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        斗輪機散熱裝置的優(yōu)化改進

        2021-03-07 07:56:14王榮鈞
        露天采礦技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:故障設(shè)備系統(tǒng)

        王榮鈞,張 經(jīng)

        (國家能源集團準能集團公司 設(shè)備維修中心,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

        準格爾能源有限責任公司黑岱溝露天煤礦采掘應(yīng)用的斗輪挖掘機,屬于連續(xù)工藝采礦裝備,主要采排露天礦區(qū)頂部的黃土覆蓋層。該系統(tǒng)自投入運行以來進行了諸多適合本土的性能優(yōu)化改進,包括斗輪機在夏季的高溫環(huán)境,液壓系統(tǒng)油溫經(jīng)常過高導致停機這一疑難故障。

        斗輪機液壓系統(tǒng)油溫過高故障,特別是夏季故障更為突出,這一故障現(xiàn)象自設(shè)備投入運行后就已存在。為此,通過理論分析,對設(shè)備液壓工作原理以及溫升、散熱成因的進行研究,通過技術(shù)優(yōu)化改進以安全、實效、經(jīng)濟、易操作的方法,最終解決了斗輪機液壓系統(tǒng)油溫過高的故障問題。

        1 理論分析

        機械設(shè)備液壓系統(tǒng)工作時,各種能量損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。當通過油箱、管道等自然冷卻方式不能保證油液溫度低于最高工作油溫時,采取強制冷卻的方法,即通過冷卻器散熱來限制油溫的繼續(xù)升高。

        1.1 液壓系統(tǒng)油溫高的危害

        在機械設(shè)備的液壓系統(tǒng)中,油溫過高是較為常見且必須解決的一項故障問題。系統(tǒng)散熱一般分為自動散熱和強制散熱2 種,強制散熱又有風冷和水冷2 類型。斗輪機液壓系統(tǒng)所采用的散熱為強制風冷型散熱技術(shù)。

        液壓系統(tǒng)工作溫度一般以30~55 ℃為宜,油溫過高不利于系統(tǒng)的正常運行,對系統(tǒng)的零部件可造成損壞,降低液壓元件的使用壽命。危害主要有:①液壓油黏度、容積效率和液壓系統(tǒng)工作效率均下降,泄漏增加甚至顯著影系統(tǒng)正常性能作業(yè)運行;②液壓系統(tǒng)的零件因系統(tǒng)溫度升高過多形成的較大熱膨脹,破壞了相對運動原來正常的配合間隙,導致摩擦阻力增加、液壓閥易卡滯的故障現(xiàn)象,同時,系統(tǒng)的高溫使得油膜變薄、機械磨損增加,結(jié)果造成泵、閥等精密配合面因磨損而使其失效或報廢;③液壓系統(tǒng)的高溫將加速橡膠密封件老化變質(zhì)、壽命縮短甚至密封性能徹底失效,使系統(tǒng)形成嚴重的內(nèi)外泄漏故障現(xiàn)象;④系統(tǒng)的高溫,使得油液中溶解的水分氣化與析出,液壓系統(tǒng)工作運行中產(chǎn)生的穴蝕現(xiàn)象破壞元件;⑤高溫會對油液加速氧化,形成的氧化膠狀沉積物,易堵塞濾油器以及液壓控制閥內(nèi)阻尼、節(jié)流等小孔,造成液壓元件動作失常[1]。

        1.2 電控風冷式冷卻系統(tǒng)

        機械設(shè)備上常用的散熱系統(tǒng)有回油旁路散熱系統(tǒng)、液壓伺服控制型冷卻系統(tǒng)和電控風冷式冷卻系統(tǒng)。由于傳感技術(shù)、微電子技術(shù)及數(shù)字化液壓元件的迅速發(fā)展,對液壓油溫進行數(shù)字化實時動態(tài)監(jiān)控在理論和實踐上都是可行的和有價值的。

        風冷式冷卻系統(tǒng)主要由動力源(發(fā)動機、電機、液壓馬達等)、風扇、散熱器芯組模塊等組成,通過動力源帶動風扇轉(zhuǎn)動,利用強制對流效應(yīng)作用帶走熱量達到散熱目的。由于空氣的比熱容大大低于水,所以同樣的熱量,風冷方式的散熱需要更大的風量[2]。

        機械設(shè)備上使用用風冷式散熱,有利于將工作介質(zhì)溫度(油溫)控制在較小的波動范圍內(nèi),減小因系統(tǒng)中液壓油溫度大幅變化造成泄漏等不利現(xiàn)象,延長液壓系統(tǒng)中介質(zhì)、液壓泵體、閥組、橡膠管及密封的使用壽命,從而提高設(shè)備的工作效率、穩(wěn)定性乃至整套設(shè)備系統(tǒng)的可靠性,同時也有利于實現(xiàn)整機的智能化控制。

        冷卻風扇是散熱系統(tǒng)中的重要組成部件之一,其性能與工作狀態(tài)直接影響著散熱效果。風扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度關(guān)系如圖1。

        風扇轉(zhuǎn)速按線性法則進行計算,規(guī)律為:

        式中:n 為當前風扇轉(zhuǎn)速,r/min;nmin為風扇最低轉(zhuǎn)速,r/min;nmax為風扇的最高轉(zhuǎn)速,r/min;t 為當前冷卻介質(zhì)溫度,℃;tmin為最低設(shè)定溫度,℃;tmax為最高設(shè)定溫度,℃。

        在斗輪機原有液壓冷卻系統(tǒng)中,冷卻介質(zhì)為風,但風扇實際的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速相同。按照風扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度的線性法則規(guī)律,根據(jù)介質(zhì)實際溫度值分別計算對應(yīng)風扇轉(zhuǎn)速。采用這種冷卻方法,2個散熱器分別在2 個風扇的驅(qū)動下降溫冷卻,因此2 個散熱器性能的匹配非常重要。

        圖1 風扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度關(guān)系圖

        冷卻器的散熱功率P2等于系統(tǒng)的發(fā)熱功率P與散熱功率P1之差,所以冷卻器的散熱面積A 為:

        式中:△tm為工作介質(zhì)與冷卻介質(zhì)的溫差,℃;t1、t2分別為工作介質(zhì)進口與出口溫度,℃;t′1、t′2分別為冷卻介質(zhì)進口與出口溫度,℃;P 為系統(tǒng)的發(fā)熱功率,kW;P1為散熱功率,kW;P2為冷卻器的散熱功率,kW;K 為冷卻器散熱系數(shù),具體可查手冊[3]。

        風冷式冷卻系統(tǒng)可以解決斗輪設(shè)備液壓系統(tǒng)的散熱需求。從經(jīng)濟易行、安全實用的設(shè)計考慮,斗輪機液壓系統(tǒng)的散熱選擇電控冷卻方案進行解決。電控冷卻系統(tǒng)還有較多的優(yōu)點,其應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)成熟,沒有顯著地缺陷,設(shè)計成本相對較小,安裝方便、比較容易實施等。

        2 原因分析

        2.1 斗輪機液壓系統(tǒng)散熱工況

        斗輪機液壓系統(tǒng)正常運行中,散熱系統(tǒng)有如下工作狀態(tài):當油溫達到60 ℃時,散熱系統(tǒng)開始啟動,由排量為160 L/min 液壓油散熱泵帶動系統(tǒng)油液循環(huán),通過系統(tǒng)冷卻器與外界熱交換進行降溫;當液壓系統(tǒng)的溫度降至40 ℃設(shè)定值時,散熱泵停止運行;而當液壓油溫高于80 ℃時,設(shè)備設(shè)定的自動保護系統(tǒng)啟動,這時液壓主電機動力電源被自動切斷,液壓主泵停止運轉(zhuǎn),而散熱液壓泵繼續(xù)運行,驅(qū)動液壓油經(jīng)冷卻器散熱,這樣設(shè)備進入停機散熱降溫狀態(tài)。

        2.2 斗輪機液壓系統(tǒng)形成高溫的因素

        斗輪機由于工作條件的不同,液壓系統(tǒng)形成高溫的原因也不相同,如環(huán)境、作業(yè)狀態(tài)、系統(tǒng)溢流壓力等。

        1)連續(xù)工作時間長。輪斗系統(tǒng)正常運行的點檢、處理故障時間為每天9:00—11:00,點檢人員檢修任務(wù)完成后設(shè)備再運行,在無故障情況下一直運行,甚至可以達到交接班不停機。由于長時間工作,液壓系統(tǒng)能量損耗(損耗能量轉(zhuǎn)化為熱能)因素累積,導致液壓油溫升高。

        2)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境因素。斗輪設(shè)備以黃土層為采剝對象,環(huán)境因素要求設(shè)備液壓室需要一定的密閉性。這樣,在隔絕外界塵土同時,也同時較大程度影響了液壓系統(tǒng)的散熱過程。

        3)液壓系統(tǒng)的溢流損耗。斗輪液壓系統(tǒng)存在最低25×105Pa 的溢流背壓,形成功率能量與熱量的轉(zhuǎn)換,該熱量與設(shè)備作業(yè)時間成正比關(guān)系。

        4)液壓系統(tǒng)零部件的機械損耗。液壓系統(tǒng)中零部件的運轉(zhuǎn)磨損,包括齒輪泵的齒輪與泵體和側(cè)板,柱塞泵的缸體和配油盤,缸體孔與柱塞,換向閥的閥桿與閥體等零部件,這些液壓元件的機械磨損與內(nèi)泄也同樣能夠引起油溫升高[4]。

        5)斗輪機液壓系統(tǒng)輔助部件,由于原有設(shè)計的不足,也存在不利于系統(tǒng)散熱的因素。液壓油箱的外形尺寸為2 000 mm×1 800 mm×17 000 mm,占據(jù)液壓室近1/3 面積,可存儲液壓油2 000 L。液壓油箱放置在密閉的液壓室內(nèi),自然散熱受限;散熱器位置擺放不合理,放置于距液壓室墻面約50 cm 地方,空間狹小,加之液壓室內(nèi)空氣流通性差,最終導致系統(tǒng)熱量無法正常排出而出現(xiàn)液壓油高溫現(xiàn)象。

        3 優(yōu)化改進方案

        斗輪機液壓系統(tǒng)散熱設(shè)計的不合理是造成高溫的主要原因。通過對設(shè)備作業(yè)環(huán)境、系統(tǒng)的運行狀況以及綜合散熱效率、應(yīng)用性及經(jīng)濟性等多方面考慮,確定對斗輪機液壓系統(tǒng)在散熱方面進行優(yōu)化改進,加裝電控散熱系統(tǒng),以解決運行中液壓系統(tǒng)油溫過高引起的停機等系列故障。

        1)冷卻裝置的選用。首先要求冷卻器安全可靠、有足夠的散熱面積、壓力損失小、散熱效率高、體積小、質(zhì)量輕等[5]。根據(jù)斗輪機的環(huán)境場所,確定采用強制性風冷散熱冷卻方式。散熱裝置有風扇動力源為防爆電機,散熱器為多葉片鋁合金式,另外包括風扇、集風罩、機架等。

        2)散熱裝置。采用鋁合金材料的散熱器為液壓系統(tǒng)中的重要輔助元件,具有以下優(yōu)點:①材料質(zhì)輕且柔軟,塑性好;②無接觸熱阻,具有優(yōu)良的導熱性,散熱效率高;③強度高(抗壓強度≥25×105Pa),安全性高;④有較強的抗蝕性,元件運行壽命長;⑤散熱器內(nèi)外壁采用電解電泳離子氧化處理,氧化層厚度及表面強度增加,防腐能力更優(yōu)。

        4 方案實施

        1)材料選配。斗輪機液壓系統(tǒng)二次散熱的電控冷卻的元器件包括帶地腳螺栓底座冷卻器1 個、電機及風扇各1 個、φ38 mm×1.5 m 和φ38 mm×5 m 的液壓專用軟管(耐壓不低于4 000,1psi=6.895 kPa)各2 根、卡塊式密封聯(lián)接4 套、擋油板1 塊(1 m×1.5 m)。

        2)安裝位置。油冷卻器安裝位置的確定,應(yīng)當使其與原有液壓系統(tǒng)盡量保持同一水平位置,以減少高位差造成的不必要能量損耗。安裝需考慮以下幾方面因素:①考慮選擇通風良好的,能有效進行熱交換的空間;②安裝位置避免隱蔽及存在安全隱患的部位,應(yīng)充分考慮便于點檢、維修的位置;③避免遠離散熱循環(huán)泵,距離過遠不利于油液的循環(huán)及散熱效果;④由于設(shè)備運行過程中抖動、震動較大,油冷卻器的安裝必須牢固可靠,防止其松動造成液壓系統(tǒng)故障[6]。

        3)管路鋪設(shè)的設(shè)計要點。在連接液壓管路的施工作業(yè)中,要統(tǒng)籌考慮液壓系統(tǒng)的性能特點,把控好設(shè)備的安全運行,主要注意以下幾方面:①設(shè)計管路布放位置合理,盡可能降低外接管路長度;②管路盡量減少彎度及橫截面的突變,有效減少能量損耗,提高散熱效率;③合理固定管路,避免與設(shè)備構(gòu)件的尖銳棱角直接接觸,防止設(shè)備運行中因振動產(chǎn)生的管路磨損現(xiàn)象[7]。

        4)根據(jù)斗輪機的實際狀況,加裝的散熱冷卻器選擇確定于設(shè)備液壓室與電氣室的中間空位,即配重平臺的下方。選取該位置是避開了陽光的照射和采掘物料的直接灑落,具有較好的通風性。此位置也是該設(shè)備電氣滑動變電阻的散熱部位。安裝中出于安全因素,在液壓散熱器與變電阻之間設(shè)置1 件擋油板,以防止出現(xiàn)可能性的泄漏油液,因噴濺至電氣件而引發(fā)意外的事件。

        5 改進后效益情況

        斗輪機的液壓系統(tǒng)高溫故障,特別是在夏季表現(xiàn)更為明顯,當環(huán)境溫度在30 ℃連續(xù)運行超過3 h設(shè)備就必須停機散熱,當設(shè)備使用起臂采掘方式時液壓溫度升溫更快。在準格爾的年度高溫季節(jié)中,白班全負荷每作業(yè)3 h 則需停機降溫1 h 左右。每臺斗輪機理論設(shè)計生產(chǎn)能力為3 100 m3/h,實際生產(chǎn)能力達到2 000 m3/h 以上,夏季每個生產(chǎn)圓班因系統(tǒng)高溫停機1.5 h 以上,以準格爾當?shù)貧夂颦h(huán)境,每年以1.5 個月的環(huán)境高溫期計算,因為液壓油溫過高引起的設(shè)備停機時間,每臺輪斗每年超過60 h,影響產(chǎn)量在12 萬m3以上。

        黑岱溝露天煤礦的輪斗系統(tǒng)運行成本,根據(jù)歷年統(tǒng)計,為3.38~2.49 元/m3,斗輪機液壓高溫故障的徹底解決,每臺輪斗可創(chuàng)造產(chǎn)值近30 萬余元/a,運行的2 臺斗輪機每年多創(chuàng)造產(chǎn)值超過50 萬元。

        6 結(jié)語

        斗輪機的液壓系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)在優(yōu)化改進后,經(jīng)過現(xiàn)場運行觀測,設(shè)備液壓系統(tǒng)的油溫基本保持在50 ℃左右,即使在夏季的高溫環(huán)境下,系統(tǒng)的油溫也不超過60 ℃,改進效果顯著,徹底解決了斗輪機存在多年的液壓油高溫故障,該項技改實施的經(jīng)濟與社會效益顯著。

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