極端環(huán)境下三臂鑿巖臺(tái)車電氣散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵濟(jì)舟

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

2019 年以來(lái)，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)集中度進(jìn)一步提高，龍頭企業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，市場(chǎng)逐漸向規(guī)模大、實(shí)力強(qiáng)的企業(yè)靠攏；且各企業(yè)產(chǎn)品之間開始相互滲透，競(jìng)爭(zhēng)程度有加強(qiáng)的趨勢(shì)。國(guó)際方面，我國(guó)部分工程機(jī)械企業(yè)已經(jīng)初步具備了成為全球頂級(jí)工程機(jī)械制造商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)隨著“一帶一路”工作的推進(jìn)，我國(guó)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有望進(jìn)一步增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)方面，隨著鄭萬(wàn)鐵路、宜興鐵路和川藏鐵路項(xiàng)目的施工和啟動(dòng)，給工程機(jī)械裝備的發(fā)展帶了更廣闊的發(fā)展空間。

目前多數(shù)情況下電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按照2000 m 海拔的使用環(huán)境和條件設(shè)計(jì)的，但在高溫、低溫、高濕度和粉塵等極端環(huán)境下時(shí)，由于元器件局部高溫、系統(tǒng)散熱差、柜體凝露、柜體粉塵污染嚴(yán)重等問(wèn)題，造成裝備在施工過(guò)程中，出現(xiàn)元器件老化、放電、短路或柜體起火等故障，影響產(chǎn)品的正常施工，降低了工程施工效率和施工進(jìn)度，給裝備生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了嚴(yán)重影響。

對(duì)于全電腦三臂鑿巖臺(tái)車ZYS113 應(yīng)用于以上極端環(huán)境可能存在的故障，除了相關(guān)元器件的選型之外，柜體的防護(hù)和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)也同樣重要，本文將從柜體散熱、除濕和防冷凝方面對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其具有更廣泛的地域適應(yīng)性。

1 散熱方案設(shè)計(jì)

由于三臂鑿巖臺(tái)車電控系統(tǒng)是安裝在整機(jī)覆蓋件內(nèi)部，電控柜為鋼板焊接而成，其尺寸為3580 mm×840 mm×630 mm，設(shè)備施工環(huán)境溫度60 ℃，柜內(nèi)元器件熱量約800 W，在不考慮太陽(yáng)輻射的情況下，僅依靠外殼散熱，根據(jù)公式P=K×A×ΔT，可得內(nèi)外溫差ΔT=12.6 ℃。其中，P 為散熱功率，K 為散熱系數(shù)（這里取K=5.5 A）。

柜體要達(dá)到散熱效果，柜體內(nèi)外溫差要達(dá)到12.6 ℃，由于柜體具有良好的熱傳導(dǎo)效應(yīng)及60 ℃的環(huán)境溫度，電控柜內(nèi)即箱柜內(nèi)溫度為72.6 ℃，超過(guò)了大部分器件穩(wěn)定工作的溫度范圍。當(dāng)戶外工作時(shí)，太陽(yáng)輻射使覆蓋件溫度會(huì)達(dá)到70 ℃或更高，最終柜體內(nèi)的運(yùn)行溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越各元器件穩(wěn)定運(yùn)行溫度。

通過(guò)以上分析，裝備要在高溫等環(huán)境下運(yùn)行，柜體必須采取良好的散熱系統(tǒng)，常用散熱系統(tǒng)有風(fēng)機(jī)散熱和空調(diào)散熱。風(fēng)機(jī)散熱使內(nèi)外空氣流通，無(wú)法做到良好的防塵，由于環(huán)境溫度高和柜體熱傳導(dǎo)等問(wèn)題，使散熱效果不佳。在其他裝備中采用過(guò)風(fēng)機(jī)散熱，柜內(nèi)污染嚴(yán)重，故障頻繁發(fā)生。隨著環(huán)境溫度的升高，空調(diào)散熱效果明顯下降，這就需要使用更大功率的空調(diào)，同時(shí)由于冷凝水處理、尺寸、供電、成本要求等因素，空調(diào)散熱系統(tǒng)無(wú)法在三臂鑿巖臺(tái)車上使用。

為解決特殊環(huán)境下電控系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，本項(xiàng)目采取將控制系統(tǒng)的環(huán)境與外部環(huán)境相隔離的方案，通過(guò)環(huán)境隔離，還可以減少粉塵污染，更容易進(jìn)行控制系統(tǒng)小環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)和除濕操作。

具體方案設(shè)計(jì)如下：

（1）電控系統(tǒng)柜內(nèi)部敷設(shè)隔熱層，用隔熱層減小或阻斷內(nèi)外環(huán)境的熱交換，停機(jī)時(shí)減緩柜內(nèi)溫度降低速度，降低冷凝概率；

（2）散熱系統(tǒng)采取引入半導(dǎo)體冷板技術(shù)[1]：半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1 cm3的制冷器；重量輕，微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數(shù)克；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪聲，無(wú)液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過(guò)載條件下，能夠正常地工作；通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小，可調(diào)節(jié)制冷速率；通過(guò)切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長(zhǎng)且易于控制（圖1）。

圖1 半導(dǎo)體散熱器

充分利用半導(dǎo)體可調(diào)節(jié)制冷及加熱兩用特性，通過(guò)檢測(cè)柜內(nèi)溫度及濕度，對(duì)柜體進(jìn)行加熱、散熱，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，并達(dá)到除濕效果，散熱器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冷凝水排放口，可以有效排放散熱器產(chǎn)生的冷凝水[2-3]。

2 系統(tǒng)控制

為了能更好地控制散熱系統(tǒng)，鑿巖臺(tái)車上充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)電氣控制柜內(nèi)的EPEC3724控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)柜體溫度和濕度的檢測(cè)，并通過(guò)4 個(gè)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)電源的正接、反接和可連續(xù)調(diào)壓，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)（圖2）。

圖2 散熱器控制系統(tǒng)功能

散熱器具有3 種工作狀態(tài)，分別為制冷散熱、除濕和加熱，EPEC控制器通過(guò)傳感器反饋的柜內(nèi)濕度和溫度，控制散熱器實(shí)現(xiàn)3 種模式的切換，達(dá)到柜體散熱和除濕的功能。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)環(huán)境溫度和凝露點(diǎn)溫度之差[4-5]，確認(rèn)系統(tǒng)是處在制冷散熱模式還是處在除濕模式，避免柜體因降溫而使元器件或安裝板表面產(chǎn)生冷凝水，當(dāng)溫度處在冷凝點(diǎn)附近時(shí)，降低散熱速度，使散熱器處在除濕狀態(tài)，降低柜體內(nèi)部空氣濕度，達(dá)到一定閾值后再進(jìn)行制冷散熱。停機(jī)狀態(tài)下，通過(guò)加熱和除濕兩種模式調(diào)節(jié)柜體溫度，當(dāng)柜體的濕度達(dá)到一定閾值后，進(jìn)入除濕模式，否則散熱器工作在加熱模式，減緩柜體散熱速度，避免柜體內(nèi)部冷凝[6-8]。程序控制框圖如圖3 所示，其中t 為環(huán)境溫度、t1為凝露點(diǎn)溫度。

圖3 散熱系統(tǒng)程序控制

3 工地現(xiàn)場(chǎng)使用效果

目前，4 臺(tái)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車ZYS113 在中土集團(tuán)阿聯(lián)酋分公司工地施工，對(duì)工作中的鑿巖臺(tái)車電控柜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。其中，條件1 為“關(guān)閉散熱器，設(shè)備運(yùn)行30 min后各部件溫度”；條件2 為“設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，打開散熱器，打開覆蓋件，10 min 后各部件溫度”。

表1 電氣柜溫度測(cè)試表

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，電氣控柜內(nèi)部鋪設(shè)保溫層達(dá)到了很好的保溫效果，減慢了柜內(nèi)外的熱傳導(dǎo)速度，有效降低了外部高溫對(duì)電控系統(tǒng)的影響。當(dāng)不使用半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)工作1 h 后，安裝板溫度達(dá)到58 ℃，控制器溫度達(dá)到68 ℃，開關(guān)電源達(dá)到75 ℃，而半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)開啟后，可以實(shí)現(xiàn)良好的降溫效果，使柜體溫度控制在54 ℃附近，控制器溫度降到64 ℃，開關(guān)電源溫度穩(wěn)定在68 ℃，鑿巖臺(tái)車連續(xù)工作3 h，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到了穩(wěn)定，驗(yàn)證了柜體的冷卻散熱功能的有效性。參照關(guān)鍵元器件工作溫度范圍，開關(guān)電源超出額定工作溫度，按降容后計(jì)算滿足臺(tái)車正常使用，其余器件均在器件的額定工作溫度范圍內(nèi)。

從開始施工至施工完成6 h 內(nèi)，每隔1 h 觀察柜內(nèi)安裝板和元器件凝露情況，開始施工3 h 后施工完成，整個(gè)過(guò)程中柜體內(nèi)安裝板和元器件無(wú)凝露現(xiàn)象，散熱器冷凝水排放口有冷凝水排出，說(shuō)明系統(tǒng)防冷凝功能正常。

電氣控制柜內(nèi)干凈整潔，內(nèi)部基本無(wú)灰塵，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)柜體與外界的環(huán)境隔離后，很好的阻斷了粉塵對(duì)電氣控制柜的污染。

目前4 臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車總共運(yùn)行560 h，開挖320 m 隧道，至今4 臺(tái)設(shè)備未發(fā)生由于電氣系統(tǒng)高溫而發(fā)生的故障，4 臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車的穩(wěn)定運(yùn)行得到了客戶的充分肯定。

4 結(jié)論及展望

工地實(shí)際施工證明，在高溫和粉塵環(huán)境下，全電腦三臂鑿巖臺(tái)車ZYS113 采取柜內(nèi)外環(huán)境的隔離和半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)，能很好的實(shí)現(xiàn)降溫及防冷凝，有效阻斷粉塵造成的電氣控制系統(tǒng)污染。

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司的施工裝備近年來(lái)已經(jīng)在俄羅斯、印度、伊朗、阿聯(lián)酋和韓國(guó)等國(guó)家進(jìn)行了使用，以后施工裝備使用的地域會(huì)進(jìn)一步拓展，以及2021 年開始的川藏鐵路項(xiàng)目。由于使用地區(qū)的環(huán)境溫度及海拔高度不同，所以對(duì)電控系統(tǒng)提出了不同的要求，如俄羅斯地區(qū)要求適應(yīng)低溫環(huán)境、阿聯(lián)酋要求電控系統(tǒng)適應(yīng)高溫環(huán)境、韓國(guó)等沿海國(guó)家要求防鹽霧措施以及川藏地區(qū)要求電控系統(tǒng)適應(yīng)高溫、高濕和高海拔環(huán)境。對(duì)于常規(guī)電控系統(tǒng)，嚴(yán)格限制了裝備的使用范圍，而以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的電氣控系統(tǒng)提高隧道施工裝備在該領(lǐng)域的環(huán)境適應(yīng)性和使用的可靠性與耐久性。該電控系統(tǒng)的使用，為特種裝備產(chǎn)品適應(yīng)更廣泛的區(qū)域奠定了基礎(chǔ)。