李文秀，張 旭

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道鉆機散熱系統性能分析

李文秀，張 旭

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000)

600 m坑道鉆機為全液壓驅動。鉆機在工作過程中，液壓系統會產生大量的熱量，這部分熱量將通過鉆機的散熱系統散去。根據鉆機的發(fā)熱功率，初步選定使用風冷散熱器，散熱器片有效散熱面積為25 m2。詳細推導出液壓系統的熱量隨時間變化的函數，根據函數的變化和極值，驗證液壓系統的散熱能力。

坑道鉆機;液壓系統;散熱系統;熱平衡

1 概述

600 m全液壓坑道鉆機采用主機泵站分體式結構，體積較小，適用于坑道鉆探施工。主機包括動力頭、桅桿、卷揚、底座等部件，如圖1所示。泵站由90 kW防爆電機驅動，包括液壓泵、液壓油箱、散熱器等，為主機提供動力，如圖2。兩者通過長10 m的5根液壓膠管相連，連接處快速接頭可拆卸，便于安裝和運輸。

圖1 主機

一般工程機械的液壓系統的工作溫度最高不超過85℃，由于此鉆機主要在坑道中進行施工，工作環(huán)境通風條件較差，散熱不暢。另外，鉆機的分體式結構加大了管路長度，因此液壓系統的沿程阻力損失和局部阻力損失大大增加，此部分損失的能量將全部轉化為系統的熱量。綜合以上兩點，對鉆機液壓系統的散熱性能分析是非常必要的。

圖2 泵站

2 鉆機液壓系統熱平衡分析

2.1 鉆機發(fā)熱和散熱

液壓系統動力由兩臺連接于電機上的泵提供，全功率正常工作時總輸出功率約為70 kW。整臺鉆機的工作效率約為62%，因此，液壓系統的發(fā)熱功率P發(fā)為:

鉆機液壓系統的散熱渠道有:風冷散熱器、液壓油箱、泵、閥、馬達和液壓管路。但由于油箱、泵、閥、馬達均有保護罩，液壓管路被膠管護套包裹，散熱量很小，可以忽略不計，因此可以只考慮經散熱器散失的熱量。散熱器散熱功率P散為:

P散=KAΔt=0.023×25Δt=0.575Δt(kW)式中:K——風扇強制冷卻條件下散熱系數，選0. 023;A——散熱器的散熱面積;Δt——油溫與環(huán)境溫度的差值。

由以上計算可以看出，散熱功率P散是一個隨溫差變化的瞬態(tài)量，單純的用機械設計手冊上的“液壓系統散熱量等于散熱功率乘以散熱時間”的簡單算法來線性計算散熱量是不科學的。整個鉆機液壓系統的熱量需要用一個隨時間變化的函數來精確表達。

2.2 初始條件及參數界定

(1)環(huán)境溫度:約為40℃。

(2)液壓油性質:液壓油選擇為L－HM46號抗磨液壓油，比熱c=1.88 kJ/(kg·℃)，系統中液壓油質量m=250 kg。

(3)熱力學公式:

式中:Q——系統內熱能;c——液壓油比熱容;Δt——系統溫度與環(huán)境溫度的差值。設40℃時，液壓系統的熱能為0。

2.3 熱平衡分析

當液壓系統有熱量輸入時，系統熱能對時間的微分等于瞬時發(fā)熱功率與散熱功率之差。即:

這就是液壓系統熱量關于時間s的函數。

下面用初始條件求未知常數C的值。

當時間s=0時，即鉆機剛剛啟動的時刻，液壓系統的溫度和環(huán)境溫度相等，為40℃。此時液壓系統的熱能為0。即:

這就是系統熱量隨時間變化的函數。描繪其函數圖形如圖3所示。

圖3 系統熱量隨時間變化的函數圖形

由函數圖形可以看出，系統熱量是隨時間變化而慢慢增加的指數函數，并最終趨于18309 kJ，當時間無限長，即s→∞時系統熱量維持穩(wěn)定，達到散熱功率與發(fā)熱功率相同的狀態(tài)，使鉆機液壓系統熱量的輸入與散發(fā)相等，最終達到熱平衡狀態(tài)。

此時，由熱力學公式Q=cmΔt，求得鉆機液壓系統與環(huán)境的溫差:

3 應用效果

600 m坑道鉆機于2010年11月底運抵山東龍口礦區(qū)進行試驗，設備安放在二中段最里邊，距離井口垂直距離100 m，水平距離800 m，礦井截面約為邊長1.8 m的矩形，通風效果一般，氣體流動性差，對于液壓系統散熱十分不利。雖然條件惡劣，但是設備在24 h不間斷施工工況下，液壓系統最高溫度只達到76℃，并維持穩(wěn)定。該設備到目前運行平穩(wěn)，液壓系統工作正常，說明鉆機散熱系統滿足散熱需求。

4 結論

綜合以上分析，當鉆機以全功率正常工作，工作時間無限長時，鉆機液壓系統的最高溫度有78.9℃，較接近設計要求的85℃上限。但事實上，鉆機不可能無限工作，一定會有操作間隙和輔助時間，故發(fā)熱功率要比計算時小，而散熱時間要比計算時長。從應用效果可以看出，鉆機在正常工況持續(xù)工作情況下，液壓系統的溫度只達到76℃，所以，鉆機液壓系統散熱器的選型滿足使用要求，并有一定的安全儲備。

［1］張旭，等.2000 m全液壓巖心鉆機下放鉆桿過程中液壓系統熱平衡分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(11):29－31.

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［3］蘇爾皇.液壓流體力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1979.

［4］王文斌，等.機械設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［5］蔡廷文.液壓系統現代建模方法［M］.北京:中國標準出版社，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

中國地質調查局地質調查項目“1500 m地質取心深孔鉆探技術研究”(1212010816011)

李文秀(1974－)，男(漢族)，河北盧龍人，中國地質科學院勘探技術研究所高級工程師，機械電子專業(yè)，從事非開挖設備、巖心鉆機研究與制造工作，河北省廊坊市金光道77號，wenxiu－li@163.com。