钻机液压系统散热装置改造及试验

2021-11-18岳延朋景建强周爱星

现代矿业 2021年10期

岳延朋陈超景建强周爱星

（山西天地王坡煤业有限公司）

在政府推动化解过剩产能、淘汰落后产能的政策下，煤矿产能向高产高效矿井集中，设备承受的工作负荷不断加大［1-2］。钻机作为煤矿井下钻探施工关键设备，承担着包括瓦斯治理钻孔、探放水钻孔、防尘注水钻孔、防灭火钻孔、卸压钻孔等一系列钻孔施工工作，在日常生产中长时间保持着高强度、满负荷工作状态，这对钻机设备的性能提出了更高的要求［3］。液压钻机目前采用水冷降温，在钻机高强度、满负荷工作状态时，其降温效率已不能满足降温需求。钻机长时间高温环境下运行会导致密封件老化，液压系统易出现漏油现象，增加了日常检修维护工作量和工作难度。同时，温度过高常导致阀组内部窜液，液压系统出现误动作现象，严重影响钻进施工作业安全。在钻机液压系统温度过高后，只能采取停钻停机的办法降温，停机期间钻孔容易出现压钻、卡钻现象，严重影响钻进施工效率，制约矿井安全生产。

针对液压钻机在高强度、满负荷工作中容易出现高温的情况，以ZYWL-1900R型钻机为对象进行钻机液压系统散热装置改造及试验。结合钻机液压系统已有水冷降温装置的特点，设计加装一套钻机液压系统风冷装置，以期实现水冷、风冷联动降温，提高降温效率，延长钻机连续作业时间，解放钻机生产力［4-5］。

1 液压钻机情况

1.1 ZYWL-1900R型钻机简介

ZYWL-1900R型煤矿用履带式全液压钻机主要用于煤层瓦斯抽放孔、探放水孔、地质构造孔、灭火孔及其他工程钻孔的施工。钻机主要由油箱、电机组件、操作台、动力头、机架、夹持器、导向器、冷却器、锚固油缸组件、履带车等部件组成。

1.2 钻机降温系统

ZYWL-1900R型钻机采用单一的水冷散热降温方式，冷却器为QB095-52型板式冷却器，采用卧式结构（图1）。

钻机液压系统的合理工作油温为10～60℃，油温超出此范围后对液压系统工作不利，煤矿井下温度常年保持在14℃以上，高于油温下限值10℃，钻进运行中主要防范温度超过60℃的上限值。钻机连续工作一段时间后要检查油温，超过55℃时需启动冷却器降温。

ZYWL-1900R型钻机在连续工作时油温会明显上升，当工作时间超过2 h后，即使及时启动冷却器采取水冷散热降温，油温上升变慢，但仍会超过60℃，并且随着持续工作时间的延长而不断升高，当温度过高时，不采取停机的办法就容易出现漏油、液压驱动力降低、钻进困难，进而导致施工效率低下、易出现安全事故。液压系统长时间高温运行后，液压油油脂消耗量变快，液压油更换频率增加。

2 液压系统散热装置改造

2.1 液压系统发热功率

进行液压系统散热装置改造，首先要计算液压系统的发热功率。发热量是设计改造的依据。液压系统发热原理相对复杂，但遵循能量守恒定律，可通过简化处理进行计算。

液压钻机是通过电动机带动油泵把电能转变为液压能，通过操纵台将液压油分配给动力头中的液压马达、机架中的推进油缸等执行机构［6］。电机输出功率为总功率，液压马达带动钻杆钻头旋转钻进做的功为有效功率，液压马达驱动钻杆时实际输出功率与有效功率的差值为发热功率［7-8］。

考虑到电机电能转化为液压能时，会有一部分能量损失（损失率取10%），则液压系统驱动钻具钻进时的实际输出功率Psc为

式中，Ped为电机的额定功率，55 kW。则液压系统实际输出功率Psc为49.5 kW。

液压系统有效功率为Pyx，按下式计算：

式中，T为扭矩，取值1 900 N·m；n为钻速，取值240 r/min。

通过计算，液压系统有效功率为47.75 kW，则液压系统发热功率Pfr为

通过计算，液压系统发热功率Pfr为1.75 kW。

2.2 液压系统水冷装置换热量

根据冷却器传热简单经验计算方法可知，水冷装置的换热量可以按以下公式计算［9］，即

式中，Q为水冷装置换热量，W；K为传热系数，对水与油的传热板式换热器取180 kcal/（℃·h·m2）；F为传热面积，0.12·m2；Δtm为传热平均温差，℃；T1为液压油温，取60℃，T2为钻机适合使用的油温，取35℃；t1为冷却水入口温度，20℃；t2为出口温度，取50℃。

通过计算，ZYWL-1900R型钻机液压系统水冷装置换热量Q约为0.6 kW，而前文计算的钻机液压系统发热功率1.75 kW，现有水冷装置不能满足散热需要。

2.3 液压系统散热装置改造方案

现有的水冷降温装置散热效果难以满足钻机长时间、高强度钻进作业要求，为此，在水冷降温装置基础上，增加一套液压驱动的风冷散热装置。风冷散热装置是利用液压系统环境周围的空气作为热交换的介质，对其液压系统的油液进行热量交换，从而把热量强制带走，降低液压系统油液的温度。同时采用水冷和风冷冷却器进行降温，实现风水耦合联动散热降温，对液压油进行循环冷却。如图2所示，在不改变钻机原有主体结构的情况下，将风冷冷却器串接在液压泵的回油管路上，从钻机油箱新引出一趟油管，在原有副泵平行位置安装一台小型液压泵作为风冷冷却器的动力源，小型液压泵输出液压驱动力带动风冷冷却器做功。在主泵回油管和副泵回油管的油路汇合后将油路断开，先经过风冷冷却器降温，降温后的液压油通过连接管进入水冷冷却器降温，最后通过总回油管回流至钻机油箱。风、水联动降温将带来液压系统散热效率的提高，保障钻机长时间连续运行的稳定性和安全性［6-8］。

液压驱动做功过程中产生热量致使油温升高，在油泵将液压油送回钻机油箱前，采用水冷和风冷冷却器对高温液压油冷却降温，冷却后的液压油回流至钻机油箱后进行下一个循环流动做功。

当温度超过55℃时，启动水冷散热装置；当温度超过58℃时，同时启动风冷和水冷散热装置。

2.4 风冷散热装置选型及安装

钻机液压系统发热功率为1.75 kW，现有水冷散热装置换热量约为0.6 kW，则风冷降温装置散热功率不小于1.15 kW。根据风冷散热装置厂家的各类型号风冷设备，实际选择型号AJ0510T-AC、制冷功率为1.2 kW的风冷冷却装置，外形尺寸如图3所示，具体参数见表2。在钻机水冷冷却器入口管路附近加工2个ϕ9 mm的钻孔，钻孔平行布置，间距200 mm，通过螺栓将风冷冷却装置固定在钻机上，然后将主副泵汇合后的回油管路接入风冷冷却器。

3 现场应用试验

使用液压系统散热装置改造后的ZYWL-1900R型钻机在王坡煤矿3305工作面运输顺槽进行钻进施工试验，试验分2组，每组施工10个钻孔，共20个试验钻孔。第一组10个钻孔施工时，钻机不启动风冷散热装置，当温度超过55℃以上时，仅启动水冷散热装置降温；第二组10个钻孔施工时，钻机采用风冷和水冷散热装置联合降温。当温度超过55℃时，启动水冷降温装置；当温度超过58℃时，同时启动风冷和水冷降温装置。

试验发现（图4），钻机运行50～70 min时，油温超过55℃，当仅启动水冷散热装置，连续作业至60～90 min后，油温超过60℃，出现液压马达动力不足现象，施工效率明显降低。