采煤機電機冷卻系統(tǒng)的配置

張 健

（山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200）

引言

采煤機為綜采工作面的關鍵機電設備，由于工作面空間狹小，要求采煤機機身較矮。通常，采煤機截割電機、牽引電機的功率均高于100 kW，在實際運行過程中采煤機電機會發(fā)出大量的熱，使其在單位體積內(nèi)的發(fā)熱量增加，從而導致電機各部分溫度升高[1]。為保證采煤機的截割效率及運行安全性，需解決好其電機發(fā)熱、散熱的問題。因此，本文將開展關于采煤機電機冷卻系統(tǒng)的研究。

1 冷卻系統(tǒng)概述

根據(jù)電機冷卻系統(tǒng)所采用介質(zhì)的不同可分為空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻以及油冷卻等?？諝饫鋮s系統(tǒng)的結構簡單，但是其冷卻效果較差無法達到效果。氫氣冷卻系統(tǒng)主要被應用于大型電機的冷卻，而采煤機電機屬于小型電機。油冷系統(tǒng)最早應用于20世紀30 年代，在此啟發(fā)之下水冷卻系統(tǒng)被廣泛應用。一般地，鑒于采煤機電機結構小且發(fā)熱量大，對冷卻介質(zhì)提出如下要求：

1）要求冷卻介質(zhì)的導熱系數(shù)大，具有較大的熱交換能力；

2）要求冷卻介質(zhì)具有較大的比熱容，即降低同樣溫度時所需冷卻介質(zhì)的量較少；

3）要求冷卻介質(zhì)的密度較小，即對應的通風阻耗較小；

4）要求冷卻介質(zhì)化學穩(wěn)定性好，對電機機械結構及液壓結構無損傷[2]。

綜上所述，以氫氣為冷卻介質(zhì)，成本較高且化學穩(wěn)定性不好，以油為冷卻介質(zhì)時，密度較大，不利于提升電機的工作效率。因此，本方案最終選用以水為冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)。

2 水冷電機的結構設計

2.1 水冷結構尺寸的設計

對于水冷卻電機的而言，其關鍵結構為水管路尺寸及其水路分布方向的確定。針對水冷電機冷卻水管路冷卻位置的不同可分為對電機機殼進行冷卻，對機殼加端蓋的位置進行冷卻，對機殼加端蓋加轉軸進行冷卻。經(jīng)研究可知，對機殼加端蓋加轉軸進行的冷卻效果最佳，其次為對機殼加端蓋進行冷卻，僅對機殼進行冷卻的冷卻效果最差。但是，綜合考慮上述三種冷卻位置的結構成本和散熱效果得出如下結論：

1）對轉軸進行冷卻需再為其配置專用的水道，其中水道的密封對相關技術要求較高，實現(xiàn)難度較大；

2）對端蓋進行冷卻雖然冷卻效果明顯，但是其僅適用于滾動軸承或軸向通風軸承電機的冷卻[3]。

綜上所述，采用對電機機殼進行冷卻方式實現(xiàn)水冷系統(tǒng)的設計。綜合考慮水冷卻電機的后期維修及操作的便捷性，將水冷卻電機的出水口和進水口的位置設計于電機的非軸伸端，并將水冷電機的水路設計于機殼的中部位置處，如圖1 所示。

如圖1 所示，水冷卻電機的冷卻水管路的總長度為530 mm，位于水冷電機定子鐵外部的機殼內(nèi)且機殼的直徑為380 mm，并將水冷卻電機兩側位置設計為冷卻水路的盲端。

2.2 冷卻水管路分布方向的設計

圖1 水冷電機水路分布位置及其尺寸示意圖（單位：mm）

根據(jù)冷卻水管路圍繞電機流動的方向不同，可分為周向水路和軸向水路。其中，周向水路指的是冷卻水沿著電機機殼周圍呈現(xiàn)螺旋分布的方式流動；軸向水路指的是冷卻管路沿著冷卻電機的軸向方向流動[4]。兩種冷區(qū)水管路的分布情況如圖2 所示。

圖2 不同冷卻水管路分布

經(jīng)對比分析可知，兩種冷卻水路的分布方式的優(yōu)劣性對比如下：周向水路冷卻水的流動阻力較小且散熱效果好，但是此種冷卻水管路結構復雜，容易在電機兩段產(chǎn)生溫度差；對于軸向冷卻水管路而言正好相反，其結構簡單，對于電機的散熱相對均勻，散熱效果好，但是該種冷卻水管路的水流阻力較大，需在入水口提供一定的壓力。因此，綜合考慮采煤機電機的實際安裝及制造工藝，最終采用軸向冷卻管路的分布方式，并在管路內(nèi)涂防銹漆防治管路銹蝕等現(xiàn)象的發(fā)生[5]。對應軸向水路斷面結構如圖3 所示。

圖3 軸向水路斷面結構示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，在電機軸向方向采用隔板將整個水路平均分為16 個區(qū)域，且隔板的材質(zhì)為鋼板，厚度為10 mm，管路外水套的厚度為5 mm，機座厚度尺寸為11 mm。

3 水冷電機的機械設計

采煤機涉及到截割電機、牽引電機的功率較大，為保證實際生產(chǎn)需求，要求電機轉軸與機座的強度和剛度滿足要求。結合第2 節(jié)中所設計水冷電機的冷卻水管路和分布情況，并綜合考慮電機輸出軸對承載能力、受力均勻的要求，設計如圖4 所示的電機結構。

如圖4 所示，采煤機電機水冷卻管路的進水口和出水口均設計于非軸伸端的位置，便于整個冷卻水的循環(huán)、使用；水冷電機銷子和手柄的配置便于后期對其進行維修和護理；為滿足采煤機電機承載力大且受力均勻的情況，為電機輸出軸配置漸開線花鍵。其中，所選用漸開線花鍵的具體型號為EXT19Z×2M×30P，其關鍵參數(shù)如下：花鍵齒數(shù)為19 個，模數(shù)為2，花鍵平均直徑為38 mm，花鍵大徑為40 mm，花鍵小徑為35 mm。

圖3 水冷電機結構示意圖（單位：mm）

軸承為電機的關鍵部件，結合電機的承載及受力情況選用電機軸承的型號為6317，該型軸承的外徑為180 mm，厚度為41 mm，額定靜載荷為132 kN，額定動載荷為96.5 kN。經(jīng)校核，該軸承的當量動載荷為2.2 kN。為保證采煤機運行的可靠性和安全性，對應軸承的可靠性設定為99%，得出其可用時長為1.9×107h，滿足實際生產(chǎn)需求。

4 結論

1）綜合對比空氣、氫氣、油、水等冷卻介質(zhì)的冷卻效果及性能，確定以水為冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)；

2）綜合對比機殼冷卻、機殼加端蓋冷卻以及機殼加端蓋加軸冷卻的效果及結構特點，確定以機殼冷卻的核心冷卻方式；

3）綜合對比電機軸向管路冷卻和周向管路冷卻的冷卻效果，結構特點以及管路阻力，確定采用電機軸線管路的冷卻方式；

4）為保證采煤機電機運行的可靠性對電機總體結構及花鍵、軸承等關鍵零件進行選型設計，其中花鍵型號為EXT19Z×2M×30P，軸承型號為6317。