煤矿井下设备液压系统冷却方式的分析与研究

宋明江

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

煤矿井下设备液压系统冷却方式的分析与研究

宋明江

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

介绍了煤矿井下设备的工作特点，分析煤矿井下设备液压系统发热的主要原因。结合煤矿井下设备的工作特点，针对性的选择适合的系统冷却方式。论文内容对煤矿井下设备液压系统的设计和现场应用具有一定的参考作用。

煤矿井下设备；液压系统；冷却方式

0 引言

随着科学技术的迅猛发展，井下机械化作业程度也得到了不断提高，取得了长足的发展。然而人类社会发展对能源的巨大需求，还是不断的在促使大批大功率、高产能的煤矿设备的诞生。煤矿设备多以液力和电力驱动为主，尤以液力驱动居多。因井下巷道作业空间局限性大和全日制连续不停机作业的特点，煤矿设备液压系统油温高即是上述特点所致典型问题。液压系统油温高将严重影响系统的正常工作，甚至造成系统的故障和失效。所以对液压系统进行有效的温度控制是系统正常工作的前提和保证，而对于大功率设备的液压系统，因其发热量大，系统温度的有效控制就显得尤为重要。

1 煤矿井下设备液压系统发热的主要原因

1.1 液压系统高压溢流

煤矿井下设备大载荷、长时间进行工作，液压系统中卸荷回路出现故障或因未设置卸荷回路，导致工作机构停止工作时油泵却不能卸荷，泵的全部流量在高压下溢流，导致系统严重温升，这是设备液压系统发热主要原因之一。

1.2 巷道通风不畅，自然散热条件不好

井下巷道虽然有完善的通风系统，但是巷道及采掘工作面的风流和风量都较之地面有很大的差别。井下通风风流和风量较小，加之设备自身结构紧凑严密，自然散热条件不好，设备自身和系统油液的自然冷却效果差，造成系统发热突出。

1.3 液压系统功能复杂，管路繁多

煤矿井下设备多以液压驱动为动力，如掘锚机、连采机、锚杆机等很多大型机械设备，这些设备工作负荷大，机构运动复杂，并且目前逐步向大功率、高产能的方向发展。这些设备往往系统管路繁多，管路布置长，弯曲多，导致局部压力损失多和沿程压力损失大，带来系统发热。

1.4 油箱容积太小，散热面积不够

煤矿井下设备因其工作的井下巷道空间狭小，所以对设备灵活机动等特点提出较高要求。设备在设计之初就对外形尺寸、工作范围、转弯半径、爬坡能力等一系列参数作了严格的界定，因此在设备必要的工作机构布置之外，余留许用空间往往有限。这样以来，其他系统的布置将会受限，诸如造成液压系统油箱容积过小，油液循环散热不充分，油箱散热面积不够等问题，也将造成液压系统发热突出。

2 煤矿井下设备液压系统冷却方式的选择

基于以上几点因素，煤矿井下设备液压系统在恶劣的工作环境和本身机构特点的影响下，很容易出现系统过热现象。然而，系统产生的热量单靠油箱、元件及管件表面的发散通常是不够的，而油液温度的有效控制是系统正常工作的前提，在系统设计或者设备应用时采用合适的冷却方式能有效地控制温升，是液压系统设计不可或缺的环节。煤矿井下设备常用的冷却方式主要有以下两种：

2.1 风冷却式

风冷式冷却器的分类及应用。风冷方式可分为自然风冷和强制风冷。自然风冷就是通过井下巷道内的空气流动，带走系统所产生的热量。井下空间局限性很大，系统很难保证有足够的散热面积，再加之巷道风流和风速都不大，所以通过自然风冷有效控制液压系统温升比较困难。

风冷式冷却器可以辅助完成液压系统的散热，有效控制系统温升。风冷却器有积层式和翅管式结构。积层式由冲压的成型板片焊接而成，换热面积大，散热效果好。翅管式为椭圆管或圆管，都有方形或圆形嵌入或挤压的肋片。风冷式冷却器可分为吹风式或吸风式两种，选用时可根据安装方式和条件来选择。风冷式冷却器尺寸较大，风扇和空气流都会产生噪音，所以主要用在行走机械或者水源困难的地方。

（1）风冷式冷却器的面积计算：

式中：A— 冷却器的冷却面积（m2）；Nh—液压系统发热量（W）；Nhd—液压系统散热量（W）；a—污垢系数，一般a=15；K—散热系数，见表 1；DTav— 平均温差（℃），DTav=进口和出口油温（℃）；t1、t2—进口和出口空气温度（℃）。

（2）液压系统发热量和散热量的估算：

式中：NP— 输入泵的功率（W）；hc— 系统的总效率。合理、高效的系统一般70%～80%，一般系统仅达到50%～60%。

式中：K1— 油箱散热系数W/m2·℃，取值范围见表1；A—油箱散热面积（m2）；Dt—油温与环境温度之差（℃）。

2.2 水冷方式

煤矿井下设备根据具体需求，很多也会选择水冷方式。根据冷却水的循环方式，基本可分类为开式和闭式两种。井下作业环境很多时候配备有方便的水源，比如巷道掘进工作面、短壁开采工作面等均有水源配置用来实现连续采煤机、锚杆机、掘锚机等设备的作业降尘、元部件冷却的目的，那么在其液压系统冷却环节上就可采用开式水冷系统，冷却水直接通过冷却器后进入其他工作系统之后排出机体。另外，如梭车等一些无轨运输车辆长距离、快速移动的设备可采用闭式水冷却方式，自带水箱实现冷却水的循环流动，带走系统中产生的热量。开式系统的冷却效果要优于闭式系统，在条件允许的情况下，应优先选用开式水冷却方式。

表1 油箱散热与散热系数关系Tab.1 Coefficient of heat transfer on different conditions of the tank

水冷式冷却器的分类及应用。对于水冷式冷却器基本可分为蛇管式、多管式、板式、翅片式等形式。①蛇管式冷却器在油箱中安装，装设方便，但冷却效率低，水耗量大；②多管式冷却器水从管内流过，高温油从壳体内管间流过，中间折板使油流折流，强化冷却效果；③板式冷却器结构利用板片人字波纹结构交错排列形成的接触点，使液流在流速不高的情况下形成紊流，提高散热效果；④翅片式冷却器采用水管外面通油，油管外面加装横向或纵向的散热翅片（0.2～0.3mm的铝片或铜片）的结构，以增加油腔一侧的局部传热系数和散热面积（增加的散热面积可达光管的8～10倍），因此冷却效果比普通冷却器提高数倍，体积和重量相对减少许多。相比较四种水冷却器方式，翅片式冷却器散热效率是最高的。水冷式冷却器冷却面积的计算：

式中：Nh——液压系统发热量（W）；Nhd—液压系统散热量（W）；K—散热系数，见表 1；DTav—平均温差（℃），进口和出口油温（℃）；t1'、t2'—进口和出口水温（℃）。

3 结束语

煤矿井下设备液压系统的冷却方式应考虑因地制宜、因设备制宜，作者认为在设计和使用过程中应优先选择方便、有效的冷却方式，也可以将不同的冷却方式结合使用。文章介绍内容只能管中窥豹，实际应用还需结合现场和具体问题进行分析对待，希望在以后的工程实际中能够收集一些更为准确的数据，为今后工作和学习提供可靠的依据和指导。

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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，甘肃兰州人，助理研究员，2005年毕业于中国矿业大学机械工程及自动化专业，现在中国煤炭科工集团太原研究院有限公司短壁装备研发中心从事短壁装备的研发工作。