煤礦掘進(jìn)設(shè)備冷卻系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

馮曉劍

（山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300）

引言

礦井掘進(jìn)設(shè)備作為井下開采煤炭及開通道路的重要設(shè)備，具備運(yùn)送、裝載、清塵、截割等功能。在我國目前煤礦安全性較差、采煤效率低下的情況下，如何提高掘進(jìn)設(shè)備的技術(shù)水平是一個(gè)亟待解決的問題。掘進(jìn)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)元件會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，但礦井下環(huán)境較為封閉且空氣中灰塵較多，嚴(yán)重限制了整個(gè)機(jī)器的散熱速度，不僅大大降低了掘進(jìn)設(shè)備的部件的性能和預(yù)期使用壽命，而且為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行埋下安全隱患[1-6]。因此，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的各部件進(jìn)行了詳細(xì)分析，根據(jù)其主要的熱量來源，提出了幾種針對(duì)性的冷卻方法。以國內(nèi)某礦采煤機(jī)為例，對(duì)其冷卻系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。本文所提及方法也可應(yīng)用于其他環(huán)境，以滿足現(xiàn)實(shí)運(yùn)行環(huán)境的需求。

1 熱量來源分析

掘進(jìn)設(shè)備的主要熱量由機(jī)械傳動(dòng)部件、電氣部件及液壓部件三個(gè)部分產(chǎn)生。以下對(duì)這三種熱量來源進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 機(jī)械傳動(dòng)部件

掘進(jìn)設(shè)備的截割、裝載、輸送等功能主要由減速離合箱的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在此過程中必然會(huì)存在嚙合摩擦、軸承摩擦等，這將產(chǎn)生大量熱量。減速離合箱各處的溫度并不相等，溫度差使齒輪箱內(nèi)部存在熱量傳遞。

1.2 電氣部件

掘進(jìn)機(jī)中的電氣部件有電機(jī)、多個(gè)低壓開關(guān)設(shè)備以及與之相關(guān)的控制、測量、信號(hào)、保護(hù)、調(diào)節(jié)等設(shè)備等。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈與定子摩擦、鐵芯損耗及其他部件損耗都會(huì)產(chǎn)生熱能，低壓開關(guān)設(shè)備及各控制電路的也會(huì)產(chǎn)生可觀的熱量。

1.3 液壓部件

惡劣的井下環(huán)境導(dǎo)致液壓部件不易散熱，液壓部件的散熱對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵，若不能處理好這個(gè)問題，系統(tǒng)易出現(xiàn)故障失靈，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的有序進(jìn)行和礦下工作人員的生命安全。液壓部件主要是指泵、控制閥及相關(guān)執(zhí)行單元，液壓部件在運(yùn)行時(shí)，各部分的阻力會(huì)造成壓力損失，壓力損失主要指液體流通過程的壓力損失和局部壓力損失，即機(jī)油內(nèi)部摩擦損失和機(jī)油流通速度引起的碰撞或摩擦損失。這將導(dǎo)致輸出能量不足，以熱量的形式散發(fā)出去。執(zhí)行單元間的摩擦也是產(chǎn)生的熱量也是系統(tǒng)溫度升高的原因之一。整個(gè)系統(tǒng)散熱效果不好的原因還有井下封閉、油箱表面積較小、各部件相距過近等。

2 冷卻方法

2.1 冷卻方法介紹

冷卻方法主要可分為自動(dòng)冷卻與被動(dòng)冷卻兩種類型。自動(dòng)冷卻是在不借助外部設(shè)備的條件下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自身溫度自動(dòng)降低，這種方式的運(yùn)行成本較低且穩(wěn)定性較高。被動(dòng)冷卻包括風(fēng)冷、水冷及蒸發(fā)等外部方式。其中風(fēng)冷指通過空氣的循環(huán)將設(shè)備的熱量散發(fā)至外界，其優(yōu)點(diǎn)主要是輔助設(shè)備簡單、裝卸方便、運(yùn)行成本低及可靠性強(qiáng)等；水冷即通過在設(shè)備內(nèi)部同時(shí)加裝循環(huán)水管道，通過循環(huán)流動(dòng)的冷水與元器件散發(fā)的熱量吸收，其主要優(yōu)點(diǎn)是水的比熱容較大冷卻效果好，且安裝管道占用體積較??；蒸發(fā)冷卻的原理是通過液體蒸發(fā)的方式將熱量散發(fā)到外部，在管道內(nèi)部注入沸點(diǎn)較低的液體，當(dāng)其吸收設(shè)備內(nèi)部熱量后，溫度達(dá)到沸點(diǎn)，發(fā)生汽化從而帶走電機(jī)內(nèi)部的熱量，實(shí)現(xiàn)降低設(shè)備溫度的目的。蒸發(fā)冷卻方式的主要優(yōu)點(diǎn)是冷卻效果較好，安全性較高等。

2.2 冷卻方法選擇

減速離合箱的內(nèi)部空間較小，且其在90 ℃以上的環(huán)境下仍可維持正常運(yùn)行，對(duì)散熱的要求較低，一般采用自動(dòng)冷卻方法，若在極端情況下不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)冷卻，則可輔助水冷方式進(jìn)一步加強(qiáng)冷卻效果。電氣部件中，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部溫度較高時(shí)，其響應(yīng)效果會(huì)受到較大影響，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易處于不同步狀態(tài)，變頻控制元件也需在合適溫度下才能實(shí)現(xiàn)較好的控制效果，所以電動(dòng)機(jī)與控制元件應(yīng)當(dāng)首先考慮采用水冷方法。低壓開關(guān)設(shè)備散發(fā)的熱量較小，因此自動(dòng)冷卻即可滿足熱量平衡要求。泵站的電機(jī)則升溫速度較快，因此應(yīng)采用風(fēng)冷方法保證其運(yùn)行效果。液壓系統(tǒng)內(nèi)元器件溫度超過70 ℃時(shí)則工作效率急劇下降，可采用水冷方法降低油溫。

3 冷卻系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

3.1 自動(dòng)冷卻

對(duì)減速離合箱的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定傳動(dòng)齒輪的彎曲剛度、箱體剛度及疲勞強(qiáng)度等參數(shù)，隨后根據(jù)這些參數(shù)驗(yàn)證其冷卻效果。減速離合箱的散熱面積對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)冷卻尤為重要，應(yīng)盡可能增大散熱面積。減速離合箱在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)散發(fā)的熱量為：

式中：η 為減速離合箱的工作效率；P1為正常工作時(shí)所需功率。

減速離合箱的散熱量為：

式中：K 為散熱系數(shù)，其范圍通常在8.7～17.5 之間；S為散熱面積；θymax為最高工作溫度；θ0指工作現(xiàn)場溫度。由于減速離合箱處于斷續(xù)工作狀態(tài)，其最大散熱功率為：

式中：Pi與ti分別為啟動(dòng)時(shí)間的功率和時(shí)長。

3.2 水冷

假設(shè)元器件的表面溫度相等，則散熱效率與比熱容恒定，元器件的散熱量可由下式得到：

式中：Pw為單位時(shí)間內(nèi)散熱量；PN為額定功率。

循環(huán)水在1 h 內(nèi)流通總量為：

式中：Q 為流通總水量；ρ 為水的比例，取1 000；cm為水的比熱容，取4.187 kJ；Δθ 為水的最大允許溫差，一般取30℃。

根據(jù)式（5），循環(huán)水的實(shí)際上升溫度為：

式中：Q 的取值為理論總水量乘以1.2 倍的安全裕度；C 為水的比熱容。

3.3 風(fēng)冷

泵站電動(dòng)機(jī)的最高上升溫度應(yīng)在30℃之內(nèi)，則應(yīng)滿足式（7）：

式中：Pw為散熱效率；S 為散熱面積；K 為調(diào)節(jié)系數(shù)，取24.5。

4 應(yīng)用效果分析

以國內(nèi)某礦井采煤機(jī)為例，根據(jù)第三小節(jié)公式對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，可得自動(dòng)冷卻、水冷、風(fēng)冷的最大散熱功率分別為378 kW、56 kW、75 kW，超過設(shè)備實(shí)際發(fā)出功率，滿足自動(dòng)冷卻需求。采用水冷方法的截割、裝載、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)擊及控制系統(tǒng)根據(jù)水冷的計(jì)算公式可得冷卻水在每分鐘內(nèi)需120 L 可滿足冷卻需求。

本文所設(shè)計(jì)的冷卻方法也可應(yīng)用于其他非煤資源的開采現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求與工況，可將這三種冷卻方法進(jìn)行靈活改變與組合。如圖1 所示為本文所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 冷卻系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

本文主要對(duì)礦井的掘進(jìn)設(shè)備具體部件的散熱方法進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算，其中包括傳動(dòng)設(shè)備、電氣設(shè)備及液壓設(shè)備等部分，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在礦井下的實(shí)際工作環(huán)境與工作特性，對(duì)各元器件或設(shè)備選擇了合適的冷卻方法，并提出相關(guān)方法的計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性與實(shí)用性。本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)對(duì)煤礦現(xiàn)場的工作效率、運(yùn)行成本及人員的生命安全具有積極意義。