如何提高國產(chǎn)采煤機(jī)電纜的使用壽命

王國志，陳 衛(wèi)，李 璇

(特變電工股份有限公司新疆線纜廠，新疆 昌吉831100)

0 引言

我國從20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)采煤機(jī)電纜，并制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國產(chǎn)采煤機(jī)電纜的性能一般都能達(dá)到MT 818標(biāo)準(zhǔn)的要求，但普遍使用壽命不長，據(jù)統(tǒng)計最長壽命為3個月，有的甚至只有1個月左右。采煤機(jī)電纜在運行過程中會頻繁受到不同角度的彎曲、拉伸等多種機(jī)械應(yīng)力作用，致使電纜斷芯，影響采煤機(jī)正常作業(yè)，給用戶帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

相比之下，國外頂級的采煤機(jī)電纜——虎牌電纜，使用壽命能達(dá)到一年以上，雖然其價格約是國產(chǎn)的6倍，但一般國內(nèi)大型采煤企業(yè)從安全運行和使用成本綜合考慮，偏向選擇性價比高的進(jìn)口虎牌電纜。本文將先介紹國內(nèi)采煤機(jī)電纜的現(xiàn)狀，然后全面剖析進(jìn)口虎牌電纜，從結(jié)構(gòu)、工藝兩方面找出其質(zhì)量優(yōu)異的原因，最后提出國產(chǎn)電纜的改進(jìn)方向。

1 國內(nèi)采煤機(jī)電纜現(xiàn)狀

1.1 標(biāo)準(zhǔn)

我國最早制定的采煤機(jī)用電纜標(biāo)準(zhǔn)是1999年煤炭部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 818《煤礦用阻燃電纜》，并于2009年重新修訂，主要修訂內(nèi)容為:一是材料的變化，絕緣材料統(tǒng)一要求采用乙丙橡皮;二是成品外徑的變化，采用船用電纜計算方法對老標(biāo)準(zhǔn)中的外徑進(jìn)行了重新計算;三是型號規(guī)格的增減，刪除了有關(guān)彈性體護(hù)套的所有產(chǎn)品，并對規(guī)格進(jìn)行增補，最大規(guī)格從原來的95 mm2增加到150 mm2，最高額定電壓由原來的3.6/6 kV提高到了8.7/10 kV;四是檢驗規(guī)則，特別是增加了出廠試驗的要求，將負(fù)載條件下電纜燃燒、單根電線電纜燃燒、過渡電阻、高電壓橡套電纜的局放試驗由原來的型式試驗變更為出廠試驗。

1.2 結(jié)構(gòu)與工藝

國產(chǎn)采煤機(jī)電纜主要有兩種:MCPT-0.66/1.14 kV、MCPT-1.9/3.3 kV采煤機(jī)電纜。圖1為MCPT-1.9/3.3 kV采煤機(jī)電纜的結(jié)構(gòu)示意圖。國內(nèi)采煤機(jī)電纜的一般生產(chǎn)工藝流程為:纜芯→連硫擠制內(nèi)護(hù)套→絞籠絞制編織纖維→連硫擠制外護(hù)套。

圖1 MCPT-1.9/3.3 kV采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

由于采煤機(jī)電纜在使用過程中不斷受到拉伸、彎曲力的作用，從圖1可知在采煤機(jī)電纜中控制線芯截面積最小，在各種機(jī)械力作用下產(chǎn)生斷芯的幾率最大;當(dāng)控制線芯斷芯，就會導(dǎo)致操作指令不能發(fā)出，影響正常的操作，從而縮短了采煤機(jī)電纜的使用壽命。

一直以來采煤機(jī)電纜產(chǎn)品控制線芯斷芯是困擾電纜生產(chǎn)企業(yè)的最大難題，各企業(yè)也在持續(xù)攻關(guān)解決此問題，在結(jié)構(gòu)、性能、材料及工藝方面進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)，具體措施有:

(1)在控制線芯正規(guī)絞合內(nèi)加入一根細(xì)鋼絲，以提高導(dǎo)體的抗拉和抗彎曲性能;

(2)在控制線芯正規(guī)絞合內(nèi)加入芳綸絲;

(3)控制線芯束合和復(fù)絞方向同向;

(4)增大控制線芯導(dǎo)體面積;

(5)控制線芯束絲外編織，調(diào)整控制線芯的導(dǎo)體節(jié)距，在單根控制線芯外均勻涂抹滑石粉，然后繞包一層滑移帶，增加控制線芯間的相對滑移。

雖然通過以上方法，電纜的使用壽命有所延長，但沒法解決控制線芯易斷問題，即產(chǎn)生斷芯的關(guān)鍵點沒有找到。

2 虎牌電纜剖析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)

由美國電纜有限公司生產(chǎn)的虎牌采煤機(jī)電纜是全球礦業(yè)認(rèn)可的頂級高質(zhì)量采煤機(jī)電纜。該公司對特種電纜銷售理念詮釋為“從為客戶帶來價值、創(chuàng)造持久效益的角度考慮，制造廠家應(yīng)該不斷地提高采煤機(jī)電纜的質(zhì)量，減少使用過程中故障和事故發(fā)生的幾率，而不是刻意地降低成本，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求是采煤機(jī)電纜的底線”。正是這種銷售理念，使其產(chǎn)品能暢銷35個國家。

虎牌采煤機(jī)電纜采用美國絕緣電纜工程師協(xié)會(ICEA)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)和美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)共同頒布的標(biāo)準(zhǔn)ICEA S-75-381/NEMA WC－58《礦山及類似條件用便攜式及饋電電線電纜》(簡稱“美標(biāo)”)。通過與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)MT 818—2009(簡稱“行標(biāo)”)的比較，有助于全面了解其動力線芯絕緣膠、控制線芯絕緣膠、護(hù)套膠的重要性能指標(biāo)，具體對比數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所列。

從這三張表中可看出，美標(biāo)中對動力線芯絕緣膠、控制線芯絕緣膠抗拉強度要求高出國內(nèi)行標(biāo)27%，美標(biāo)中對護(hù)套膠抗拉強度要求高出國內(nèi)行標(biāo)50%，美標(biāo)中對護(hù)套膠抗撕強度要求高出國內(nèi)行標(biāo)40%。

表1 動力線芯絕緣膠技術(shù)指標(biāo)對比

表2 控制線芯絕緣膠主要技術(shù)指標(biāo)對比

表3 護(hù)套膠主要技術(shù)指標(biāo)對比

2.2 結(jié)構(gòu)

我們對型號為AM3T7S、規(guī)格為3×150+1×95+3×10、電壓等級1.9/3.3 kV的虎牌電纜樣品進(jìn)行剖析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AM3T7S－1.9/3.3 kV 3×150+1×95+3×10虎牌采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

對比圖1、圖2可看出，虎牌采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)與國內(nèi)采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)基本相同，不同點只是增加了分色包帶。但是通過具體分析虎牌采煤機(jī)電纜的結(jié)構(gòu)成分及所使用材料的性能，卻能發(fā)現(xiàn)以下優(yōu)異之處:

(1)動力線芯的股線與復(fù)絞方向是同一方向左向，復(fù)絞是正規(guī)絞合，單絲強度255～259 MPa，伸長率20%～21%。

(2)地線芯的股線與復(fù)絞方向是同一方向右向，復(fù)絞是正規(guī)絞合，但股線根數(shù)較多，有120根，復(fù)絞結(jié)構(gòu)是0+6，處于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這樣在成纜時使得放置中間的地線芯變形，填充到中間空間，其形狀為四個線芯中間空隙的自然形狀;單絲強度408～413 MPa，伸長率20%～22%。

(3)控制線芯導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是鍍錫銅絲(1+6)股/24根/0.26，股線方向為右向，復(fù)絞方向是正規(guī)復(fù)絞，為左向，股線與復(fù)絞方向相反;單絲強度267～271 MPa，伸長率21%～24%。

(4)導(dǎo)體的性能、單絲直徑全部是上公差，而且非常均勻，動力線芯、地線芯、控制線芯、編織層單絲是不同的，其各自的強度也不同，更主要是伸長率上下波動范圍小。

(5)護(hù)套結(jié)構(gòu)采取內(nèi)外護(hù)套方式，同時在成纜芯及內(nèi)外護(hù)套之間加入編織加強纖維絲。

(6)動力線芯絕緣、控制線芯絕緣和護(hù)套的機(jī)械強度都相比行標(biāo)較大:其護(hù)套的老化前抗張強度17.9 MPa，老化前斷裂伸長率410%;控制線芯的老化前抗張強度14.2 MPa，老化前斷裂伸長率512%;動力線芯絕緣老化前抗張強度11.9 MPa，老化前斷裂伸長率255%;控制線芯絕緣老化前抗張強度10.5 MPa，老化前斷裂伸長率188%;至于抗撕強度，外護(hù)套9.9 N/mm，內(nèi)護(hù)套9.8 N/mm，控制線芯絕緣7.20 N/mm。

2.3 工藝

虎牌采煤機(jī)電纜的制造工藝流程為:纜芯→擠制內(nèi)護(hù)套→絞籠絞制編織纖維→擠制外護(hù)套→壓鉛包層(續(xù)標(biāo)志帶)→罐式硫化→剝離鉛包層。

虎牌電纜一般采用壓鉛模壓硫化工藝，在內(nèi)外護(hù)套擠制完成后擠制鉛包層，再進(jìn)入硫化罐內(nèi)低溫硫化。用這種加工工藝使得護(hù)套致密度更高，護(hù)套抗拉強度、抗撕性能、耐磨性能更加優(yōu)異，同時又解決了內(nèi)外護(hù)套與編織加強層緊密粘接和護(hù)套表面壓印凸字的問題。擠制護(hù)套的模壓硫化工藝和國內(nèi)連續(xù)硫化工藝的相關(guān)護(hù)套的主要參數(shù)對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 主要工藝參數(shù)對比數(shù)據(jù)

(1)導(dǎo)體

該電纜采用同向絞合，導(dǎo)體是鍍錫銅絲右向束合，復(fù)絞方向是左向正規(guī)復(fù)絞，股線與復(fù)絞方向相反，絞合外徑小于正規(guī)絞合。鍍錫銅單絲的直徑波動非常小，且每根單絲的伸長率波動范圍在±2%左右，均勻性比較好，鍍錫層外觀沒有出現(xiàn)漏銅現(xiàn)象。

從導(dǎo)體機(jī)械性能進(jìn)行分析，通過測試單絲直徑、抗拉強度及伸長率，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體中每根單絲的性能差異非常小。裸地線置于電纜中心，導(dǎo)體絞合松散，成纜后呈非圓形結(jié)構(gòu)，有利于減小外徑、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

動力線芯、控制線芯、地線芯，其導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、單絲直徑、股線方向、復(fù)絞方向均不同。若其每個層的抗拉強度及伸長率的均勻性控制得好，則其在生產(chǎn)時工藝控制的每根絲的張力也就非常好，這樣電纜使用時其所有單絲都在起作用;若單絲張力和伸率差距非常大時，則在電纜使用彎曲時只有個別單絲起作用，這樣就容易斷絲。

(2)屏蔽

該電纜采用尼龍/銅絲復(fù)合編織屏蔽結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能確保編織的線芯表面保持并聯(lián)狀態(tài)，有利于將其機(jī)械應(yīng)力發(fā)散到絕緣表面的邊緣，編織結(jié)構(gòu)實物圖見圖3。其中尼龍絲提供緩沖，減少了磨損，使得銅絲的覆蓋面積達(dá)到60%～80%，從而達(dá)到延長使用壽命的效果。

將該結(jié)構(gòu)屏蔽與其他常見復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)相比較，可發(fā)現(xiàn)進(jìn)口虎牌電纜所使用的尼龍材料不僅堅韌且支撐性良好;該電纜所用編織屏蔽，其非絞合性載體可以消除單線接觸的“高點”;與絞合束線比較，克服了絞合束線相鄰銅絲相互間斷的問題(尤其是在電纜遭受拉伸或扭轉(zhuǎn)的情況下)，并通過比絞合線束更強的抗剪切及磨損能力將電纜耗損減至最小。

圖3 復(fù)合編織結(jié)構(gòu)實物圖

(3)絕緣、護(hù)套

該電纜的絕緣、內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套材料的選取及性能指標(biāo)要求比較高，材料的抗拉強度高，絕緣表面光滑，便于滑移。線芯護(hù)套外搭蓋繞包的一層各色阻燃帶，作為標(biāo)識的同時便于控制線芯滑移。該帶材具有良好的機(jī)械強度和韌性，不脆斷。護(hù)套內(nèi)放置網(wǎng)狀纖維編織加強層，提高了護(hù)套的抗拉強度和抗撕性能;內(nèi)外護(hù)套、纖維加強層之間能夠緊密粘接，更加利于補強。

3 國產(chǎn)電纜的改進(jìn)方向

通過以上全面剖析，可看出虎牌采煤機(jī)電纜不是僅從控制線芯單方面來考慮斷芯問題，而是同時考慮材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種思路是值得借鑒的。因此我們應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面著手來提高國內(nèi)采煤機(jī)電纜的制造水平:

(1)由于電纜結(jié)構(gòu)中動力線芯、控制線芯、地線芯的結(jié)構(gòu)是不一樣的，要使導(dǎo)體線芯的單絲伸長率和線芯束合張力控制都均勻，這就需要充分考慮設(shè)備的精度、工藝工裝的改造、材料的性能指標(biāo)以及操作者的實際水平。

(2)控制線芯擠制包覆層后繞包阻燃帶，護(hù)套內(nèi)加入纖維加強層，能夠緊密粘接，更加有利于補強作用。

(3)絕緣料、護(hù)套料的配方要精細(xì)，便于不同采煤機(jī)電纜能應(yīng)用不同性能指標(biāo)的配方，努力使我們的設(shè)備、工藝向虎牌電纜的靠攏。

(4)導(dǎo)體的節(jié)距、成纜節(jié)距要相互匹配，通過模擬電纜的實際使用情況來分析導(dǎo)體的變化。

4 結(jié)束語

通過對比虎牌采煤機(jī)電纜，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)煤礦電纜的生產(chǎn)廠家主要是在控制線芯結(jié)構(gòu)上下功夫，但國外電纜企業(yè)對此并沒有特別關(guān)注，而是從電纜的整體結(jié)構(gòu)、各層工藝的控制以及材料性能指標(biāo)上綜合考慮，不是從“點”上解決問題，而是從“面”上控制整體工藝。這種設(shè)計思路值得國內(nèi)企業(yè)學(xué)習(xí)借鑒。

如何提高采煤機(jī)電纜的使用壽命，這是一個系統(tǒng)的課題。首先應(yīng)真正了解采煤機(jī)電纜的使用環(huán)境和用戶的需求，電纜制造企業(yè)要從桿材、拉絲、鍍錫等工藝的細(xì)節(jié)入手，綜合考慮電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計及選用的材料性能，實現(xiàn)生產(chǎn)的精細(xì)化控制，從而保證所做的產(chǎn)品達(dá)到最優(yōu)。

［1］ICEA S-75-381/NEMA WC-58 Portable and power feeder cables for use in mines and similar applications［S］.

［2］MT 818—2009煤礦用電纜［S］.