600 m坑道钻机散热系统性能分析

李文秀，张 旭

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道钻机散热系统性能分析

李文秀，张 旭

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道钻机为全液压驱动。钻机在工作过程中，液压系统会产生大量的热量，这部分热量将通过钻机的散热系统散去。根据钻机的发热功率，初步选定使用风冷散热器，散热器片有效散热面积为25 m2。详细推导出液压系统的热量随时间变化的函数，根据函数的变化和极值，验证液压系统的散热能力。

坑道钻机;液压系统;散热系统;热平衡

1 概述

600 m全液压坑道钻机采用主机泵站分体式结构，体积较小，适用于坑道钻探施工。主机包括动力头、桅杆、卷扬、底座等部件，如图1所示。泵站由90 kW防爆电机驱动，包括液压泵、液压油箱、散热器等，为主机提供动力，如图2。两者通过长10 m的5根液压胶管相连，连接处快速接头可拆卸，便于安装和运输。

图1 主机

一般工程机械的液压系统的工作温度最高不超过85℃，由于此钻机主要在坑道中进行施工，工作环境通风条件较差，散热不畅。另外，钻机的分体式结构加大了管路长度，因此液压系统的沿程阻力损失和局部阻力损失大大增加，此部分损失的能量将全部转化为系统的热量。综合以上两点，对钻机液压系统的散热性能分析是非常必要的。

图2 泵站

2 钻机液压系统热平衡分析

2.1 钻机发热和散热

液压系统动力由两台连接于电机上的泵提供，全功率正常工作时总输出功率约为70 kW。整台钻机的工作效率约为62%，因此，液压系统的发热功率P发为:

钻机液压系统的散热渠道有:风冷散热器、液压油箱、泵、阀、马达和液压管路。但由于油箱、泵、阀、马达均有保护罩，液压管路被胶管护套包裹，散热量很小，可以忽略不计，因此可以只考虑经散热器散失的热量。散热器散热功率P散为:

P散=KAΔt=0.023×25Δt=0.575Δt(kW)式中:K——风扇强制冷却条件下散热系数，选0. 023;A——散热器的散热面积;Δt——油温与环境温度的差值。

由以上计算可以看出，散热功率P散是一个随温差变化的瞬态量，单纯的用机械设计手册上的“液压系统散热量等于散热功率乘以散热时间”的简单算法来线性计算散热量是不科学的。整个钻机液压系统的热量需要用一个随时间变化的函数来精确表达。

2.2 初始条件及参数界定

(1)环境温度:约为40℃。

(2)液压油性质:液压油选择为L－HM46号抗磨液压油，比热c=1.88 kJ/(kg·℃)，系统中液压油质量m=250 kg。

(3)热力学公式:

式中:Q——系统内热能;c——液压油比热容;Δt——系统温度与环境温度的差值。设40℃时，液压系统的热能为0。

2.3 热平衡分析

当液压系统有热量输入时，系统热能对时间的微分等于瞬时发热功率与散热功率之差。即:

这就是液压系统热量关于时间s的函数。

下面用初始条件求未知常数C的值。

当时间s=0时，即钻机刚刚启动的时刻，液压系统的温度和环境温度相等，为40℃。此时液压系统的热能为0。即:

这就是系统热量随时间变化的函数。描绘其函数图形如图3所示。

图3 系统热量随时间变化的函数图形

由函数图形可以看出，系统热量是随时间变化而慢慢增加的指数函数，并最终趋于18309 kJ，当时间无限长，即s→∞时系统热量维持稳定，达到散热功率与发热功率相同的状态，使钻机液压系统热量的输入与散发相等，最终达到热平衡状态。

此时，由热力学公式Q=cmΔt，求得钻机液压系统与环境的温差:

3 应用效果

600 m坑道钻机于2010年11月底运抵山东龙口矿区进行试验，设备安放在二中段最里边，距离井口垂直距离100 m，水平距离800 m，矿井截面约为边长1.8 m的矩形，通风效果一般，气体流动性差，对于液压系统散热十分不利。虽然条件恶劣，但是设备在24 h不间断施工工况下，液压系统最高温度只达到76℃，并维持稳定。该设备到目前运行平稳，液压系统工作正常，说明钻机散热系统满足散热需求。

4 结论

综合以上分析，当钻机以全功率正常工作，工作时间无限长时，钻机液压系统的最高温度有78.9℃，较接近设计要求的85℃上限。但事实上，钻机不可能无限工作，一定会有操作间隙和辅助时间，故发热功率要比计算时小，而散热时间要比计算时长。从应用效果可以看出，钻机在正常工况持续工作情况下，液压系统的温度只达到76℃，所以，钻机液压系统散热器的选型满足使用要求，并有一定的安全储备。

［1］张旭，等.2000 m全液压岩心钻机下放钻杆过程中液压系统热平衡分析［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(11):29－31.

［2］高富丽，等.我国地质钻探技术装备现状分析及发展建议［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(1):3 －8.

［3］苏尔皇.液压流体力学［M］.北京:国防工业出版社，1979.

［4］王文斌，等.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［5］蔡廷文.液压系统现代建模方法［M］.北京:中国标准出版社，2002.

Performance Analysis on Heat Radiation System of 600m Tunnel Drilling Machine

LI Wen-xiu，ZHANG Xu(The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China)

The 600m tunnel drilling machine is driven by hydraulic.In the working process，the hydraulic system generates a lot of heat which will be radiated by radiation system.According to heat output power，fan-cooled radiator was preliminarily chosen，and effective radiating area of the radiator slice was 25m2.In this paper，the function of heat change with time was derived and by the functional changes and extremum，radiator efficiency of hydraulic system was verified.

tunnel drilling machine;hydraulic system;heat radiating system;heat balance

P634.3+1

A

1672－7428(2011)09－0072－02

2011－03－16

中国地质调查局地质调查项目“1500 m地质取心深孔钻探技术研究”(1212010816011)

李文秀(1974－)，男(汉族)，河北卢龙人，中国地质科学院勘探技术研究所高级工程师，机械电子专业，从事非开挖设备、岩心钻机研究与制造工作，河北省廊坊市金光道77号，wenxiu－li@163.com。