無軌膠輪運煤車的加壓冷卻散熱系統設計

馬育華

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

短壁機械化開采工藝項目具有建設周期短、 出煤時效高、移動便利、機械化水平高和安全性高等優點，使無法布置或不易布置長壁綜采裝備的煤層塊段可進行合理開采和回收，尤其適合“三下”（建筑物下、鐵路下和水體下）開采、不規則塊段煤層開采和對殘采區煤柱進行回收等。 從而大大提高了煤礦資源回收率， 增加煤礦經濟效益、延長礦井的開采年限，也有利于保障礦井安全生產，促進煤炭行業的可持續發展[1]。

短壁機械化開采成套裝備主要由連續采煤機、 錨桿支護機、運煤車和破碎轉載機組成，運煤車作為重要成員之一， 主要負責將工作面破碎后的煤及時運輸至破碎轉載機，運煤車收放、拖曳電纜主要是采用液壓馬達驅動卷纜滾筒來進行，整車以交流電為動力源，擁有液壓轉向、液壓多盤濕式器制動器， 可實現短距離往復運行的膠輪運輸車輛，具有全輪驅動、運輸效率高、轉向方便、機動靈活、 轉彎半徑小等優點， 它除本身可承載煤塊進行行走外，還自帶有轉載運輸機，可自動卸載料斗里的煤塊。 運煤車研制對促進短壁機械化技術進步， 提升煤礦巷道采掘自動化起著非常重要的作用，因為井下環境的特殊性，對整車每個核心部件的可靠性都有較高的要求， 電氣系統里的防爆變頻器和防爆電機散熱設計是必須解決的關鍵技術之一。

本文主要對比了風冷和水冷方式的優缺點， 考慮了運煤車整體空間較小，零部件排布較密的實際情況，對整機進行了強制循環水路系統設計， 采用強制循環水冷卻散熱系統對電氣元部件進行冷卻的設計方案， 并對水冷電機和水冷變頻器的結構進行了設計排布， 通過現場安裝調試和井下工業性試驗， 驗證了該冷卻散熱系統設計滿足運煤車的運行需求， 該設計對其它類似設備的冷卻設計具有借鑒參考意義。

1 散熱方案的選擇

目前， 井下機械化開采設備主要以電能為主要動力源， 各種電元件尤其是電機作為一種高效快捷污染少噪音小的動力裝置已被廣泛的應用到各種裝備上， 電機在工作的過程中會產生大量的熱量， 產生的熱量如果不能及時排就會造成大量的熱能聚集， 熱能聚集到一定的程度就會造成電機的爆炸[2]。運煤車電氣系統主要發熱部件為電機和變頻器。針對煤礦井下防爆電機來說，閉式加壓冷卻方式一般主要有風冷和水冷兩種主要方式， 兩種方式各有優缺點。

1.1 風冷方式

風冷卻利用空氣流動帶走電機產生的熱量。 為了實現電機內部熱量的散失通常采用開放式的開有洞的電機殼通風或者使用風機向電機內部吹風， 冷空氣通過轉子線圈和定子中的通風溝， 使冷空氣與電機內部的熱空氣進行熱交換，從而帶走電機產生的熱量[3]，這樣的散熱形式有利有弊，雖然風冷系統具有結構簡單、價格低廉、安裝維護方便和運行可靠等優點， 但其自身的缺點也是非常多。 比如：

（1）冷風吹必然會造成煤塵的進入，而煤塵進入到電機內部是非常難清理的， 而且會對電機造成不可逆轉的影響，增加電機內部的磨損從而減少電機的使用壽命。

（2）風機通風會造成損耗大，導致電機效率低下。

（3）電機運行時噪聲比較大，尤其是在煤礦井下空間狹小、視線不好的環境里，會給駕駛司機帶來很大的安全隱患。

（4）整體體積較大，需要設備預留出更多的空間來安裝。

1.2 水冷方式

煤礦井下由于防爆等要求限制， 大多數電機進行內部封閉，由于安裝空間受限，要求體積越小越好，所以水冷電機在煤礦井下得到了一定程度的發展和應用。

水冷方式的優點有：

（1）能量密度大，在相同的技術參數狀態下，水冷電機比風冷電機的結構更加緊湊， 更適合設計用于狹小有限的空間里。

（2）高動態響應。較緊湊的結構設計使得電機能在全速范圍內的恒定高扭矩穩定性更好， 具有較高的動態響應能力[4]。

（3）水的比熱和熱傳導效率比空氣大許多，所以在同等接觸面積下，水冷卻的散熱能力更好。

同時，水冷電機也存在許多缺點：結構復雜，制造難度相對較大；對冷卻水的質量要求較高，如果水質不好或雜質較多時， 管道容易結垢而造成冷卻水道不通暢或者堵塞；對管道材料要求高，如果水道里存在腐蝕、堵塞等隱患，繼而會發生滲漏或局部過熱而使電機損壞，因此水路管道大多使用不銹鋼材料； 水接頭以及電機內部各密封處，會因承受水壓而發生漏水的隱患，進而造成漏電或短 路 的 風 險[5，6]。

比較分析了風冷與水冷的優缺點后， 水冷卻系統使得電動機的散熱問題得到了大幅度的改善， 電動機能夠較長時間在全功率狀態下工作， 更適合井下較為惡劣的工作狀況。同時，結合運煤車設備上附屬安裝的零部件較多，結構緊湊、空間較小的實際情況，決定采用水冷卻方式對電氣系統進行散熱處理。

2 水冷變頻器和水冷電機的設計

水冷方式散熱效果的好壞程度關鍵在于水路的設計是否合理，所以水流通道的設計非常重要。對整個系統來說，不僅要實現需冷卻元件的散熱良好，而且要考慮供水的壓力泵和對循環水進行熱交換降溫的管路元件， 盡可能減少相關部件的負荷。假如通道設計不夠合理，要么散熱效果不好；要么水路的進出水溫差和水壓差很大，就可能需要再設置外部冷卻設備進行配合作業， 會增加整個系統的重量和經濟成本[5]。所以水路設計要綜合考慮各種因素進行優化。

2.1 水冷變頻器的設計

通常的水冷卻方式有兩種： 一種是將散熱水管貼合在導熱板上或穿過散熱刺， 由于散熱水管與導熱板或散熱刺接觸不太緊密，造成冷卻效果不很理想；另一種是將功率元件的散熱部分直接泡在蒸餾水中， 但煤礦井下條件惡劣，不具備條件。

我們在設計變頻器散熱時，沒有采用慣用的散熱器，而是將功率元件IGBT 和整流管直接安裝在防爆結構的鋁散熱板上， 將作為防爆結構一部分的鋁散熱板與冷卻水直接接觸，從而加快鋁板和水的熱交換，達到功率元件直接與主散熱器進行熱交換，減少了導熱的環節，提高了導熱效率[6]。具體措施是將鋁散熱板的非元器件安裝背面開出水槽，增大了散熱面積，使鋁板水槽與水接觸，同時也可使水朝一個方向流動，實現散熱板較好的冷卻效果。除功率元件安裝面外， 不在隔爆殼內的其余面用鋼板包裹，鋼板與鋁板之間采用膠皮密封，防止滲水，進出水管接頭設計在鋼板上。鋼板包裹不僅滿足防爆的要求，而且檢修時可以揭開，便于清理鋁散熱板上的水垢。在外部水冷散熱的同時，變頻器殼體內部安裝兩個小風扇對吹，形成風流，目的是使散熱板各局部溫度均勻，同時加快內部空氣流動，增強散熱效率。

2.2 水冷電機的設計

目前水冷卻電機的結構主要有：機殼水冷卻、機殼加端蓋水冷卻以及機殼加端蓋加轉軸水冷卻三種形式。 其中機殼加端蓋水冷卻結構的冷卻效果比較明顯， 適合于采用軸向通風、滾動軸承的電機中，能夠有效對電機端部和外殼進行散熱， 同時對滾動軸承的使用壽命和工作可靠性都十分有益[7，8]。

考慮運煤車的實際空間緊湊情況，選擇機殼水冷卻設計，在電動機的定子機殼內嵌入水套，當水套中通有冷卻水時，冷卻水從進水口進入，循環流動于整個水套中， 同機殼內壁發生熱交換， 從而達到電機散熱的目的。 其中水套由外筒和內筒兩部分構成，內筒的外表面焊接有一條螺旋管路，形成單螺旋水路結構，進、出水口設置在電機后端，方便與水路管線進行安裝、檢修更換。 在水泵的壓力作用下，使得循環流動水不斷地將電機產生的熱量交換后帶走， 以達到對電動機進行冷卻的目的。

3 加壓冷卻散熱系統設計

研究分析了本設備的特性及其使用工況后， 決定采用加壓冷卻散熱系統。 閉式加壓循環水冷卻系統原理圖如圖1 所示，系統主要元件包括：水箱、過濾器、加壓水泵、截止閥及泄壓閥。 工作原理為：水泵由電機帶動進行工作，加壓水泵形成的負壓將水箱的水冷卻。

圖1 加壓冷卻散熱系統原理圖

首先由過濾器過濾后再吸入，以確保流入后續元部件時雜質較少。 高壓水分兩路分別進入變頻器、左電機以及右電機的水冷腔對元件進行冷卻，冷卻后的水回流至水箱，截止閥主要用來通斷各自水路、方便水路系統檢修維護，當系統水壓超過設定值時，高壓水通過泄壓閥泄荷至水箱。 水箱的高位處設計有透氣孔，可用來將水箱的壓力進行釋放，同時可進行補水；過濾器選擇Y型過濾器，方便濾芯的拆洗更換，節省維修時間和精力。

系統各元件經過設計計算和選型后， 現場組裝調試后均可長時間穩定運行， 經井下工業性試驗證實了該種水路冷卻系統滿足整機設計要求， 可使電氣系統中的防爆變頻器和防爆電機核心元部件及時得到冷卻， 保障其正常運行。

4 結語

此冷卻散熱設計研究主要在分析比較了水冷與風冷的優缺點基礎上，結合設備實際工作需求，對電氣系統核心元件采用加壓水冷卻散熱設計方案， 并對變頻器和電機的結構進行了設計說明。 整個冷卻系統的設計采用了簡單可靠的強制循環水冷散熱系統，當運煤車工作時，冷卻水不斷地流過變頻器與電機水冷腔， 通過循環水帶走熱量，從而對變頻器及電機進行及時、充分地冷卻，達到了預期效果，保證了電氣元部件工作的穩定正常，從而提升了整臺設備的可靠性。