煤礦掘進設備冷卻系統研究與應用

暴曉慶，高 蕾，祖賀軍，趙慧杰

（兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引言

煤礦掘進設備（以下簡稱“掘進設備”）是煤礦巷道掘進和開采的關鍵設備，集截割、裝載、運輸、行走、除塵等多種功能于一體，發展煤礦掘進設備技術、提高煤礦掘進工藝水平對于緩解我國煤礦“采掘失衡”矛盾、構建安全高效集約化生產保障體系具有重要意義。掘進設備在實現其各項功能的過程中，會產生功率損耗和熱量，受煤礦井下通風差、空間小、粉塵多、水壓不穩等條件的限制，產生的大量熱量如果不能夠及時消解和處理，必然會降低各功能元部件的性能和使用壽命，進而影響設備整機的可靠性，也不符合煤礦綠色高效智能開采的發展趨勢。

基于此，筆者對煤礦掘進設備的冷卻系統進行了研究，分析了掘進設備主要熱源，探討了掘進設備幾種冷卻方式的特點及確定原則，并以某連續采煤機為實例，給出了掘進設備冷卻系統的計算方法，并根據應用實例驗證了計算分方法的可靠性；以掘進機為例，探討了煤礦設備應用于非煤領域時，冷卻系統如何改進設計以滿足實際作業環境的需要。

1 掘進設備熱源分析

掘進設備熱源主要源自機械傳動系統、電氣系統和液壓系統三部分。

1.1 機械傳動系統

掘進設備的截割機構、裝載機構、行走機構、運輸機構一般由1個或多個減速器驅動，減速器傳遞能量過程中會產生嚙合損失、攪油損失、軸承損失、密封損失等，能量損失主要轉化為熱量。減速器內部發熱是不均勻的，產生溫度梯度，熱量由高溫處向低溫處傳導，形成齒輪箱內部的導熱。

1.2 電氣系統

掘進設備電氣系統主要包括電控箱、變頻器控制箱、電動機、功能件等。電動機在運轉過程中，電動機定子與轉子線圈的電流熱損耗、定子鐵芯損耗、摩擦損耗以及雜散損耗等能量損耗最終都將轉化為熱量；電控箱、變頻器控制箱在運行時，內部集成的電路、變壓器、變頻器等會存在一定能量損耗，該部分損耗也將轉換為熱量；功能件也產生一定的熱量，但在總熱量里可以忽略不計。

1.3 液壓系統

因煤礦井下作業環境和作業方式的因素，掘進設備液壓系統的冷卻一直是個難題，如果解決不好將影響設備的正常工作，甚至造成系統的故障與失效。其主要包括泵、控制閥、執行元件和管路接頭等，在實現能量轉換與傳遞過程中,液壓系統各環節的阻力會消耗一部分能量,體現為流量和壓力損失。流量損失無關熱量形成；壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失,前者由液壓油流動時的內摩擦引起，后者由液流方向或流速等的突然變化,在局部區域內形成漩渦,質點碰撞、摩擦等引起。壓力損失使能量消耗增加,有效輸出能量減少，功率損耗轉變為熱量。此外,液壓執行元件的機械摩擦副之間的摩擦阻力也會損耗一定的能量,這部分能量損耗轉換為熱量也可使液壓系統升溫。液壓系統溫度過高還有以下原因：巷道通風效果不好，導致散熱無法及時排出；油箱容積太小，致使散熱面積受限；設備管路布置集中、走線長，致使熱量集中，散熱速度慢。

2 掘進設備冷卻方式選擇

2.1 冷卻方式特點

常規冷卻方式主要有自熱平衡和強制冷卻兩大類，強制冷卻又包括水冷卻、風冷卻、蒸發冷卻等方式。自熱平衡不依賴外部輔助設施，元部件在耐溫極限點之前達到自身發熱與散熱的平衡，使用維護成本最低，可靠性最高。水冷卻是在元部件內部設置冷卻管路，利用流動的水將元部件產生的熱量吸收，實現對元部件的冷卻，具有結構緊湊、響應速度快、冷卻效率高等優點。根據冷卻水的循環方式，水冷卻可分為開式和閉式兩種，比如，連續采煤機、掘錨一體機的水冷卻系統，水源進入設備后，經過各元器件后，最終流入巷道自然排出；而梭車采用閉式冷卻系統，即自帶水源實現水路的循環，這種冷卻方式效果差。風冷卻是利用空氣流動帶走元部件產生的熱量，具有結構簡單、輔機系統少、安裝維護方便、費用低和運行可靠等優點。蒸發冷卻是利用流體沸騰時汽化潛熱來吸收熱量，管道內冷式蒸發冷卻的基本原理為：當電機繞組空心導體內部通以冷卻液體，吸收損耗產生的熱量，溫度逐漸升高，當液體的溫度達到壓力所對應的飽和溫度時，就改變其物理狀態而沸騰汽化，從而帶走電機產生的熱量。具有溫升低、冷卻效果全面、操作維護方便和運行安全的優點。

2.2 冷卻方式選擇

由于作業空間的限制，掘進設備減速器均為大比功率減速器，采用高粘度潤滑油，能夠在90℃溫度下正常運行，且一般滿負荷運行時間較短，因此，優先選用自熱平衡的方式；如不能實現自熱平衡，局部可引入水冷卻，提高冷卻效果。電氣系統方面，掘進設備一般采用高密度大容量電機，溫度過高會造成內部結構應力的變化和內部氣隙的微小變化，進而影響電動機的動態響應，高速運轉時易失步，變頻控制器是電氣元件中發熱較大的一類元件，需要保持在相對穩定的溫度下才能發揮最大效能，因此電機和變頻控制器優先選擇水冷卻，并且優先選用開式；常規電控箱內部元器件發熱小，箱體散熱面積大，自熱平衡即能滿足使用要求；除塵風機處于風流中，不需另加冷卻；泵站電機設備啟動即運行，為保證冷卻的效果，一般選用風冷電機。液壓系統對溫度比較敏感，高溫耐受性差，油溫超過70℃整體效率會直線下降，因此優先選用水冷卻。

3 掘進設備冷卻系統計算

3.1 自熱平衡計算

在進行減速器設計時，先計算傳動齒輪系彎曲強度和疲勞強度，箱體剛度和強度，在上述計算全部通過后，再驗證減速器的自熱平衡。因為減速器內部轉化的熱量由高溫處傳導至減速器外殼低溫處，再經殼體散發至周圍空間，由流動的空氣帶走，所以減速器設計，應盡可能增加散熱面積，便于實現自熱平衡。

減速器連續工作產生的熱量：

式中：η是減速器傳動效率；P1是減速器輸入功率。

減速器最大排熱量：

式中：K為熱傳導系數，一般K=8.7～17.5；S為減速器散熱面積，m2；θymax為最大許用溫度，掘進設備允許到90℃；θ0為環境溫度，正常情況下取20℃。

因為連續采煤機各減速器均為間斷工作制，所允許的最大散熱功率：

式中：Pi為加載時段功率；ti為加載時段時間。

3.2 水冷卻計算

3.2.1 元部件發熱量計算

為簡化水冷卻計算，假定需冷卻元部件為一個均勻的發熱體，其散熱系數和比熱系數均為常數。

元部件發熱量可以從額定功率和效率來計算求得：

式中，Pw為元部件的發熱量，kW；PN為元部件額定功率，kW；η為效率。

3.2.2 冷卻水總流量計算

一般情況下，元部件發熱量10%可以通過自身散熱，冷卻水每小時在冷卻管道中的總流量的計算式為：

式中：Q為每小時需要冷卻水的總流量，m3/h；ρ為冷卻水的比重，1000；cm為冷卻水的比熱，取4.187kJ（kg×℃）；Δθ為冷卻水允許的溫升℃，掘進設備Δθ的推薦取值30℃。

3.2.3 冷卻溫升計算

冷卻水實際溫升的計算公式：

式中：Qw為取一定裕度后的實際冷卻水流量，m3/h。通常按20%的裕度進行計算。

3.3 風冷卻計算

掘進設備風冷卻應用相對較少，一般只有泵站電機會采用，風冷卻電機的溫升推薦控制在30℃，即：

式中：θ為電動機的溫升，K；Pw為電動機的發熱量，W；S為電動機的散熱面積，m2；K為修正系數，風冷修正系數一般取24.5。

4 應用實例

4.1 連續采煤機應用在煤礦上的冷卻系統設計

以某連續采煤機冷卻系統為例對其自熱平衡、水冷卻相應參數進行計算。截割減速器、裝運減速器、行走減速器屬于自熱平衡，按照式（1）、式（2）、式（3）進行計算，所允許的最大散熱功率P0分別為378kW、56kW、75kW，大于設備的實際功率P分別為340kW、45kW、50kW，符合自熱平衡的要求。

水冷卻主要冷卻170kW截割電機、45kW裝運電機、50kW行走電機、2臺100kW變頻控制器和液壓系統，其中電機是隔爆、三相異步電機。由于防爆電機沒有安裝通風風扇，風損耗很小，風冷卻可以忽略不計。按照式（4）、式（5）計算，每小時在冷卻管道中的總流量Q=4.38m3/h，即73L/min，考慮到除塵噴霧的需要，冷卻水量實際采用100～120L/min。

目前，該型連續采煤機已累計銷售50余臺，應用于朔北礦區、王臺鋪煤礦、王家嶺煤礦、榆林礦區、府谷礦區等，沒有出現因為冷卻系統故障嚴重影響生產的案例。

4.2 掘進機應用在非煤礦山的冷卻系統改進設計

某掘進機應用于鉀鹽礦山的施工生產中，其冷卻系統是針對煤礦作業環境設計的，由于鉀鹽礦遇水溶解的特點，導致原冷卻系統的設計無法滿足非煤礦山的需求，因此，在對原冷卻系統原理與特點進行分析的基礎上，進行了改進設計。①在冷卻方式上，將對液壓系統和電機的冷卻由水冷卻改為風冷卻。②為提高冷卻效率，由原來一個回路改為兩個回路，即一路選用合適散熱功率的風冷卻器對液壓回油進行冷卻，采用控制程序確保溫度大于一定溫度（40℃）時，風冷卻器開式工作；另一路選用合適散熱功率的風冷卻器對泵站電機和截割電機進行冷卻。③在水循環方式上，將冷卻水循環由開式改為閉式，原水循環由外接水源接入，經球閥、反沖洗過濾器、減壓閥、液壓回路冷卻器、油泵電機、截割電機后，經截割噴霧噴嘴噴出；改進后的水路增加了水箱，冷卻水由水箱在水泵的作用下，經溢流閥、泵站電機、截割電機、過濾器、風冷卻器后進入水箱，形成一個內循環。以上改進設計即滿足了掘進機本身對冷卻的要求，又避免了冷卻水的外排對鉀鹽造成的損失，符合鉀鹽礦山作業環境對掘進設備的要求。圖1是掘進機冷卻系統原理圖，圖2是改進后電機冷卻回路圖。

圖1 掘進機冷卻系統原理圖

5 結語

掘進設備的熱源主要源自機械傳動系統、電氣系統和液壓系統；煤礦井下的工作環境決定了煤礦類設備冷卻系統的設計要結合特殊的工況特點。根據煤礦掘進設備的實際工況，確定設備各系統和相關元部件的冷卻方式，并按標準計算方法設計、計算和校核。也要考慮到將不同的冷卻方式結合使用，并在實踐中不斷總結經驗，為設計提供重要依據。某型連續采煤機和掘進機的設計與應用表明：對設備進行系統化的冷卻研究，既可以簡化設備冷卻系統，降低成本，也可以保證設備的可靠性，提高系統的效率。