基于掘锚机循环水系统优化设计与分析_霍栋.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0460前言目前随着我国煤矿每年巷道掘进量逐年大幅提高，从安全高效作业、减轻工人劳动强度、改善作业环境的角度看，需迫切提升掘进装备性能，创造出具有高效率、高可靠、高适应、高智能的掘进装备迫在眉睫。经过近十几年的发展，我国煤巷掘进技术水平有了大幅度提高，巷道掘进速度与功效等指标也有了较大提高。悬臂式掘锚机作为巷道掘进过程中重要的综掘设备之一，其工作性能对煤矿生产效率具有重大的影响。水系统作为掘锚机重要的冷却系统之一，其整体设计和对巷道工作面适应性将直接影响掘锚机的工作性能和可靠性。因此在设计过程中对掘锚机水系统进行分析，优化设计是必不可少的一个环节。1掘锚机水系统工作原理及存在问题掘锚机作为目前开凿巷道最受欢迎的机器，随着各大煤矿减人、提效、改善工人作业环境、提高掘进效率等发展目标的提出，掘锚机的使用市场也在逐步的扩大。目前大多是煤巷综合机械化掘进成套装备是由掘锚机、带式输送机、带式输送机用迈步自移机尾、组合开关、通风除尘系统及智能控制系统等设备组成。掘锚机作为煤巷综合机械化掘进的关键设备,掘锚机的性能对于提高掘进工效和掘进进尺具有重要作用。在工作过程中，掘锚机设备中切割电机、泵站电机、油箱中油液温度会随着掘锚机的工作时长逐步上升，会降低设备可靠性和工作效率。为了保证掘锚机能够安全、稳定运行，现有技术是在设备上安装单向冷却水系统。冷却水会经过切割电机、泵站电机、油箱等设备壳体附近的冷却水通道进行冷却，最后将高温冷却水排入巷道中。*山西天地煤机装备有限公司科技创新创业专项基金项目(2021-KY-02)基于掘锚机循环水系统优化设计与分析*霍栋1，张杰2，赵文波1，王瑞君1，李波3（1.中煤华晋集团有限公司 王家岭矿，山西 河津043300；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原030006；3.中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司，天津300121）摘要：针对传统掘锚机单向冷却水系统在工作过程中用水量大、冷却效果差，且在掘锚机工作过程中，由于冷却水直接排入巷道，易造成巷道底板大量积水，严重影响掘进成套装备工作效率的问题，设计了一种适应于掘锚机的半封闭式循环冷却水系统。通过介绍掘锚机单向冷却水系统的工作原理，结合掘锚机在煤矿实际工作过程中遇到的一些问题，对半封闭式循环冷却水系统进行优化，从而提高掘锚机及掘进成套装备的适应性。关键词：掘锚机；水循环系统；优化设计中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 194 03Optimization Design and Analysis of Circulating Water System Basedon Anchor DiggerHUO Dong1，ZHANG Jie2，ZHAO Wenbo1，WANG Ruijun1，LI Bo3(1.Wangjialing Coal Mine,China Coal Huajin Group Co.,Ltd.,Hejin 043300,China；2.China Coal Technology andEngineering Group Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China；3.China Coal(Tianjin)UndergroundEngineering Inteligent Research Institue Co.,Ltd.,Tianjin 300121,China)Abstract:In view of the large water consumption and poor cooling effect of the traditional one-waycooling water system of the anchor digging machine in the working process,and because the coolingwater is directly discharged into the roadway in the working process of the anchor digging machine,it iseasy to cause a large amount of ponding in the roadway floor,which seriously affects the workingefficiency of the complete set of tunneling equipment,a semi closed circulating cooling water systemsuitable for the anchor digging machine is designed.By introducing the working principle of theunidirectional cooling water system of the auger,combined with some problems encountered in theactual operation of the auger in the coal mine,the semi closed circulating cooling water system isoptimized,so as to improve the adaptability of the auger and the complete set of tunneling equipment.Key words:anchor digging machine；water circulation system；optimal design194第42卷第02期Vol.42 No.02基于掘锚机循环水系统优化设计与分析霍栋，等掘锚机现有单向冷却水系统原理图，如图1所示。进水压力不大于0.8 MPa，流量约为70 L/min，地下水经过反冲洗过滤器后主要分为2路，1路为高压水，通过切割头内喷雾和安装在悬臂段上的外喷雾架喷出进行降尘、冷却切割头。另一路通过减压阀变为低压水，其又分为2路，1路通过钻机，打锚杆锚索时进行冷却、排渣使用，另一路通过板翘式水冷却器，对泵站电机和切割电机进行冷却保养，最终排入巷道。但是该种单向冷却水系统，最终会造成以下问题：（1）由于掘锚机的喷雾降尘系统没有与设备实现联动，在切割功能和装运功能未启动时，就需将球阀开启进行喷水，此时通过掘锚机高压内喷雾和悬臂段高压外喷雾喷到迎头的高压水就会形成积水，使矿料沾水形成粘稠物，造成出料困难、卡链，降低掘锚机工作效率等问题。（2）冷却水通过掘锚机电机上的冷却水套后排入巷道，容易造成巷道底板疲软自移机尾等设备运行困难，降低设备工作效率。（3）切割电机温度过高，会降低设备可靠性。图1掘锚机水系统原理图2掘锚机水系统优化设计方案随着煤矿快速掘进成套装备的发展，一些智能化技术如5G技术、计算机信息技术也逐渐应用到煤矿机械设备中。为了提高掘进成套装备的适应性，经过3个多月的井下跟班试验，对上述掘锚机的单向冷却水系统作如下改造，改造后掘锚机半封闭式循环冷却水系统工作原理图，如图2所示。图2掘锚机半封闭式循环冷却水系统原理图（1）在高压内喷雾与外喷雾前安装球阀的管路旁并入矿用隔爆型电磁阀，可以使掘锚机的喷雾降尘系统与设备实现联动功能。（2）将板翘式水冷却器出水口的管路分为2路，1路通过泵站电机，另一路通过切割电机进行冷却。并在泵站电机与切割电机后增加无簧单向阀，实现互锁功能，防止冷却水倒流。（3）在自移机尾上增设水箱、自动抽水泵，在掘进机刮板输送机的机头部增加由矿用隔爆型电磁阀控制的一运喷雾架，在带式装载机的机头部增加由矿用隔爆型电磁阀控制的二运喷雾架，最终形成半封闭式循环冷却水系统，将半封闭式的循环储水箱和自动抽水泵置于迈步自移机尾上方随掘进装备向前移动，如图3所示。图3自移机尾改造图1.电控箱2.水箱3.动力源4.自移机尾（4）在水箱进水口和自动抽水泵前增加过滤器，并在自动抽水泵的出口增加溢流阀，防止地下水中的杂质进入管路在成堵塞，对水路中的液压元部件造成损坏，影响掘进装备的使用和巷道掘进效率。3水系统优化设计后试验结果分析掘锚机智能化工况监控系统作为掘进智能化成套装备中重要的一部分，可以通过传感器能够时刻检测出油箱中油液温度、切割电机温度、油箱中油液的体积、油泵电机温度，并通过煤矿5G环网上传至地面集控平台。经过长期井上、井下跟班试验，从掘锚机智能化工况监控系统中的数据可以看到：油箱中油液温度初始值为5、切割电机温度初始值为10、油箱中油液的体积初始值为94、油泵电机温度初始值为10。在半封闭式循环冷却水系统完全打开时，油箱中油液温度和油泵电机温度随时间的变化和改造前相同，但满足使用要求。掘进机连续工作2 h后油箱中油液温度达到最大值约为53，油泵电机温度达到最大值约为78。在半封闭式循环冷却水系统完全打开时，改造后切割电机温度随时间变化较改造前发生明显改善。将切割电机连续工作时温度随时间变化的数据导出，可以得到掘锚机冷却水系统改造前后切割电机温度随时间的变化关系图，如图4所示。从图4中可以看出：将掘锚机单向冷却水系统改为半封闭式循环冷却水系统后切割电机温度上升的速率比改造前慢。改造后切割电机在长时间工作过程中，温度所能达到的最大值比改造前低，其工作可靠性得到了明显的改善。进水要求：压力8 MPa流量70 L/min减压阀1.5 MPa钻机（流量35 L/min）进水要求：压力8 MPa流量70 L/min减压阀1.5 MPa钻机（流量35 L/min）高压内喷雾高压外喷雾雾状喷嘴（流量35 L/min）球阀反冲洗过滤器球阀电磁阀泵站电机冷却水套切割电机冷却水套钻箱电磁阀电磁阀巷道板翘式水冷却器压力表钻箱高压内喷雾高压外喷雾雾状喷嘴（流量35 L/min）钻箱电磁阀钻箱电磁阀电磁阀球阀压力表球阀电磁阀电磁阀过滤器溢流阀过滤器反冲洗过滤器二运喷雾架自动抽水泵电磁阀一运喷雾架进水板翘式水冷却器无簧单向阀泵站电机冷却水套切割电机冷却水套无簧单向阀水箱（放置于迈步自移机尾上方）1234195第42卷第02期基于掘锚机循环水系统优化设计与分析霍栋，等Vol.42 No.02图4改造前后切割电机温度变化图4结语经过煤矿井下长期跟班实验，结果表明:使用半封闭式循环冷却水系统，可以有效减少迎头和巷道积水，使设备正常运行，大大提高掘进成套装备的工作效率；可以降低切割电机在长时间工作过程中，温度所能达到的最大值，且温度上升速率也有所降低，这显著提高了掘锚机对巷道条件的适应性，对掘锚机的推广使用有重要意义。参考文献：1张立平.掘锚机水系统的改进设计J.机床与液压,2018,46(4):152-154.2张栋.煤矿EBZ150A型掘进机水冷系统的优化改造J.机械管理开发,2020,35(5):138-139，148.3吴晋军.双臂横轴掘进机冷却系统的设计J.煤炭技术,2017,36(8):260-262.4张俊.煤矿用掘进机喷雾降尘控制系统研究J.机械管理开发,2021,36(9):261-263.5吕奇峰.掘进机降尘系统的设计J.机械管理开发,2020,35(2):24-25,35.作者简介：霍栋（1986-），山西河津人，工程师，电子信箱：aixi-；通信作者：张杰，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220321140120100806040200时间/min改造前改造后温度/12010080604020196