600 m坑道鉆機(jī)散熱系統(tǒng)性能分析

李文秀，張 旭

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道鉆機(jī)散熱系統(tǒng)性能分析

李文秀，張 旭

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道鉆機(jī)為全液壓驅(qū)動(dòng)。鉆機(jī)在工作過(guò)程中，液壓系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這部分熱量將通過(guò)鉆機(jī)的散熱系統(tǒng)散去。根據(jù)鉆機(jī)的發(fā)熱功率，初步選定使用風(fēng)冷散熱器，散熱器片有效散熱面積為25 m2。詳細(xì)推導(dǎo)出液壓系統(tǒng)的熱量隨時(shí)間變化的函數(shù)，根據(jù)函數(shù)的變化和極值，驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的散熱能力。

坑道鉆機(jī);液壓系統(tǒng);散熱系統(tǒng);熱平衡

1 概述

600 m全液壓坑道鉆機(jī)采用主機(jī)泵站分體式結(jié)構(gòu)，體積較小，適用于坑道鉆探施工。主機(jī)包括動(dòng)力頭、桅桿、卷?yè)P(yáng)、底座等部件，如圖1所示。泵站由90 kW防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括液壓泵、液壓油箱、散熱器等，為主機(jī)提供動(dòng)力，如圖2。兩者通過(guò)長(zhǎng)10 m的5根液壓膠管相連，連接處快速接頭可拆卸，便于安裝和運(yùn)輸。

圖1 主機(jī)

一般工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)的工作溫度最高不超過(guò)85℃，由于此鉆機(jī)主要在坑道中進(jìn)行施工，工作環(huán)境通風(fēng)條件較差，散熱不暢。另外，鉆機(jī)的分體式結(jié)構(gòu)加大了管路長(zhǎng)度，因此液壓系統(tǒng)的沿程阻力損失和局部阻力損失大大增加，此部分損失的能量將全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的熱量。綜合以上兩點(diǎn)，對(duì)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的散熱性能分析是非常必要的。

圖2 泵站

2 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)熱平衡分析

2.1 鉆機(jī)發(fā)熱和散熱

液壓系統(tǒng)動(dòng)力由兩臺(tái)連接于電機(jī)上的泵提供，全功率正常工作時(shí)總輸出功率約為70 kW。整臺(tái)鉆機(jī)的工作效率約為62%，因此，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率P發(fā)為:

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的散熱渠道有:風(fēng)冷散熱器、液壓油箱、泵、閥、馬達(dá)和液壓管路。但由于油箱、泵、閥、馬達(dá)均有保護(hù)罩，液壓管路被膠管護(hù)套包裹，散熱量很小，可以忽略不計(jì)，因此可以只考慮經(jīng)散熱器散失的熱量。散熱器散熱功率P散為:

P散=KAΔt=0.023×25Δt=0.575Δt(kW)式中:K——風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻條件下散熱系數(shù)，選0. 023;A——散熱器的散熱面積;Δt——油溫與環(huán)境溫度的差值。

由以上計(jì)算可以看出，散熱功率P散是一個(gè)隨溫差變化的瞬態(tài)量，單純的用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上的“液壓系統(tǒng)散熱量等于散熱功率乘以散熱時(shí)間”的簡(jiǎn)單算法來(lái)線性計(jì)算散熱量是不科學(xué)的。整個(gè)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的熱量需要用一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)來(lái)精確表達(dá)。

2.2 初始條件及參數(shù)界定

(1)環(huán)境溫度:約為40℃。

(2)液壓油性質(zhì):液壓油選擇為L(zhǎng)－HM46號(hào)抗磨液壓油，比熱c=1.88 kJ/(kg·℃)，系統(tǒng)中液壓油質(zhì)量m=250 kg。

(3)熱力學(xué)公式:

式中:Q——系統(tǒng)內(nèi)熱能;c——液壓油比熱容;Δt——系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度的差值。設(shè)40℃時(shí)，液壓系統(tǒng)的熱能為0。

2.3 熱平衡分析

當(dāng)液壓系統(tǒng)有熱量輸入時(shí)，系統(tǒng)熱能對(duì)時(shí)間的微分等于瞬時(shí)發(fā)熱功率與散熱功率之差。即:

這就是液壓系統(tǒng)熱量關(guān)于時(shí)間s的函數(shù)。

下面用初始條件求未知常數(shù)C的值。

當(dāng)時(shí)間s=0時(shí)，即鉆機(jī)剛剛啟動(dòng)的時(shí)刻，液壓系統(tǒng)的溫度和環(huán)境溫度相等，為40℃。此時(shí)液壓系統(tǒng)的熱能為0。即:

這就是系統(tǒng)熱量隨時(shí)間變化的函數(shù)。描繪其函數(shù)圖形如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)熱量隨時(shí)間變化的函數(shù)圖形

由函數(shù)圖形可以看出，系統(tǒng)熱量是隨時(shí)間變化而慢慢增加的指數(shù)函數(shù)，并最終趨于18309 kJ，當(dāng)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，即s→∞時(shí)系統(tǒng)熱量維持穩(wěn)定，達(dá)到散熱功率與發(fā)熱功率相同的狀態(tài)，使鉆機(jī)液壓系統(tǒng)熱量的輸入與散發(fā)相等，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

此時(shí)，由熱力學(xué)公式Q=cmΔt，求得鉆機(jī)液壓系統(tǒng)與環(huán)境的溫差:

3 應(yīng)用效果

600 m坑道鉆機(jī)于2010年11月底運(yùn)抵山東龍口礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備安放在二中段最里邊，距離井口垂直距離100 m，水平距離800 m，礦井截面約為邊長(zhǎng)1.8 m的矩形，通風(fēng)效果一般，氣體流動(dòng)性差，對(duì)于液壓系統(tǒng)散熱十分不利。雖然條件惡劣，但是設(shè)備在24 h不間斷施工工況下，液壓系統(tǒng)最高溫度只達(dá)到76℃，并維持穩(wěn)定。該設(shè)備到目前運(yùn)行平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)工作正常，說(shuō)明鉆機(jī)散熱系統(tǒng)滿足散熱需求。

4 結(jié)論

綜合以上分析，當(dāng)鉆機(jī)以全功率正常工作，工作時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的最高溫度有78.9℃，較接近設(shè)計(jì)要求的85℃上限。但事實(shí)上，鉆機(jī)不可能無(wú)限工作，一定會(huì)有操作間隙和輔助時(shí)間，故發(fā)熱功率要比計(jì)算時(shí)小，而散熱時(shí)間要比計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。從應(yīng)用效果可以看出，鉆機(jī)在正常工況持續(xù)工作情況下，液壓系統(tǒng)的溫度只達(dá)到76℃，所以，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)散熱器的選型滿足使用要求，并有一定的安全儲(chǔ)備。

［1］張旭，等.2000 m全液壓巖心鉆機(jī)下放鉆桿過(guò)程中液壓系統(tǒng)熱平衡分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(11):29－31.

［2］高富麗，等.我國(guó)地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1):3 －8.

［3］蘇爾皇.液壓流體力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

［4］王文斌，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］蔡廷文.液壓系統(tǒng)現(xiàn)代建模方法［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Performance Analysis on Heat Radiation System of 600m Tunnel Drilling Machine

LI Wen-xiu，ZHANG Xu(The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China)

The 600m tunnel drilling machine is driven by hydraulic.In the working process，the hydraulic system generates a lot of heat which will be radiated by radiation system.According to heat output power，fan-cooled radiator was preliminarily chosen，and effective radiating area of the radiator slice was 25m2.In this paper，the function of heat change with time was derived and by the functional changes and extremum，radiator efficiency of hydraulic system was verified.

tunnel drilling machine;hydraulic system;heat radiating system;heat balance

P634.3+1

A

1672－7428(2011)09－0072－02

2011－03－16

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“1500 m地質(zhì)取心深孔鉆探技術(shù)研究”(1212010816011)

李文秀(1974－)，男(漢族)，河北盧龍人，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所高級(jí)工程師，機(jī)械電子專業(yè)，從事非開(kāi)挖設(shè)備、巖心鉆機(jī)研究與制造工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，wenxiu－li@163.com。