煤礦掘進設備冷卻方法應用分析

武 波

（晉能控股煤業集團白洞礦業公司， 山西 大同 037003）

引言

在煤礦巷道掘進過程中，煤礦掘進設備在其中扮演著非常重要的角色，其可以實現截割、裝載、運輸、除塵等作用。由此可以看出，研發功能強大的掘進設備對于我國當前煤礦“采掘失衡”矛盾起著非常重要的作用。掘進設備在工作時，往往需要消耗大量的能量，同時由于井下工況條件比較復雜，比如空間小、粉塵多以及水壓較大，假如不能及時將熱量清除出去，將會導致各個元件性能以及使用壽命受到限制，同時不能體現煤礦綠色發展的理念。為此，對掘進設備的冷卻方法進行分析。

1 掘進設備熱源分析

掘進設備熱源來源于如下三個方面：第一，機械傳動系統；第二，電氣系統；第二，液壓系統。

1.1 機械傳動系統

通常情況下，掘進設備的各個結構由一個或者多個減速器驅動下動作，在減速器傳遞能量的過程中，通常出現一些傳動問題，諸如嚙合損失、軸承磨損以及密封損失等，將損失轉化成為熱量。減速器在發熱時往往表現為不均勻，同時產生的熱量也表現為階梯型，熱量從高溫向低溫傳遞。

1.2 電氣系統

掘進設備電氣系統主要包括變速器電控箱、電控箱、電動機、功能等幾個單元，其中，電動機在工作的過程中，電動機定子以及轉子線圈，定子鐵芯損耗與摩擦損耗等都會產生熱。電控箱與變頻器運行時，其內部設置的電路、變壓器以及相應的變頻器都可以產生能量；對于功能部件而言，也可以產生熱量，可是在計算的過程中往往將其忽略。

1.3 液壓系統

由于煤礦井下工況條件的限制，掘進機系統液壓冷卻是一個長期困擾的問題。假如不能調整好設備的運行情況，那么將直接導致設備出現故障。經過分析發現泵、控制閥以及執行單元都是容易損壞的元件。在能量傳遞時，液壓系統為能量消耗的環節。壓力損失包括沿程壓力損失、局部壓力損失，其中沿程壓力損失是由于液壓油流動摩擦引發的，局部壓力損失由液體流速突變引起，通常在局部表現為漩渦與摩擦等。壓力損失可以使得能量得到消耗，從而可以有效地降低能量的消耗，功率損耗轉變為熱量。與此同時，在液壓元件中，機械摩擦會在摩擦力的作用下出現磨損而消耗能量，進而將能量轉化成為熱量，誘發液壓系統升溫。液壓系統溫度升高主要表現為如下幾個方面：第一，巷道通風效果不理想，因此產生的熱量不能較好地散發出去；第二，由于油箱容積比較小，進而導致散熱面積嚴重受到限制；第三，由于設備管路設置過于集中，從而導致熱量散發不出去，導致散熱速度比較緩慢。

2 掘進設備冷卻方式的特點與選擇

2.1 冷卻方式特點

通常，冷卻形式包括自熱平衡、強制冷卻兩種。其中，強制冷卻包含水冷卻、風冷卻、蒸發冷卻等。而自熱平衡在散熱的過程中，不需要外設輔助單元，元部件在達到耐熱極限之前，通常可以實現自身發熱以及散熱的平衡，從而導致維護成本大大降低。通常在元部件內部設置冷卻管道，進而達到水冷卻的效果，其可以借助流動水把熱量吸收，進而能夠實現對元件的冷卻功能，該結構具有結構緊湊、效率高以及反應快的優點。從冷卻水循環的方式方面劃分將水冷卻法劃分為開式、閉式。風冷卻原理為空氣的流動性進而帶動元件產生的熱量，其具有結構簡單、便于維護以及運行可靠的特點。通常蒸發冷卻可以借助流體沸騰過程中，汽化潛熱吸收一定的熱量，管道中設置的內冷時蒸發冷卻原理為假如電機繞組中的空心導體設置有冷卻液體，其可以吸收損耗熱量，同時其溫度也會升高。當液體的溫度升到相應的飽和溫度時，通過物理特性蒸發帶走電機中的熱量。

2.2 冷卻方式的選擇

鑒于掘進機的工況條件限制，通常掘進機減速器往往設置成為大功率，潤滑形式為高黏度的油，其可以在高達90 ℃溫度下工作，與此同時，由于其滿負荷運行的時間比較短，為此建議選擇自熱平衡的形式進行散熱。假如不采用自熱平衡的形式，局部可以采用水冷卻的形式進行冷卻，進而可以達到冷卻的效果。從電氣系統的層面進行分析，通常掘進設備主要使用高密度大容量電機，當溫度過高時，引發內部結構出現微弱的變化，進而對電動機的動態響應產生一定的影響。當電機出現高度運轉失步時，變頻控制器在電氣裝置中是最重要的散熱元件，其只有處于最穩定的工作環境中，才可以發揮作用，為此對于電機和變頻控制器需要選擇水冷卻的散熱形式，同時優先考慮開式。由于液壓系統對溫度箱規敏感，當油溫度達到70 ℃時，整體性能出現下降的趨勢，為此可以選擇水冷卻的形式進行散熱。對于常規電控箱而言，由于其內部元器件發熱少，箱體散熱面積比較大，因此選用自熱平衡即可滿足散熱的需要。

3 掘進設備冷卻系統計算方法

3.1 自熱平衡計算方法

在優化減速器的過程中，必須對傳動齒輪系的受力強度進行計算，比如彎曲強度、疲勞強度、缸體的剛度以及強度。當滿足力學需要的情況下，對減速器的自熱平衡進行驗證。減速器在散熱的過程中，熱量都是從高溫狀態向低溫傳導至殼體，接著經過殼體散發到周圍空間，由于流動的空氣將熱量帶走，因此在設計減速器的過程中，必須增加散熱面積，便于實現自熱平衡的散熱。

減速器連續工作產生的熱量Q1的計算公式為：

式中：η 表示相應的減速器傳動效率；P1表示相應的減速器輸入功率。

減速器最大排熱量Q2max的計算公式為：

式中：K 表示相應的熱傳導系數，取值 8.7～17.5；S 表示相應的減速器散熱面積，m2；θy，max表示相應的最大許用溫度，掘進設備中其數值可以達到90 ℃；θ0表示相應的環境溫度，一般取值為20 ℃。

由于連續采煤機內部設置的減速器都采用間接工作的形式，因此最大散熱功率P0可以計算如下：

式中：Pi表示相應的加載時段功率；P 表示減速器輸入功率；ti表示相應的加載時段時間。

3.2 水冷卻計算方法

3.2.1 元部件發熱量

為了能夠有效地優化水冷卻計算公式，設定冷卻元件都采用均勻發熱體，相應的散熱系數以及比熱系數都設定為常數。

元部件發熱量Pw通常以額定功率PN以及效率η 計算：

3.2.2 冷卻水總流量

通常元部件發熱量10%能夠借助自身進行散熱，一般冷卻水在冷卻管道每小時總流量Q 計算公式為：

式中：Pw表示相應的電動機的發熱量，W；ρ 表示相應的冷卻水的密度，1 000 kg/m3；Cm表示相應的冷卻水的比熱，其數值取值為4.187 kJ/（kg·℃）；△θ 表示相應的冷卻水允許的溫升。

3.2.3 冷卻溫升

冷卻水實際溫升公式：

式中：θw表示相應的取一定裕度后，實際冷卻水流量，m3/h，在計算時可以依據20%的裕度；C 為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

3.3 風冷卻計算方法

由于在掘進設備中風冷卻應用比較少，僅僅由泵站電機選用，其溫升通常需要控制在30 ℃以內計算如下：

式中：θ 表示相應的電動機的溫升，℃；S 表示相應的電動機的散熱面積，m2；k 表示相應的修正系數，通常取值24.5。

4 應用實例

以某一個掘進機冷卻系統而言，對自熱平衡以及水冷卻參數進行計算，由于截割減速器、裝運減速器、行走減速器都采用自熱平衡的形式進行散熱，依據上述公式（1）、式（2）、式（3）進行計算得到對應的最大散熱功率為378 kW、56 kW、75 kW，經過查閱文獻發現，其滿足各個設備散熱的需要，并且滿足自熱平衡的要求。由于電機中設置隔爆與三相異步電機，其中防爆電機并未設置通風扇，風損失比較小，可以忽略不計。依據公式（4）、（5）得到冷卻管道中的總流量4.38 m3/h，其符合冷卻水實際需要，圖1 是掘進機冷卻系統原理圖。

5 結語

通常情況下，掘進設備熱源來源于如下三個方面：機械傳動系統、電氣系統、液壓系統。由于煤礦井下的復雜工況，進而在設計煤礦冷卻設備時，必須充分考慮各種不同的特殊情況。依據當前煤礦開采的實際情況，進而確定各個設備與元件的冷卻方式，與此同時依據相關標準進行計算以及校核。在工程實踐的過程中發現，對設備進行系統化的探究，發現該系統不僅可以有效地簡化冷卻系統，降低成本，同時也可以有效地保證設備的穩定性，進而提升作業效率[1-2]。

圖1 是掘進機冷卻系統原理圖