王 少 凯

（潞安集团蒲县常兴煤业有限公司，山西 蒲县，041000）

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。

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；αk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。

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P1=520.6kW。因此可以计算螺旋翅片管需要实现的换热功率为：

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

低温流体2 的吸热热流量

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：

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：

式中：Δtmax为最大换热温差，Δtmax=t1-t2'=118.3℃；Δtmin为最小换热温差，Δtmin=t1'-t2=60℃。

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

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。