1. 引言
随着城市化进程的加快，电力电缆在电力传输和分配中已发挥越来越重要的作用，排管敷设是电缆线路建设的重要形式之一，具有施工简单，成本低，建设周期短，检修方便等优点 [1]。在实际工程应用中，电缆保护管可以保护电缆管免受损伤及方便更换和便于检查，因此电缆保护管在电网建设和改造工程中被广泛使用。电缆保护管种类繁多，性能各异，目前主要有碳素波纹管、PVC-C管、PVC-U管、涂塑钢管、镀锌钢管、玻璃钢管、改性聚丙烯管、低磨擦纤维水泥管和承插式混凝土预制管等 [2]。其中，有机高分子材料的电缆保护管，以其优越的性能、较低的价格，成为电力电缆保护管的重要选择，在电力电缆建设中取得良好的经济和社会效益，其质量好坏对电缆线路建设具有重大意义。
根据标准DL/T802.3-2007 [3] 以及DL/T 802.7-2010 [4] 显示，电缆保护管应具备外观、尺寸检查，维卡软化温度、密度、环刚度和压扁试验等多个项目的检测。在众多技术指标中，维卡软化温度(Vicat Softening Temperature)是指热塑性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被1平方毫米的压针头压入1毫米时的温度，对应的国标是GB/T 8802-2001 [5] 和GB/T 1633-2000 [6]，试验通常需要2到3个小时。维卡软化温度反映材料的耐热性能，维卡软化温度越高，材料受热时的尺寸稳定性越好，受热变形越小。通过检测管材维卡软化温度可以来指导材料的质量控制，确保工程质量与安全。
然而，受到负荷、升温速率、试样质量等多重因素的影响，维卡软化温度的检测结果具有较大的不确定性，影响了电缆保护管的质量评价，对工程管理带来了困扰 [7] [8]。尤其是维卡软化温度试验的试样制作，目前仍大范围采用手工切割或者传统铣床铣削，这导致试样表面粗糙、不平整甚至存在飞边，且试样之间质量参差不齐，影响了试验的准确性。此外，不同电缆保护管直径相差较大，传统切割制样的方法耗时较长，工作量庞大。
因此，为有效提高维卡软化温度试验的高效性和准确性，研制并投入使用电缆保护管维卡软化试验自动制样设备十分必要。
2. 电缆保护管维卡软化试验自动制样设备设计
2.1. 设计要点
维卡软化温度试验的制样对应国标GB/T 8802-2001 [5] 和GB/T 1633-2000 [6]，其中GB/T 8802-2001标准要求试样在壁厚大于6 mm时，采用适宜的加工方法，使壁厚减至2.4~6 mm之间，制备长度约50 mm，宽度10~20 mm的试样；GB/T 1633-2000标准要求试样为厚度在3~6.5 mm，边长10 mm的正方形或圆形，表面平整、平行、无飞边。根据以上标准要求，我们选择4 mm作为样品的统一厚度，选择50 mm *20 mm的长方形以及边长10 mm的正方形作为不同标准的最终样品。
传统的平面加工方式一般为铣削，然而电缆保护管制样要求具有一定厚度，层层铣削的方式尽管加工精度较高，但是加工时间长。考虑到保护管的材料一般为塑料，强度较弱，因此选择铣削平面后利用冲压机将样品一次成型的方式制样。为此，我们将维卡软化试验的试样制作简单分为两个步骤：1) 铣削，使电缆保护管的壁厚达到标准要求；2) 冲压，通过不同模具将铣削后的管材冲压成试验所需的形状。
2.2. 自动制样机设计
2.2.1. 铣削装置设计
铣削装置的结构设计从功能上要实现装置机架、铣刀转动以及移动铣削三大部分(见图1)。其中，装置机架选择钣金焊接而成，结构简单且制造成本低，可以用来安装、固定设备的相关零部件。
Figure 1. Design diagram of milling device
图1. 铣削装置设计示意图
铣刀转动主要由电气控制和主轴组成，通过按动电气控制部分的启停按钮，可以控制主轴的转动和停止。主轴上安装可转位立铣刀刀盘，刀盘直径为50 mm，可以保证平面一次铣削成型，满足国标要求。为保证铣削效果，铣削刀片要求具有一定的强度和韧度，设计选用刀片材质为42CrMo，兼具高钢性与高韧性，可以轻松铣削氯化聚氯乙烯等有机高分子材料的电缆导管。
为完成铣削，要求电缆保护管在铣削过程中保持稳定，并与铣削方向产生相对位移。为此，本文设计了具有安装定位和手动移动两个功能的移动滑板。移动滑板上安装了如图2所示的装夹钳口，用以固定安装截取的电缆保护管。此外，整个移动滑板安装在滚珠丝杆上，可通过转动手轮控制整个滑板前后移动，从而控制铣削进给量。为减少加工时间，设计图示装夹钳口与主轴保持对齐，且高度定位部分与铣刀刀盘高度上相差4 mm，可保证电缆保护管一次铣削成型，壁厚满足国标要求。
该铣削装置结构设计简单，操作便捷，通过电动控制铣刀转动和手动控制滑板移动相结合，可以完成电缆保护管的一次铣削成型，且其壁厚和平面均满足国标要求。
2.2.2. 冲压装置设计
为了从电缆保护管上分离出所需形状和尺寸的样品，我们采用冲压成型的方式。冲压加工的生产效率高、成本低，加工出来的样品重复精度高，规格一致，具有良好的制样效果。设备、模具和板料是冲压加工的三要素。
冲压装置工作原理如图3所示，电动机通过三角带传动，带动飞轮转动，并通过离合器的作用驱动曲轴，连杆和球头螺杆随着曲轴的运动推动滑块体作上、下往复运动。为使在冲压工作中曲轴的转动能稳定、均衡，可以调节制动器的锁紧螺栓，使制动器对轴套夹紧或放松，产生理想的摩擦作用，实现对曲轴的制动。
Figure 3. Schematic diagram of transmission principle
图3. 传动原理示意图
冲压滑块是本机进行冲压工作的重要主体，由连杆、球头螺杆、滑块体、左右导轨和上冲裁模组成。滑块下方的模具压块可以夹紧上冲裁模的模柄。曲轴转动后，通过连杆和球头螺杆推动滑块，在左右导轨精确导向下，滑块进行往复运动，带动安装在滑块上的上冲裁模向下快速运动，配合下冲裁模完成冲压工作。冲裁模主要有50 mm *20 mm长方形以及边长10 mm的正方形两种规格，上下冲裁模采用定位板实现模具的简单定位。根据不同标准要求，实际制样过程中可以更换不同模具，以满不同样品的制作。
冲压装置的整体设计如图4所示，装置机架是本装置的重要组成部分，它包含了手轮、工作台等机械部分，其中工作台上安装了下冲裁模，可以将电缆保护管放置在下冲裁模上。由于冲压过程具有振动，为保证冲压稳定性，需要将电缆保护管进行固定。设计采用压板的方式将保护管紧固在下冲裁模上，手轮旋转可以带动压板压紧电缆保护管，便于后续冲压。装置设计左右两个冲压按钮，两只手同时按下按钮，才能进行冲压工作，极大提高了操作安全性。
3. 维卡软化试验自动制样设备结构与测试
3.1. 制样设备结构
电缆保护管维卡软化试验自动制样设备最终结构如图5所示，主要包括铣削装置和冲压装置两个部分，分别完成铣削平面和冲压制样两道工序。
Figure 4. Structure diagram of stamping device
图4. 冲压装置结构示意图
Figure 5. Development of automatic sample preparation equipment for Vicat softening test: (a) Milling device, (b) Stamping device
图5. 维卡软化试验自动制样设备：(a) 铣削装置；(b) 冲压装置
本文的维卡软化试验自动制样设备制样满足国标GB/T 8802-2001 [5] 和GB/T 1633-2000 [6]，其中铣削装置的主要技术参数如表1所示，冲压装置的主要技术参数如表2所示。
Table 1. Parameters of milling device
表1. 铣削装置技术参数
Table 2. Parameters of stamping device
表2. 冲压装置技术参数
3.2. 制样测试
电缆保护管维卡软化试验自动制样设备研制成功后，我们使用改性聚丙烯(MPP)电缆保护管进行试样制作，其制样结果如图6所示。自动制样设备投入使用前，制作1个试样至少需要1个工时，且制作的试样粗糙，不平整，有毛边，极大地影响了后续维卡软化试验的准确性；使用自动制样设备后，制作1个试样平均不超过6分钟，主要包括：截取电缆保护管时间2分钟；铣削安装2分钟，铣削时间20秒；冲压安装1分钟，冲压时间5秒。单个试样的制造时间减少了90%，且制作的试样表面平整，无明显毛边，具有较高的精度。
Figure 6. Sample preparation of Vicat softening test
图6. 维卡软化试验试样制作
经验证，该电缆保护管维卡软化试验自动制样设备能够快速高效进行制样，大幅提高了制样效率，简单便捷。目前，该设备已经正式投入工程应用，为电网物资质量检测做出了一定贡献。
4. 结论
为了提高样品制作的效率和精度，提高维卡软化温度的检测质量，本文研制了一种电缆保护管维卡软化试验自动制样设备。该设备由铣削装置与冲压装置两部分组成，能够实现维卡软化温度样品的制作，并具有明显优势，主要表现在：
1) 操作便捷。根据国标的制样要求，该设备将维卡软化试验的试样制作简单分为铣削和冲压两个步骤，每个步骤的操作简单，试样制作便捷，具有良好的用户体验。
2) 制样效率高。铣削装置采用平面铣刀一次铣削成型，同时冲压装置可以快速冲裁多个试样，单个试样的平均制作时间不超过6分钟，极大地提高了试样制作效率。
3) 试样精度高。利用自动制样设备制作的试样表面平整，无毛边，具有较高的精度，能有效提高维卡软化温度试验的准确性。