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(guó)的主要能源，與經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活密切相關(guān)。為保證能源供給，維持經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，我國(guó)煤炭的開采量每年以8%以上的速度快速增長(zhǎng)。

礦用橡套電纜是煤炭工業(yè)不可缺少的配套產(chǎn)品，被喻為煤炭產(chǎn)業(yè)的“血管”與“神經(jīng)”。隨著采礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有特殊用途和高性能指標(biāo)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(jiǎn)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(shè)備一起從國(guó)外引進(jìn)的，作為電力和信號(hào)傳輸?shù)倪B接線。

1 梭車電纜使用環(huán)境

梭車是指由采煤工作面向傳輸帶運(yùn)送煤炭的運(yùn)輸車，由于它是在采煤工作面和傳輸帶之間往復(fù)移動(dòng)，像紡織機(jī)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(dòng)力和信號(hào)的連接線，它一端連接梭車設(shè)備，一端連接電源。在使用中隨著梭車的運(yùn)動(dòng)，始終處于被卷繞——拉直——再卷繞——再拉直的周期性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下。井下巷道十分狹窄，電纜隨時(shí)有被井壁或支護(hù)物掛傷的可能;另外受電纜絞盤容量和梭車運(yùn)行距離的制約，電纜的外形尺寸也必須有嚴(yán)格限制。

由于使用環(huán)境惡劣，電纜的使用壽命非常短暫。往往投入使用數(shù)十天甚至數(shù)周就會(huì)出現(xiàn)故障，造成梭車的停工，從而直接影響采煤和掘進(jìn)的正常進(jìn)行。梭車電纜出現(xiàn)頻次最多的故障就是斷芯，而且出現(xiàn)斷芯故障的電纜基本上無法現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)到井下現(xiàn)場(chǎng)卷繞到電纜絞盤上。需要著重指出的是，上述電纜更換作業(yè)在煤礦井下狹窄的巷道內(nèi)，幾乎完全是靠人工完成的。

近年來，國(guó)內(nèi)一些電纜生產(chǎn)廠家曾應(yīng)煤礦用戶要求，按用戶提供的樣品，參照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6708中11型電纜的規(guī)定生產(chǎn)過梭車電纜，其動(dòng)力線芯截面16mm2，結(jié)構(gòu)示意如圖1。電纜生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶使用情況進(jìn)行過一些改進(jìn)，但電纜的性能始終難以滿足使用要求。有的生產(chǎn)廠家甚至在電纜中添加了編織加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，試圖以附加大承力構(gòu)件來改善電纜的受力情況，其負(fù)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(yán)重影響了“房柱式”采煤方式的推廣。

圖1 原有的11型電纜結(jié)構(gòu)圖

據(jù)了解，山西省最近引進(jìn)的“房柱式”采煤設(shè)備有“大型化”趨向，所帶的梭車電纜的動(dòng)力線芯截面也相應(yīng)加大到25mm2甚至35mm2。從已經(jīng)掌握的情況來看，新引進(jìn)梭車電纜的結(jié)構(gòu)主要選用我們熟知的G-GC 3/C型和SHD-GC型兩種，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)均為3根帶金屬屏蔽的動(dòng)力線芯絞合成纜，兩根裸地線和一根絕緣的監(jiān)視線分別置于三個(gè)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(huán)境比國(guó)內(nèi)一般煤礦要好，引進(jìn)電纜的壽命一般長(zhǎng)于國(guó)產(chǎn)電纜，但斷芯問題依然存在。

2 梭車電纜斷芯原因分析

根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)觀察和試驗(yàn)分析，可以認(rèn)為造成梭車電纜斷芯的原因有以下幾方面:

(1)導(dǎo)體截面偏小。從電纜纜芯的結(jié)構(gòu)上看，導(dǎo)體是由金屬構(gòu)成的，絕緣和護(hù)套是由橡膠制成的。在受力的過程中，纜芯不可避免地要發(fā)生變形，在電纜承受拉力時(shí)，纜芯會(huì)變長(zhǎng)。但此時(shí)，導(dǎo)體和絕緣(護(hù)套)產(chǎn)生的變形對(duì)其本身的影響卻大不一樣。金屬的彈性變形極限要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橡膠，當(dāng)纜芯承受了超出導(dǎo)體彈性極限的拉力時(shí)，導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)體的截面就會(huì)變小。由于電纜在工作中一直處于反復(fù)彎曲拉直的狀態(tài)，纜芯上產(chǎn)生交變應(yīng)力。這種變形經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)體的截面積又偏小，對(duì)電纜壽命的影響就顯而易見了。

(2)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的纜芯成纜外徑大。當(dāng)電纜在工作狀態(tài)時(shí)，電纜的纜芯承受的交變應(yīng)力也較大，這就使得電纜的纜芯經(jīng)常處于疲勞狀態(tài)，容易發(fā)生斷芯故障。

3 改進(jìn)方向

通過上述分析和調(diào)查研究，可以發(fā)現(xiàn)梭車電纜的斷芯故障與梭車電纜的導(dǎo)體截面偏小和電纜結(jié)構(gòu)不夠柔軟有關(guān)，而且以往對(duì)梭車電纜斷芯的改進(jìn)措施忽略了電纜導(dǎo)體本身抗變形能力的加強(qiáng)。

基于這種分析，可以認(rèn)為改進(jìn)的重點(diǎn)應(yīng)是增大電纜導(dǎo)體的截面;從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高柔軟度;同時(shí)，著力增強(qiáng)電纜導(dǎo)體本身的抗張能力。

首先，在電纜直徑允許范圍內(nèi)增加電纜中的銅導(dǎo)體截面。為此，參照了美國(guó)和澳大利亞同類電纜的結(jié)構(gòu)，將梭車電纜的纜芯結(jié)構(gòu)由四芯調(diào)整為三芯等截面，將適當(dāng)縮小截面的監(jiān)視線芯以填充方式放在纜芯外邊隙中，而在纜芯的另兩個(gè)外邊隙中各增加一根裸的輔助地線芯(見圖2)。同時(shí)在基本維持電纜外形尺寸和絕緣護(hù)套厚度前提下，將動(dòng)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(dǎo)體上的交變應(yīng)力。

圖2 改進(jìn)后的梭電纜結(jié)構(gòu)圖

其次，在結(jié)構(gòu)上，采取了導(dǎo)體同向絞合;減小成纜節(jié)徑比;在護(hù)套中增加特種合成纖維絲的編織等措施改善柔軟性。在動(dòng)力線芯、地線芯和監(jiān)視線芯的導(dǎo)體中分別添加特種合成纖維束制作的加強(qiáng)芯，對(duì)導(dǎo)體直接起增強(qiáng)作用。

我們采取的綜合措施主要有以下幾項(xiàng):

1.2.1受試者檢查方法 對(duì)受試者開展常規(guī)治療。例如胃腸道減壓、及時(shí)抗感染等等。分別使用彩色多普勒超聲診斷設(shè)備以及多功能直接數(shù)字化X線成像系統(tǒng)，對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控腸壁回聲，全面判定腸壁厚度和腸管外形形狀情況對(duì)受試者的腸腔、門靜脈以及腹腔加以觀察，分析是否存在異?，F(xiàn)象。例如擴(kuò)張積液等等[3]。在此之后，對(duì)患兒腹部開展橫向以及縱向掃描檢查，以免發(fā)生積氣假象現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)探頭加壓，分析積氣來源。全面明確病變位置位于管壁內(nèi)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(jié)果。陽性代表腸壁內(nèi)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(xiàn)。

(1)加強(qiáng)銅單線的質(zhì)量控制，從材質(zhì)上確保導(dǎo)體本身抗張強(qiáng)度;

(2)結(jié)合添加纖維束對(duì)導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善其柔軟性，提高導(dǎo)體對(duì)梭車特殊的使用要求的適應(yīng)性;

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

在充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，編制了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜》。標(biāo)準(zhǔn)參照了煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 818—1999《煤礦用阻燃電纜》及其修訂版的報(bào)批稿(主要是第4部分 MT 818.4)。電纜結(jié)構(gòu)則參照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6708《煤礦用拖曳電纜》和美國(guó)絕緣電纜工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ICEA S-75-381《煤礦和采石場(chǎng)用電纜》的相關(guān)內(nèi)容?？紤]到市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品需求的連續(xù)性，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保留了原有梭車電纜的相關(guān)內(nèi)容，在保持各自固有特點(diǎn)的同時(shí)，注意了新老結(jié)構(gòu)的外形尺寸的趨近，并為用戶的個(gè)性化需求留出一定的空間。

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

電纜導(dǎo)體采用特種合成纖維束作為加強(qiáng)芯是本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外合成纖維在光電纜產(chǎn)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(nèi)部的承力構(gòu)件，在光電纜內(nèi)部它與導(dǎo)體和光纖是分離的。

近年來，為解決采煤機(jī)橡套軟電纜的控制線芯導(dǎo)體斷芯問題，出現(xiàn)了在導(dǎo)體中添加纖維作為加強(qiáng)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(fù)合絞成導(dǎo)體。由于纖維比銅線更細(xì)更軟，因此，在這種絞合的導(dǎo)體中，纖維單絲的實(shí)際長(zhǎng)度往往比銅單線長(zhǎng)，在電纜被拉伸時(shí)纖維就可能比銅線較晚受力而使其對(duì)拉力的增強(qiáng)作用降低。

為導(dǎo)體增強(qiáng)，過去電纜行業(yè)曾采用鋼銅混合絞結(jié)構(gòu)(如3鋼4銅結(jié)構(gòu)等)，但是類似的結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)橡套軟電纜反復(fù)彎曲的使用要求。

纖維束加強(qiáng)芯所用纖維原料的選擇、纖維束的加工工藝和含纖維加強(qiáng)芯的導(dǎo)體制造工藝是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的三個(gè)技術(shù)問題。

5 工藝試制

產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格:MSPTJ-0.66/1.14 3×35+2×10+1×6。

試制數(shù)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(jù)《煤礦井下梭車用金屬屏蔽橡套軟電纜技術(shù)研究報(bào)告》，選定了纖維束絲的牌號(hào)。根據(jù)不同截面的電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，計(jì)算出纖維束加強(qiáng)芯的大致尺寸和所需纖維束絲的根數(shù)，然后用手工絞合成股驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，最后在設(shè)備上進(jìn)行工藝試驗(yàn)。在操作工人的積極參與下集思廣益，解決了一些技術(shù)上和工藝上的問題，基本上滿足了樣品試制和小批量生產(chǎn)需要。

含纖維加強(qiáng)芯的導(dǎo)體制造基本上按照工藝設(shè)計(jì)實(shí)施，然后在導(dǎo)體外再重疊繞包一層聚酯薄膜帶，帶寬和繞包節(jié)距根據(jù)具體情況而選定，繞包與復(fù)絞工藝是同時(shí)完成。

樣品經(jīng)國(guó)家電線電纜質(zhì)量鑒定檢驗(yàn)中心的全性能檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)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(yōu)化了企業(yè)礦纜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了礦纜產(chǎn)品的市場(chǎng)占有量，企業(yè)從中獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。該電纜的研制和批量投產(chǎn)，為煤炭行業(yè)使用“房柱式”采煤方式提供了穩(wěn)定可靠的配套產(chǎn)品，對(duì)減少乃至消除地下煤炭開采對(duì)環(huán)境的影響具有積極意義。