一種采煤機(jī)新型回油冷卻器的設(shè)計

李茂清

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦，山西大同 037000）

0 引言

采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)大多采用了開式回路，由于受到結(jié)構(gòu)的約束，其油箱不應(yīng)過大，為了對油溫加以控制，避免其出現(xiàn)過高現(xiàn)象，一般會運(yùn)用強(qiáng)制冷卻的方法，在主回油路中與油箱油口相接近的部位安裝冷卻器，利用冷卻水來發(fā)散出油液的熱量。采煤機(jī)在礦井中的工況較為惡劣，現(xiàn)存的冷卻器存在較高的故障率，在某些礦區(qū)會頻繁損壞，并且不斷發(fā)生內(nèi)部泄漏問題，對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及礦井的安全生產(chǎn)造成了極大的影響。因此，本文針對采煤機(jī)回油冷卻器產(chǎn)生的故障進(jìn)行改良設(shè)計［1］。

1 原因分析

原采煤機(jī)所采用的回油冷卻器一般為翅板式或全釬焊式，以不銹鋼為材質(zhì)，其耐壓的壓力為3 MPa。存在的關(guān)鍵故障就是內(nèi)部泄漏，經(jīng)過相關(guān)分析，該冷卻器故障頻繁發(fā)生的原因如下。

（1）受到大流量的沖擊，翅板間存在的阻力持續(xù)增加、采煤機(jī)搖臂降低時，一些調(diào)高油缸的無桿腔可以達(dá)到80 L/min的回油流量，翅板間產(chǎn)生了較大的回油阻力，處于大流量及大壓力的沖擊下，翅片出現(xiàn)變形，甚至裂縫出現(xiàn)爆裂問題。

（2）翅板式焊接結(jié)構(gòu)不具有較強(qiáng)的抗振性，礦井中的工況較為惡劣，冷卻器也會因采煤機(jī)運(yùn)行而出現(xiàn)嚴(yán)重的振動現(xiàn)象，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的焊縫出現(xiàn)松動，不具有較高的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致翅板之間出現(xiàn)串漏問題。

（3）水或油液的污染物質(zhì)將會導(dǎo)致流道出現(xiàn)堵塞，而翅板式結(jié)構(gòu)的流道會隨著壓降的突然降低而不斷變小，如果介質(zhì)受到污染，極易因堵塞問題而導(dǎo)致壓降增加，導(dǎo)致冷卻器受損，并且極大增加清洗及維護(hù)的難度。

（4）礦井不具有較好的水質(zhì)，內(nèi)部的腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)泄漏。由于礦井水質(zhì)較差，特別是水溫過高的狀況，翅板的隔板及翅片都不具有較大的厚度，腐蝕之后其內(nèi)部極易出現(xiàn)泄漏，無法修補(bǔ)。冷卻器在損壞之后，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出蜂窩式，出現(xiàn)了腐蝕點(diǎn)泄漏的問題［2］。

2 解決方案

處于采煤機(jī)惡劣的工況下，翅板式結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致故障頻繁發(fā)生的關(guān)鍵因素。因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計出一個可以滿足采煤機(jī)使用的新型冷卻器。其設(shè)計原則如下。

（1）可靠性第一。盡管翅板式冷卻器具有緊湊的結(jié)構(gòu)及較好的性能，但是在使用的過程中不斷出現(xiàn)損壞問題，導(dǎo)致其出現(xiàn)較大的損失，采煤機(jī)的工況較為惡劣，因此在設(shè)計及選型的時候應(yīng)當(dāng)以可靠性為前提。

（2）冷卻效果應(yīng)當(dāng)以可以實(shí)現(xiàn)調(diào)高系統(tǒng)的溫控要求為基準(zhǔn)。所涉及的采煤機(jī)回油未產(chǎn)生背壓損失，發(fā)熱量較小，對于冷卻器也沒有提出較高的要求，不需要選擇翅板式冷卻器。

（3）成本更低，性價比較高。

（4）新產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)與原有產(chǎn)品保持相同的安裝尺寸，互換性不受到影響［3］。

3 原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了增強(qiáng)穩(wěn)定性，設(shè)計了殼管式冷卻器，如圖1所示，

圖1 殼管式冷卻器結(jié)構(gòu)

其特征為：

（1）冷卻器的結(jié)構(gòu)為殼管式，其構(gòu)造較為簡單，利于維修，蛇形管可以直接設(shè)置在油液的容器內(nèi)，冷卻水在經(jīng)過管道時會消散出一部分熱量，其加工工藝較為簡單，成本較低；

（2）蛇形管大多以紫銅為材質(zhì)，具有較好的散熱性、抗腐性，可以承載高壓；

（3）焊接的部位較少，并且增強(qiáng)了焊接的強(qiáng)度與抗振的性能，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)提出的各個要求，內(nèi)筒的作用在于支撐蛇形管，避免出現(xiàn)松動；

（4）冷卻水在經(jīng)過蛇形管的時候，油液與冷卻水出現(xiàn)逆向流動，提高流動速度；

（5）在設(shè)計結(jié)構(gòu)的過程中，盡量使冷卻水與油液保持流動，以提高熱量傳導(dǎo)的水平；筒體與水管之間的間隙及各個管體之間的間隙都較小，可以確保油液的流動方向始終沿著水管螺旋線的方向，以有效散熱［4］。

4 驗(yàn)算

4.1 散熱性能驗(yàn)算

當(dāng)液壓系統(tǒng)長期處于工作狀態(tài)時，為了不增加系統(tǒng)的溫升，必須確保系統(tǒng)熱量得到徹底發(fā)散，即冷卻器的冷卻功率為：

式中：H為系統(tǒng)產(chǎn)生的發(fā)熱功率，W；H1為油箱產(chǎn)生的散熱功率，W。

假設(shè)液壓體系始終處于調(diào)高狀態(tài)，根據(jù)調(diào)高的實(shí)際壓力及流量來進(jìn)行計算可知，冷卻器產(chǎn)生的功率H2應(yīng)不小于1 155 W。

油與水之間存在的溫度差為：

式中：t1和t2分別為液壓油進(jìn)口、出口的溫度，K；t1′和t2′分別為冷卻水進(jìn)口、出口的溫度，K；A 為散熱的面積，mm2；k為冷卻器的傳熱系數(shù)，將蛇形管的冷卻水定為k ＝175 W/（m·K）。

根據(jù)式（2）、（3）可以計算出新型冷卻器LQW138 的運(yùn)行功率，其數(shù)值為1 500 W，與散熱的相關(guān)要求相吻合［5］。

4.2 水管阻力驗(yàn)算

處于相應(yīng)的冷卻水流量之下（其流速維持在1 ～1.2 m/s），冷卻器產(chǎn)生的壓力損失應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.2 MPa。

水管兩端壓降：

式中：v為管內(nèi)液體的速度，m/s；d 為管道的內(nèi)徑，mm；l為螺旋水管的展開長度，m。

對于黏性、雷諾系數(shù)Re 及管壁的粗糙程度等不加以考慮，利用式（4）來計算出Δp，其數(shù)值為0.046 MPa，與設(shè)計要求相吻合［6］。

5 出廠試驗(yàn)

在進(jìn)入主機(jī)之前，對其開展有效的出廠檢驗(yàn)如下。

（1）耐壓試驗(yàn)

焊接完成之后必須開展耐壓試驗(yàn)，分別對冷卻水管及承壓殼體進(jìn)行相應(yīng)的打壓，其壓力的試驗(yàn)值為5 MPa，維持10 min，各個焊接縫及接口不存在滲漏問題［7］。

（2）通油（水）試驗(yàn)

筒體內(nèi)通油，對其進(jìn)口及出口（M30）的壓降進(jìn)行測量；冷卻管內(nèi)通水，對其進(jìn)口及出口（M22）的壓降進(jìn)行測量，確保其壓降數(shù)值小于0.2 MPa。

6 使用效果

第一次驗(yàn)證：對于以往頻發(fā)故障的某個礦區(qū)，采煤機(jī)進(jìn)行了新型冷卻器的質(zhì)量追蹤與改良，經(jīng)過180 d 的實(shí)際驗(yàn)證之后，該冷卻器并未產(chǎn)生故障，運(yùn)行具備較高的穩(wěn)定性，油箱中油液存在的溫度可以滿足正常的使用條件，其溫度必須低于55 ℃，具有較好的散熱性［8］。

目前已經(jīng)在多個系列的大型采煤機(jī)和多個礦區(qū)中得到廣泛運(yùn)用，新型冷卻器的應(yīng)用極大改善了采煤機(jī)液壓體系存在的問題，增強(qiáng)了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了生產(chǎn)的成本。

7 結(jié)束語

總之，新設(shè)計的采煤機(jī)回油冷卻器，在經(jīng)過多次耐壓試驗(yàn)以及通油（水）試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其各項性能都符合使用需求，且經(jīng)采煤機(jī)長期實(shí)際安裝應(yīng)用，該冷卻器冷卻效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，能很好地降低采煤機(jī)油箱中的油液溫度，該種新型采煤機(jī)回油冷卻器具有一定的推廣應(yīng)用價值。