掘進機溫度自動控制系統設計

毛繼偉

(中煤科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原　030006)

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掘進機溫度自動控制系統設計

毛繼偉

(中煤科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原030006)

針對傳統掘進機外接冷卻水的冷卻方式應用受限的問題，提出一種掘進機溫度自動控制系統設計方案。該系統采用風冷卻器作為強制散熱單元，采用PLC作為控制單元，通過溫度信號采集及處理、PID控制等，使掘進機截割電動機和液壓系統溫度保持在允許范圍內。井下工業性試驗結果表明，在掘進機沒有外接冷卻水的情況下，該系統有助于掘進機長時間穩定運行。

掘進機； 溫度控制； 截割電動機； 液壓系統； 風冷卻器

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1114.003.html

0　引言

中國采礦業的高速發展對部分斷面掘進機的作業能力提出了更高要求。掘進機工作能力的提高必然要求掘進機整機功率不斷增加，進而導致能耗增加，發熱現象嚴重。目前主流的掘進機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機冷卻，然后通過噴霧降塵裝置將水噴灑在巷道里，達到一定的降塵效果。隨著掘進機使用范圍的不斷擴大，在新建的礦山巷道或公路、鐵路隧道往往沒有供水系統，且這些巷道大多為全巖巷道，掘進機工作負載大，發熱量更大，往往掘進機工作時間不長，其液壓系統和截割電動機就超出了額定工作溫度，只能采取停機冷卻措施，極大降低了工作效率和工程進度。本文通過研究掘進機液壓系統和截割電動機的發熱情況，設計了一套基于PLC的掘進機溫度自動控制系統，以解決掘進機在沒有外接冷卻水情況下無法長時間工作的問題。

1　相關計算及元部件選型

掘進機溫度自動控制系統的冷卻部分采用風冷卻器作為強制散熱單元。

1.1掘進機發熱功率計算

掘進機的發熱功率取決于截割電動機和液壓系統的裝機功率及運行效率，其表達式為

(1)

式中：η1為截割電動機效率；P1為截割電動機功率，kW；η2為液壓系統效率；P2為液壓系統輸入功率，kW。

掘進機截割電動機功率為300 kW，效率為95%；液壓系統輸入功率為150 kW，效率動態變化，根據同型號掘進機在多個巷道的工作情況統計研究，液壓系統的平均效率為62%。由此得掘進機需要強制冷卻的發熱功率為72 kW，其中截割電動機發熱功率為15 kW，液壓系統發熱功率為57 kW。需要指出的是，液壓系統的油箱具有一定的自然散熱能力，但其散熱能力較小，對系統影響較小，因此不予考慮[1-3]。

1.2風冷卻器散熱面積計算與選型

風冷卻器的散熱面積為

(2)

式中：P′為風冷卻器散熱功率，kW；K為風冷卻器的表面傳熱系數，W/(m2·K)；ΔTm為液壓系統工作時，液壓系統油箱與周圍空氣允許的溫度差，K。

咨詢相關制造企業后，確定風冷卻器的傳熱系數為55 W/(m2·K)，計算出風冷卻器所需散熱面積為23.03 m2。按照相關手冊，實際選用的風冷卻器散熱面積比計算結果需增加20%～30%，因此確定風冷卻器的散熱面積為30 m2。由于掘進機安裝尺寸的限制，選用2臺FL-15型風冷卻器。

1.3截割電動機所需的最小冷卻液流量計算

將截割電動機保持在合理溫度時所需的最小冷卻液流量為

(3)

式中：Pw為截割電動機發熱功率，kW；ρ為冷卻液的質量密度，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機后允許的溫升，K，本文取303.15 K，即30 ℃。

經式(3)計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，即可確保截割電動機溫度在允許范圍內。根據相關經驗、規定和泵的規格，確定泵的排量為10 mL/r，驅動電動機的功率為1.5 kW。冷卻截割電動機后的冷卻液需經過風冷卻器進行冷卻。采用1.2節所述方法計算所需風冷卻器的面積，計算結果小于23.03 m2。為了簡化準備過程，截割電動機冷卻回路中同樣采用FL-15型風冷卻器。

2　系統設計

2.1循環冷卻部分

掘進機溫度自動控制系統的循環冷卻部分包括截割電動機冷卻回路和液壓系統溫度控制回路，如圖1所示。截割電動機冷卻回路采用1臺電動機驅動1臺冷卻液泵作為動力源，泵出的冷卻液直接冷卻截割電動機，經大功率風冷卻器將熱量散發出去，然后冷卻液回到水箱，形成循環冷卻系統。液壓系統的液壓油在回油時直接經過大功率風冷卻器散熱，將液壓系統溫度保持在合理范圍內。

(a)截割電動機冷卻回路(b)液壓系統溫度控制回路

圖1掘進機溫度自動控制系統的循環冷卻部分結構

2.2溫度自動控制系統

掘進機溫度自動控制系統組成如圖2所示。該系統針對液壓系統溫度控制回路和截割電動機冷卻回路，通過溫度信號采集及處理、PID控制、溫度實時顯示等處理，對液壓系統油箱內的液壓油溫度、截割電動機繞組溫度、水箱內冷卻液溫度進行實時監控，將掘進機整機溫度控制在合理范圍內[4]。

圖2　掘進機溫度自動控制系統組成

系統采用S7-300 PLC。其具有強大的計算能力，輸入、輸出模塊數量多，具有較強的擴展能力，為系統的升級改造留下了一定空間。掘進機啟動后，PLC建立與各溫度傳感器的通信，將采集到的溫度信號與其設定的溫度值進行比較，并將采集數據顯示在操作臺顯示器上。當采集數據高于設定值時，PLC將進行PID控制參數的智能化自動整定，啟動風冷卻器和冷卻液泵運行，保證液壓系統和截割電動機在允許的溫度范圍運行；當采集數據超過液壓系統或截割電動機的允許溫度時，系統在顯示器上提示停機冷卻，提醒工作人員進行故障排查。

系統軟件主要功能包括傳感器數據處理與分析、各執行元件控制、溫度顯示、超溫報警及消警、數據記錄、數據上傳等。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運行環境的VB進行編寫。局域網內的數據上傳采用TCP/IP協議[6]。

3　結語

掘進機溫度自動控制系統已安裝在EBZ300型掘進機上進行了3個月的井下工業性試驗，期間掘進機在沒有其他外接冷卻水的情況能夠長時間穩定工作，液壓系統溫度保持在60～65 ℃，截割電動機溫度保持在80～85 ℃。

接下來嘗試將該系統與掘進機機載濕式除塵系統相結合，開發掘進機溫度控制、濕式除塵為一體的自動化控制系統。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2003.

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

[3]李貴軒.掘進機械設計[M].阜新：阜新礦業學院出版社,1982.

[4]陳國平，張弛，張金威，等.基于液壓系統的油溫智能控制系統的設計[J].工業控制計算機,2011，24(1)：21-22.

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

[6]石紅偉.蒸發式冷凝器冷卻水節能自動控制系統設計[J].工礦自動化,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；責任編輯：李明。

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA06A405)。

毛繼偉(1981-)，男，河南葉縣人，副研究員，碩士，現主要從事掘進機等煤礦裝備的研發工作，E-mail：mjwok123@163.com。

TD632.2

A網絡出版時間：2016-04-29 11:14

毛繼偉.掘進機溫度自動控制系統設計[J].工礦自動化，2016,42(5)：11-13.