煤矿掘进设备冷却系统的研究与应用

冯晓剑

（山西孝义西山德顺煤业有限公司，山西 孝义 032300）

引言

矿井掘进设备作为井下开采煤炭及开通道路的重要设备，具备运送、装载、清尘、截割等功能。在我国目前煤矿安全性较差、采煤效率低下的情况下，如何提高掘进设备的技术水平是一个亟待解决的问题。掘进设备在运行时元件会产生巨大的热量，但矿井下环境较为封闭且空气中灰尘较多，严重限制了整个机器的散热速度，不仅大大降低了掘进设备的部件的性能和预期使用寿命，而且为整个系统的稳定运行埋下安全隐患[1-6]。因此，对掘进设备的各部件进行了详细分析，根据其主要的热量来源，提出了几种针对性的冷却方法。以国内某矿采煤机为例，对其冷却系统的相关参数进行了设计，并在实际应用中检验了参数设计的合理性。本文所提及方法也可应用于其他环境，以满足现实运行环境的需求。

1 热量来源分析

掘进设备的主要热量由机械传动部件、电气部件及液压部件三个部分产生。以下对这三种热量来源进行详细介绍。

1.1 机械传动部件

掘进设备的截割、装载、输送等功能主要由减速离合箱的驱动实现。在此过程中必然会存在啮合摩擦、轴承摩擦等，这将产生大量热量。减速离合箱各处的温度并不相等，温度差使齿轮箱内部存在热量传递。

1.2 电气部件

掘进机中的电气部件有电机、多个低压开关设备以及与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备等。电动机的转子线圈与定子摩擦、铁芯损耗及其他部件损耗都会产生热能，低压开关设备及各控制电路的也会产生可观的热量。

1.3 液压部件

恶劣的井下环境导致液压部件不易散热，液压部件的散热对整个系统的稳定运行非常关键，若不能处理好这个问题，系统易出现故障失灵，严重影响生产的有序进行和矿下工作人员的生命安全。液压部件主要是指泵、控制阀及相关执行单元，液压部件在运行时，各部分的阻力会造成压力损失，压力损失主要指液体流通过程的压力损失和局部压力损失，即机油内部摩擦损失和机油流通速度引起的碰撞或摩擦损失。这将导致输出能量不足，以热量的形式散发出去。执行单元间的摩擦也是产生的热量也是系统温度升高的原因之一。整个系统散热效果不好的原因还有井下封闭、油箱表面积较小、各部件相距过近等。

2 冷却方法

2.1 冷却方法介绍

冷却方法主要可分为自动冷却与被动冷却两种类型。自动冷却是在不借助外部设备的条件下，实现机器自身温度自动降低，这种方式的运行成本较低且稳定性较高。被动冷却包括风冷、水冷及蒸发等外部方式。其中风冷指通过空气的循环将设备的热量散发至外界，其优点主要是辅助设备简单、装卸方便、运行成本低及可靠性强等；水冷即通过在设备内部同时加装循环水管道，通过循环流动的冷水与元器件散发的热量吸收，其主要优点是水的比热容较大冷却效果好，且安装管道占用体积较小；蒸发冷却的原理是通过液体蒸发的方式将热量散发到外部，在管道内部注入沸点较低的液体，当其吸收设备内部热量后，温度达到沸点，发生汽化从而带走电机内部的热量，实现降低设备温度的目的。蒸发冷却方式的主要优点是冷却效果较好，安全性较高等。

2.2 冷却方法选择

减速离合箱的内部空间较小，且其在90 ℃以上的环境下仍可维持正常运行，对散热的要求较低，一般采用自动冷却方法，若在极端情况下不能实现自动冷却，则可辅助水冷方式进一步加强冷却效果。电气部件中，电动机的内部温度较高时，其响应效果会受到较大影响，运转时易处于不同步状态，变频控制元件也需在合适温度下才能实现较好的控制效果，所以电动机与控制元件应当首先考虑采用水冷方法。低压开关设备散发的热量较小，因此自动冷却即可满足热量平衡要求。泵站的电机则升温速度较快，因此应采用风冷方法保证其运行效果。液压系统内元器件温度超过70 ℃时则工作效率急剧下降，可采用水冷方法降低油温。

3 冷却系统参数计算

3.1 自动冷却

对减速离合箱的参数进行设计时，首先应确定传动齿轮的弯曲刚度、箱体刚度及疲劳强度等参数，随后根据这些参数验证其冷却效果。减速离合箱的散热面积对实现自动冷却尤为重要，应尽可能增大散热面积。减速离合箱在稳定运行时散发的热量为：

式中：η 为减速离合箱的工作效率；P1为正常工作时所需功率。

减速离合箱的散热量为：

式中：K 为散热系数，其范围通常在8.7～17.5 之间；S为散热面积；θymax为最高工作温度；θ0指工作现场温度。由于减速离合箱处于断续工作状态，其最大散热功率为：

式中：Pi与ti分别为启动时间的功率和时长。

3.2 水冷

假设元器件的表面温度相等，则散热效率与比热容恒定，元器件的散热量可由下式得到：

式中：Pw为单位时间内散热量；PN为额定功率。

循环水在1 h 内流通总量为：

式中：Q 为流通总水量；ρ 为水的比例，取1 000；cm为水的比热容，取4.187 kJ；Δθ 为水的最大允许温差，一般取30℃。

根据式（5），循环水的实际上升温度为：

式中：Q 的取值为理论总水量乘以1.2 倍的安全裕度；C 为水的比热容。

3.3 风冷

泵站电动机的最高上升温度应在30℃之内，则应满足式（7）：

式中：Pw为散热效率；S 为散热面积；K 为调节系数，取24.5。

4 应用效果分析

以国内某矿井采煤机为例，根据第三小节公式对其相关参数进行设计后，可得自动冷却、水冷、风冷的最大散热功率分别为378 kW、56 kW、75 kW，超过设备实际发出功率，满足自动冷却需求。采用水冷方法的截割、装载、驱动点击及控制系统根据水冷的计算公式可得冷却水在每分钟内需120 L 可满足冷却需求。

本文所设计的冷却方法也可应用于其他非煤资源的开采现场，根据现场实际需求与工况，可将这三种冷却方法进行灵活改变与组合。如图1 所示为本文所设计冷却系统的总体结构图。

图1 冷却系统总体结构示意图

5 结语

本文主要对矿井的掘进设备具体部件的散热方法进行了详细设计与计算，其中包括传动设备、电气设备及液压设备等部分，根据掘进机在矿井下的实际工作环境与工作特性，对各元器件或设备选择了合适的冷却方法，并提出相关方法的计算公式，结合实际应用验证了设计的可行性与实用性。本文所设计的冷却系统对煤矿现场的工作效率、运行成本及人员的生命安全具有积极意义。