采煤機(jī)移動軟電纜機(jī)械特性研究

摘要：為研究采煤機(jī)電纜的機(jī)械特性，構(gòu)建了MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型電纜的實體模型并依據(jù)電纜實際運(yùn)動狀態(tài)設(shè)計了一種電纜彎曲裝置。通過拉伸試驗得到電纜股線的材料參數(shù)作為數(shù)值模擬的初始條件，并對不同成纜節(jié)徑比、捻制方向及控制單元截面積的電纜進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：電纜受力隨著成纜節(jié)徑比的增大而增大，考慮制造成本與機(jī)械特性，該型電纜成纜節(jié)徑比為6時更優(yōu)；以R為右向、L為左向捻制進(jìn)行捻制描述，不同捻制方向下電纜所受應(yīng)力從大到小依次為RLR、RRL、RLL、RRR，而三層同向捻制工作時容易出現(xiàn)散股的情況，故RLL捻制時電纜的機(jī)械特性最佳；控制單元導(dǎo)體在直線移動階段，疲勞壽命隨著截面積的增大而增大；在彎曲階段，疲勞壽命隨著截面積的增大而減小。通過彎曲試驗機(jī)對電纜進(jìn)行彎曲試驗，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果為電纜復(fù)雜的絞合結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析提供了新的思路，并為提高電纜機(jī)械性能和使用壽命提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)電纜；絞合結(jié)構(gòu)；拉伸試驗；顯式動力學(xué)；試驗驗證

中圖分類號：TD421

Study of Mechanical Characteristics of Soft Electrical Cables in Mining Machines

ZHAO Lijuan^1，2 BAI Zhongjian^1* XIE Bo3 LIN Guocong1 WANG Tianxiang1GAO Feng3 LIU Zifeng3

1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000

2.Liaoning Provincial Key Laboratory of Large-Scale Mining Equipment，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000

3.Shandong Yankuang Group Changlong Cable Manufacture Co.，Ltd.，Jining，Shandong，273522

Abstract： To investigate the mechanical properties of mining machine cables， a physical model of the MCP-0.66/1.14 3*95+1*25 cable was constructed， and a cable bending device was designed based on the cables actual movement conditions. Tensile tests provided the material parameters for the cable strands， which served as the initial conditions for numerical simulations. The simulations covered cables with different stranding pitch ratios， twisting directions， and control unit cross-sectional areas. The results show that the cable stress increases with the stranding pitch ratio. Considering manufacturing costs and mechanical properties， a pitch ratio of 6 is optimal for this cable type. For twisting directions， where R denotes right-hand and L denotes left-hand twists， the stress order is RLRgt;RRLgt;RLLgt;RRR. Three-layer parallel twisting tends to cause strand dispersion， making the RLL twisting method optimal for mechanical properties. The fatigue life of the control unit conductor increases with the cross-sectional area during linear movement but decreases with the cross-sectional area during bending. Bending tests conducted with a bending machine corroborated the simulation results， validating the accuracy of the numerical simulations. These findings offer new insights into the design and analysis of complex cable stranding structures and provide theoretical support for enhancing cable mechanical performance and lifespan.

Key words： mining machine cable; stranded structure; tensile test; explicit dynamics; experimental validation

0 引言

采煤機(jī)電纜作為采煤機(jī)電力與信號傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備^［1］，在采煤機(jī)拖拽下會頻繁出現(xiàn)彎曲工況、極為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和特殊的絞合結(jié)構(gòu)，使得其模型復(fù)雜、動態(tài)特性研究困難，在一定程度上影響了采煤工作面智能化發(fā)展的進(jìn)程。因此，研究采煤機(jī)電纜的機(jī)械特性并提高其使用壽命意義重大。

郭娟娟^［2］通過理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，發(fā)現(xiàn)就多級電纜而言，各級電纜絞距越長，對應(yīng)的彎曲剛度越大，且改變高級電纜絞距比改變低級電纜的絞距對電纜彎曲剛度值的影響更大。胡玉嬌^［3］建立了三芯海纜鉤掛、錨砸、扭轉(zhuǎn)的有限元模型，分析了各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力與光單元應(yīng)變的變化關(guān)系，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行擬合，得到了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而分析了三芯海纜在不同工況下的機(jī)械性能變化規(guī)律。鞠森^［4］通過模擬海底電纜在不同影響因素下的機(jī)械彎曲，獲取各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)以及光單元應(yīng)變數(shù)據(jù)，建立了以光單元應(yīng)變?yōu)樽宰兞?、各結(jié)構(gòu)應(yīng)力為因變量的關(guān)系函數(shù)。劉天怡^［5］基于均勻化理論和細(xì)桿理論，預(yù)測了電纜多級子纜等效彈性模量理論模型，研究了多級子纜軸向應(yīng)變與股線最大正應(yīng)力的關(guān)系，分析了多級子纜螺旋角對股線最大正應(yīng)力的影響。李志杰^［6］研究了一級、二級扭絞結(jié)構(gòu)在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷下的線彈性和彈塑性力學(xué)響應(yīng)。de MENEZES等^［7］通過梁單元、實體單元、顯式動力學(xué)模型三種電纜建模方式的對比，發(fā)現(xiàn)顯式動力學(xué)模型可以準(zhǔn)確地描述電纜的全局行為，使得構(gòu)建更復(fù)雜的電纜成為現(xiàn)實。蔣麗賓^［8］建立了盧瑟福型超導(dǎo)電纜在基本變形模式下的力學(xué)分析模型，分析摩擦因子、股線纏繞角度、纜芯等因素對電纜力學(xué)行為的影響。YAN等^［9］選擇三種形狀截面的導(dǎo)體進(jìn)行彎曲試驗，并分析了它們的遲滯曲線，發(fā)現(xiàn)壓縮圓形導(dǎo)體的截面能量耗散最大。HOSEINIE等^［10］通過大量電纜失效數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)冪律函數(shù)能很好地擬合電纜系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)，并基于分析結(jié)果確定采煤機(jī)電纜系統(tǒng)的可靠性維護(hù)周期為125 h。BRUSKI^［11］利用梁有限元和實體有限元建立了鋼絲繩絞合結(jié)構(gòu)的兩個非線性三維數(shù)值模型，并通過數(shù)值模擬與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，確定了鋼絲繩力矩曲率間的關(guān)系。孟凡明等^［12］對橢圓股和三角股鋼絲繩進(jìn)行參數(shù)化建模求解，發(fā)現(xiàn)彎曲時三角股比橢圓股鋼絲繩更容易達(dá)到應(yīng)力屈服。

以上學(xué)者通過理論推導(dǎo)、實驗驗證和數(shù)值模擬等方式對不同類型絞合結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能進(jìn)行了分析，但對采煤機(jī)移動軟電纜的分析未見報道，采煤機(jī)電纜機(jī)械特性的研究仍為煤礦智能化發(fā)展的短板。本文在對電纜各單元股線進(jìn)行拉伸試驗、得到其基本力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建電纜有限元模型，并基于實際工況設(shè)計了一種電纜彎曲裝置對采煤機(jī)電纜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對電纜各單元導(dǎo)體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，研究采煤機(jī)移動軟電纜的機(jī)械特性。

1 電纜建?；A(chǔ)

以MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型號的采煤機(jī)電纜為工程對象。它主要由動力單元導(dǎo)體、動力單元絕緣、控制單元導(dǎo)體、控制單元絕緣、控制單元包覆層、地線芯導(dǎo)體、外護(hù)套等組成，電纜截面示意圖見圖1。

應(yīng)用Creo軟件建立電纜各層結(jié)構(gòu)時，為提高建模效率及模型準(zhǔn)確性，需要確定各結(jié)構(gòu)之間的相對位置，電纜各單元定位關(guān)系如圖2所示。

建立柱坐標(biāo)系，通過曲線方程確定各單元中心的螺旋軌跡方程：

r=r′

Θ=360tL/h

z=Lt（1）

h=Dm（2）

式中：r為電纜導(dǎo)體螺旋軌跡半徑，mm；r′為常數(shù)，mm；Θ為柱坐標(biāo)系原點(diǎn)與直角坐標(biāo)系原點(diǎn)連線與x軸夾角，°；L為電纜總長度，mm；t為從0到1變化的自變量；h為成纜絞合節(jié)距，mm；D為成纜絞合外徑，mm；m為成纜節(jié)徑比。

使用trajpar函數(shù)^［13］，在軌跡端點(diǎn)的法平面繪制掃描截面，使截面沿著軌跡掃描的同時圍繞軌跡旋轉(zhuǎn)，以此來完成導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)的繪制，即

sd=Ptra360h/（Dm）（3）

式中：sd為截面繞掃描軌跡的旋轉(zhuǎn)角度，（°）；Ptra為掃描軌跡參數(shù)，代表掃出特征占軌跡長度的百分比。

按照電纜制造工藝并以上述推導(dǎo)的中心螺旋軌跡方程作為其各單元導(dǎo)體的掃描軌跡，使用trajpar函數(shù)繪制掃描截面，其建模過程如圖3所示。

2 彎曲狀態(tài)下電纜數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

工作過程中電纜在采煤機(jī)拖曳下往復(fù)運(yùn)動，會頻繁發(fā)生彎曲。為研究其受到彎曲載荷下的行為，建立了電纜彎曲模型，如圖4所示，其中：M為彎矩；R為動力單元導(dǎo)體半徑；ρ為曲率半徑。

建立笛卡兒坐標(biāo)系{x，y，z}，同時令{i，j，k}為坐標(biāo)系相應(yīng)的三個標(biāo)準(zhǔn)正交基，當(dāng)電纜受到xoy平面的彎曲后，其坐標(biāo)方程為^［14］

R（S）=ρcos αi+ρsin αj（4）

式中：S為變形后電纜的弧長；α為電纜中心線上任意一點(diǎn)與x的夾角。

則沿圓弧曲線切線方向、法線方向與副法線方向的單位向量分別為

T（S）=R′（α）|R′（α）|=－sin αi+cos αj（5）

N（S）=R″（α）|R″（α）|=－cos αi－sin αj（6）

B（S）=T（S）×N（S）=k（7）

當(dāng)電纜中心線為圓弧時，動力單元中心線坐標(biāo)方程為

r（s）=R（S）+rcos βN（S）+rsin βB（S） （8）

式中：s為動力單元導(dǎo)體的弧長;β為動力單元中心線的螺旋纏繞角。

如圖4所示，取一段側(cè)股微元ds（P1P4）纏繞成直線段dS（P1P3），其夾角為θ；股線dS在彎矩M的作用下彎曲成一微段弧P1P2，α的增量為dα。由圖4可得以下參數(shù)之間的關(guān)系：

dSdα=ρ（9）

tan θ=rdβdS=rdβρdα（10）

則動力單元弧長s與電纜弧長S的關(guān)系如下：

dsdS=1ρ（ρ－rcos β）2+r（dβdα）2（11）

由此可推導(dǎo)出電纜中動力單元導(dǎo)體的坐標(biāo)方程：

r（s）=（ρ－rcos β）（cos αi+sin αj）+rsin βk（12）

3 各單元股線拉伸試驗

電纜內(nèi)部股線為絞合結(jié)構(gòu)，在外載荷作用下，絞線通過股與股之間的相互接觸擠壓呈現(xiàn)出不同的應(yīng)力應(yīng)變分布趨勢。為得到電纜各單元股線材料參數(shù)，取MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型號的電纜，分別剝離其動力單元導(dǎo)體和KA4、KA6、KA10控制單元導(dǎo)體。截取4組長度相同的試件并將其置于室溫條件下24 h。采用萬能拉伸試驗加載試驗，載荷大小采用試驗機(jī)內(nèi)置傳感器測量并由計算機(jī)采集，試件通過試驗機(jī)專用夾具夾緊，原始標(biāo)距長度為100 mm^［15］，對其進(jìn)行拉伸試驗，如圖5所示。隨著載荷的不斷增加，單根銅絲開始斷裂，直到大部分銅絲發(fā)生斷裂，如圖6所示，試驗機(jī)停止加載。完全穩(wěn)定狀態(tài)下，整合得到電纜股線試件載荷、

位移等數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理^［16-17］，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖7所示。由圖7可知，拉伸時第一階段體發(fā)生彈性變形；第二階段導(dǎo)體在達(dá)到屈服值之后，斜率比第一階段小，導(dǎo)體發(fā)生塑性變形。

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，可以得到各個試件的彈性模量和屈服強(qiáng)度作為數(shù)值模擬的材料參數(shù)，見表1。

4 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

4.1 求解方法選擇及邊界條件設(shè)置

采煤機(jī)電纜在工作中頻繁彎折，是導(dǎo)致電纜斷芯的主要原因之一。根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT818.4—2009《煤礦用電纜》第4部分^［18］：額定電壓1.9/3.3 kV及以下采煤機(jī)金屬屏蔽軟電纜規(guī)定，電纜實際工作時最小彎曲半徑為電纜直徑的6倍。對電纜在上述工況下的受力情況進(jìn)行分析，運(yùn)用相對運(yùn)動的原理，設(shè)計了電纜彎曲模擬裝置，如圖8所示。選擇MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型號電纜長度為1500 mm，將電纜裝配到電纜夾內(nèi)，電纜夾與牽引塊固定，牽引塊隨著滾輪以采煤機(jī)實際運(yùn)行速度7 m/min勻速轉(zhuǎn)動，以滾輪旋轉(zhuǎn)角度由0°到180°來模擬電纜由進(jìn)入彎曲到脫離彎曲的運(yùn)動狀態(tài)。本研究選用適合解決非線性、多接觸、大變形問題的LS-DYNA軟件^［19］來進(jìn)行求解。選取用于顯式分析的三維實體單元SOLID 164^［20］，該單元可以很好地模擬采煤機(jī)電纜工作過程，劃分電纜網(wǎng)格數(shù)量為941 669，設(shè)置導(dǎo)體與導(dǎo)體、導(dǎo)體與和絕緣之間均為摩擦接觸，靜摩擦因數(shù)為0.4，動摩擦因數(shù)為0.3。

4.2 成纜節(jié)徑比對電纜機(jī)械特性的影響

以成纜節(jié)徑比分別為4、5、6、7建立多組電纜實體模型，將其裝配到圖8所示電纜彎曲裝置中，并對其施加相同的邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究成纜節(jié)徑比對電纜機(jī)械特性的影響。電纜所受等效應(yīng)力是最終影響電纜服役性能的關(guān)鍵指標(biāo)，提取動力單元股線在彎曲狀態(tài)下的等效應(yīng)力如圖9所示。

由圖9可見，四種節(jié)徑比的電纜動力單元股線最大等效應(yīng)力分別為139、142、151、180 MPa。隨著電纜彎曲程度的增加，動力單元股線所受應(yīng)力隨之增大，當(dāng)電纜達(dá)到指定彎曲半徑時，動力單元股線受力趨于平穩(wěn)，最終達(dá)到穩(wěn)定值。當(dāng)電纜以相同的彎曲半徑、行進(jìn)速度彎曲時，隨著成纜節(jié)徑比的增大，應(yīng)力穩(wěn)定值也增大。其中，當(dāng)成纜節(jié)徑比為4、5、6時，動力單元股線應(yīng)力水平較為接近；而當(dāng)成纜節(jié)徑比為7時，動力單元股線的應(yīng)力水平較高。這是因為成纜節(jié)徑比越小，電纜各單元纏繞越緊密，有利于減小彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)力。此外，電纜在工作過程中會發(fā)生抖動，導(dǎo)致其所受應(yīng)力值存在一定的波動。

圖10為不同成纜節(jié)徑比下電纜動力單元股線等效應(yīng)力云圖，由圖10可見，電纜進(jìn)入彎曲時，動力單元第三層股線應(yīng)力水平較高。因此，提取動力單元三層股線在不同成纜節(jié)徑比下的等效最大應(yīng)力，如圖11所示。由圖11可見，當(dāng)電纜在受到彎曲載荷時，動力單元三層股線受力均隨著成纜節(jié)徑比的增大而增大，且越靠近外層，動力單元股線受到的應(yīng)力值越大。綜合考慮成纜節(jié)徑比與成本，得出結(jié)論如下：彎曲工況下成纜節(jié)徑比為6時，MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型號電纜兼具良好的經(jīng)濟(jì)性與機(jī)械特性。

4.3 動力單元捻制方向?qū)﹄娎|機(jī)械特性的影響

為研究捻制方向?qū)﹄娎|機(jī)械特性的影響，分別建立動力單元股線右左右（RLR）、右右左（RRL）、右右右（RRR）、右左左（RLL）四種捻制情況的電纜模型，并對其進(jìn)行彎曲數(shù)值模擬。四種捻制方向的動力單元股線截面等效應(yīng)力云圖如圖12所示，由圖12可見，四種捻制方向的動力單元股線等效最大應(yīng)力從大到小依次為RLR、RRL、RLL、RRR（即238、212、180、175 MPa）。股線應(yīng)力呈現(xiàn)出對稱分布，股線應(yīng)力分布主要集中在股線與股線、股線與絕緣接觸的位置。這是因為電纜在受到彎曲載荷時，股線之間存在空隙，導(dǎo)致彼此之間相互擠壓、滑動。

為進(jìn)一步探究不同捻制方向?qū)恿卧龑庸删€的影響，分別提取動力單元三層股線的最大等效應(yīng)力，如圖13所示。由圖13可見，股線最大等效應(yīng)力由內(nèi)層向外層逐漸增大；對于第三層股線，RRR與RLL捻制方式受力較小且較RLR與RRL所受應(yīng)力水平相差較大。這是因為二、三兩層股線之間捻制方向相同，使得股線整體較為柔軟。RRR這種捻制方式雖然受力較小，但它容易松散且承載后伸長率大；而RLL捻制方式受力雖略大于RRR捻制方式，但其綜合性能較RRR捻制方式更優(yōu)。

4.4 控制單元導(dǎo)體截面積對電纜機(jī)械特性的影響

為了研究控制單元導(dǎo)體截面積對電纜機(jī)械特性的影響，選取三種控制單元導(dǎo)體截面積分別為4 mm2（KA4）、6 mm2（KA6）、10 mm2（KA10）的電纜，其工作狀態(tài)如圖14所示，電纜工作時分為直線階段與彎曲階段，基于實際工況分別對其進(jìn)行數(shù)值模擬。采煤機(jī)工作時通過電纜夾拖動電纜移動，使用LS-DYNA軟件對不同截面積控制單元導(dǎo)體的電纜進(jìn)行直線階段數(shù)值模擬。圖15所示為直線階段不同截面積控制單元導(dǎo)體應(yīng)力時間變化曲線，當(dāng)電纜處于直線移動階段時，KA4、KA6、KA10三種控制單元導(dǎo)體剛開始所受應(yīng)力隨時間增大；當(dāng)電纜隨采煤機(jī)勻速運(yùn)動時最大應(yīng)力值分別穩(wěn)定在66.7、60.7、54.6 MPa，可見三種控制單元導(dǎo)體在直線移動工況下截面積越大，受到的等效應(yīng)力越小，且均小于各自的屈服強(qiáng)度。

對KA4、KA6、KA10控制單元導(dǎo)體的電纜進(jìn)行彎曲數(shù)值模擬，彎曲半徑為電纜直徑的6倍，采煤機(jī)行走速度為7 m/min。如圖16所示，隨著電纜彎曲程度的增加，控制單元導(dǎo)體所受應(yīng)力隨之增大，當(dāng)達(dá)到指定彎曲半徑時，控制單元導(dǎo)體受力在穩(wěn)定值上下波動，這是由導(dǎo)體本身的絞合結(jié)構(gòu)引起的。隨著控制單元導(dǎo)體截面積的增加，應(yīng)力水平也提高。三種截面積控制單元導(dǎo)體最大應(yīng)力分別為83.6、96.1、140.8 MPa。

圖17為彎曲階段不同截面積控制單元導(dǎo)體等效應(yīng)力云圖，由圖17可見，應(yīng)力水平較高的點(diǎn)集中在電纜剛開始進(jìn)入彎曲的位置，三種截面導(dǎo)體受力從小到大依次為KA4、KA6、KA10。電纜在隨采煤機(jī)工作過程中受到拉伸與彎曲載荷的共同作用，為分析三種截面導(dǎo)體的機(jī)械特性，需分別求出三種截面導(dǎo)體電纜在直線階段與彎曲階段的疲勞壽命并以此來評價其機(jī)械特性。

分別對三種控制單元導(dǎo)體的電纜直線移動階段與彎曲階段疲勞壽命進(jìn)行分析。將前述數(shù)值模擬生成的d3plot結(jié)果文件導(dǎo)入Ansys nCode DesignLife軟件中，并進(jìn)行材料與載荷映射^［21］，經(jīng)過疲勞仿真分析得到直線移動階段三種控制單元導(dǎo)體的疲勞壽命云圖見圖18。由圖可見，KA4、KA6、KA10三種控制單元導(dǎo)體疲勞循環(huán)次數(shù)分別為2.439×107、2.650×107、2.857×107。彎曲階段三種控制單元導(dǎo)體的疲勞壽命云圖見圖19，由圖可見，在彎曲載荷下KA4、KA6、KA10三種控制單元導(dǎo)體疲勞循環(huán)次數(shù)分別為78 930、71 230、60 460。

綜合分析，三種控制單元導(dǎo)體在直線階段壽命較大，且截面積越大，疲勞壽命越大，均達(dá)到107以上；彎曲階段控制單元導(dǎo)體截面積越大，疲勞壽命越小，KA4控制單元導(dǎo)體進(jìn)入彎曲至脫離彎曲壽命較KA6、KA10控制單元導(dǎo)體分別提高7700次和18 470次。

4.5 彎曲試驗

為驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選擇成纜節(jié)徑比為6、捻制方向為RLL、控制單元導(dǎo)體為KA4的電纜進(jìn)行彎曲實驗，如圖20所示。設(shè)置其彎曲半徑為6倍電纜直徑，移動速度為7 m/min，移動端帶動電纜往復(fù)彎曲運(yùn)動并自動記錄運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)電纜發(fā)生斷路時，試驗機(jī)發(fā)出警報并停止加載。試驗結(jié)束時讀取其彎曲次數(shù)為76 264，有限元計算其壽命為78 930，誤差為3.496%，二者較為吻合。剝離其護(hù)套與絕緣，如圖21所示，可知動力單元出現(xiàn)斷股情況，最外層股線斷股比較嚴(yán)重，且動力單元絕緣內(nèi)壁出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。這是因為外層股線受力較大，且高應(yīng)力多集中在股線與股線、股線與絕緣接觸的位置。試驗結(jié)果與前述數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1）彎曲工況下動力單元股線越靠近外層，受到的應(yīng)力值越大。隨著成纜節(jié)徑比的增大，等效應(yīng)力也隨之增大，成纜節(jié)徑比為4、5、6時，電纜應(yīng)力較為接近，分別為139，142，151 MPa；而成纜節(jié)徑比為7時，動力單元股線的應(yīng)力水平較高，為180 MPa。綜合考慮，MCP-0.66/1.14 3*95+1*25型號電纜成纜節(jié)徑比為6時最為適宜。

2）彎曲工況下動力單元股線等效最大應(yīng)力從大到小依次為RLR、RRL、RLL、RRR（即238、212、180、175 MPa）。RRR這種捻制方式雖然受力較小，但它容易松散且承載后伸長率大；而RLL捻制方式雖受力略大于RRR，但其綜合性能較RRR捻制方式更優(yōu)。

3）KA4、KA6、KA10三種控制單元導(dǎo)體在直線階段壽命較大，且截面積越大，疲勞壽命越大，均達(dá)到107以上；彎曲階段控制單元導(dǎo)體截面積越大，疲勞壽命越小， KA4控制單元導(dǎo)體進(jìn)入彎曲至脫離彎曲壽命較KA6、KA10兩種截面分別提高7700次和18 470次。

4）通過彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)彎曲次數(shù)與有限元結(jié)果較為吻合，動力單元最外層股線斷股比較嚴(yán)重且動力單元絕緣內(nèi)壁出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：趙麗娟，女，1964年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為工礦裝備自動化與智能化、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析與控制、機(jī)電液一體化系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用。E-mail：zlj2120@163.com。

白忠健*（通信作者），男，1997年生，博士研究生。研究方向為工礦裝備自動化與智能化。E-mail：xb19971030@163.com。

本文引用格式：趙麗娟，白忠健，謝波，等.采煤機(jī)移動軟電纜機(jī)械特性研究［J］. 中國機(jī)械工程，2025，36（2）：359-368.

ZHAO Lijuan， BAI Zhongjian， XIE Bo， et al. Study of Mechanical Characteristics of Soft Electrical Cables in Mining Machines［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：359-368.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51674134）；企業(yè)委托項目（22-2387）