采煤機(jī)電機(jī)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(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，由于工作面空間狹小，要求采煤機(jī)機(jī)身較矮。通常，采煤機(jī)截割電機(jī)、牽引電機(jī)的功率均高于100 kW，在實(shí)際運(yùn)行過程中采煤機(jī)電機(jī)會(huì)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(dǎo)致電機(jī)各部分溫度升高[1]。為保證采煤機(jī)的截割效率及運(yùn)行安全性，需解決好其電機(jī)發(fā)熱、散熱的問題。因此，本文將開展關(guān)于采煤機(jī)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究。

1 冷卻系統(tǒng)概述

根據(jù)電機(jī)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。空氣冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其冷卻效果較差無法達(dá)到效果。氫氣冷卻系統(tǒng)主要被應(yīng)用于大型電機(jī)的冷卻，而采煤機(jī)電機(jī)屬于小型電機(jī)。油冷系統(tǒng)最早應(yīng)用于20世紀(jì)30 年代，在此啟發(fā)之下水冷卻系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。一般地，鑒于采煤機(jī)電機(jī)結(jié)構(gòu)小且發(fā)熱量大，對(duì)冷卻介質(zhì)提出如下要求：

1）要求冷卻介質(zhì)的導(dǎo)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(shí)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(duì)應(yīng)的通風(fēng)阻耗較小；

4）要求冷卻介質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓結(jié)構(gòu)無損傷[2]。

綜上所述，以氫氣為冷卻介質(zhì)，成本較高且化學(xué)穩(wěn)定性不好，以油為冷卻介質(zhì)時(shí)，密度較大，不利于提升電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 水冷結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)

對(duì)于水冷卻電機(jī)的而言，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為水管路尺寸及其水路分布方向的確定。針對(duì)水冷電機(jī)冷卻水管路冷卻位置的不同可分為對(duì)電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行冷卻，對(duì)機(jī)殼加端蓋的位置進(jìn)行冷卻，對(duì)機(jī)殼加端蓋加轉(zhuǎn)軸進(jìn)行冷卻。經(jīng)研究可知，對(duì)機(jī)殼加端蓋加轉(zhuǎn)軸進(jìn)行的冷卻效果最佳，其次為對(duì)機(jī)殼加端蓋進(jìn)行冷卻，僅對(duì)機(jī)殼進(jìn)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(jié)構(gòu)成本和散熱效果得出如下結(jié)論：

1）對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行冷卻需再為其配置專用的水道，其中水道的密封對(duì)相關(guān)技術(shù)要求較高，實(shí)現(xiàn)難度較大；

2）對(duì)端蓋進(jìn)行冷卻雖然冷卻效果明顯，但是其僅適用于滾動(dòng)軸承或軸向通風(fēng)軸承電機(jī)的冷卻[3]。

綜上所述，采用對(duì)電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行冷卻方式實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。綜合考慮水冷卻電機(jī)的后期維修及操作的便捷性，將水冷卻電機(jī)的出水口和進(jìn)水口的位置設(shè)計(jì)于電機(jī)的非軸伸端，并將水冷電機(jī)的水路設(shè)計(jì)于機(jī)殼的中部位置處，如圖1 所示。

如圖1 所示，水冷卻電機(jī)的冷卻水管路的總長(zhǎng)度為530 mm，位于水冷電機(jī)定子鐵外部的機(jī)殼內(nèi)且機(jī)殼的直徑為380 mm，并將水冷卻電機(jī)兩側(cè)位置設(shè)計(jì)為冷卻水路的盲端。

2.2 冷卻水管路分布方向的設(shè)計(jì)

圖1 水冷電機(jī)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(jī)流動(dòng)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(jī)機(jī)殼周圍呈現(xiàn)螺旋分布的方式流動(dòng)；軸向水路指的是冷卻管路沿著冷卻電機(jī)的軸向方向流動(dòng)[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(duì)比分析可知，兩種冷卻水路的分布方式的優(yōu)劣性對(duì)比如下：周向水路冷卻水的流動(dòng)阻力較小且散熱效果好，但是此種冷卻水管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易在電機(jī)兩段產(chǎn)生溫度差；對(duì)于軸向冷卻水管路而言正好相反，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于電機(jī)的散熱相對(duì)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(jī)電機(jī)的實(shí)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(duì)應(yīng)軸向水路斷面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 軸向水路斷面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，在電機(jī)軸向方向采用隔板將整個(gè)水路平均分為16 個(gè)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(jī)座厚度尺寸為11 mm。

3 水冷電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

采煤機(jī)涉及到截割電機(jī)、牽引電機(jī)的功率較大，為保證實(shí)際生產(chǎn)需求，要求電機(jī)轉(zhuǎn)軸與機(jī)座的強(qiáng)度和剛度滿足要求。結(jié)合第2 節(jié)中所設(shè)計(jì)水冷電機(jī)的冷卻水管路和分布情況，并綜合考慮電機(jī)輸出軸對(duì)承載能力、受力均勻的要求，設(shè)計(jì)如圖4 所示的電機(jī)結(jié)構(gòu)。

如圖4 所示，采煤機(jī)電機(jī)水冷卻管路的進(jìn)水口和出水口均設(shè)計(jì)于非軸伸端的位置，便于整個(gè)冷卻水的循環(huán)、使用；水冷電機(jī)銷子和手柄的配置便于后期對(duì)其進(jìn)行維修和護(hù)理；為滿足采煤機(jī)電機(jī)承載力大且受力均勻的情況，為電機(jī)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(hào)為EXT19Z×2M×30P，其關(guān)鍵參數(shù)如下：花鍵齒數(shù)為19 個(gè)，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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

軸承為電機(jī)的關(guān)鍵部件，結(jié)合電機(jī)的承載及受力情況選用電機(jī)軸承的型號(hào)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(dòng)載荷為96.5 kN。經(jīng)校核，該軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為2.2 kN。為保證采煤機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性，對(duì)應(yīng)軸承的可靠性設(shè)定為99%，得出其可用時(shí)長(zhǎng)為1.9×107h，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

1）綜合對(duì)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(duì)比機(jī)殼冷卻、機(jī)殼加端蓋冷卻以及機(jī)殼加端蓋加軸冷卻的效果及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定以機(jī)殼冷卻的核心冷卻方式；

3）綜合對(duì)比電機(jī)軸向管路冷卻和周向管路冷卻的冷卻效果，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及管路阻力，確定采用電機(jī)軸線管路的冷卻方式；

4）為保證采煤機(jī)電機(jī)運(yùn)行的可靠性對(duì)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)及花鍵、軸承等關(guān)鍵零件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，其中花鍵型號(hào)為EXT19Z×2M×30P，軸承型號(hào)為6317。