Información sobre cables multiconductores flexibles para aplicaciones industriales

Los cables multiconductores utilizados para alimentación y control en aplicaciones como automatización industrial, maquinaria pesada, robots y generación de energía están sometidos a flexión y torsión continuas, grandes variaciones de temperatura y exposición a aceite, agua y productos químicos industriales. Estas condiciones pueden acortar la vida útil de los cables, provocar un funcionamiento poco fiable y comprometer la seguridad. La integridad de la señal también es un problema, por lo que los cables pueden requerir blindaje para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI).

Los diseñadores de sistemas para estas aplicaciones deben conocer bien los materiales que pueden soportar los rigores de los entornos industriales y comprender los matices de la disposición y colocación de los conductores. También deben garantizar el cumplimiento de las normas internacionales relacionadas con la capacidad medioambiental y la seguridad.

Este artículo ofrece un breve resumen de los requisitos de cableado de las aplicaciones industriales. A continuación, se presentan ejemplos de cables superflexibles y de flexión continua de LAPP y se muestra cómo su material y su construcción especializada permiten a los diseñadores cumplir estas especificaciones.

Movimiento industrial

Las fábricas automatizadas están en constante movimiento. Los brazos robóticos se extienden, giran y retiran; y las estaciones de procesamiento giran y posicionan los productos para las operaciones de mecanizado y pick-and-place, mientras que las máquinas herramienta giran y trasladan los cabezales de las herramientas (Figura 1).

Figura 1: Las máquinas automatizadas requieren cables fiables que puedan doblarse y retorcerse durante millones de ciclos. (Fuente de la imagen: LAPP)

Todas estas aplicaciones, así como las de grúas, turbinas eólicas y vehículos pesados, requieren cables flexibles que soporten millones de ciclos de flexión y torsión. Los movimientos típicos de los cables incluyen la flexión continua, la flexión torsional y la flexión por flexión (Figura 2).

Figura 2: Los movimientos de flexión típicos a los que están expuestos los cables incluyen la continua, la torsión y la flexión. (Fuente de la imagen: LAPP)

Un cable que rueda hacia delante y hacia atrás en un movimiento lineal, normalmente en una cadena portacables, provoca una flexión continua. La flexión torsional, habitual en máquinas robotizadas, resulta de retorcer un cable longitudinalmente, en sentido horario o antihorario, en un rango de 90° a 360°. La flexión por torsión, también llamada flexión tic-tac por su similitud con el movimiento de un péndulo, se produce cuando un cable se dobla hacia delante y hacia atrás en torno a un punto fijo. En todos estos casos, la mayor tensión se produce en el punto de flexión estacionario y en el punto impulsado.

Comprender cómo se diseñan los cables para soportar un tipo específico de flexión es fundamental para garantizar la fiabilidad y una larga vida funcional.

Cable flexible

La flexibilidad de un cable depende de su estructura interna. Comienza con un conductor de hilo rodeado de aislamiento. El conductor más utilizado es el cobre, seguido del aluminio y la plata. El aislamiento se selecciona entre una gama de termoplásticos o elastómeros y se aplica por extrusión.

En general, se consigue una mayor flexibilidad del cable utilizando varios hilos más pequeños. Dado que la resistencia de un cable es función de la sección transversal del hilo, deben utilizarse varios hilos más pequeños para mantener la resistencia en serie del cable. La norma DIN VDE 0295/IEC 602258 especifica varias clases de flexibilidad para los cables industriales (figura 3).

Figura 3: Las clases DIN VDE 0295/IEC 602258 para estructuras de cables flexibles van desde el cable sólido para aplicaciones fijas hasta el cable trenzado extrafino para instalaciones extraflexibles. (Fuente de la imagen: LAPP)

Los conductores de clase 1 utilizan hilo sólido, normalmente de cobre. Están pensados para su instalación en edificios donde se necesite un cable fijo, resistente y rígido.

Los conductores de clase 2 contienen múltiples hilos trenzados con un diámetro individual menor. Esta clase de cable ofrece más flexibilidad, pero sigue estando pensada para instalaciones fijas en aplicaciones que pueden requerir doblado, enrollado o movimiento ocasional, como cuando se localizan y se tienden inicialmente.

Los conductores flexibles de clase 5 utilizan hilos más finos para producir cables con mayor flexibilidad. Estos cables se utilizan en cables de línea para herramientas eléctricas portátiles, alargadores y otras aplicaciones en las que la flexibilidad es útil pero no se requiere repetidamente.

Los conductores extraflexibles de clase 6 utilizan hilos aún más finos. Este tipo de conductor se utiliza para cables instalados en equipos eléctricos móviles, como robots y máquinas industriales, así como en zonas donde los cables están sujetos a movimientos o torsiones frecuentes.

Los hilos de los cables multifilares se retuercen o colocan para conseguir una sección transversal circular, minimizar el diámetro y aumentar la flexibilidad (Figura 4).

Figura 4: Se muestran tendidos de cable habituales para reducir el diámetro, garantizar una sección transversal circular y aumentar la flexibilidad. (Fuente de la imagen: LAPP)

Los cables trenzados en haz pueden contener cualquier cantidad de hilos dispuestos aleatoriamente y trenzados juntos en la misma dirección. La construcción de haces no tendrá una configuración geométrica bien definida y podrá tener una sección transversal variable. Las construcciones unilay relacionadas tendrán una geometría y una sección transversal bien definidas.

Los cables de tendido concéntrico utilizan un conductor central rodeado de capas bien definidas de conductores tendidos helicoidalmente. Cada capa concéntrica tiene una dirección de colocación invertida. Debido a la torsión, la longitud del tendido en cada curso sucesivo aumenta. Los cables concéntricos se utilizan en aplicaciones de flexión continua.

Los conductores en una configuración concéntrica unilay rodean un único núcleo de hilo con una o más capas de conductores colocados en forma helicoidal. Las capas sucesivas se envuelven en la misma dirección de colocación y aumentan la longitud de colocación en cada hilera sucesiva. Este tendido de cables se utiliza normalmente en diseños que requieren torsión y flexión continua.

Construcción de cables

Un cable está formado por varios hilos rodeados de capas de materiales lubricantes y aislantes. El aislamiento más utilizado es el policloruro de vinilo (PVC). Se tienden varios hilos y se envuelven con capas protectoras, formando el cable. Por ejemplo, los cables de control de flexión continua LAPP ÖLFLEX FD 890 y FD 890 CY (Figura 5) utilizan múltiples conductores de cobre con aislamiento de PVC especialmente formulado.

Figura 5: La estructura de los cables flexibles blindados y no blindados incluye conductores de cobre con aislamiento de PVC. (Fuente de la imagen: LAPP)

Los cables de la familia FD 890 (figura 5, arriba) tienen de 3 a 50 hilos y calibres de 20 AWG a 2 AWG, mientras que los cables de la familia FD 890 CY (figura 5, abajo) tienen de 3 a 34 hilos, con calibres de 20 AWG a 6 AWG. Sus estructuras son similares, salvo por la adición de la trenza de blindaje.

Los cables de la serie FD 890 CY incluyen una trenza de cobre estañado para aplicaciones que requieren blindaje contra EMI. Los cables blindados son necesarios en zonas como la planta de una fábrica, donde suele haber una mayor concentración de cables activos de alimentación y control en un espacio reducido. Los cables blindados tienen una estructura de núcleo similar a la de los cables sin blindar, con una cubierta interna de PVC añadida bajo la trenza para aislarla de los hilos del núcleo. Debido a las capas adicionales, el diámetro del cable es mayor que el de un cable no blindado comparable. La cubierta exterior tiene las mismas características que el cable no blindado.

Un ejemplo de la serie ÖLFLEX FD 890 es el cable no blindado de cuatro conductores 8920044 con hilos 20 AWG; la especificación métrica equivalente es una sección transversal conductora de 0.5 mm². El cable ensamblado tiene un diámetro de 7.4 mm. Un ejemplo de la familia blindada ÖLFLEX FD 890 CY es el cable de cuatro conductores 8914044S con hilos de 14 AWG. Este cable tiene una sección transversal conductora de 2.5 mm² y un diámetro de 14 mm. El trenzado de blindaje proporciona una cobertura de 85% de la superficie del cable central.

Ambas familias de cables superan la norma de flexibilidad de clase 6. Están diseñados para soportar tensiones de funcionamiento de hasta 600 voltios y se someten a pruebas de rotura de hasta 2000 V. Las especificaciones de temperatura de ambas series de cables dependen de la aplicación. Por ejemplo, es de -5 °C a +90 °C para aplicaciones que requieren flexión continua y de -25 °C a +90 °C para uso estacionario.

El radio de curvatura mínimo es un factor de mérito para la flexibilidad del cable. Da el radio de curvatura más pequeño que puede soportar el cable sin dañarse y suele expresarse en múltiplos del diámetro del cable (D) (figura 6).

Figura 6: El radio de curvatura mínimo se define en términos de múltiplos del diámetro del cable (D). (Fuente de la imagen: LAPP)

El cable de la figura 6 tiene un radio de curvatura mínimo de tres veces el diámetro del cable. Los cables FD 890 tienen un radio de curvatura de 7.5 diámetros de cable. Debido a las capas agregadas de cubierta interior y blindaje, los cables blindados FD 890 CY tienen un radio de curvatura mínimo mayor de 10 diámetros. Por ejemplo, el radio de curvatura mínimo del cable FD 890 CY de 14 mm es de 140 mm.

Los cables FD 890 y FD 890 CY están certificados conforme a las normas UL, CSA, CE y RoHS en cuanto a movimiento, pirorresistencia, resistencia al aceite y resistencia a la luz solar.

Conclusión

Los cables multiconductores LAPP ÖLFLEX FD 890 y FD 890 CY están diseñados para la flexión continua en aplicaciones que incluyen la automatización industrial, la maquinaria pesada, los robots y la generación de energía. Estos cables utilizan un trenzado de hilo fino y compuestos específicamente formulados para optimizar la vida de flexión y proporcionar una alta resistencia al aceite, al agua y a los refrigerantes y disolventes industriales. Existe una versión blindada para aplicaciones en las que la interferencia electromagnética es un problema.