鉆機液壓系統散熱裝置改造及試驗

岳延朋 陳 超 景建強 周愛星

（山西天地王坡煤業有限公司）

在政府推動化解過剩產能、淘汰落后產能的政策下，煤礦產能向高產高效礦井集中，設備承受的工作負荷不斷加大［1-2］。鉆機作為煤礦井下鉆探施工關鍵設備，承擔著包括瓦斯治理鉆孔、探放水鉆孔、防塵注水鉆孔、防滅火鉆孔、卸壓鉆孔等一系列鉆孔施工工作，在日常生產中長時間保持著高強度、滿負荷工作狀態，這對鉆機設備的性能提出了更高的要求［3］。液壓鉆機目前采用水冷降溫，在鉆機高強度、滿負荷工作狀態時，其降溫效率已不能滿足降溫需求。鉆機長時間高溫環境下運行會導致密封件老化，液壓系統易出現漏油現象，增加了日常檢修維護工作量和工作難度。同時，溫度過高常導致閥組內部竄液，液壓系統出現誤動作現象，嚴重影響鉆進施工作業安全。在鉆機液壓系統溫度過高后，只能采取停鉆停機的辦法降溫，停機期間鉆孔容易出現壓鉆、卡鉆現象，嚴重影響鉆進施工效率，制約礦井安全生產。

針對液壓鉆機在高強度、滿負荷工作中容易出現高溫的情況，以ZYWL-1900R型鉆機為對象進行鉆機液壓系統散熱裝置改造及試驗。結合鉆機液壓系統已有水冷降溫裝置的特點，設計加裝一套鉆機液壓系統風冷裝置，以期實現水冷、風冷聯動降溫，提高降溫效率，延長鉆機連續作業時間，解放鉆機生產力［4-5］。

1 液壓鉆機情況

1.1 ZYWL-1900R型鉆機簡介

ZYWL-1900R型煤礦用履帶式全液壓鉆機主要用于煤層瓦斯抽放孔、探放水孔、地質構造孔、滅火孔及其他工程鉆孔的施工。鉆機主要由油箱、電機組件、操作臺、動力頭、機架、夾持器、導向器、冷卻器、錨固油缸組件、履帶車等部件組成。

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1.2 鉆機降溫系統

ZYWL-1900R型鉆機采用單一的水冷散熱降溫方式，冷卻器為QB095-52型板式冷卻器，采用臥式結構（圖1）。

鉆機液壓系統的合理工作油溫為10～60℃，油溫超出此范圍后對液壓系統工作不利，煤礦井下溫度常年保持在14℃以上，高于油溫下限值10℃，鉆進運行中主要防范溫度超過60℃的上限值。鉆機連續工作一段時間后要檢查油溫，超過55℃時需啟動冷卻器降溫。

ZYWL-1900R型鉆機在連續工作時油溫會明顯上升，當工作時間超過2 h后，即使及時啟動冷卻器采取水冷散熱降溫，油溫上升變慢，但仍會超過60℃，并且隨著持續工作時間的延長而不斷升高，當溫度過高時，不采取停機的辦法就容易出現漏油、液壓驅動力降低、鉆進困難，進而導致施工效率低下、易出現安全事故。液壓系統長時間高溫運行后，液壓油油脂消耗量變快，液壓油更換頻率增加。

2 液壓系統散熱裝置改造

2.1 液壓系統發熱功率

進行液壓系統散熱裝置改造，首先要計算液壓系統的發熱功率。發熱量是設計改造的依據。液壓系統發熱原理相對復雜，但遵循能量守恒定律，可通過簡化處理進行計算。

液壓鉆機是通過電動機帶動油泵把電能轉變為液壓能，通過操縱臺將液壓油分配給動力頭中的液壓馬達、機架中的推進油缸等執行機構［6］。電機輸出功率為總功率，液壓馬達帶動鉆桿鉆頭旋轉鉆進做的功為有效功率，液壓馬達驅動鉆桿時實際輸出功率與有效功率的差值為發熱功率［7-8］。

考慮到電機電能轉化為液壓能時，會有一部分能量損失（損失率取10%），則液壓系統驅動鉆具鉆進時的實際輸出功率Psc為

式中，Ped為電機的額定功率，55 kW。則液壓系統實際輸出功率Psc為49.5 kW。

液壓系統有效功率為Pyx，按下式計算：

式中，T為扭矩，取值1 900 N·m；n為鉆速，取值240 r/min。

通過計算，液壓系統有效功率為47.75 kW，則液壓系統發熱功率Pfr為

通過計算，液壓系統發熱功率Pfr為1.75 kW。

2.2 液壓系統水冷裝置換熱量

根據冷卻器傳熱簡單經驗計算方法可知，水冷裝置的換熱量可以按以下公式計算［9］，即

式中，Q為水冷裝置換熱量，W；K為傳熱系數，對水與油的傳熱板式換熱器取180 kcal/（℃·h·m2）；F為傳熱面積，0.12·m2；Δtm為傳熱平均溫差，℃；T1為液壓油溫，取60℃，T2為鉆機適合使用的油溫，取35℃；t1為冷卻水入口溫度，20℃；t2為出口溫度，取50℃。

通過計算，ZYWL-1900R型鉆機液壓系統水冷裝置換熱量Q約為0.6 kW，而前文計算的鉆機液壓系統發熱功率1.75 kW，現有水冷裝置不能滿足散熱需要。

2.3 液壓系統散熱裝置改造方案

現有的水冷降溫裝置散熱效果難以滿足鉆機長時間、高強度鉆進作業要求，為此，在水冷降溫裝置基礎上，增加一套液壓驅動的風冷散熱裝置。風冷散熱裝置是利用液壓系統環境周圍的空氣作為熱交換的介質，對其液壓系統的油液進行熱量交換，從而把熱量強制帶走，降低液壓系統油液的溫度。同時采用水冷和風冷冷卻器進行降溫，實現風水耦合聯動散熱降溫，對液壓油進行循環冷卻。如圖2所示，在不改變鉆機原有主體結構的情況下，將風冷冷卻器串接在液壓泵的回油管路上，從鉆機油箱新引出一趟油管，在原有副泵平行位置安裝一臺小型液壓泵作為風冷冷卻器的動力源，小型液壓泵輸出液壓驅動力帶動風冷冷卻器做功。在主泵回油管和副泵回油管的油路匯合后將油路斷開，先經過風冷冷卻器降溫，降溫后的液壓油通過連接管進入水冷冷卻器降溫，最后通過總回油管回流至鉆機油箱。風、水聯動降溫將帶來液壓系統散熱效率的提高，保障鉆機長時間連續運行的穩定性和安全性［6-8］。

液壓驅動做功過程中產生熱量致使油溫升高，在油泵將液壓油送回鉆機油箱前，采用水冷和風冷冷卻器對高溫液壓油冷卻降溫，冷卻后的液壓油回流至鉆機油箱后進行下一個循環流動做功。

當溫度超過55℃時，啟動水冷散熱裝置；當溫度超過58℃時，同時啟動風冷和水冷散熱裝置。

2.4 風冷散熱裝置選型及安裝

鉆機液壓系統發熱功率為1.75 kW，現有水冷散熱裝置換熱量約為0.6 kW，則風冷降溫裝置散熱功率不小于1.15 kW。根據風冷散熱裝置廠家的各類型號風冷設備，實際選擇型號AJ0510T-AC、制冷功率為1.2 kW的風冷冷卻裝置，外形尺寸如圖3所示，具體參數見表2。在鉆機水冷冷卻器入口管路附近加工2個?9 mm的鉆孔，鉆孔平行布置，間距200 mm，通過螺栓將風冷冷卻裝置固定在鉆機上，然后將主副泵匯合后的回油管路接入風冷冷卻器。

3 現場應用試驗

使用液壓系統散熱裝置改造后的ZYWL-1900R型鉆機在王坡煤礦3305工作面運輸順槽進行鉆進施工試驗，試驗分2組，每組施工10個鉆孔，共20個試驗鉆孔。第一組10個鉆孔施工時，鉆機不啟動風冷散熱裝置，當溫度超過55℃以上時，僅啟動水冷散熱裝置降溫；第二組10個鉆孔施工時，鉆機采用風冷和水冷散熱裝置聯合降溫。當溫度超過55℃時，啟動水冷降溫裝置；當溫度超過58℃時，同時啟動風冷和水冷降溫裝置。

試驗發現（圖4），鉆機運行50～70 min時，油溫超過55℃，當僅啟動水冷散熱裝置，連續作業至60～90 min后，油溫超過60℃，出現液壓馬達動力不足現象，施工效率明顯降低。

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采用風冷和水冷散熱裝置聯合降溫時，一般在風冷散熱裝置啟動20～30 min后，液壓系統油溫升至最高值，隨后油溫逐漸下降，鉆機可以連續工作6 h以上油溫不超過60℃，滿足單班最長連續作業時間需要。對試驗期間相關數據統計，2種降溫方試驗效果見表3。

ZYWL-1900R型鉆機液壓系統采用單一水冷散熱降溫方式，最高油溫為74℃，超過臨界值60℃，降溫效果不能滿足要求。

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采用風、水聯合降溫方式，液壓系統最高油溫為59℃，低于臨界值60℃，降溫效果能滿足需要。說明風、水聯合降溫方式提高了換熱效率，散熱迅速。

此外采用風、水聯合散熱裝置降溫期間，鉆機鉆孔施工單班進尺由91 m提升至108 m，增加了17 m，施工效率提升19%。通過2種降溫方式下油脂消耗和更換頻率數據統計對比，得出采用風、水聯合降溫方式時，油脂消耗量明顯減少，鉆機液壓油更換時間由原來的2.5個月延長至4個月。

4 結論

（1）在鉆機單一水冷散熱裝置的基礎上，創新性地提出了風水聯動降溫，完成了鉆機降溫裝置的改造，形成了一套液壓鉆機風、水聯合降溫技術及裝備。

（2）風、水聯合散熱降溫裝置提高了液壓系統的換熱效率，鉆機單班連續作業時間由2～2.5 h延長至6 h以上；鉆機施工效率由單班進尺91 m提升至108 m，提升了19%，液壓油更換時間由原來的2.5個月延長至4個月，延長了1.5個月。