卷筒电缆扭曲变形问题分析与解决措施

范涛　崔海洋　宫传播

摘 要：本文分析了斗轮机用电缆出现护套起皱、电缆扭曲变形的原因，通过对电缆结构的优化设计，及设备自身的设计、调试、电气控制系统的优化改进，卷筒电缆出现外皮起皱、扭曲变形的现象是可以避免的。

关键词：起皱；扭曲变形；电缆变形；斗轮机电缆

中图分类号：U45 文献标识码：A

1 筒电缆使用场合

目前卷筒电缆主要用于斗轮机、港机、钢包车、电动铲运机等设备，随着设备来回运行，卷筒进行收线、放线运动。电缆在运行过程中承受正拉力与弯曲变形。

2 缆外护起皱、电缆变形的原因

根据市场用户反映，斗轮机、港机、钢包车、电动铲运机等场合使用的卷筒电缆都相应出现了护套起皱、电缆扭曲变形的质量问题，造成了设备无法正常作业。

通过对斗轮机电缆使用现场进行勘察，可能造成电缆出现护套起皱、电缆扭曲变形的原因有以下几点：

（1）电缆柔软性及结构稳定不够。柔软性不够，在移动弯曲过程中，电缆变形抗力较大；电缆结构不稳定，在弯曲时，电缆结构发生畸变，缆芯“拱起”，造成电缆弯曲变形。

（2）卷盘电缆受力分析：电缆卷筒的卷绕力用来克服电缆自重等引起的作用在电缆上的张力、卷筒支座轴承处的摩擦力、起-制动引起的惯性阻力等。将电缆卷绕到卷筒上去，要十分精确的计算卷绕力矩比较困难，目前采用比较粗略的计算法。

设电缆卷筒中心安装高度（离地面）为H（m），卷满电缆的卷筒最外层直径为D缆（m）。

则卷绕力矩：

M缆=D缆/2·（qH+S基）·9.8 （1）

其中：M缆—力矩（N·m）；D缆—卷筒最外层直径（m）；q—电缆单位重量（kg/m）；S基=5kg～10kg—考虑克服除电缆自重以外的卷绕阻力折算到电缆上的基本张力。电缆截面大的取值大，截面小的取值小。

目前斗轮机所采用的电缆卷筒多为磁滞式。由于磁滞式电缆卷筒是恒力矩的，力矩M=F·L（M表示力矩；F表示力值；L表示从转动轴到着力点的距离）；当力矩恒定时，外层电缆在收放过程中受力最小，内层电缆在收放过程中受力最大。因此随着电缆缠绕半径的变化，电缆所受的张力也在变化。如图3、图4的受力分析。

同时F·cosθ=F0（由外向内θ3<θ2<θ1，则F3>F2>F1），卷筒进行电缆收放时，从卷盘外圈向内圈，电缆与导缆架之间的夹角越来越小，根据力学正交分解分析得知，由外层向内层电缆受力也逐渐增大。

通过电缆受力分析，得知卷盘内层电缆受力与弯曲变形程度较外层要大。如果电缆卷筒的内径太小，再加上电缆卷筒的力矩也调的很大，那么内圈的电缆张力将会大于电缆允许抗拉力，造成电缆受力过大、弯曲变形。

（3）电缆卷筒的调试。现场调试人员往往将电缆卷筒力矩调的很大，造成电缆张力过大。

综合考虑上述影響因素，并对电缆发生弯曲变形的区域进行认真分析，得出以下结论：电缆的扭曲变形区域主要出现在卷盘的次内层，通过对设备的运行观察，在设计时电缆米数留有余量，卷盘最内层1～3圈电缆始终缠绕在卷盘上，不进行卷绕运动，因此电缆没有出现弯曲变形；次内层变形严重，主要是因为次内层较外层受力与弯曲变形程度较大，所以出现了图1中次内层电缆严重扭曲变形的现象。

3 改进措施

针对以上原因，相应的提出以下改进措施及注意事项：

（1）卷筒电缆，导体采用GB/T 3956-2008标准规定的6类软铜导体，成缆节径比控制在10～12倍，护套采用TPU、氯化聚乙烯、弹性体等材料，来提高电缆的柔软性；缆芯分组采用正规排列绞合结构，缆芯外绕包一层涂胶棉布带，护套采用双层结构，内外护套之间采用编织高强度纤维抗扭层，来保证电缆结构的稳定性。

（2）卷盘筒径的设计

（3）导缆架安装位置设计

卷盘由外向内弯曲变形程度逐渐增大，为了减小电缆弯曲变形的程度，卷盘内层电缆与导缆架之间形成的角度不小于60°。同时导缆架半径不小于电缆弯曲半径的12倍。

（4）卷盘力矩控制，卷盘力矩采用M1、M2两个档位（M1>M2），当卷盘上电缆米数超过电缆总长度的1/2，卷盘力矩为M1；当卷盘上电缆米数小于1/2电缆总长度，电气控制系统自动将卷盘力矩切换为M2。

（5）现场调试人员可以根据图5来确定调节电缆卷筒力矩大小。实际卷绕过程中，由于卷绕力矩作用，使电缆悬垂一段距离，悬垂线的水平投影l的长短与卷绕力矩M缆大小有关。M缆大则电缆拉的越紧，l就长。

（a）力矩太小，电缆过松；（b）力矩太大，电缆过紧；（c）力矩适中，电缆过度平稳。

结语

通过对电缆结构的优化设计，及设备自身的设计、调试、电气控制系统的优化改进，卷筒电缆出现外皮起皱、扭曲变形的现象是可以避免的。

参考文献

[1]吴建生.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]陈飞.电缆卷筒设计[J].工程科技，2012：16-20.

[3] MT 818-2009，煤矿用移动橡套软电缆[S].