一种采煤机新型回油冷却器的设计

李茂清

（同煤集团马脊梁矿，山西大同 037000）

0 引言

采煤机的液压系统大多采用了开式回路，由于受到结构的约束，其油箱不应过大，为了对油温加以控制，避免其出现过高现象，一般会运用强制冷却的方法，在主回油路中与油箱油口相接近的部位安装冷却器，利用冷却水来发散出油液的热量。采煤机在矿井中的工况较为恶劣，现存的冷却器存在较高的故障率，在某些矿区会频繁损坏，并且不断发生内部泄漏问题，对机组的稳定运行及矿井的安全生产造成了极大的影响。因此，本文针对采煤机回油冷却器产生的故障进行改良设计［1］。

1 原因分析

原采煤机所采用的回油冷却器一般为翅板式或全钎焊式，以不锈钢为材质，其耐压的压力为3 MPa。存在的关键故障就是内部泄漏，经过相关分析，该冷却器故障频繁发生的原因如下。

（1）受到大流量的冲击，翅板间存在的阻力持续增加、采煤机摇臂降低时，一些调高油缸的无杆腔可以达到80 L/min的回油流量，翅板间产生了较大的回油阻力，处于大流量及大压力的冲击下，翅片出现变形，甚至裂缝出现爆裂问题。

（2）翅板式焊接结构不具有较强的抗振性，矿井中的工况较为恶劣，冷却器也会因采煤机运行而出现严重的振动现象，导致该结构的焊缝出现松动，不具有较高的强度，进而导致翅板之间出现串漏问题。

（3）水或油液的污染物质将会导致流道出现堵塞，而翅板式结构的流道会随着压降的突然降低而不断变小，如果介质受到污染，极易因堵塞问题而导致压降增加，导致冷却器受损，并且极大增加清洗及维护的难度。

（4）矿井不具有较好的水质，内部的腐蚀点出现泄漏。由于矿井水质较差，特别是水温过高的状况，翅板的隔板及翅片都不具有较大的厚度，腐蚀之后其内部极易出现泄漏，无法修补。冷却器在损坏之后，其结构呈现出蜂窝式，出现了腐蚀点泄漏的问题［2］。

2 解决方案

处于采煤机恶劣的工况下，翅板式结构是导致故障频繁发生的关键因素。因此应当设计出一个可以满足采煤机使用的新型冷却器。其设计原则如下。

（1）可靠性第一。尽管翅板式冷却器具有紧凑的结构及较好的性能，但是在使用的过程中不断出现损坏问题，导致其出现较大的损失，采煤机的工况较为恶劣，因此在设计及选型的时候应当以可靠性为前提。

（2）冷却效果应当以可以实现调高系统的温控要求为基准。所涉及的采煤机回油未产生背压损失，发热量较小，对于冷却器也没有提出较高的要求，不需要选择翅板式冷却器。

（3）成本更低，性价比较高。

（4）新产品应当与原有产品保持相同的安装尺寸，互换性不受到影响［3］。

3 原理与结构设计

为了增强稳定性，设计了壳管式冷却器，如图1所示，

图1 壳管式冷却器结构

其特征为：

（1）冷却器的结构为壳管式，其构造较为简单，利于维修，蛇形管可以直接设置在油液的容器内，冷却水在经过管道时会消散出一部分热量，其加工工艺较为简单，成本较低；

（2）蛇形管大多以紫铜为材质，具有较好的散热性、抗腐性，可以承载高压；

（3）焊接的部位较少，并且增强了焊接的强度与抗振的性能，可以实现采煤机提出的各个要求，内筒的作用在于支撑蛇形管，避免出现松动；

（4）冷却水在经过蛇形管的时候，油液与冷却水出现逆向流动，提高流动速度；

（5）在设计结构的过程中，尽量使冷却水与油液保持流动，以提高热量传导的水平；筒体与水管之间的间隙及各个管体之间的间隙都较小，可以确保油液的流动方向始终沿着水管螺旋线的方向，以有效散热［4］。

4 验算

4.1 散热性能验算

当液压系统长期处于工作状态时，为了不增加系统的温升，必须确保系统热量得到彻底发散，即冷却器的冷却功率为：

式中：H为系统产生的发热功率，W；H1为油箱产生的散热功率，W。

假设液压体系始终处于调高状态，根据调高的实际压力及流量来进行计算可知，冷却器产生的功率H2应不小于1 155 W。

油与水之间存在的温度差为：

式中：t1和t2分别为液压油进口、出口的温度，K；t1′和t2′分别为冷却水进口、出口的温度，K；A 为散热的面积，mm2；k为冷却器的传热系数，将蛇形管的冷却水定为k ＝175 W/（m·K）。

根据式（2）、（3）可以计算出新型冷却器LQW138 的运行功率，其数值为1 500 W，与散热的相关要求相吻合［5］。

4.2 水管阻力验算

处于相应的冷却水流量之下（其流速维持在1 ～1.2 m/s），冷却器产生的压力损失应当低于0.2 MPa。

水管两端压降：

式中：v为管内液体的速度，m/s；d 为管道的内径，mm；l为螺旋水管的展开长度，m。

对于黏性、雷诺系数Re 及管壁的粗糙程度等不加以考虑，利用式（4）来计算出Δp，其数值为0.046 MPa，与设计要求相吻合［6］。

5 出厂试验

在进入主机之前，对其开展有效的出厂检验如下。

（1）耐压试验

焊接完成之后必须开展耐压试验，分别对冷却水管及承压壳体进行相应的打压，其压力的试验值为5 MPa，维持10 min，各个焊接缝及接口不存在渗漏问题［7］。

（2）通油（水）试验

筒体内通油，对其进口及出口（M30）的压降进行测量；冷却管内通水，对其进口及出口（M22）的压降进行测量，确保其压降数值小于0.2 MPa。

6 使用效果

第一次验证：对于以往频发故障的某个矿区，采煤机进行了新型冷却器的质量追踪与改良，经过180 d 的实际验证之后，该冷却器并未产生故障，运行具备较高的稳定性，油箱中油液存在的温度可以满足正常的使用条件，其温度必须低于55 ℃，具有较好的散热性［8］。

目前已经在多个系列的大型采煤机和多个矿区中得到广泛运用，新型冷却器的应用极大改善了采煤机液压体系存在的问题，增强了机组运行的稳定性，减少了生产的成本。

7 结束语

总之，新设计的采煤机回油冷却器，在经过多次耐压试验以及通油（水）试验后，发现其各项性能都符合使用需求，且经采煤机长期实际安装应用，该冷却器冷却效果良好，运行稳定，能很好地降低采煤机油箱中的油液温度，该种新型采煤机回油冷却器具有一定的推广应用价值。