毛繼偉

(中煤科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原　030006)

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掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛繼偉

(中煤科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原030006)

針對(duì)傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)外接冷卻水的冷卻方式應(yīng)用受限的問題，提出一種掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用風(fēng)冷卻器作為強(qiáng)制散熱單元，采用PLC作為控制單元，通過溫度信號(hào)采集及處理、PID控制等，使掘進(jìn)機(jī)截割電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)溫度保持在允許范圍內(nèi)。井下工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，在掘進(jìn)機(jī)沒有外接冷卻水的情況下，該系統(tǒng)有助于掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

掘進(jìn)機(jī)； 溫度控制； 截割電動(dòng)機(jī)； 液壓系統(tǒng)； 風(fēng)冷卻器

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1114.003.html

0　引言

中國(guó)采礦業(yè)的高速發(fā)展對(duì)部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)的作業(yè)能力提出了更高要求。掘進(jìn)機(jī)工作能力的提高必然要求掘進(jìn)機(jī)整機(jī)功率不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致能耗增加，發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重。目前主流的掘進(jìn)機(jī)普遍采用噴霧水冷卻的方法降溫，即利用巷道中的供水為掘進(jìn)機(jī)冷卻，然后通過噴霧降塵裝置將水噴灑在巷道里，達(dá)到一定的降塵效果。隨著掘進(jìn)機(jī)使用范圍的不斷擴(kuò)大，在新建的礦山巷道或公路、鐵路隧道往往沒有供水系統(tǒng)，且這些巷道大多為全巖巷道，掘進(jìn)機(jī)工作負(fù)載大，發(fā)熱量更大，往往掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)間不長(zhǎng)，其液壓系統(tǒng)和截割電動(dòng)機(jī)就超出了額定工作溫度，只能采取停機(jī)冷卻措施，極大降低了工作效率和工程進(jìn)度。本文通過研究掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)和截割電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，以解決掘進(jìn)機(jī)在沒有外接冷卻水情況下無法長(zhǎng)時(shí)間工作的問題。

1　相關(guān)計(jì)算及元部件選型

掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的冷卻部分采用風(fēng)冷卻器作為強(qiáng)制散熱單元。

1.1掘進(jìn)機(jī)發(fā)熱功率計(jì)算

掘進(jìn)機(jī)的發(fā)熱功率取決于截割電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的裝機(jī)功率及運(yùn)行效率，其表達(dá)式為

(1)

式中：η1為截割電動(dòng)機(jī)效率；P1為截割電動(dòng)機(jī)功率，kW；η2為液壓系統(tǒng)效率；P2為液壓系統(tǒng)輸入功率，kW。

掘進(jìn)機(jī)截割電動(dòng)機(jī)功率為300 kW，效率為95%；液壓系統(tǒng)輸入功率為150 kW，效率動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)同型號(hào)掘進(jìn)機(jī)在多個(gè)巷道的工作情況統(tǒng)計(jì)研究，液壓系統(tǒng)的平均效率為62%。由此得掘進(jìn)機(jī)需要強(qiáng)制冷卻的發(fā)熱功率為72 kW，其中截割電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率為15 kW，液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率為57 kW。需要指出的是，液壓系統(tǒng)的油箱具有一定的自然散熱能力，但其散熱能力較小，對(duì)系統(tǒng)影響較小，因此不予考慮[1-3]。

1.2風(fēng)冷卻器散熱面積計(jì)算與選型

風(fēng)冷卻器的散熱面積為

(2)

式中：P′為風(fēng)冷卻器散熱功率，kW；K為風(fēng)冷卻器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；ΔTm為液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)油箱與周圍空氣允許的溫度差，K。

咨詢相關(guān)制造企業(yè)后，確定風(fēng)冷卻器的傳熱系數(shù)為55 W/(m2·K)，計(jì)算出風(fēng)冷卻器所需散熱面積為23.03 m2。按照相關(guān)手冊(cè)，實(shí)際選用的風(fēng)冷卻器散熱面積比計(jì)算結(jié)果需增加20%～30%，因此確定風(fēng)冷卻器的散熱面積為30 m2。由于掘進(jìn)機(jī)安裝尺寸的限制，選用2臺(tái)FL-15型風(fēng)冷卻器。

1.3截割電動(dòng)機(jī)所需的最小冷卻液流量計(jì)算

將截割電動(dòng)機(jī)保持在合理溫度時(shí)所需的最小冷卻液流量為

(3)

式中：Pw為截割電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率，kW；ρ為冷卻液的質(zhì)量密度，kg/m3；cm為冷卻液的比熱容，J/(kg·K)；ΔT為冷卻液通過截割電動(dòng)機(jī)后允許的溫升，K，本文取303.15 K，即30 ℃。

經(jīng)式(3)計(jì)算得所需的最小冷卻液流量為7.2 L/min。只要冷卻液的流量不低于該值，即可確保截割電動(dòng)機(jī)溫度在允許范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、規(guī)定和泵的規(guī)格，確定泵的排量為10 mL/r，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率為1.5 kW。冷卻截割電動(dòng)機(jī)后的冷卻液需經(jīng)過風(fēng)冷卻器進(jìn)行冷卻。采用1.2節(jié)所述方法計(jì)算所需風(fēng)冷卻器的面積，計(jì)算結(jié)果小于23.03 m2。為了簡(jiǎn)化準(zhǔn)備過程，截割電動(dòng)機(jī)冷卻回路中同樣采用FL-15型風(fēng)冷卻器。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1循環(huán)冷卻部分

掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的循環(huán)冷卻部分包括截割電動(dòng)機(jī)冷卻回路和液壓系統(tǒng)溫度控制回路，如圖1所示。截割電動(dòng)機(jī)冷卻回路采用1臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)冷卻液泵作為動(dòng)力源，泵出的冷卻液直接冷卻截割電動(dòng)機(jī)，經(jīng)大功率風(fēng)冷卻器將熱量散發(fā)出去，然后冷卻液回到水箱，形成循環(huán)冷卻系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的液壓油在回油時(shí)直接經(jīng)過大功率風(fēng)冷卻器散熱，將液壓系統(tǒng)溫度保持在合理范圍內(nèi)。

(a)截割電動(dòng)機(jī)冷卻回路(b)液壓系統(tǒng)溫度控制回路

圖1掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的循環(huán)冷卻部分結(jié)構(gòu)

2.2溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖2所示。該系統(tǒng)針對(duì)液壓系統(tǒng)溫度控制回路和截割電動(dòng)機(jī)冷卻回路，通過溫度信號(hào)采集及處理、PID控制、溫度實(shí)時(shí)顯示等處理，對(duì)液壓系統(tǒng)油箱內(nèi)的液壓油溫度、截割電動(dòng)機(jī)繞組溫度、水箱內(nèi)冷卻液溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將掘進(jìn)機(jī)整機(jī)溫度控制在合理范圍內(nèi)[4]。

圖2　掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用S7-300 PLC。其具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，輸入、輸出模塊數(shù)量多，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，為系統(tǒng)的升級(jí)改造留下了一定空間。掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)后，PLC建立與各溫度傳感器的通信，將采集到的溫度信號(hào)與其設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，并將采集數(shù)據(jù)顯示在操作臺(tái)顯示器上。當(dāng)采集數(shù)據(jù)高于設(shè)定值時(shí)，PLC將進(jìn)行PID控制參數(shù)的智能化自動(dòng)整定，啟動(dòng)風(fēng)冷卻器和冷卻液泵運(yùn)行，保證液壓系統(tǒng)和截割電動(dòng)機(jī)在允許的溫度范圍運(yùn)行；當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過液壓系統(tǒng)或截割電動(dòng)機(jī)的允許溫度時(shí)，系統(tǒng)在顯示器上提示停機(jī)冷卻，提醒工作人員進(jìn)行故障排查。

系統(tǒng)軟件主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)處理與分析、各執(zhí)行元件控制、溫度顯示、超溫報(bào)警及消警、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)上傳等。軟件主要包括基于S7-300 PLC的主程序和顯示器顯示程序。主程序采用PLC專用語言編寫[5]，顯示程序采用滿足Windows運(yùn)行環(huán)境的VB進(jìn)行編寫。局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)上傳采用TCP/IP協(xié)議[6]。

3　結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)已安裝在EBZ300型掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行了3個(gè)月的井下工業(yè)性試驗(yàn)，期間掘進(jìn)機(jī)在沒有其他外接冷卻水的情況能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，液壓系統(tǒng)溫度保持在60～65 ℃，截割電動(dòng)機(jī)溫度保持在80～85 ℃。

接下來嘗試將該系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)機(jī)載濕式除塵系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)掘進(jìn)機(jī)溫度控制、濕式除塵為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]雷天覺,楊爾莊,李壽剛.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[3]李貴軒.掘進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)[M].阜新：阜新礦業(yè)學(xué)院出版社,1982.

[4]陳國(guó)平，張弛，張金威，等.基于液壓系統(tǒng)的油溫智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011，24(1)：21-22.

[5]馬笑瀟.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]石紅偉.蒸發(fā)式冷凝器冷卻水節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(8)：107-109.

Design of automatic temperature control system for roadheader

MAO Jiwei

(CCTEG Taiyuan Research Institute, Taiyuan 030006, China)

For limited application problem of traditional roadheader cooling methods by external cooling water, a design scheme of automatic temperature control system for roadheader was proposed. The system uses air cooler as a mandatory cooling unit and PLC as a control unit, and can make temperatures of roadheader cutting motor and hydraulic system within allowable range through temperature signal acquisition and processing and PID control. Underground industrial test result shows that the system helps roadheader run long and stably without external cooling water.

roadheader; temperature control; cutting motor; hydraulic system; air cooler

1671-251X(2016)05-0011-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.003

2015-11-02；

2016-03-16；責(zé)任編輯：李明。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A405)。

毛繼偉(1981-)，男，河南葉縣人，副研究員，碩士，現(xiàn)主要從事掘進(jìn)機(jī)等煤礦裝備的研發(fā)工作，E-mail：mjwok123@163.com。

TD632.2

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-29 11:14

毛繼偉.掘進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(5)：11-13.