礦井膠輪車制冷控制系統的優化設計

李國勇

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司，山西 運城 043300）

礦用防爆膠輪車是煤礦井下輔助物料運輸的核心裝備，主要以防爆柴油機為動力；在工作過程中會產生大量的熱能，溫度升高導致膠輪車驅動機構的工作效率下降、齒輪磨損加劇、使用壽命降低。因此控制膠輪車防爆柴油機工作時溫度的恒定對于提升驅動效率、提高使用壽命具有十分重要的意義。目前防爆柴油機制冷系統主要采用柴油機驅動機械風扇制冷，不僅驅動效率低，無法進行降溫速度調節且存在著夏天降溫不夠、冬天降溫過多的現象，嚴重影響了膠輪車的正常運行。本文提出了一種新的礦井膠輪車制冷控制系統，以變速風扇和電控節溫器為控制核心，實現對制冷系統的靈活控制，滿足不同工況下的變溫控制需求。根據實際應用表明，新的制冷控制系統能夠將制冷效率提升24.7%，運行過程中的能耗降低17.2%，顯著提升了膠輪車的運行安全性和使用壽命。

1 傳統制冷系統缺陷分析

傳統膠輪車的制冷系統主要利用直驅式機械風扇進行通風散熱，柴油機運行風扇運行，柴油機停止風扇停止。風扇轉速恒定而且布置空間受限制較大，空氣流動性差，工作效率低下。冷卻系統采用了物理節溫器，反應速度慢、在節流系統中冷卻液的液流損失大、換熱效率低。由于煤礦井下多為高濕環境，氣流流速慢，因此膠輪車無法利用自然風進行輔助降溫，導致了在夏天時無法滿足高溫下的快速降溫需求，在冬天時系統的散熱量又過大，導致柴油機長期在低溫下工作，可靠性差，故障率高，控制系統結構見圖1。

圖1 傳統制冷系統結構

2 制冷控制系統優化設計

針對傳統膠輪車制冷系統采用柴油機驅動機械風扇制冷方式所存在的問題，本文提出了一種新的膠輪車制冷系統。該系統采用電動風扇供風、電控節溫器控溫，利用車載電腦（ECU）智能控制系統實現對電動風扇和電控節溫器的統一調節，該控制系統的整體控制結構見圖2[1]。

圖2 膠輪車制冷控制系統整體結構

為了滿足不同環境下的靈活控制需求，該控制系統采用了階梯式[2]的溫度控制方案。通過對不同溫度下防爆柴油機工作狀態的研究，提出了75°、89°、97°三個調節標準。

當冷卻系統內的冷卻液的溫度低于75°時表明膠輪車柴油機處在正常的工作溫度下，冷卻系統的電動風扇、電動節溫器和散熱器均處在非工作狀態下。當冷卻液的溫度超過75°時，智能控制系統發出降溫調節信號，控制電動風扇以低速檔進行降溫運行。當冷卻液的溫度超過89°時，表明柴油機已經處在高溫工作狀態下，會對驅動系統運行情況產生不利影響，因此控制系統將風扇調整至高速運行模式，加大對系統的降溫；同時系統啟動節溫器，將冷卻液送至散熱器，增加冷卻散熱面積，加快系統的散熱。當冷卻液的溫度超過97°時，傳動系統內的潤滑油潤滑、散熱效果將急劇下降，齒輪傳動效率和穩定性將受到嚴重的影響，因此系統將控制防爆柴油機停機運行，保證工作安全性。

3 制冷控制系統邏輯

膠輪車防爆制冷控制系統的控制邏輯相對比較復雜，需要滿足對冷卻系統和液壓系統內冷卻劑、液壓油工作溫度的精確監控，然后將其轉換為復雜的控制邏輯，滿足不同條件下的靈活控制需求。該制冷系統的控制邏輯見圖3[3]。

圖3 制冷系統控制邏輯

系統通過溫度傳感器對制冷系統中液壓系統油溫、柴油機的液溫進行連續不間斷的監測，將監測結果傳輸到信號放大器內進行信號放大處理；然后經過A/D轉換器進行數字信號轉換，最終傳輸到車載電腦控制系統中，經過預設邏輯對輸入信號的分析處理后輸出控制信號，對風扇運行和電動節溫器的運行狀態進行連續動態控制，滿足不同狀態下的靈活降溫、節能控制需求。

4 控制系統硬件結構設計

膠輪車在煤礦井下運行的過程中地質條件復雜而且其工作的環境條件惡劣，因此要求控制系統的硬件結構要能夠適應井下高濕、高塵的環境；同時為了滿足系統升級和擴展的需求，要求各個電控元件要具有很好的擴展性。經過多次驗證后，控制系統的硬件結構采用了全新的模塊化設計結構[4]，以車載電腦控制系統為核心，其他各個組成部分均通過模塊化的方式進行組合，各個端口全部采用了標準協議接口，滿足數據傳輸穩定性和可靠性的需求，同時滿足后續功能拓展的需求，該控制系統整體結構見圖4。

圖4 制冷控制系統硬件結構

為了對該制冷系統的應用效果進行驗證，以膠輪機為研究對象，對優化前后的降溫效果和能量消耗情況進行對比分析，結果表明新的制冷控制系統能夠將制冷效率提升24.7%，運行過程中的能耗降低17.2%，顯著降低了運行過程中的故障率，對提升膠輪車的運行穩定性和經濟性具有十分重要的意義。

5 結論

1）該膠輪車控制系統采用電動風扇供風、采用電控節溫器對溫度精確控制，利用車載電腦（ECU）智能控制系統實現對電動風扇和電控節溫器的統一調節，控制精度高、穩定性好。

2）采用階梯式溫度控制方案，能夠根據柴油機工作溫度的不同進行靈活的溫度調節控制，滿足不同狀態下的靈活降溫、節能控制需求。

3）新的制冷控制系統能夠將制冷效率提升24.7%，運行過程中的能耗降低17.2%，顯著降低了運行過程中的故障率，對提升膠輪車的運行穩定性和經濟性具有十分重要的意義。