הבנת כבלים גמישים רבי-מוליכים עבור יישומים תעשייתיים

כבלים רבי-מוליכים המשמשים עבור הספקת-כוח ובקרה ביישומים כגון אוטומציה תעשייתית, מכונות כבדות, רובוטים וייצור חשמל נתונים לכיפוף ופיתול מתמידים, שינויי טמפרטורה גדולים וחשיפה לשמנים, מים וכימיקלים תעשייתיים. תנאים אלה עלולים להוביל לקיצור חיי הכבל, פעולה לא אמינה ופגיעה בבטיחות. תקינות אותות גם היא מהווה בעיה, ולכן כבלים עשויים לדרוש מיגון כדי למזער הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

מתכנני מערכות עבור יישומים אלה חייבים להיות בקיאים היטב בחומרים היכולים לעמוד בתנאים הקשיים של סביבות תעשייתיות ולהבין את הניואנסים של פרישת ומיקום המוליכים. עליהם גם להבטיח עמידה בתקנים בינלאומיים הקשורים ליכולת סביבתית ובטיחות.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של דרישות הכבלים של יישומים תעשייתיים. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות לכבלים סופר-גמישים וגמישים לאורך-זמן של LAPP‏ ומראה כיצד החומר והמבנה המיוחדים שלהם מאפשרים למתכננים לעמוד במפרטים אלה.

תנועה תעשייתית

מפעלים אוטומטיים נמצאים בתנועה מתמדת. זרועות רובוטיות נפתחות, מסתובבות ונסוגות; ותחנות עיבוד מסתובבות וממקמות מוצרים לצורך עיבוד שבבי ופעולות ליקוט-והשמה, בעוד שמכונות כלי עבודה מסתובבות ומניעות את ראשי הכלים (איור 1).

איור 1: מכונות אוטומטיות דורשות כבלים אמינים היכולים להתכופף ולהתפתל לאורך מיליוני מחזורים. (מקור התמונה: LAPP)

יישומים אלה, כמו גם אלו של מנופים, טורבינות רוח וכלי רכב כבדים, כולם דורשים כבלים גמישים היכולים לעמוד במיליוני מחזורי כיפוף ופיתול. תנועות טיפוסיות של כבל כוללות כיפוף רציף, כיפוף פיתול וכיפוף עם הטיה (איור 2).

איור 2: תנועות הכיפוף הטיפוסיות אליהן נחשפים כבלים כוללות תנועות רציפות, פיתוליות ועם הטיה. (מקור התמונה: LAPP)

כבל המתגלגל קדימה ואחורה בתנועה ליניארית, בדרך כלל במסילת כבלים, גורם לכיפוף רציף. כיפוף פיתולי הנפוץ במכונות רובוטיות נובע מפיתול כבל לאורכו, עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון, בתחום של 90° עד 360°. כיפוף עם הטיה, המכונה גם כיפוף טיק-טוק בשל הדמיון שלו לתנועת מטוטלת, נובע מכיפוף של כבל קדימה ואחורה סביב נקודה נייחת. בכל המקרים הללו, המאמץ הגבוה ביותר מתרחש בנקודת הכיפוף הנייחת ובנקודת המונעת.

הבנת האופן שבו כבלים מתוכננים להתמודד עם סוג מסוים של כיפוף היא קריטית להבטחת אמינות וחיי פעולה ארוכים.

כבל גמיש

גמישות הכבל היא פונקציה של המבנה הפנימי שלו. זה מתחיל עם מוליך חוט המוקף בבידוד. המוליך הנפוץ ביותר בשימוש הוא נחושת, ואחריו אפשרויות אלומיניום וכסף. הבידוד נבחר מתוך מגוון של תרמופלסטיים או אלסטומרים ומיושם באמצעות שיחול.

באופן כללי, גמישות גדולה יותר של כבלים מושגת על ידי שימוש במספר חוטים קטנים יותר. מכיוון שהתנגדות הכבל היא פונקציה של שטח החתך של החוט, יש להשתמש במספר חוטים קטנים יותר כדי לשמור על ההתנגדות הטורית של הכבל. תקן DIN VDE 0295/IEC 602258‏ מגדיר מספר סוגי גמישות עבור כבלים תעשייתיים (איור 3).

איור 3: קטגוריות DIN VDE 0295/IEC 602258 עבור מבני כבלים גמישים הן בין חוט מוצק עבור יישומים קבועים ועד חוט דק-ביותר עבור התקנות גמישות-ביותר. (מקור התמונה: LAPP)

מוליכים Class 1‏ משתמשים בחוט מוצק, העשוי בדרך כלל מנחושת. הם מיועדים עבור התקנה בבניינים שבהם נדרש כבל קבוע, חזק וקשיח.

מוליכים Class 2‏ מכילים מספר חוטים עם קוטר קטן יותר. סוג כבלים זה מציע גמישות רבה יותר אך עדיין מיועד עבור התקנות קבועות ביישומים העשויים לדרוש כיפוף, סלסול או תנועה אקראית, כגון בעת המיקום והניתוב הראשוניים.

מוליכים גמישים Class 5‏ משתמשים בחוטים עדינים יותר כדי לייצר כבלים עם גמישות רבה יותר. כבלים אלה משמשים בכבלים חשמליים עבור כלי עבודה חשמליים ניידים, כבלי הארכה ויישומים אחרים שבהם הגמישות היא שימושית אך אינה נדרשת שוב ושוב.

מוליכים אקסטרה-גמישים Class 6‏ משתמשים בחוטים עדינים עוד יותר. סוג מוליך זה משמש עבור כבלים המותקנים בציוד חשמלי נייד כגון רובוטיקה ומכונות תעשייתיות, כמו גם באזורים בהם הכבלים נתונים לתנועה או פיתול תכופים.

החוטים בכבלים רבי-חוטים מפותלים או מונחים כדי להשיג חתך רוחב עגול, למזער את הקוטר ולשפר את הגמישות (איור 4).

איור 4: מוצגות פרישות כבלים נפוצות להפחתת הקוטר, להבטחת חתך רוחב עגול ולהגברת הגמישות. (מקור התמונה: LAPP)

כבלי Bunch-lay‏ מכילים מספר כלשהו של חוטים בתבנית רנדומלית המפותלים יחדיו באותו הכיוון. למבנה אגד לא תהיה תצורה גיאומטרית מוגדרת היטב וייתכן שיהיה לו חתך רוחב משתנה. למבני Unilay‏ הקשורים תהיה גיאומטריה וחתך-רוחב מוגדרים היטב.

כבלי Unilay‏ קונצנטרי משתמשים בחוט ליבה המוקף בשכבות מוגדרות היטב של מוליכים המונחים הליקלית. לכל שכבה קונצנטרית יש כיוון הנחה הפוך. הודות לפיתול, אורך השכבה בכל נדבך עוקב גדל. כבלים מונחים-קונצנטרית משמשים ביישומי כיפופים מתמידים.

מוליכים ב-Unilay‏ קונצנטרי מקיפים ליבת חוט יחיד בשכבה אחת או יותר של מוליכים המונחים הליקלית. שכבות עוקבות מעוטפות באותו כיוון פרישה ומגדילות את אורך הפרישה בכל נדבך עוקב. פרישת כבל זו משמשת בדרך כלל בתכנים הדורשים כיפוף פיתולי ורציף.

מבנה הכבל

כבל מורכב מכמה חוטים המוקפים בשכבות של חומרי סיכה ובידוד. הבידוד הנפוץ ביותר הוא פוליוויניל כלוריד (PVC). מספר חוטים מונחים וסגורים בשכבות מגן, היוצרות את הכבל. לדוגמה, כבלי הבקרה עבור כיפופים מתמידים ÖLFLEX FD 890‏ ו-FD 890 CY של LAPP‏ (איור 5) משתמשים במספר מוליכי נחושת עם בידוד PVC עם נוסחה מיוחדת.

איור 5: מבנה הכבלים הגמישים המסוככים ולא-מסוככים כולל מוליכי נחושת עם בידוד PVC. (מקור התמונה: LAPP)

הכבלים ממשפחת FD 890 (איור 5, למעלה) כוללים 3 עד 50 חוטים וגודלי חוט של AWG‏ 20‏ עד AWG‏ 2‏, בעוד שהכבלים ממשפחת FD 890 CY (איור 5, למטה) כוללים 3 עד 34 חוטים, עם גודלי חוט של AWG‏ 20‏ עד AWG‏ 6‏. המבנים שלהם דומים, למעט תוספת מקלעת הסיכוך.

כבלי סדרה FD 890 CY כוללים מקלעת נחושת מצופה בדיל עבור יישומים הדורשים סיכוך EMI. כבלים מסוככים נחוצים באזורים כמו רצפת מפעל, שבהם יש בדרך כלל ריכוז גבוה יותר של כבלי הספקת-כוח ובקרה אקטיביים בחללים מוגבלים. לכבלים המסוככים יש מבנה ליבה דומה לזה של הכבלים הלא-מסוככים, עם מעטה PVC פנימי נוסף מתחת למקלעת כדי לבודד אותו מהחוטים שבליבה. בשל השכבות הנוספות, קוטר הכבל גדול יותר מקוטר כבל לא-מסוכך דומה. למעטה החיצוני יש את אותם מאפיינים כמו לכבל הלא-מסוכך.

דוגמה לסדרה ÖLFLEX FD 890 הוא כבל ארבע-מוליכים לא-מסוכך 8920044‏ עם חוטי AWG‏ 20‏; המפרט המטרי האקוויוולנטי הוא עם שטח חתך-רוחב מוליך של 0.5 מ"מ^2‏. קוטר הכבל המורכב הוא 7.4 מ"מ. דוגמה למשפחת ÖLFLEX FD 890 CY המסוככים הוא כבל ארבעה-מוליכים 8914044S‏ עם חוטי AWG‏ 14‏. לכבל זה יש שטח חתך-רוחב מוליך של 2.5 מ"מ^2‏, וקוטר כבל של 14 מ"מ. מקלעת הסיכוך מספקת כיסוי של 85% מפני השטח של חוט הליבה.

שתי משפחות הכבלים עולות על תקן הגמישות Class 6. הם בדירוג להתמודד עם מתחי פעולה של עד 600 וולט ועוברים בדיקות פריצה עד 2,000 וולט. מפרט הטמפרטורה עבור שתי סדרות הכבלים תלוי ביישום. לדוגמה, הוא בין C‏°‏5‏- עד C‏°‏90‏+ עבור יישומים הדורשים כיפוף רציף ו-25°C- עד 90°C+‏ עבור שימוש נייח.

רדיוס הכיפוף המינימלי הוא ספרת האיכות (FOM‏) עבור גמישות הכבל. הוא נותן את רדיוס הכיפוף הקטן ביותר שהכבל יכול לעמוד בו ללא נזק, והוא מבוטא בדרך כלל בכפולות של קוטר הכבל (D) (איור 6).

איור 6: רדיוס הכיפוף המינימלי מוגדר במונחים של כפולות של קוטר הכבל (D). (מקור התמונה: LAPP‏)

לכבל המוצג באיור 6 יש רדיוס כיפוף מינימלי של פי שלושה מקוטר הכבל. כבלי FD 890 יש רדיוס כיפוף של פי 7.5 מקוטר כבל. בשל שכבות המעטה הפנימ והסיכוך שנוספו, לכבלים המסוככים FD 890 CY יש רדיוס כיפוף מינימלי גדול יותר של פי 10 מהקוטר. לדוגמה, רדיוס הכיפוף המינימלי עבור כבל FD 890 CY בקוטר 14 מ"מ הוא 140 מ"מ.

כבלי FD 890 ו-FD 890 CY מורשים לתקני UL, CSA, CE ו-RoHS עבור תנועה, עיכוב בעירה, חסינות לשמנים וחסינות לאור שמש.

סיכום

הכבלים רבי-מוליכים ÖLFLEX FD 890 ו-FD 890 CY של LAPP‏ מתוכננים עבור כיפופים מתמידים ביישומים הכוללים אוטומציה תעשייתית, מכונות כבדות, רובוטים וייצור חשמל. כבלים אלה משתמשים בחוטי גדיל עדינים ובתרכובות שפותחו במיוחד כדי למטב את חיי הכיפוף ולהעניק חסינות גבוהה לשמנים, מים, נוזלי קירור וממיסים תעשייתיים. קיימת גרסה מסוככת עבור יישומים בהם EMI מהווה שיקול.