暴曉慶，高 蕾，祖賀軍，趙慧杰

（兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引言

煤礦掘進(jìn)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“掘進(jìn)設(shè)備”）是煤礦巷道掘進(jìn)和開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備，集截割、裝載、運(yùn)輸、行走、除塵等多種功能于一體，發(fā)展煤礦掘進(jìn)設(shè)備技術(shù)、提高煤礦掘進(jìn)工藝水平對(duì)于緩解我國(guó)煤礦“采掘失衡”矛盾、構(gòu)建安全高效集約化生產(chǎn)保障體系具有重要意義。掘進(jìn)設(shè)備在實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生功率損耗和熱量，受煤礦井下通風(fēng)差、空間小、粉塵多、水壓不穩(wěn)等條件的限制，產(chǎn)生的大量熱量如果不能夠及時(shí)消解和處理，必然會(huì)降低各功能元部件的性能和使用壽命，進(jìn)而影響設(shè)備整機(jī)的可靠性，也不符合煤礦綠色高效智能開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)。

基于此，筆者對(duì)煤礦掘進(jìn)設(shè)備的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了掘進(jìn)設(shè)備主要熱源，探討了掘進(jìn)設(shè)備幾種冷卻方式的特點(diǎn)及確定原則，并以某連續(xù)采煤機(jī)為實(shí)例，給出了掘進(jìn)設(shè)備冷卻系統(tǒng)的計(jì)算方法，并根據(jù)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算分方法的可靠性；以掘進(jìn)機(jī)為例，探討了煤礦設(shè)備應(yīng)用于非煤領(lǐng)域時(shí)，冷卻系統(tǒng)如何改進(jìn)設(shè)計(jì)以滿足實(shí)際作業(yè)環(huán)境的需要。

1 掘進(jìn)設(shè)備熱源分析

掘進(jìn)設(shè)備熱源主要源自機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)三部分。

1.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

掘進(jìn)設(shè)備的截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)一般由1個(gè)或多個(gè)減速器驅(qū)動(dòng)，減速器傳遞能量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚙合損失、攪油損失、軸承損失、密封損失等，能量損失主要轉(zhuǎn)化為熱量。減速器內(nèi)部發(fā)熱是不均勻的，產(chǎn)生溫度梯度，熱量由高溫處向低溫處傳導(dǎo)，形成齒輪箱內(nèi)部的導(dǎo)熱。

1.2 電氣系統(tǒng)

掘進(jìn)設(shè)備電氣系統(tǒng)主要包括電控箱、變頻器控制箱、電動(dòng)機(jī)、功能件等。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子線圈的電流熱損耗、定子鐵芯損耗、摩擦損耗以及雜散損耗等能量損耗最終都將轉(zhuǎn)化為熱量；電控箱、變頻器控制箱在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部集成的電路、變壓器、變頻器等會(huì)存在一定能量損耗，該部分損耗也將轉(zhuǎn)換為熱量；功能件也產(chǎn)生一定的熱量，但在總熱量里可以忽略不計(jì)。

1.3 液壓系統(tǒng)

因煤礦井下作業(yè)環(huán)境和作業(yè)方式的因素，掘進(jìn)設(shè)備液壓系統(tǒng)的冷卻一直是個(gè)難題，如果解決不好將影響設(shè)備的正常工作，甚至造成系統(tǒng)的故障與失效。其主要包括泵、控制閥、執(zhí)行元件和管路接頭等，在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中,液壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的阻力會(huì)消耗一部分能量,體現(xiàn)為流量和壓力損失。流量損失無(wú)關(guān)熱量形成；壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失,前者由液壓油流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦引起，后者由液流方向或流速等的突然變化,在局部區(qū)域內(nèi)形成漩渦,質(zhì)點(diǎn)碰撞、摩擦等引起。壓力損失使能量消耗增加,有效輸出能量減少，功率損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。此?液壓執(zhí)行元件的機(jī)械摩擦副之間的摩擦阻力也會(huì)損耗一定的能量,這部分能量損耗轉(zhuǎn)換為熱量也可使液壓系統(tǒng)升溫。液壓系統(tǒng)溫度過(guò)高還有以下原因：巷道通風(fēng)效果不好，導(dǎo)致散熱無(wú)法及時(shí)排出；油箱容積太小，致使散熱面積受限；設(shè)備管路布置集中、走線長(zhǎng)，致使熱量集中，散熱速度慢。

2 掘進(jìn)設(shè)備冷卻方式選擇

2.1 冷卻方式特點(diǎn)

常規(guī)冷卻方式主要有自熱平衡和強(qiáng)制冷卻兩大類(lèi)，強(qiáng)制冷卻又包括水冷卻、風(fēng)冷卻、蒸發(fā)冷卻等方式。自熱平衡不依賴外部輔助設(shè)施，元部件在耐溫極限點(diǎn)之前達(dá)到自身發(fā)熱與散熱的平衡，使用維護(hù)成本最低，可靠性最高。水冷卻是在元部件內(nèi)部設(shè)置冷卻管路，利用流動(dòng)的水將元部件產(chǎn)生的熱量吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)元部件的冷卻，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)冷卻水的循環(huán)方式，水冷卻可分為開(kāi)式和閉式兩種，比如，連續(xù)采煤機(jī)、掘錨一體機(jī)的水冷卻系統(tǒng)，水源進(jìn)入設(shè)備后，經(jīng)過(guò)各元器件后，最終流入巷道自然排出；而梭車(chē)采用閉式冷卻系統(tǒng)，即自帶水源實(shí)現(xiàn)水路的循環(huán)，這種冷卻方式效果差。風(fēng)冷卻是利用空氣流動(dòng)帶走元部件產(chǎn)生的熱量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔機(jī)系統(tǒng)少、安裝維護(hù)方便、費(fèi)用低和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)冷卻是利用流體沸騰時(shí)汽化潛熱來(lái)吸收熱量，管道內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻的基本原理為：當(dāng)電機(jī)繞組空心導(dǎo)體內(nèi)部通以冷卻液體，吸收損耗產(chǎn)生的熱量，溫度逐漸升高，當(dāng)液體的溫度達(dá)到壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，就改變其物理狀態(tài)而沸騰汽化，從而帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量。具有溫升低、冷卻效果全面、操作維護(hù)方便和運(yùn)行安全的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 冷卻方式選擇

由于作業(yè)空間的限制，掘進(jìn)設(shè)備減速器均為大比功率減速器，采用高粘度潤(rùn)滑油，能夠在90℃溫度下正常運(yùn)行，且一般滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較短，因此，優(yōu)先選用自熱平衡的方式；如不能實(shí)現(xiàn)自熱平衡，局部可引入水冷卻，提高冷卻效果。電氣系統(tǒng)方面，掘進(jìn)設(shè)備一般采用高密度大容量電機(jī)，溫度過(guò)高會(huì)造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化和內(nèi)部氣隙的微小變化，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易失步，變頻控制器是電氣元件中發(fā)熱較大的一類(lèi)元件，需要保持在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下才能發(fā)揮最大效能，因此電機(jī)和變頻控制器優(yōu)先選擇水冷卻，并且優(yōu)先選用開(kāi)式；常規(guī)電控箱內(nèi)部元器件發(fā)熱小，箱體散熱面積大，自熱平衡即能滿足使用要求；除塵風(fēng)機(jī)處于風(fēng)流中，不需另加冷卻；泵站電機(jī)設(shè)備啟動(dòng)即運(yùn)行，為保證冷卻的效果，一般選用風(fēng)冷電機(jī)。液壓系統(tǒng)對(duì)溫度比較敏感，高溫耐受性差，油溫超過(guò)70℃整體效率會(huì)直線下降，因此優(yōu)先選用水冷卻。

3 掘進(jìn)設(shè)備冷卻系統(tǒng)計(jì)算

3.1 自熱平衡計(jì)算

在進(jìn)行減速器設(shè)計(jì)時(shí)，先計(jì)算傳動(dòng)齒輪系彎曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，箱體剛度和強(qiáng)度，在上述計(jì)算全部通過(guò)后，再驗(yàn)證減速器的自熱平衡。因?yàn)闇p速器內(nèi)部轉(zhuǎn)化的熱量由高溫處傳導(dǎo)至減速器外殼低溫處，再經(jīng)殼體散發(fā)至周?chē)臻g，由流動(dòng)的空氣帶走，所以減速器設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能增加散熱面積，便于實(shí)現(xiàn)自熱平衡。

減速器連續(xù)工作產(chǎn)生的熱量：

式中：η是減速器傳動(dòng)效率；P1是減速器輸入功率。

減速器最大排熱量：

式中：K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，一般K=8.7～17.5；S為減速器散熱面積，m2；θymax為最大許用溫度，掘進(jìn)設(shè)備允許到90℃；θ0為環(huán)境溫度，正常情況下取20℃。

因?yàn)檫B續(xù)采煤機(jī)各減速器均為間斷工作制，所允許的最大散熱功率：

式中：Pi為加載時(shí)段功率；ti為加載時(shí)段時(shí)間。

3.2 水冷卻計(jì)算

3.2.1 元部件發(fā)熱量計(jì)算

為簡(jiǎn)化水冷卻計(jì)算，假定需冷卻元部件為一個(gè)均勻的發(fā)熱體，其散熱系數(shù)和比熱系數(shù)均為常數(shù)。

元部件發(fā)熱量可以從額定功率和效率來(lái)計(jì)算求得：

式中，Pw為元部件的發(fā)熱量，kW；PN為元部件額定功率，kW；η為效率。

3.2.2 冷卻水總流量計(jì)算

一般情況下，元部件發(fā)熱量10%可以通過(guò)自身散熱，冷卻水每小時(shí)在冷卻管道中的總流量的計(jì)算式為：

式中：Q為每小時(shí)需要冷卻水的總流量，m3/h；ρ為冷卻水的比重，1000；cm為冷卻水的比熱，取4.187kJ（kg×℃）；Δθ為冷卻水允許的溫升℃，掘進(jìn)設(shè)備Δθ的推薦取值30℃。

3.2.3 冷卻溫升計(jì)算

冷卻水實(shí)際溫升的計(jì)算公式：

式中：Qw為取一定裕度后的實(shí)際冷卻水流量，m3/h。通常按20%的裕度進(jìn)行計(jì)算。

3.3 風(fēng)冷卻計(jì)算

掘進(jìn)設(shè)備風(fēng)冷卻應(yīng)用相對(duì)較少，一般只有泵站電機(jī)會(huì)采用，風(fēng)冷卻電機(jī)的溫升推薦控制在30℃，即：

式中：θ為電動(dòng)機(jī)的溫升，K；Pw為電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量，W；S為電動(dòng)機(jī)的散熱面積，m2；K為修正系數(shù)，風(fēng)冷修正系數(shù)一般取24.5。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)用在煤礦上的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某連續(xù)采煤機(jī)冷卻系統(tǒng)為例對(duì)其自熱平衡、水冷卻相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。截割減速器、裝運(yùn)減速器、行走減速器屬于自熱平衡，按照式（1）、式（2）、式（3）進(jìn)行計(jì)算，所允許的最大散熱功率P0分別為378kW、56kW、75kW，大于設(shè)備的實(shí)際功率P分別為340kW、45kW、50kW，符合自熱平衡的要求。

水冷卻主要冷卻170kW截割電機(jī)、45kW裝運(yùn)電機(jī)、50kW行走電機(jī)、2臺(tái)100kW變頻控制器和液壓系統(tǒng)，其中電機(jī)是隔爆、三相異步電機(jī)。由于防爆電機(jī)沒(méi)有安裝通風(fēng)風(fēng)扇，風(fēng)損耗很小，風(fēng)冷卻可以忽略不計(jì)。按照式（4）、式（5）計(jì)算，每小時(shí)在冷卻管道中的總流量Q=4.38m3/h，即73L/min，考慮到除塵噴霧的需要，冷卻水量實(shí)際采用100～120L/min。

目前，該型連續(xù)采煤機(jī)已累計(jì)銷(xiāo)售50余臺(tái)，應(yīng)用于朔北礦區(qū)、王臺(tái)鋪煤礦、王家?guī)X煤礦、榆林礦區(qū)、府谷礦區(qū)等，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)故障嚴(yán)重影響生產(chǎn)的案例。

4.2 掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用在非煤礦山的冷卻系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

某掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于鉀鹽礦山的施工生產(chǎn)中，其冷卻系統(tǒng)是針對(duì)煤礦作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，由于鉀鹽礦遇水溶解的特點(diǎn)，導(dǎo)致原冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足非煤礦山的需求，因此，在對(duì)原冷卻系統(tǒng)原理與特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。①在冷卻方式上，將對(duì)液壓系統(tǒng)和電機(jī)的冷卻由水冷卻改為風(fēng)冷卻。②為提高冷卻效率，由原來(lái)一個(gè)回路改為兩個(gè)回路，即一路選用合適散熱功率的風(fēng)冷卻器對(duì)液壓回油進(jìn)行冷卻，采用控制程序確保溫度大于一定溫度（40℃）時(shí)，風(fēng)冷卻器開(kāi)式工作；另一路選用合適散熱功率的風(fēng)冷卻器對(duì)泵站電機(jī)和截割電機(jī)進(jìn)行冷卻。③在水循環(huán)方式上，將冷卻水循環(huán)由開(kāi)式改為閉式，原水循環(huán)由外接水源接入，經(jīng)球閥、反沖洗過(guò)濾器、減壓閥、液壓回路冷卻器、油泵電機(jī)、截割電機(jī)后，經(jīng)截割噴霧噴嘴噴出；改進(jìn)后的水路增加了水箱，冷卻水由水箱在水泵的作用下，經(jīng)溢流閥、泵站電機(jī)、截割電機(jī)、過(guò)濾器、風(fēng)冷卻器后進(jìn)入水箱，形成一個(gè)內(nèi)循環(huán)。以上改進(jìn)設(shè)計(jì)即滿足了掘進(jìn)機(jī)本身對(duì)冷卻的要求，又避免了冷卻水的外排對(duì)鉀鹽造成的損失，符合鉀鹽礦山作業(yè)環(huán)境對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的要求。圖1是掘進(jìn)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖，圖2是改進(jìn)后電機(jī)冷卻回路圖。

圖1 掘進(jìn)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)設(shè)備的熱源主要源自機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)；煤礦井下的工作環(huán)境決定了煤礦類(lèi)設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合特殊的工況特點(diǎn)。根據(jù)煤礦掘進(jìn)設(shè)備的實(shí)際工況，確定設(shè)備各系統(tǒng)和相關(guān)元部件的冷卻方式，并按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核。也要考慮到將不同的冷卻方式結(jié)合使用，并在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。某型連續(xù)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用表明：對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化的冷卻研究，既可以簡(jiǎn)化設(shè)備冷卻系統(tǒng)，降低成本，也可以保證設(shè)備的可靠性，提高系統(tǒng)的效率。