一種高防護(hù)等級(jí)礦用電動(dòng)輪變流器的柜門密封形式

高俊峰，周志宇，張利軍，張國(guó)營(yíng)，付如愿，俞鵬程

（1.中國(guó)神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，鄂爾多斯 010300；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 412001）

引言

中國(guó)變流器市場(chǎng)目前正處于一個(gè)高速增長(zhǎng)的時(shí)期，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，目前已在在電力、冶金、造紙、石化、建材、油氣鉆采、市政、起重機(jī)械、紡織化纖、煤炭、電梯、軌道交通、船舶、暖通空調(diào)、風(fēng)電、食品飲料包裝機(jī)械等工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

面對(duì)繁多的應(yīng)用領(lǐng)域，變流器的使用環(huán)境必然復(fù)雜多變，同時(shí)基于其作為電氣設(shè)備的固有屬性，對(duì)變流器的可靠性提出了更高的要求。變流器設(shè)備是否能夠可靠的工作，除取決于電氣系統(tǒng)及其部件本身的可靠性之外，與產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性及設(shè)備的防護(hù)性能有著極其密切的關(guān)系。

礦用電動(dòng)輪變流器一般直接安裝在車輛走臺(tái)上，屬于露天環(huán)境，環(huán)境的溫度、濕度、灰塵等都對(duì)產(chǎn)品防護(hù)有點(diǎn)重大的影響。針對(duì)這種情況，本文提出了一種高防護(hù)等級(jí)變流器的柜門密封形式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，目前該密封形式已開始推廣應(yīng)用到礦用電動(dòng)輪變流器結(jié)構(gòu)中。

1 防護(hù)需求與問(wèn)題分析

1.1 IP65防護(hù)需求

目前礦用電動(dòng)輪變流器應(yīng)用場(chǎng)所粉塵或金屬粉末較多、污染較重及對(duì)防水要求較高，設(shè)計(jì)一種高防護(hù)等級(jí)的變流器成為一種必然[1]。礦用電動(dòng)輪變流器應(yīng)用環(huán)境中含有金屬粉塵等導(dǎo)電物質(zhì)。若其進(jìn)入變流器內(nèi)部，會(huì)對(duì)主電路電位間的電氣間隙和爬電距離帶來(lái)較大影響，甚至帶來(lái)災(zāi)難性后果。而柜門的密封是變流器防護(hù)的關(guān)鍵，為滿足這種應(yīng)用工況，本文設(shè)計(jì)了一種可達(dá)IP65高防護(hù)等級(jí)的變流器柜門密封形式，通過(guò)前期的理論計(jì)算、設(shè)計(jì)分析和后期試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、可靠，很好地實(shí)現(xiàn)了IP65防護(hù)功能。

目前國(guó)內(nèi)統(tǒng)一采用IP防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 4208-2008。IPXX表示設(shè)備防護(hù)等級(jí)，其中第一個(gè)X表示對(duì)固體異物的防護(hù)有IP0X～ IP6X共7個(gè)等級(jí)，表示從無(wú)防護(hù)到塵密級(jí)別；第二個(gè)X表示對(duì)水的防護(hù)有IPX0～ IPX8共9個(gè)等級(jí)，表示從無(wú)防護(hù)到垂直滴水再到各角度噴水直至達(dá)到潛水級(jí)別。

1.2 傳統(tǒng)密封形式

變流器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柜體結(jié)構(gòu)一般采用整體焊接或搭接的形式，為了維護(hù)的方便性，柜門結(jié)構(gòu)不可或缺，而正是這一結(jié)構(gòu)形式給柜體的整體防護(hù)效果造成了極大地效果，因此如何有效的進(jìn)行柜門密封是實(shí)現(xiàn)柜體防護(hù)的任務(wù)重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的柜門密封形式主要有2種：①面壓緊密封；②開槽嵌入密封。

1）面壓緊密封

如圖2所示，門板與柜體作為兩個(gè)配合平面，在其中一方安裝面上布置（一般用膠粘結(jié)）密封墊/發(fā)泡橡膠，選用合適壓縮量，另一方施力緊固密封。見圖1。

圖2 開槽嵌入密封形式、失效形式

這種方法密封效果直接由密封墊性能決定，并且受材料剛度、緊固點(diǎn)間距、壓縮變形量等影響較大[2]。一方面：若一方剛度不夠出現(xiàn)平面翹曲，而附近緊固點(diǎn)較遠(yuǎn)，則局部出現(xiàn)縫隙，造成密封失效；另一方面：金屬與橡膠材料間膠粘的連接模式，柜體為金屬材料，而密封橡膠普遍存在老化現(xiàn)象，因此極易出現(xiàn)密封條脫開開裂等問(wèn)題，此時(shí)面與面的配合方式將完全不能阻止灰塵與水的進(jìn)入，防護(hù)失效。故此種防護(hù)等級(jí)一般較低。

2）開槽嵌入密封

如圖2所示，在面壓緊密封的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在其中一方安裝面上設(shè)置專用槽，槽內(nèi)嵌入密封材料，另一方施力緊固密封。

開設(shè)專用密封材料安裝槽，使密封材料有效定位，并防止其脫落，此方法優(yōu)于直接面壓緊的方式，在各類產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛。但該方法仍無(wú)法避免直接面壓緊的配合模式，若密封材料出現(xiàn)回彈失效，或壓緊面水平度不足，則灰塵和水將直接經(jīng)由面與面間的失效間隙進(jìn)入柜體，密封失效[3]。

2 一種新型柜門密封形式

針對(duì)傳統(tǒng)密封形式存在的普遍問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高防護(hù)等級(jí)的柜門密封方式，主要通過(guò)密封結(jié)構(gòu)、密封材料、密封形式三個(gè)方面進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)[4]。

1）密封結(jié)構(gòu)：嵌套密封

結(jié)構(gòu)形式：在門板與柜體配合處，設(shè)計(jì)迂回結(jié)構(gòu)（見圖3），兩者相互嵌套，避免柜體內(nèi)外縫隙直通，增加水/塵進(jìn)入的行程及阻力，從結(jié)構(gòu)上保證密封效果。

圖3 新型密封形式（密封結(jié)構(gòu)、密封材料、雙重密封）

結(jié)構(gòu)量值：選用一種密封材料進(jìn)行試驗(yàn)分析（見圖4），該密封條壓縮量≤55 %時(shí)，回彈力與壓縮量之間呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)壓縮量＞55 %后，回彈力急劇變大?；貜椓τ砷T板提供，若門板剛度不足，回彈力過(guò)大極易造成門板變形密封失效。因此本文密封結(jié)構(gòu)壓縮量值根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證取值。

圖4 密封條回彈力與壓縮量試驗(yàn)及結(jié)論

2）密封材料：借鑒汽車行業(yè)

針對(duì)密封材料難固定、易脫落老化的問(wèn)題，借鑒了汽車行業(yè)車門密封的使用經(jīng)驗(yàn)。采用卡入式密封材料。

如圖3左2所示，密封條結(jié)構(gòu)由金屬骨架、裝卡部位、密封部位組成。金屬骨架結(jié)構(gòu)提升了安裝強(qiáng)度；“U型”安裝槽保證了密封條在工作狀態(tài)不出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；密封部位的空心結(jié)構(gòu)壓縮變形空間大，彌補(bǔ)了面部壓緊的門變形問(wèn)題。密封條對(duì)插入力及拔出力均有明確要求[2]，詳見表1。

表1 密封條性能要求

3）密封形式：雙重密封

結(jié)合嵌套式密封結(jié)構(gòu)，在迂回結(jié)構(gòu)的入口處和內(nèi)部正面配合處共兩處設(shè)置密封卡槽（圖3），安裝U型密封條，實(shí)現(xiàn)雙重密封。以確保在單層密封失效情況下，仍可為變流器提供高等級(jí)防護(hù)，可靠性提升一倍。

4）其它

緊固安裝方式：密封效果與配合面剛度密切相關(guān)；

現(xiàn)狀分析：目前變流器主要通過(guò)增設(shè)門鎖的方式（見圖5），實(shí)現(xiàn)門的多點(diǎn)固定，防止局部變形。此方法有3個(gè)明顯的缺點(diǎn)，首先門鎖的卡緊也是一種配合，間隙配合是常用方式，這個(gè)間隙的存在一定程度減少了密封材料的壓縮變形量，提高了局部失效率；其次門鎖一般安裝在密封條的內(nèi)側(cè)，鎖芯等結(jié)構(gòu)的存在使防護(hù)性能大大折扣，最后僅以固定為目的引入門鎖，成本過(guò)高。

圖5 門鎖固定方式、失效方式

本文采取了一種純機(jī)械式的安裝方法（見圖6），用螺栓緊固代替門鎖固定、從密封條內(nèi)側(cè)固定更改為外側(cè)緊固、內(nèi)部把手采用無(wú)縫隙的內(nèi)嵌式焊接結(jié)構(gòu)，最后合理的布置緊固點(diǎn)，保證門板有效密封。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化

基于以上的密封形式研究結(jié)果，我們?cè)诋a(chǎn)品中進(jìn)行了工程化應(yīng)用，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。

3.1 IP防護(hù)試驗(yàn)

試驗(yàn)分為防塵與防水兩次進(jìn)行。

IP6X防塵：在密閉的防塵箱中進(jìn)行（見圖7（a）），柜體內(nèi)部氣壓低于周圍大氣壓，用具為金屬方孔（金屬絲直徑50 μm，篩孔尺寸75 μm）篩濾過(guò)的滑石粉，用量2 kg/m3，抽氣速度為（40～60）V/h，試驗(yàn)2 h。試驗(yàn)效果如下圖，殼內(nèi)無(wú)明顯灰塵沉積，滿足要求，試驗(yàn)合格。

圖7 雙重密封試驗(yàn)

IPX5防水：φ6.3噴嘴（見圖3）、流量12.5 L/min、噴嘴距外殼表面距離（2.5～3）m、試驗(yàn)時(shí)間1 min/m2，總時(shí)間至少3 min（見圖7（b））。

針對(duì)本文密封結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了單層密封、雙重密封兩次試驗(yàn)。

單層密封試驗(yàn)：根據(jù)密封材料性能，密封材料壓縮量取8 mm，試驗(yàn)后，柜體無(wú)進(jìn)水現(xiàn)象，滿足試驗(yàn)要求，壓縮量取值合適。但需注意密封條首尾對(duì)接處，連接不當(dāng)可能會(huì)造成進(jìn)水，可將其設(shè)置在柜門下面，也可使用整條型密封條。

雙重密封試驗(yàn)：試驗(yàn)效果如圖7，無(wú)進(jìn)水現(xiàn)象，滿足試驗(yàn)要求。

3.2 高低溫試驗(yàn)

針對(duì)極端應(yīng)用環(huán)境，產(chǎn)品對(duì)硅橡膠、EPDM兩種應(yīng)用較為廣泛的密封材料進(jìn)行了耐高低溫（標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.1/2-2008）的試驗(yàn)（如圖8）。

圖8 高低溫試驗(yàn)

高溫性能試驗(yàn)：高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)溫度調(diào)至70 ℃，存放16 h保證產(chǎn)品熱平衡，之后打開柜門驗(yàn)證密封條狀態(tài)。

低溫性能試驗(yàn)：高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)溫度調(diào)至-40 ℃，存放16 h保證產(chǎn)品熱平衡，之后打開柜門驗(yàn)證密封條狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果：

1）高溫試驗(yàn)后，采用兩種密封條的柜門均打開正常，密封條壓縮、回彈及固定均無(wú)異常；

2）低溫試驗(yàn)后，可耐-40 ℃的EPDM密封柜門出現(xiàn)冷凍粘連，柜門施大力仍無(wú)法打開，恢復(fù)至環(huán)溫25 ℃且靜置24 h后方可打開。而硅橡膠在-40 ℃時(shí)柜門可正常開關(guān)，恢復(fù)至環(huán)溫后無(wú)異常。

3.3 試驗(yàn)分析

密封結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌忧短捉Y(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)IP65防護(hù)要求，但需重點(diǎn)關(guān)注密封條對(duì)接處，可將其放置在柜門底部，或采用整條密封材料避免接縫的存在。雙層結(jié)構(gòu)雙重保證，可有效降低密封失效率。

結(jié)構(gòu)量值：根據(jù)密封材料性能選擇合適的壓縮量，防止壓縮量過(guò)少造成的密封不嚴(yán)，或壓縮量過(guò)大柜門變形密封失效的問(wèn)題。

材料類別：在超低溫如≤-40 ℃時(shí)，優(yōu)先選用硅橡膠條，不易發(fā)生冷凍粘連問(wèn)題，密封可靠?；贓PDM優(yōu)良的機(jī)械性能，在非低溫要求場(chǎng)合，仍為優(yōu)先選用密封材料。

4 結(jié)論

本文針對(duì)變流器復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，提出了一種高防護(hù)等級(jí)的柜門密封形式，從密封結(jié)構(gòu)、密封材料、密封形式三個(gè)方面進(jìn)行了研究，分析了傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，通過(guò)材料試驗(yàn)求證出壓縮量與回彈力的關(guān)系，并在產(chǎn)品中進(jìn)行工程化應(yīng)用，并最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了密封形式的有效性。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果較優(yōu)，適合在高防護(hù)等級(jí)的工業(yè)屏柜中推廣應(yīng)用。