低溫環(huán)境下懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車的設(shè)計(jì)

方線偉，葛 兵，袁秀峰

(法蘭泰克重工股份有限公司，江蘇 蘇州 215211)

0 引言

通常情況下，起重機(jī)的使用環(huán)境要求溫度范圍-10 ℃～40 ℃，海拔高度1 000 m以下。當(dāng)使用地點(diǎn)的環(huán)境溫度超過要求的范圍或海拔高于1 000 m時(shí)，需要考慮機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的材料特性和電氣設(shè)備的使用情況，采取一定的措施保障起重機(jī)在特定的環(huán)境下能夠正常運(yùn)行，一般采取替代材料和電氣元件降容使用。

當(dāng)環(huán)境溫度低于起重機(jī)電機(jī)、制動(dòng)器或其他電器元件正常工作的最低溫度時(shí)，將無法保證起重機(jī)正常運(yùn)行，存在著一定的安全隱患。一般起重機(jī)用電機(jī)的最低使用環(huán)境溫度為-20 ℃，制動(dòng)器最低使用環(huán)境溫度為-25 ℃，均無法在極端環(huán)境(環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常使用的最低溫度)下正常工作。

為了使起重機(jī)能夠在低溫環(huán)境下正常工作，我們采取給起重機(jī)進(jìn)行保溫處理的方法，當(dāng)環(huán)境溫度低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行加熱系統(tǒng)，使起重機(jī)運(yùn)行的小環(huán)境達(dá)到各個(gè)設(shè)備機(jī)構(gòu)使用的環(huán)境要求，保障起重機(jī)的正常運(yùn)行。

為此，本文介紹一種低溫環(huán)境下的應(yīng)對(duì)方法，并結(jié)合我司自主研發(fā)的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車，系統(tǒng)地闡述該產(chǎn)品機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)時(shí)的解決方案。

1 懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車采用雙吊鉤形式，且雙鉤共用一個(gè)鋼絲繩卷筒，該小車要求的存儲(chǔ)環(huán)境溫度-60 ℃～+80 ℃，運(yùn)行溫度-20 ℃～+40 ℃。設(shè)計(jì)的核心是在低溫環(huán)境下的儲(chǔ)存問題，即保障在低溫的環(huán)境下機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)不變形、電氣元器件不會(huì)被低溫凍壞。

懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車主視圖如圖1所示，側(cè)視圖如圖2所示。該方案在小車外部增加了一套保溫室，形成中空結(jié)構(gòu)的腔體，在保溫室內(nèi)外封板間填充保溫材料，使內(nèi)部環(huán)境達(dá)到一定的保溫效果，外部車輪的墻板材料采用Q345E。在保溫箱下方設(shè)置起重機(jī)的開閉功能，通過電動(dòng)液壓推桿的伸縮帶動(dòng)固定座運(yùn)動(dòng)、進(jìn)而連帶滑門移動(dòng)，限位導(dǎo)軌對(duì)滑門兼具導(dǎo)向和限位作用，不僅能夠保證滑門開關(guān)的順暢度、同時(shí)控制其開啟寬度。當(dāng)處于低溫狀態(tài)時(shí)，起升機(jī)構(gòu)將吊鉤升到保溫箱內(nèi)，并關(guān)閉保溫箱下部移動(dòng)門，以保持箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了解決低溫運(yùn)行和存儲(chǔ)問題，我們對(duì)室內(nèi)的環(huán)境溫度和散熱做了具體設(shè)計(jì)。

2.1 散熱說明

假設(shè)環(huán)境溫度為-55 ℃，保溫層內(nèi)溫度為-10 ℃。電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車系統(tǒng)的散熱分為兩個(gè)部分：①聚胺酯保溫層自身熱傳導(dǎo)；②置于保溫層外的四端車輪表面熱傳導(dǎo)的熱量。

2.2 散熱計(jì)算

2.2.1 聚胺酯保溫層散熱

對(duì)于保溫層自身傳導(dǎo)到周圍環(huán)境中的熱量，這部分計(jì)算只考慮聚胺酯保溫層傳導(dǎo)的極限熱量，忽略保溫層與外界空氣隔熱的影響。單位時(shí)間散熱量Q1(W)由下式計(jì)算:

Q1=A1λ1(T0-T1)/δ.

(1)

其中：A1為保溫層外表面面積，取值35.1 m2;λ1為聚胺酯的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.023 W/(m·K)；δ為保溫層的厚度，取值0.05 m；T0為保溫層內(nèi)的溫度，T0=-10 ℃；T1為保溫層外部溫度，T1=-55 ℃。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得Q1=726.6 W。

2.2.2 四個(gè)車輪表面?zhèn)鲗?dǎo)散熱

此部分熱橋散熱為暴露在低溫環(huán)境下熱橋?qū)諝獾谋砻嫔?，假設(shè)熱橋的溫度與保溫箱中的溫度相同并保持恒定值不變。單位時(shí)間車輪散熱量Q2(W)由下式計(jì)算:

Q2=NA2λ2(T0-T1).

(2)

其中：N為車輪數(shù)量；A2為車輪熱表面的面積，A2=3 m2；λ2為車輪表面對(duì)空氣的散熱系數(shù)，λ2值與車輪的材質(zhì)、表面空氣流動(dòng)、表面是否有涂層有關(guān)，根據(jù)室內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)和表面油漆涂層情況，λ2取值為5.5 W/(m2·K)。

以上計(jì)算已經(jīng)考慮了小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)處熱橋的散熱面積。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得Q2=2 970 W。

1-保溫層;2-外封板;3-內(nèi)封板;4-加熱器;5-行走電機(jī);6-車輪外墻板;7-制動(dòng)器;8-起升電機(jī);9-卷筒組圖1 懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車主視圖

10-電動(dòng)液壓推桿;11-固定座;12-滑動(dòng)移門;13-限位導(dǎo)軌圖2 懸掛電動(dòng)卷?yè)P(yáng)小車側(cè)視圖

2.2.3 總計(jì)散熱

綜合考慮保溫層與熱橋散熱，系統(tǒng)的總計(jì)散熱量Q約為:

Q=Q1+Q2.

(3)

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)，計(jì)算得Q=3 696.2 W。

2.3 散熱保溫措施

(1) 由以上計(jì)算得知，車輪熱橋散熱是主要的散熱點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)下，車輪熱橋最主要的散熱為表面交換的熱量，故在熱橋處矩形梁表面進(jìn)行隔熱處理，以減少散熱面積。當(dāng)矩形規(guī)則面進(jìn)行聚胺酯表面隔熱處理后，散熱面積將減少至少一半，故熱橋散熱總量將減少至1 500 W以內(nèi)，系統(tǒng)總散熱將減少至2 300 W以內(nèi)。

(2) 由于電機(jī)軸是由梅花彈性聯(lián)軸器連接，中間有橡膠式梅花式彈性墊圈隔擋，故散熱能力比實(shí)際散熱面積小。

(3) 保溫層內(nèi)的系統(tǒng)可加裝800 W加熱器4只(已經(jīng)考慮備用)，為了能夠讓溫度均勻分布，加熱器分別在保溫層四周偏下部安裝。

(4) 電控箱內(nèi)散熱總量Q3由下式計(jì)算：

Q3=A3λ1(T0-T1)/δ.

(4)

其中：A3為電箱外表面面積，取值8.2 m2。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，計(jì)算得Q3=169.7 W。

為了保證電控箱內(nèi)溫度為10 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃情況下，在電控箱內(nèi)部增加1個(gè)400 W的加熱器，滿足電控內(nèi)元器件正常運(yùn)作的要求。

2.4 電氣加熱器件選擇

通過散熱計(jì)算，保溫層內(nèi)部選擇了基于高性能晶體半導(dǎo)體材質(zhì)的緊湊型加熱器，加熱器能夠在零下45 ℃到70 ℃之間穩(wěn)定運(yùn)行，加熱的溫度可以通過界面方便設(shè)定和監(jiān)控，該加熱器能夠滿足客戶環(huán)境下的使用要求，為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

加熱器的傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)保溫箱內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度到達(dá)預(yù)設(shè)的條件后，加熱器停止加熱，在溫度降低后再繼續(xù)工作，通過溫度控制監(jiān)測(cè)，可以有效延長(zhǎng)加熱器的壽命，防止持續(xù)加熱引起加熱器故障。

3 整體系統(tǒng)的驗(yàn)證

為了檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性及可靠性，我們聯(lián)合超低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，通過模擬實(shí)際工況環(huán)境下溫濕度交變對(duì)起重機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了起重機(jī)在極端環(huán)境下的加熱性能和保溫性能。

在實(shí)驗(yàn)中分別采用5個(gè)K型熱電偶來測(cè)量起重機(jī)表面的溫度，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)量電控箱內(nèi)部溫度、電纜卷筒溫度、起升電機(jī)溫度、小車電機(jī)溫度、保溫箱內(nèi)溫度，對(duì)這5個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行5次高低溫循環(huán)周期的測(cè)試，這5個(gè)循環(huán)周期內(nèi)在降溫和升溫過程中觀察熱電偶的溫度變化。在起重機(jī)外部達(dá)到零下40 ℃后，起重機(jī)內(nèi)部各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度情況如表1所示，并測(cè)試了保溫3 h后各測(cè)試點(diǎn)的溫度情況，每個(gè)小時(shí)的變化不超過1 ℃。

表1 采集的測(cè)點(diǎn)溫度

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀察可以得知，在零下40℃，起重機(jī)的外形結(jié)構(gòu)完好，運(yùn)行電機(jī)和起升電機(jī)均能在指定的溫度測(cè)點(diǎn)下正常工作。

4 總結(jié)

本文中設(shè)計(jì)的懸掛卷?yè)P(yáng)小車符合起重機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，通過了低溫環(huán)境下的測(cè)試，并在實(shí)際使用的情況下，進(jìn)行了幾個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試，保溫性能和穩(wěn)定性能均能滿足客戶的使用環(huán)境要求，得到了客戶的認(rèn)可，為我們?cè)诘蜏丨h(huán)境下起重機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。