煤矿掘进设备冷却系统研究与应用

暴晓庆，高 蕾，祖贺军，赵慧杰

（兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500）

0 引言

煤矿掘进设备（以下简称“掘进设备”）是煤矿巷道掘进和开采的关键设备，集截割、装载、运输、行走、除尘等多种功能于一体，发展煤矿掘进设备技术、提高煤矿掘进工艺水平对于缓解我国煤矿“采掘失衡”矛盾、构建安全高效集约化生产保障体系具有重要意义。掘进设备在实现其各项功能的过程中，会产生功率损耗和热量，受煤矿井下通风差、空间小、粉尘多、水压不稳等条件的限制，产生的大量热量如果不能够及时消解和处理，必然会降低各功能元部件的性能和使用寿命，进而影响设备整机的可靠性，也不符合煤矿绿色高效智能开采的发展趋势。

基于此，笔者对煤矿掘进设备的冷却系统进行了研究，分析了掘进设备主要热源，探讨了掘进设备几种冷却方式的特点及确定原则，并以某连续采煤机为实例，给出了掘进设备冷却系统的计算方法，并根据应用实例验证了计算分方法的可靠性；以掘进机为例，探讨了煤矿设备应用于非煤领域时，冷却系统如何改进设计以满足实际作业环境的需要。

1 掘进设备热源分析

掘进设备热源主要源自机械传动系统、电气系统和液压系统三部分。

1.1 机械传动系统

掘进设备的截割机构、装载机构、行走机构、运输机构一般由1个或多个减速器驱动，减速器传递能量过程中会产生啮合损失、搅油损失、轴承损失、密封损失等，能量损失主要转化为热量。减速器内部发热是不均匀的，产生温度梯度，热量由高温处向低温处传导，形成齿轮箱内部的导热。

1.2 电气系统

掘进设备电气系统主要包括电控箱、变频器控制箱、电动机、功能件等。电动机在运转过程中，电动机定子与转子线圈的电流热损耗、定子铁芯损耗、摩擦损耗以及杂散损耗等能量损耗最终都将转化为热量；电控箱、变频器控制箱在运行时，内部集成的电路、变压器、变频器等会存在一定能量损耗，该部分损耗也将转换为热量；功能件也产生一定的热量，但在总热量里可以忽略不计。

1.3 液压系统

因煤矿井下作业环境和作业方式的因素，掘进设备液压系统的冷却一直是个难题，如果解决不好将影响设备的正常工作，甚至造成系统的故障与失效。其主要包括泵、控制阀、执行元件和管路接头等，在实现能量转换与传递过程中,液压系统各环节的阻力会消耗一部分能量,体现为流量和压力损失。流量损失无关热量形成；压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失,前者由液压油流动时的内摩擦引起，后者由液流方向或流速等的突然变化,在局部区域内形成漩涡,质点碰撞、摩擦等引起。压力损失使能量消耗增加,有效输出能量减少，功率损耗转变为热量。此外,液压执行元件的机械摩擦副之间的摩擦阻力也会损耗一定的能量,这部分能量损耗转换为热量也可使液压系统升温。液压系统温度过高还有以下原因：巷道通风效果不好，导致散热无法及时排出；油箱容积太小，致使散热面积受限；设备管路布置集中、走线长，致使热量集中，散热速度慢。

2 掘进设备冷却方式选择

2.1 冷却方式特点

常规冷却方式主要有自热平衡和强制冷却两大类，强制冷却又包括水冷却、风冷却、蒸发冷却等方式。自热平衡不依赖外部辅助设施，元部件在耐温极限点之前达到自身发热与散热的平衡，使用维护成本最低，可靠性最高。水冷却是在元部件内部设置冷却管路，利用流动的水将元部件产生的热量吸收，实现对元部件的冷却，具有结构紧凑、响应速度快、冷却效率高等优点。根据冷却水的循环方式，水冷却可分为开式和闭式两种，比如，连续采煤机、掘锚一体机的水冷却系统，水源进入设备后，经过各元器件后，最终流入巷道自然排出；而梭车采用闭式冷却系统，即自带水源实现水路的循环，这种冷却方式效果差。风冷却是利用空气流动带走元部件产生的热量，具有结构简单、辅机系统少、安装维护方便、费用低和运行可靠等优点。蒸发冷却是利用流体沸腾时汽化潜热来吸收热量，管道内冷式蒸发冷却的基本原理为：当电机绕组空心导体内部通以冷却液体，吸收损耗产生的热量，温度逐渐升高，当液体的温度达到压力所对应的饱和温度时，就改变其物理状态而沸腾汽化，从而带走电机产生的热量。具有温升低、冷却效果全面、操作维护方便和运行安全的优点。

2.2 冷却方式选择

由于作业空间的限制，掘进设备减速器均为大比功率减速器，采用高粘度润滑油，能够在90℃温度下正常运行，且一般满负荷运行时间较短，因此，优先选用自热平衡的方式；如不能实现自热平衡，局部可引入水冷却，提高冷却效果。电气系统方面，掘进设备一般采用高密度大容量电机，温度过高会造成内部结构应力的变化和内部气隙的微小变化，进而影响电动机的动态响应，高速运转时易失步，变频控制器是电气元件中发热较大的一类元件，需要保持在相对稳定的温度下才能发挥最大效能，因此电机和变频控制器优先选择水冷却，并且优先选用开式；常规电控箱内部元器件发热小，箱体散热面积大，自热平衡即能满足使用要求；除尘风机处于风流中，不需另加冷却；泵站电机设备启动即运行，为保证冷却的效果，一般选用风冷电机。液压系统对温度比较敏感，高温耐受性差，油温超过70℃整体效率会直线下降，因此优先选用水冷却。

3 掘进设备冷却系统计算

3.1 自热平衡计算

在进行减速器设计时，先计算传动齿轮系弯曲强度和疲劳强度，箱体刚度和强度，在上述计算全部通过后，再验证减速器的自热平衡。因为减速器内部转化的热量由高温处传导至减速器外壳低温处，再经壳体散发至周围空间，由流动的空气带走，所以减速器设计，应尽可能增加散热面积，便于实现自热平衡。

减速器连续工作产生的热量：

式中：η是减速器传动效率；P1是减速器输入功率。

减速器最大排热量：

式中：K为热传导系数，一般K=8.7～17.5；S为减速器散热面积，m2；θymax为最大许用温度，掘进设备允许到90℃；θ0为环境温度，正常情况下取20℃。

因为连续采煤机各减速器均为间断工作制，所允许的最大散热功率：

式中：Pi为加载时段功率；ti为加载时段时间。

3.2 水冷却计算

3.2.1 元部件发热量计算

为简化水冷却计算，假定需冷却元部件为一个均匀的发热体，其散热系数和比热系数均为常数。

元部件发热量可以从额定功率和效率来计算求得：

式中，Pw为元部件的发热量，kW；PN为元部件额定功率，kW；η为效率。

3.2.2 冷却水总流量计算

一般情况下，元部件发热量10%可以通过自身散热，冷却水每小时在冷却管道中的总流量的计算式为：

式中：Q为每小时需要冷却水的总流量，m3/h；ρ为冷却水的比重，1000；cm为冷却水的比热，取4.187kJ（kg×℃）；Δθ为冷却水允许的温升℃，掘进设备Δθ的推荐取值30℃。

3.2.3 冷却温升计算

冷却水实际温升的计算公式：

式中：Qw为取一定裕度后的实际冷却水流量，m3/h。通常按20%的裕度进行计算。

3.3 风冷却计算

掘进设备风冷却应用相对较少，一般只有泵站电机会采用，风冷却电机的温升推荐控制在30℃，即：

式中：θ为电动机的温升，K；Pw为电动机的发热量，W；S为电动机的散热面积，m2；K为修正系数，风冷修正系数一般取24.5。

4 应用实例

4.1 连续采煤机应用在煤矿上的冷却系统设计

以某连续采煤机冷却系统为例对其自热平衡、水冷却相应参数进行计算。截割减速器、装运减速器、行走减速器属于自热平衡，按照式（1）、式（2）、式（3）进行计算，所允许的最大散热功率P0分别为378kW、56kW、75kW，大于设备的实际功率P分别为340kW、45kW、50kW，符合自热平衡的要求。

水冷却主要冷却170kW截割电机、45kW装运电机、50kW行走电机、2台100kW变频控制器和液压系统，其中电机是隔爆、三相异步电机。由于防爆电机没有安装通风风扇，风损耗很小，风冷却可以忽略不计。按照式（4）、式（5）计算，每小时在冷却管道中的总流量Q=4.38m3/h，即73L/min，考虑到除尘喷雾的需要，冷却水量实际采用100～120L/min。

目前，该型连续采煤机已累计销售50余台，应用于朔北矿区、王台铺煤矿、王家岭煤矿、榆林矿区、府谷矿区等，没有出现因为冷却系统故障严重影响生产的案例。

4.2 掘进机应用在非煤矿山的冷却系统改进设计

某掘进机应用于钾盐矿山的施工生产中，其冷却系统是针对煤矿作业环境设计的，由于钾盐矿遇水溶解的特点，导致原冷却系统的设计无法满足非煤矿山的需求，因此，在对原冷却系统原理与特点进行分析的基础上，进行了改进设计。①在冷却方式上，将对液压系统和电机的冷却由水冷却改为风冷却。②为提高冷却效率，由原来一个回路改为两个回路，即一路选用合适散热功率的风冷却器对液压回油进行冷却，采用控制程序确保温度大于一定温度（40℃）时，风冷却器开式工作；另一路选用合适散热功率的风冷却器对泵站电机和截割电机进行冷却。③在水循环方式上，将冷却水循环由开式改为闭式，原水循环由外接水源接入，经球阀、反冲洗过滤器、减压阀、液压回路冷却器、油泵电机、截割电机后，经截割喷雾喷嘴喷出；改进后的水路增加了水箱，冷却水由水箱在水泵的作用下，经溢流阀、泵站电机、截割电机、过滤器、风冷却器后进入水箱，形成一个内循环。以上改进设计即满足了掘进机本身对冷却的要求，又避免了冷却水的外排对钾盐造成的损失，符合钾盐矿山作业环境对掘进设备的要求。图1是掘进机冷却系统原理图，图2是改进后电机冷却回路图。

图1 掘进机冷却系统原理图

5 结语

掘进设备的热源主要源自机械传动系统、电气系统和液压系统；煤矿井下的工作环境决定了煤矿类设备冷却系统的设计要结合特殊的工况特点。根据煤矿掘进设备的实际工况，确定设备各系统和相关元部件的冷却方式，并按标准计算方法设计、计算和校核。也要考虑到将不同的冷却方式结合使用，并在实践中不断总结经验，为设计提供重要依据。某型连续采煤机和掘进机的设计与应用表明：对设备进行系统化的冷却研究，既可以简化设备冷却系统，降低成本，也可以保证设备的可靠性，提高系统的效率。