集成水冷式制冷系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

張 云

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092)

電氣控制柜越來越多地被安裝在環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)或機(jī)械設(shè)備附近，高溫、粉塵和水汽等嚴(yán)重影響了電氣控制柜的正常使用［1］。另外，電氣控制柜中越來越普遍的使用了大量的發(fā)熱元件。為了保證電氣控制柜中各元器件的正常工作，采用一定的散熱裝置來保證電氣控制柜的正常使用。常見的散熱方法一般是采用風(fēng)扇、空調(diào)器、熱交換器等［2］。

惡劣的工作環(huán)境會(huì)對(duì)這些電子裝置的工作可靠性和壽命有較大的影響;當(dāng)溫度峰值超過50℃、印制電路板之間的最熱點(diǎn)、冷凝物的形成和能導(dǎo)電的灰塵，所有這一切都使現(xiàn)代電子控制設(shè)備的中斷危險(xiǎn)性增加和壽命縮短［3］。降低由于溫度以及粉塵、冷凝物等造成的設(shè)備損壞是現(xiàn)代設(shè)備設(shè)計(jì)的必要因素。

1 現(xiàn)有制冷系統(tǒng)綜述

現(xiàn)有大部分機(jī)床采用懸掛式空調(diào)制冷或風(fēng)機(jī)制冷。普通制冷空調(diào)當(dāng)采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)部空氣循環(huán)，在保證內(nèi)部熱量分布均勻的情況下，利用鈑金制作的電氣柜熱傳導(dǎo)率為5～6 W/(m2·℃)，即利用1 m2的金屬表面，可以保證5～6 W發(fā)熱量的電氣柜保持在溫升1℃的范圍內(nèi)。

懸掛式電氣柜空調(diào)制冷采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，空調(diào)發(fā)生故障不影響機(jī)床正常加工，方便于更換新空調(diào)，制冷效果較好。制冷空調(diào)主要問題包含氣流短路、凝結(jié)水問題、氣流組織不合理［1］等，并由于制冷過程中需要從外部吸入空氣，在空氣過濾處使用過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)過濾不完全，且過濾網(wǎng)在3～5天內(nèi)必須更換，成本較高。

利用風(fēng)機(jī)制冷主要用于老式機(jī)床，以及無功率模塊的電氣柜，優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，方便維修更換，缺點(diǎn)制冷效果不佳，空氣伴隨粉塵進(jìn)入電氣柜容易導(dǎo)致元件損壞。

2 集成水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)前數(shù)控設(shè)備的水冷系統(tǒng)主要用于電主軸水冷，少數(shù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用水冷模式。集成水冷系統(tǒng)是指數(shù)控設(shè)備中3類或3類以上的部件采用1個(gè)水冷裝置。集成水冷系統(tǒng)一般使用1個(gè)儲(chǔ)液箱，1個(gè)熱交換裝置，2個(gè)或2個(gè)以上的水循環(huán)電動(dòng)機(jī)，提供多條冷卻管路滿足多個(gè)數(shù)控設(shè)備部件的冷卻。如圖1所示，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集成水冷裝置配置圖。圖1中采用2個(gè)水循環(huán)回路，分別供應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)制冷和電氣柜制冷，設(shè)定2個(gè)循環(huán)回路的目的在于可以分別控制制冷的啟動(dòng)條件。如:在急停下需要電主軸制冷運(yùn)行一段時(shí)間，可以單獨(dú)停止循環(huán)回路M2，延時(shí)停止循環(huán)回路M1，通過PLC根據(jù)用戶需求對(duì)各個(gè)部位冷卻水進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最好的制冷效果。

集成水冷系統(tǒng)采用統(tǒng)一制冷單元，便于維護(hù)，另在回水口設(shè)置多個(gè)流量開關(guān)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)各個(gè)回路冷卻水流量。

3 集成水冷系統(tǒng)包含內(nèi)容

集成水冷系統(tǒng)包含數(shù)控設(shè)備各種部件的制冷及控制，有常見的電主軸冷卻，坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)冷卻，還有電氣柜以及功率模塊冷卻。集成水冷可以將循環(huán)水溫度控制到15～40℃范圍內(nèi)，滿足數(shù)控設(shè)備所有部件的散熱要求。

3.1 電主軸水冷

電主軸發(fā)熱主要來源由兩部分組成，一是前后軸承的摩擦生熱，二是內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱［4］。電主軸水冷指的是根據(jù)電動(dòng)機(jī)廠家提供的電主軸在額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速下需要的冷卻能力，合理配置水冷機(jī)，確保冷卻液進(jìn)入主軸的入口溫度，通過調(diào)整流量，控制主軸運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，使主軸在穩(wěn)態(tài)下工作，實(shí)現(xiàn)高精度切削。內(nèi)置電動(dòng)機(jī)位于水冷系統(tǒng)中部，其功率損耗轉(zhuǎn)化為熱量加熱該區(qū)域。高速電主軸冷卻方式一般采用含添加劑的循環(huán)水，相應(yīng)地配備管路和控溫裝置。冷卻液一般在電動(dòng)機(jī)外殼的螺旋冷卻水道內(nèi)循環(huán)，如圖2所示為某電主軸螺旋冷卻水道。

3.2 坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)水冷

現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)普遍采用高的電磁負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)省材料、縮小體積和減少占地面積的作用，但同時(shí)也帶來了電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱量過大，而散熱面積相對(duì)不足的問題。目前絕大多數(shù)異步電動(dòng)機(jī)都采用以空氣為冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)，采用風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動(dòng)來冷卻電動(dòng)機(jī)。對(duì)于大功率、小體積或高速電動(dòng)機(jī)才采用循環(huán)液冷卻。

相對(duì)空冷系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)而言，各有優(yōu)缺點(diǎn)。液體熱容量和導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于氣體，冷卻效果好，使電動(dòng)機(jī)維持在一個(gè)較低的溫升水平，延長(zhǎng)了絕緣壽命;液冷系統(tǒng)允許電動(dòng)機(jī)承受的電磁負(fù)荷高，提高了材料利用率;此外液冷電動(dòng)機(jī)損耗小，噪音低。但總的來看液冷技術(shù)比較復(fù)雜。液冷在結(jié)構(gòu)上需要相應(yīng)的冷卻液流通路和液冷結(jié)構(gòu)部件，需要防止冷卻液滲漏，還要解決金屬腐蝕問題，提高了對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和維護(hù)的要求。

3.3 電氣柜水冷

電氣控制柜常常由于高溫、粉塵和水汽等的存在而影響其正常工作，更重要的是，現(xiàn)在的電控柜內(nèi)電子元器件的發(fā)熱量越來越大，而電控柜的體積卻越來越小，因此采取合適的散熱方式以滿足電控柜內(nèi)合適的溫濕度要求已經(jīng)成為電控柜設(shè)計(jì)上必須予以考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

電氣柜水冷主要原理是讓低溫冷卻水通過熱交換片，然后安裝風(fēng)機(jī)將風(fēng)通過熱交換片，將冷卻的風(fēng)吹向電氣柜內(nèi)部，通過氣流循環(huán)降低電氣柜整體溫度。由于電氣柜對(duì)溫度的要求相對(duì)于電主軸及功率模塊要低，故應(yīng)根據(jù)電氣柜空間大小選擇合適的熱交換機(jī)。

3.4 功率模塊水冷

目前驅(qū)動(dòng)模塊主要采用風(fēng)冷形式制冷，風(fēng)冷會(huì)導(dǎo)致粉塵堆積到散熱片，導(dǎo)致散熱片堵塞，需要定期清理散熱片才能達(dá)到良好的效果。水冷式功率模塊各大數(shù)控廠家均有產(chǎn)品，不過實(shí)際應(yīng)用中使用較少。主要原理是冷卻水通過密封的散熱片，通過水循環(huán)的熱傳遞效果將功率模塊的熱量帶走，制冷效果好，不易堵塞。電氣柜水冷也提供了較低的溫度對(duì)功率模塊降溫，可以達(dá)到更好的控制溫度的效果。

4 集成水冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)

4.1 集成水冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)分析

(1)制冷效果

以IS200－150－400的清水離心泵為例，其配用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y280M－4的封閉式異步電動(dòng)機(jī)，說明水冷與風(fēng)冷計(jì)算過程。

Y280M－4的異步電動(dòng)機(jī)，帶散熱肋型軸向通風(fēng)。風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)路由電動(dòng)機(jī)風(fēng)罩、外風(fēng)扇和散熱筋等組成。冷卻空氣從電動(dòng)機(jī)風(fēng)罩入口吸入，經(jīng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)增壓，從風(fēng)罩出口噴出，經(jīng)電動(dòng)機(jī)散熱肋流動(dòng)，逐漸減速擴(kuò)散，吸收電動(dòng)機(jī)的損耗熱。其氣冷冷卻系統(tǒng)計(jì)算如下:

①電動(dòng)機(jī)放熱量P=5.97 kW;②冷卻風(fēng)量Q=7.2 m3/s;③進(jìn)風(fēng)溫度t1=30℃;④出風(fēng)溫度t2=34.5℃;⑤風(fēng)扇消耗功率P=－3.4 kW;⑥機(jī)殼對(duì)空氣的溫度降A(chǔ)0=－7.2℃;⑦系統(tǒng)效率為76.7%。

改用水冷冷卻系統(tǒng)計(jì)算如下:

①電動(dòng)機(jī)放熱量P=5.97 kW;②冷卻水量(20%裕度)q=0.15 m3/a;③進(jìn)水溫度t1=30℃;④出水溫度t2=38.4℃;⑤水管消耗功率P=0.086 kW;⑥電動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻水溫降A(chǔ)0=－7.23℃;⑦系統(tǒng)效率為77.4%。

通過以上數(shù)據(jù)得知，水冷冷卻方式帶走的溫度更高，制冷效果與風(fēng)冷相同，功率消耗更低。

(2)經(jīng)濟(jì)分析

某臺(tái)設(shè)備使用集成水冷系統(tǒng)配備一套制冷機(jī)組，制冷機(jī)組中2臺(tái)泵，1個(gè)制冷單元，4個(gè)電氣柜及驅(qū)動(dòng)模塊共計(jì)使用熱交換器6個(gè)，1個(gè)溫度控制系統(tǒng)，1個(gè)空氣過濾網(wǎng)。若使用水冷風(fēng)冷分別制冷，需配備1臺(tái)電主軸用制冷單元，含1個(gè)泵，1個(gè)制冷單元，4個(gè)電氣柜使用4個(gè)懸掛式空調(diào)，驅(qū)動(dòng)模塊使用渦輪風(fēng)扇散熱，驅(qū)動(dòng)模塊需要安裝散熱塊，空調(diào)獨(dú)立溫度控制，使用5個(gè)過濾網(wǎng)。

如以上備件分析，采用集成水冷能節(jié)約過濾網(wǎng)約4張/月，能耗根據(jù)功率核算比分別制冷低，

(3)隱性故障分析

采用懸掛式空調(diào)制冷，粉塵及油霧會(huì)隨空氣交換通過過濾網(wǎng)少量進(jìn)入電氣柜內(nèi)部，日積月累情況下會(huì)導(dǎo)致電氣元件、功率模塊等接觸不良，甚至短路燒毀。大功率電動(dòng)機(jī)在機(jī)床內(nèi)部風(fēng)冷循環(huán)不暢，風(fēng)冷風(fēng)扇的老化或積垢，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞。

集成水冷系統(tǒng)采用全封閉式水冷結(jié)構(gòu)，對(duì)電動(dòng)機(jī)、功率模塊等直接進(jìn)行發(fā)熱元件制冷，穩(wěn)定可靠。在電氣柜內(nèi)部采用熱交換方式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空氣循環(huán)，不與外界空氣交換，尤其適用于空氣較潮濕和粉塵較多的加工環(huán)境。

(4)維護(hù)保養(yǎng)

分離制冷有獨(dú)立的制冷單元，水冷制冷單元，懸掛式空調(diào)制冷單元，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇制冷，電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇制冷，各單元有獨(dú)立的制冷部件，如果有損壞需要單獨(dú)維修。

集成水冷系統(tǒng)采用一個(gè)集成水冷循環(huán)及溫度控制系統(tǒng)，維修內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單。保養(yǎng)中清洗或更換部件更加方便集中，日常點(diǎn)檢也一目了然。

4.2 集成水冷系統(tǒng)缺點(diǎn)分析

(1)冷卻液泄漏

水冷系統(tǒng)需要做到良好的連接，盡量使用密封好的快速接頭，如冷卻液泄漏可能對(duì)電動(dòng)機(jī)、電氣柜帶來大的損壞。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)充分考慮到接頭的位置及配置。

(2)故障維修

在故障維修中，集中式水冷系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，將造成整臺(tái)數(shù)控設(shè)備無法正常運(yùn)行，需要及時(shí)完成維修才能恢復(fù)。零部件故障后水管拆卸較復(fù)雜。相對(duì)而言，分開制冷中空調(diào)可以單獨(dú)拆卸修理，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇制冷方便拆卸更換，維修性較好。

5 集成水冷系統(tǒng)的應(yīng)用

在數(shù)控設(shè)備日常使用中，集成水冷系統(tǒng)故障率明顯較低。以2臺(tái)同時(shí)購(gòu)買的新機(jī)床為例，某機(jī)床采用集成水冷系統(tǒng)，在3年使用期間每月更換一個(gè)過濾網(wǎng)，制冷效果良好，無任何制冷引起的報(bào)警，電氣柜內(nèi)干凈無粉塵。另外一臺(tái)同采用分開制冷，每月更換過濾網(wǎng)4張;電氣柜空調(diào)故障1次;主軸風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)由于粉塵和油霧堆積導(dǎo)致主軸電動(dòng)機(jī)散熱不良而燒毀;電氣柜內(nèi)部檢查有少量粉塵堆積。

制冷故障的發(fā)生原因較多，但是長(zhǎng)期使用風(fēng)冷必然造成風(fēng)扇積灰，電氣柜污染，制冷風(fēng)扇機(jī)械磨損等問題。日常的維修保養(yǎng)無法檢查到細(xì)微部件的質(zhì)變，可能造成隱性故障。

集成水冷機(jī)床通過流量監(jiān)控每個(gè)回路的冷卻情況以及溫度情況，直觀地顯示機(jī)床制冷效果。集成水冷控制單元及核心部件安裝位置集中，便于維修。

6 結(jié)語

集成水冷系統(tǒng)已成功運(yùn)用到高檔數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和使用中，并在實(shí)際應(yīng)用中降低了隱性故障的發(fā)生率，節(jié)約成本，便于維護(hù)，能達(dá)到良好的制冷效果。其穩(wěn)定性、維修性、集成性能滿足高檔數(shù)控機(jī)床使用要求。

［1］丁立君，吳俊云，顧克東.電控柜空調(diào)常見問題及分析［C］.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)，2009.

［2］顧克仁.電氣控制柜散熱方法的比較分析［M］.電氣制造，2006(2).

［3］馬瑜瑾.冷卻裝置在電氣控制柜中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2004，33(12).

［4］孔祥志，李長(zhǎng)英，王家興，等.內(nèi)裝式電主軸冷卻方式的探討［J］.機(jī)械工程師，2011(1).