一、引言

    可移动扁平型软电缆（以下简称“扁软电缆”，其绝缘可以是软聚氯乙烯或丁睛聚氯乙烯塑料，也可以是橡皮、甚至硅橡皮等）是起重运输机械中使用相当广泛的一小类电气装备用电线电缆。它不仅可以连接移动电源，还可兼作信号、控制、照明甚至通信等。不但可用作起重运输机械设备的主机配套，而且在钢铁，冶金、港口、码头、矿山、储运等移动电气机械中也因其传输可靠、柔软耐用、维护简便而广泛采用。

    近年来，不少用户要求在普通扁软电缆（特别是结构单元由多根绝缘线芯绞合组成的）中增加钢丝绳作为承力元件，以使电缆柔中带“钢”既保持原有的优良电气、机械性能，又能够承受使用中电缆受到的较大机械拉力，于是加强型扁软电缆应运而生。加强型电缆（普通型型号后加“J”如本厂生产的加强型丁睛PVC绝缘及护套扁软电缆型号定为YFFBJ）的承力元件如何选配，所用钢丝绳的承拉能力（最小拉断力）如何检测并设定等向题就不得不认真考虑了。本文拟就这些问题作粗略探讨，以供该类电缆的设计、生产、检验及使用时参考。

    二、加强型扁软电缆承力元件的选用

    （一）选钢丝绳作承（拉）力元件的理由

    移动用扁软电缆的导电线芯是由5类或6类铜导线组成的，本身不承受拉力。使用时，如需受到外部拉力，应采取可靠措施予以防止。在《起重机设计手册》中，规定移动软电缆的“线芯拉断力可按137MPa～157MPa来考虑”，而在新执行的《起重机械技 术条件》中，更要求“起重机械电缆搬运系统的设计 应使得在起重机械工作期间导线的拉应力尽可能地 低。当采用铜导线时，铜导线截面上的拉应力应不超过15MPa。

    但是，由于技术在发展，对扁软电缆的结构组合及使用的适应性要求也在不断提高；因此越来越多用户提出了电缆中增设“加强芯”的要求。

    在各种可以用作承（拉）力元件的金属和非伞属材料中，多根细钢丝复绞而成的钢丝绳不仅因其结构稳定，品种齐全货源充足而成为首选，更是因为钢丝绳变形小柔韧和抗拉等优良特性而受到青睐。 

    由于钢丝绳的抗拉强度（一般为1300MPa以上，其1%伸长时应力也约为1200MPa）远远大于铜的抗拉强度（约200MPa），而钢丝绳的伸长率（约3%）则又远远小于铜线芯的伸长率（15%以上）。因此，在同一根电缆中放置钢丝绳时，当电缆受到外力拉伸时，首先承力的是钢丝绳。只要钢丝绳不被拉断，电缆中铜导电线芯等其它元件就不会受损而保持正常工作。

    在本厂新产品《YFFBJ-450/750V19×1＋2×1P＋2×3.5G加强型带屏蔽芯扁软电缆》中，其加强芯就采用钢丝绳挤包丁腈聚氯乙烯绝缘套，作为电缆的承（拉）力元件。电缆外形尺寸为58.9mm×16.3mm，电缆总重1450kg/km，订货长度300m。

    （二）承力元件的选配

    对于加强型电缆而言，承力元件钢丝绳的关键性能就是其最小拉断力。但是，电缆究竟需要承受多大的拉力，由于电缆用途的不同，配用设备的不同以及使用场合、条件及使用人员、操作方法等诸方面的差异，用户在订货时，往往只能笼统地提出要“带钢丝绳加强的”电缆，却提不出具体的承力数据。

    为了满足用户的需要，我们根据多年电线电缆设计制造的经验，参阅有关起重运行业的有关资料及论述，并按电缆规格的大小、芯数的多少及电缆结构尺寸大小、重量轻重，编制了各种规格加强型电缆的结构，本着尽量能标准化组织生产的要求，按照承力大小，原则上分为大、中、小等三类去选配钢丝绳。因为钢丝绳的规格是以绳径（mm2）为代表的，而  电缆规格则通常用导电线芯截面（mm2）表示，为使二者一致起来，我们将钢丝绳几的钢丝总截面积计算值（mm2）引入列为加强芯规格，并后缀G加列于电缆主线芯规格（mm2）之后。

    （三）钢丝绳规格及承力数据

    经过对有关钢丝绳标准的对比、分析、筛选，我们选用GB/T 12753-2002《输送带用钢丝绳》作为扁软电缆的首选承力元件标准，将其中标准式及开放  式结构的各三种规格钢丝绳列为选用材料。其有关  规格和承力数据见表1。至于钢丝绳的详细结构及性能参数可参见GB/T 12753-2002标准。

    三、钢丝绳最小拉断力试验

    （一）试验方案的确定

    钢丝绳的性能要求及试验方法在GB/T12753-2002标准中作出了明确规定。对于加强型扁软电缆而言，其承拉性能的最重要指标是钢丝绳的最小拉断力F0。然而，对整根钢丝绳做拉断试验，需要大拉力、长标距的专用拉力试验机，一般中小企业很难完成。在用普通金属拉力试验机试验时，钢丝绳短段试样端头的整体处理相当困难，既不能简单地夹上拉力试验机进行试验（外层钢丝受力，内层钢丝滑移），又不能先将几十根细钢丝先焊接在一起（改变性状）。钢绳专业试验中心的处理方法一般是用高强度合金对端头进行预处理（普通的铅封端头因铅的强度太小也不适用），不仅试验费用很高；而且其材料配方独特，处理技术复杂。对本试制产品来说，花费太多的时间、精力和费用去做一个成熟材料（正规钢丝绳厂家F0是必保性能）的单项试验显然有舍本求末之嫌。但是作为关系到电缆重要性能的材料，入厂使用前必须试验，必须心中有数。于是我们商定了以下简易试验方案：先用普通金属拉力试验机做单根钢丝及单股钢绳的拉断试验，并严格按GB/T12753标准第9条“检验规则”规定，在钢丝绳中取外层股和外层钢丝进行拉力试验（相比较而言，中心股和中心单根钢丝的强度受绞合变形影响较小，强度会更大些，故取外层试验数据应较低些，性能更有保证），而钢丝绳的总拉断力则再按试验数据进行相关计算和判定。

    （二）钢丝及绳股抗拉强度试验

    在GB/T12753-2002标准中，规定了钢丝绳用的钢丝其抗拉强度不得低于其公称抗拉强度的95%，还明确规定了从“一根试样中拆3股，做钢丝直径测量和拉伸试验，中心股钢丝和外股中心钢丝不做试验”。

    以K6×7＋IWS，φ2.7mm钢丝绳为例，其钢丝绳最小拉断力F0=6.4kN，所用钢丝公称抗拉强度为II级。对d＝0.20mm～0.40mm的钢丝，其公称抗拉强度T=2260MPa，按标准算，其实测最小值为：T/=0.95T=2147MPa（最低值、实际检验最小值，一般产品都能达到）.在GB/T 12753-2002标准中未标明所用钢丝的直径d，但按实际检验数据，d值大致在0.28mm～0.31 mm，其平均值d＝0.30 mm，与结构推算数据一致。

    在钢丝绳中任取一外层股绳，由于其股中钢丝绞合紧密、成型好，且绞合节径比不大（h≤16），实际节径比较小（本规格h≈14.0mm），股绳的拉断力能够通过试验求得，且股绳的抗拉强度比单根钢丝的还可能大一些，如本规格绳股（7×0.30mm）抗拉强度试验数据为P2=2335MPa。

    （三）钢丝绳最小破断力的计算

    对以上试验，如果取单根钢丝抗拉强度的最小值T'（公称值的95%）作为平均值P，如开放式K6×7＋IWS，φ2.7mm钢丝绳用钢丝抗拉强度的平均值P1=2260×90%＝2 147MPa。而单根钢丝的直径取平均值d＝0.30 mm，便可作如下计算。

    众所周知，钢丝单线绞合为绳股、绳股再绞合为钢丝绳时，其中因为各钢线承力不均匀会造成钢绳总拉断力的损失。这个损失一般可用乘以系数k=k1，k2来估算，式中，k1k2分别为股绞合及绳绞合中的损失系数，在计算中一般可取k1= k2= 0.93（即假定每根钢丝损失1%拉力），并可算得:

    k =k1k2=0.93×0.93=0.865≈87%

    基于以上检测，可按单根钢丝抗拉强度平均值P1计算，求得该钢丝绳的实际试验最小拉断力F1为：

    式中，n1为绳股中钢丝的根数，n2为绳股绞合的芯数。

    然而，由于钢丝在拉伸过程中各钢丝伸长、受力逐渐均匀，所以股线的抗拉强度（P2=2335MPa）一般要比单丝的T'高（也正因为这种因素，所以如果绳股中钢丝根数大于7，如19根时，k1，k2值的取定仍可取0.93），据此，可按股线的抗拉强度p2计算：也可求得该钢丝绳的最小拉断力F2为：

    （四）钢丝绳最小拉断力的试验结果判定

    根据第3.3节对钢丝绳最小拉断力试验结果的计算，对比GB/T 12753-2002标准给定的最小破断力Fo要求，可以得到：

    按其平均值（实际是最小值）计: F1=6.42kN＞6.4kN（开放式结构K6×7＋IWS，φ2.7mm钢丝绳最小拉断力的标准要求）；

    按其股测值计：F2＝7.52 kN，不仅大于6.4 kN还大于7.0 kN（标准式结构6×7＋IWS， φ2.8mm钢丝绳最小拉断力的标准要求）。

    因此，可以认为，该钢丝绳实际试验计算的最小拉断力F均大于GB/T 12753-2002相应标准F0要求，试验结果合格。由于在第3.3节中计算时所取钢丝平均抗拉强度Pt用的是公称值的95%值，也就是说按最小数据计算的，这说明：正常情况下，只要钢丝抗拉强度合格，钢绳的总拉断力是应该卜没有什么问题的。因此，可以将标准规定的最小拉断力（本产品用φ2.7mm钢丝绳F0不小于6.4kN，相当于653kgf）作为依据，提供给用户作使用时参考。

    四、电缆最大承受拉力的估算及设定

    （一）电缆承受拉力的估算

    加强型扁软电缆在实际使用中究竟需要承受多大的拉力？这确实是难以回答的问题。但是，电缆的承拉能力不仅涉及到电缆的适用性和经济性等诸多方面的问题，更是关系到加强型电缆可靠性、安全性而不能回避的重大关键问题。

    当然，由于加强型扁软电缆应用的范围很广，使用的设备及环境各异，它承拉的情况也各不相同。在实际使用时，为了保证电缆正常使用，使用人员往往会采用各种措施保护电缆，以减少外部拉力对电缆本体的拉伸和损伤。

    根据电缆实际使用状况，电缆承受的拉力大体上可以归纳为以下三种情况估算：

    1．电缆垂直使用。整根电缆重量由钢丝绳加强芯承担，其承受拉力PL主要是电缆的自身重量。即：

    PL=WL=WL        （3）

    式中，PL为电缆应承受拉力（kgf）；WL为电缆自身重量（kg）；WL为电缆单位长度的重量（kg/km）.L为使用电缆长度（km）。

    2．电缆平行使用。即电缆随移动设备在地面或轨道上行走，移动时电缆受到的拉力主要是克服电缆在行走中受到的摩擦力P0。

    P0=WL•μ=W•L•μ   （4）

    式中，P0为电缆平行拉移中受到的摩擦阻力（kgf）；μ为电缆平行拉移中受到的摩擦系数；一般为0.3～0.4（设计计算时取0.35估算）。

    3．电缆由电缆卷筒牵引行走.在这种情况下，电缆像传送带在驱动滚筒上一样，要承受滚（卷）筒牵引的拉力。这个牵引力一般可以按欧拉公式计算。

    根据欧拉公式、电缆（相当于传送带）卷（滚）筒所能传递的最大牵引力为：

    P=Pｍ－P０= P０（eμα－1）        （5）

    式中，p为卷筒传递的最大牵引力（kgf）； Pｍ为电缆在卷筒绕人点的张力（kgf）；P为电缆在卷筒绕出点的张力（kgf）；μ为电缆与卷简的摩擦系数，一般可取0.15-0.35；α为电缆在卷（滚）筒上的包角输送带一般为2.8rad～4.2rad（或160°～240°），电缆在卷筒上可按6.28rad（成360°）测算， eμα为欧拉系数，也称驱动滚筒牵引系数

    若取α＝180°，μ=0.30，查算得eμα=2．56并代入式（5），则：

    P=1.56P0≈1.6P P0

    若取α＝180°，μ＝0.35，查算得eμα=3.00并代入式（5），则：

    p=2.0p0

    测算时，取电缆在卷筒上成圈排放，=α360°，但由于卷筒与电缆的接触面是光滑的（以免损伤电缆），故计算中的摩擦系数也可相应取小一些，譬如取μ＝0.175，因此，可查算得e=3.0并代人式 （5）则可得：

    p=2p0

    通过以上计算、可以认为卷筒能传递的最大牵  引力，也就是电缆在卷筒牵引中所受到的最大拉力p≈（1.6～2.0）p0如果此时p0仍以电缆平行移动[如式（4）]时的p0计算，则可估算出电缆通过卷筒牵引时受到的最大拉力P为：p=（1.6～2.0）p0=（1.6～2.0）w·L·μ    为安全计，设计计算时暂取为：

    P=2 p0=2W·L·μ=0.7WL       （6）

    参考带式输送机运行有关资料，在系统起重和制动时，要求张力约为工作时张力的1.4倍，这里取两倍计，对电缆安全可靠性而言应该更可信。

    一般而言，在以上三种情况中，整根电缆垂直吊用的情况较少；平行使用时拉力较小，还可以用轨道或托辊等减少摩擦阻力；而常用电缆卷筒牵引时的拉力计算，经过以上推算简化得到的式（6）；则可以简便易行地估算出最大承受牵引力。例如，将电缆有关数据：电缆单位长度重量W=1450= kg/km；电缆长度L=300m=0.3km；电缆自重WL=WL=435kg；电缆平移时受到的摩擦系数μ=0.35，代人式（4）和式（6）可求得电缆平移时受到的摩擦阻力：

    p0=W·L·μ=152.3（kgf）

    电缆承受的最大牵引力: P=2p0=2W·L·μ=305kgf≈2（KN）

    （二）YFFBJ加强型电缆承拉能力的设定

    在加强型扁软电缆结构设计中；为了使扁电缆在移动过程中平稳行走，一般用两根同规格加强芯置放于两侧。每根钢丝绳的最小拉断力F0、数据如表1所列。显然，此时对整根电缆而言，两根钢丝绳所能承受的最小拉断力是2 F0，若电缆承受的最大牵引力P=2P0=2W·L·μ，那么，在正常情况下，只要2F0＞P，也就是说，只要当F0＞1/2P（＝P0＝WL·μ=W·L·μ，电缆便可以正常工作。此时的安全系数A为：

    为防意外不测情况的发生，安全系数A可以取为1.5～2.0。

    如果取A＝2.0，即意味着，整根电缆受到的拉力由一根钢丝绳就承担了。此时，只要计算P=2P0=2W·L·μ＝0.7W·L≤F0，则电缆就可认为安全了（A≥2.0）.

    在安全系数A＝2.0的情况下，由式（7）可以方便地由各规格电缆的单位长度重量W推算出各电缆的最大使用长度Lmax，其简便公式为：

    综上所述，YFFBJ加强型电缆的承拉能力便可以由式（8）予以简便设定。

    如果将例举电缆有关数据代人式（7），可算得：

    电缆单位长度重量W＝1450kg/km；

    电缆长度L=300m＝0.3km，

    单根的钢丝绳最小拉断拉力：F0=6.4KN=653kgf

    电缆受拉安全系数：

    如果将有关数据代入式（8），则可算得该电缆在安全系数A＝2.0的情况下，可使用的最大长度Lmax为：

    四、几点建议与说明

    1．输送带用钢丝绳GB/T 12753-2002标准可作为选用加强型扁软电缆的承力元件的依据。优先选用标准式结构（有橡胶粘合，整体性能更好些）。选定规格时、注意其中钢丝单线直径一般与导电线芯单线直径相当，以确保电缆整体柔软性能。

    2．钢丝绳的“最小拉断力（F0）”是加强型电缆的重要材料性能指标。根据本文分析，在试验条件不具备时、允许只检测钢丝的抗拉强度予以确认。只要其单丝试验结果合格，可以直接将标准规定的值作为电缆承拉能力依据。 采购时，应尽量到正规生产厂家采购合格产品。入厂检验时需认真检查其结构、直径及表面质量，供用户方审核、验证及调查。

    3．加强芯由钢丝绳外挤包绝缘套组成，不可直接以钢丝绳作单元使用。两根加强芯分列两侧，以使电缆对称平衡稳定。加强芯与其相邻单元间应留有（2mm～3mm）间隔，确保电缆其它单元不受损伤。

    4．电缆在卷筒上随牵引车行走时，受力情况比较复杂。不仅有各接触部分的摩擦阻力，还有电缆从卷筒到地面倾斜部分的悬挂张力，当然，主要还是牵引时卷筒对电缆的拉力。尤其当牵引车起动和制动或发生异常情况时、这个力可能很大而造成电缆的损坏。正常情况下，可以按式（6）去估算电缆承受的拉力，并按式（7）粗算其安全系数A。

    这里需要说明的是，实际电缆的使用情况要复杂得多，本文的计算方法及所取参数只是一种估算，尚有需推敲商榷之处。但即使是按式（8）控制了电缆的最大使用长度Lmax（A=2），仍然不能避免如电缆选型错误、安装连接失当及环境、操作严重违规（诸如电缆从铁管中穿过，在铁架上缠绕或被刺破、砸伤）等造成的不当损坏。因此，作为估算，可以参考，但不作依据。

    六、结束语

    移动用扁软电缆是电气装备用电缆中的一个小分类产品，在相关国家标准（GB5023及GB5013等）中着墨不多。至于加强型扁软电缆的承力计算和设定等问题由于情况各异、涉及因素较多，是缺乏系统研究分析。在设计及使用诸多规范中，最常用韵是“应征求有关方的意见”之类的协商之词，很少有拿来就可用的资料数据。

    本厂自2000年试生产第一YFFBJ电缆后，对该类电缆结构组合及承力元件选择选配做了一些技术准备。本文提出的一些问题及建议只是点滴心得，要真正解决问题还需要有关权威部门拿出具体意见及相应的规范标准。也就是说，本文的真实意图是抛砖引玉，先解决目前使用中所碰到的安全、可靠性问题，并给以正确的判据。