淺談加強熱效應(yīng)設(shè)計在機電工程中應(yīng)用的必要性

姜小桃，郭建珠

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西太原045000；2.太原理工大學(xué)，山西030024）

淺談加強熱效應(yīng)設(shè)計在機電工程中應(yīng)用的必要性

姜小桃1，郭建珠2

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西太原045000；2.太原理工大學(xué)，山西030024）

機電工程實施過程中，熱效應(yīng)是一個不可回避的物理現(xiàn)象，通過對熱效應(yīng)危害、治理基本策略的分析，認為加強熱效應(yīng)設(shè)計在機電工程應(yīng)用和實踐中意義重大。

加強熱效應(yīng)設(shè)計可靠性機電工程

機電工程實施過程中熱效應(yīng)是一個不可回避的物理現(xiàn)象，熱效應(yīng)可直接導(dǎo)致變形甚至燃燒爆炸級的災(zāi)害，因此熱效應(yīng)問題首要解決問題就是其測量監(jiān)測問題，其次其危害及控制問題。機電工程實施過程中，熱效應(yīng)問題是一個需要注重并且在實施過程中時時加以監(jiān)測的重要運行質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)，其與設(shè)備運行壽命，長期運行穩(wěn)定性等指標(biāo)息息相關(guān)[1]。

1 機電工程熱效應(yīng)的主要體現(xiàn)形式及形成機理

1）機械相對運動必然導(dǎo)致摩擦發(fā)熱。在潤滑不佳情形下，發(fā)熱加劇，又對潤滑和密封形成反壓態(tài)勢進一步劣化潤滑，加劇發(fā)熱，其體現(xiàn)形式是機械磨損加劇，潤滑失效明顯。

2）電磁效應(yīng)必然導(dǎo)致電磁熱。電磁效應(yīng)必然存在損耗，損耗大部分導(dǎo)致發(fā)熱，該熱量由電磁能產(chǎn)生因此熱效應(yīng)躍升是指數(shù)形態(tài)發(fā)展，災(zāi)害發(fā)生時間短危害大是其基本災(zāi)害形式，發(fā)生時應(yīng)對時間短是其另一特色，不做事先必要專業(yè)培訓(xùn)和防護，災(zāi)難事所難免。

3）化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)。本文特指機電工程中所涉及的各種化學(xué)電池等機電工程中常用的類似產(chǎn)品，該熱效應(yīng)常常被忽視，因為對于機電工程而言僅作為輔助直流電能的這類電池確實能量微不足道，但是“星星之火可以燎原”這一道理體現(xiàn)在化學(xué)電池的危害上非常貼切，更因為其發(fā)熱機理的不確定性，所以危害放大效應(yīng)在其危害過程中體現(xiàn)更為明顯和可怕。

4）核能發(fā)電導(dǎo)致的熱效應(yīng)。這里主要強調(diào)射線能量的累積，局部熱量的聚集效應(yīng)更加明顯，基因變異，器官損傷，“致人死地”于無形。

2 機電工程中熱效應(yīng)測試及防護基本方法

1）對溫度不敏感性系統(tǒng)一般采用熱累積效應(yīng)方式對其進行測量和管理。

2）對溫度敏感性系統(tǒng)采用溫度閾值法進行測量和管理。

以上二者控制原理和測量精度是不同，前者是一種模糊控制方式，測量精度等級低，響應(yīng)時間短，對設(shè)備的保護性一般，用于不太精密的場合；后者是一種控制精度高，響應(yīng)時間快，對設(shè)備的保護性好，用于較精密場合控制的先進的熱效應(yīng)控制方法。系統(tǒng)熱效應(yīng)控制得當(dāng)對電氣、機械設(shè)備的長期穩(wěn)定性一般起決定性的作用，電氣設(shè)備的熱效應(yīng)導(dǎo)致的直接后果是電氣絕緣等級的下降，機械設(shè)備熱效應(yīng)直接后果是潤滑及密封部件質(zhì)量的不利影響，其最終結(jié)果是對機電工程裝備長期穩(wěn)定性及壽命的劣化影響。

3 熱效應(yīng)設(shè)計應(yīng)用機電工程系統(tǒng)實例

3.1 在小容量機電工程系統(tǒng)中熱效應(yīng)設(shè)計

在經(jīng)常、大量使用的機電工程系統(tǒng)中容量一般為15 kW以下電機容量系統(tǒng)中使用，瞬時過載、波動量大、頻繁啟動停止等原因造成熱效應(yīng)瞬時超標(biāo)現(xiàn)象非常突出，業(yè)界技術(shù)人員群策群力，實現(xiàn)了一種規(guī)避機電工程中主要器件損壞，又能容錯熱效應(yīng)瞬時超標(biāo)現(xiàn)象，而且不影響機電工程設(shè)備正常使用的模糊熱效應(yīng)管理運行模式——熱效應(yīng)累積效應(yīng)模式，缺點是多次瞬時熱效應(yīng)瞬時超標(biāo)現(xiàn)象對設(shè)備長期壽命確實有較大影響。其工作原理圖如下頁圖1所示：熱繼保護工作原理圖，熱繼作為熱效應(yīng)檢測元件直接接到三相工作回路中。其輔助觸點：常閉輔助觸點接到控制回路中，當(dāng)機電設(shè)備運行過程中發(fā)熱到一定程度時，熱效應(yīng)檢測元件動作其常閉輔助觸點將打開，控制回路中控制線圈將失電，控制主控回路中的接觸器將打開，主用電回路處于斷路狀態(tài)，這樣由于運行過程中熱累積超標(biāo)時實現(xiàn)了工作回路的斷開，保護了設(shè)備因熱效應(yīng)導(dǎo)致的機電工程設(shè)備損害現(xiàn)象的進一步延續(xù)。

圖1 熱繼保護工作原理圖

3.2 機電工程中電子儀器所用直流電池?zé)嵝?yīng)

iphone-5s無線通訊設(shè)備靠近熱源時，例如喝水杯外殼接觸到iphone-5s無線通訊設(shè)備機殼幾分鐘后，iphone-5s無線通訊設(shè)備就會自動關(guān)閉，系統(tǒng)進入不工作狀態(tài)，熱源消失，系統(tǒng)繼續(xù)閉鎖一小時以后，iphone-5s無線通訊設(shè)備即進入自恢復(fù)狀態(tài)，使用iphone-5s無線通訊設(shè)備時即可正常使用。這就是iphone-5s公司對系統(tǒng)用鋰電池設(shè)計的熱保護，如果有如此完善的保護電路和思想，三星Galaxy NOTE7自燃爆炸事件發(fā)生就不會發(fā)生，電池自燃爆炸事件是電池?zé)嵝?yīng)極端現(xiàn)象，說明短時間內(nèi)熱累積量巨大，大的熱效應(yīng)產(chǎn)生巨大的變形動力，所以爆炸，必須采用閾值法對電池?zé)嵝?yīng)實行管理。如圖2所示為化學(xué)電池?zé)嶙冃螌嵨飯D，其發(fā)生原因僅為存電過程速度過快，沒有熱效應(yīng)保護造成的物理變形事例，實質(zhì)上化學(xué)電池存放電過程是一復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程其機理還有人類未掌握領(lǐng)域，所以我們在工程實踐中應(yīng)慎而慎之。

3.3 傳感器回路中串接限流電阻對傳感器及系統(tǒng)采集模塊的保護

圖2 化學(xué)電池?zé)嶙冃螌嵨飯D

傳感器供電回路一般為直流24 V回路，但是因為工作環(huán)境相對苛刻，事故原因比較復(fù)雜，一般不僅造成傳感器損壞而且造成系統(tǒng)采集模塊的進一步損壞，筆者通過增強熱效應(yīng)保護設(shè)計理念，在傳感器回路中串接一阻止位100Ω的電阻作為限流電阻使用，當(dāng)工作電流超越工作電流值時，限流電阻瞬時熔斷，作為保護器件斷開傳感器上的熱效應(yīng)產(chǎn)生源，避免對傳感器的損壞，進一步回避對系統(tǒng)采集模塊的損壞，如圖3所示為傳感器采集模塊熱效應(yīng)保護電路示意圖；如圖4所示為增強熱效應(yīng)保護設(shè)計前對傳感器采集模塊熱效應(yīng)損壞圖。

圖3 傳感器采集模塊熱效應(yīng)保護示意圖

圖4 增強熱效應(yīng)保護設(shè)計前對傳感器采集模塊熱效應(yīng)損壞圖

3.4 MCU系統(tǒng)熱效應(yīng)保護設(shè)計特點

MCU系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備發(fā)展的最新水平，其集成化和智能化水平極高，因此直接測量工作電流工作電壓的能力極強，計算和保護回路較好，這樣為熱效應(yīng)保護提供了新的模式和新的方式提供了可能，通過熱效應(yīng)安全值推算法提前預(yù)知系統(tǒng)過熱閾值，實現(xiàn)精確熱效應(yīng)控制，為我們增強熱效應(yīng)保護設(shè)計在機電工程設(shè)備中的應(yīng)用提供了全新的理念和模式，值得我們借鑒和推廣。

4 結(jié)語

熱效應(yīng)是機電工程裝備在運行過程中必然的副產(chǎn)品，現(xiàn)在許多工業(yè)場合熱效應(yīng)的測量、測試及保護控制成為產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵，從設(shè)計思想上必須慎之又慎，在應(yīng)用上堅持“熱累積效應(yīng)法”與“熱效應(yīng)閾值法”并重的原則，以增強熱效應(yīng)保護為突破口，實現(xiàn)機電工程裝備能可靠長壽命工作的目的。

[1]Tony Kordyban.笑談熱設(shè)計[M].李波，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

（編輯：苗運平）

On Necessity of Strengthening the Design of Thermal Effect in App lication of M echanical and Electrical Engineering

Jiang Xiaotao1,Guo Jianzhu2
（1.Shanxi Institute of Technology,Taiyuan Shanxi045000;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024）

In implementation process of mechanical and electrical engineering,thermal effect is an unavoidable phenomenon.Through the analysis of thermal effect harm and basic methods for governance of thermal effect, strengthening heateffectdesign in practice and application of electromechanical engineering is of great significance.

strengthening thermal effectdesign,reliability,electromechanical engineering

TU895

A

1672-1152（2017）02-0091-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.35

2016-12-20

姜小桃（1967—），女，山西陽泉人，大專，助理實驗師，現(xiàn)在山西工程技術(shù)學(xué)院從事實驗室教學(xué)工作。