煤矿刮板输送机减速器散热装置设计_王少凯.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 煤矿刮板输送机是采煤过程中的关键设备， 保证 了采煤作业的连续、 高效运转， 其中减速器又是输送 机的关键核心。减速器的热功率是其在工作运行中 达到温升平衡时所能传递的最大功率， 也是衡量减 速器好坏的一个重要指标。其中温升平衡是减速器 在工作运行中产热量与发热量达到平衡状态的过 程。当减速器的工作温度过高， 就会导致润滑油的 粘度急剧降低甚至氧化， 对齿轮和轴承的寿命造成 严重影响。 通过对煤矿刮板输送机减速器热功率计算， 提 出了螺旋翅片管式盘状冷却水换热器设计方案， 并 确定出了螺旋翅片管式换热器具体的结构参数， 同 时分析了翅片外径、 相邻管距和换热量的关系。 该研 究解决了煤矿刮板输送机减速器热功率效果差的问 题， 避免了减速器因温度过高而导致失效， 从而达到 降低采煤机系统的故障率，提高采煤机系统可靠性 开采的目的。 1刮板输送机减速器热功率计算 按照我国和欧洲的规定， 减速器的热功率计算是 在自然冷却、 环境温度为 20℃的情况下来计算的。 当 减速器的功率一定的情况下， 减速器系统的温度升高 到某一温度 t1时， 发热和散热达到热平衡状态， 热平 衡方程如式 （1 ） 所示。 P （1- η ） Fkαk（tt- t0）（1 ） 式中 P 为减速器输入功率，取值 1200kW； η 为 减速器传动效率， 无因次， 取值 0.935； Fk为减速器表 面散热面积， 通过三维软件计算结果为 12m2 ； α k为传 热系数， 根据经验取值 0.047 kW/ m2℃； t1为减速器润 滑油温度， ℃； t0为环境温度， 取值 20 ℃。 根据热平衡方程可以计算出减速器热平衡状态 时的温度 t1， 如果此温度高于减速器所规定的最高运 行温度， 则说明减速器热承载能力过低， 不满足运行 要求。 根据公式 （1 ） 计算出减速器运行状况下的热平衡 温度 t1为 158.3℃。而煤矿中 1200kW刮板输送机减 煤矿刮板输送机减速器散热装置设计 王 少 凯 （潞安集团蒲县常兴煤业有限公司 ，山西 蒲县 ，041000 ） 摘要通过对煤矿刮板输送机减速器热功率计算，结果表明其热平衡温度超过了减速器的许用温 度， 提出了螺旋翅片管式盘状冷却水换热器设计方案， 详细分析了其换热原理， 在确定相关已知参数 的条件下， 计算得出了螺旋翅片管式换热器具体的结构参数， 同时分析了翅片外径、 相邻管距和换热 量的关系。 该研究解决了煤矿刮板输送机减速器热功率效果差的问题， 避免了减速器因温度过高而导 致失效， 从而达到降低采煤机系统的故障率， 提高采煤机系统可靠性开采的目的。 关键词 煤矿 ； 减速器 ； 热功率 ； 散热装置 ； 换热器 中图分类号 TD528文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0083- 03 Design of thermal device for coal scraper conveyor reducer WANG Shaokai （Luan ChangxingCoal Co., Ltd. , Shanxi Puxian 041000 ） Abstract By calculating the thermal power of the coal scraper conveyor, the results show that the thermal balance temperature exceeds the xulders intended temperature, and the design scheme of the coiled cooling water exchanger is proposed, and the heat exchanger principle is analyzed in detail, and the heat exchanger is analyzed in detail under the condition of determining the relevant known parameters. The specific structural parameters of the spiral fin tube heat exchanger are calculated, and the relationship between fin outer diameter, adjacent tube dis- tance and heat exchanger is analyzed. This study solves the problem of poor thermal power effect of the coal mine scraper conveyor, avoids the failure caused by the latelbox due to high temperature, thus reducing the failure rate of the shearer system and improving the reliability of the shearer system. Keywords coal mine ; decelerator ; thermal power ; heat dissipator ; eat exchanger 83 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 速器的规定使用温度不超过 80℃， 因此， 该减速器的 热平衡温度超过了减速器的许用温度， 需要采取措施 来提高减速器的热功率， 增加散热量。 2换热装置结构方案设计 2.1换热装置结构方案 经过调研对比分析， 在刮板输送机减速器箱体上 设计安装盘状冷却水管接口， 增强减速器表面散热功 能。 螺旋翅片管式换热器的特点是传热效率高和横向 传热面积大，总传热系数明显优于光管。翅片采用 T2， 导热系数 λ 为 379.5W/m k， 光管采用钢管， 用高 频焊工艺制造。 图 1 为螺旋翅片管的外形尺寸和其排 列方式图。 1- 连接板； 2- 钢管； 3- 铜管； 4- 固定条 图 1螺旋翅片管外形及其排列方式示意图 针对螺旋翅片管式换热器的特点， 从换热面积的 角度出发进行换热器的结构参数设计， 具体待解参数 如表 1 所示。 表 1翅片管换热器尺寸参数表 单位 mm 2.2螺旋翅片管式换热器换热原理 假设减速器的温度为 80℃时达到温升平衡， 根 据公式 （1 ） ，计算出减速器实际自然散热的功率 P1520.6kW。 因此可以计算螺旋翅片管需要实现的 换热功率为 Pw （P- P1） （1- η ） （1200- 520.6 ） （1- 0.935 ） ≈44.16kW（2 ） 图 2换热装置热分析的基本参数 将换热装置的冷、 热两种流体分别用下标 1 和 2 来表示，换热装置传热分析中的相关基本参数的名 称、 单位等如图 2 所示。 内外两种流体传热分析应遵循的基本方程如下 高温流体 1 的放热热流量 Qqm1c1（t1- t1） W1（t1- t1）（3 ） 低温流体 2 的吸热热流量 Qqm2c2（t2- t2） W2（t2- t2）（4 ） 换热装置的传热热流量 Q A ∫K （t1- t2） dA （5 ） 通常情况下， 将设计好的换热装置的传热系数 K 看成常数。 因此， 工程上， 螺旋翅片管式换热器的传热 量通常采用如下计算公式 QKFΔtm（6 ） 式中 K 为换热装置传热面上的平均传热系数， w/m2℃； F 为传热面积， m2； Δtm为对数平均温差， ℃。 3螺旋翅片管式换热器结构参数确定 3.1确定相关的已知参数 3.1.1对数平均温度确定 公式 （6 ） 中对数平均温差 是根据润滑油和冷却 水两种流体的四个端点温度来计算， 润滑油和冷却水 的端点温度见表 2。 表 2润滑油和冷却水的端点温度 工程上， 为了保守估计， 冷热流体按顺流方式进 行计算，对数平均温差的计算根据如下公式进行计 算 Δt m Δt max- Δtmin ln Δt max Δt min （7 ） 式中 Δtmax为最大换热温差， Δtmaxt1- t2118.3℃； Δt min为最小换热温差， Δtmint1- t260℃。 因此， 可以计算出对数平均温差 Δt为 85.88℃。 3.1.2流体物性确定 表 3润滑油和冷却水的平均物性参数 设计参数代号设计参数代号设计参数代号 片厚δ横向翅片管分布个数i翅片外径d0 节距t纵向翅片管分布个数j光管壁厚δ1 单管总高h单管翅片总长2/3L光管长度l 总管数N安装空间的长A相邻管距a 单管长L安装空间的宽B光管外径db 端点温度 初始温度冷却后温度 代号数值， ℃代号数值， ℃ 润滑油t1158.3t1’80 冷却水t220t2’40 类型 导热系数， W/m k 粘性系数， cps 比热容， kJ/kg k 普兰特准数 密度， g/cm3 润滑油35.61.875440.88 冷却水0.614.186.81 84 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 根据减速器达到温升平衡后温度 80℃的条件 下，选取润滑油和冷却水两种流体的物性参数， 见 表 3。 3.2计算方法 对于所设计的散热装置， 采用平均温差法进行换 热计算， 根据润滑油和冷却水两种介质的四个端点温 度， 先计算出对数平均温差， 再通过公式 （6 ） 的迭代运 算，计算出最合适的换热装置的结构参数。运用 Matlab 数学计算软件对计算过程进行编程， 程序流程 如图 3 所示。 图 3计算流程图 3.3结构参数计算结果 利用 Matlab 软件， 采用列举法进行迭代计算， 计 算结果显示 当减速器温升达到 80℃， 换热量时， 换 热装置各结构设计参数见表 4。 表 4翅片管换热器结构设计尺寸数据表单位 mm 4换热装置影响因素分析 为了分析该换热装置的影响因素， 将翅片外径 d0 和相邻管距 a 设置为变量，其他参数设置为常数， 可 以得到翅片外径、 相邻管距和换热量的关系， 如图 4 所示。 从图 4 中可以看出， 当翅片外径 d0为常数时， 相 邻管距 a 与换热量成抛物线关系， 随着相邻管距 a 的 增大， 换热量 Q 先增大后减小； 而当相邻管距 a 为常 数时， 翅片外径 d0与换热量成直线关系， 翅片外径越 大， 换热器的换热量也越大。 图 4相邻管距、 翅片外径和换热量的关系图 5结论 煤矿刮板输送机减速器热的热平衡温度超过了 减速器的许用温度， 提出了螺旋翅片管式盘状冷却水 换热器设计方案， 详细分析了其换热原理， 在确定相 关已知参数的条件下， 计算得出了螺旋翅片管式换热 器具体的结构参数， 同时分析了翅片外径、 相邻管距 和换热量的关系。 该研究解决了煤矿刮板输送机减速 器热功率效果差的问题， 避免了减速器因温度过高而 导致失效， 从而达到降低采煤机系统的故障率， 提高 采煤机系统可靠性开采的目的。 参考文献 [1] 刘雪玲．螺旋翅片管换热器换热性能试验及计算机辅助 试验[D]．浙江 浙江大学， 2003． [2] 王艳春．刮板运输机减速器的润滑设计及润滑保养探讨 [J]．科技向导， 2014， 15 188～237． [3] 徐鸿钧， 陈亚文．高承载能力减速器热功率分析及提高 方法[J]．机械工艺师， 2000， 954～55． [4] 柳梅， 罗建华．管束式内循环油冷却器设计与计算[J]． 水电站机电技术， 2015， 38 （6） 60～63． [5] 王筱冬. 煤矿提升机减速器故障及技术改进研究[J]. 时代 农机, 2018,45 （08） 186. 作者简介 王少凯 （1988-） ， 男， 山西省侯马市人， 2011 年 7 月毕业 于太原理工大学阳泉学院自动化专业， 助理工程师， 现在 （借 调） 潞安集团五人小组管理处临汾部临汾一组工作 （安全检 查， 监测监控） 。 （收稿日期 2019- 7- 9） 设计参数代号数值设计参数代号数值设计参数代号数值 片厚δ0.4 横向翅片管 分布个数 i4翅片外径d035 节距t3 纵向翅片管 分布个数 j1光管壁厚δ12 单管总 高 h245 单管翅片总 长 2/3L172光管长度l1032 总管数N4 安装空间的 长 A440相邻管距a44 单管长L258 安装空间的 宽 B120光管外径db22 85 ChaoXing