Jatkuvaa taivutusta kestävien ohjauskaapelien käytön edut teollisuussovelluksissa

Kokoonpanolaitosten, kuljetinjärjestelmien, ladontalaitteiden ja elintarvikeprosessoinnin kaltaisten teollisten toimintojen luotettavan toiminnan varmistamiseen tarvitaan robustia yhdistettävyyttä, jota tukevat joustavat monen johtimen ohjauskaapelit. Ohjauskaapeleiden valitseminen ja määrittely saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, mutta se on monimutkainen prosessi, jossa on harkittava lukuisia sovellustarpeita ja alan standardeja.

Alan standardeja ovat mm. UL-öljynkestävyystasot I ja II sekä palonkestävyyden pystysuora liekkitestausmenetelmä UL 1581. Kaapelin pitää tarjota myös UL 1277 -standardissa määriteltyjen isku- ja puristustestien mukainen mekaaninen suojaus, ja sen on kestettävä yli 8 miljoonaa jatkuvaa taivutusta käyttölämpötiloissa −40 °C ... +90 °C. Näiden vaatimusten täyttämiseen tarvitaan kaapeleita, joissa on hienosäikeisiä kuparijohtimia erikoisvalmisteisessa, vaativiin olosuhteisiin sopivassa PVC-vaipassa. Suojattuja kaapeleita on saatavana sovelluksiin, joissa tarvitsee vaimentaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI).

Tässä artikkelissa kerrotaan joustavien kaapeleiden eduista ja käyttökohteista, jotka soveltuvat parhaiten näille kaapeleille huomioiden alan öljynkestävyyttä, liekinkestävyyttä ja mekaanista suojausta koskevat standardit. Sen jälkeen siinä tarkastellaan teollisissa käyttökohteissa esiintyviä liiketyyppejä, joustavien kaapeleiden luokkia ja valmistusvaihtoehtoja sekä luodaan katsaus siihen, miten monijohtimisetLapp ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelit sopivat tähän kuvioon. Lopuksi esitellään muutamia Lappin suojattuja ja suojaamattomia joustavia kaapeleita ja tarkastellaan kaapelitiivisteiden käyttöä tavallisissa ja EMI-herkissä käyttökohteissa.

Öljynkestävyys

Öljyä käytetään voiteluaineena tai jäähdytysnesteenä erilaisissa teollisuuden koneissa, ja sille altistuminen voi merkittävästi vaarantaa joustavan kaapelin toimintaa ja käyttöikää. Kaikki teollisuuskaapeleissa käytetyt eristysmateriaalit eivät reagoi öljyyn samalla tavalla. Materiaalin koostumuksella on merkittävä vaikutus sen reaktiivisuuteen. Pehmitteet ovat kriittinen tekijä eristysmateriaaleissa, sillä ne parantavat kaapelin joustavuutta ja väsymiskestävyyttä.

Öljy voi imeytyä joihinkin eristysmateriaaleihin, tai pehmite voi liueta pois. Kummassakin tapauksessa eristeen vetolujuusominaisuudet, kuten joustavuus, voivat heikentyä merkittävästi. Prosessi on seuraava (kuva 1):

• Ensinnäkin, kun öljyt tulevat kosketuksiin polyvinyylikloridi- (PVC) tai polyolefiini-eristeyhdisteiden kanssa, ne reagoivat pehmitteiden kanssa.
• Jos eristysmateriaali on polyolefiinia, öljy imeytyy siihen, mikä paisuttaa eritystä ja heikentää sitä.
• Jos eristysmateriaalina on PVC, öljy voi liuottaa pehmitettä ja kovettaa eristettä.

Kuva 1: Kun öljy pääsee kosketukseen kaapelieristeen kanssa (vasemmalla), se voi paisuttaa ja heikentää polyolefiineja (keskellä) sekä liuottaa PVC:n pehmitemateriaalia ja siten kovettaa kaapelia (oikealla). (Kuvan lähde: Lapp.)

Jatkuvaa taivuttamista vaativissa käyttökohteissa käytettävien kaapeleiden, kuten Lappin ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY, on täytettävä kaksi UL-öljynkestävyystestauksen tasoa:

• Tasossa I kaapeli asetetaan öljyyn neljäksi päiväksi lämpötilassa 100 °C. Kaapelin pitää säilyttää 50 % vetolujuudestaan uuteen verrattuna ja 50 % venymäkyvystään uuteen verrattuna.
• Tasossa II kaapeli asetetaan öljyyn 60 päiväksi lämpötilassa 75 °C. Kaapelin pitää säilyttää 65 % vetolujuudestaan uuteen verrattuna ja 65 % venymäkyvystään uuteen verrattuna.

Liekinkestävyys

Lapp käyttää seitsemää liekinkestävyystasoa, jotka ovat FR-00–FR-06. FR-00 tarkoittaa kaapelia, joka syttyy ja palaa helposti. FR-06 taas tarkoittaa kaapeleita, joiden liekinkestävyys on korkea. Jatkuvaa taivuttamista kestävät ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelit ovat tasoa FR-02, ja ne testataan käyttäen pystysuoraa liekkitestausmenetelmää UL VW-1 (UL 1581).

Tässä testissä käytetty Tirrill-rivipoltin mahdollistaa ilma- ja kaasuvirtojen hallinnan. Näyte altistetaan määrittelyn mukaiselle liekille 15 sekunnin ajaksi. Liekki sytytetään uudelleen 15 sekunnin kuluttua tai kun näyte on lakannut liekehtimästä riippuen siitä, kumpi näistä ajoista on pidempi. Testi koostuu viidestä 15 sekunnin liekityksestä. Testin läpäisemiseksi näyte ei saa emittoida liekkejä eikä hehkuvia hiukkasia eikä polttimen pohjassa oleva sidevanu saa syttyä. IEC 60332-1 on vastakappale UL VW-1 -standardille, jossa liekitysaika vaihtelee kaapelin halkaisijan mukaan.

Mekaaninen suojaus

Mekaanisen suojauksen vaatimukset vaihtelevat suuresti. Joissakin tapauksissa kaapeleiden pitää kestää putoavien esineiden tai trukin tai muun ajoneuvon yliajon kaltaisia onnettomuuksia. Eri suojaustasoille on useita erilaisia isku- ja puristustestejä. Jatkuvaa taivuttamista kestävät ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelit on luokiteltu UL 1277 -isku- ja puristustesteissä tasolle MP-02 (taulukko 1).

Taulukko 1: Lappin jatkuvaa taivutusta kestävien ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelien mekaaninen suojausluokitus on MP-02. (Taulukon lähde: Lapp.)

Liikkeen tyyppi

Teollisissa järjestelmissä esiintyy kolmea erilaista liikkeen perustyyppiä (kuva 2):

• Joustavia kaapeleita käytetään automatisoimattomissa sovelluksissa, joissa tapahtuu satunnaista liikettä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat työstökoneet ja kannettavat laitteet.
• Jatkuvasti taipuvat kaapelit kokevat jatkuvaa lineaarista liikettä ja jatkuvia taivutusvoimia automatisoiduissa järjestelmissä. Käyttökohteisiin voi kuulua vaaka- ja pystysuuntaisia C-kiskoja, ketjusuojuksia, virtaketjuja, automatisoituja kokoonpanopisteitä jne. Ne voivat liikkua edestakaisin yli viiden metrin sekuntinopeudella ja kokea yli 5 G:n kiihtyvyyksiä.
• Kiertymistä kestävät kaapelit altistuvat taipumiselle ja kiertymiselle kolmessa ulottuvuudessa. Yleisiä käyttökohteita ovat teollisuusrobotit, ladontakoneet ja kokoonpanokäyttö.

Kuva 2: Teollisuusjärjestelmissä esiintyvät kolme yleistä liiketyyppiä ovat satunnainen taivutus (vasemmalla), jatkuva taivutus (keskellä) ja kiertyminen (oikea). (Kuvan lähde: Lapp.)

Jatkuvaa taivutusta kestäviä kaapeleita vertailtaessa on otettava huomioon useita muuttujia, kuten taivutussäde, etäisyys, kiihtyvyys, nopeus ja paino. Kaapelispesifikaation on täytettävä sovelluksen erityistarpeet. Lappin jatkuvaa taivutusta kestävien ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelien jatkuvan taivutuksen luokitus on CF-02, ja ne kestävät jopa 8 miljoonaa taivutuskertaa (taulukko 2). Näissä suojaamattomien kaapeleiden taivutussäde on vähintään 7,5 kertaa kaapelin läpimitta ja suojattujen kaapeleiden 10 kertaa kaapelin läpimitta. ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -tuoteperhe sisältää useita erilaisiin käyttötarpeisiin sopivia kaapelimalleja, joiden johdinten määrä, halkaisija ja paino vaihtelevat.

Taulukko 2: Lappin ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapeleiden luokitus on CF-02 (kohtalainen jatkuva taivutus). (Taulukon lähde: Lapp.)

Kaapeliluokat ja niiden rakenne

Teollisuuskaapelit määritellään yleensä johtojen poikkipinta-alan mukaan eikä läpimitan mukaan. Poikkipinta-ala on erinomainen suure, koska se on suoraan verrannollinen johdon lujuuteen ja painoon sekä käänteisesti verrannollinen sen resistanssiin. Se liittyy myös enimmäisvirtaluokitukseen. Sillä on kuitenkin rajansa.

Joidenkin kuparilaatujen resistiivisyys on korkeampi kuin toisten. Poikkipinta-alaa voidaan käyttää vertailuun vain, jos tarkasteltavissa johdoissa käytetään samaa kuparilaatua. VDE 0295 / IEC 60228 huomioi nämä haasteet luokittelemalla johdot resistanssin mukaan eikä fyysisten mittojen mukaan.

Yksittäisten johtimien ominaisuuksien lisäksi teollisuuskaapelit määritellään johtimien lukumäärän ja koon sekä kunkin johtimen säikeiden määrän mukaan. VDE 0295 määrittelee useita johdinluokkia niiden joustavuus- ja lämpötilaominaisuuksien perusteella, mukaan lukien:

• Luokka 1 sisältää yksilankaiset johtimet.
• Luokka 2 sisältää kiinteään asennukseen tarkoitetut monilankaiset johtimet.
• Luokka 5 sisältää hienosäikeiset taipuisat johtimet.
• Luokassa 6 käytetään erittäin ohuita johtimia erittäin joustavia johtoja varten. Lappin ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -johtimet ylittävät luokan 6 vaatimukset.

Sen lisäksi, että teollisuuskaapelit määritellään kaapelien säikeisiin perustuvan joustavuuden perusteella, ne määritellään myös niiden rakenteen mukaan. Näiden kaapeleiden kolme yleisintä rakennetta ovat (kuva 3):

• Samansuuntaiset eli unilay-johtimet kierretään yhteen samassa kiertosuunnassa ja samalla kiertopituudella. Nämä kaapelit sopivat kiinteisiin käyttökohteisiin.
• Samankeskiset vastakierteiset johtimet koostuvat spiraalimaisesti punottujen johtimien selkeästi erottuvista kerroksista. Kullakin kerroksella on käännetty kiertosuunta ja pidempi kiertopituus. Nämä kaapelit sopivat jatkuvaa taivutusta vaativiin sovelluksiin.
• Samankeskisiä ja samansuuntaisia johtimia ympäröi yksi tai useampia kerros spiraalimaisesti kierrettyjä johtimia, joilla on sama kiertosuunta ja kerroksittain kasvava kiertopituus. Nämä kaapelit sopivat kiertymistä ja jatkuvaa taivutusta vaativiin sovelluksiin.

Kuva 3: Samansuuntaiset kaapelit sopivat kiinteisiin asennuksiin, samankeskiset vastakierteiset kaapelit sopivat jatkuvaa taivutusta vaativiin sovelluksiin ja samankeskiset samansuuntaiset kaapelit sopivat kiertymistä tai jatkuvaa taivutusta vaativiin sovelluksiin. (Kuvan lähde: Lapp.)

Jatkuvaa taivutusta kestävät kaapelit

Lappin jatkuvaa taivutusta kestävien kaapelien mitoitusarvot ovat 600 V ja −5 ... +90 °C −40 ... +90 °C kiinteissä asennuksissa). Suojaamattomia ÖLFLEX FD 890 -kaapeleita on saatavana kokoluokissa 20–2 AWG, ja suojattuja kaapeleita on saatavana kokoluokissa 20–6 AWG. Suojatuissa ÖLFLEX FD 890 CY -kaapeleissa on kauttaaltaan tinattu kuparipunos, joka tarjoaa 85 %:n kattavuuden ja jota suositellaan tarvittaessa sähkömagneettisten häiriöiden vaimentamista. (Kuva 4).

Kuva 4: Lapp tarjoaa suojaamattomia jatkuvaa taivutusta kestäviä ÖLFLEX FD 890 -kaapeleita (ylhäällä) ja suojattuja jatkuvaa taivutusta kestäviä ÖLFLEX FD 890 CY -kaapeleita (alhaalla). (Kuvan lähde: Lapp.)

Esimerkkejä suojaamattomista ÖLFLEX FD 890 -kaapeleista ovat:

• 8920034, 20 AWG:n kolmijohdinkaapeli, jonka ulkohalkaisija on 6,7 mm, kuparipaino 4,5 kg 300 metriä kohti (10 lb/mft) ja kokonaispaino noin 19,5 kg 300 metriä kohti (43 lb/mft).
• 8920044, 20 AWG:n nelijohdinkaapeli, jonka ulkohalkaisija on 7,4 mm, kuparipaino 7,3 kg 300 metriä kohti (16 lb/mft) ja kokonaispaino noin 24 kg 300 metriä kohti (53 lb/mft).

Esimerkkejä suojatuista ÖLFLEX FD 890 CY -kaapeleista ovat:

• 8918034S, 18 AWG:n kolmijohdinkaapeli, jonka ulkohalkaisija on 9,5 mm, kuparipaino 18 kg 300 metriä kohti (40 lb/mft) ja kokonaispaino noin 41 kg 300 metriä kohti (91 lb/mft).
• 8914044S, 14 AWG:n nelijohdinkaapeli, jonka ulkohalkaisija on 14,0 mm, kuparipaino 46,7 kg 300 metriä kohti (103 lb/mft) ja kokonaispaino noin 82 kg 300 metriä kohti (181 lb/mft).
• 8912044S, 12 AWG:n nelijohdinkaapeli, jonka ulkohalkaisija on 16,5 mm, kuparipaino 72,6 kg 300 metriä kohti (160 lb/mft) ja kokonaispaino noin 137 kg 300 metriä kohti (302 lb/mft).

Kaapelitiivisteet

Kaapelitiivisteitä käytetään kaapeleiden viemiseen koteloiden sisälle. Ne tiivistävät kaapelin ja kotelon luotettavasti ja tarjoavat kaapelille vedonpoiston. Ne myös suojaavat kotelon sisustaa pölyltä, kosteudelta ja muilta epäpuhtauksilta sekä varmistavat tukevan ja luotettavan kokoonpanon. Lapp-kaapelitiivisteet on suunniteltu ja testattu DIN EN 62444 -standardin mukaisesti. Esimerkkejä Lappin tarjoamista kaapelitiivisteistä ovat muun muassa (kuva 5):

• SKINTOP MS-SC -messinkikaapelitiivisteet, joissa on alhaisen resistanssin häiriösuojakontakti sekä erittäin johtava ja joustava EMC-kontakti, kuten 53112920
• SKINTOP SL/SLR -polyamidikaapelitiivisteet, kuten 53015200 – kestävät, nestetiiviit, helposti koottavat vedonpoistavat kaapelitiivisteet, kun sähkömagneettisten häiriöiden vaimennusta ei tarvita.

Kuva 5: Lapp tarjoaa messinkisiä kaapelitiivisteitä sähkömagneettisten häiriöiden vaimentamiseen ympäristöolosuhteilta tiivistyksen ja vedonpoiston lisäksi (vasemmalla ja keskellä) sekä polyamidikaapelitiivisteitä (oikealla) sovelluksiin, joissa ei vaadita sähkömagneettisten häiriöiden vaimennusta. (Kuvan lähde: Lapp.)

Yhteenveto

Jatkuvaa taivutusta kestäviä kaapeleita käytetään kokoonpanossa, kuljettimissa, ladontalaitteissa ja elintarvikeprosessoinnin kaltaisissa teollisissa toiminnoissa. Lappin ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY -kaapelit täyttävät tai ylittävät teollisuuden öljyn- ja liekinkestävyyttä sekä mekaanista suojausta koskevat vaatimukset, ja ne on luokiteltu kestämään jopa 8 miljoonaa taivutuskertaa. Niitä on saatavana useassa eri koossa, suojattuina ja suojaamattomina, ja niitä voidaan käyttää ympäristöolosuhteet kestävien ratkaisujen toteuttamiseen yhdessä yrityksen kaapelitiivisteiden kanssa.