Výhody použití ovládacích kabelů pro nepřetržité ohýbání v průmyslových aplikacích

K zajištění spolehlivého fungování průmyslových provozů, jako jsou montážní závody, zařízení pro osazování, dopravníkové systémy a zpracování potravin a nápojů, je vyžadována robustní konektivita podporovaná ohebnými ovládacími kabely s více jádry. Výběr a specifikace ovládacích kabelů se mohou zdát jednoduché, ale je to komplikovaný proces s mnoha potřebami aplikací a průmyslovými standardy, které je třeba zvážit.

Mezi průmyslové normy patří UL úrovně odolnosti vůči olejům I a II, stejně jako zkouška vertikálního hoření na požární odolnost dle normy UL 1581. Kabel musí poskytovat mechanickou ochranu definovanou v nárazových a tlakových zkouškách dle normy UL 1277 a musí být schopen odolat více než 8 milionům cyklů nepřetržitého ohýbání při provozních teplotách od −40 °C do +90 °C. Ke splnění těchto požadavků je zapotřebí kabel s jemně lanovanými měděnými jádry ve speciálně vytvořeném plášti z PVC vhodném pro náročná prostředí. Pro aplikace, kde je třeba potlačit elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI), jsou k dispozici stíněné kabely.

V tomto článku jsou podrobně popsány výhody vysoce ohebných kabelů a aplikace, které se nejlépe hodí pro použití těchto kabelů v kontextu průmyslových norem pro odolnost vůči olejům, požární odolnost a mechanickou ochranu. Poté je zde pojednáno o typech pohybu, které se vyskytují v průmyslových aplikacích, třídách ohebných kabelů a konstrukčních možnostech a je zde také zkoumáno, na co se hodí kabely s více jádry ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY od společnosti Lapp. Na závěr jsou uvedeny příklady stíněných a nestíněných ohebných kabelů od společnosti Lapp a přehled použití kabelových ucpávek ve standardních aplikacích a aplikacích citlivých na EMI.

Odolnost vůči olejům

Jako mazivo nebo chladivo se v různých průmyslových strojích používá olej a jeho přítomnost může významně ohrozit provoz a životnost ohebných kabelů. Ne všechny izolační materiály používané na průmyslových kabelech reagují v přítomnosti oleje stejně. Faktorem, který dělá rozdíl v reakci, je složení materiálu. Kritickým faktorem v izolačních materiálech je přítomnost změkčovadel, která podporují ohebnost a poskytují odolnost proti únavě.

V závislosti na izolačním materiálu se olej absorbuje, nebo se změkčovadlo vyloučí. V obou případech se mohou tahové vlastnosti izolace, jako je ohebnost, výrazně zhoršit. Postup je následující (obrázek 1):

• Nejprve, když oleje přijdou do styku s polyvinylchloridem (PVC) nebo polyolefinovými izolačními sloučeninami, interagují s plastifikátory.
• Pokud je izolačním materiálem polyolefin, olej se absorbuje, což způsobí bobtnání a zeslabení izolace.
• Pokud je izolačním materiálem PVC, může olej způsobit vyluhování změkčovadla a ztvrdnutí izolace.

Obrázek 1: Když olej přijde do styku s izolací kabelu (vlevo), může způsobit bobtnání a zeslabování polyolefinů (uprostřed) a může také způsobit, že PVC ztratí část změkčovadla a kabel ztvrdne (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Lapp)

Kabely používané v aplikacích s nepřetržitým ohýbáním, jako je model ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY společnosti Lapp, musí splňovat dvě úrovně zkoušek odolnosti vůči olejům UL:

• Na úrovni I se kabel na čtyři dny umístí do oleje při teplotě 100 °C. Kabel si musí zachovat 50 % své pevnosti v tahu v nezměněném stavu a 50 % své schopnosti prodloužení v nezměněném stavu.
• Na úrovni II se kabel na 60 dní umístí do oleje při teplotě 75 °C. Kabel si musí zachovat 65 % své pevnosti v tahu v nezměněném stavu a 65 % své schopnosti prodloužení v nezměněném stavu.

Požární odolnost

Společnost Lapp definuje sedm úrovní požární odolnosti – FR-00 až FR-06. FR-00 označuje kabel, který se snadno vznítí a hoří. Na druhém konci spektra označuje FR-06 kabely s vysokou požární odolností. Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY pro nepřetržité ohýbání jsou klasifikovány jako FR-02 a jsou testovány pomocí zkoušky vertikálního hoření UL VW-1 (UL 1581).

Při této zkoušce umožňuje hořák s páskovou tyčí regulaci proudů vzduchu a plynu. Na vzorek se na 15 sekund přiloží stanovený plamen a poté se odstraní. Plamen se znovu zapálí po 15 sekundách nebo když vzorek přestane hořet, podle toho, co je delší. Zkouška se skládá z pěti 15sekundových přiložení plamene. K tomu, aby vzorek prošel zkouškou, nesmí vydávat plamen ani žhavé částice a chirurgická bavlna na základně hořáku se nesmí vznítit. Norma IEC 60332-1 je obdobou normy UL VW-1 a doba přiložení plamene se liší podle průměru kabelu.

Mechanická ochrana

Požadavky na mechanickou ochranu se značně liší. V některých případech se od kabelů vyžaduje, aby zvládly nehody, jako je zasažení padajícími předměty nebo přejetí vysokozdvižným vozíkem či jiným vozidlem. Existuje celá řada nárazových a tlakových zkoušek pro různé úrovně ochrany. Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY pro nepřetržité ohýbání jsou klasifikovány jako MP-02, jak je definováno v nárazových a tlakových zkouškách normy UL 1277 (tabulka 1).

Tabulka 1: Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY pro nepřetržité ohýbání společnosti Lapp mají stupeň mechanické ochrany MP-02. (Zdroj tabulky: společnost Lapp)

Typ pohybu

V průmyslových systémech existují tři základní typy pohybu (obrázek 2):

• Ohebné kabely se používají v neautomatizovaných aplikacích, kde dochází k náhodnému pohybu. Typické aplikace zahrnují obráběcí stroje a přenosná zařízení.
• Kabely pro nepřetržité ohýbání vykonávají v automatizovaných systémech konstantní lineární pohyb a během ohýbání jsou vystaveny nepřetržitým silám. Aplikace mohou zahrnovat horizontální a vertikální trasy ve tvaru písmene C, vlečné řetězy, energetické řetězy, automatizované sestavy atd. Mohou se pohybovat tam a zpět rychlostí vyšší než pět metrů za sekundu a mohou na ně působit síly větší než pětinásobek gravitačního zrychlení.
• Torzní kabely jsou vystaveny ohýbání a kroucení ve třech rozměrech. Mezi běžné aplikace patří průmyslové roboty, stroje pro osazování a montážní operace.

Obrázek 2: Tři běžné typy pohybu, se kterými se v průmyslových systémech setkáváme, zahrnují náhodné ohýbání (vlevo), nepřetržité ohýbání (uprostřed) a krut (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Lapp)

Při porovnávání kabelů pro nepřetržité ohýbání je třeba vzít v úvahu několik proměnných, včetně poloměru ohybu, vzdálenosti, zrychlení, rychlosti a hmotnosti. Specifikace kabelu musí být přizpůsobeny specifickým potřebám aplikace. Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY pro nepřetržité ohýbání společnosti Lapp mají klasifikaci nepřetržitého ohybu CF-02 a zvládnou až 8 milionů cyklů ohybu (tabulka 2). Minimální poloměr ohybu je 7,5násobek průměru kabelu u nestíněných kabelů a desetinásobek průměru kabelu u stíněných kabelů. Řada ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY zahrnuje různé konstrukce kabelů s různým počtem jader, různými průměry a různou hmotností, aby vyhovovaly různým potřebám aplikací.

Tabulka 2: Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY společnosti Lapp jsou klasifikovány jako úroveň CF-02 pro střední nepřetržité ohýbání. (Zdroj tabulky: společnost Lapp)

Třídy a konstrukce kabelů

Průmyslové kabely se obecně specifikují podle plochy průřezu vodičů namísto průměru. Plocha průřezu je cenným měřítkem, protože je přímo úměrná pevnosti a hmotnosti vodiče a nepřímo úměrná jeho odporu. Souvisí také s maximální proudovou zatížitelností. Má to ale svá omezení.

Některá měď má vyšší rezistivitu než jiná měď. Plochu průřezu lze ke srovnání použít pouze v případě, že jsou zkoušené vodiče vyrobeny se stejné jakosti mědi. Normy VDE 0295 / IEC 60228 řeší tyto výzvy kategorizací vodičů podle odporu namísto fyzických rozměrů.

Kromě charakteristik jednotlivých vodičů jsou průmyslové kabely definovány počtem a velikostí jader a počtem pramenů vodičů v jednotlivých jádrech. Norma VDE 0295 definuje několik tříd jader založených na ohebnosti a teplotních vlastnostech, včetně následujících tříd:

• Třída 1 jsou pevná jádra.
• Třída 2 jsou lanovaná jádra určená pro pevnou instalaci.
• Třída 5 jsou jemně lanovaná ohebná jádra.
• Třída 6 používá superjemné vodiče pro velmi ohebná jádra. Jádra v kabelech ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY společnosti Lapp překračují požadavky třídy 6.

Kromě toho, že jsou průmyslové kabely definovány ohebností založenou na lanování kabelů, definuje je také jejich konstrukce. Tři nejběžnější struktury těchto kabelů jsou následující (obrázek 3):

• Jednotně vinutá nebo nepravidelně lanovaná jádra jsou stočena dohromady ve stejném směru vinutí a délce vinutí. Tyto kabely jsou vhodné pro stacionární aplikace.
• Koncentrická protišroubovicová jádra se skládají z dobře definovaných vrstev spirálovitě vinutých jader. Každá vrstva má obrácený směr vinutí a rostoucí délku vinutí. Tyto kabely jsou vhodné pro návrhy s nepřetržitým ohýbáním.
• Koncentrická jednotně vinutá jádra jsou obklopena jednou nebo více vrstvami spirálovitě vinutých jader se stejným směrem vinutí a rostoucí délkou vinutí v každé následující vrstvě. Tyto kabely jsou vhodné pro torzní aplikace a aplikace nepřetržitého ohýbání.

Obrázek 3: Jednotně vinuté nebo nepravidelně lanované kabely jsou vhodné pro stacionární aplikace, koncentrické protišroubovicové kabely jsou vhodné pro aplikace s nepřetržitým ohýbáním a koncentrické jednotně vinuté kabely jsou vhodné pro torzní aplikace nebo aplikace s nepřetržitým ohýbáním. (Zdroj obrázku: společnost Lapp)

Kabely pro nepřetržité ohýbání

Kabely společnosti Lapp pro nepřetržité ohýbání jsou dimenzovány na 600 V a teploty od −5 °C do +90 °C (−40 °C až +90 °C pro stacionární aplikace). Nestíněné kabely ÖLFLEX FD 890 jsou k dispozici ve velikostech od 20 AWG do 2 AWG a stíněné kabely jsou k dispozici ve velikostech od 20 AWG do 6 AWG. Stíněné kabely ÖLFLEX FD 890 CY mají celkově pocínované měděné opletení, které poskytuje 85% pokrytí a doporučuje se v případě, že je třeba potlačit EMI (obrázek 4).

Obrázek 4: Společnost Lapp nabízí nestíněné kabely ÖLFLEX FD 890 pro nepřetržité ohýbání (nahoře) a stíněné kabely ÖLFLEX FD 890 CY pro nepřetržité ohýbání (dole). (Zdroj obrázku: společnost Lapp)

Příkladem nestíněných kabelů ÖLFLEX FD 890 jsou následující modely:

• 8920034, tříjádrový kabel 20 AWG s vnějším průměrem 6,7 mm, hmotností mědi 10 liber na tisíc stop (lbs/mft) a celkovou hmotností přibližně 43 lbs/mft
• 8920044, čtyřjádrový kabel 20 AWG s vnějším průměrem 7,4 mm, hmotností mědi 16 lbs/mft a celkovou hmotností přibližně 53 lbs/mft

Příkladem stíněných kabelů ÖLFLEX FD 890 CY jsou následující modely:

• 8918034S, tříjádrový kabel 18 AWG s vnějším průměrem 9,5 mm, hmotností mědi 40 lbs/mft a celkovou hmotností přibližně 91 lbs/mft
• 8914044S, čtyřjádrový kabel 14 AWG s vnějším průměrem 14,0 mm, hmotností mědi 103 lbs/mft a celkovou hmotností přibližně 181 lbs/mft
• 8912044S, čtyřjádrový kabel 12 AWG s vnějším průměrem 16,5 mm, hmotností mědi 160 lbs/mft a celkovou hmotností přibližně 302 lbs/mft

Kabelové ucpávky

Kabelové ucpávky se používají pro zasunutí kabelů do krytů. Bezpečně utěsňují kabel a kryt a poskytují odlehčení kabelu v tahu. Také chrání kryt uvnitř před prachem, vlhkostí a jinými nečistotami a zajišťují robustní a spolehlivou montáž. Kabelové ucpávky společnosti Lapp jsou navrženy a testovány v souladu s normou DIN EN 62444. Příklady kabelových ucpávek z nabídky společnosti Lapp jsou následující (obrázek 5):

• Mosazné kabelové ucpávky SKINTOP MS-SC s nízkoodporovým stínicím a vysoce vodivým, ohebným kontaktem EMC, jako např. model 53112920
• Polyamidové kabelové ucpávky SKINTOP SL/SLR, jako např. model 53015200 – odolné, kapalinotěsné, snadno sestavitelné kabelové ucpávky pro odlehčení tahu, když není potřeba řízení EMI

Obrázek 5: Společnost Lapp nabízí mosazné kabelové ucpávky určené kromě k těsnění a odlehčení tahu také k řízení EMI (vlevo a uprostřed) a polyamidové kabelové ucpávky (vpravo) pro aplikace, které řízení EMI nevyžadují. (Zdroj obrázku: společnost Lapp)

Shrnutí

Kabely pro nepřetržité ohýbání podporují průmyslové systémy, jako jsou montážní operace, zařízení pro osazování, dopravníky a zpracování potravin a nápojů. Kabely ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY společnosti Lapp splňují nebo překračují průmyslové požadavky na odolnost proti oleji, požární odolnost a mechanickou ochranu a jsou dimenzovány na až 8 milionů cyklů ohybu. Jsou k dispozici v široké škále velikostí, se stíněním i bez něj, a společně s kabelovými ucpávkami této společnosti je lze použít k zajištění řešení odolných proti prostředí.