Vorteile der Verwendung von dauerhaft flexiblen Steuerkabeln in industriellen Anwendungen

Eine robuste Verbindung, die durch flexible mehradrige Steuerkabel unterstützt wird, ist erforderlich, um den zuverlässigen Betrieb von Industrieanlagen, wie z. B. Montageanlagen, Fördersystemen, Bestückungsautomaten sowie Anlagen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, zu gewährleisten. Die Auswahl und Spezifikation von Steuerkabeln mag einfach erscheinen, ist aber ein komplizierter Prozess, bei dem zahlreiche Anwendungsanforderungen und Industrienormen zu berücksichtigen sind.

Zu den Industriestandards gehören die UL-Ölbeständigkeitsstufen I und II sowie der vertikale Flammtest nach UL 1581 für die Feuerbeständigkeit; das Kabel muss mechanischen Schutz gemäß UL 1277 (Schlag- und Quetschprüfungen) bieten und über 8 Millionen Biegezyklen bei Betriebstemperaturen von -40°C bis +90°C standhalten. Nur ein Kabel mit feindrähtigen Kupferleitern in einem speziell formulierten PVC-Mantel, der für raue Umgebungen geeignet ist, wird diesen Anforderungen gerecht. Für Anwendungen, bei denen elektromagnetische Störungen (EMI) unterdrückt werden müssen, sind geschirmte Kabel erhältlich.

In diesem Artikel werden die Vorteile von hochflexiblen Kabeln und die Anwendungen, die sich am besten für den Einsatz dieser Kabel eignen, im Zusammenhang mit den Industrienormen für Ölbeständigkeit, Flammenbeständigkeit und mechanischen Schutz erläutert. Es folgt ein Überblick über die Bewegungsarten in industriellen Anwendungen, Flexkabel-Klassen und Konstruktionsoptionen, und es wird untersucht, wo die Mehrleiterkabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp verwendet werden. Abschließend werden Beispiele für geschirmte und ungeschirmte Flexkabel von Lapp vorgestellt und der Einsatz von Kabelverschraubungen in Standard- und EMI-sensitiven Anwendungen besprochen.

Ölbeständigkeit

Öl wird als Schmier- oder Kühlmittel in verschiedenen Industriemaschinen verwendet, und sein Vorhandensein kann den Betrieb und die Lebensdauer von flexiblen Kabeln erheblich beeinträchtigen. Nicht alle für Industriekabel verwendeten Isoliermaterialien reagieren in Gegenwart von Öl gleich. Die Formulierung des Materials ist ein entscheidender Faktor für ihre Reaktion. Ein entscheidender Faktor bei Isolationsmaterialien ist das Vorhandensein von Weichmachern, die die Flexibilität unterstützen und die Ermüdungsfestigkeit erhöhen.

Je nach Isolationsmaterial wird das Öl aufgesaugt, oder der Weichmacher wird ausgelaugt. In beiden Fällen können die Zugeigenschaften der Isolierung, wie die Flexibilität, erheblich beeinträchtigt werden. Der Prozess sieht folgendermaßen aus (Abbildung 1):

• Wenn Öle mit Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyolefin-Isolierungen in Berührung kommen, reagieren sie mit den Weichmachern.
• Handelt es sich bei dem Isoliermaterial um ein Polyolefin, wird das Öl absorbiert, was zu einer Quellung und Schwächung der Isolierung führt.
• Handelt es sich bei dem Isoliermaterial um PVC, kann das Öl den Weichmacher auslaugen und zu einer Verhärtung der Isolierung führen.

Abbildung 1: Wenn Öl mit der Kabelisolierung in Berührung kommt (links), kann es dazu führen, dass Polyolefine aufquellen und schwächer werden (Mitte), und es kann dazu führen, dass PVC einen Teil des Weichmachers verliert und das Kabel aushärtet (rechts). (Bildquelle: Lapp)

Kabel, die wie das ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp in Dauerflexanwendungen eingesetzt werden, müssen zwei Stufen der UL-Ölbeständigkeitsprüfung erfüllen:

• Bei Stufe I wird das Kabel vier Tage lang bei 100 °C in Öl eingelegt. Das Kabel muss 50 % seiner ungealterten Zugfestigkeit und 50 % seiner ungealterten Dehnungsfähigkeit beibehalten.
• Bei Stufe II wird das Kabel 60 Tage lang bei 75 °C in Öl eingelegt. Das Kabel muss 65 % seiner ungealterten Zugfestigkeit und 65 % seiner ungealterten Dehnungsfähigkeit beibehalten.

Flammfestigkeit

Lapp definiert sieben Stufen der Flammfestigkeit, FR-00 bis FR-06. FR-00 bezeichnet ein Kabel, das sich leicht entzündet und brennt. Am anderen Ende des Spektrums kennzeichnet FR-06 Kabel mit hoher Flammenbeständigkeit. Die Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY sind FR-02-eingestuft und wurden mit dem vertikalen Flammentest UL VW-1 (UL 1581) getestet.

Bei diesem Versuch ermöglicht ein Tirrill-Bandbrenner die Steuerung der Luft- und Gasströme. Eine bestimmte Flamme wird 15 Sekunden lang auf die Probe gerichtet und dann entfernt. Die Flamme wird nach 15 Sekunden oder wenn die Probe aufhört zu flammen, erneut eingeschaltet, je nachdem, was länger dauert. Der Test besteht aus fünf 15-sekündigen Flammenanwendungen. Um den Test zu bestehen, darf die Probe weder eine Flamme noch glühende Partikel abgeben, und die Watte am Boden des Brenners darf sich nicht entzünden. IEC 60332-1 ist das Gegenstück zu UL VW-1, und die Flammeneinwirkungszeit variiert je nach Kabeldurchmesser.

Mechanischer Schutz

Die Anforderungen an den mechanischen Schutz sind sehr unterschiedlich. In einigen Fällen müssen die Kabel Unfälle überstehen, z. B. wenn sie von herabfallenden Gegenständen getroffen oder von einem Gabelstapler oder einem anderen Fahrzeug überfahren werden. Es gibt eine Reihe von Aufprall- und Quetschprüfungen für unterschiedliche Schutzniveaus. Die Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY sind gemäß UL 1277 (Schlag- und Quetschprüfungen, Tabelle 1) als MP-02 eingestuft.

Tabelle 1: Die Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp haben eine mechanische Schutzklasse von MP-02. (Quelle der Tabelle: Lapp)

Art der Bewegung

Es gibt drei grundlegende Arten von Bewegungen in industriellen Systemen (Abbildung 2):

• Flexible Kabel werden in nicht-automatisierten Anwendungen eingesetzt, die zufälligen Bewegungen ausgesetzt sind. Typische Anwendungen sind Werkzeugmaschinen und tragbare Geräte.
• Dauerbiegekabel sind in automatisierten Systemen einer konstanten linearen Bewegung ausgesetzt und erfahren während des Biegens kontinuierliche Kräfte. Zu den Anwendungen gehören horizontale und vertikale C-Schienen, Schleppketten, Energieketten, automatisierte Fertigung usw. Sie können sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als fünf Metern pro Sekunde hin und her bewegen und Kräfte erfahren, die größer sind als das Fünffache der Erdbeschleunigung.
• Torsionskabel werden in drei Dimensionen auf Biegung und Verdrehung beansprucht. Zu den üblichen Anwendungen gehören Industrieroboter, Bestückungsautomaten und automatisierte Fertigung.

Abbildung 2: Die drei häufigsten Bewegungsarten, die in industriellen Systemen vorkommen, sind willkürliche Biegung (links), kontinuierliche Biegung (Mitte) und Torsion (rechts). (Bildquelle: Lapp)

Beim Vergleich von flexiblen Kabeln müssen mehrere Variablen berücksichtigt werden, darunter Biegeradius, Entfernung, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Gewicht. Die Kabelspezifikationen müssen an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden. Die Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp haben eine Dauerbiegefestigkeit von CF-02 und können bis zu 8 Millionen Biegezyklen bewältigen (Tabelle 2). Ihr minimaler Biegeradius beträgt das 7,5-fache des Kabeldurchmessers bei ungeschirmten Kabeln und das Zehnfache des Kabeldurchmessers bei geschirmten Kabeln. Die Familie ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY umfasst eine Vielzahl von Kabeldesigns mit unterschiedlicher Anzahl von Leitern, verschiedenen Durchmessern und unterschiedlichen Gewichten, um eine Reihe von Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Tabelle 2: Die Kabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp sind mit CF-02 für mäßige Dauerbiegung eingestuft. (Quelle der Tabelle: Lapp)

Kabelklassen und Kabelkonstruktion

Industriekabel werden im Allgemeinen nach der Querschnittsfläche der Drähte und nicht nach dem Durchmesser angegeben. Die Querschnittsfläche ist eine wertvolle Kennzahl, da sie direkt proportional zur Stärke und zum Gewicht eines Drahtes und umgekehrt proportional zu seinem Widerstand ist. Sie bezieht sich auch auf die maximale Strombelastbarkeit. Aber sie hat ihre Grenzen.

Manche Kupferarten haben einen höheren Widerstand als andere. Die Querschnittsfläche kann nur dann zum Vergleich herangezogen werden, wenn die untersuchten Drähte die gleiche Kupfersorte verwenden. Die VDE 0295 / IEC 60228 geht auf diese Herausforderungen ein, indem sie Drähte nach ihrem Widerstand und nicht nach ihren physikalischen Abmessungen kategorisiert.

Zusätzlich zu den Eigenschaften der einzelnen Drähte werden Industriekabel durch die Anzahl und Größe der Leiter und die Anzahl der Drahtlitzen in jedem Leiter definiert. VDE 0295 definiert mehrere Klassen von Leitern auf der Grundlage von Flexibilität und Temperaturbeständigkeit, einschließlich:

• Klasse 1 sind solide Leiter.
• Klasse 2 sind Litzenleiter für die feste Installation.
• Klasse 5 verwendet feinen Litzen für flexible Leiter.
• Klasse 6 verwendet superfeine Litzen für sehr flexible Leiter. Die Leiter der Kabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp übertreffen die Anforderungen der Klasse 6.

Industriekabel werden nicht nur durch ihre Flexibilität aufgrund der Litzen definiert, sondern auch durch ihren Aufbau. Die drei häufigsten Strukturen dieser Kabel sind (Abbildung 3):

• Unilay- oder Bündelleiter sind mit gleicher Lagenrichtung und Lagenlänge miteinander verdrillt. Diese Kabel sind für stationäre Anwendungen geeignet.
• Konzentrische kontra-helikale Leiter bestehen aus klar definierten Lagen aus spiralförmig verlegten Leitern. Jede Lage hat eine umgekehrte Lagenrichtung und eine zunehmende Lagenlänge. Diese Kabel sind für kontinuierlich flexible Designs geeignet.
• Konzentrische Unilay-Leiter sind von einer oder mehreren Lagen spiralförmig verlegter Leiter mit gleicher Lagenrichtung und zunehmender Lagenlänge in jeder nachfolgenden Lage umgeben. Diese Kabel sind für Torsion und kontinuierliche Biegeanwendungen geeignet.

Abbildung 3: Unilay- oder Bündelkabel eignen sich für stationäre Anwendungen, konzentrische kontra-helikale Kabel für Dauerbiegeanwendungen und konzentrische Unilay-Kabel für Torsions- oder Dauerbiegeanwendungen. (Bildquelle: Lapp)

Kontinuierlich flexible Kabel

Die Dauerflexkabel von Lapp sind für 600 V und Temperaturen von -5°C bis +90°C (-40°C bis +90°C für stationäre Anwendungen) ausgelegt. Die ungeschirmten Kabel ÖLFLEX FD 890 sind in den Größen von 20 AWG bis 2 AWG und geschirmte Kabel in den Größen von 20 AWG bis 6 AWG erhältlich. Die abgeschirmten Kabel ÖLFLEX FD 890 CY haben ein verzinntes Kupfergeflecht, das eine Abdeckung von 85 % bietet und empfohlen wird, wenn eine EMI-Unterdrückung erforderlich ist. (Abbildung 4).

Abbildung 4: Lapp bietet die ungeschirmten Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890 (oben) und die geschirmten Dauerflexkabel ÖLFLEX FD 890 CY (unten) an. (Bildquelle: Lapp)

Beispiele für ungeschirmte Kabel ÖLFLEX FD 890 sind:

• 8920034, ein dreiadriges 20AWG-Kabel mit einem Außendurchmesser von 6,7 mm, einem Kupfergewicht von 10 Pfund pro tausend Fuß (lbs/mft) und einem Gesamtgewicht von etwa 43 lbs/mft
• 8920044, ein vieradriges 20AWG-Kabel mit einem Außendurchmesser von 7,4 mm, einem Kupfergewicht von 16 lbs/mft und einem Gesamtgewicht von etwa 53 lbs/mft

Beispiele für geschirmte Kabel ÖLFLEX FD 890 CY sind:

• 8918034S, ein dreiadriges 18AWG-Kabel mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, einem Kupfergewicht von 40 lbs/mft und einem Gesamtgewicht von etwa 91 lbs/mft
• 8914044S, ein vieradriges 14AWG-Kabel mit einem Außendurchmesser von 14,0 mm, einem Kupfergewicht von 103 lbs/mft und einem Gesamtgewicht von etwa 181 lbs/mft
• 8912044S, ein vieradriges 12AWG-Kabel mit einem Außendurchmesser von 16,5 mm, einem Kupfergewicht von 160 lbs/mft und einem Gesamtgewicht von etwa 302 lbs/mft

Kabelverschraubungen

Kabelverschraubungen werden zum Einführen von Kabeln in Gehäuse verwendet. Sie dichten das Kabel und das Gehäuse sicher ab und bieten eine Zugentlastung für das Kabel. Außerdem schützen sie das Gehäuse im Inneren vor Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen und sorgen für eine robuste und zuverlässige Montage. Die Kabelverschraubungen von Lapp sind nach DIN EN 62444 ausgelegt und geprüft. Beispiele für die von Lapp angebotenen Kabelverschraubungen sind die folgenden (Abbildung 5):

• Messing-Kabelverschraubungen SKINTOP MS-SC mit niederohmigem Schirmkontakt und hochleitfähigem, flexiblem EMV-Kontakt, wie die 53112920
• Polyamid-Kabelverschraubungen SKINTOP SL/SLR wie die 53015200 - langlebige, flüssigkeitsdichte, einfach zu montierende Zugentlastungskabelverschraubungen, wenn keine EMV-Kontrolle erforderlich ist

Abbildung 5: Lapp bietet Kabelverschraubungen aus Messing für die EMI-Kontrolle zusätzlich zur Umweltabdichtung und Zugentlastung (links und Mitte) und Kabelverschraubungen aus Polyamid (rechts) für Anwendungen, die keine EMI-Kontrolle erfordern. (Bildquelle: Lapp)

Zusammenfassung

Dauerflexkabel unterstützen industrielle Systeme wie Montageanlagen, Förderbänder, Bestückungsanlagen sowie Anlagen in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung. Die Kabel ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY von Lapp erfüllen oder übertreffen die Anforderungen der Industrie an Öl- und Flammenbeständigkeit und mechanischen Schutz und sind für bis zu 8 Millionen Biegezyklen ausgelegt. Sie sind in einer Vielzahl von Größen, mit und ohne Abschirmung erhältlich und können zusammen mit den Kabelverschraubungen des Unternehmens verwendet werden, um gegen Umwelteinflüsse geschützte und robuste Lösungen zu bieten.