無軌膠輪運(yùn)煤車的加壓冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬育華

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

短壁機(jī)械化開采工藝項(xiàng)目具有建設(shè)周期短、 出煤時(shí)效高、移動(dòng)便利、機(jī)械化水平高和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，使無法布置或不易布置長壁綜采裝備的煤層塊段可進(jìn)行合理開采和回收，尤其適合“三下”（建筑物下、鐵路下和水體下）開采、不規(guī)則塊段煤層開采和對(duì)殘采區(qū)煤柱進(jìn)行回收等。 從而大大提高了煤礦資源回收率， 增加煤礦經(jīng)濟(jì)效益、延長礦井的開采年限，也有利于保障礦井安全生產(chǎn)，促進(jìn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

短壁機(jī)械化開采成套裝備主要由連續(xù)采煤機(jī)、 錨桿支護(hù)機(jī)、運(yùn)煤車和破碎轉(zhuǎn)載機(jī)組成，運(yùn)煤車作為重要成員之一， 主要負(fù)責(zé)將工作面破碎后的煤及時(shí)運(yùn)輸至破碎轉(zhuǎn)載機(jī)，運(yùn)煤車收放、拖曳電纜主要是采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷纜滾筒來進(jìn)行，整車以交流電為動(dòng)力源，擁有液壓轉(zhuǎn)向、液壓多盤濕式器制動(dòng)器， 可實(shí)現(xiàn)短距離往復(fù)運(yùn)行的膠輪運(yùn)輸車輛，具有全輪驅(qū)動(dòng)、運(yùn)輸效率高、轉(zhuǎn)向方便、機(jī)動(dòng)靈活、 轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)， 它除本身可承載煤塊進(jìn)行行走外，還自帶有轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)，可自動(dòng)卸載料斗里的煤塊。 運(yùn)煤車研制對(duì)促進(jìn)短壁機(jī)械化技術(shù)進(jìn)步， 提升煤礦巷道采掘自動(dòng)化起著非常重要的作用，因?yàn)榫颅h(huán)境的特殊性，對(duì)整車每個(gè)核心部件的可靠性都有較高的要求， 電氣系統(tǒng)里的防爆變頻器和防爆電機(jī)散熱設(shè)計(jì)是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文主要對(duì)比了風(fēng)冷和水冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)， 考慮了運(yùn)煤車整體空間較小，零部件排布較密的實(shí)際情況，對(duì)整機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)制循環(huán)水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 采用強(qiáng)制循環(huán)水冷卻散熱系統(tǒng)對(duì)電氣元部件進(jìn)行冷卻的設(shè)計(jì)方案， 并對(duì)水冷電機(jī)和水冷變頻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)排布， 通過現(xiàn)場安裝調(diào)試和井下工業(yè)性試驗(yàn)， 驗(yàn)證了該冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足運(yùn)煤車的運(yùn)行需求， 該設(shè)計(jì)對(duì)其它類似設(shè)備的冷卻設(shè)計(jì)具有借鑒參考意義。

1 散熱方案的選擇

目前， 井下機(jī)械化開采設(shè)備主要以電能為主要?jiǎng)恿υ矗?各種電元件尤其是電機(jī)作為一種高效快捷污染少噪音小的動(dòng)力裝置已被廣泛的應(yīng)用到各種裝備上， 電機(jī)在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量， 產(chǎn)生的熱量如果不能及時(shí)排就會(huì)造成大量的熱能聚集， 熱能聚集到一定的程度就會(huì)造成電機(jī)的爆炸[2]。運(yùn)煤車電氣系統(tǒng)主要發(fā)熱部件為電機(jī)和變頻器。針對(duì)煤礦井下防爆電機(jī)來說，閉式加壓冷卻方式一般主要有風(fēng)冷和水冷兩種主要方式， 兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 風(fēng)冷方式

風(fēng)冷卻利用空氣流動(dòng)帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量。 為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部熱量的散失通常采用開放式的開有洞的電機(jī)殼通風(fēng)或者使用風(fēng)機(jī)向電機(jī)內(nèi)部吹風(fēng)， 冷空氣通過轉(zhuǎn)子線圈和定子中的通風(fēng)溝， 使冷空氣與電機(jī)內(nèi)部的熱空氣進(jìn)行熱交換，從而帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量[3]，這樣的散熱形式有利有弊，雖然風(fēng)冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、安裝維護(hù)方便和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)， 但其自身的缺點(diǎn)也是非常多。 比如：

（1）冷風(fēng)吹必然會(huì)造成煤塵的進(jìn)入，而煤塵進(jìn)入到電機(jī)內(nèi)部是非常難清理的， 而且會(huì)對(duì)電機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，增加電機(jī)內(nèi)部的磨損從而減少電機(jī)的使用壽命。

（2）風(fēng)機(jī)通風(fēng)會(huì)造成損耗大，導(dǎo)致電機(jī)效率低下。

（3）電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲比較大，尤其是在煤礦井下空間狹小、視線不好的環(huán)境里，會(huì)給駕駛司機(jī)帶來很大的安全隱患。

（4）整體體積較大，需要設(shè)備預(yù)留出更多的空間來安裝。

1.2 水冷方式

煤礦井下由于防爆等要求限制， 大多數(shù)電機(jī)進(jìn)行內(nèi)部封閉，由于安裝空間受限，要求體積越小越好，所以水冷電機(jī)在煤礦井下得到了一定程度的發(fā)展和應(yīng)用。

水冷方式的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）能量密度大，在相同的技術(shù)參數(shù)狀態(tài)下，水冷電機(jī)比風(fēng)冷電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊， 更適合設(shè)計(jì)用于狹小有限的空間里。

（2）高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。較緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電機(jī)能在全速范圍內(nèi)的恒定高扭矩穩(wěn)定性更好， 具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[4]。

（3）水的比熱和熱傳導(dǎo)效率比空氣大許多，所以在同等接觸面積下，水冷卻的散熱能力更好。

同時(shí)，水冷電機(jī)也存在許多缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度相對(duì)較大；對(duì)冷卻水的質(zhì)量要求較高，如果水質(zhì)不好或雜質(zhì)較多時(shí)， 管道容易結(jié)垢而造成冷卻水道不通暢或者堵塞；對(duì)管道材料要求高，如果水道里存在腐蝕、堵塞等隱患，繼而會(huì)發(fā)生滲漏或局部過熱而使電機(jī)損壞，因此水路管道大多使用不銹鋼材料； 水接頭以及電機(jī)內(nèi)部各密封處，會(huì)因承受水壓而發(fā)生漏水的隱患，進(jìn)而造成漏電或短 路 的 風(fēng) 險(xiǎn)[5，6]。

比較分析了風(fēng)冷與水冷的優(yōu)缺點(diǎn)后， 水冷卻系統(tǒng)使得電動(dòng)機(jī)的散熱問題得到了大幅度的改善， 電動(dòng)機(jī)能夠較長時(shí)間在全功率狀態(tài)下工作， 更適合井下較為惡劣的工作狀況。同時(shí)，結(jié)合運(yùn)煤車設(shè)備上附屬安裝的零部件較多，結(jié)構(gòu)緊湊、空間較小的實(shí)際情況，決定采用水冷卻方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行散熱處理。

2 水冷變頻器和水冷電機(jī)的設(shè)計(jì)

水冷方式散熱效果的好壞程度關(guān)鍵在于水路的設(shè)計(jì)是否合理，所以水流通道的設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，不僅要實(shí)現(xiàn)需冷卻元件的散熱良好，而且要考慮供水的壓力泵和對(duì)循環(huán)水進(jìn)行熱交換降溫的管路元件， 盡可能減少相關(guān)部件的負(fù)荷。假如通道設(shè)計(jì)不夠合理，要么散熱效果不好；要么水路的進(jìn)出水溫差和水壓差很大，就可能需要再設(shè)置外部冷卻設(shè)備進(jìn)行配合作業(yè)， 會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的重量和經(jīng)濟(jì)成本[5]。所以水路設(shè)計(jì)要綜合考慮各種因素進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 水冷變頻器的設(shè)計(jì)

通常的水冷卻方式有兩種： 一種是將散熱水管貼合在導(dǎo)熱板上或穿過散熱刺， 由于散熱水管與導(dǎo)熱板或散熱刺接觸不太緊密，造成冷卻效果不很理想；另一種是將功率元件的散熱部分直接泡在蒸餾水中， 但煤礦井下條件惡劣，不具備條件。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)變頻器散熱時(shí)，沒有采用慣用的散熱器，而是將功率元件IGBT 和整流管直接安裝在防爆結(jié)構(gòu)的鋁散熱板上， 將作為防爆結(jié)構(gòu)一部分的鋁散熱板與冷卻水直接接觸，從而加快鋁板和水的熱交換，達(dá)到功率元件直接與主散熱器進(jìn)行熱交換，減少了導(dǎo)熱的環(huán)節(jié)，提高了導(dǎo)熱效率[6]。具體措施是將鋁散熱板的非元器件安裝背面開出水槽，增大了散熱面積，使鋁板水槽與水接觸，同時(shí)也可使水朝一個(gè)方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)散熱板較好的冷卻效果。除功率元件安裝面外， 不在隔爆殼內(nèi)的其余面用鋼板包裹，鋼板與鋁板之間采用膠皮密封，防止?jié)B水，進(jìn)出水管接頭設(shè)計(jì)在鋼板上。鋼板包裹不僅滿足防爆的要求，而且檢修時(shí)可以揭開，便于清理鋁散熱板上的水垢。在外部水冷散熱的同時(shí)，變頻器殼體內(nèi)部安裝兩個(gè)小風(fēng)扇對(duì)吹，形成風(fēng)流，目的是使散熱板各局部溫度均勻，同時(shí)加快內(nèi)部空氣流動(dòng)，增強(qiáng)散熱效率。

2.2 水冷電機(jī)的設(shè)計(jì)

目前水冷卻電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有：機(jī)殼水冷卻、機(jī)殼加端蓋水冷卻以及機(jī)殼加端蓋加轉(zhuǎn)軸水冷卻三種形式。 其中機(jī)殼加端蓋水冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果比較明顯， 適合于采用軸向通風(fēng)、滾動(dòng)軸承的電機(jī)中，能夠有效對(duì)電機(jī)端部和外殼進(jìn)行散熱， 同時(shí)對(duì)滾動(dòng)軸承的使用壽命和工作可靠性都十分有益[7，8]。

考慮運(yùn)煤車的實(shí)際空間緊湊情況，選擇機(jī)殼水冷卻設(shè)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)的定子機(jī)殼內(nèi)嵌入水套，當(dāng)水套中通有冷卻水時(shí)，冷卻水從進(jìn)水口進(jìn)入，循環(huán)流動(dòng)于整個(gè)水套中， 同機(jī)殼內(nèi)壁發(fā)生熱交換， 從而達(dá)到電機(jī)散熱的目的。 其中水套由外筒和內(nèi)筒兩部分構(gòu)成，內(nèi)筒的外表面焊接有一條螺旋管路，形成單螺旋水路結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出水口設(shè)置在電機(jī)后端，方便與水路管線進(jìn)行安裝、檢修更換。 在水泵的壓力作用下，使得循環(huán)流動(dòng)水不斷地將電機(jī)產(chǎn)生的熱量交換后帶走， 以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻的目的。

3 加壓冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究分析了本設(shè)備的特性及其使用工況后， 決定采用加壓冷卻散熱系統(tǒng)。 閉式加壓循環(huán)水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要元件包括：水箱、過濾器、加壓水泵、截止閥及泄壓閥。 工作原理為：水泵由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行工作，加壓水泵形成的負(fù)壓將水箱的水冷卻。

圖1 加壓冷卻散熱系統(tǒng)原理圖

首先由過濾器過濾后再吸入，以確保流入后續(xù)元部件時(shí)雜質(zhì)較少。 高壓水分兩路分別進(jìn)入變頻器、左電機(jī)以及右電機(jī)的水冷腔對(duì)元件進(jìn)行冷卻，冷卻后的水回流至水箱，截止閥主要用來通斷各自水路、方便水路系統(tǒng)檢修維護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)水壓超過設(shè)定值時(shí)，高壓水通過泄壓閥泄荷至水箱。 水箱的高位處設(shè)計(jì)有透氣孔，可用來將水箱的壓力進(jìn)行釋放，同時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)水；過濾器選擇Y型過濾器，方便濾芯的拆洗更換，節(jié)省維修時(shí)間和精力。

系統(tǒng)各元件經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算和選型后， 現(xiàn)場組裝調(diào)試后均可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行， 經(jīng)井下工業(yè)性試驗(yàn)證實(shí)了該種水路冷卻系統(tǒng)滿足整機(jī)設(shè)計(jì)要求， 可使電氣系統(tǒng)中的防爆變頻器和防爆電機(jī)核心元部件及時(shí)得到冷卻， 保障其正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

此冷卻散熱設(shè)計(jì)研究主要在分析比較了水冷與風(fēng)冷的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備實(shí)際工作需求，對(duì)電氣系統(tǒng)核心元件采用加壓水冷卻散熱設(shè)計(jì)方案， 并對(duì)變頻器和電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明。 整個(gè)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了簡單可靠的強(qiáng)制循環(huán)水冷散熱系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)煤車工作時(shí)，冷卻水不斷地流過變頻器與電機(jī)水冷腔， 通過循環(huán)水帶走熱量，從而對(duì)變頻器及電機(jī)進(jìn)行及時(shí)、充分地冷卻，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了電氣元部件工作的穩(wěn)定正常，從而提升了整臺(tái)設(shè)備的可靠性。