煤礦掘進設備冷卻系統的研究與應用

馮曉劍

（山西孝義西山德順煤業有限公司，山西 孝義 032300）

引言

礦井掘進設備作為井下開采煤炭及開通道路的重要設備，具備運送、裝載、清塵、截割等功能。在我國目前煤礦安全性較差、采煤效率低下的情況下，如何提高掘進設備的技術水平是一個亟待解決的問題。掘進設備在運行時元件會產生巨大的熱量，但礦井下環境較為封閉且空氣中灰塵較多，嚴重限制了整個機器的散熱速度，不僅大大降低了掘進設備的部件的性能和預期使用壽命，而且為整個系統的穩定運行埋下安全隱患[1-6]。因此，對掘進設備的各部件進行了詳細分析，根據其主要的熱量來源，提出了幾種針對性的冷卻方法。以國內某礦采煤機為例，對其冷卻系統的相關參數進行了設計，并在實際應用中檢驗了參數設計的合理性。本文所提及方法也可應用于其他環境，以滿足現實運行環境的需求。

1 熱量來源分析

掘進設備的主要熱量由機械傳動部件、電氣部件及液壓部件三個部分產生。以下對這三種熱量來源進行詳細介紹。

1.1 機械傳動部件

掘進設備的截割、裝載、輸送等功能主要由減速離合箱的驅動實現。在此過程中必然會存在嚙合摩擦、軸承摩擦等，這將產生大量熱量。減速離合箱各處的溫度并不相等，溫度差使齒輪箱內部存在熱量傳遞。

1.2 電氣部件

掘進機中的電氣部件有電機、多個低壓開關設備以及與之相關的控制、測量、信號、保護、調節等設備等。電動機的轉子線圈與定子摩擦、鐵芯損耗及其他部件損耗都會產生熱能，低壓開關設備及各控制電路的也會產生可觀的熱量。

1.3 液壓部件

惡劣的井下環境導致液壓部件不易散熱，液壓部件的散熱對整個系統的穩定運行非常關鍵，若不能處理好這個問題，系統易出現故障失靈，嚴重影響生產的有序進行和礦下工作人員的生命安全。液壓部件主要是指泵、控制閥及相關執行單元，液壓部件在運行時，各部分的阻力會造成壓力損失，壓力損失主要指液體流通過程的壓力損失和局部壓力損失，即機油內部摩擦損失和機油流通速度引起的碰撞或摩擦損失。這將導致輸出能量不足，以熱量的形式散發出去。執行單元間的摩擦也是產生的熱量也是系統溫度升高的原因之一。整個系統散熱效果不好的原因還有井下封閉、油箱表面積較小、各部件相距過近等。

2 冷卻方法

2.1 冷卻方法介紹

冷卻方法主要可分為自動冷卻與被動冷卻兩種類型。自動冷卻是在不借助外部設備的條件下，實現機器自身溫度自動降低，這種方式的運行成本較低且穩定性較高。被動冷卻包括風冷、水冷及蒸發等外部方式。其中風冷指通過空氣的循環將設備的熱量散發至外界，其優點主要是輔助設備簡單、裝卸方便、運行成本低及可靠性強等；水冷即通過在設備內部同時加裝循環水管道，通過循環流動的冷水與元器件散發的熱量吸收，其主要優點是水的比熱容較大冷卻效果好，且安裝管道占用體積較小；蒸發冷卻的原理是通過液體蒸發的方式將熱量散發到外部，在管道內部注入沸點較低的液體，當其吸收設備內部熱量后，溫度達到沸點，發生汽化從而帶走電機內部的熱量，實現降低設備溫度的目的。蒸發冷卻方式的主要優點是冷卻效果較好，安全性較高等。

2.2 冷卻方法選擇

減速離合箱的內部空間較小，且其在90 ℃以上的環境下仍可維持正常運行，對散熱的要求較低，一般采用自動冷卻方法，若在極端情況下不能實現自動冷卻，則可輔助水冷方式進一步加強冷卻效果。電氣部件中，電動機的內部溫度較高時，其響應效果會受到較大影響，運轉時易處于不同步狀態，變頻控制元件也需在合適溫度下才能實現較好的控制效果，所以電動機與控制元件應當首先考慮采用水冷方法。低壓開關設備散發的熱量較小，因此自動冷卻即可滿足熱量平衡要求。泵站的電機則升溫速度較快，因此應采用風冷方法保證其運行效果。液壓系統內元器件溫度超過70 ℃時則工作效率急劇下降，可采用水冷方法降低油溫。

3 冷卻系統參數計算

3.1 自動冷卻

對減速離合箱的參數進行設計時，首先應確定傳動齒輪的彎曲剛度、箱體剛度及疲勞強度等參數，隨后根據這些參數驗證其冷卻效果。減速離合箱的散熱面積對實現自動冷卻尤為重要，應盡可能增大散熱面積。減速離合箱在穩定運行時散發的熱量為：

式中：η 為減速離合箱的工作效率；P1為正常工作時所需功率。

減速離合箱的散熱量為：

式中：K 為散熱系數，其范圍通常在8.7～17.5 之間；S為散熱面積；θymax為最高工作溫度；θ0指工作現場溫度。由于減速離合箱處于斷續工作狀態，其最大散熱功率為：

式中：Pi與ti分別為啟動時間的功率和時長。

3.2 水冷

假設元器件的表面溫度相等，則散熱效率與比熱容恒定，元器件的散熱量可由下式得到：

式中：Pw為單位時間內散熱量；PN為額定功率。

循環水在1 h 內流通總量為：

式中：Q 為流通總水量；ρ 為水的比例，取1 000；cm為水的比熱容，取4.187 kJ；Δθ 為水的最大允許溫差，一般取30℃。

根據式（5），循環水的實際上升溫度為：

式中：Q 的取值為理論總水量乘以1.2 倍的安全裕度；C 為水的比熱容。

3.3 風冷

泵站電動機的最高上升溫度應在30℃之內，則應滿足式（7）：

式中：Pw為散熱效率；S 為散熱面積；K 為調節系數，取24.5。

4 應用效果分析

以國內某礦井采煤機為例，根據第三小節公式對其相關參數進行設計后，可得自動冷卻、水冷、風冷的最大散熱功率分別為378 kW、56 kW、75 kW，超過設備實際發出功率，滿足自動冷卻需求。采用水冷方法的截割、裝載、驅動點擊及控制系統根據水冷的計算公式可得冷卻水在每分鐘內需120 L 可滿足冷卻需求。

本文所設計的冷卻方法也可應用于其他非煤資源的開采現場，根據現場實際需求與工況，可將這三種冷卻方法進行靈活改變與組合。如圖1 所示為本文所設計冷卻系統的總體結構圖。

圖1 冷卻系統總體結構示意圖

5 結語

本文主要對礦井的掘進設備具體部件的散熱方法進行了詳細設計與計算，其中包括傳動設備、電氣設備及液壓設備等部分，根據掘進機在礦井下的實際工作環境與工作特性，對各元器件或設備選擇了合適的冷卻方法，并提出相關方法的計算公式，結合實際應用驗證了設計的可行性與實用性。本文所設計的冷卻系統對煤礦現場的工作效率、運行成本及人員的生命安全具有積極意義。