鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜溫度場(chǎng)分析

蘇恒，楊俊，譚杰，曾樂(lè)

（1.長(zhǎng)沙市電子工業(yè)學(xué)校，長(zhǎng)沙 410116；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081；3.芷江民族職業(yè)中專(zhuān)學(xué)校，湖南 懷化 418000；4.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410124）

0 引言

如今，電子元件的熱流密度已經(jīng)高達(dá)200 W/cm2以上，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的生產(chǎn)線(xiàn)控制柜來(lái)說(shuō)，如果各種發(fā)熱元件散發(fā)出來(lái)的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出去, 就會(huì)造成熱量的積聚，內(nèi)部的溫度會(huì)快速上升,從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過(guò)各自所能承受的溫度極限，可能造成電子設(shè)備絕緣性能退化、材料的熱老化，或者低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落等后果，使得電子設(shè)備的可靠性大大降低，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[1-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子系統(tǒng)中55%的電子器件失效或故障都與過(guò)高溫度的熱環(huán)境相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度高于70～80 ℃時(shí)，每增加1 ℃則電子器件的可靠性下降5%[7]。為了預(yù)測(cè)溫度變化，采用有限元仿真是有效的方法。許禮進(jìn)[8]針對(duì)通用工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜熱特性、噪聲問(wèn)題，建立仿真模型，進(jìn)行了控制柜的熱環(huán)境防護(hù)流程設(shè)計(jì)且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。湯清[9]對(duì)智能控制柜柜內(nèi)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)和設(shè)備排列方式進(jìn)行了有限元仿真分析,得到了柜內(nèi)溫度場(chǎng)和流體軌跡,優(yōu)化了柜內(nèi)智能終端間距設(shè)置和開(kāi)孔設(shè)置。湖南某鋁業(yè)有限公司有多條鑄軋生產(chǎn)線(xiàn)，設(shè)備作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致控制柜溫度過(guò)高，對(duì)整條生產(chǎn)線(xiàn)安全造成隱患。

本文首先對(duì)控制柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后完成控制柜內(nèi)部大功耗元件選型，再次建立發(fā)熱元件模型進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析，進(jìn)而初步確定元件布局方式，最后分析比較了3種不同的散熱方案，確定了最終散熱方案。

1 控制柜的建模及元件布局

1.1 控制柜結(jié)構(gòu)建模

控制柜的尺寸（寬×高×深）為400 mm×600 mm×320 mm；框架主要由2個(gè)左立柱、2個(gè)右立柱、2個(gè)側(cè)上橫梁、4個(gè)側(cè)橫梁、2個(gè)側(cè)下橫梁、2個(gè)上橫梁、2個(gè)下橫梁構(gòu)成?？刂乒窠Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制柜框架

1.2 主要發(fā)熱元件布局

因?yàn)闊峥諝獗壤淇諝廨p，無(wú)外界干擾情況下，柜內(nèi)空氣流向應(yīng)該是由下往上，所以把主要的大功率發(fā)熱元件都放在上面的部分，小功率發(fā)熱元件都放在下面的部分，避免風(fēng)機(jī)氣流先通過(guò)大功率發(fā)熱元件再流經(jīng)小功率發(fā)熱元件影響散熱效率，出風(fēng)口設(shè)置在柜體上方，柜內(nèi)元件布局如圖2所示。

圖2 柜內(nèi)元件布局

2 控制柜散熱仿真分析

2.1 控制柜自然散熱分析

主要發(fā)熱元件參數(shù)如表1所示。

表1 主要發(fā)熱元件的相關(guān)參數(shù)

式中：Q1為控制柜內(nèi)的總發(fā)熱量；Q2為所需散熱能力。

當(dāng)Q2為0或者負(fù)值，則說(shuō)明控制柜自身散熱能力可以滿(mǎn)足柜內(nèi)元件的散熱要求，不需要其它強(qiáng)制散熱方式；當(dāng)Q2為正值時(shí)，則說(shuō)明控制柜自身散熱能力已經(jīng)沒(méi)有辦法達(dá)到柜內(nèi)元件的散熱要求，需要選擇其它強(qiáng)制散熱方式進(jìn)行散熱[2]。結(jié)合表1、式（1）和式（2），得出Q2為正值，需要選擇其它強(qiáng)迫對(duì)流冷卻的方式對(duì)控制柜進(jìn)行散熱處理。

為了更加精確地分析散熱情況，利用有限元仿真分析控制柜溫度場(chǎng)，柜內(nèi)溫度目標(biāo)值應(yīng)低于50 ℃，設(shè)置控制柜熱邊界條件如下：1）初步計(jì)算控制柜中氣流雷諾數(shù)Re為6320，大于4000，所以選取湍流計(jì)算模型；2）各元件熱源設(shè)置可參考表1；3）風(fēng)機(jī)特性可選擇ICEPAK提供的標(biāo)準(zhǔn)模型，數(shù)量以及進(jìn)出口的類(lèi)型根據(jù)溫度場(chǎng)分析進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，風(fēng)量為2.6～3.0 m3/min；4）環(huán)境溫度為37 ℃。

將控制柜與內(nèi)部的元件簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，如圖3所示。

圖3 柜內(nèi)元件布局簡(jiǎn)化圖

通過(guò)仿真得到控制柜在自然散熱下的溫度分布如圖4所示，柜內(nèi)元件溫度最高可達(dá)70 ℃左右，周?chē)鷾囟冗_(dá)到55 ℃左右，均高于目標(biāo)值50℃，所以自然散熱不能有效帶走柜內(nèi)元件的熱量，柜內(nèi)元件的溫度很高。

圖4 自然散熱下溫度分布

2.2 散熱方案分析

因?yàn)榭刂乒褡匀簧嵯聼o(wú)法滿(mǎn)足柜內(nèi)元件的散熱需求，所以需要選擇其它強(qiáng)迫對(duì)流冷卻的方式對(duì)控制柜進(jìn)行散熱處理，制定出了3種散熱方案。方案1如圖5所示，在控制柜左右兩側(cè)上方分別開(kāi)設(shè)出風(fēng)口1、2，出風(fēng)口大?。ㄩL(zhǎng)×寬）為70 mm×19 mm，同時(shí)在控制柜下方布置一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量為3 m3/min。

圖5 方案1 布局及溫度分布

方案2如圖6所示，在方案1的基礎(chǔ)上，在控制柜頂部增開(kāi)設(shè)出風(fēng)口3，出風(fēng)口的尺寸為280 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬），同時(shí)在底部增加一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量為3 m3/min。方案3如圖7所示，在方案2的基礎(chǔ)上，在控制柜的右側(cè)增加一個(gè)抽風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量為3 m3/min。布置在大功率濾波器的旁邊，主要用于濾波器的散熱，同時(shí)將底部的2個(gè)鼓風(fēng)機(jī)改用為抽風(fēng)機(jī)。

圖6 方案2 布局及溫度分布

圖7 方案3 布局及溫度分布

將3種方案下控制柜內(nèi)的元件溫度進(jìn)行對(duì)比得到數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖5、圖6、圖7及表2可知，方案1 控制柜內(nèi)最高溫度為86 ℃，周?chē)鷾囟葹?5 ℃，均高于目標(biāo)溫度50 ℃，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)散熱。方案2控制柜內(nèi)最高溫度為66℃，高于目標(biāo)溫度50 ℃，周?chē)鷾囟葹?0 ℃，散熱效果不佳。方案3控制柜內(nèi)最高溫度為45 ℃，周?chē)鷾囟葹?6 ℃，均低于目標(biāo)溫度50℃，滿(mǎn)足散熱要求。

表2 三種散熱方案控制柜內(nèi)元件溫度℃

圖8和圖9 為方案2 和方案3下的控制柜內(nèi)風(fēng)壓分布。

圖8 方案2 風(fēng)壓分布

由圖8和圖9 可知，方案2控制柜內(nèi)風(fēng)壓分布不均勻，元件布置區(qū)風(fēng)壓為5.27×104Pa，元件周?chē)L(fēng)壓為1.76×105Pa，這是因?yàn)樗俣瓤斓臍饬髦饕植荚谠車(chē)?。方?在使用抽風(fēng)機(jī)后，柜內(nèi)風(fēng)壓分布均勻，風(fēng)壓為4.42×105Pa。

圖9 方案3 風(fēng)壓分布

圖10和圖11為方案2和方案3下的控制柜內(nèi)風(fēng)速分布。

圖11 方案3 風(fēng)速分布

由圖10和11可知，方案2由于PLC控制模板與濾波器的阻擋，風(fēng)速主要集中在控制柜下面部分，風(fēng)速達(dá)到了5.423 m/s，而濾波器周?chē)L(fēng)速較小為1.808 m/s，流體帶走的熱量較少，濾波器散熱效果沒(méi)有達(dá)到最好的狀態(tài)。方案3在使用抽風(fēng)風(fēng)機(jī)后，濾波器周?chē)L(fēng)速增加至11.976 m/s，流體帶走了較多的熱量。方案3控制柜內(nèi)溫度低于目標(biāo)溫度且柜內(nèi)風(fēng)壓分布均勻，實(shí)現(xiàn)了控制柜的有效散熱，為最佳的散熱方案。

圖10 方案2 風(fēng)速分布

3 鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜的應(yīng)用

通過(guò)布置溫度傳感器測(cè)得的實(shí)際控制柜內(nèi)的溫度變化如圖12所示，生產(chǎn)線(xiàn)上采用方案3的鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜如圖13所示。由圖12可知，在生產(chǎn)時(shí)間范圍內(nèi)的控制柜內(nèi)最高溫度穩(wěn)定在46℃左右，比仿真溫度高1℃，相對(duì)誤差為2.22%，周?chē)鷾囟确€(wěn)定在35 ℃左右，比仿真溫度低1 ℃，相對(duì)誤差為2.78%，這是由于工作環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生改變，證明了方案3散熱效果最佳，保證了控制柜的正常工作。

圖12 控制柜內(nèi)溫度變化曲線(xiàn)

圖13 鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜的散熱方案設(shè)計(jì)和仿真分析、得到以下結(jié)論：

1）鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜內(nèi)應(yīng)采用大功率元件布置在上方、小功率元件布置在下方的布局方式。

2）采用抽風(fēng)機(jī)替代鼓風(fēng)機(jī)方案，能實(shí)現(xiàn)控制柜內(nèi)風(fēng)壓均勻分布和有效散熱。

3）生產(chǎn)線(xiàn)上采用最佳散熱方案的鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜，柜內(nèi)最高溫度穩(wěn)定在46 ℃左右，周?chē)鷾囟确€(wěn)定在35℃左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而保證了鋁帶坯鑄軋機(jī)控制柜工作正常。