宋明江

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)冷卻方式的分析與研究

宋明江

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

介紹了煤礦井下設(shè)備的工作特點(diǎn)，分析煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因。結(jié)合煤礦井下設(shè)備的工作特點(diǎn)，針對性的選擇適合的系統(tǒng)冷卻方式。論文內(nèi)容對煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場應(yīng)用具有一定的參考作用。

煤礦井下設(shè)備；液壓系統(tǒng)；冷卻方式

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，井下機(jī)械化作業(yè)程度也得到了不斷提高，取得了長足的發(fā)展。然而人類社會(huì)發(fā)展對能源的巨大需求，還是不斷的在促使大批大功率、高產(chǎn)能的煤礦設(shè)備的誕生。煤礦設(shè)備多以液力和電力驅(qū)動(dòng)為主，尤以液力驅(qū)動(dòng)居多。因井下巷道作業(yè)空間局限性大和全日制連續(xù)不停機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)，煤礦設(shè)備液壓系統(tǒng)油溫高即是上述特點(diǎn)所致典型問題。液壓系統(tǒng)油溫高將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作，甚至造成系統(tǒng)的故障和失效。所以對液壓系統(tǒng)進(jìn)行有效的溫度控制是系統(tǒng)正常工作的前提和保證，而對于大功率設(shè)備的液壓系統(tǒng)，因其發(fā)熱量大，系統(tǒng)溫度的有效控制就顯得尤為重要。

1 煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因

1.1 液壓系統(tǒng)高壓溢流

煤礦井下設(shè)備大載荷、長時(shí)間進(jìn)行工作，液壓系統(tǒng)中卸荷回路出現(xiàn)故障或因未設(shè)置卸荷回路，導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)停止工作時(shí)油泵卻不能卸荷，泵的全部流量在高壓下溢流，導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重溫升，這是設(shè)備液壓系統(tǒng)發(fā)熱主要原因之一。

1.2 巷道通風(fēng)不暢，自然散熱條件不好

井下巷道雖然有完善的通風(fēng)系統(tǒng)，但是巷道及采掘工作面的風(fēng)流和風(fēng)量都較之地面有很大的差別。井下通風(fēng)風(fēng)流和風(fēng)量較小，加之設(shè)備自身結(jié)構(gòu)緊湊嚴(yán)密，自然散熱條件不好，設(shè)備自身和系統(tǒng)油液的自然冷卻效果差，造成系統(tǒng)發(fā)熱突出。

1.3 液壓系統(tǒng)功能復(fù)雜，管路繁多

煤礦井下設(shè)備多以液壓驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力，如掘錨機(jī)、連采機(jī)、錨桿機(jī)等很多大型機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備工作負(fù)荷大，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，并且目前逐步向大功率、高產(chǎn)能的方向發(fā)展。這些設(shè)備往往系統(tǒng)管路繁多，管路布置長，彎曲多，導(dǎo)致局部壓力損失多和沿程壓力損失大，帶來系統(tǒng)發(fā)熱。

1.4 油箱容積太小，散熱面積不夠

煤礦井下設(shè)備因其工作的井下巷道空間狹小，所以對設(shè)備靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)提出較高要求。設(shè)備在設(shè)計(jì)之初就對外形尺寸、工作范圍、轉(zhuǎn)彎半徑、爬坡能力等一系列參數(shù)作了嚴(yán)格的界定，因此在設(shè)備必要的工作機(jī)構(gòu)布置之外，余留許用空間往往有限。這樣以來，其他系統(tǒng)的布置將會(huì)受限，諸如造成液壓系統(tǒng)油箱容積過小，油液循環(huán)散熱不充分，油箱散熱面積不夠等問題，也將造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱突出。

2 煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)冷卻方式的選擇

基于以上幾點(diǎn)因素，煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境和本身機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的影響下，很容易出現(xiàn)系統(tǒng)過熱現(xiàn)象。然而，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量單靠油箱、元件及管件表面的發(fā)散通常是不夠的，而油液溫度的有效控制是系統(tǒng)正常工作的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者設(shè)備應(yīng)用時(shí)采用合適的冷卻方式能有效地控制溫升，是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可或缺的環(huán)節(jié)。煤礦井下設(shè)備常用的冷卻方式主要有以下兩種：

2.1 風(fēng)冷卻式

風(fēng)冷式冷卻器的分類及應(yīng)用。風(fēng)冷方式可分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷就是通過井下巷道內(nèi)的空氣流動(dòng)，帶走系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量。井下空間局限性很大，系統(tǒng)很難保證有足夠的散熱面積，再加之巷道風(fēng)流和風(fēng)速都不大，所以通過自然風(fēng)冷有效控制液壓系統(tǒng)溫升比較困難。

風(fēng)冷式冷卻器可以輔助完成液壓系統(tǒng)的散熱，有效控制系統(tǒng)溫升。風(fēng)冷卻器有積層式和翅管式結(jié)構(gòu)。積層式由沖壓的成型板片焊接而成，換熱面積大，散熱效果好。翅管式為橢圓管或圓管，都有方形或圓形嵌入或擠壓的肋片。風(fēng)冷式冷卻器可分為吹風(fēng)式或吸風(fēng)式兩種，選用時(shí)可根據(jù)安裝方式和條件來選擇。風(fēng)冷式冷卻器尺寸較大，風(fēng)扇和空氣流都會(huì)產(chǎn)生噪音，所以主要用在行走機(jī)械或者水源困難的地方。

（1）風(fēng)冷式冷卻器的面積計(jì)算：

式中：A— 冷卻器的冷卻面積（m2）；Nh—液壓系統(tǒng)發(fā)熱量（W）；Nhd—液壓系統(tǒng)散熱量（W）；a—污垢系數(shù)，一般a=15；K—散熱系數(shù)，見表 1；DTav— 平均溫差（℃），DTav=進(jìn)口和出口油溫（℃）；t1、t2—進(jìn)口和出口空氣溫度（℃）。

（2）液壓系統(tǒng)發(fā)熱量和散熱量的估算：

式中：NP— 輸入泵的功率（W）；hc— 系統(tǒng)的總效率。合理、高效的系統(tǒng)一般70%～80%，一般系統(tǒng)僅達(dá)到50%～60%。

式中：K1— 油箱散熱系數(shù)W/m2·℃，取值范圍見表1；A—油箱散熱面積（m2）；Dt—油溫與環(huán)境溫度之差（℃）。

2.2 水冷方式

煤礦井下設(shè)備根據(jù)具體需求，很多也會(huì)選擇水冷方式。根據(jù)冷卻水的循環(huán)方式，基本可分類為開式和閉式兩種。井下作業(yè)環(huán)境很多時(shí)候配備有方便的水源，比如巷道掘進(jìn)工作面、短壁開采工作面等均有水源配置用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)、錨桿機(jī)、掘錨機(jī)等設(shè)備的作業(yè)降塵、元部件冷卻的目的，那么在其液壓系統(tǒng)冷卻環(huán)節(jié)上就可采用開式水冷系統(tǒng)，冷卻水直接通過冷卻器后進(jìn)入其他工作系統(tǒng)之后排出機(jī)體。另外，如梭車等一些無軌運(yùn)輸車輛長距離、快速移動(dòng)的設(shè)備可采用閉式水冷卻方式，自帶水箱實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)流動(dòng)，帶走系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量。開式系統(tǒng)的冷卻效果要優(yōu)于閉式系統(tǒng)，在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用開式水冷卻方式。

表1 油箱散熱與散熱系數(shù)關(guān)系Tab.1 Coefficient of heat transfer on different conditions of the tank

水冷式冷卻器的分類及應(yīng)用。對于水冷式冷卻器基本可分為蛇管式、多管式、板式、翅片式等形式。①蛇管式冷卻器在油箱中安裝，裝設(shè)方便，但冷卻效率低，水耗量大；②多管式冷卻器水從管內(nèi)流過，高溫油從殼體內(nèi)管間流過，中間折板使油流折流，強(qiáng)化冷卻效果；③板式冷卻器結(jié)構(gòu)利用板片人字波紋結(jié)構(gòu)交錯(cuò)排列形成的接觸點(diǎn)，使液流在流速不高的情況下形成紊流，提高散熱效果；④翅片式冷卻器采用水管外面通油，油管外面加裝橫向或縱向的散熱翅片（0.2～0.3mm的鋁片或銅片）的結(jié)構(gòu)，以增加油腔一側(cè)的局部傳熱系數(shù)和散熱面積（增加的散熱面積可達(dá)光管的8～10倍），因此冷卻效果比普通冷卻器提高數(shù)倍，體積和重量相對減少許多。相比較四種水冷卻器方式，翅片式冷卻器散熱效率是最高的。水冷式冷卻器冷卻面積的計(jì)算：

式中：Nh——液壓系統(tǒng)發(fā)熱量（W）；Nhd—液壓系統(tǒng)散熱量（W）；K—散熱系數(shù)，見表 1；DTav—平均溫差（℃），進(jìn)口和出口油溫（℃）；t1'、t2'—進(jìn)口和出口水溫（℃）。

3 結(jié)束語

煤礦井下設(shè)備液壓系統(tǒng)的冷卻方式應(yīng)考慮因地制宜、因設(shè)備制宜，作者認(rèn)為在設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)優(yōu)先選擇方便、有效的冷卻方式，也可以將不同的冷卻方式結(jié)合使用。文章介紹內(nèi)容只能管中窺豹，實(shí)際應(yīng)用還需結(jié)合現(xiàn)場和具體問題進(jìn)行分析對待，希望在以后的工程實(shí)際中能夠收集一些更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為今后工作和學(xué)習(xí)提供可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（單行本）液壓傳動(dòng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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Analysis and Research on the Hydraulic System Cooling Methods of Underground Coal Mining Equipments

SONG Ming-Jiang
（Taiyuan Branch of China Central Coal Mining Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006,China）

The paper introduces the characteristics of underground coal mining equipments,and investigates reasons of heat generation of its hydraulic system.The cooling methods selection principle that combined with characteristics of underground mining equipments is proposed to deal with different situations.The paper is great helpful to the design and field maintenance of hydraulic system of underground coal mining equipments.

underground coal mining equipment；hydraulic system；cooling methods

TD67

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.021

1002－6673（2014）03－054－03

2014－03－11

宋明江（1981-），男，甘肅蘭州人，助理研究員，2005年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司短壁裝備研發(fā)中心從事短壁裝備的研發(fā)工作。