武 波

（晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

在煤礦巷道掘進過程中，煤礦掘進設(shè)備在其中扮演著非常重要的角色，其可以實現(xiàn)截割、裝載、運輸、除塵等作用。由此可以看出，研發(fā)功能強大的掘進設(shè)備對于我國當前煤礦“采掘失衡”矛盾起著非常重要的作用。掘進設(shè)備在工作時，往往需要消耗大量的能量，同時由于井下工況條件比較復(fù)雜，比如空間小、粉塵多以及水壓較大，假如不能及時將熱量清除出去，將會導(dǎo)致各個元件性能以及使用壽命受到限制，同時不能體現(xiàn)煤礦綠色發(fā)展的理念。為此，對掘進設(shè)備的冷卻方法進行分析。

1 掘進設(shè)備熱源分析

掘進設(shè)備熱源來源于如下三個方面：第一，機械傳動系統(tǒng)；第二，電氣系統(tǒng)；第二，液壓系統(tǒng)。

1.1 機械傳動系統(tǒng)

通常情況下，掘進設(shè)備的各個結(jié)構(gòu)由一個或者多個減速器驅(qū)動下動作，在減速器傳遞能量的過程中，通常出現(xiàn)一些傳動問題，諸如嚙合損失、軸承磨損以及密封損失等，將損失轉(zhuǎn)化成為熱量。減速器在發(fā)熱時往往表現(xiàn)為不均勻，同時產(chǎn)生的熱量也表現(xiàn)為階梯型，熱量從高溫向低溫傳遞。

1.2 電氣系統(tǒng)

掘進設(shè)備電氣系統(tǒng)主要包括變速器電控箱、電控箱、電動機、功能等幾個單元，其中，電動機在工作的過程中，電動機定子以及轉(zhuǎn)子線圈，定子鐵芯損耗與摩擦損耗等都會產(chǎn)生熱。電控箱與變頻器運行時，其內(nèi)部設(shè)置的電路、變壓器以及相應(yīng)的變頻器都可以產(chǎn)生能量；對于功能部件而言，也可以產(chǎn)生熱量，可是在計算的過程中往往將其忽略。

1.3 液壓系統(tǒng)

由于煤礦井下工況條件的限制，掘進機系統(tǒng)液壓冷卻是一個長期困擾的問題。假如不能調(diào)整好設(shè)備的運行情況，那么將直接導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)泵、控制閥以及執(zhí)行單元都是容易損壞的元件。在能量傳遞時，液壓系統(tǒng)為能量消耗的環(huán)節(jié)。壓力損失包括沿程壓力損失、局部壓力損失，其中沿程壓力損失是由于液壓油流動摩擦引發(fā)的，局部壓力損失由液體流速突變引起，通常在局部表現(xiàn)為漩渦與摩擦等。壓力損失可以使得能量得到消耗，從而可以有效地降低能量的消耗，功率損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。與此同時，在液壓元件中，機械摩擦會在摩擦力的作用下出現(xiàn)磨損而消耗能量，進而將能量轉(zhuǎn)化成為熱量，誘發(fā)液壓系統(tǒng)升溫。液壓系統(tǒng)溫度升高主要表現(xiàn)為如下幾個方面：第一，巷道通風效果不理想，因此產(chǎn)生的熱量不能較好地散發(fā)出去；第二，由于油箱容積比較小，進而導(dǎo)致散熱面積嚴重受到限制；第三，由于設(shè)備管路設(shè)置過于集中，從而導(dǎo)致熱量散發(fā)不出去，導(dǎo)致散熱速度比較緩慢。

2 掘進設(shè)備冷卻方式的特點與選擇

2.1 冷卻方式特點

通常，冷卻形式包括自熱平衡、強制冷卻兩種。其中，強制冷卻包含水冷卻、風冷卻、蒸發(fā)冷卻等。而自熱平衡在散熱的過程中，不需要外設(shè)輔助單元，元部件在達到耐熱極限之前，通?？梢詫崿F(xiàn)自身發(fā)熱以及散熱的平衡，從而導(dǎo)致維護成本大大降低。通常在元部件內(nèi)部設(shè)置冷卻管道，進而達到水冷卻的效果，其可以借助流動水把熱量吸收，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對元件的冷卻功能，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高以及反應(yīng)快的優(yōu)點。從冷卻水循環(huán)的方式方面劃分將水冷卻法劃分為開式、閉式。風冷卻原理為空氣的流動性進而帶動元件產(chǎn)生的熱量，其具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護以及運行可靠的特點。通常蒸發(fā)冷卻可以借助流體沸騰過程中，汽化潛熱吸收一定的熱量，管道中設(shè)置的內(nèi)冷時蒸發(fā)冷卻原理為假如電機繞組中的空心導(dǎo)體設(shè)置有冷卻液體，其可以吸收損耗熱量，同時其溫度也會升高。當液體的溫度升到相應(yīng)的飽和溫度時，通過物理特性蒸發(fā)帶走電機中的熱量。

2.2 冷卻方式的選擇

鑒于掘進機的工況條件限制，通常掘進機減速器往往設(shè)置成為大功率，潤滑形式為高黏度的油，其可以在高達90 ℃溫度下工作，與此同時，由于其滿負荷運行的時間比較短，為此建議選擇自熱平衡的形式進行散熱。假如不采用自熱平衡的形式，局部可以采用水冷卻的形式進行冷卻，進而可以達到冷卻的效果。從電氣系統(tǒng)的層面進行分析，通常掘進設(shè)備主要使用高密度大容量電機，當溫度過高時，引發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微弱的變化，進而對電動機的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。當電機出現(xiàn)高度運轉(zhuǎn)失步時，變頻控制器在電氣裝置中是最重要的散熱元件，其只有處于最穩(wěn)定的工作環(huán)境中，才可以發(fā)揮作用，為此對于電機和變頻控制器需要選擇水冷卻的散熱形式，同時優(yōu)先考慮開式。由于液壓系統(tǒng)對溫度箱規(guī)敏感，當油溫度達到70 ℃時，整體性能出現(xiàn)下降的趨勢，為此可以選擇水冷卻的形式進行散熱。對于常規(guī)電控箱而言，由于其內(nèi)部元器件發(fā)熱少，箱體散熱面積比較大，因此選用自熱平衡即可滿足散熱的需要。

3 掘進設(shè)備冷卻系統(tǒng)計算方法

3.1 自熱平衡計算方法

在優(yōu)化減速器的過程中，必須對傳動齒輪系的受力強度進行計算，比如彎曲強度、疲勞強度、缸體的剛度以及強度。當滿足力學需要的情況下，對減速器的自熱平衡進行驗證。減速器在散熱的過程中，熱量都是從高溫狀態(tài)向低溫傳導(dǎo)至殼體，接著經(jīng)過殼體散發(fā)到周圍空間，由于流動的空氣將熱量帶走，因此在設(shè)計減速器的過程中，必須增加散熱面積，便于實現(xiàn)自熱平衡的散熱。

減速器連續(xù)工作產(chǎn)生的熱量Q1的計算公式為：

式中：η 表示相應(yīng)的減速器傳動效率；P1表示相應(yīng)的減速器輸入功率。

減速器最大排熱量Q2max的計算公式為：

式中：K 表示相應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取值 8.7～17.5；S 表示相應(yīng)的減速器散熱面積，m2；θy，max表示相應(yīng)的最大許用溫度，掘進設(shè)備中其數(shù)值可以達到90 ℃；θ0表示相應(yīng)的環(huán)境溫度，一般取值為20 ℃。

由于連續(xù)采煤機內(nèi)部設(shè)置的減速器都采用間接工作的形式，因此最大散熱功率P0可以計算如下：

式中：Pi表示相應(yīng)的加載時段功率；P 表示減速器輸入功率；ti表示相應(yīng)的加載時段時間。

3.2 水冷卻計算方法

3.2.1 元部件發(fā)熱量

為了能夠有效地優(yōu)化水冷卻計算公式，設(shè)定冷卻元件都采用均勻發(fā)熱體，相應(yīng)的散熱系數(shù)以及比熱系數(shù)都設(shè)定為常數(shù)。

元部件發(fā)熱量Pw通常以額定功率PN以及效率η 計算：

3.2.2 冷卻水總流量

通常元部件發(fā)熱量10%能夠借助自身進行散熱，一般冷卻水在冷卻管道每小時總流量Q 計算公式為：

式中：Pw表示相應(yīng)的電動機的發(fā)熱量，W；ρ 表示相應(yīng)的冷卻水的密度，1 000 kg/m3；Cm表示相應(yīng)的冷卻水的比熱，其數(shù)值取值為4.187 kJ/（kg·℃）；△θ 表示相應(yīng)的冷卻水允許的溫升。

3.2.3 冷卻溫升

冷卻水實際溫升公式：

式中：θw表示相應(yīng)的取一定裕度后，實際冷卻水流量，m3/h，在計算時可以依據(jù)20%的裕度；C 為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

3.3 風冷卻計算方法

由于在掘進設(shè)備中風冷卻應(yīng)用比較少，僅僅由泵站電機選用，其溫升通常需要控制在30 ℃以內(nèi)計算如下：

式中：θ 表示相應(yīng)的電動機的溫升，℃；S 表示相應(yīng)的電動機的散熱面積，m2；k 表示相應(yīng)的修正系數(shù)，通常取值24.5。

4 應(yīng)用實例

以某一個掘進機冷卻系統(tǒng)而言，對自熱平衡以及水冷卻參數(shù)進行計算，由于截割減速器、裝運減速器、行走減速器都采用自熱平衡的形式進行散熱，依據(jù)上述公式（1）、式（2）、式（3）進行計算得到對應(yīng)的最大散熱功率為378 kW、56 kW、75 kW，經(jīng)過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，其滿足各個設(shè)備散熱的需要，并且滿足自熱平衡的要求。由于電機中設(shè)置隔爆與三相異步電機，其中防爆電機并未設(shè)置通風扇，風損失比較小，可以忽略不計。依據(jù)公式（4）、（5）得到冷卻管道中的總流量4.38 m3/h，其符合冷卻水實際需要，圖1 是掘進機冷卻系統(tǒng)原理圖。

5 結(jié)語

通常情況下，掘進設(shè)備熱源來源于如下三個方面：機械傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)。由于煤礦井下的復(fù)雜工況，進而在設(shè)計煤礦冷卻設(shè)備時，必須充分考慮各種不同的特殊情況。依據(jù)當前煤礦開采的實際情況，進而確定各個設(shè)備與元件的冷卻方式，與此同時依據(jù)相關(guān)標準進行計算以及校核。在工程實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，對設(shè)備進行系統(tǒng)化的探究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不僅可以有效地簡化冷卻系統(tǒng)，降低成本，同時也可以有效地保證設(shè)備的穩(wěn)定性，進而提升作業(yè)效率[1-2]。

圖1 是掘進機冷卻系統(tǒng)原理圖