礦井膠輪車制冷控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李國(guó)勇

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

礦用防爆膠輪車是煤礦井下輔助物料運(yùn)輸?shù)暮诵难b備，主要以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力；在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，溫度升高導(dǎo)致膠輪車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作效率下降、齒輪磨損加劇、使用壽命降低。因此控制膠輪車防爆柴油機(jī)工作時(shí)溫度的恒定對(duì)于提升驅(qū)動(dòng)效率、提高使用壽命具有十分重要的意義。目前防爆柴油機(jī)制冷系統(tǒng)主要采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械風(fēng)扇制冷，不僅驅(qū)動(dòng)效率低，無(wú)法進(jìn)行降溫速度調(diào)節(jié)且存在著夏天降溫不夠、冬天降溫過(guò)多的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了膠輪車的正常運(yùn)行。本文提出了一種新的礦井膠輪車制冷控制系統(tǒng)，以變速風(fēng)扇和電控節(jié)溫器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的靈活控制，滿足不同工況下的變溫控制需求。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的制冷控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅评湫侍嵘?4.7%，運(yùn)行過(guò)程中的能耗降低17.2%，顯著提升了膠輪車的運(yùn)行安全性和使用壽命。

1 傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)缺陷分析

傳統(tǒng)膠輪車的制冷系統(tǒng)主要利用直驅(qū)式機(jī)械風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)散熱，柴油機(jī)運(yùn)行風(fēng)扇運(yùn)行，柴油機(jī)停止風(fēng)扇停止。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速恒定而且布置空間受限制較大，空氣流動(dòng)性差，工作效率低下。冷卻系統(tǒng)采用了物理節(jié)溫器，反應(yīng)速度慢、在節(jié)流系統(tǒng)中冷卻液的液流損失大、換熱效率低。由于煤礦井下多為高濕環(huán)境，氣流流速慢，因此膠輪車無(wú)法利用自然風(fēng)進(jìn)行輔助降溫，導(dǎo)致了在夏天時(shí)無(wú)法滿足高溫下的快速降溫需求，在冬天時(shí)系統(tǒng)的散熱量又過(guò)大，導(dǎo)致柴油機(jī)長(zhǎng)期在低溫下工作，可靠性差，故障率高，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 制冷控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)膠輪車制冷系統(tǒng)采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械風(fēng)扇制冷方式所存在的問(wèn)題，本文提出了一種新的膠輪車制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電動(dòng)風(fēng)扇供風(fēng)、電控節(jié)溫器控溫，利用車載電腦（ECU）智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)風(fēng)扇和電控節(jié)溫器的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，該控制系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[1]。

圖2 膠輪車制冷控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

為了滿足不同環(huán)境下的靈活控制需求，該控制系統(tǒng)采用了階梯式[2]的溫度控制方案。通過(guò)對(duì)不同溫度下防爆柴油機(jī)工作狀態(tài)的研究，提出了75°、89°、97°三個(gè)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液的溫度低于75°時(shí)表明膠輪車柴油機(jī)處在正常的工作溫度下，冷卻系統(tǒng)的電動(dòng)風(fēng)扇、電動(dòng)節(jié)溫器和散熱器均處在非工作狀態(tài)下。當(dāng)冷卻液的溫度超過(guò)75°時(shí)，智能控制系統(tǒng)發(fā)出降溫調(diào)節(jié)信號(hào)，控制電動(dòng)風(fēng)扇以低速檔進(jìn)行降溫運(yùn)行。當(dāng)冷卻液的溫度超過(guò)89°時(shí)，表明柴油機(jī)已經(jīng)處在高溫工作狀態(tài)下，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行情況產(chǎn)生不利影響，因此控制系統(tǒng)將風(fēng)扇調(diào)整至高速運(yùn)行模式，加大對(duì)系統(tǒng)的降溫；同時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)節(jié)溫器，將冷卻液送至散熱器，增加冷卻散熱面積，加快系統(tǒng)的散熱。當(dāng)冷卻液的溫度超過(guò)97°時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑、散熱效果將急劇下降，齒輪傳動(dòng)效率和穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重的影響，因此系統(tǒng)將控制防爆柴油機(jī)停機(jī)運(yùn)行，保證工作安全性。

3 制冷控制系統(tǒng)邏輯

膠輪車防爆制冷控制系統(tǒng)的控制邏輯相對(duì)比較復(fù)雜，需要滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑、液壓油工作溫度的精確監(jiān)控，然后將其轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的控制邏輯，滿足不同條件下的靈活控制需求。該制冷系統(tǒng)的控制邏輯見(jiàn)圖3[3]。

圖3 制冷系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器對(duì)制冷系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)油溫、柴油機(jī)的液溫進(jìn)行連續(xù)不間斷的監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)叫盘?hào)放大器內(nèi)進(jìn)行信號(hào)放大處理；然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，最終傳輸?shù)杰囕d電腦控制系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)邏輯對(duì)輸入信號(hào)的分析處理后輸出控制信號(hào)，對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行和電動(dòng)節(jié)溫器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)控制，滿足不同狀態(tài)下的靈活降溫、節(jié)能控制需求。

4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠輪車在煤礦井下運(yùn)行的過(guò)程中地質(zhì)條件復(fù)雜而且其工作的環(huán)境條件惡劣，因此要求控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)要能夠適應(yīng)井下高濕、高塵的環(huán)境；同時(shí)為了滿足系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展的需求，要求各個(gè)電控元件要具有很好的擴(kuò)展性。經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證后，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)采用了全新的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[4]，以車載電腦控制系統(tǒng)為核心，其他各個(gè)組成部分均通過(guò)模塊化的方式進(jìn)行組合，各個(gè)端口全部采用了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，滿足數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和可靠性的需求，同時(shí)滿足后續(xù)功能拓展的需求，該控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 制冷控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了對(duì)該制冷系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，以膠輪機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)優(yōu)化前后的降溫效果和能量消耗情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明新的制冷控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅评湫侍嵘?4.7%，運(yùn)行過(guò)程中的能耗降低17.2%，顯著降低了運(yùn)行過(guò)程中的故障率，對(duì)提升膠輪車的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）該膠輪車控制系統(tǒng)采用電動(dòng)風(fēng)扇供風(fēng)、采用電控節(jié)溫器對(duì)溫度精確控制，利用車載電腦（ECU）智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)風(fēng)扇和電控節(jié)溫器的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，控制精度高、穩(wěn)定性好。

2）采用階梯式溫度控制方案，能夠根據(jù)柴油機(jī)工作溫度的不同進(jìn)行靈活的溫度調(diào)節(jié)控制，滿足不同狀態(tài)下的靈活降溫、節(jié)能控制需求。

3）新的制冷控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅评湫侍嵘?4.7%，運(yùn)行過(guò)程中的能耗降低17.2%，顯著降低了運(yùn)行過(guò)程中的故障率，對(duì)提升膠輪車的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。