提高煤矿采煤机电缆使用寿命的研究与分析

3 优化电缆样品制造及实验
经过公司技术人员论证分析，决定采用改进的电缆结构、 材料，即导体中加入高强度纤维，绕包聚酯薄膜，采用小节距、 细丝单线，控制线芯绝缘材料采用聚全氟乙丙烯材料，动力线
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煤矿现代化
增刊
微差压变送器在主通风机参数测量中的应用
兖矿集团北宿煤矿 王 宁 韩向宾 李翠华
摘 要 文章采用微差压变送器作为压力信号的采集元件，通过测量通风机的负压完成对风机风量的 测量，并分析了微差压变送器的测量原理，正确选择了风压采集方案，对通过负压求风量进行了计算，完成 了系统硬件和软件设计。
确定了引压装置，通过一定的引压管路和滤配装置即可
芯绝缘、护套采用调整后的配方胶，进行优化电缆样品制作和
试验，制作出了电缆样品，并进行物理机械性能试验，试验数
据见表 5。
表 5 优化前后电缆物理机械性能对比
对比 项目
拉伸强度 伸长 MPa 率%
导体抗 抗撕
张强度 N/mm N/mm2
伸长 率%
护套
11.8 375 6.1
关键词 微差压变送器 主通风机 风量 负压
1 引言
主通风机是矿井的重要设备之一, 担负着向井下输送足 够数量的新鲜空气, 以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤 尘,保证给井下作业的工人一个安全、可靠、良好的工作条件， 井下风量的大小与作业环境有密切的关系，因此，通风机的风 量是矿井通风的一个最重要的参数之一。
（1）材料方面。绝缘胶、护套胶，特别是控制线芯绝缘胶， 在现有的基础上调整，增大强度，减少伸长率和永久变形，增 大抗撕和耐磨性。
（2）结构方面。①导体绞线方向一致；②导体外绕包聚酯 薄膜，提高绝缘性能，防止铜线氧化；③控制绝缘线芯外绕包 高强度布带，缆芯外挤包小护套；④动力线芯和控制线芯成缆 节矩要小；⑤无填充也无垫芯，结构紧密结实。
煤矿现代化
增刊
提高煤矿采煤机电缆使用寿命的研究与分析
唐村实业公司 周 筠 许 锋 田玉纪
摘 要 通过分析影响采煤机电缆寿命的诸多因素，加以改进产品结构，优化材料配方，优化生产工 艺、改进试验手段等提高产品使用寿命，取得了一定的经济效益和社会效益。
关键词 采煤机电缆 寿命
目前国内使用的国产采煤机电缆，普遍存在电缆的线芯， 特别是控制线芯导体容易断裂的现象，导致电缆的使用寿命 普遍不能满足生产现场的要求，影响煤矿企业生产的正常进 行。但是，进口采煤机电缆的使用寿命，普遍高出国产电缆，因 此国内很多的煤炭生产企业采用进口采煤机电缆来进行生 产。国内采煤机电缆的使用寿命，一般在 3 个月以内，但是，进 口采煤机电缆的使用寿命，一般在半年甚至更长以上。另一方 面，进口电缆又具有产品交货期长、产品价格高（几倍于国产 电缆）的不利因素。因此，国产电缆很有必要在提高产品质量 方面作进一步的工作，提高电缆使用寿命，以促进行业发展
（收稿日期：2009- 5- 23）
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弯曲试 验次数
动力线芯绝缘 7.5 275 优化前
控制线芯护套 8.6 250 5.0
290 9025
控制线芯绝缘 6.5 250
313
护套
12.2 350 8.9
动力线芯绝缘 8.2 275
340 22.4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
优化后
23280
控制线芯护套 11.0 250 7.3
控制线芯绝缘 8.2 250
450 26.8
从上表可以看出：优化后的电缆物理机械性能有了较大 提高，电缆弯曲寿命大大延长了，后来，我们又生产了几根电 缆，其弯曲试验次数都达到 25000 次以上，性能比较稳定，达 到了设计使用要求。
作者简介 周筠，女，山东兖矿集团长龙电缆制造有限公司，副总工 程师。 徐锋，男，1973 年生，山东兖矿集团长龙电缆制造有限公 司，工程师。 田玉纪，男，唐村实业有限公司，主任工程师。
3 风压采集方案设计
要准确的测量风量，需要对风峒中的实际风流情况进行 准确采集，引压装置在这里就显得较为重要，笔者根据经验选 择了中国矿业大学胡亚非教授发明的引压装置，引压装置包 括与风道截面形状相同的均压管，通过固定架固定在风道的 风峒墙上，均压管上安置有若干个测压头，测压头垂直于风道 截面，且端头平行于来流方向，均压管内的压力信号通过测压 引出导管引出。
（3）设备的加工工艺不合适。根据我们的了解，目前国产 的电缆导体加工设备，在自动化水平上与国外设备存在比较 大的区别，在铜丝的退火上，国外的设备一般均采用连续退 火，可以保证所有产品退火后的性能基本一致，另外一方面， 在绞线设备方面，国外的设备一般可以做到每个绞笼都采用 张力自动控制，以保证所有股线的张力完全一致，做到电缆在 使用过程中，所有的铜丝均匀受力。 2.2 对生产采煤机电缆采取如下改进建议
2 微差压变送器的测量原理
微差压变送器是一种电容式传感器，以可变参数电容器
作为传感元件，将被测非电量变化转换为电容量变化，再通过
测量线路转换为电信号输出的非电量测量装置[3]。如图 1 所
示，平行板电容器电容量 C 为：
C=
εS δ
(1)
式中 ε- - 极板间介质的介电常数； S- - 极板面积；
δ- - 极板间的距离。
图 1 可变电容器的基本工作原理图 （1） 式中任意一个量的改变都将使电容 C 随之改变，因 此，通过一定的测量电路将变化量转换为电信号输出，即可确 定被测量的大小。 微差压变送器是由压力传感元件和压力变送元件组成 的，压力传感元件是将被测介质的两种压力通入高、低两压力 室，作用在 δ 元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离 片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送元件是 由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器，当两 侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差 成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成 与压力成正比的信号。
（2）电缆导体及绝缘层和护套层的材料性能与国外材料 存在差别。通过解剖分析国外进口电缆，从电缆结构、材料物 理机械性能等方面进行对比分析，找出进口电缆的优点，为下 一步改进本公司的采煤机电缆提供了依据。通过以上电缆数 据分析，进口电缆的结构与我公司有些不同，材质上也不同。 如铜材，AEI 的铜材光洁度较高，且无生锈痕迹，其他厂家较 差，铜材方面从现有性能检测手段还看不出较大差别（抗张强 度、伸率），国外电缆的绝缘胶和护套胶材料性能较好，特别是 护套抗张强度较大（德国 PIRELLI）、英国 AEI 煤机电缆控制线 芯绝缘材料强度高，伸长率较小，这是我们要改进的地方。
（2）采煤机电缆的使用，特别是从工作面中部的接头开 始，电缆被固定在电缆卡槽内使用，并不承受拉或者推的外 力，不容易受到外界的物理机械损伤，主要是由于弯曲的原因 造成的损坏。
（3）电缆的最小弯曲半径，一般处在采煤机附近，一般小 于 300mm。在两头采煤机电缆一般弯曲称为“S”或“2”型，弯曲 最为严重，比如对于 AM500 采煤机最小弯曲半径为电缆直径 的 2 倍，大约 100mm 左右。
1 煤矿井下使用现场跟踪
通过与煤矿联系，到矿井采煤面调研采煤机 - 电缆的具 体使用状况。
（1）对于采煤机电缆的布置，生产现场采用的是在采煤面 的中间部分设置一个电缆接头，从移动变电站来的电缆到这 个地方是基本上固定不移动的，从这个接头到采煤机部分的 电缆，是在生产的时候要来回往复弯曲的。对于综采而言，采 煤机在整个生产过程中，只是在靠近两头的地方，即称为轨道 巷和皮带巷的很短的地方内 - - 大约 8~10m 的地方由于生产 工艺的需要，要割三角煤，因此采煤机要比其他地方多几个来 回，一般地方一个周期需要往返一次，而每个端部一般在 3 次 往返，多得可以达到 5 次，这样一来，实际上在端部采煤机电 缆要比其他地方多弯曲 7~9 个往返，而在这些地方，采煤机电 缆的长度已经很少，因此弯曲的主要是靠近采煤机的部分，所 以靠近采煤机的电缆最容易损坏，为了应对这种现象，现场的 工人已经把电缆在使用一段时间以后反过来使用。
现在很多矿井还采用传统方式监测井下风量，通过读取 U 形管中液压差判断井下风量大小[1]。西安科技大学开发的基 于 USB 总线结构的便携式通风机性能测试分析虚拟仪器，采 用测量风速或动压来测量风量[2]。传统方法测量准确度受人 为因素影响较大，不能连续测量，李曼等开发的测量方法能够 自动测量风量，但测量元件和测量方法复杂，成本较高。本文 采用微差压变送器作为采集元件，通过自制的引压装置引压， 由计算机完成对风量的采集和计算，完成对风量的准确采集 和连续纪录，同时完成相关预警等，保证对风量的准确监测， 该方法测量手段简单，结果准确可靠，成本相对较低，在矿井 风量测量中应用前进广阔。
（3）试验器材方面。模拟井下采煤设备制作弯曲试验机， 电缆弯曲试验机模拟现代化生产工作面采煤机实际运行状 况，主要采用机械方式换向，电机运转方向不变，能够减少采 用电控频繁换向对电机的损害，延长电机使用寿命，机械部分 已经能够模拟采煤机井下工作现场的使用情况，并且弯曲半 径可以在一定范围内调节。它可以通过模拟试验，试验对电缆 性能的检测，自动记录下弯曲次数，断线停车的时间。该设备 应具有检测电缆动力线芯和控制线芯是否短路或断路的装置 (简称检测装置)，发生短路或断路时能自动报警，它的试制对 分析比较不同采煤机电缆使用寿命具有比较客观的参考价 值。
2 采煤机电缆弯曲断裂的原因分析
2.1 断裂的原因 为了解决采煤机电缆导体线芯断裂，我们组织公司的技
术人员经过了解采煤机电缆使用后的状况后分析认为可能存 在以下的原因：
（1）采煤机结构设计本身不合理。在电缆与采煤机设备的 联接处，一般电缆的弯曲半径都特别小，特别对于 1.14kV 的采
煤机而言，由于采煤机本身设备的限制，更使得电缆的弯曲半 径较 3.3kV 为严酷。