掘進(jìn)機(jī)電機(jī)機(jī)座水路設(shè)計(jì)及改進(jìn)

代嘉惠， 馬南坪

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院防爆電器研究所，重慶 400050)

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)電機(jī)相對(duì)普通防爆電機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)、加工工藝及質(zhì)量要求高，加工難度大。

本文以YBUD掘進(jìn)機(jī)用隔爆型雙速三相電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，以電機(jī)的水路設(shè)計(jì)作為研究重點(diǎn)，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的工況，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的水路進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)水路系統(tǒng)的壓力和熱力學(xué)進(jìn)行計(jì)算以驗(yàn)證新的水路能否滿足電機(jī)的散熱要求。

1 掘進(jìn)機(jī)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)電機(jī)采用的冷卻方式為IC3W7，為外殼水冷式，散熱效果優(yōu)于普通防爆電機(jī)的IC0411外殼風(fēng)冷式。其外殼采用蛇形折彎式水路，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。水路的設(shè)計(jì)還應(yīng)保證焊接外殼冷卻水路能承受4.5MPa的試驗(yàn)壓力(工作壓力為3MPa)。

為簡(jiǎn)化掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)，要求將掘進(jìn)機(jī)支架設(shè)計(jì)在電機(jī)機(jī)座上，電機(jī)外形如圖1所示。工作時(shí)與電機(jī)安裝在一起的切割頭劇烈沖擊振動(dòng)，這對(duì)電機(jī)機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝、機(jī)械加工、質(zhì)量控制提出了更高的要求。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有良好的工藝性。

圖1 帶掘進(jìn)機(jī)支架的YBUD雙速掘進(jìn)電機(jī)外形圖

2 YBUD電機(jī)加工工藝改進(jìn)

2.1 水路設(shè)計(jì)

冷卻采用IC3W7外殼水冷式。在水路的選擇上，采用散熱更加均勻的軸向水路。此水路設(shè)計(jì)具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)水口的冷卻水與出水口冷卻水隔筋相鄰，冷卻水循環(huán)的起點(diǎn)與終點(diǎn)及循環(huán)中部的溫度差較小，使電動(dòng)機(jī)表面溫度基本一致，解決了電動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)過程中溫度梯度大的實(shí)際問題。

2.2 水路優(yōu)化改進(jìn)

原設(shè)計(jì)中，水路由38條10mm厚的擋水條焊接組成，如圖2所示。其焊接加工工作量大，焊接質(zhì)量不易保證，且在機(jī)座內(nèi)水套進(jìn)行熱套時(shí)擋水條極易彎曲，增加水路阻力，影響水流散熱。

圖2 原水路設(shè)計(jì)

水路優(yōu)化改進(jìn)采用12條隔板將電機(jī)水路均勻分成12個(gè)水道，隔板厚度40mm，隔板高度18mm ，優(yōu)化后的水路展開圖、部視圖分別如圖3、圖4所示。另設(shè)計(jì)一個(gè)放水口，在機(jī)座不使用時(shí)可放掉水路中多余的水，防止發(fā)生機(jī)座水道銹蝕。

圖3 優(yōu)化后的水路展開圖

圖4 優(yōu)化后的水路剖視圖

為驗(yàn)證優(yōu)化后的水能能否滿足機(jī)座的散熱要求，進(jìn)行了以下計(jì)算。

水路主要參數(shù)如表1所示。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，掘進(jìn)機(jī)電機(jī)在流量和壓力方面的技術(shù)要求： 冷卻水流量Q≥2.0m3/h，入口水壓p≤3.0MPa。壓力計(jì)算是為了檢驗(yàn)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足流量和壓力方面的技術(shù)要求。

表1 水路主要參數(shù)表

確定冷卻水的流量，取Q=2.0m3/h，通過流量來計(jì)算壓力，若壓力>3.0MPa，則冷卻系統(tǒng)水路的設(shè)計(jì)不合理。水流相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算如表2所示。

表2 水流相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算

電機(jī)水路模型共含12條水道，其中11個(gè)回彎，1個(gè)突然增寬入水口，1個(gè)突然縮小出水口。水路壓力計(jì)算如表3所示。

表3 水路壓力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算得到進(jìn)水口的靜壓力：P1=102151.09Pa。

顯然P1≤3MPa(技術(shù)要求設(shè)定的進(jìn)水壓強(qiáng))滿足使用條件。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)水口溫度≤25℃，故設(shè)定水流的平均溫度為30℃，由表4查出水在30℃時(shí)的相關(guān)物理參數(shù)，結(jié)合表1、表2設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和表3的計(jì)算結(jié)果對(duì)水流的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

表4 水的溫度及其物性參數(shù)

為驗(yàn)證新水路設(shè)計(jì)的散熱能力，進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算。

設(shè)定電機(jī)損失的能量全都轉(zhuǎn)換成熱量。電機(jī)輸出功率P=160kW，效率0.9，計(jì)算得發(fā)熱量Q=P/η-P=17.8kW。

tav為冷卻水的平均溫度，設(shè)為30℃，由牛頓傳熱定律可求出水路壁的平均溫度tb為33.7℃。為提高設(shè)備的可靠性，設(shè)水路外壁溫度為40℃，出水口溫度為35℃。計(jì)算得到可帶走的總熱量為23067W，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量17800W，能夠保證電機(jī)發(fā)熱量全部由冷卻水帶走。新的水路經(jīng)理論計(jì)算和驗(yàn)證完全滿足電機(jī)的散熱要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文經(jīng)過對(duì)YBUD掘進(jìn)機(jī)用隔爆型雙速三相電動(dòng)機(jī)機(jī)座水路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過一系列的理論計(jì)算，在降低加工成本的情況下，電機(jī)溫升達(dá)到了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

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