礦用運(yùn)煤車(chē)強(qiáng)制循環(huán)水冷卻散熱可靠性研究設(shè)計(jì)

閻志偉

（中國(guó)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(kāi)采具有建設(shè)周期短、 出煤快、 機(jī)動(dòng)靈活、機(jī)械化程度高、效率高和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，使不易或無(wú)法布置長(zhǎng)壁綜采工作面的煤層塊段得到合理開(kāi)采和回收，特別適合于“三下”開(kāi)采、不規(guī)則塊段開(kāi)采和殘采區(qū)回收煤柱等。從而提高了資源回收率，延長(zhǎng)了礦井的使用壽命，有利于保障礦井安全，進(jìn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

短壁機(jī)械化開(kāi)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(chē)和組成，運(yùn)煤車(chē)作為主要組成部分，主要負(fù)責(zé)將工作面破碎后的煤及時(shí)運(yùn)輸至皮帶運(yùn)輸機(jī)， 運(yùn)煤車(chē)是采用卷纜滾筒收放拖曳電纜，以交流電為能源，液壓轉(zhuǎn)向、液壓多盤(pán)濕式安全制動(dòng)的短距離膠輪運(yùn)輸車(chē)輛，具有全輪驅(qū)動(dòng)、生產(chǎn)能力大、效率高、轉(zhuǎn)向方便、機(jī)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小、四輪轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)，它除本身行走外，還裝有轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)，能夠自動(dòng)卸載料斗里的煤塊。它的研制對(duì)促進(jìn)我國(guó)短壁機(jī)械化技術(shù)進(jìn)步和煤礦巷道掘進(jìn)的機(jī)械化有著非常重要的作用，由于工作環(huán)境的特殊性，對(duì)其工作的可靠性也有較高的要求， 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(chē)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， 并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試， 驗(yàn)證了該冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了運(yùn)煤車(chē)的實(shí)際需求，對(duì)其它類(lèi)似設(shè)備的冷卻設(shè)計(jì)具有借鑒參考價(jià)值。

1 散熱方案的選擇

目前，針對(duì)煤礦井下防爆電機(jī)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)制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。 一般電機(jī)均采用密閉通風(fēng)，將電機(jī)空間加以密閉，密閉空間包含一定體積的空氣， 利用安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)壓，強(qiáng)迫空氣流動(dòng)，冷空氣通過(guò)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈和定子中的通風(fēng)溝，吸收電機(jī)產(chǎn)生的熱量。

風(fēng)冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔機(jī)系統(tǒng)少、費(fèi)用低廉、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)有：通風(fēng)損耗大，從而導(dǎo)致電機(jī)效率低下；電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲比較大；由于受到轉(zhuǎn)速和容量的限制，同容量電機(jī)的體積龐大[2]。

1.2 水冷方式

水冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：①電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊。水冷卻系統(tǒng)使得電動(dòng)機(jī)的散熱得到了大幅度的改善，因此，電動(dòng)機(jī)能夠較長(zhǎng)時(shí)間在全功率狀態(tài)下工作。 在相同功率輸出狀態(tài)下，水冷卻電動(dòng)機(jī)比風(fēng)冷卻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而適合井下較為惡劣的工況；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。 因此，水冷卻系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；③水的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)比氣體大許多， 所以水冷卻的散熱能力比風(fēng)冷卻的效果顯著。

與此同時(shí)，水冷卻也存在許多缺點(diǎn)：水的凈化程度不夠時(shí)，容易產(chǎn)生結(jié)垢及氧化物堵塞冷卻水管；管路系統(tǒng)存在腐蝕、堵塞、滲漏等隱患，繼而產(chǎn)生局部過(guò)熱而損壞電機(jī)，因此管路系統(tǒng)均采用不銹鋼材料；水接頭以及各個(gè)密封點(diǎn)處，由于承受水壓而漏水的隱患，將造成短路和漏電危險(xiǎn)[3，4]。

比較了風(fēng)冷與水冷的優(yōu)缺點(diǎn)后， 結(jié)合運(yùn)煤車(chē)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)本系統(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)

2.1 水冷變頻器的設(shè)計(jì)

通常的水冷卻方式一是將散熱水管貼在導(dǎo)熱板上或穿過(guò)散熱刺，散熱水管與導(dǎo)熱板或散熱刺接觸不緊密，冷卻效果不很理想； 二是將功率元件的散熱部分直接泡在水中，但必須是蒸餾水，在煤礦井下不具備條件。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)變頻器散熱時(shí)，沒(méi)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成為防爆結(jié)構(gòu)的一部分的鋁散熱板上， 將做為防爆結(jié)構(gòu)一部分的鋁散熱板與水直接接觸，加快鋁板和水的熱交換，使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[5]。具體措施是將鋁散熱板非元器件安裝面開(kāi)出水槽，目的是增大散熱面積，使鋁板所有散熱面都與水接觸；同時(shí)也可使水大致按一個(gè)方向流動(dòng)，散熱板冷卻效果好。除功率元件安裝面外，不在隔爆殼內(nèi)的其余5 個(gè)面用鋼板包裹，鋼板與鋁板之間用膠皮密封，防止?jié)B水，進(jìn)出水管接頭在鋼板上。鋼板包裹不僅是防爆的要求，而且可以隨時(shí)揭開(kāi)，清理鋁散熱板內(nèi)的水垢。在外部水冷散熱的同時(shí)，防爆殼體內(nèi)部安裝兩個(gè)風(fēng)扇對(duì)吹，在內(nèi)部形成風(fēng)流，目的是使散熱板各部分溫度均勻，并加快內(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)

當(dāng)前水冷卻電動(dòng)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)效果比較明顯， 適用于采用軸向通風(fēng)、滾動(dòng)軸承的電機(jī)中，它能有效改善電機(jī)端部和外殼的散熱效果， 同時(shí)對(duì)于滾動(dòng)軸承的使用壽命和運(yùn)行可靠性來(lái)說(shuō)都十分有益[6，7]。

考慮運(yùn)煤車(chē)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)外殼設(shè)置冷卻管路，進(jìn)水口和出水口管路設(shè)置在電機(jī)后端， 在水泵的壓力作用下使得循環(huán)水不斷的流動(dòng)將電機(jī)產(chǎn)生的熱量吸收，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻作用。

3 強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究分析了本設(shè)備的特性及其使用工況后， 決定采用強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。 強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，所需元件包括：水箱、過(guò)濾器、加壓水泵、截止閥及泄壓閥。

工作原理為： 水泵在電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行工作， 形成的負(fù)壓將冷卻水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器的過(guò)濾后吸入水泵進(jìn)行加壓，高壓水進(jìn)入變頻器及電機(jī)的水冷腔對(duì)元件進(jìn)行冷卻，冷卻后的水回流至水箱， 當(dāng)高壓水的壓力超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)定值時(shí)，高壓水通過(guò)泄壓閥泄荷。

系統(tǒng)各元件經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和選型后， 現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試后均可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行， 經(jīng)測(cè)試水路冷卻系統(tǒng)滿(mǎn)足整機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖1 強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

此強(qiáng)制循環(huán)水冷散熱系統(tǒng)采用了較少的元部件，工作系統(tǒng)將冷卻水源源不斷地流經(jīng)變頻器與電機(jī)， 通過(guò)循環(huán)水帶走熱量，從而對(duì)變頻器及電機(jī)進(jìn)行充分地冷卻，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。