煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜的研制

鐘 蘇，張先枚

(鄭州電纜有限公司，河南 鄭州450016)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，與經濟建設和人民日常生活密切相關。為保證能源供給，維持經濟建設的高速發展，我國煤炭的開采量每年以8%以上的速度快速增長。

礦用橡套電纜是煤炭工業不可缺少的配套產品，被喻為煤炭產業的“血管”與“神經”。隨著采礦技術的不斷進步，具有特殊用途和高性能指標的煤礦用電纜需求迅速增加，煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜(以下簡稱梭車電纜)就是其中之一。

梭車電纜最早是隨“房柱式”采煤方式的采煤設備一起從國外引進的，作為電力和信號傳輸的連接線。

1 梭車電纜使用環境

梭車是指由采煤工作面向傳輸帶運送煤炭的運輸車，由于它是在采煤工作面和傳輸帶之間往復移動，像紡織機上的梭子，故稱為梭車。

煤礦井下梭車用電纜是為梭車傳輸動力和信號的連接線，它一端連接梭車設備，一端連接電源。在使用中隨著梭車的運動，始終處于被卷繞——拉直——再卷繞——再拉直的周期性運動狀態下。井下巷道十分狹窄，電纜隨時有被井壁或支護物掛傷的可能;另外受電纜絞盤容量和梭車運行距離的制約，電纜的外形尺寸也必須有嚴格限制。

由于使用環境惡劣，電纜的使用壽命非常短暫。往往投入使用數十天甚至數周就會出現故障，造成梭車的停工，從而直接影響采煤和掘進的正常進行。梭車電纜出現頻次最多的故障就是斷芯，而且出現斷芯故障的電纜基本上無法現場修理。通常的辦法就是換電纜，將電纜從電纜絞盤全部撤下來，再將新電纜運到井下現場卷繞到電纜絞盤上。需要著重指出的是，上述電纜更換作業在煤礦井下狹窄的巷道內，幾乎完全是靠人工完成的。

近年來，國內一些電纜生產廠家曾應煤礦用戶要求，按用戶提供的樣品，參照英國標準BS 6708中11型電纜的規定生產過梭車電纜，其動力線芯截面16mm2，結構示意如圖1。電纜生產廠家根據用戶使用情況進行過一些改進，但電纜的性能始終難以滿足使用要求。有的生產廠家甚至在電纜中添加了編織加強結構，試圖以附加大承力構件來改善電纜的受力情況，其負面效果是制造工藝繁瑣、效率低下，用戶施工困難，而且并未徹底解決斷芯問題。梭車電纜的斷芯問題在許多煤礦是比較棘手的問題，嚴重影響了“房柱式”采煤方式的推廣。

圖1 原有的11型電纜結構圖

據了解，山西省最近引進的“房柱式”采煤設備有“大型化”趨向，所帶的梭車電纜的動力線芯截面也相應加大到25mm2甚至35mm2。從已經掌握的情況來看，新引進梭車電纜的結構主要選用我們熟知的G-GC 3/C型和SHD-GC型兩種，其內部基本結構均為3根帶金屬屏蔽的動力線芯絞合成纜，兩根裸地線和一根絕緣的監視線分別置于三個纜芯邊隙中。雖然由于材料和工藝的差距，加上合資煤礦井下環境比國內一般煤礦要好，引進電纜的壽命一般長于國產電纜，但斷芯問題依然存在。

2 梭車電纜斷芯原因分析

根據大量的現場觀察和試驗分析，可以認為造成梭車電纜斷芯的原因有以下幾方面:

(1)導體截面偏小。從電纜纜芯的結構上看，導體是由金屬構成的，絕緣和護套是由橡膠制成的。在受力的過程中，纜芯不可避免地要發生變形，在電纜承受拉力時，纜芯會變長。但此時，導體和絕緣(護套)產生的變形對其本身的影響卻大不一樣。金屬的彈性變形極限要遠遠小于橡膠，當纜芯承受了超出導體彈性極限的拉力時，導體就會產生塑性變形，導體的截面就會變小。由于電纜在工作中一直處于反復彎曲拉直的狀態，纜芯上產生交變應力。這種變形經常發生，導體的截面積又偏小，對電纜壽命的影響就顯而易見了。

(2)設計的結構不夠柔軟。從圖1中能夠看出，11型電纜采用的是四芯等截面的結構。這種結構的纜芯成纜外徑大。當電纜在工作狀態時，電纜的纜芯承受的交變應力也較大，這就使得電纜的纜芯經常處于疲勞狀態，容易發生斷芯故障。

3 改進方向

通過上述分析和調查研究，可以發現梭車電纜的斷芯故障與梭車電纜的導體截面偏小和電纜結構不夠柔軟有關，而且以往對梭車電纜斷芯的改進措施忽略了電纜導體本身抗變形能力的加強。

基于這種分析，可以認為改進的重點應是增大電纜導體的截面;從結構設計上提高柔軟度;同時，著力增強電纜導體本身的抗張能力。

首先，在電纜直徑允許范圍內增加電纜中的銅導體截面。為此，參照了美國和澳大利亞同類電纜的結構，將梭車電纜的纜芯結構由四芯調整為三芯等截面，將適當縮小截面的監視線芯以填充方式放在纜芯外邊隙中，而在纜芯的另兩個外邊隙中各增加一根裸的輔助地線芯(見圖2)。同時在基本維持電纜外形尺寸和絕緣護套厚度前提下，將動力線芯的截面提高一至兩檔。由于在相同截面下，三芯電纜的三根絕緣線芯(含金屬/纖維)成纜后外徑與絕緣線芯外徑之比為2.154，而四芯為2.414，即四芯改為三芯后減小了纜芯的成纜外徑，從而減小了作用于導體上的交變應力。

圖2 改進后的梭電纜結構圖

其次，在結構上，采取了導體同向絞合;減小成纜節徑比;在護套中增加特種合成纖維絲的編織等措施改善柔軟性。在動力線芯、地線芯和監視線芯的導體中分別添加特種合成纖維束制作的加強芯，對導體直接起增強作用。

我們采取的綜合措施主要有以下幾項:

1.2.1受試者檢查方法 對受試者開展常規治療。例如胃腸道減壓、及時抗感染等等。分別使用彩色多普勒超聲診斷設備以及多功能直接數字化X線成像系統，對患兒開展檢查。受試者取仰臥位，多切面掃查患兒腹部。開展實時監控腸壁回聲，全面判定腸壁厚度和腸管外形形狀情況對受試者的腸腔、門靜脈以及腹腔加以觀察，分析是否存在異常現象。例如擴張積液等等[3]。在此之后，對患兒腹部開展橫向以及縱向掃描檢查，以免發生積氣假象現象發生。對探頭加壓，分析積氣來源。全面明確病變位置位于管壁內還是管腔中。使用陽性以及陰性，來表示X線檢查和超聲診斷結果。陽性代表腸壁內存在積氣。陰性代表腸壁積氣、腸壁增厚以及門靜脈積氣等均未出現。

(1)加強銅單線的質量控制，從材質上確保導體本身抗張強度;

(2)結合添加纖維束對導體絞合結構進行優化設計，以改善其柔軟性，提高導體對梭車特殊的使用要求的適應性;

(3)進一步減小電纜的成纜節徑比，從改善電纜線芯的彎曲性能入手，提高電纜導體的抗張能力。

在充分調研和論證的基礎上，編制了企業標準《煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜》。標準參照了煤炭行業標準MT 818—1999《煤礦用阻燃電纜》及其修訂版的報批稿(主要是第4部分 MT 818.4)。電纜結構則參照英國標準BS 6708《煤礦用拖曳電纜》和美國絕緣電纜工程師協會標準ICEA S-75-381《煤礦和采石場用電纜》的相關內容。考慮到市場對產品需求的連續性，企業標準保留了原有梭車電纜的相關內容，在保持各自固有特點的同時，注意了新老結構的外形尺寸的趨近，并為用戶的個性化需求留出一定的空間。

4 技術創新點

電纜導體采用特種合成纖維束作為加強芯是本項目的創新點。目前國內外合成纖維在光電纜產品中的使用不少，但其使用范圍有限，主要作為光電纜承力編織層或內部的承力構件，在光電纜內部它與導體和光纖是分離的。

近年來，為解決采煤機橡套軟電纜的控制線芯導體斷芯問題，出現了在導體中添加纖維作為加強的用法。其具體方法是將添加的纖維直接與銅單線一起束絞成股，然后將股復合絞成導體。由于纖維比銅線更細更軟，因此，在這種絞合的導體中，纖維單絲的實際長度往往比銅單線長，在電纜被拉伸時纖維就可能比銅線較晚受力而使其對拉力的增強作用降低。

為導體增強，過去電纜行業曾采用鋼銅混合絞結構(如3鋼4銅結構等)，但是類似的結構不能適應橡套軟電纜反復彎曲的使用要求。

纖維束加強芯所用纖維原料的選擇、纖維束的加工工藝和含纖維加強芯的導體制造工藝是實現創新的三個技術問題。

5 工藝試制

產品型號規格:MSPTJ-0.66/1.14 3×35+2×10+1×6。

試制數量:樣品350 m，小批試制600 m。

電纜主要工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

根據《煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜技術研究報告》，選定了纖維束絲的牌號。根據不同截面的電纜導體結構，計算出纖維束加強芯的大致尺寸和所需纖維束絲的根數，然后用手工絞合成股驗證計算結果，最后在設備上進行工藝試驗。在操作工人的積極參與下集思廣益，解決了一些技術上和工藝上的問題，基本上滿足了樣品試制和小批量生產需要。

含纖維加強芯的導體制造基本上按照工藝設計實施，然后在導體外再重疊繞包一層聚酯薄膜帶，帶寬和繞包節距根據具體情況而選定，繞包與復絞工藝是同時完成。

樣品經國家電線電纜質量鑒定檢驗中心的全性能檢測，各項指標完全滿足企業標準要求。

6 結束語

新型煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜的研制滿足了用戶需求，優化了企業礦纜產品的結構，擴大了礦纜產品的市場占有量，企業從中獲得良好的經濟效益。該電纜的研制和批量投產，為煤炭行業使用“房柱式”采煤方式提供了穩定可靠的配套產品，對減少乃至消除地下煤炭開采對環境的影響具有積極意義。