光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜的設(shè)計(jì)和制造

馬遼林， 胡湘華， 曾 旭， 李華斌， 張 滔

（湖南華菱線纜股份有限公司，湖南 湘潭411101）

0 引 言

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，約占全球的12%。國(guó)家對(duì)礦山行業(yè)極其重視，截止2020年我國(guó)已出臺(tái)多項(xiàng)政策，重點(diǎn)推進(jìn)礦山智能化改造，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)，促進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)升級(jí)。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，礦用光纖復(fù)合電纜開(kāi)始得到應(yīng)用，其中光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜因其獨(dú)特的工作環(huán)境而受到廣泛關(guān)注。

光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜就是將光纖設(shè)置在采煤機(jī)電纜中，與采煤機(jī)連接，起到替代控制線的作用，同時(shí)可以傳輸采煤機(jī)終端采集到的信息，如：實(shí)景圖像、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、溫度及濕度等；另外光纖還可以用于電纜運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［1］，為分析采煤機(jī)電纜負(fù)載或故障提供有效的參考依據(jù)。不同于常規(guī)控制線，采用光纖可以有效避免電磁干擾問(wèn)題，保證采煤機(jī)不出現(xiàn)誤操作。然而，采煤機(jī)電纜的工作環(huán)境非常惡劣，如何保護(hù)光纖在電纜生產(chǎn)制造、敷設(shè)安裝以及運(yùn)行過(guò)程中的完整性是目前行業(yè)內(nèi)有待突破的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)［2］，本工作設(shè)計(jì)制造了一種新型光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜［3-5］，光纖的傳輸性問(wèn)題得到了解決，延長(zhǎng)了光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜的使用壽命。

1 電纜設(shè)計(jì)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT818中采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

該電纜型號(hào)為MCPT，其控制線芯絞合后作為第四芯與動(dòng)力線芯一起成纜。因控制線的根數(shù)和截面的不確定性，通常采用增加控制線絕緣厚度或者擠包控制線護(hù)套的方式使第四芯的外徑與動(dòng)力線芯外徑相當(dāng)，從而構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的四等芯結(jié)構(gòu)。地線為裸導(dǎo)體放置于電纜中心，且與絕緣金屬編織屏蔽層并聯(lián)，形成有效的短路保護(hù)結(jié)構(gòu)，使電纜的安全性得到保證。然而該類型電纜的控制線僅能實(shí)現(xiàn)控制采煤機(jī)的開(kāi)關(guān)等簡(jiǎn)單動(dòng)作，在傳輸其他通訊數(shù)據(jù)時(shí)因電磁干擾導(dǎo)致出現(xiàn)延遲、阻塞現(xiàn)象，難以滿足煤礦智能化建設(shè)中大帶寬、低時(shí)延的要求。于是國(guó)內(nèi)不少企業(yè)在控制線纜芯外部加入金屬編織層以屏蔽電磁干擾，也有一些企業(yè)在控制線纜芯中加入光纖。然而這些措施沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。

1.1 光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)

本工作設(shè)計(jì)的光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知：光單元設(shè)置在電纜中心固有的空隙之中，相比于其它位置可以更加有效地抵抗采煤機(jī)工作面煤矸石或大煤塊掉落沖砸［6］，避免光單元在使用過(guò)程中受到外部機(jī)械損傷，同時(shí)可以減弱擠包橡膠護(hù)套時(shí)外部壓力和硫化溫度對(duì)光單元的影響。需要指出的是光單元占據(jù)了中間地線的位置，那么可以采取增加動(dòng)力線芯和控制線芯外部的金屬編織層的截面積，或者在動(dòng)力線芯之間的空隙放置裸導(dǎo)體的方式來(lái)保證地線并聯(lián)電阻符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.2 光單元的結(jié)構(gòu)

本工作進(jìn)一步地設(shè)計(jì)了光單元，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 光單元結(jié)構(gòu)示意圖

光纖首選B6類彎曲不敏感單模光纖，其根數(shù)可依據(jù)用戶需求而定，一般不少于2根。光纖放置于聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）套管內(nèi)。PBT是光纜中常用材料，其熔點(diǎn)高達(dá)225℃，吸濕性和熱膨脹系數(shù)均很低，即使經(jīng)過(guò)硫化管高溫后也具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。PBT套管內(nèi)填充硅基纖膏，和其他纖膏相比較，硅基纖膏具有較好的熱穩(wěn)定性。同時(shí)與光纖平行放置芳綸纖維，使光纖保持在宏觀的“懸浮”狀態(tài)。PBT管外部為不銹鋼帶螺旋套管，螺旋套管與PBT管之間的空隙應(yīng)足夠，同樣放置芳綸纖維，使PBT管保持在宏觀的“懸浮”狀態(tài)。金屬套管最外側(cè)為鍍錫銅絲編織層，編織層與動(dòng)力線芯的絕緣屏蔽直接接觸，不僅減小了地線并聯(lián)電阻，還能在保證螺旋套管的彎曲性能不受影響的前提下而其本身在成纜絞合過(guò)程中不被拉伸。

1.3 溫度對(duì)光單元的影響

近年來(lái)，本公司生產(chǎn)的采煤機(jī)電纜，動(dòng)力線芯截面70 mm2及以上的電纜長(zhǎng)度占比約91%，可見(jiàn)煤礦井下作業(yè)采煤機(jī)正向大功率、大容量的趨勢(shì)發(fā)展，這對(duì)于光纖復(fù)合纜的設(shè)計(jì)是有利的。常見(jiàn)的采煤機(jī)電纜尺寸見(jiàn)表1。

表1 電纜結(jié)構(gòu)尺寸

由表1可知：電纜的中間空隙、金屬套管直徑以及外徑與電纜動(dòng)力線芯的規(guī)格直接相關(guān)，規(guī)格越大護(hù)套厚度越厚，中間空隙和金屬套管直徑越大，相反擠包護(hù)套時(shí)的硫化溫度對(duì)光單元的影響越小。

本工作分析生產(chǎn)制造過(guò)程中光纖的受熱情況，以光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜3×70＋3×25／3＋3×2.5為例，具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

首先設(shè)定環(huán)境溫度為30℃，飽和蒸汽溫度為200℃，護(hù)套橡膠材料經(jīng)擠出后的初始溫度為90℃，計(jì)算光纖所處的中心位置達(dá)到溫度180℃所需的時(shí)間。因電纜熱流場(chǎng)中的各種物理量與電流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，電流場(chǎng)的屬性也適用于熱流場(chǎng)［7］，故可模擬電流場(chǎng)的分析方法來(lái)分析熱流場(chǎng)。假設(shè)在t時(shí)刻電纜中心位置與電纜表面的溫度差為T(mén)t，t＝0時(shí)溫差為T(mén)0，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，最終溫差接近0℃，那么

式（1）中R為熱阻；C為比熱容與質(zhì)量之積。其中

式（2）中ρT1為絕緣材料熱阻；ρT2為護(hù)套材料熱阻；G1為電纜幾何因數(shù)取值1；k為熱阻屏蔽系數(shù)取值0.5；D為電纜外徑；D e為電纜纜芯外徑。

查閱相關(guān)資料并計(jì)算，得出電纜所用主要材料的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電纜材料及相關(guān)參數(shù)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)纜芯與護(hù)套橡膠的初始溫度均為30℃，結(jié)合表1、表2的數(shù)據(jù)，由式（1）、式（2）計(jì)算t為5 276 s，約為87 min；再假設(shè)纜芯與護(hù)套的初始溫度均為90℃，計(jì)算t為4 203 s，約為70 min。因金屬銅傳熱速率相對(duì)于橡膠傳熱速率要快得多，所以本計(jì)算過(guò)程未考慮金屬銅的熱阻，也未考慮電纜表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及纜芯內(nèi)部的少量不銹鋼、PBT套管以及空氣等使傳熱時(shí)間增加的因素。因此，要使電纜中心位置的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的180℃，所需時(shí)間不會(huì)少于70 min。

對(duì)光單元可能造成影響的溫度來(lái)源主要是電纜運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)體通過(guò)電流后產(chǎn)生熱量，其次是電纜在生產(chǎn)制造過(guò)程中外護(hù)層硫化工藝所需的外部高溫介質(zhì)如飽和蒸汽的熱傳導(dǎo)。有研究表明［8-9］：光纖溫度隨導(dǎo)體電流的增加呈非線性升高，光纖傳輸損耗受導(dǎo)體電流的影響不大，也就是說(shuō)在正常情況下電纜溫度變化對(duì)光纖傳輸損耗的影響在工程允許范圍之內(nèi)；當(dāng)光纖在長(zhǎng)期使用溫度為70～80℃時(shí)，對(duì)其傳輸性能和使用壽命不受影響；即使受到雷擊或短路電流引起短時(shí)高溫，只要其承受高溫的時(shí)間不長(zhǎng)，也不會(huì)明顯影響光纖的使用壽命和光纖衰減。

綜上所述，只要電纜的使用符合煤礦安全操作規(guī)程，或者電纜生產(chǎn)過(guò)程中在200℃的硫化溫度下時(shí)間不超過(guò)70 min，則光單元中的光纖及其周圍的PBT套管處于安全的溫度范圍內(nèi)，且光纖的使用壽命和傳輸性能不受電纜溫升的影響。

2 制造工藝

2.1 光纖余長(zhǎng)的控制

光纖余長(zhǎng)是指光纖的實(shí)際長(zhǎng)度與光纖外部套管的長(zhǎng)度之比，而光纖余長(zhǎng)的控制是光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜制造過(guò)程中的關(guān)鍵。研究表明：光纖在電纜中是否絞合成纜對(duì)光纖余長(zhǎng)的增量幾乎可以忽略，光纖的放線張力對(duì)光纖余長(zhǎng)的影響較大［10］。在本設(shè)計(jì)方案中光纖相對(duì)于PBT管的余長(zhǎng)不小于0.3%；類似原理PBT管相對(duì)于不銹鋼帶螺旋管有一定余長(zhǎng)，且不銹鋼螺旋管相對(duì)于PBT管的尺寸越大余長(zhǎng)越大；同理通過(guò)減小成纜時(shí)的放線張力，使光單元自由進(jìn)線，那么光單元相對(duì)于動(dòng)力線芯也有一定余長(zhǎng)。三者綜合起來(lái)光纖有足夠的余長(zhǎng)，那么在成纜和擠包護(hù)套的過(guò)程中承受拉力的是動(dòng)力線芯導(dǎo)體，而光纖不受拉力的影響。

2.2 成纜設(shè)備的選擇

根據(jù)成纜設(shè)備的類型，應(yīng)首先考慮兩段式籠式成纜機(jī)。籠式成纜機(jī)退扭效果明顯，動(dòng)力線芯和控制線芯并行放置在前段，成纜運(yùn)行時(shí)絞籠勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，前段放線盤(pán)隨絞籠而轉(zhuǎn)動(dòng)，其中軸保持水平狀態(tài)不變，絕緣線芯無(wú)扭力進(jìn)入壓模形成節(jié)距，即實(shí)現(xiàn)退扭成纜。光單元由尾段放線盤(pán)放線，斷開(kāi)與前段絞籠的連鎖裝置，必要時(shí)主動(dòng)放線，確保光單元以“零張力”狀態(tài)進(jìn)入纜芯中央空隙。

2.3 影響成纜的因素

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，影響成纜的因素有：①纜芯的實(shí)際絕緣外徑不能小于設(shè)計(jì)值，否則在成纜時(shí)纜芯中間空隙變小，光單元受到擠壓，經(jīng)過(guò)壓模后未形成穩(wěn)定的節(jié)距前與絕緣線芯接觸被纜芯帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)而扭曲變形，這種變形將影響光單元的穩(wěn)定性，因此，應(yīng)保持纜芯中間的空間足夠；②成纜模具尺寸也不能太小，太小會(huì)使絕緣層變形，同樣擠壓內(nèi)部空間。③絕緣層表面的金屬絲編織方向應(yīng)與成纜方向相反，籠式成纜機(jī)的退扭效果到達(dá)?？谥坝幸欢ㄑ舆t現(xiàn)象，因此，同向的金屬編織絲因反向扭轉(zhuǎn)作用力而凸起，凸起部位與光單元直接接觸，擠壓光單元的活動(dòng)空間，光單元易受力扭曲變形。這些限制光單元自由狀態(tài)的作用力都會(huì)對(duì)光單元的使用壽命造成一定的影響。

2.4 外護(hù)層工藝

為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在成纜完成后進(jìn)一步采用高強(qiáng)度纖維絲編織。編織完成后進(jìn)入擠包橡膠護(hù)套工序。根據(jù)橡膠護(hù)套的硫化特性確定擠出速率和硫化溫度，通常情況下擠出線速率為2～5 m／min，有效硫化段長(zhǎng)度在100 m內(nèi)，硫化溫度控制在160～200℃范圍內(nèi)可確保外護(hù)層充分硫化，可保證纜芯光單元中PBT管不產(chǎn)生形變，從而對(duì)光纖余長(zhǎng)沒(méi)有影響。

3 電纜試驗(yàn)

成品電纜試驗(yàn)的主要依據(jù)是MT 818—2009和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［11］，在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)光纖的可靠性做出了要求。電纜主要性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 電纜主要性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

一般情況下采煤機(jī)電纜安裝于串聯(lián)的夾板內(nèi)，其彎曲半徑在100～150 mm范圍是電纜外徑的3倍。而且彎曲部位隨采煤機(jī)在工作面的往返而變化，在電纜的某一點(diǎn)經(jīng)受彎曲的頻次與采煤工作面大小相關(guān)，在1 a內(nèi)可以達(dá)到3 000次。電纜中心的光纖經(jīng)受相同頻次的動(dòng)態(tài)彎曲，但其能夠承受的彎曲半徑比電纜彎曲半徑要小得多。其次光單元的金屬套管內(nèi)徑大于PBT管外徑，中心光纖因而獲得足夠的松弛空間和余長(zhǎng)，即使在彎曲時(shí)局部受到牽扯，也能夠保證光纖的長(zhǎng)期完整性，進(jìn)而保證了光纖復(fù)合纜的使用壽命。

本研究成果生產(chǎn)的光纖復(fù)合采煤機(jī)取得了礦用新產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(shū)，并且電纜已在國(guó)內(nèi)某煤礦安裝使用，獲得了較好的效果。

目前，國(guó)內(nèi)正加速推動(dòng)礦山行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，光電復(fù)合電纜應(yīng)用前景廣闊，但因過(guò)去技術(shù)的不成熟，尤其是光纖復(fù)合采煤機(jī)電纜還未能得到推廣。作為電纜領(lǐng)域從業(yè)者，更應(yīng)深入研究、解決實(shí)際問(wèn)題，為國(guó)家礦山智能化做出貢獻(xiàn)。