采煤机电机冷却系统的配置

2021-04-08张健

机械管理开发 2021年1期

张健

（山西西山金信建筑有限公司，山西古交 030200）

引言

采煤机为综采工作面的关键机电设备，由于工作面空间狭小，要求采煤机机身较矮。通常，采煤机截割电机、牵引电机的功率均高于100 kW，在实际运行过程中采煤机电机会发出大量的热，使其在单位体积内的发热量增加，从而导致电机各部分温度升高[1]。为保证采煤机的截割效率及运行安全性，需解决好其电机发热、散热的问题。因此，本文将开展关于采煤机电机冷却系统的研究。

1 冷却系统概述

根据电机冷却系统所采用介质的不同可分为空气冷却、氢气冷却、水冷却以及油冷却等。空气冷却系统的结构简单，但是其冷却效果较差无法达到效果。氢气冷却系统主要被应用于大型电机的冷却，而采煤机电机属于小型电机。油冷系统最早应用于20世纪30 年代，在此启发之下水冷却系统被广泛应用。一般地，鉴于采煤机电机结构小且发热量大，对冷却介质提出如下要求：

1）要求冷却介质的导热系数大，具有较大的热交换能力；

2）要求冷却介质具有较大的比热容，即降低同样温度时所需冷却介质的量较少；

3）要求冷却介质的密度较小，即对应的通风阻耗较小；

4）要求冷却介质化学稳定性好，对电机机械结构及液压结构无损伤[2]。

综上所述，以氢气为冷却介质，成本较高且化学稳定性不好，以油为冷却介质时，密度较大，不利于提升电机的工作效率。因此，本方案最终选用以水为冷却介质的冷却系统。

2 水冷电机的结构设计

2.1 水冷结构尺寸的设计

对于水冷却电机的而言，其关键结构为水管路尺寸及其水路分布方向的确定。针对水冷电机冷却水管路冷却位置的不同可分为对电机机壳进行冷却，对机壳加端盖的位置进行冷却，对机壳加端盖加转轴进行冷却。经研究可知，对机壳加端盖加转轴进行的冷却效果最佳，其次为对机壳加端盖进行冷却，仅对机壳进行冷却的冷却效果最差。但是，综合考虑上述三种冷却位置的结构成本和散热效果得出如下结论：

1）对转轴进行冷却需再为其配置专用的水道，其中水道的密封对相关技术要求较高，实现难度较大；

2）对端盖进行冷却虽然冷却效果明显，但是其仅适用于滚动轴承或轴向通风轴承电机的冷却[3]。

综上所述，采用对电机机壳进行冷却方式实现水冷系统的设计。综合考虑水冷却电机的后期维修及操作的便捷性，将水冷却电机的出水口和进水口的位置设计于电机的非轴伸端，并将水冷电机的水路设计于机壳的中部位置处，如图1 所示。

如图1 所示，水冷却电机的冷却水管路的总长度为530 mm，位于水冷电机定子铁外部的机壳内且机壳的直径为380 mm，并将水冷却电机两侧位置设计为冷却水路的盲端。

2.2 冷却水管路分布方向的设计

图1 水冷电机水路分布位置及其尺寸示意图（单位：mm）

根据冷却水管路围绕电机流动的方向不同，可分为周向水路和轴向水路。其中，周向水路指的是冷却水沿着电机机壳周围呈现螺旋分布的方式流动；轴向水路指的是冷却管路沿着冷却电机的轴向方向流动[4]。两种冷区水管路的分布情况如图2 所示。

图2 不同冷却水管路分布

经对比分析可知，两种冷却水路的分布方式的优劣性对比如下：周向水路冷却水的流动阻力较小且散热效果好，但是此种冷却水管路结构复杂，容易在电机两段产生温度差；对于轴向冷却水管路而言正好相反，其结构简单，对于电机的散热相对均匀，散热效果好，但是该种冷却水管路的水流阻力较大，需在入水口提供一定的压力。因此，综合考虑采煤机电机的实际安装及制造工艺，最终采用轴向冷却管路的分布方式，并在管路内涂防锈漆防治管路锈蚀等现象的发生[5]。对应轴向水路断面结构如图3 所示。

图3 轴向水路断面结构示意图（单位：mm）

如图3 所示，在电机轴向方向采用隔板将整个水路平均分为16 个区域，且隔板的材质为钢板，厚度为10 mm，管路外水套的厚度为5 mm，机座厚度尺寸为11 mm。

3 水冷电机的机械设计

采煤机涉及到截割电机、牵引电机的功率较大，为保证实际生产需求，要求电机转轴与机座的强度和刚度满足要求。结合第2 节中所设计水冷电机的冷却水管路和分布情况，并综合考虑电机输出轴对承载能力、受力均匀的要求，设计如图4 所示的电机结构。

如图4 所示，采煤机电机水冷却管路的进水口和出水口均设计于非轴伸端的位置，便于整个冷却水的循环、使用；水冷电机销子和手柄的配置便于后期对其进行维修和护理；为满足采煤机电机承载力大且受力均匀的情况，为电机输出轴配置渐开线花键。其中，所选用渐开线花键的具体型号为EXT19Z×2M×30P，其关键参数如下：花键齿数为19 个，模数为2，花键平均直径为38 mm，花键大径为40 mm，花键小径为35 mm。

图3 水冷电机结构示意图（单位：mm）

轴承为电机的关键部件，结合电机的承载及受力情况选用电机轴承的型号为6317，该型轴承的外径为180 mm，厚度为41 mm，额定静载荷为132 kN，额定动载荷为96.5 kN。经校核，该轴承的当量动载荷为2.2 kN。为保证采煤机运行的可靠性和安全性，对应轴承的可靠性设定为99%，得出其可用时长为1.9×107h，满足实际生产需求。