводов, накрученных вокруг скрученных спирально композитных проводов, согласно другим примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.5А изображен вид сбоку многожильного спирально скрученного композитного кабеля, в том числе показано удерживающее средство, намотанное вокруг сердечника, включающего скрученный композитный провод, согласно дополнительному примеру осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.5B-5D изображены виды поперечного сечения многожильных скрученных композитных кабелей, в том числе различные удерживающие средства вокруг сердечника, включающего скрученный композитный провод, согласно другим примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.6 схематически изображено типичное устройство для скручивания провода, используемое при изготовлении кабеля, согласно дополнительным примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.7 изображен вид поперечного сечения многожильного скрученного композитного кабеля, в том числе удерживающее средство вокруг сердечника, включающего скрученный спирально композитный провод, и один или несколько слоев, содержащих множество гибких проводов, накрученных вокруг такого сердечника, согласно дополнительным примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.8 изображен график зависимости прочности на разрыв от относительной разности между углами скрутки внутреннего и наружного слоев для типичных спирально скрученных композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.9 изображен график зависимости прочности на разрыв от относительной разности длины шага скрутки наружного и внутреннего слоев для типичных спирально скрученных композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения.
На Фиг.10 изображен график зависимости прочности на разрыв от угла пересечения для типичных скрученных спирально композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения.
Одинаковые цифры означают одни и те же элементы. Нет необходимости в указании масштаба чертежей, на чертежах элементы композитных кабелей изображены в увеличенном виде, чтобы выделить определенные признаки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При раскрытии изобретения и в формуле изобретения используются определенные термины, которые, несмотря на то, что, по большей части, хорошо известны, могут требовать некоторого пояснения. Следует понимать, что в заявляемом изобретении под "ломким" проводом подразумевается то, что провод может сломаться при минимальной растягивающей нагрузке.
Под термином "гибкий", используемым при упоминании о деформации провода, подразумевается то, что провод будет значительно деформироваться при изгибе, при этом не сломается и не разорвется.
Под термином "композитный провод" подразумевается провод, выполненный из комбинации различных по составу или форме материалов, которые связаны и которые являются ломкими или неэластичными.
Под термином "провод, выполненный из композиционного материала с металлической матрицей" подразумевается композитный провод, включающий один или несколько армирующих материалов, связанных в матрицу, выполненную из одного или нескольких гибких металлов.
Под термином "провод, выполненный из композиционного материала с полимерной матрицей" также подразумевается композитный провод, включающий один или несколько армирующих материалов, связанных в матрицу, выполненную из одного или нескольких полимерных композитов.
Под термином "сгибать" или "изгиб" при упоминании о деформации провода подразумевается двумерная плоская и/или трехмерная объемная деформация изгибов, такая как сгибание провода при скручивании его спирально. При упоминании о проводе, имеющем деформацию изгиба, может подразумеваться то, что провод также деформировался вследствие растягивающей силы и/или скручивающей силы.
Под деформацией "значительного упругого изгиба" подразумевается деформация изгиба, которая происходит, когда радиус изгиба провода составляет до 10000 раз радиуса провода. Такая деформация значительного упругого изгиба провода с круглой формой поперечного сечения, как правило, вызывает растяжение наружного волокна, по меньшей мере, на 0,01%.
Термины "свивка" и "скручивание" взаимозаменяемы, так же как и "свитый" и "скрученный".
Под термином "скрутка" подразумевается способ скручивания в спираль проводов в многожильном скрученном кабеле.
Под термином "направление скрутки" подразумевается направление скручивания провода в спирально скрученном слое. Чтобы определить направление скрутки в скрученном спирально слое, монтажник смотрит в направлении тянущегося от него кабеля. Если провода кабеля скручиваются по часовой стрелке в направлении от монтажника, подразумевается, что кабель имеет "правостороннюю скрутку". Если провода кабеля скручиваются в направлении против часовой стрелки от монтажника, подразумевается, что у кабеля "левосторонняя скрутка".
Термины "центральная ось" и "центральная продольная ось" взаимозаменяемы и под ними подразумевается обычная продольная ось, проходящая вдоль многослойного спирально скрученного кабеля.
Под термином "угол скрутки" подразумевается угол, образованный при скручивании провода относительно центральной продольной оси многожильного скрученного кабеля.
Под термином "угол пересечения" подразумевается относительная (абсолютная) разность между углами скрутки примыкающих друг к другу слоев скрученных проводов в многожильном скрученном кабеле.
Под термином "шаг скрутки" подразумевается длина скрученного кабеля, в пределах которой одиночный провод в спирально скрученном ряду завершает один полный спиральный оборот вокруг центральной продольной оси многожильного скрученного кабеля.
Под термином "керамика" подразумевается стекло, кристаллическая керамика, стеклокерамика и их комбинации.
Под термином "поликристаллический" подразумевается материал, имеющий в основном множество кристаллических зерен, при этом размер зерна меньше диаметра волокна, в котором есть такие зерна.
5
6
7
Под термином "непрерывное волокно" подразумевается волокно, имеющее много большую длину по сравнению со средним диаметром волокна. Обычно это означает, что коэффициент формы (т.е. соотношение длины волокна к среднему диаметру волокна) составляет, по меньшей мере, 1×10 (в некоторых примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, 1×10 или даже, по меньшей мере, 1×10). Обычно такие волокна имеют длину порядка, по меньшей мере, от 15 см до, по меньшей мере, нескольких метров или могут быть даже длиной порядка нескольких или более километров.
В заявляемом изобретении описан многожильный скрученный кабель, включающий множество скрученных композитных проводов. Если композитные провода не достаточно прочные и гибкие, то во время обычных процессов скручивания они не смогут деформироваться так, чтобы скрутка сохранялась, а провода при этом не ломались. В связи с этим в примерах осуществления заявляемого изобретения описан многожильный скрученный кабель с более высокий пределом прочности на разрыв и дополнительно описано в некоторых примерах осуществления изобретения удерживающее средство, обеспечивающее удерживание проводов в скрученном состоянии в многожильном скрученном кабеле. В таком виде удобно поставлять многожильный скрученный кабель в качестве промежуточного или конечного продукта. Многожильный скрученный кабель в качестве промежуточного продукта можно использовать в конечном продукте, таком как кабель для линий электропередачи, например в воздушном кабеле электропередачи.
Различные примеры осуществления заявляемого изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи. Типичные примеры осуществления заявляемого изобретения могут охватывать любые модификации и варианты, не выходя за рамки сущности заявляемого изобретения. Следует понимать, что описание примеров осуществления изобретения не ограничивает изобретение, а сущность изобретения охарактеризована формулой или любыми ее эквивалентами.
Таким образом, одним объектом заявляемого изобретения является многожильный скрученный кабель. На Фиг.1В изображен в аксонометрии многожильный скрученный кабель 10 согласно примеру осуществления заявляемого изобретения. Многожильный скрученный кабель 10 включает одиночный провод 2, задающий (или определяющий) центральную продольную ось, первый слой 12, включающий первое множество композитных проводов 4, накрученных вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении скрутки (показано направление по часовой стрелке, соответствующее правосторонней скрутке), и второй слой 14, включающий второе множество композитных проводов 6, накрученных вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении скрутки.
Дополнительно, третий слой 16, включающий третье множество композитных проводов 8, может быть накручен на второе множество композитных проводов 6 в первом направлении скрутки для образования композитного кабеля 10'. Четвертый (не показан) или даже больше дополнительных слоев композитных проводов может быть накручено вокруг второго множества композитных проводов 6 в первом направлении скрутки для образования композитного кабеля 10'. В качестве одиночного провода 2 может быть использован композитный провод, как показано на Фиг.1В, хотя в других примерах осуществления заявляемого изобретения в качестве одиночного провода 2 может быть использован гибкий провод, например гибкий металлический провод 1, как показано на Фиг.1А.
В типичных примерах осуществления заявляемого изобретения два или несколько слоев (например, 12, 14 и 16) композитных проводов (например, 4, 6 и 8) могут спирально накручиваться вокруг одиночного центрального провода 2, задающего центральную продольную ось, в том случае, если каждый последующий слой композитных проводов накручивается в таком же направлении, как и каждый предыдущий. Несмотря на то, что на Фиг.1В изображено, что каждый слой (12, 14 и 16) имеет направление скрутки вправо, каждый слой (12, 14 и 16) может иметь направление скрутки влево.
На Фиг.1В и Фиг.2А-2С в дополнительных примерах осуществления изобретения многожильный скрученный кабель включает одиночный провод 2, задающий центральную продольную ось 9, первое множество композитных проводов 4, скрученных вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении скрутки под первым углом скрутки α относительно центральной продольной оси 9 с первым шагом скрутки L (Фиг.2А), и второе множество композитных проводов 6, скрученных вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении скрутки под вторым углом скрутки β относительно центральной продольной оси 9 и со вторым шагом скрутки L' (Фиг.2В).
В дополнительных примерах осуществления изобретения многожильный скрученный кабель дополнительно включает третье множество композитных проводов 8, скрученных вокруг второго множества композитных проводов 6 в первом направлении скрутки под третьим углом скрутки γ относительно центральной продольной оси 9 с третьим шагом скрутки L” (Фиг.2С), при этом относительная разность между вторым углом скрутки β и третьим углом скрутки у составляет не больше 4°.
В дополнительных примерах осуществления изобретения (не показаны) многожильный скрученный кабель может дополнительно включать дополнительные (например, последующие) слои (например, четвертый, пятый или другой последующий слой) композитных проводов, скрученных вокруг третьего множества композитных проводов 8 в первом направлении скрутки под некоторым углом скрутки (не показан на чертежах) относительно центральной продольной оси 9, при этом каждый слой композитных проводов имеет присущий ему шаг скрутки (не показаны на чертежах), и относительная разность между третьим углом скрутки γ и четвертым или последующим углом скрутки составляет не больше 4°. В случае осуществления изобретения с четырьмя или более слоями композитных проводов предпочтительно используются композитные провода с диаметром 0,5 мм или меньше.
В некоторых примерах осуществления изобретения относительная (абсолютная) разность между первым углом скрутки α и вторым углом скрутки β составляет не больше 4°. В отдельных примерах осуществления изобретения относительная (абсолютная) разность между первым углом скрутки а и вторым углом скрутки β, и/или вторым углом скрутки β и третьим углом скрутки у составляет не больше 4°, не больше 3°, не больше 2°, не больше 1° или не больше 0,5°. В определенных примерах осуществления изобретения первый угол скрутки равен второму углу скрутки, и/или второй угол скрутки равен третьему углу скрутки, и/или каждый последующий угол скрутки равен непосредственно предшествующему ему углу скрутки.
В дополнительных примерах осуществления изобретения первый шаг скрутки меньше или равен второму шагу скрутки, и/или второй шаг скрутки меньше или равен третьему шагу скрутки, и/или четвертый шаг скрутки меньше или равен непосредственно последующему шагу скрутки, и/или каждый последующий шаг скрутки меньше или равен непосредственно предшествующему шагу скрутки. В других примерах осуществления изобретения первый шаг скрутки равен второму шагу скрутки, и/или второй шаг скрутки равен третьему шагу скрутки, и/или каждый последующий шаг скрутки равен непосредственно предшествующему шагу скрутки. В некоторых примерах осуществления изобретения может быть предпочтительно использовать параллельную скрутку, известную специалистам в области техники.
Поперечные сечения разных многожильных скрученных кабелей (10, 11, 10', 11') показаны на Фиг.3А, Фиг.3В, Фиг.3С и Фиг.3D соответственно. Понятно, что на каждом из представленных на Фиг.3A-3D примерах композитные провода (4, 6 и 8) накручены вокруг одиночного провода (позиция 2 на Фиг.3А и Фиг.3С, позиция 1 на Фиг.3 В и Фиг.3D), задающего центральную продольную ось (не показана), в таком же направлении (не показано), как и каждый соответствующий слой (12, 14 и 16, как показано на Фиг.1В) композитных проводов (4, 6 и 8). Такая скрутка может выполняться в направлении по часовой стрелке (правосторонняя скрутка, как показано на Фиг.1В) или против часовой стрелки (левосторонняя скрутка, не показана).
Несмотря на то, что на Фиг.3А и Фиг.3С изображен одиночный центральный композитный провод 2, задающий центральную продольную ось (не показана), понятно, что в качестве одиночного провода 2 может быть использован гибкий металлический провод 1, как показано на Фиг.3В и Фиг.3D. Понятно при этом, что у каждого слоя композитных проводов есть шаг скрутки (не показан на Фиг.3A-3D) и что шаг скрутки каждого слоя композитных проводов композитных проводов может быть разным или, предпочтительно, одинаковым.
При этом понятно, что в примерах осуществления изобретения каждый композитный провод имеет поперечное сечение в общем случае круглой, овальной или трапециевидной формы. В отдельных примерах осуществления изобретения поперечное сечение каждого композитного провода, в общем случае, круглой формы, и диаметр каждого композитного провода составляет, по меньшей мере, около 0,1 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 2 мм, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 3 мм и максимально около 15 мм, более предпочтительно максимально 10 мм и еще более предпочтительно максимально 5 мм, даже более предпочтительно максимально 4 мм, наиболее предпочтительно максимально 3 мм. В других примерах осуществления изобретения диаметр каждого композитного провода может составлять менее 1 мм или более 5 мм.
Обычно средний диаметр одиночного центрального провода, имеющего в основном круглую форму поперечного сечения, составляет примерно от 0,1 мм до 15 мм. В некоторых примерах осуществления изобретения средний диаметр одиночного центрального провода должен быть желательно, по меньшей мере, около 0,1 мм, по меньшей мере, 0,5 мм, по меньшей мере, 1 мм, по меньшей мере, 2 мм, по меньшей мере, 3 мм, по меньшей мере, 4 мм или даже 5 мм. В других примерах осуществления изобретения средний диаметр одиночного центрального провода составляет меньше 0,5 мм, меньше 1 мм, меньше 2 мм, меньше 5 мм, меньше 10 мм или меньше 15 мм.
В других примерах осуществления изобретения, не изображенных на Фиг.3A-3D, многожильный скрученный кабель может включать больше трех слоев композитных проводов, накрученных вокруг одиночного провода, задающего центральную продольную ось. В определенных примерах осуществления изобретения каждый композитный провод в каждом слое композитного кабеля может быть одинаковой конструкции и формы, однако это не является обязательным требованием для достижения описанных в заявляемом изобретении преимуществ.
Дополнительным объектом заявляемого изобретения является кабель для линий электропередачи, состоящий из сердечника и токопроводящего слоя, в котором в качестве сердечника использован любой из описанных выше многожильных скрученных кабелей и описаны различные примеры выполнения такого кабеля. В некоторых примерах осуществления изобретения кабель для линий электропередачи может использоваться в качестве воздушного кабеля электропередачи или подземного силового кабеля. В определенных примерах осуществления изобретения токопроводящий слой содержит металлический слой, который соприкасается по существу со всей поверхностью сердечника композитного кабеля. В других примерах осуществления изобретения токопроводящий слой содержит множество гибких металлических токопроводящих проводов, накрученных вокруг сердечника композитного кабеля.
На Фиг.4А-4Е изображены примеры выполнения многожильных скрученных кабелей (30, 40, 50, 60 и 70, изображенных на Фиг.4А, Фиг.4В, Фиг.4С, Фиг.4D и Фиг.4Е), в которых один или несколько дополнительных слоев гибких проводов (например, 28, 28', 28”), например гибких металлических токопроводящих проводов, спирально накручены вокруг сердечника композитного кабеля 10, изображенного на Фиг.3А. Однако следует понимать, что сущность изобретения не ограничена этими примерами осуществления изобретения и что другие примеры осуществления изобретения, в которых используются другие сердечники с композитными кабелями (например, композитные кабели 11, 10', и 11', изображенные на Фиг.3В, Фиг.3С и Фиг.3D соответственно), находятся в рамках сущности этого изобретения.
Так, в частном случае осуществления изобретения, представленном на Фиг.4А, многожильный скрученный кабель 30 включает первое множество гибких проводов 28, накрученных вокруг многожильного скрученного композитного кабеля 10, изображенного на Фиг.1В, Фиг.2А-2В и Фиг.3А. В дополнительном примере осуществления изобретения, представленном на Фиг.4В, многожильный скрученный кабель 40 включает второе множество гибких проводов 28', накрученных вокруг первого множества гибких проводов 28 многожильного скрученного кабеля 30, изображенного на Фиг.4А. В еще одном дополнительном примере осуществления изобретения, представленном на Фиг.4С, многожильный скрученный кабель 50 включает третье множество гибких проводов 28”, накрученных вокруг второго множества гибких проводов 28' многожильного скрученного кабеля 40, изображенного на Фиг.4В.
В частных случаях осуществления заявляемого изобретения, представленных на Фиг.4А-4С, соответствующие многожильные скрученные кабели (30, 40 или 50) имеют сердечник, выполненный в виде скрученного композитного кабеля 10, изображенного на Фиг.3А, который включает одиночный провод 2, задающий центральную продольную ось 9 (Фиг.2С), первый слой 12, включающий первое множество композитных проводов 4, накрученных вокруг одиночного композитного провода 2 в первом направлении скрутки, второй слой 14, включающий второе множество композитных проводов 6, накрученных вокруг первого множества композитных проводов 4 в первом направлении скрутки. В отдельных примерах осуществления заявляемого изобретения первое множество гибких проводов 28 накручивается в направлении скрутки, противоположном тому, в котором накручивается примыкающий слой, например второй слой 14, включающий второе множество композитных проводов 6.
В других примерах осуществления заявляемого изобретения первое множество гибких проводов 28 накручивается в таком же направлении, как и примыкающий слой, например второй слой 14, включающий второе множество композитных проводов 6. В дополнительных примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, первое множество гибких проводов 28, второе множество гибких проводов 28' или третье множество гибких проводов 28” накручивается в направлении, противоположном направлению скручивания примыкающего слоя, например второго слоя 14, включающего второе множество композитных проводов 6.
В дополнительных примерах осуществления изобретения каждый гибкий провод (28, 28' или 28”) имеет поперечное сечение круглой, овальной или трапециевидной формы. На Фиг.4А-4С изображены примеры осуществления изобретения, в которых каждый гибкий провод (28, 28' или 28”) имеет по существу круглую форму поперечного сечения. В частном случае осуществления изобретения, представленном на Фиг.4D, многожильный скрученный кабель 60 включает первое множество гибких проводов 28 с поперечным сечением в основном трапециевидной формы, накрученных вокруг многожильного скрученного композитного кабеля 10, изображенного на Фиг.1В, 2А-2В. В другом частном случае осуществления изобретения, представленном на Фиг.4Е, многожильный скрученный кабель 70 дополнительно включает второе множество гибких проводов 28' с поперечным сечением в основном трапециевидной формы, накрученных вокруг многожильного скрученного кабеля 60, изображенного на Фиг.4D.
В дополнительных примерах осуществления изобретения некоторые или все гибкие провода (28, 28', 28”) могут иметь поперечное сечение Z-образной или S-образной формы (не показаны). Провода с такими формами поперечного сечения известны специалистам в данной области техники и могут быть пригодными, например, для выполнения плотно прилегающего наружного слоя кабеля.
В дополнительных примерах осуществления изобретения гибкие провода (28, 28' или 28”) включают, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, состоящей из меди, алюминия, железа, цинка, кобальта, никеля, хрома, титана, вольфрама, ванадия, циркония, марганца, кремния, их сплавов, и их комбинаций.
Многожильные скрученные кабели могут использоваться как полуфабрикат - промежуточный продукт, который впоследствии включается в состав конечных продуктов, таких как буксировочные тросы, грузоподъемные тросы, воздушные силовые кабели и тому подобное, изготавливаемых путем накручивания множества гибких проводов вокруг сердечника, выполненного из композитных проводов, например вокруг описанных выше многожильных скрученных спирально композитных кабелей или других многожильных композитных кабелей. Например, сердечник может быть выполнен путем накручивания (например, накручивания спирально) двух или нескольких слоев композитных проводов (4, 6, 8) вокруг одиночного центрального провода (2), описанного выше, с использованием способов, известных специалистам в данной области техники. Обычно такие сердечники, выполненные из многожильных спирально скрученных композитных кабелей, включают от 19 до 50 отдельных проводов или больше.
Для сердечников, состоящих из множества композитных проводов (2, 4, 6), в некоторых примерах осуществления изобретения предпочтительно во время или после скручивания таких проводов удерживать их вместе (например, по меньшей мере, второе множество композитных проводов 6 во втором слое 14, изображенное на Фиг.5A-5D) с помощью специального удерживающего средства, например, такого как полиэтиленовая лента с клейким веществом или без него или связующее вещество (описаны, например, в патенте US 6559385). На Фиг.5А-5С представлены различные примеры осуществления изобретения, в которых используется удерживающее средство в виде ленты 18, обеспечивающее удерживание композитных проводов вместе после их скручивания.
На Фиг.5А показан вид сбоку многожильного скрученного кабеля 10 (Фиг.1В, Фиг.2А-2В и Фиг.3А) с удерживающим средством в виде ленты 18, частично наложенной или намотанной вокруг композитных проводов (2, 4, 6) многожильного скрученного кабеля 10. Как показано на Фиг.5В, лента 18 может состоять из основы 20 с нанесенным на нее адгезивом 22. Альтернативно, на Фиг.5С показано, что лента 18 может состоять только из основы 20 без нанесенного на нее адгезива.
В одних примерах осуществления изобретения лента 18 может накладываться таким образом, что каждый последующий виток ее соединяется впритык с предыдущим без промежутка и без соединения внахлестку, как изображено на Фиг.5А. Альтернативно, в отдельных примерах осуществления изобретения между последовательными витками ленты могут быть промежутки или виток может соединяться внахлестку с предыдущим витком. В предпочтительном примере осуществления изобретения лента 18 накладывается таким образом, что каждый виток соединяется внахлестку с предыдущим витком приблизительно на 1/3 до 1/2 ширины ленты.
На Фиг.5В показан вид с торца многожильного скрученного кабеля, изображенного на Фиг.5А, в котором в качестве удерживающего средства использована лента 18, состоящая из основы 20 с нанесенным на нее адгезивом 22. В этом примере осуществления изобретения пригодные адгезивы включают, например, адгезив на основе метакрилатов и их сополимеров, термоклеи, основанные на силан-привитых аморфных поли-α-олефинах, адгезив на основе сополимеров, адгезив на основе природного каучука, адгезив на основе кремнийорганических полимеров (силиконовый клей) и термоплавкий клей. В частных случаях осуществления изобретения может быть предпочтителен самоклеящийся материал.
В дополнительных примерах осуществления изобретения пригодные материалы для ленты 18 или основы 20 включают металлическую фольгу, в частности алюминиевую, полиэфирное волокно, полиимид и армированное стекловолокно, обеспечивающие ленте 18, когда это необходимо, достаточную прочность, чтобы выдерживать упругую деформацию при изгибе, способность сохранять свернутую форму или достаточное закрепление. В одном особенно предпочтительном примере основа 20 выполнена из алюминия. Такая основа предпочтительно имеет толщину от 0,002 дюйма до 0,005 дюйма (от 0,05 мм до 0,13 мм) и ширину, выбранную в зависимости от диаметра многожильного скрученного кабеля 10. Например, для многожильного скрученного кабеля 10, имеющего два слоя композитных проводов, таких как изображены на Фиг.5А, и диаметр около 0,5 дюйма (1,3 см), предпочтительна алюминиевая лента, ширина которой составляет 1,0 дюйм (2,5 см).
В настоящее время имеются в продаже и предпочтительны для использования следующие ленты: лента "Metal Foil Tapes" (производства компании 3М, г.Сент-Пол, шт. Миннесота); лента "Таре 438" с алюминиевой основой толщиной 0,005 дюйма (0,13 мм) и нанесенным на нее акриловым клеем, с общей толщиной ленты, составляющей 0,0072 дюйма (0,18 мм); лента "Таре 431" с алюминиевой основой толщиной 0,0019 дюйма (0,05 мм) с нанесенным на нее акриловым клеем, с общей толщиной ленты, составляющей 0,0031 дюйма (0,08 мм); и лента "Таре 43" с алюминиевой основой толщиной 0,002 дюйма (0,05 мм) с нанесенным на нее силиконовым клеем, с общей толщиной ленты, составляющей 0,0036 дюйма (0,09 мм). Пригодной лентой с металлической фольгой, армированной стеклотканью, является лента "Таре 363" (производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота), описанной в примерах. В качестве ленты с основой из полиэфирного волокна можно использовать ленту "Polyester Tape 8402" (производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота) с основой из полиэстера, толщиной 0,001 дюйма (0,03 мм) с нанесенным на нее силиконовым клеем (клея на основе кремнийорганических полимеров), при этом общая толщина ленты составляет 0,018 дюйма (0,03 мм).
На Фиг.5С показан вид с торца изображенного на Фиг.5А многожильного скрученного кабеля, где лента 18 состоит из основы 20 без адгезива 22. Когда лента 18 содержит только основу 20 без клейкого вещества, в качестве пригодных материалов для изготовления основы 20 можно использовать любой из вышеописанных для использования с адгезивом материалов, при этом предпочтительной основой является алюминиевая основа, толщина которой составляет от 0,002 дюйма до 0,005 дюйма (от 0,05 мм до 0,13 мм), а ширина составляет 1,0 дюйм (2,54 см).
При использовании ленты 18 в качестве удерживающего средства, с клейким веществом 22 или без него, лента может наматываться на многожильный скрученный кабель посредством обычного устройства для наматывания ленты, известного специалистам в данной области техники. В качестве таких устройств для наматывания лент можно использовать устройства производства компании Watson Machine, International, г.Патерсон, шт.Нью-Джерси. Устройство для наматывания ленты в большинстве случаев размещается на выходе из устройства для скручивания кабеля и используется для спирально скрученных композитных проводов до того, как кабель 10 наматывается на приемную катушку. Лента 18 выбирается так, чтобы удерживать упруго деформированные композитные провода в скрученном состоянии.
На Фиг.5D представлен альтернативный пример выполнения многожильного скрученного композитного кабеля 34 с удерживающим средством в виде связующего 24, нанесенного на многожильный скрученный кабель 10, чтобы удерживать композитные провода (2, 4, 6) в скрученном состоянии. Пригодные связующие 24 включают композиции из самоклеющихся материалов, состоящих из одного или нескольких поли (альфа-олефин) гомополимеров, сополимеров, тройных сополимеров и тетраполимеров, производных от мономеров, содержащих от 6 до 20 атомов углерода и фото активных сшивающих агентов, описанных в US 5112882. За счет радиационного отверждения этих материалов у таких клейких пленок обеспечивается подходящий баланс адгезионных свойств на отрыв и сдвиг.
Альтернативно, в качестве связующего 24 могут быть использованы термопластичные материалы, включая, но не ограничиваясь, эпоксидные смолы. Для некоторых связующих предпочтительным является экструзия или иной способ нанесения связующего 24 на многожильный скрученный кабель 10, когда провода выходят из описанного выше устройства для скручивания кабеля. Альтернативно, связующее 24 может накладываться в виде клейкого материала, поставляемого в виде переводной ленты. В этом случае связующее 24 накладывается на съемный переводной лист или антиадгезионную пленку (не показаны). На композитные провода многожильного скрученного кабеля 10 накладывается антиадгезионная пленка. После этого основа удаляется, оставляя клейкий слой в качестве связующего 24.
В дополнительных примерах осуществления изобретения клейкий материал 22 или связующее 24 может дополнительно накладываться вокруг каждого отдельного слоя композитных проводов (например, 12, 14, 16, изображенных на Фиг.1В) или между любыми слоями композитных проводов (например, 2, 4, 6, 8, изображенных на Фиг.1В), по необходимости.
В одном в настоящее время предпочтительном примере осуществления изобретения удерживающее средство не увеличивает в значительной степени диаметр многожильного скрученного кабеля 10. Предпочтительно, наружный диаметр многожильного скрученного кабеля, включающий удерживающее средство, составляет не больше 110% наружного диаметра множества скрученных композитных проводов (2, 4, 6, 8), исключая удерживающее средство, более предпочтительно не больше 105% и наиболее предпочтительно не больше 102%.
Следует понимать, что композитные провода имеют значительную упругую деформацию изгиба, когда они скручиваются на обычном устройстве для скручивания кабеля. Если бы не было удерживающего средства, обеспечивающего удерживание проводов в спирально свитом состоянии, вследствие такой значительной упругой деформации изгиб проводов не сохранялся бы и провода оставались бы нескрученными или неизогнутыми. Таким образом, в некоторых примерах осуществления изобретения удерживающее средство выбирается так, чтобы противодействовать значительной упругой деформации изгиба множества скрученных композитных проводов (например, 2, 4, 6, 8, изображенных на Фиг.1В).
Дополнительно предлагаются определенные удерживающие средства, которые больше всего пригодны для многожильного скрученного кабеля 10. Например, когда многожильный скрученный кабель 10 используется в качестве сердечника в кабеле для линий электропередачи, связующее 24 или лента 18 без клейкого вещества 22 должны выбираться так, чтобы их использование в заявляемом изобретении не влияло на такой кабель неблагоприятным образом под воздействием температуры или других условий. Когда клейкая лента 18 используется в качестве удерживающего средства, адгезив 22 и основа 20 должны выбираться так, чтобы быть пригодными для предполагаемого случая использования.
В определенных примерах осуществления изобретения каждый скрученный композитный провод (например, 2, 4, 6, 8, изображенные на Фиг.1В) содержит матрицу, выполненную из множества непрерывных волокон, что будет детально описано ниже. Благодаря тому, что провода композитные, во время работы с кабелем они не подвергаются пластической деформации, что возможно с гибкими проводами. Например, в конструкциях с гибкими проводами, известных в уровне техники, обычные операции с кабелем могли бы проводиться так, чтобы постоянно пластически деформировать композитные провода для сохранения их спиральной конфигурации. Заявляемое изобретение обеспечивает возможность использования композитных проводов, которые могут иметь необходимые превосходные характеристики по сравнению с обычными некомпозитными проводами. Удерживающее средство обеспечивает возможность удобной работы с многожильным скрученным кабелем как в качестве конечного продукта, так и в качестве промежуточного.
Несмотря на то, что заявляемое изобретение может осуществляться с любым пригодным композитным проводом, в определенных примерах осуществления изобретения каждый композитный провод выбирается из группы армированных волокном композитных проводов, содержащих, по меньшей мере, жгут из непрерывных волокон или матрицу, выполненную из непрерывного моноволокна.
2
3
В предпочтительном примере осуществления изобретения композитные провода включают матрицу, выполненную из множества непрерывных волокон. Предпочтительное волокно включает поликристаллический α-AlO. В таких предпочтительных примерах осуществления изобретения относительное растяжение до разрыва композитных проводов составляет по меньшей мере 0,4%, более предпочтительно по меньшей мере 0,7%. В некоторых примерах осуществления изобретения по меньшей мере 85% (в некоторых примерах осуществления изобретения - по меньшей мере 90% или даже по меньшей мере 95%) волокон в сердечнике, выполненном из композиционного материала с металлической матрицей, являются непрерывными.
Другие композитные провода, которые могут использоваться в заявляемом изобретении, включают: провода из стекловолокна/на основе эпоксидной смолы; композитные провода, в состав которых входят карбид кремния/алюминий; композитные провода, в состав которых входят углеродные соединения/алюминий; композитные провода на основе углеродных соединений/эпоксидной смолы; провода на основе углеродных соединений/полиэфирэфиркетона (ПЭЭК); провода на основе углеродных соединений/(со)полимеров и комбинации таких композитных проводов.
Примеры пригодного стекловолокна включают стекловолокно марки A-Glass, B-Glass, C-Glass, D-Glass, S-Glass, AR-Glass, R-Glass и параглас, известные специалистам в соответствующей области техники. Также может использоваться другое стекловолокно, список не ограничивается приведенными примерами, в продаже существует много различных типов стекловолокна, например стекловолокно производства компании Corning Glass (г.Корнинг, шт.Нью-Йорк).
В некоторых примерах осуществления изобретения предпочтительно непрерывное стекловолокно. Обычно средний диаметр непрерывного стекловолокна составляет от 3 мкм до 19 мкм. В некоторых примерах осуществления изобретения среднее значение прочности на разрыв стекловолокна составляет по меньшей мере 3 ГПа, 4 ГПа и/или даже по меньшей мере 5 ГПа. В некоторых примерах осуществления изобретения модуль упругости стекловолокна составляет в пределах от 60 ГПа до 95 ГПа или от 60 ГПа до 90 ГПа.
Примеры пригодных керамических волокон включают волокна на основе оксида металла (например, оксида алюминия), волокна на основе нитрида бора, волокна на основе карбида кремния и комбинации из любых таких волокон. Обычно оксидным керамическим волокном является прозрачная кристаллическая керамика и/или смесь прозрачной кристаллической керамики и стекла (например, волокно может содержать как кристаллическую керамику, так и стекло). Обычно такие волокна имеют длину порядка, по меньшей мере, 50 м и могут даже иметь длину порядка километров или больше. Обычно непрерывные керамические волокна имеют средний диаметр от примерно 5 мкм до примерно 50 мкм, от 5 мкм до 25 мкм, от 8 мкм до 25 мкм или даже от 8 мкм до 20 мкм. В некоторых примерах осуществления изобретения среднее значение прочности на разрыв волокон из прозрачной кристаллической керамики составляет по меньшей мере 1,4 ГПа, по меньшей мере 1,7 ГПа, по меньшей мере 2,1 ГПа и/или даже по меньшей мере 2,8 ГПа. В некоторых примерах осуществления изобретения модуль упругости волокон из прозрачной кристаллической керамики составляет в пределах от более 70 ГПа до 1000 ГПа или даже не больше 420 ГПа.
В качестве пригодных керамических моноволокон можно использовать карбидокремниевые волокна. Обычно моноволокно на основе карбида кремния состоит из кристаллической керамики и/или смеси кристаллической керамики и стекла (т.е. волокно может содержать как кристаллическую керамику, так и стекло). Обычно такие волокна имеют длину, по меньшей мере, порядка 50 м или их длина может даже составлять порядка несколько километров или больше. Обычно непрерывные карбидокремниевые моноволокна имеют средний диаметр от 100 мкм до 250 мкм. В некоторых примерах осуществления изобретения среднее значение прочности на разрыв волокна из прозрачной кристаллической керамики составляет по меньшей мере 2,8 ГПа, по меньшей мере 3,5 ГПа, по меньшей мере 4,2 ГПа и/или даже по меньшей мере 6 ГПа. В некоторых примерах осуществления изобретения модуль упругости волокна из прозрачной кристаллической керамики составляет в пределах от больше 250 ГПа до примерно 500 ГПа или даже не больше 430 ГПа.
2
3
2
3
2
2
3
Пригодные волокна на основе алюминия описаны, например, в патентах US 4954462 и US 5185299. В некоторых примерах осуществления изобретения в качестве волокон на основе оксида алюминия используют волокна, выполненные из поликристаллического α-AlO, и содержат они, на химической основе оксида, больше 99 вес.% AlO и 0,2-0,5 вес % SiO от общего веса волокон на основе оксида алюминия. В другом примере, некоторые предпочтительные поликристаллические волокна содержат α-AlO, средний размер зерна которого составляет меньше 1 мкм (или даже в некоторых примерах осуществления изобретения меньше 0,5 мкм). В другом случае, в некоторых примерах осуществления изобретения, среднее значение прочности на разрыв поликристаллических альфа-алюминиевых волокон составляет по меньшей мере 1,6 ГПа (в некоторых примерах осуществления изобретения по меньшей мере 2,1 ГПа или даже по меньшей мере 2,8 ГПа). Типичные волокна на основе альфа-алюминия продаются под торговой маркой "NEXTEL 610" (производства компании 3М, г.Сент-Пол, шт.Миннесота).
Пригодные алюминосиликатные волокна описаны, например, в патенте US 4047965. Типичные алюминосиликатные волокна продаются под торговыми марками "NEXTEL 440", "NEXTEL 550" и "NEXTEL 720", производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота. Алюминоборосиликатные волокна описаны, например, в патенте US 3795524. Типичные алюминоборосиликатные волокна продаются под торговой маркой "NEXTEL 312", производства компании 3М Company. Волокна на основе нитрида бора могут быть выполнены, например, так, как это описано в патентах US 3429722 и US 5780154. Типичные карбидкремниевые волокна продаются, например, компанией COI Ceramics, г.Сан-Диего, шт.Калифорния, под торговой маркой "NICALON" в виде жгутов, содержащих 500 волокон, японской компанией Ube Industries под торговой маркой "TYRANNO" и компанией Dow Corning, г.Мидленд, шт.Мичиган под торговой маркой "SYLRAMIC".
Пригодные углеродные волокна включают имеющиеся в продаже углеродные волокна, такие как волокна торговой марки PANEX и PYRON (производства компании ZOLTEK, г.Бриджтон, шт.Миссури), торговой марки THORNEL (производства компании CYTEC Industries, Inc., г.Вест Патерсон, шт.Нью-Джерси), торговой марки HEXTOW (производства компании HEXCEL, Inc, г.Саутбери, шт.Коннектикут) и торговой марки TORAYCA (производства компании TORAY Industries, Ltd, г.Токио, Япония). Такие углеродные волокна могут быть получены из исходного полиакрилонитрила (ПАН). Другие пригодные углеродные волокна включают PAN-IM, PAN-HM, PAN UHM, PITCH или вискозное волокно (побочные продукты вискозного волокна), известные специалистам в данной области техники.
Дополнительные пригодные имеющиеся в продаже волокна включают ALTEX (производства компании Sumitomo Chemical Company, г.Осака, Япония) и ALCEN (производства компании Nitivy Company Ltd., г.Токио, Япония).
Пригодные волокна также включают сплав с эффектом памяти формы (т.е. сплав металла, который подвергается мартенситному превращению так, что сплав металла, деформированный при температуре ниже температуры превращения, возвращается к первоначальному состоянию при его нагревании до температуры выше температуры превращения). Волокна со сплавом, обладающим эффектом памяти формы, имеются в продаже и поставляются, например, компанией Johnson Matthey Company, г.Уест Вайтленд, шт.Пенсильвания.
В некоторых примерах осуществления изобретения используются волоконные керамические жгуты. Жгуты известны специалистам в области техники и относятся к множеству (отдельных) волокон (обычно по меньшей мере 100 волокон, чаще по меньшей мере 400 волокон), собранных в виде пучка. В некоторых примерах осуществления изобретения жгут содержит по меньшей мере 780 отдельных волокон, в некоторых случаях по меньшей мере 2600 отдельных волокон и в других случаях по меньшей мере 5200 отдельных волокон. В продаже имеются керамические волоконные жгуты в основном различной длины, в том числе длиной в 300 м, 500 м, 750 м, 1000 м, 1500 м, 2500 м, 5000 м, 7500 м и большей длины. Волокна могут иметь поперечное сечение круглой или овальной формы.
Имеющиеся в продаже волокна могут обычно включать клей органического происхождения, добавленный к волокну во время изготовления, чтобы обеспечить смазывающую способность и защитить пряди из волокон во время операций с волокном. Клей можно удалять с волокон, например, посредством растворения или обжига клея. Обычно предпочтительно удалять клей до изготовления провода из композиционного материала с металлической матрицей. Волокна также могут иметь покрытия, используемые, например, для повышения смачиваемости волокна, чтобы уменьшить или предотвратить взаимодействие волокон и плавленого материала с металлической матрицей. Такие покрытия и способы их получения известны в области техники.
В дополнительных типичных примерах осуществления изобретения каждый композитный провод выбирается из проводов, выполненных из композиционного материала с металлической матрицей и полимерного композиционного материала. Пригодные композитные провода описаны, например, в патентах US 6180232, US 6245425, US 6329056, US 6336495, US 6344270, US 6447927, US 6460597, US 6544645, US 6559385, US 6723451 и US 7093416.
2
3
В настоящее время предпочтительным для использования проводом, выполненным из армированного волокном композиционного материала с металлической матрицей, является композитный провод, выполненный из армированной керамическим волокном алюминиевой матрицы. Композитные провода, выполненные из армированной керамическим волокном алюминиевой матрицы, предпочтительно включают непрерывные волокна поликристаллической структуры α-AlO, инкапсулированные внутри матрицы, выполненной либо из по существу чистого алюминия, либо из сплава чистого алюминия с медью, составляющей до 2 вес.% от общего веса матрицы. Предпочтительные волокна включают равноосные кристаллы, размером меньше 100 нм, и диаметр волокна составляет в пределах от 1 мкм до 50 мкм. Предпочтительным является диаметр волокна в пределах от 5 мкм до 25 мкм, наиболее предпочтителен от 5 мкм до 15 мкм.
3
3
Предпочтительные для заявляемого изобретения армированные волокном композитные провода имеют плотность волокна от 3,90 г/см до 3,95 г/см. Предпочтительные волокна описаны в патенте US 4954462. Предпочтительные волокна продаются под торговой маркой "NEXTEL 610", волокна на основе модификации альфа окисла алюминия (производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота). Инкапсулирующая матрица выбирается так, чтобы она не вступала в значительной степени в химическую реакцию с материалом волокна (т.е. матрица должна быть химически относительно инертна по отношению к материалу волокна, благодаря чему исключается необходимость защитного покрытия с наружной стороны волокна).
В определенных в настоящее время предпочтительных примерах выполнения композитного провода использование матрицы, включающей либо по существу чистый алюминий, либо сплав алюминия с медью, составляющей до 2% по весу от общего веса матрицы, привело к получению удачных проводов. Используемые в заявляемом изобретении термины "по существу чистый алюминий", "беспримесный алюминий" и "элементарный алюминий" взаимозаменяемы, и под терминами подразумевается алюминий, содержащий меньше 0,05 вес.% примесей.
2
3
2
3
В предпочтительном примере осуществления изобретения композитный провод включает от 30 вес.% до 70 вес.% поликристаллических α-AlO волокон от общего объема композитного провода внутри по существу элементарной алюминиевой матрицы. В настоящее время предпочтительно, чтобы матрица содержала меньше 0,03 вес.% железа, и наиболее предпочтительно - меньше 0,01 вес.% железа от общего веса матрицы. Содержание от 40% до 60% поликристаллических α-AlO волокон предпочтительно. Обнаружено, что такие композитные провода, выполненные с матрицей, имеющей предел текучести меньше 20 МПа и волокнами, имеющими прочность на продольное растяжение, по меньшей мере, приблизительно 2,8 ГПа имеют отличные прочностные характеристики.
2
3
2
3
2
3
Матрица также может быть выполнена из сплава чистого алюминия с приблизительно 2 вес.% меди от общего веса матрицы. Как и в примере осуществления изобретения, в котором используется матрица, выполненная из по существу чистого алюминия, композитные провода, содержащие матрицу, выполненную из сплава алюминия и меди, включают приблизительно 30-70% по объему поликристаллических α-AlO волокон и более предпочтительно приблизительно от 40% до 60% по объему поликристаллических α-AlO волокон от общего объема композитного провода. Дополнительно, матрица предпочтительно содержит меньше 0,03 вес.% железа и наиболее предпочтительно - меньше 0,01 вес.% железа от общего веса матрицы. Предел текучести алюминиевой/медной матрицы предпочтительно составляет меньше 90 МПа и, как описывалось выше, прочность на продольное растяжение поликристаллических α-AlO волокон составляет, по меньшей мере, около 2,8 ГПа.
2
3
2
3
Композитные провода предпочтительно выполняются из по существу непрерывных поликристаллических α-AlO волокон, содержащихся внутри матрицы, выполненной из по существу чистого алюминия, или матрицы, выполненной из сплава чистого алюминия и до 2 вес.% меди, описанного выше. Такие провода изготавливаются в общем случае посредством процесса, в котором катушка с по существу непрерывными поликристаллическими α-AlO волокнами, собранными в волоконный жгут, протягивается через ванну с расплавленным материалом матрицы. Получаемый в результате фрагмент затем отвердевает, благодаря чему волокна внутри матрицы герметизируются.
Типичные материалы, из которых выполняется металлическая матрица, включают алюминий, например, высокой степени чистоты (например, больше 99,95%), элементарный алюминий, цинк, олово, магний и их сплавы (например, сплав алюминия и меди). Обычно материал матрицы выбирается так, чтобы он в значительной степени не вступал в химическую реакцию с материалом волокна (т.е. материал химически должен быть относительно инертен по отношению к материалу волокна), например, чтобы не нужно было обеспечивать защитное покрытие для наружной стороны волокна. В некоторых примерах осуществления изобретения материал матрицы предпочтительно включает алюминий и его сплавы.
В некоторых примерах осуществления изобретения металлическая матрица содержит по меньшей мере 98 вес.% алюминия, по меньшей мере 99 вес.% алюминия, больше 99,9 вес.% алюминия или даже больше 99,95 вес.% алюминия. Типичные алюминиевые сплавы из алюминия и меди содержат, по меньшей мере, 98 вес.% алюминия и до 2 вес.% меди. В некоторых примерах осуществления изобретения пригодными сплавами являются алюминиевые сплавы серий 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 и/или 8000 (маркировка Ассоциации алюминиевой промышленности). Несмотря на то, что для изготовления проводов с высоким пределом прочности желательны металлы повышенной чистоты, менее чистые виды металлов также пригодны.
Пригодные металлы имеются в продаже. Например, алюминий продается под торговой маркой "SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al", производства компании Alcoa, г.Питтсбург, шт.Пенсильвания. Можно приобрести алюминиевые сплавы (например, Al и 2 вес.% Cu (0,03 вес.% примесей)) производства компании Belmont Metals, г.Нью-Йорк, шт.Нью-Йорк. Цинк и олово поставляются, например, компанией Metal Services, г.Сент-Пол, шт.Миннеаполис ("чистый цинк" 99,999% чистоты и "чистое олово" 99,95% чистоты). Например, магний продается под торговой маркой "PURE", производства компании Magnesium Elektron, г.Манчестер, Англия. Можно приобрести сплавы магния (например, WE43A, EZ33A, AZ81A, и ZE41A) производства компании TIMET, г.Денвер, шт.Колорадо.
Провода, выполненные из композиционного материала с металлической матрицей, обычно содержат, по меньшей мере, 15 вес.% объема (в некоторых примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или даже 50 вес.% объема) волокон, от общего суммарного объема волокон и металлической матрицы. Чаще композитные сердечники и провода содержат от 40 вес.% до 75 вес.% (в некоторых примерах осуществления изобретения 45-70 вес.%) объема волокон, от общего суммарного объема волокон и металлической матрицы.
Провода, выполненные из композиционного материала с металлической матрицей, могут изготавливаться способами, известными специалистам в соответствующей области техники. Непрерывный выполненный из композиционного материала с металлической матрицей провод может изготавливаться, например, путем непрерывной фильтрации металлической матрицы. Один пригодный процесс описан, например, в патенте US 6485796. Провода, содержащие полимеры и волокно, могут изготавливаться путем пултрузии, известной специалистам в области техники.
В дополнительных примерах осуществления изобретения выбираются композитные провода, выполненные из полимерного композиционного материала. Провода, выполненные из полимерного композиционного материала, включают, по меньшей мере, одно непрерывное волокно в полимерной матрице. В некоторых типичных примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, одно непрерывное волокно включает металл, углерод, керамику, стекло и их комбинации. В определенных в настоящее время предпочтительных примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, одно непрерывное волокно включает титан, вольфрам, бор, сплав с эффектом памяти формы, углеродные нанотрубки, графит, карбид кремния, арамид, поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазол)3 и их комбинации. В дополнительных в настоящее время предпочтительных примерах осуществления изобретения полимерная матрица включает (со)полимер, выбранный из группы, состоящей из эпоксидного состава, эфира, винилового эфира, полиимида, полиэфира, эфира циановой кислоты, фенолоальдегидной смолы, бис-малеимидной смолы и их комбинаций.
Гибкие металлические провода для накручивания вокруг композиционного сердечника для получения композиционного кабеля, например кабеля для линий электропередачи согласно определенным примерам осуществления заявляемого изобретения, известны специалистам в данной области техники. Предпочтительные гибкие металлы включают: железо, сталь, цирконий, медь, олово, кадмий, алюминий, марганец и цинк, их сплавы с другими металлами и/или с кремнием и тому подобное. Медные провода продаются, например, провода производства компании Southwire Company, г.Карролтон, шт.Джорджия. Алюминиевые провода продаются, например, производства компании Nexans, г.Вейбурн, Канада, или производства компании South-wire Company, г.Карролтон, шт.Джорджия, под торговыми марками "1350-Н19 ALUMINUM" и "1350-НО ALUMINUM".
-6
-6
-6
-6
Обычно коэффициент теплового расширения медных проводов составляет от 12·10/°С до 18·10/°C и выше, по меньшей мере, в интервале температур от 20°С до 800°С. Медный сплав (например, медная бронза, таких марок как Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd, где X=Fe, Mn, Zn, Sn и/или Si, продается, например, производства компании Southwire Company, г.Карролтон, шт.Джорджия, оксид дисперсноупроченной меди продается, например, производства компании OMG Americas Corporation, Research Triangle Park, шт. Северная Каролина под торговой маркой "GLIDCOP". В некоторых примерах осуществления изобретения коэффициент теплового расширения проводов из медного сплава составляет от 10·10/°C до 25·10/°C и выше, по меньшей мере, в интервале температур от 20°С до 800°С. Провода могут быть любой формы (например, круглой, овальной, трапециевидной).
-6
-6
Обычно коэффициент теплового расширения алюминиевого провода составляет от 20·10/°С до 25·10/°C и выше, по меньшей мере, в интервале температур от 20°С до 500°С. В некоторых примерах осуществления изобретения прочность на разрыв алюминиевых проводов (например, марки "1350-Н19 ALUMINUM") составляет, по меньшей мере, 138 МПа (20 тыс. фунтов на кв. дюйм), по меньшей мере, 158 МПа (23 тыс. фунтов на кв. дюйм), по меньшей мере, 172 МПа (25 тыс. фунтов на кв. дюйм) или, по меньшей мере, 186 МПа (27 тыс. фунтов на кв. дюйм), или, по меньшей мере, 200 МПа (29 тыс. фунтов на кв. дюйм). В некоторых примерах осуществления изобретения прочность на разрыв алюминиевых проводов (например, марки "1350-НО ALUMINUM") составляет больше 41 МПа (6 тыс. фунтов на кв. дюйм), но не больше 97 МПа (14 тыс. фунтов на кв. дюйм), или даже не больше 83 МПа (12 тыс. фунтов на кв. дюйм).
-6
-6
Провода из медного сплава продаются, например, провода из сплава алюминия и циркония продаются под торговыми марками "ZTAL", "XTAL" и "KTAL" (производства компании Sumitomo Electric Industries, г.Осака, Япония) или "6201" (производства компании Southwire Company, г.Карролтон, шт.Джорджия). В некоторых примерах осуществления изобретения коэффициент теплового расширения проводов из медного сплава составляет от 20·10/°C до 25·10/°C и выше, по меньшей мере, в интервале температур от 20°С до 500°С.
Заявляемое изобретение предпочтительно осуществляют так, чтобы получать очень длинные скрученные кабели. Также предпочтительно, чтобы композиционные провода в скрученном кабеле 10 сами были непрерывными по всей длине скрученного кабеля. В одном предпочтительном примере осуществления изобретения композиционные провода по существу непрерывные, и их длина составляет, по меньшей мере, 150 м. В многожильном скрученном кабеле 10 более предпочтительны непрерывные композиционные провода, длина которых составляет по меньшей мере 250 м, более предпочтительно по меньшей мере 500 м, еще более предпочтительно по меньшей мере 750 м и наиболее предпочтительно по меньшей мере 1000 м.
Другим объектом заявляемого изобретения является способ изготовления описанного выше многожильного скрученного кабеля, включающий скручивание первого множества композитных проводов вокруг одиночного провода, задающего центральную продольную ось, при этом скручивание первого множества композитных проводов осуществляют в первом направлении скрутки под первым углом скрутки относительно центральной продольной оси с первым шагом скрутки, и скручивание второго множества композитных проводов вокруг первого множества композитных проводов, при этом скручивание второго множества композитных проводов осуществляют в первом направлении скрутки под вторым углом скрутки относительно центральной продольной оси со вторым шагом скрутки, при этом скручивание первого и второго множеств проводов осуществляют таким образом, что относительная разность между первым углом скрутки и вторым углом скрутки составляет не больше 4°. В предпочтительном примере осуществления изобретения способ дополнительно включает накручивание множества гибких проводов вокруг композитных проводов.
Композитные провода могут скручиваться или накручиваться спирально, как это известно специалистам в области техники, на любом пригодном оборудовании для скручивания кабеля, таком как машины планетарного типа производства компании Cortinovis, SpA, г.Бергамо, Италия, компании Watson Machinery International, г.Паттерсон, шт.Нью-Джерси. В некоторых примерах осуществления изобретения выгодно использовать кабелескруточный станок, известный специалистам в данной области техники.
Несмотря на то, что может использоваться композитный провод любого пригодного размера, предпочтительно для многих примеров осуществления изобретения и многих случаев применения, чтобы диаметр композитных проводов составлял от 1 мм до 4 мм, вне зависимости от того, могут использоваться несколько большие или меньшие композитные провода.
В одном предпочтительном примере осуществления изобретения многожильный скрученный кабель включает множество скрученных в определенном направлении скрутки композитных проводов с коэффициентом скрутки от 10 до 150. Коэффициент скрутки многожильного скрученного кабеля определяется как отношение длины многожильного скрученного кабеля, в котором одиночный провод 12 совершает один спиральный оборот, к наружному диаметру слоя, который включает такой провод.
В процессе скручивания кабеля центральный провод или промежуточный незаконченный скрученный композитный кабель, вокруг которого будет накручиваться один или несколько дополнительных слоев, протягивается по центру разных кареток, при этом к многожильному скрученному кабелю после каждой каретки добавляется один слой. Отдельные провода, которые должны добавляться в виде одного слоя, одновременно разматываются с соответствующих бобин, при этом провода накручиваются вокруг центральной оси кабеля посредством каретки с механическим приводом. Каждый слой изготавливается последовательно. В результате изготавливается спирально скрученный сердечник. Дополнительно, чтобы удерживать скрученные провода вместе, на полученный многожильный скрученный композитный сердечник может быть намотано удерживающее средство, например такое как лента.
На Фиг.6 показано типовое устройство 80 для изготовления многожильных скрученных композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения. В большинстве случаев многожильные скрученные композитные кабели согласно примерам осуществления заявляемого изобретения могут изготавливаться посредством накручивания композитных проводов вокруг одиночного провода в одном и том же направлении скрутки, как это было описано выше. В качестве одиночного провода может быть использован композитный провод или гибкий провод. По меньшей мере, два слоя композитных проводов изготавливаются путем их накручивания вокруг сердечника, изготовленного из одиночного провода, например 19 или 37 проводов скручиваются по меньшей мере в два слоя вокруг одиночного центрального провода, изображенного на Фиг.1В.
Свободно вращающаяся подающая катушка 81 с проводом размещается в головной части обычной крутильной машины сигарного типа 80, при этом за счет тормозной системы к сердечнику при разматывании может прикладываться растягивающее усилие (в некоторых примерах осуществления изобретения составляет в пределах 0-91 кг (0-200 фунтов)). Одиночный провод 90 протягивается через каретки бобинного типа 82, 83, через стягивающие матрицы 84, 85, вокруг ведущих валов 86 и закрепляется на приемной катушке 87.
Перед накручиванием наружных слоев отдельные композитные провода наматываются на отдельные бобины 88, которые размещаются в каретках 82, 83 с механическим приводом крутильного оборудования. В некоторых примерах осуществления изобретения растягивающее усилие, которое необходимо приложить, чтобы размотать провода 89А, 89В с бобин 88, обычно составляет 4,5-22,7 кг (10-50 фунтов). Обычно для каждого слоя готового многожильного скрученного кабеля предназначается одна каретка. Провода 89А, 89В каждого слоя сводятся воедино на выходе из каждой каретки у стягивающей матрицы 84, 85 и накручиваются на центральный провод или предшествующий слой.
Слои композитных проводов, составляющие композитный кабель, накручиваются спирально в одном и том же направлении, как уже было описано. Во время процесса скручивания композитного кабеля центральный провод или вспомогательный незаконченный скрученный композитный кабель, который может иметь один или несколько дополнительно накрученных вокруг него слоев, протягивается сквозь центр разных кареток, при этом на выходе из каждой каретки к скрученному кабелю добавляется один слой. Отдельные провода, которые должны добавляться в виде одного слоя, одновременно разматываются с соответствующих бобин, вращаясь при этом вокруг центральной оси кабеля посредством каретки с механическим приводом. Каждый слой изготавливается последовательно. В итоге изготавливается многожильный спирально скрученный композитный кабель 91, который можно разрезать и которым удобно пользоваться, поскольку он не теряет форму и не разматывается.
В некоторых типичных примерах осуществления изобретения многожильные скрученные кабели включают скрученные композитные провода, длина которых составляет по меньшей мере 100 м, по меньшей мере 200 м, по меньшей мере 300 м, по меньшей мере 400 м, по меньшей мере 500 м, по меньшей мере 1000 м, по меньшей мере 2000 м, по меньшей мере 3000 м и даже по меньшей мере 4500 м или больше.
Возможность последующего обращения с многожильным скрученным кабелем является необходимым условием. Не вдаваясь в теорию, следует отметить, что кабель сохраняет спирально скрученную форму, потому что при его изготовлении металлические провода подвергаются воздействию усилий, в том числе изгибающих усилий, превышающих напряжение текучести проволочного материала, но ниже предельного напряжения или разрушающего напряжения. Провод подвергается воздействию такого усилия, когда накручивается спирально вокруг относительно маленького радиуса предшествующего слоя или центрального провода. Провод подвергается воздействию дополнительных усилий у стягивающих матриц 84, 85, когда при изготовлении на кабель действует радиальное стягивающее усилие. За счет этого провода пластически деформируются и сохраняют свою скрученную спирально форму.
Одиночный центральный провод и композитные провода для определенного слоя сводятся воедино посредством стягивающих матриц. Изображенные на Фиг.6 стягивающие матрицы 84, 85 обычно калибруют, чтобы минимизировать воздействие усилия деформации на провода предполагаемого слоя. Внутренний диаметр стягивающей матрицы подгоняется под диаметр наружного слоя. Чтобы минимизировать воздействие усилий на провода слоя, стягивающая матрица калибруется таким образом, чтобы ее размер составлял на 0-2,0% больше по отношению к внешнему диаметру кабеля (т.е. диаметр стягивающей матрицы составлял в пределах от 1,00 до 1,02 наружного диаметра кабеля). Типичными стягивающими матрицами являются цилиндры, которые удерживаются в нужном положении, например, посредством болтов или других пригодных креплений. Матрицы могут быть изготовлены, например, из закаленной инструментальной стали.
Готовый многожильный скрученный композитный кабель может проходить через другие скручивающие устройства, если необходимо, и, в конечном итоге, наматывается на приемную катушку 87 надлежащего диаметра, чтобы избежать повреждение кабеля. В некоторых примерах осуществления изобретения могут быть пригодными способы для скручивания кабеля, известные специалистам в данной области техники. Например, готовый кабель можно пропустить сквозь устройство для выпрямления, содержащее роллеры (каждый роллер, например, 10-15 см (4-6 дюймов), размещенный в линию рядами, например, с 5-9 роллерами в каждом ряду). Расстояние между двумя рядами роллеров может различаться так, чтобы посредством таких роллеров кабель мог подвергаться простому воздействию или сильно изгибаться. Два ряда роллеров размещаются на противоположных сторонах кабеля, при этом роллеры одного ряда соотносятся с зазорами, созданными противолежащими роллерами другого ряда. Таким образом, два ряда могут быть смещены относительно друг друга. При прохождении сквозь устройство для выравнивания кабель сгибается то вперед, то назад над роллерами, тем самым обеспечивая возможность растяжения проводов на определенную длину, в результате чего уменьшается или устраняется провес кабеля как готового изделия.
В некоторых примерах осуществления изобретения может быть пригодным использование одиночного центрального провода при повышенной температуре (например, по меньшей мере, 25°С, 50°С, 75°С, 100°С, 125°С, 150°С, 200°С, 250°С, 300°С, 400°С или даже в некоторых примерах осуществления изобретения, по меньшей мере, 500°С) выше температуры окружающей среды (например, 22°С). Одиночный центральный провод может доводиться до требуемой температуры, например, посредством нагревания намотанного на катушку провода (например, в печи в течение нескольких часов). Нагретый намотанный на катушку провод размещается на разматывателе барабанного типа (например, подающей катушке 81, изображенной на Фиг.6) крутильной машины. Предпочтительно в процессе скручивания использовать разогретую катушку, когда провод все еще нагрет (обычно в течение 2 часов) или почти нагрет до необходимой температуры.
Дополнительно, может быть необходимым, чтобы температура накрученных на бобины композитных проводов, из которых выполнены наружные слои кабеля, соответствовала температуре окружающей среды. То есть в некоторых примерах осуществления изобретения, может быть необходимой разность температур одиночного провода и композитных проводов, из которых выполнены наружные композитные слои во время процесса скручивания. В некоторых примерах осуществления изобретения может быть целесообразным проведение скручивания одиночного провода с растягивающим усилием, составляющим по меньшей мере 100 кг, 200 кг, 500 кг, 1000 кг или даже 5000 кг. Многожильные скрученные кабели заявляемого изобретения имеют широкое практическое применение.
Принято считать, что такие многожильные скрученные кабели особенно пригодны для использования для линий электропередачи, которые могут включать воздушные и подземные кабели электропередачи, поскольку у них небольшой вес, они обладают высокой прочностью, хорошей электропроводностью, имеют низкий коэффициент теплового расширения, используются при высоких температурах и устойчивы к коррозии.
На Фиг.7 изображен вид поперечного сечения многожильного скрученного спирально композитного кабеля 99, включающего один или несколько слоев множества гибких проводов (28, 28'), накрученных вокруг сердечника 32' (Фиг.5С), содержащего скрученные спирально в одном и том же направлении композитные провода (2, 4, 6, 8) и удерживаемые вместе посредством удерживающего средства, такого как лента 18, навернутая, по меньшей мере, вокруг второго слоя 16 композитных проводов согласно другому типичному примеру осуществления заявляемого изобретения.
Такой многожильный скрученный спирально кабель особенно пригоден в качестве кабеля для линий электропередачи. Гибкие провода (28, 28') в кабеле для линий электропередачи действуют в качестве электрических проводников, т.е. гибких токопроводящих проводов. Согласно изображению кабель для линий электропередачи может включать два слоя гибких токопроводящих проводов (28, 28'). Если требуется, может использоваться больше слоев токопроводящих проводов (не изображены на Фиг.7). Предпочтительно, каждый токопроводящий слой включает множество токопроводящих проводов (28, 28'), как это известно специалистам в данной области техники. Пригодными материалами для гибких токопроводящих проводов (28, 28') являются алюминий и алюминиевые сплавы. Гибкие токопроводящие провода (28, 28') могут накручиваться вокруг скрученного композитного сердечника (например, 32') посредством пригодного устройства для скручивания кабеля, известного специалистам в данной области техники (например, изображенного на Фиг.6).
Весовой процент композитных проводов в кабеле для линий электропередачи зависит от конструкции линии электропередачи. В кабеле для линий электропередачи токопроводящие провода могут быть выполнены из алюминия или алюминиевых сплавов различных видов, известных специалистам в данной области техники, в том числе марок: 1350 A1 (ASTM B609-91), 1350-Н19 A1 (ASTM B230-89) или 6201 Т-81 А1 (ASTM B399-92).
Пригодные кабели для линий электропередачи и технологические процессы, в которых может использоваться такой многожильный скрученный кабель, описаны, например, в Стандартной спецификации для алюминиевых армированных кабелей витой скрутки Американского общества по испытанию материалов В232-92 или патентах US 5171942 и US 5554826. Предпочтительным вариантом является использование кабеля для линий электропередачи в качестве воздушного кабеля электропередачи. При этом материалы для удерживающего средства должны выбираться такими, чтобы их можно было использовать при температуре по меньшей мере 100°С, 240°С или 300°С, в зависимости от конкретного использования. Например, удерживающее средство не должно повреждать алюминиевый токопроводящий слой, или испускать нежелательные газы, или иным способом повреждать кабель электропередачи при предполагаемых температурах во время использования.
В тех случаях, когда многожильный скрученный кабель должен использоваться как готовый продукт или когда он предназначен для использования в качестве промежуточного продукта или компонента в другом еще одном продукте, предпочтительно, чтобы многожильный скрученный кабель не содержал токопроводящие слои вокруг множества композитных проводов.
Способ заявляемого изобретения будет дополнительно описан в следующих примерах. Эти примеры дополнительно продемонстрируют различные характерные и предпочтительные примеры осуществления изобретения и способы. Следует понимать, однако, что можно осуществить и другие различные варианты и модификации в рамках сущности изобретения.
ПРИМЕРЫ
В данном примере исходный материал состоял из 12-футовых (3,7 м) кусков, нарезанных из рулона кабеля (марки 795-Т16, производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота), содержащего ACCR композит из алюминиевой матрицы (АМС) производства компании 3М Company. Такая конструкция состоит из сердечника, включающего 19 проводов типа АМС (производства компании 3М Company), диаметр которых составляет 0,084 дюйма (2,13 мм) и которые окружены 26 металлическими Al-Zr (алюминий-циркониевыми) проводами, вытянутыми из алюминий-циркониевого Al-Zr стержня (производства компании Lamifil, Inc, г.Хемиксем, Бельгия). Базовая конструкция такого кабеля изображена на Фиг.4В.
Для получения опытного образца композитного кабеля согласно примерам осуществления заявляемого изобретения из исходного 12-футового (3,7 м) куска обычного кабеля сначала вынули составляющие его провода, при этом форма скрученных спирально алюминий-циркониевых проводов осталась прежней. Затем посредством простого настольного приспособления были выполнены с необходимым шагом и направлением скрутки два спиральных слоя вокруг сердечника. Провода каждого слоя сначала закреплялись на одном конце крышки, имеющей ручной привод, а затем посредством розеткообразной направляющей протаскивались так, чтобы отдельные композитные провода распускались и становились пригодными для скручивания. Один механик поворачивал пусковую рукоятка, и одновременно с ним другой механик двигал направляющую провода вдоль стола по отмеченным интервалам в четверть оборота, соответствующим интервалам в четверть шага скрутки.
По завершении изготовления внутреннего слоя сердечника его свободный конец фиксировался и для этого временно обматывался лентой, после чего процесс повторялся с наружным слоем сердечника. Скрученный с использованием 19 проводов сердечник затем обматывался лентой из металлической фольги/стеклоткани марки 363 (производства компании 3М Company, г.Сент-Пол, шт.Миннесота), имеющей толщину 7,3 мил (182,5 мкм) и ширину 3/4 дюйма (1,9 см) для получения готового обмотанного лентой композитного сердечника.
Имея готовый обмотанный лентой сердечник из композитного провода было относительно легко по одному снова завести скрученные Al-Zr провода с сохранением их спиральной формы. С сохранением изначальных шагов скрутки и практически с первоначальным общим диаметром кабеля эти провода осторожно заводятся на место. Когда кабель был заново собран, концы центральной части длиной 10 футов (3,1 м) были скреплены посредством бумажной ленты, армированной волокном, а лишний материал на каждом конце был обрезан посредством абразивного круга.
Описанным способом было изготовлено 12 опытных образцов, при этом были заданы шесть условий для скручивания относительно различных шагов скрутки и углов скрутки, в том числе как для левосторонней скрутки (обозначенной "L"), так и для правосторонней скрутки (обозначенной "R"), результаты представлены в табл.1.
Шесть таких условий для скручивания можно представить в целом в виде описанных ниже экспериментов с различными углами скрутки внутреннего сердечника и соответствующих шагов скрутки наружного сердечника. Согласно последней колонке приведенной выше таблицы оба этих параметра определяют угол пересечения внутренних и наружных проводов (т.е. относительную разность между углами скрутки смежных внутреннего и наружного слоев), из которых выполнен сердечник, что может быть важно, поскольку в результате использования данного способа увеличивается прочность на разрыв композиционного кабеля.
Во всех подготовленных образцах композитных кабелей внутренний слой токопроводящих проводов из сплава Al-Zr имеет левостороннюю скрутку с заданным шагом скрутки, составляющим 10,0 дюйма (25,4 см), а наружный слой токопроводящих проводов из сплава Al-Zr имеет правостороннюю скрутку с заданным шагом скрутки, составляющим 13,0 дюйма (33 см). Измеряемые средние значения для этих шагов скрутки отличаются от заданных на 0,65 дюйма (1,6 см) или меньше, в соответствии с необходимыми условиями для скручивания. Итоговые значения диаметра образцов токопроводящего кабеля находятся в пределах от 1,122 дюйма до 1,136 дюйма (от 28,50 мм до 28,85 мм), что практически соответствует начальному значению диаметра, составляющему 1,124 дюйма (28,55 мм).
Измерение растягивающего усилия осуществлялось компанией Wire Rope Industries, г.Пуант-Клер, Квебек, Канада, в рамках письменного соглашения с компанией 3М о неразглашении конфиденциальной информации. Подготовка образцов и используемые способы измерения подобно изложены в методике 3М ТМ505 "Preparation of ACCR Samples Using Resin End Terminations" (доступно у компании 3М, г.Сент-Пол, шт.Миннесота). Описание способа испытания приведено ниже.
Прежде всего, путем осторожного обратного изгибания кабеля в небольших пределах были устранены искривления в пределах 2 футов (0,6 м) на одном конце кабеля, взятого для образца. Затем на заданном расстоянии от этого конца (обычно 10 дюймов (25 см)) к кабелю прикреплялся обжимной хомут для предотвращения любого повреждения проводов на участке, взятом для испытания. Затем рядом с этим хомутом накладывался толстый слой изоленты в качестве герметика и центрирующего устройства в матрице из эпоксидной смолы. Концы выполненных из алюминий-циркониевого сплава проводов затем осторожно вытягивались ("распускались") в коническую форму при максимальном угле в 30°, и извлекалась неизолированная жила, чтобы провода сердечника распускались естественным образом. Если на проводах от предыдущих операций оставалось масло, их очищали посредством ацетона, 2-бутанона или подобным растворителем, а затем провода тщательно просушивались. Если провода были чистыми, такую операцию не проводили.
Подготовленный конец кабеля затем заводился в разъемную розетку. Следует принять к сведению, что такая розетка имеет конический канал, так же как и отверстия, предназначенные для последующей установки розетки в машине для испытания на растягивающее усилие. Две половины разъемного корпуса затем сжимались, захватывая около 1 дюйма (2,5 см) изоляционной ленты, используемой для выполнения герметичного уплотнения. Затем изготовленные из Al-Zr сплава провода, выступающие над розеткой, обрезались, а полная длина проводов сердечника сохранялась.
Розетка затем устанавливалась вертикально, при этом кабель выступал с ее нижней части. Свежеприготовленный замес состоящего из двух частей компаунда для розеток "Wirelock" (производства компании Millfield Enterprises Ltd., г.Ньюберн, Ньюкасл-на-Тюне, Англия) затем заливался в розетку до полного ее заполнения. После того, как компаунд приобретал гелеобразное состояние (примерно через 15 минут), на оголенные провода сердечника надевался удлинительный тубус из картона. Затем еще раз замешивали компаунд Wirelock, и им также заполняли удлинительный тубус. Как минимум 45 минут отводилось на взаимодействие компонентов в такой сборке, затем все операции повторялись с другим концом кабеля, взятого в качестве образца. Другие 12 часов отводились на полное отверждение до начала испытаний на растягивающее усилие.
Готовый опытный образец затем устанавливался в разрывную испытательную машину. Такая машина выполнена с возможностью достижения ожидаемого разрывного усилия образца при регулируемой скорости, при этом используется либо расчетная скорость крейцкопфа, либо расчетная скорость изменения сил, силоизмерительное устройство такой машины было должным образом откалибровано. Образец и две розетки, сцентрированные вдоль оси машины, устанавливались особенно тщательно, чтобы свести к минимуму воздействие изгибающего усилия. Затем с образца снимали обжимные хомуты и подвергали его воздействию предварительного умеренного растягивающего усилия, составляющего обычно 500-1000 футов (4,5-9,0 кН). Проверялась соосность образца, и концы кабеля расшатывались взад и вперед, чтобы исключить любое истирание или изгиб.
При соблюдении техники безопасности испытание на растягивающее усилие от начала и до момента разрыва образца проводилось со скоростью нагружения, соответствующей скорости деформации подлинного образца, составляющей 1% в минуту. Максимальная нагрузка была зафиксирована как прочность на разрыв каждого опытного образца. Следует отметить, что результаты испытаний могут считаться недействительными, если разрыв образца происходит внутри конуса из литьевой смолы, или если провода попали в полимер, или в случае плохого приготовления образцов, или внешнего повреждения образца. В таких случаях результаты испытаний не принимались во внимание. Все полученные результаты во время испытаний образцов на растягивающее усилие приведены ниже в Табл.2. Следует отметить, что для такой конструкции кабеля расчетное значение усилия разрыва (RBS) составляет 31,134 фунта (14.134.9 кг).
2
На Фиг.8 представлен график зависимости измеренного усилия разрыва для типичных скрученных спирально композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения от относительной разности углов скрутки проводов внутреннего слоя и наружного слоя (относительный угол скрутки внутренних проводов сердечника). Согласно условиям 1, 2 и 3 на Фиг.8 показана зависимость усилия разрыва от относительного угла скрутки внутренних проводов сердечника. Полученная зависимость статистически высокозначимая и описана с помощью квадратичной аппроксимации с коэффициентом корреляции (R), составляющим 0,994.
2
На Фиг.9 представлен график зависимости измеренного усилия разрыва для типичных многожильных скрученных спирально композитных кабелей согласно примерам осуществления заявляемого изобретения от относительной разности шага скрутки между наружным и внутренним слоями проводов (относительный шаг скрутки наружного слоя сердечника). И в этом случае динамика статистически высокозначимая и описана с помощью квадратичной аппроксимации с коэффициентом корреляции (R), составляющим 0,975.
На Фиг.9 можно увидеть несколько неожиданных значений. Во-первых, наблюдаемое увеличение усилия разрыва кабеля при 50% увеличении относительного шага скрутки (7,4% RBS) гораздо больше, чем можно было бы предположить путем расчета изгибающего усилия винтовой линии. Следовательно, максимальное изгибающее усилие уменьшилось от 0,00052 до 0,00022, что составляет до 4,5% улучшения прочности на разрыв одного только композитного сердечника. Поскольку на композитный сердечник приходится до 60% общей нагрузки на весь кабель при разрыве, это предполагает общее увеличение прочности на разрыв кабеля только примерно на 2,6%. Дополнительно, усилие разрыва согласно Условию 6 (106,3% от RBS и 109,2% от RBS) неожиданно является не самым высоким из всех, хотя это условие отражает комбинацию лучших условий как для относительного угла скрутки внутренних проводов сердечника, так и для относительного шага скрутки наружных проводов сердечника.
2
Эти неожиданные показатели можно объяснить с помощью графика, отображающего все экспериментальные данные в виде функциональной зависимости от угла пересечения. На Фиг.10 изображен график зависимости усилия разрыва для типичных многожильных скрученных спирально композитных кабелей согласно заявляемому изобретению от относительной разности углов скрутки наружных и внутренних проводов (угол пересечения наружной/внутренней скрутки). Полученная зависимость статистически высокозначимая и описана с помощью квадратичной аппроксимации с коэффициентом корреляции (R), составляющим 0,904.
Согласно этим результатам прочность на разрыв высокотемпературного алюминиевого композитного усиленного кабеля (ACCR) с сердечником, включающим 19 проводов, может быть значительно увеличена за счет изменения конструкции сердечника так, чтобы свести к минимуму угол пересечения между внутренними и наружными проводами сердечника. Более длинные по всей длине провода шаги скрутки выгодны, главным образом, благодаря соответствующему уменьшению угла пересечения. Однако, как описано в заявляемом изобретении, самым простым и наиболее эффективным способом достижения увеличенной прочности на разрыв является изменение направления скрутки чередующихся слоев сердечника так, чтобы они все имели одинаковое направление.
Ссылка при описании раскрытия изобретения на "один пример осуществления изобретения", "определенные примеры осуществления изобретения", "один или несколько примеров осуществления изобретения" или "пример осуществления изобретения" с термином "типичный" или без него, предшествующим термину "пример осуществления изобретения", означает, что конкретный признак, конструкция, материал или характеристика, описанные в связи с примером осуществления изобретения, включает, по меньшей мере, один пример из определенных типичных примеров осуществления заявляемого изобретения. Таким образом, появление таких фраз, как "в одном или нескольких примерах осуществления изобретения", "в определенных примерах осуществления изобретения", "в одном примере осуществления изобретения" или "в примере осуществления изобретения" в различных местах при описании раскрытия изобретения необязательно ссылаются на один и тот же пример осуществления изобретения определенных типичных примеров осуществления изобретения заявляемого изобретения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции, материалы или характеристики могут сочетаться любым пригодным способом в одном или нескольких примерах осуществления изобретения.
Тогда как в описании изобретения детально описаны определенные типичные примеры осуществления изобретения, следует понимать, что специалисты в данной области техники, понимая вышеизложенное, могут легко придумать модификации, варианты и эквиваленты таким примерам осуществления изобретения. Соответственно, следует понимать, что это раскрытие изобретения не огранивается вышеупомянутыми примерами осуществления изобретения. В частности, использованное в заявляемом изобретении перечисление областей числовых значений посредством указания предельных значений включает все числа, относящиеся к такому пределу (например, от 1 до 5 включает 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4 и 5). Дополнительно, подразумевается, что все числа, использованные в заявляемом изобретении, могут варьироваться, что выражено с помощью слова "около".
Кроме того, все указанные в описании публикации или патенты включены в заявляемое изобретение посредством ссылки. Описаны различные типичные примеры осуществления изобретения. Эти и другие примеры осуществления изобретения находятся в рамках сущности изобретения, охарактеризованного следующей формулой.