煤矿井下梭车用金属屏蔽橡套软电缆的研制

钟 苏，张先枚

(郑州电缆有限公司，河南 郑州450016)

0 引言

煤炭是我国的主要能源，与经济建设和人民日常生活密切相关。为保证能源供给，维持经济建设的高速发展，我国煤炭的开采量每年以8%以上的速度快速增长。

矿用橡套电缆是煤炭工业不可缺少的配套产品，被喻为煤炭产业的“血管”与“神经”。随着采矿技术的不断进步，具有特殊用途和高性能指标的煤矿用电缆需求迅速增加，煤矿井下梭车用金属屏蔽橡套软电缆(以下简称梭车电缆)就是其中之一。

梭车电缆最早是随“房柱式”采煤方式的采煤设备一起从国外引进的，作为电力和信号传输的连接线。

1 梭车电缆使用环境

梭车是指由采煤工作面向传输带运送煤炭的运输车，由于它是在采煤工作面和传输带之间往复移动，像纺织机上的梭子，故称为梭车。

煤矿井下梭车用电缆是为梭车传输动力和信号的连接线，它一端连接梭车设备，一端连接电源。在使用中随着梭车的运动，始终处于被卷绕——拉直——再卷绕——再拉直的周期性运动状态下。井下巷道十分狭窄，电缆随时有被井壁或支护物挂伤的可能;另外受电缆绞盘容量和梭车运行距离的制约，电缆的外形尺寸也必须有严格限制。

由于使用环境恶劣，电缆的使用寿命非常短暂。往往投入使用数十天甚至数周就会出现故障，造成梭车的停工，从而直接影响采煤和掘进的正常进行。梭车电缆出现频次最多的故障就是断芯，而且出现断芯故障的电缆基本上无法现场修理。通常的办法就是换电缆，将电缆从电缆绞盘全部撤下来，再将新电缆运到井下现场卷绕到电缆绞盘上。需要着重指出的是，上述电缆更换作业在煤矿井下狭窄的巷道内，几乎完全是靠人工完成的。

近年来，国内一些电缆生产厂家曾应煤矿用户要求，按用户提供的样品，参照英国标准BS 6708中11型电缆的规定生产过梭车电缆，其动力线芯截面16mm2，结构示意如图1。电缆生产厂家根据用户使用情况进行过一些改进，但电缆的性能始终难以满足使用要求。有的生产厂家甚至在电缆中添加了编织加强结构，试图以附加大承力构件来改善电缆的受力情况，其负面效果是制造工艺繁琐、效率低下，用户施工困难，而且并未彻底解决断芯问题。梭车电缆的断芯问题在许多煤矿是比较棘手的问题，严重影响了“房柱式”采煤方式的推广。

图1 原有的11型电缆结构图

据了解，山西省最近引进的“房柱式”采煤设备有“大型化”趋向，所带的梭车电缆的动力线芯截面也相应加大到25mm2甚至35mm2。从已经掌握的情况来看，新引进梭车电缆的结构主要选用我们熟知的G-GC 3/C型和SHD-GC型两种，其内部基本结构均为3根带金属屏蔽的动力线芯绞合成缆，两根裸地线和一根绝缘的监视线分别置于三个缆芯边隙中。虽然由于材料和工艺的差距，加上合资煤矿井下环境比国内一般煤矿要好，引进电缆的寿命一般长于国产电缆，但断芯问题依然存在。

2 梭车电缆断芯原因分析

根据大量的现场观察和试验分析，可以认为造成梭车电缆断芯的原因有以下几方面:

(1)导体截面偏小。从电缆缆芯的结构上看，导体是由金属构成的，绝缘和护套是由橡胶制成的。在受力的过程中，缆芯不可避免地要发生变形，在电缆承受拉力时，缆芯会变长。但此时，导体和绝缘(护套)产生的变形对其本身的影响却大不一样。金属的弹性变形极限要远远小于橡胶，当缆芯承受了超出导体弹性极限的拉力时，导体就会产生塑性变形，导体的截面就会变小。由于电缆在工作中一直处于反复弯曲拉直的状态，缆芯上产生交变应力。这种变形经常发生，导体的截面积又偏小，对电缆寿命的影响就显而易见了。

(2)设计的结构不够柔软。从图1中能够看出，11型电缆采用的是四芯等截面的结构。这种结构的缆芯成缆外径大。当电缆在工作状态时，电缆的缆芯承受的交变应力也较大，这就使得电缆的缆芯经常处于疲劳状态，容易发生断芯故障。

3 改进方向

通过上述分析和调查研究，可以发现梭车电缆的断芯故障与梭车电缆的导体截面偏小和电缆结构不够柔软有关，而且以往对梭车电缆断芯的改进措施忽略了电缆导体本身抗变形能力的加强。

基于这种分析，可以认为改进的重点应是增大电缆导体的截面;从结构设计上提高柔软度;同时，着力增强电缆导体本身的抗张能力。

首先，在电缆直径允许范围内增加电缆中的铜导体截面。为此，参照了美国和澳大利亚同类电缆的结构，将梭车电缆的缆芯结构由四芯调整为三芯等截面，将适当缩小截面的监视线芯以填充方式放在缆芯外边隙中，而在缆芯的另两个外边隙中各增加一根裸的辅助地线芯(见图2)。同时在基本维持电缆外形尺寸和绝缘护套厚度前提下，将动力线芯的截面提高一至两档。由于在相同截面下，三芯电缆的三根绝缘线芯(含金属/纤维)成缆后外径与绝缘线芯外径之比为2.154，而四芯为2.414，即四芯改为三芯后减小了缆芯的成缆外径，从而减小了作用于导体上的交变应力。

图2 改进后的梭电缆结构图

其次，在结构上，采取了导体同向绞合;减小成缆节径比;在护套中增加特种合成纤维丝的编织等措施改善柔软性。在动力线芯、地线芯和监视线芯的导体中分别添加特种合成纤维束制作的加强芯，对导体直接起增强作用。

我们采取的综合措施主要有以下几项:

1.2.1受试者检查方法 对受试者开展常规治疗。例如胃肠道减压、及时抗感染等等。分别使用彩色多普勒超声诊断设备以及多功能直接数字化X线成像系统，对患儿开展检查。受试者取仰卧位，多切面扫查患儿腹部。开展实时监控肠壁回声，全面判定肠壁厚度和肠管外形形状情况对受试者的肠腔、门静脉以及腹腔加以观察，分析是否存在异常现象。例如扩张积液等等[3]。在此之后，对患儿腹部开展横向以及纵向扫描检查，以免发生积气假象现象发生。对探头加压，分析积气来源。全面明确病变位置位于管壁内还是管腔中。使用阳性以及阴性，来表示X线检查和超声诊断结果。阳性代表肠壁内存在积气。阴性代表肠壁积气、肠壁增厚以及门静脉积气等均未出现。

(1)加强铜单线的质量控制，从材质上确保导体本身抗张强度;

(2)结合添加纤维束对导体绞合结构进行优化设计，以改善其柔软性，提高导体对梭车特殊的使用要求的适应性;

(3)进一步减小电缆的成缆节径比，从改善电缆线芯的弯曲性能入手，提高电缆导体的抗张能力。

在充分调研和论证的基础上，编制了企业标准《煤矿井下梭车用金属屏蔽橡套软电缆》。标准参照了煤炭行业标准MT 818—1999《煤矿用阻燃电缆》及其修订版的报批稿(主要是第4部分 MT 818.4)。电缆结构则参照英国标准BS 6708《煤矿用拖曳电缆》和美国绝缘电缆工程师协会标准ICEA S-75-381《煤矿和采石场用电缆》的相关内容。考虑到市场对产品需求的连续性，企业标准保留了原有梭车电缆的相关内容，在保持各自固有特点的同时，注意了新老结构的外形尺寸的趋近，并为用户的个性化需求留出一定的空间。

4 技术创新点

电缆导体采用特种合成纤维束作为加强芯是本项目的创新点。目前国内外合成纤维在光电缆产品中的使用不少，但其使用范围有限，主要作为光电缆承力编织层或内部的承力构件，在光电缆内部它与导体和光纤是分离的。

近年来，为解决采煤机橡套软电缆的控制线芯导体断芯问题，出现了在导体中添加纤维作为加强的用法。其具体方法是将添加的纤维直接与铜单线一起束绞成股，然后将股复合绞成导体。由于纤维比铜线更细更软，因此，在这种绞合的导体中，纤维单丝的实际长度往往比铜单线长，在电缆被拉伸时纤维就可能比铜线较晚受力而使其对拉力的增强作用降低。

为导体增强，过去电缆行业曾采用钢铜混合绞结构(如3钢4铜结构等)，但是类似的结构不能适应橡套软电缆反复弯曲的使用要求。

纤维束加强芯所用纤维原料的选择、纤维束的加工工艺和含纤维加强芯的导体制造工艺是实现创新的三个技术问题。

5 工艺试制

产品型号规格:MSPTJ-0.66/1.14 3×35+2×10+1×6。

试制数量:样品350 m，小批试制600 m。

电缆主要工艺流程如图3所示。

图3 工艺流程图

根据《煤矿井下梭车用金属屏蔽橡套软电缆技术研究报告》，选定了纤维束丝的牌号。根据不同截面的电缆导体结构，计算出纤维束加强芯的大致尺寸和所需纤维束丝的根数，然后用手工绞合成股验证计算结果，最后在设备上进行工艺试验。在操作工人的积极参与下集思广益，解决了一些技术上和工艺上的问题，基本上满足了样品试制和小批量生产需要。

含纤维加强芯的导体制造基本上按照工艺设计实施，然后在导体外再重叠绕包一层聚酯薄膜带，带宽和绕包节距根据具体情况而选定，绕包与复绞工艺是同时完成。

样品经国家电线电缆质量鉴定检验中心的全性能检测，各项指标完全满足企业标准要求。

6 结束语

新型煤矿井下梭车用金属屏蔽橡套软电缆的研制满足了用户需求，优化了企业矿缆产品的结构，扩大了矿缆产品的市场占有量，企业从中获得良好的经济效益。该电缆的研制和批量投产，为煤炭行业使用“房柱式”采煤方式提供了稳定可靠的配套产品，对减少乃至消除地下煤炭开采对环境的影响具有积极意义。