邵 冰， 馮國五， 林 霖， 謝麗巖， 薛 祥

(1.揚(yáng)州曙光電纜股份有限公司，高郵 225652；2.浙江萬馬股份有限公司，臨安 311305；3.揚(yáng)州市金陽光電纜有限公司，高郵 225652)

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入移動網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，預(yù)計到2025年，移動通信網(wǎng)絡(luò)的容量需要在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)容量基礎(chǔ)上增長1 000倍。移動數(shù)據(jù)流量的暴漲將給網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了解決上述挑戰(zhàn)，滿足日益增長的移動流量需求，亟需發(fā)展5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，同時，5G基站的建設(shè)也為電纜行業(yè)帶來新的機(jī)遇。本工作對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝、特殊性能驗(yàn)證進(jìn)行了研究。

1 5G通信基站用D型電纜使用要求

根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境及使用特性，產(chǎn)品設(shè)計性能需要具備外徑小、彎曲性能優(yōu)異、載流量高、電磁屏蔽性能優(yōu)異、滿足RoHS2.0、REACH環(huán)保法規(guī)、可抗紫外線等要求。具體產(chǎn)品性能要求如下。

(1) 外徑小。5G基站中，多數(shù)設(shè)備敷設(shè)空間狹窄，因此適用于此種環(huán)境及使用特性的電纜外徑須小于常規(guī)電纜，從而節(jié)約敷設(shè)空間。

(2) 彎曲性能優(yōu)異。常規(guī)的軟電纜彎曲半徑最小為6D(D為產(chǎn)品外徑)，而根據(jù)5G通信基站中的實(shí)際敷設(shè)環(huán)境確定產(chǎn)品的彎曲半徑為4D，因此產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計需滿足彎曲半徑的要求。

(3) 載流量高。雖然電纜產(chǎn)品的敷設(shè)空間有限，但是設(shè)備使用功率卻在不斷提升。因此產(chǎn)品設(shè)計必須考慮相同導(dǎo)體規(guī)格情況下，D型電纜應(yīng)具備高載流量的特性。

(4) 電磁屏蔽性能優(yōu)異。本工作設(shè)計的電纜主要用于基站內(nèi)220 V配電系統(tǒng)，而通信基站環(huán)境中包含眾多精密設(shè)備，因此如何防止電纜傳輸?shù)碾姶挪▽χ車h(huán)境精密設(shè)備造成電磁影響[1]，是此次設(shè)計的重點(diǎn)。

(5) 環(huán)保要求高。根據(jù)前期市場信息反饋，該產(chǎn)品隨同整套設(shè)備應(yīng)用于不同地區(qū)及國家，因此其必須滿足環(huán)保法規(guī)RoHS2.0、REACH的要求。

(6) 可抗紫外線。電纜產(chǎn)品敷設(shè)于室外環(huán)境時，因長期日光照射容易造成電纜護(hù)層開裂，在產(chǎn)品護(hù)層選型時需充分考慮材料抗紫外線的性能。

2 5G通信基站用D型電纜設(shè)計方案

為了滿足上述產(chǎn)品的使用性能要求，分別進(jìn)行產(chǎn)品的性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體如下。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計

2.1.1 外 徑

普通電纜絕緣線芯均為圓形，多芯成纜后通過增加填充保證電纜的外觀圓整。該產(chǎn)品設(shè)計根據(jù)客戶要求需減小產(chǎn)品外徑，電纜使用配電線路為220 V單相電路，接地電纜單獨(dú)敷設(shè)電纜，因此產(chǎn)品設(shè)計僅需兩根絕緣線芯。綜合考慮將導(dǎo)體設(shè)計為D型即半圓形，再通過擠包絕緣材料使絕緣線芯成為D型線芯。這樣可以保證絕緣線芯成纜后兩根D型線芯組成一個圓形，最大程度減小成品外徑。

目前這種設(shè)計有兩種方案：①導(dǎo)體為半圓形，在擠包絕緣層后，兩根絕緣線芯為圓弧形，成纜后兩側(cè)有縫隙，需添加部分填充材料才能保證成纜圓整；②將擠包后的絕緣線芯設(shè)計為半圓形，以保證成纜后兩根絕緣線芯成為圓形，無須添加任何填充材料，根據(jù)絕緣線的高度及寬度反推導(dǎo)體的高度及寬度，導(dǎo)體為圓弧形。

第二種設(shè)計方案更加有利于減小產(chǎn)品外徑，因此本設(shè)計采用該設(shè)計方案。先保證擠塑后兩根絕緣線芯絞合成為圓形，再設(shè)計D型導(dǎo)體的高度與寬度。

2.1.2 模 具

導(dǎo)體及絕緣線芯均為D型，因此需要專門設(shè)計導(dǎo)體成型模具及成纜模具。

(1) D型導(dǎo)體模具。因?qū)w為多根細(xì)銅絲絞合，不宜進(jìn)行緊壓設(shè)計，所以模具的輪廓截面采用70%填充系數(shù)，然后通過Soildworks軟件對模具進(jìn)行設(shè)計。模具設(shè)計有兩種方案：第一種采用拉拔模具成型設(shè)計；第二種采用上下壓輪成型設(shè)計。拉拔模具加工較為成熟，模具制造商可以根據(jù)圖紙要求精確加工尺寸，無須專用模具放置支架。但是在使用拉拔模具進(jìn)行導(dǎo)體加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)單絲斷裂的情況。通過Ansys workbench軟件建模分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體在通過拉拔式模具成型時，模具工作面存在應(yīng)力集中問題，當(dāng)此位置銅絲所承受的拉伸力大于銅材屈服極限時，會造成單絲斷裂。經(jīng)多次調(diào)試均無法解決單絲斷裂問題，證明此種模具設(shè)計不適用軟導(dǎo)體成型加工。第二種方案采用上下壓輪成型設(shè)計，將導(dǎo)體成型過程中所受到的滑動摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦力，降低了摩擦阻力，保證銅材所承受的拉伸力小于銅材的屈服極限。上下壓輪模具材質(zhì)選用40Cr模具鋼，并對鋼材進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火、氮化、手工精磨等多道工序處理，保證模具工作面粗糙度不大于0.2。為保證每次上下壓輪嚙合的精準(zhǔn)度，設(shè)計了氣動支架。工人每次僅需打開氣動閥門，無須手動調(diào)整上下壓輪高度，保證了每次上下壓輪貼合的精準(zhǔn)度，進(jìn)而保證D型導(dǎo)體尺寸加工的一致性。在實(shí)際使用過程中，沒有出現(xiàn)單絲斷裂、導(dǎo)體表面粗糙等情況。最終導(dǎo)體模具設(shè)計方案確定為上下壓輪成型設(shè)計。

(2) D型絕緣線芯成纜防扭轉(zhuǎn)模具。D型絕緣線芯成纜過程中必須保證上下兩根線芯平面緊密貼合，不能出現(xiàn)線芯扭轉(zhuǎn)情況，否則將造成纜芯橢圓度不達(dá)標(biāo)等情況。為解決此問題，在成纜設(shè)備分線板位置放置兩個半圓形壓模。壓模工作面采用納米金剛石涂層，保證絕緣線芯表面不會被劃傷，同時模具工作面貼合絕緣線芯，可對線芯的扭轉(zhuǎn)起到很好的限位作用，保證絕緣線芯成纜過程中不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況。

2.1.3 彎曲半徑

為了保證產(chǎn)品具備優(yōu)異的彎曲性能，采用單絲直徑0.3 mm的退火無氧銅絲，銅絲伸長率不小于28%，絞合方式采用束絞后同向絞合工藝。絕緣線芯成纜節(jié)距采用8～10倍節(jié)徑比進(jìn)行絞合成纜，增加了電纜彎曲性能。絕緣及護(hù)套材料選用高彈性耐溫等級為105 ℃橡塑共混體——丁硅材料。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選型保證了產(chǎn)品的彎曲性能。

2.1.4 載流量

客戶要求6 mm2導(dǎo)體為終端設(shè)備提供9 kW功率。按照客戶提供的信息，進(jìn)行如下計算：終端設(shè)備功率因數(shù)為0.8，傳輸效率為90%，線路電壓為220 V，為單項(xiàng)電抗型線路，計算電纜的載流量為57 A，而常規(guī)耐溫等級為70 ℃兩芯電纜載流量僅為48 A，無法滿足終端設(shè)備的功率需求。通過比較多種材料后，最終選擇耐溫等級為105 ℃橡塑共混體——丁硅材料作為本次電纜產(chǎn)品的絕緣及護(hù)套材料。經(jīng)計算，6 mm2導(dǎo)體在105 ℃溫度條件下，可提供的載流量為60.5 A。該載流量不僅能滿足客戶的終端設(shè)備功率需求，還有一部分安全裕量。

2.1.5 電磁屏蔽性能

對電纜的主要應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電纜在實(shí)際使用環(huán)境中，周圍有較多精密儀器，因此必須消除電纜本體電磁波的傳輸對于周圍環(huán)境中精密儀器的影響。設(shè)計目標(biāo)為將電纜的屏蔽抑制系數(shù)控制在不大于0.01。對比多種屏蔽結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，選用鋁箔麥拉繞包屏蔽與銅包鋁鎂合金絲編織屏蔽所組成的復(fù)合屏蔽作為電纜的屏蔽層。該復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)可以有效降低電磁波對周圍環(huán)境中精密設(shè)備的電磁影響，同時銅包鋁鎂合金絲材料比重僅為3.5 g·cm-3,遠(yuǎn)低于銅絲材料比重8.89 g·cm-3，從而有效降低了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了產(chǎn)品價格競爭優(yōu)勢。

2.1.6 環(huán)保要求

本工作設(shè)計的產(chǎn)品隨整機(jī)配套使用在不同國家和地區(qū)，因此產(chǎn)品設(shè)計必須滿足RoHS2.0、REACH環(huán)保法規(guī)要求。對D型電纜加工及包裝所涉及的材料均進(jìn)行了RoHS2.0、REACH法規(guī)所要求的測試項(xiàng)目。同時，為了保證材料在加工過程中不被污染，對電纜所使用的加工設(shè)備及環(huán)境均進(jìn)行清理，尤其是擠塑設(shè)備，在每次開機(jī)前，先進(jìn)行材料擠出并進(jìn)行RoHS2.0、REACH項(xiàng)目測試，測試結(jié)果合格后再開機(jī)生產(chǎn)。

2.1.7 抗紫外線性能

當(dāng)電纜敷設(shè)于室外環(huán)境時，護(hù)層材料需要長期面對日光中紫外線的危害，如不采取特殊處理，外護(hù)層存在開裂風(fēng)險，因此，要在外護(hù)層材料中添加一定比例的紫外光吸收劑，從而保證外護(hù)層材料在室外環(huán)境使用的安全性。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

以2×6 mm25G通信基站用D型電纜為例，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1—D型導(dǎo)體；2—D型絕緣；3—鋁箔麥拉屏蔽層；4—銅包鋁鎂合金絲編織屏蔽層；5—外護(hù)層

表1 電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 工藝控制

產(chǎn)品加工工藝中包含D型導(dǎo)體加工、D型絕緣線芯擠出、D型絕緣線芯成纜、銅包鋁鎂合金絲編織、外護(hù)層加工擠出等5個關(guān)鍵工序，下面對5個關(guān)鍵工序的生產(chǎn)過程及問題解決進(jìn)行介紹。

3.1 D型導(dǎo)體加工

先對單絲用束絲機(jī)進(jìn)行股線絞合，為保證束絲結(jié)構(gòu)的圓整性，防止出現(xiàn)跳絲等不良現(xiàn)象，對束絲設(shè)備放線張力裝置進(jìn)行了調(diào)整。采用拉力計對每個放線張力進(jìn)行測試，保證張力桿位置近似水平，多次調(diào)試后完成束絞。采用同樣方式對復(fù)絞放線裝置進(jìn)行調(diào)試，同時在進(jìn)線模具依次放置圓形納米金剛石絞線模具、D型導(dǎo)體上下壓輪裝置。為防止導(dǎo)體的銳角邊挫傷，在導(dǎo)體的每層收線之間，采用珍珠棉進(jìn)行隔離。

3.2 D型絕緣線芯擠出

絕緣采用耐溫等級為105 ℃的丁硅阻燃絕緣材料，由于是橡塑共混體，該材料熔融后的流動性相對于普通熱塑性材料而言，有很大不同。根據(jù)橡塑共混體的材料擠出特性設(shè)計模具，拉伸比為3.5，配模系數(shù)為1.03，同時根據(jù)材料流動特性定制了新的分料器，并優(yōu)化模具承徑區(qū)長度為3 mm，模具內(nèi)外角度差值為8°，確保絕緣材料順利擠出。絕緣材料擠出后，依靠材料本身的拉伸特性貼敷在導(dǎo)體表面，形成D型絕緣線芯，絕緣材料貼敷的緊密程度決定了D型絕緣線芯的結(jié)構(gòu)尺寸。為保證絕緣線芯結(jié)構(gòu)尺寸符合工藝規(guī)定，采用抽真空裝置使機(jī)頭內(nèi)部產(chǎn)生近似真空狀態(tài)，由于外部氣壓大于機(jī)頭內(nèi)部氣壓，通過空氣壓力使絕緣材料緊密貼敷在導(dǎo)體表面，使得D型絕緣線芯尺寸能符合工藝規(guī)定。

3.3 D型絕緣線芯成纜

絕緣線芯為D型，如采用常規(guī)的成纜工藝，絕緣線芯在成纜過程中容易出現(xiàn)線芯扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為確保成纜線芯的圓整性，在成纜設(shè)備分線板位置設(shè)置兩個工作面為半圓形的納米金剛石模具，若其尺寸過小會造成絕緣摩擦生熱進(jìn)而造成絕緣損壞，若尺寸過大則無法確保絕緣線芯始終不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，經(jīng)過多次工藝調(diào)試，兩個半圓形模具的最優(yōu)尺寸為4.0 mm(高)×7.5 mm(寬)。

3.4 銅包鋁鎂合金絲編織

銅包鋁鎂合金絲由于其材料延展性不如銅絲，操作人員在進(jìn)行編織工序時經(jīng)常會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，產(chǎn)生屏蔽毛刺扎傷絕緣線芯等問題。為解決這個問題，對編織工序所采用的φ0.12 mm單絲進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，其抗拉強(qiáng)度在151～165 N·mm-2范圍。計算每錠的拉斷力時統(tǒng)一按照150 N·mm-2的抗拉強(qiáng)度計算，每錠單絲根數(shù)為7根，經(jīng)過計算，每錠拉斷力為11.8 N。采用張力計對每個錠子進(jìn)行放線張力測試，經(jīng)過多次調(diào)試后，確定每錠放線張力為6～7 N時可以有效解決編織過程中的斷絲問題。

3.5 外護(hù)層加工擠出

護(hù)套采用與絕緣耐溫等級相匹配的105 ℃丁硅阻燃護(hù)套材料，客戶要求在護(hù)套表面不能出現(xiàn)編織紋路，因此,配模系數(shù)為1.01，并采用不銹鋼模具用于護(hù)套材料的加工擠出。

4 專項(xiàng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證5G通信基站用D型電纜特殊性能指標(biāo)的可靠性，除了進(jìn)行成品電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能、機(jī)械性能等試驗(yàn)外，還應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，具體如下。

4.1 曲撓試驗(yàn)

參考執(zhí)行GB/T 5023.1—2008[2]標(biāo)準(zhǔn)，電纜經(jīng)15 000次往復(fù)運(yùn)動，即30 000次單程運(yùn)動,重錘質(zhì)量為1.5 kg，滑輪直徑為120 mm，試驗(yàn)完成后，電纜應(yīng)既不發(fā)生電流斷路，也不發(fā)生導(dǎo)體之間短路。試驗(yàn)完成后進(jìn)行3 500 V、5 min的耐壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示線芯間無擊穿。

4.2 屏蔽抑制系數(shù)測試

按照TICW 6—2009附錄B試驗(yàn)方法對電纜屏蔽抑制系數(shù)進(jìn)行測試，測試電纜產(chǎn)品屏蔽抑制系數(shù)為0.003，滿足設(shè)計需求，電纜屏蔽性能優(yōu)異。

4.3 載流量測試試驗(yàn)

按照TICW 15—2012標(biāo)準(zhǔn)對研制的5G通信基站用D型電纜(2×6 mm2)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，電纜在環(huán)境溫度40 ℃空氣中，導(dǎo)體長期工作溫度105 ℃時，電纜載流量為62 A，滿足設(shè)計要求。

4.4 RoHS2.0、REACH環(huán)保測試試驗(yàn)

成品電纜各部分順利通過RoHS2.0及REACH環(huán)保測試項(xiàng)目，證明電纜在生產(chǎn)過程中沒有被環(huán)境及設(shè)備污染，產(chǎn)品環(huán)保性能可滿足客戶需求。

4.5 抗紫外線試驗(yàn)

參照GB/T 12527—2008[3]附錄A人工氣候老化試驗(yàn)(氙燈法)，在0～1 008 h范圍內(nèi)，要求抗張強(qiáng)度變化率、斷裂伸長率變化率最大均為±30%；在504～1 008 h范圍內(nèi)，要求抗張強(qiáng)度變化率、斷裂伸長率變化率最大均為±15%。試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果均符合要求。

5 結(jié)束語

本工作研發(fā)的5G通信基站用D型電纜，根據(jù)客戶的實(shí)際使用環(huán)境及使用特性要求，經(jīng)過分析終端設(shè)備所需功率，精確計算傳輸線路所需載流量，進(jìn)行合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選型，設(shè)計出滿足客戶需求的產(chǎn)品。產(chǎn)品試制成功后，先后通過了常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目測試及專項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目測試，證明了產(chǎn)品設(shè)計加工的合理性。在保證產(chǎn)品滿足使用環(huán)境及特性的情況下，電纜產(chǎn)品外徑由圓形電纜12.4～12.8 mm縮小至10.4～10.6 mm，同時將電纜載流量由普通電纜的48 A提升至60.5 A。研制過程中解決了眾多生產(chǎn)難題，可為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。