岳延朋 陳 超 景建強 周愛星
(山西天地王坡煤業(yè)有限公司)
在政府推動化解過剩產(chǎn)能、淘汰落后產(chǎn)能的政策下,煤礦產(chǎn)能向高產(chǎn)高效礦井集中,設(shè)備承受的工作負(fù)荷不斷加大[1-2]。鉆機作為煤礦井下鉆探施工關(guān)鍵設(shè)備,承擔(dān)著包括瓦斯治理鉆孔、探放水鉆孔、防塵注水鉆孔、防滅火鉆孔、卸壓鉆孔等一系列鉆孔施工工作,在日常生產(chǎn)中長時間保持著高強度、滿負(fù)荷工作狀態(tài),這對鉆機設(shè)備的性能提出了更高的要求[3]。液壓鉆機目前采用水冷降溫,在鉆機高強度、滿負(fù)荷工作狀態(tài)時,其降溫效率已不能滿足降溫需求。鉆機長時間高溫環(huán)境下運行會導(dǎo)致密封件老化,液壓系統(tǒng)易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,增加了日常檢修維護(hù)工作量和工作難度。同時,溫度過高常導(dǎo)致閥組內(nèi)部竄液,液壓系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)施工作業(yè)安全。在鉆機液壓系統(tǒng)溫度過高后,只能采取停鉆停機的辦法降溫,停機期間鉆孔容易出現(xiàn)壓鉆、卡鉆現(xiàn)象,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)施工效率,制約礦井安全生產(chǎn)。
針對液壓鉆機在高強度、滿負(fù)荷工作中容易出現(xiàn)高溫的情況,以ZYWL-1900R型鉆機為對象進(jìn)行鉆機液壓系統(tǒng)散熱裝置改造及試驗。結(jié)合鉆機液壓系統(tǒng)已有水冷降溫裝置的特點,設(shè)計加裝一套鉆機液壓系統(tǒng)風(fēng)冷裝置,以期實現(xiàn)水冷、風(fēng)冷聯(lián)動降溫,提高降溫效率,延長鉆機連續(xù)作業(yè)時間,解放鉆機生產(chǎn)力[4-5]。
ZYWL-1900R型煤礦用履帶式全液壓鉆機主要用于煤層瓦斯抽放孔、探放水孔、地質(zhì)構(gòu)造孔、滅火孔及其他工程鉆孔的施工。鉆機主要由油箱、電機組件、操作臺、動力頭、機架、夾持器、導(dǎo)向器、冷卻器、錨固油缸組件、履帶車等部件組成。
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ZYWL-1900R型鉆機采用單一的水冷散熱降溫方式,冷卻器為QB095-52型板式冷卻器,采用臥式結(jié)構(gòu)(圖1)。
鉆機液壓系統(tǒng)的合理工作油溫為10~60℃,油溫超出此范圍后對液壓系統(tǒng)工作不利,煤礦井下溫度常年保持在14℃以上,高于油溫下限值10℃,鉆進(jìn)運行中主要防范溫度超過60℃的上限值。鉆機連續(xù)工作一段時間后要檢查油溫,超過55℃時需啟動冷卻器降溫。
ZYWL-1900R型鉆機在連續(xù)工作時油溫會明顯上升,當(dāng)工作時間超過2 h后,即使及時啟動冷卻器采取水冷散熱降溫,油溫上升變慢,但仍會超過60℃,并且隨著持續(xù)工作時間的延長而不斷升高,當(dāng)溫度過高時,不采取停機的辦法就容易出現(xiàn)漏油、液壓驅(qū)動力降低、鉆進(jìn)困難,進(jìn)而導(dǎo)致施工效率低下、易出現(xiàn)安全事故。液壓系統(tǒng)長時間高溫運行后,液壓油油脂消耗量變快,液壓油更換頻率增加。
進(jìn)行液壓系統(tǒng)散熱裝置改造,首先要計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率。發(fā)熱量是設(shè)計改造的依據(jù)。液壓系統(tǒng)發(fā)熱原理相對復(fù)雜,但遵循能量守恒定律,可通過簡化處理進(jìn)行計算。
液壓鉆機是通過電動機帶動油泵把電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?,通過操縱臺將液壓油分配給動力頭中的液壓馬達(dá)、機架中的推進(jìn)油缸等執(zhí)行機構(gòu)[6]。電機輸出功率為總功率,液壓馬達(dá)帶動鉆桿鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)做的功為有效功率,液壓馬達(dá)驅(qū)動鉆桿時實際輸出功率與有效功率的差值為發(fā)熱功率[7-8]。
考慮到電機電能轉(zhuǎn)化為液壓能時,會有一部分能量損失(損失率取10%),則液壓系統(tǒng)驅(qū)動鉆具鉆進(jìn)時的實際輸出功率Psc為
式中,Ped為電機的額定功率,55 kW。則液壓系統(tǒng)實際輸出功率Psc為49.5 kW。
液壓系統(tǒng)有效功率為Pyx,按下式計算:
式中,T為扭矩,取值1 900 N·m;n為鉆速,取值240 r/min。
通過計算,液壓系統(tǒng)有效功率為47.75 kW,則液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率Pfr為
通過計算,液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率Pfr為1.75 kW。
根據(jù)冷卻器傳熱簡單經(jīng)驗計算方法可知,水冷裝置的換熱量可以按以下公式計算[9],即
式中,Q為水冷裝置換熱量,W;K為傳熱系數(shù),對水與油的傳熱板式換熱器取180 kcal/(℃·h·m2);F為傳熱面積,0.12·m2;Δtm為傳熱平均溫差,℃;T1為液壓油溫,取60℃,T2為鉆機適合使用的油溫,取35℃;t1為冷卻水入口溫度,20℃;t2為出口溫度,取50℃。
通過計算,ZYWL-1900R型鉆機液壓系統(tǒng)水冷裝置換熱量Q約為0.6 kW,而前文計算的鉆機液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率1.75 kW,現(xiàn)有水冷裝置不能滿足散熱需要。
現(xiàn)有的水冷降溫裝置散熱效果難以滿足鉆機長時間、高強度鉆進(jìn)作業(yè)要求,為此,在水冷降溫裝置基礎(chǔ)上,增加一套液壓驅(qū)動的風(fēng)冷散熱裝置。風(fēng)冷散熱裝置是利用液壓系統(tǒng)環(huán)境周圍的空氣作為熱交換的介質(zhì),對其液壓系統(tǒng)的油液進(jìn)行熱量交換,從而把熱量強制帶走,降低液壓系統(tǒng)油液的溫度。同時采用水冷和風(fēng)冷冷卻器進(jìn)行降溫,實現(xiàn)風(fēng)水耦合聯(lián)動散熱降溫,對液壓油進(jìn)行循環(huán)冷卻。如圖2所示,在不改變鉆機原有主體結(jié)構(gòu)的情況下,將風(fēng)冷冷卻器串接在液壓泵的回油管路上,從鉆機油箱新引出一趟油管,在原有副泵平行位置安裝一臺小型液壓泵作為風(fēng)冷冷卻器的動力源,小型液壓泵輸出液壓驅(qū)動力帶動風(fēng)冷冷卻器做功。在主泵回油管和副泵回油管的油路匯合后將油路斷開,先經(jīng)過風(fēng)冷冷卻器降溫,降溫后的液壓油通過連接管進(jìn)入水冷冷卻器降溫,最后通過總回油管回流至鉆機油箱。風(fēng)、水聯(lián)動降溫將帶來液壓系統(tǒng)散熱效率的提高,保障鉆機長時間連續(xù)運行的穩(wěn)定性和安全性[6-8]。
液壓驅(qū)動做功過程中產(chǎn)生熱量致使油溫升高,在油泵將液壓油送回鉆機油箱前,采用水冷和風(fēng)冷冷卻器對高溫液壓油冷卻降溫,冷卻后的液壓油回流至鉆機油箱后進(jìn)行下一個循環(huán)流動做功。
當(dāng)溫度超過55℃時,啟動水冷散熱裝置;當(dāng)溫度超過58℃時,同時啟動風(fēng)冷和水冷散熱裝置。
鉆機液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率為1.75 kW,現(xiàn)有水冷散熱裝置換熱量約為0.6 kW,則風(fēng)冷降溫裝置散熱功率不小于1.15 kW。根據(jù)風(fēng)冷散熱裝置廠家的各類型號風(fēng)冷設(shè)備,實際選擇型號AJ0510T-AC、制冷功率為1.2 kW的風(fēng)冷冷卻裝置,外形尺寸如圖3所示,具體參數(shù)見表2。在鉆機水冷冷卻器入口管路附近加工2個?9 mm的鉆孔,鉆孔平行布置,間距200 mm,通過螺栓將風(fēng)冷冷卻裝置固定在鉆機上,然后將主副泵匯合后的回油管路接入風(fēng)冷冷卻器。
使用液壓系統(tǒng)散熱裝置改造后的ZYWL-1900R型鉆機在王坡煤礦3305工作面運輸順槽進(jìn)行鉆進(jìn)施工試驗,試驗分2組,每組施工10個鉆孔,共20個試驗鉆孔。第一組10個鉆孔施工時,鉆機不啟動風(fēng)冷散熱裝置,當(dāng)溫度超過55℃以上時,僅啟動水冷散熱裝置降溫;第二組10個鉆孔施工時,鉆機采用風(fēng)冷和水冷散熱裝置聯(lián)合降溫。當(dāng)溫度超過55℃時,啟動水冷降溫裝置;當(dāng)溫度超過58℃時,同時啟動風(fēng)冷和水冷降溫裝置。
試驗發(fā)現(xiàn)(圖4),鉆機運行50~70 min時,油溫超過55℃,當(dāng)僅啟動水冷散熱裝置,連續(xù)作業(yè)至60~90 min后,油溫超過60℃,出現(xiàn)液壓馬達(dá)動力不足現(xiàn)象,施工效率明顯降低。
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采用風(fēng)冷和水冷散熱裝置聯(lián)合降溫時,一般在風(fēng)冷散熱裝置啟動20~30 min后,液壓系統(tǒng)油溫升至最高值,隨后油溫逐漸下降,鉆機可以連續(xù)工作6 h以上油溫不超過60℃,滿足單班最長連續(xù)作業(yè)時間需要。對試驗期間相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2種降溫方試驗效果見表3。
ZYWL-1900R型鉆機液壓系統(tǒng)采用單一水冷散熱降溫方式,最高油溫為74℃,超過臨界值60℃,降溫效果不能滿足要求。
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采用風(fēng)、水聯(lián)合降溫方式,液壓系統(tǒng)最高油溫為59℃,低于臨界值60℃,降溫效果能滿足需要。說明風(fēng)、水聯(lián)合降溫方式提高了換熱效率,散熱迅速。
此外采用風(fēng)、水聯(lián)合散熱裝置降溫期間,鉆機鉆孔施工單班進(jìn)尺由91 m提升至108 m,增加了17 m,施工效率提升19%。通過2種降溫方式下油脂消耗和更換頻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比,得出采用風(fēng)、水聯(lián)合降溫方式時,油脂消耗量明顯減少,鉆機液壓油更換時間由原來的2.5個月延長至4個月。
(1)在鉆機單一水冷散熱裝置的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出了風(fēng)水聯(lián)動降溫,完成了鉆機降溫裝置的改造,形成了一套液壓鉆機風(fēng)、水聯(lián)合降溫技術(shù)及裝備。
(2)風(fēng)、水聯(lián)合散熱降溫裝置提高了液壓系統(tǒng)的換熱效率,鉆機單班連續(xù)作業(yè)時間由2~2.5 h延長至6 h以上;鉆機施工效率由單班進(jìn)尺91 m提升至108 m,提升了19%,液壓油更換時間由原來的2.5個月延長至4個月,延長了1.5個月。