網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)論文
［關(guān)鍵詞］通信論文
引言
車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜是機車（城市地鐵、輕軌和鐵路列車）網(wǎng)絡(luò)通信的主要傳輸通道，其質(zhì)量直接影響著機車的控制和信息傳輸精度。為了滿足機車特殊環(huán)境對車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜提出的較高使用要求，本公司對車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜進(jìn)行了自主開發(fā)和研制。
１車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的性能要求
為了確保機車的安全控制和信息傳輸精度，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜必須具有如下性能：ａ．具有一般網(wǎng)絡(luò)電纜的傳輸性能；ｂ．耐溫等級達(dá)到１００℃；ｃ．低煙無鹵阻燃；ｄ．嚴(yán)格的外徑限制；ｅ．良好的柔軟性；ｆ．優(yōu)秀的耐環(huán)境和耐臭氧、耐油性能。以上性能要求使得車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝難度都大大增加。
２車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計
２．１初步結(jié)構(gòu)設(shè)計
２．１．１導(dǎo)體設(shè)計為了適應(yīng)機車的特殊使用環(huán)境，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜必須柔軟性好，因此其導(dǎo)體采用了軟絞合導(dǎo)體。根據(jù)ＧＢ／Ｔ３９５６《電纜的導(dǎo)體》規(guī)定，其中５類和６類導(dǎo)體均能滿足車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜柔軟性的要求。但如果采用該兩類導(dǎo)體，則導(dǎo)體的圓整度和外表光滑度都無法滿足通信電纜傳輸性能要求。這是因為網(wǎng)絡(luò)用通信電纜的傳輸頻率較高，最高可達(dá)２０ＭＨｚ，信號主要沿導(dǎo)體表面?zhèn)鬏�，為防止信號在傳輸過程發(fā)生波動和反射，導(dǎo)體必須圓整光滑。因此，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜導(dǎo)體采用了正規(guī)絞合方式，這也是目前國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)通信電纜生產(chǎn)廠商基本采用的導(dǎo)體絞合方式，雖不符合ＧＢ／Ｔ３９５６標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)體的要求，但導(dǎo)體性能卻能夠滿足網(wǎng)絡(luò)通信要求。另外，為了滿足車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜使用的惡劣環(huán)境要求，導(dǎo)體采用了鍍錫絞合導(dǎo)體。綜上所述，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜導(dǎo)體采用正規(guī)絞合的鍍錫絞合導(dǎo)體，導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)盡量接近ＧＢ／Ｔ３９５６標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的５類導(dǎo)體要求。２．１．２絕緣設(shè)計目前，一般網(wǎng)絡(luò)用通信電纜絕緣大多采用皮－泡－皮聚乙烯（ＰＥ）絕緣結(jié)構(gòu)，這種絕緣結(jié)構(gòu)的電纜具有優(yōu)良的電氣傳輸性能，可以很好地滿足網(wǎng)絡(luò)通信電纜的需求。但對于機車上使用的車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜，由于車體上特殊的環(huán)境溫度，電纜絕緣層的耐溫等級必須達(dá)到規(guī)定的要求。根據(jù)目前鐵路電纜相關(guān)規(guī)定，電纜耐溫等級低于１００℃時是不允許上車的，這就要求車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜絕緣必須比一般通信電纜絕緣達(dá)到更高的耐溫等級。通過對國內(nèi)現(xiàn)有絕緣材料分析、篩選，制定并驗證了以下幾種設(shè)計方案：ａ．使用氟塑料發(fā)泡絕緣。雖然這種絕緣的耐溫等級可達(dá)到２００℃，且氟塑料的介電常數(shù)小，可很好地滿足車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的傳輸要求，但經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)，氟塑料發(fā)泡絕緣工藝控制難度較大，生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，生產(chǎn)過程中浪費較大，且氟塑料的價格昂貴，這給生產(chǎn)和銷售帶來了一定的困難。ｂ．使用交聯(lián)ＰＥ（ＸＬＰＥ）絕緣。雖然這種絕緣方式可使電纜耐溫等級提高到１０５℃，但由于ＸＬＰＥ絕緣料的介電常數(shù)相對較大，如果要保證產(chǎn)品電氣性能達(dá)到要求，則絕緣外徑尺寸必須加大，使得整個電纜的外徑增大，滿足不了機車電纜對外徑的嚴(yán)格要求。ｃ．采用輻照交聯(lián)皮－泡－皮ＰＥ絕緣。通過咨詢材料廠家并研究了相關(guān)資料后，認(rèn)為理論上可通過交聯(lián)的方式來提高皮－泡－皮ＰＥ絕緣層的耐溫等級，但這種方式目前國內(nèi)外還從未曾使用過，缺乏相關(guān)經(jīng)驗參考。為了了解發(fā)泡結(jié)構(gòu)ＰＥ絕緣層輻照時的輻照劑量以及輻照后性能能否達(dá)到理想效果，選取了大量皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品進(jìn)行輻照交聯(lián)試驗。在輻照交聯(lián)試驗時，先對采用不同輻照劑量輻照后的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品的輻照交聯(lián)效果進(jìn)行驗證，然后選擇輻照交聯(lián)效果理想的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品進(jìn)行老化試驗，同時選取未經(jīng)輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線進(jìn)行對比試驗。老化試驗是在同一個恒溫爐中進(jìn)行的，試驗溫度為１５８℃，試驗時間為１６８ｈ。老化試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線的絕緣層已經(jīng)熔化，絕緣發(fā)泡層嚴(yán)重收縮，絕緣材料粘在掛鉤上，并有明顯的滴流痕跡；而經(jīng)過輻照交聯(lián)的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線的絕緣形狀和外觀基本保持完好，掛鉤上未粘有絕緣材料。這初步證明了經(jīng)過輻照交聯(lián)后皮－泡－皮ＰＥ絕緣結(jié)構(gòu)的耐溫等級有了大幅提高。為了進(jìn)一步驗證輻照交聯(lián)后皮－泡－皮ＰＥ絕緣的耐熱性，采用電鉻鐵對輻照交聯(lián)皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線和未經(jīng)輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線進(jìn)行了直觀的耐熱對比。當(dāng)溫度約為３００℃的電鉻鐵輕放在絕緣表面３ｓ后，未經(jīng)輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣層很快熔化，而輻照交聯(lián)皮－泡－皮ＰＥ絕緣層則只有輕微的燙傷痕跡。通過該耐熱試驗進(jìn)一步證明了輻照交聯(lián)皮－泡－皮ＰＥ絕緣的.耐熱承受能力大大優(yōu)于普通皮－泡－皮ＰＥ絕緣。因此，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的絕緣最終采用了輻照交聯(lián)皮－泡－皮ＰＥ絕緣結(jié)構(gòu)。２．１．３線對及纜芯設(shè)計車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的線對和纜芯的絞合與計算機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信電纜基本相同，只是在選取包帶時應(yīng)充分考慮其使用環(huán)境的特殊性。目前纜芯包帶有很多種，如玻璃紙（ＰＴ）包帶、聚丙烯（ＰＰ）包帶、ＰＥ包帶、玻璃絲包帶、無紡布包帶、云母帶等。其中ＰＴ包帶和無紡布包帶燃燒時發(fā)煙量大，不滿足低煙要求；ＰＥ包帶雖然發(fā)煙量低，但耐溫等級只有７０℃，達(dá)不到機車電纜的耐溫等級要求；玻璃絲包帶和云母帶的耐溫等級較高，且燃燒時的發(fā)煙量低，能夠滿足使用要求，但這兩種包帶的厚度太厚，會增加電纜外徑；而ＰＰ包帶的熔化溫度為２７０℃，在１５０℃時仍然保持較好的狀態(tài)，可滿足機車電纜耐溫等級要求，同時ＰＰ包帶的相對介電常數(shù)�。s為２．０，小于ＰＥ包帶的介電常數(shù)），燃燒時基本不發(fā)煙，這些性能都能很好滿足機車電纜的要求。因此，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜最終選�。校邪鼛ё鳛槔|芯包帶。另外，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的線對和纜芯的絞合節(jié)距在確保電纜性能的前提下應(yīng)盡可能設(shè)計小些，以保證電纜的柔軟性和串音、阻抗等電氣參數(shù)的穩(wěn)定性。２．１．４屏蔽層設(shè)計車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜必須具有良好的屏蔽性能，防止電磁干擾，同時還必須滿足柔軟性要求，以適應(yīng)于機車內(nèi)部安裝敷設(shè)。由此，借鑒了同軸電纜的屏蔽方式，即屏蔽層采用０．０４ｍｍ單面鋁箔縱包（防電磁輻射）＋０．１５ｍｍ鍍錫銅線編織屏蔽（防磁場輻射）結(jié)構(gòu)，鋁箔搭蓋寬度不小于３ｍｍ，編織密度不小于８５％。該屏蔽結(jié)構(gòu)可使外界電磁輻射及磁場輻射直接入地而對內(nèi)層導(dǎo)體不干擾，既保證電纜有良好的屏蔽性能，又滿足了電纜的柔軟性。２．１．５護套料的選取由于車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的特殊使用環(huán)境，因此其外護套應(yīng)具有低煙無鹵阻燃性能、優(yōu)良的耐高低溫性能（耐高溫等級最低為１０５℃，耐低溫等級為－２５℃或－４０℃）、優(yōu)良的耐環(huán)境性能和耐臭氧性能，有的場所還需要其具有耐燃料油和礦物油等性能。目前，應(yīng)用較多的低煙無鹵阻燃護套材料有低煙無鹵阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴護套料、阻燃低鹵的改性氯磺化ＰＥ護套料等。通過對國內(nèi)現(xiàn)有低煙無鹵阻燃護套材料分析、篩選后，車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜選用１２５℃低煙無鹵阻燃輻照交聯(lián)耐油聚烯烴護套料，該材料耐溫等級為１２５℃，具有優(yōu)秀的耐環(huán)境和耐油性能，且工藝比較成熟，價格相對便宜，性能穩(wěn)定。
２．２結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證
２．２．１樣品試制根據(jù)車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在２０１５年試制了一根１０００ｍ長規(guī)格為２×２×０．５ｍｍ２的車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜（結(jié)構(gòu)如圖１所示），要求電纜的外徑不大于９．５ｍｍ，１ＭＨｚ時的特性阻抗為（１２０±１０）Ω，電纜的耐溫等級為－４０～１００℃。該車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的試制方案如下：導(dǎo)體采用１９×０．１８ｍｍ的正規(guī)絞合導(dǎo)體，導(dǎo)體為鍍錫導(dǎo)體，為滿足高頻線路傳輸要求，導(dǎo)體絞合過程進(jìn)行了輕微的緊壓，以保證導(dǎo)體外表的光滑度和圓整度；絕緣采用物理發(fā)泡皮－泡－皮ＰＥ絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣單線經(jīng)過輻照交聯(lián)（輻照劑量的控制為工藝關(guān)鍵）；線對絞合和纜芯絞合與數(shù)據(jù)電纜相同，包帶為ＰＰ包帶；屏蔽層采用鋁箔＋鍍錫銅線編織，編織密度不小于８５％；護套采用１２５℃低煙無鹵阻燃輻照交聯(lián)耐油聚烯烴護套料（護套具有耐燃料油和礦物油性能）。２．２．２性能檢測對試制的１０００ｍ長２×２×０．５ｍｍ２車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜樣品進(jìn)行了電氣性能測試，測試結(jié)果如表１所示。首先進(jìn)行了第一次電氣性能測試，各項性能測試結(jié)果均滿足了設(shè)計要求；隨后選取一圈１００ｍ的電纜整體放入恒溫老化箱中進(jìn)行老化試驗，試驗溫度為１５８℃，試驗時間為１６８ｈ，老化試驗完成后將電纜從老化箱中取出，放置２４ｈ后進(jìn)行第二次電氣性能測試，各項性能測試結(jié)果與老化試驗前的第一次性能測試結(jié)果基本一致，也均滿足了設(shè)計要求；再將該圈１００ｍ的電纜樣品放入老化箱中做耐溫試驗，試驗溫度為１０５℃，試驗時間為２４ｈ，耐溫試驗后立即進(jìn)行第三次電氣性能測試，各項性能指標(biāo)測試結(jié)果與老化試驗前的第一次性能測試結(jié)果基本一致，只有衰減下降較多，但將１０５℃衰減值換算到２０℃時（衰減的溫度系數(shù)為０．００２ｄＢ（１００ｍ）－１℃－１），該衰減值也能滿足要求。經(jīng)檢測，該２×２×０．５ｍｍ２車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜樣品的護套厚度為０．６ｍｍ，外徑為９．３ｍｍ，電纜的彎曲性能及物理機械性能也都滿足了設(shè)計要求。之后，對該電纜取樣依據(jù)ＧＢ／Ｔ１９６６６進(jìn)行成束燃燒試驗，試驗結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中Ｂ類指標(biāo)，同時其無鹵、低煙指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。這表明車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案完全可行且合理。
３車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的現(xiàn)場檢驗
在車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜產(chǎn)品首件測試合格后，對車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜進(jìn)行了批量的驗證，各項指標(biāo)均符合要求，且性能穩(wěn)定。本公司將自行設(shè)計和生產(chǎn)的首批車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜委托交大思諾科技有限公司使用，進(jìn)行現(xiàn)場驗證。經(jīng)過近兩年使用后，該批車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜運行效果良好，并取得了用戶使用報告。隨后該公司和其它一些設(shè)備、車輛廠家陸續(xù)訂購了本公司的該類電纜，使用后非常滿意。
４結(jié)束語
本文車載網(wǎng)絡(luò)通信電纜的設(shè)計方案是在實踐基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點是絕緣層結(jié)構(gòu)設(shè)計，它既要滿足通信電纜的傳輸性能要求，又要具有較高的耐溫等級要求。另外，該電纜產(chǎn)品為系列規(guī)格，今后會對整個系列進(jìn)行研發(fā)和完善。
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