Zalety użycia kabli sterujących do ciągłego zginania w zastosowaniach przemysłowych

Niezawodna łączność realizowana z wykorzystaniem elastycznych wielożyłowych kabli sterujących jest wymagana do zapewnienia niezawodnego funkcjonowania działalności przemysłowej, np. w zakładach montażowych, systemach przenośników, urządzeniach do montażu maszynowego oraz przetwórstwie żywności i napojów. Dobór i określenie specyfikacji kabli sterujących może wydawać się proste, ale jest to proces skomplikowany, podczas którego należy wziąć pod uwagę wiele potrzeb, specyficznych dla zastosowań oraz norm branżowych.

Wśród wspomnianych norm branżowych znajdują się poziomy I i II odporności na oleje wg norm UL, a także próba odporności ogniowej wg normy UL 1581 z płomieniem pionowym. Wytrzymałość mechaniczna kabla musi być zgodna z próbami uderzeniowymi i próbami zgniatania z normy UL 1277, a sam kabel musi być w stanie wytrzymać ponad 8 milionów cykli ciągłego zginania w temperaturach roboczych od -40°C do +90°C. Wymagania te spełnia kabel z drobnymi żyłami miedzianymi w specjalnie opracowanym płaszczu z PVC odpowiednim do trudnych warunków środowiskowych. Do zastosowań wymagających tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) dostępne są kable ekranowane.

W niniejszym artykule wyszczególniono zalety kabli o wysokiej giętkości oraz zastosowania, które najlepiej nadają się do użycia z tymi kablami w kontekście norm branżowych dotyczących odporności na oleje, ognioodporności i ochrony mechanicznej. Następnie omówiono rodzaje ruchów występujące w zastosowaniach przemysłowych, klasy kabli giętkich oraz opcje konstrukcyjne, a także przeanalizowano, gdzie sprawdzają się kable wielożyłowe ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp. Artykuł zamykają przykłady ekranowanych i nieekranowanych kabli giętkich firmy Lapp oraz omówienie zastosowanie dławików kablowych w zastosowaniach standardowych i wrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Odporność na oleje

Olej jest stosowany jako preparat smarny lub chłodziwo w różnych maszynach przemysłowych, a jego obecność może stanowić poważne zagrożenie dla działania i żywotności kabli elastycznych. Nie wszystkie materiały izolacyjne stosowane w kablach przemysłowych zachowują się jednakowo w obecności oleju. Czynnikiem różnicującym ich reakcję jest skład materiałowy. Krytycznym czynnikiem w materiałach izolacyjnych jest obecność plastyfikatorów, które zapewniają elastyczność i wytrzymałość zmęczeniową.

W zależności od materiału izolacyjnego, olej może być wchłaniany lub może następować wypłukiwanie plastyfikatora. W obu przypadkach parametry rozciągliwości izolacji, takie jak elastyczność, mogą ulec znacznemu pogorszeniu. Proces przebiega następująco (ilustracja 1):

• Po pierwsze, gdy oleje stykają się z polichlorkiem winylu (PVC) lub poliolefinowymi związkami izolacyjnymi, wchodzą one w reakcję z plastyfikatorami.
• Jeśli materiałem izolacyjnym jest poliolefina, olej jest wchłaniany, powodując pęcznienie i osłabienie izolacji.
• Jeśli materiałem izolacyjnym jest polichlorek winylu (PVC), olej może spowodować wypłukiwanie plastyfikatora i twardnienie izolacji.

Ilustracja 1: kontakt oleju z izolacją kabla (po lewej) może powodować pęcznienie i osłabienie poliolefin (po środku), a także utratę plastyfikatora z polichlorku winylu (PVC), powodując stwardnienie kabla (po prawej). (Źródło ilustracji: Lapp)

Kable używane w sytuacjach ciągłego zginania, takie jak ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp, muszą spełniać dwa poziomy próby odporności na oleje wg UL:

• W próbie dla poziomu I kabel zanurza się na cztery dni w oleju o temperaturze 100°C. Kabel musi zachować 50% swojej wytrzymałości na rozciąganie i 50% swojego maksymalnego wydłużenia przed zerwaniem w stosunku do stanu sprzed próby.
• W próbie dla poziomu II kabel zanurza się na 60 dni w oleju o temperaturze 75°C. Kabel musi zachować 65% swojej wytrzymałości na rozciąganie i 65% swojego maksymalnego wydłużenia przed zerwaniem w stosunku do stanu sprzed próby.

Ogniotrwałość

Firma Lapp definiuje siedem poziomów ogniotrwałości, od FR-00 do FR-06. FR-00 oznacza kabel, który łatwo ulega zapłonowi i łatwo się pali. Na drugim końcu skali znajduje się poziom FR-06, który oznacza kable o wysokiej ogniotrwałości. Kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY mają poziom ogniotrwałości FR-02 i są poddawane próbie z płomieniem pionowym UL VW-1 (UL 1581).

W tej próbie sterowanie przepływem powietrza i gazu umożliwia palnik listwowy Tirrill. Próbkę poddaje się przez 15 sekund działaniu płomienia o określonych parametrach, który następnie się usuwa. Płomień jest przykładany ponownie po upływie 15 sekund lub gdy próbka przestaje płonąć, w zależności od tego, co następuje później. Na próbę składa się 5 takich 15-sekundowych przyłożeń płomienia. Aby badanie zakończyło się powodzeniem, próbka nie może emitować płomienia ani żarzących się cząstek, a wacik chirurgiczny u podstawy palnika nie może ulec zapłonowi. Norma IEC 60332-1 jest odpowiednikiem normy UL VW-1. W jej przypadku czas przyłożenia płomienia różni się w zależności od średnicy kabla.

Ochrona mechaniczna

Wymagania dotyczące ochrony mechanicznej są bardzo zróżnicowane. W niektórych przypadkach może istnieć potrzeba, aby kable wytrzymywały wypadki, takie jak uderzenie spadającymi przedmiotami lub najechanie przez wózek widłowy lub inny pojazd. Dla różnych poziomów ochrony dostępne są różne próby uderzeniowe i próby zgniatania. Kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY mają klasę MP-02 według definicji z normy UL 1277 dla prób uderzeniowych i prób zgniatania (tabela 1).

Tabela 1: kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp mają stopień ochrony mechanicznej MP-02. (Źródło tabeli: Lapp)

Rodzaj ruchu

Istnieją trzy podstawowe rodzaje ruchu, występujące w systemach przemysłowych (ilustracja 2):

• Kable elastyczne są używane w zastosowaniach niezautomatyzowanych, w których występują przypadkowe ruchy. Typowe zastosowania to m.in. obrabiarki i urządzenia przenośne.
• Kable do ciągłego zginania w zautomatyzowanych systemach podlegają ciągłym ruchom liniowym i poddawane są działaniu ciągłych sił podczas zginania. Zastosowania mogą obejmować poziome i pionowe prowadnice kablowe w kształcie litery C, łańcuchy kablowe, łańcuchy zasilające, zespoły zautomatyzowane itp. Mogą one poruszać się w obu kierunkach z prędkością przekraczającą pięć metrów na sekundę i mogą na nie oddziaływać siły przekraczające pięciokrotność przyspieszenia grawitacyjnego.
• Kable skrętne podlegają zginaniu i skręcaniu w trzech wymiarach. Ich typowe zastosowania to m.in. roboty przemysłowe, urządzenia do montażu maszynowego i operacje montażu.

Ilustracja 2: trzy popularne rodzaje ruchu spotykane w systemach przemysłowych to: losowe zginanie (po lewej), ciągłe zginanie (środek) i skręcanie (po prawej). (Źródło ilustracji: Lapp)

Podczas porównywania kabli do ciągłego zginania należy wziąć pod uwagę kilka zmiennych, w tym promień gięcia, odległość, przyspieszenie, prędkość i wagę. Specyfikacja kabla musi być dopasowana do potrzeb konkretnego zastosowania. Kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp mają klasę zginania CF-02 i wytrzymują do 8 milionów cykli zginania (tabela 2). Minimalny znamionowy promień gięcia jest równy 7,5-krotności średnicy kabla w przypadku kabli nieekranowanych i dziesięciokrotności średnicy kabla w przypadku kabli ekranowanych. Grupa kabli ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY obejmuje różnorodne konstrukcje kabli o różnej liczbie żył oraz różnych średnicach i wagach, co pozwala dobrać je do potrzeb różnych zastosowań.

Tabela 2: kable ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp mają klasę zginania CF-02 i są przeznaczone do umiarkowanego zginania ciągłego. (Źródło tabeli: Lapp)

Klasy i konstrukcja kabli

Specyfikacje kabli przemysłowych zwykle określa się z wykorzystaniem pola przekroju poprzecznego przewodów, a nie średnicy. Pole przekroju poprzecznego jest cennym parametrem, ponieważ jest wprost proporcjonalne do wytrzymałości i wagi przewodu oraz odwrotnie proporcjonalne do jego rezystancji. Wiąże się również z maksymalną obciążalnością prądową. Ale ma też swoje ograniczenia.

Niektóre rodzaje miedzi mają wyższą rezystywność niż inne. Pole przekroju poprzecznego można wykorzystać do porównań tylko wtedy, gdy badane przewody wykorzystują miedź tego samego gatunku. Normy VDE 0295 / IEC 60228 rozwiązują te problemy, kategoryzując przewody według rezystancji, a nie wymiarów fizycznych.

Oprócz charakterystyki poszczególnych przewodów, kable przemysłowe są definiowane przez liczbę i rozmiary żył oraz liczbę splotów przewodów w poszczególnych żyłach. Norma VDE 0295 definiuje kilka klas żył w oparciu o elastyczność i parametry temperaturowe, mianowicie:

• Klasa 1 to żyły lite.
• Klasa 2 to żyły plecione przeznaczone do instalacji bez ruchu.
• Klasa 5 to giętkie żyły drobno plecione.
• Klasa 6 wykorzystuje bardzo cienkie przewody do bardzo elastycznych żył. Żyły w kablach ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp przewyższają wymagania klasy 6.

Oprócz elastyczności wynikającej ze splotu, kable przemysłowe można scharakteryzować na podstawie ich konstrukcji. Trzy najpopularniejsze konstrukcje omawianych kabli to (ilustracja 3):

• Kable z żyłami o jednym kierunku skrętu (unilay) mają żyły skręcone w tym samym kierunku i charakteryzują się stałym skokiem skrętu. Kable te są odpowiednie do zastosowań stacjonarnych.
• Koncentryczne żyły o skręcie kontrahelikalnym tworzą wyraźne warstwy przeciwnie skręconych żył w układzie helikalnym. Każda warstwa ma przeciwny kierunek skrętu i większy skok skrętu. Kable tego typu są odpowiednie do zastosowań z ciągłym zginaniem.
• Kable koncentryczne z żyłami o jednym kierunku skrętu (unilay) mają co najmniej jedną warstwę żył ułożonych helikalnie ze skrętem w tym samym kierunku i zwiększającym się skoku skrętu w każdej kolejnej warstwie. Kable te są odpowiednie do zastosowań ze skrętem i ciągłym zginaniem.

Ilustracja 3: kable z żyłami o jednym kierunku skrętu (unilay) są odpowiednie do zastosowań stacjonarnych, kable koncentryczne kontrahelikalne są odpowiednie do zastosowań ze zginaniem ciągłym, natomiast kable z żyłami o jednym kierunku skrętu (unilay) koncentryczne są odpowiednie do zastosowań ze skrętem i ciągłym zginaniem. (Źródło ilustracji: Lapp)

Kable do ciągłego zginania

Kable do ciągłego zginania firmy Lapp mają napięcie znamionowe 600V i zakres temperatur znamionowych od -5°C do +90°C (od -40°C do +90°C w zastosowaniach stacjonarnych). Nieekranowane kable ÖLFLEX FD 890 są dostępne w rozmiarach od 20AWG do 2AWG, natomiast kable ekranowane są dostępne w rozmiarach od 20AWG do 6AWG. Ekranowane kable ÖLFLEX FD 890 CY posiadają plecionkę z cynowanej miedzi, która zapewnia 85% pokrycia i jest zalecana, gdy wymagane jest tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). (Ilustracja 4).

Ilustracja 4: firma Lapp oferuje nieekranowane kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890 (u góry) oraz ekranowane kable do ciągłego zginania ÖLFLEX FD 890 CY (u dołu). (Źródło ilustracji: Lapp)

Przykłady nieekranowanych kabli ÖLFLEX FD 890:

• 8920034, trzyżyłowy kabel 20AWG o średnicy zewnętrznej 6,7mm, z miedzią o masie 10lbs/mft i o masie całkowitej około 43lbs/mft
• 8920044, czterożyłowy kabel 20AWG o średnicy zewnętrznej 7,4mm, z miedzią o masie 16lbs/mft i o masie całkowitej 53lb/mft

Przykłady ekranowanych kabli ÖLFLEX FD 890 CY:

• 8918034S, trzyżyłowy kabel 18AWG o średnicy zewnętrznej 9,5mm, z miedzią o masie 40lbs/mft i o masie całkowitej 91lb/mft
• 8914044S, czterożyłowy kabel 14AWG o średnicy zewnętrznej 14,0mm, z miedzią o masie 103lbs/mft i o masie całkowitej około 181lb/mft
• 8912044S, czterożyłowy kabel 12AWG o średnicy zewnętrznej 16,5mm, z miedzią o masie 160lb/mft i o masie całkowitej około 302lb/mft

Dławiki kablowe

Dławiki kablowe służą do wprowadzania kabli do obudów. Bezpiecznie uszczelniają one kabel i obudowę oraz zapewniają odciążenie kabla. Chronią one również wnętrze obudowy przed kurzem, wilgocią i innymi zanieczyszczeniami oraz zapewniają solidność i niezawodność montażu. Dławiki kablowe Lapp zostały zaprojektowane i przebadane zgodnie z normą DIN EN 62444. Przykłady dławików kablowych oferowanych przez firmę Lapp (ilustracja 5):

• Mosiężne dławiki kablowe SKINTOP MS-SC ze stykami ekranowymi o niskiej rezystancji oraz wysokoprzewodzącym, elastycznym stykiem zapewniającym kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) 53112920
• Poliamidowe dławiki kablowe SKINTOP SL/SLR, na przykład 53015200 - trwałe, cieczoszczelne i łatwe w montażu dławiki kablowe odciążające kable do stosowania, gdy nie jest wymagana kontrola zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)

Ilustracja 5: firma Lapp oferuje mosiężne dławiki kablowe służące nie tylko do zapewnienia szczelności przed czynnikami środowiskowymi i odciążenia kabla, ale też do eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) (po lewej i pośrodku) oraz poliamidowe dławiki kablowe (po prawej) do zastosowań, które nie wymagają eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). (Źródło ilustracji: Lapp)

Podsumowanie

Kable do ciągłego zginania mogą być stosowane w instalacjach przemysłowych, np. do operacji montażu, w przenośnikach, urządzeniach do montażu maszynowego oraz w przetwórstwie żywności i napojów. Kable ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY firmy Lapp spełniają, a nawet przewyższają wymagania branżowe w zakresie odporności na oleje i ogniotrwałości oraz ochrony mechanicznej, a ich wytrzymałość znamionowa wynosi do 8 milionów cykli zginania. Są one dostępne w szerokiej gamie rozmiarów z ekranowaniem i bez. Mogą być używane razem z dławikami kablowymi tej samej firmy, tworząc rozwiązania odporne na warunki środowiskowe.