礦用設備水冷板承壓情況分析

安郁熙+尚衍飛+王麗玲

摘 要：在煤礦防爆變頻設備中，水冷板是通過帶走熱量保證器件在正常溫度下運行的至關重要的部分。在正常使用時，可能出現水冷板滲水、鼓等影響冷卻效果的現象。本文通過簡化建模進行有限元分析，從水冷板承壓、制造角度說明，如何布局水道才能更好的保證水道強度。

關鍵詞：防爆設備：水冷板；承壓能力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.109

1 引言

受煤礦工作環境影響，煤礦應用中大功率耗能設備多樣，特別是高電壓大功率電機、以及控制設備防爆變頻器等，為保證設備更長有效運行，設備在設計時往往采用水冷方式進行散熱。對于防爆電機而言，水冷水道形式一般為螺旋水道、折返水道（軸向平行水道）[2]；對于防爆變頻器而言，往往采用長方形水道結構形式。水冷板的設計主要考慮散熱，但需要根據實際情況滿足需求方供水系統壓力要求。因煤礦設備需要連續運行及使用條件限制，水冷板承壓能力設計時要比實際規定設計得更高一些。

2 計算分析

冷卻板水道的結構形式繁多，為便于實際加工及降低成本，建議礦用水冷板水道采用方形水道；本文暫只討論方形水道的相關情況，從而強度計算可簡化為“矩形外殼強度計算”[1，3]，本文不進行詳述。本文通過簡單的水道模型，進行水冷板的承壓能力分析。

因水冷板水道及焊板布局相同，故對水冷板模型進行了簡化，水冷板材料為Q235，對其中一部分水道進行有限元分析，如下圖1～4。

如按照圖紙焊接加工，理論保守分析在8.5Mpa壓力下，水冷板不會損壞。水壓達到8Mpa左右時，會超過材料的屈服強度，此時水冷板才會有較大的變形，長時間處在此工作狀態，會使變形無法恢復，可能會影響到直接固定在冷卻板上的功率原件，所以對直接固定在冷卻板上的功率元器件，平面度要求較高的，建議設計時此處不要超過材料屈服強度。

在制造過程中請注意以下幾點：

（1）建議焊接應使用二氧化碳氣體保護焊，與Q235材料匹配的焊絲應為40公斤級的焊絲；切勿使用焊條或低等級焊絲；

（2）焊接時蓋板需要周邊打破口，必須先打底焊接，才能保證與底板有很好得焊接熔合，從而保證焊接強度；

（3）保證中間焊接間隙至少為5mm，切勿過小；如果焊接加工工藝達不到，建議蓋板搭接2～3mm，焊縫幾乎可以熔透。

從上面數據可以看出，蓋板中間焊縫的有效長度越長，蓋板的承壓能力會越強；為了滿足設計4.5MPa承壓，水冷板厚度可以減薄。設計時需要根據實際要求及制造情況進行綜合考慮。

3 總結

礦用防爆電機及防爆變頻器，因制造成本及強度等要求，一般采用Q235、Q345等鋼材，長時間使用水道容易銹蝕或存有污垢，所以在定期的進行檢修維護或大修時，可以用弱酸或者特殊的清洗液對水道進行沖洗。雖然對于水冷板而言，為了更好的吸收散熱元件的熱量，水冷板越薄越好；但考慮到長期使用銹蝕后板厚變薄，在設計時在滿足散熱條件下，卻應該盡可能的設計厚一些，從而盡可能的延長設備使用壽命。我公司的產品被廣泛的應用于各大煤礦企業并得到客戶得認可，希望本文的分析研究可以對設計和制造有一定的指導借鑒作用。

參考文獻：

[1]安郁熙，王程程，崔煥鵬.礦用隔爆型電氣設備防爆殼體的輕薄化設計[J].煤礦機電，2016（01）.

[2]王麗芳.礦用雙速水冷電機得功率與結構[J].電機技術，2011（01）.

[3]錢松，倪春明.礦用隔爆型電氣設備的外殼強度設計探討[J].煤礦機電，2006（06）.

作者簡介：安郁熙（1983-），男，碩士，中級，工程師。endprint