某電纜敷設機器人底部散熱優化分析

陳果　王倉平

摘要：電纜敷設機器人可以有效節省人力、提高纜線敷設效率。機器人工作時電機輸出功率很大，因此在機器人工作時會產生大量的熱量，導致局部溫度升高。高溫會嚴重影響電子元件的使用壽命和可靠性，增加故障率，因此對機器人進行熱分析和熱設計就顯得必不可少。本論述將某電纜敷設機器人底部進行模型簡化，通過數值計算的方法分析三種散熱方式的優劣，結果發現將機器人電源側開設強迫通風孔可有效提高散熱，且換熱量隨著風量的增加而增大。

關鍵詞：電纜敷設;散熱;數值計算

中圖分類號：TK11文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市建設、工業工程以及5G 技術的發展，電纜線被廣泛應用于各個領域。纜線敷設是一項費時費力的工作。通常情況下，地下纜線敷設有3 種形式：土壤直埋敷設、管道敷設和隧道敷設[1]。電纜敷設亦長期存在于核技術工程中，一般情況下，纜線敷設往往采用卷揚機帶動鋼絲繩牽引電纜的方式進行[2]，但這種方式并不完全適合所有作業工況。電纜敷設長度的增加和工況的復雜往往會使電纜損壞[3]。與此同時，纜線敷設過程中的穿纜、收纜等多種作業方式同時進行時需要投入大量人工，且人工作業時往往存在敷設效率低、敷設過程不受控、敷設不安全等缺點。電纜敷設機器人是應運自動控制技術，通過機械手對電纜線抓附，機器人拖動電纜在電纜橋架內行走，電纜到達指定位置后放置在電纜橋架內。電纜敷設機器人不受人為因素、環境因素的影響，機器人行走速度基本恒定，可實現電纜連續、穩定地敷設。同時采用電纜機器人進行電纜敷設僅需要幾人便可以完成350 m 電纜工程的敷設，而且敷設質量合格，電纜敷設效率相比人工提高了10倍以上。由此可見，使用電纜敷設機器人敷設電纜時有效率高、敷設過程可控、減少人力、提高安全系數、適用范圍廣等優點。

工程機器人散熱問題往往會影響設備的正常運轉，根據有關數據統計，電子產品的失效事故中，大約有 55%是由于高溫引起的，而且電子元件工作溫度每上升10 K，其平均工作壽命就會減少大約一半[4]。因此散熱問題是電纜敷設機器人設計時必須考慮的因素。風冷和水冷作為主要冷卻方式廣泛應用于各個機械設備中。電纜敷設機器人的散熱設計主要考慮對流強化傳熱，以強迫風冷的形式提高其換熱量。強迫風冷技術廣泛應用于電子散熱等領域，通常以風扇的形式實現散熱。孫柯[5]設計了核救災機器人熱防護系統，并對機器人的熱防護設計的適用性及經濟性進行了評估。

本論述以某電纜敷設機器人的底部散熱設計為研究背景，機器人底部為主要發熱部位，為此簡化出電纜敷設機器人底部散熱模型，為其設計3 種強迫風冷方案，采用數值計算的方法進行驗證，確定最優方案，為電纜敷設機器人散熱系統設計提供理論依據。

1 物理模型與假設

由于電纜敷設機器人發熱元件均在底部，故將其底部模型簡化，從而進行底部散熱優化。為簡化計算過程，節約計算資源，對底部模型進行簡化，簡化時刪除小特征零部件、倒角、圓角及螺栓等對流場影響較小的特征，同時保留主要幾何特征，使機器人底部內流場基本不改變。電纜敷設機器人底部物理模型如圖1 所示，長1 700 mm、寬800 mm、高510 mm，其中在機殼里包含的發熱元件主要有1 個鋰電池、4個電機和1 個電源。需要指出的是，機器人發熱部件遠比上述部件多，部分發熱原件位于機器人外部如驅動電機等，此模型僅考慮底部流場內的散熱問題，忽略外部發熱源以及內部微小發熱源。

底部冷卻設置采用強迫風冷技術進行散熱，為提高冷卻效率。現提出三種強迫風冷方案。方案一：鋰電池上方進口進風;方案二：安裝電源側進風;方案三，機器人尾部正上方機殼開進風孔。三種方案對應進風口的示意圖如圖2 所示。三種方案進風口的面積相等，均為0.0314 m2。將底部上表面的開口進行密封處理，單獨研究機器人底部內流場結構。

2 控制方程及邊界條件

底部流體工作介質為空氣，假定底部內流場的流動為穩態的、無粘性耗散的。湍流的控制方程表示如下：

其中 q 為總換熱量，q1 、q2 分別為出口1 和出口2 出流流體帶走熱量，單位 W;m1 、m2 為出口1 和出口2 的質量流量，單位 kg/s;T1 、T2 為出口1 和出口2 流體的平均溫度，單位℃;T0 為進口平均溫度，單位℃;Cp 為空氣的比熱容，單位 J/（kg?K）。

邊界條件：進口為速度進口（velocity-inlet），將質量流量根據進口面積和密度換算為速度;進口的空氣溫度為25℃;出口為壓力出口（pressure outlet）邊界，鋰電池、電源、發熱電機為機器人底部主要熱源，假設其表面溫度恒定為75℃，各部件材料的物性參數見表1 所列。

3 數值計算

3.1 數值計算方法與網格獨立性考核

纜線機器人底部散熱模型在進行 CFD 仿真時采用 SIMPLE 算法作為壓力速度耦合求解器，動量項、湍動能項、湍流耗散項、壓力及能量項均采用二階迎風格式以保證計算精度，梯度項采用最小二乘單元法，能量方程和其他方程的殘差值設置為10-6。湍流模型選取 k-ω SST 模型。網格劃分采用四面體網格，網格結構如圖 3所示，網格數量對于計算結果的影響即網格獨立性仍需考核，當風量為0.231 kg/s 時，對于方案一的散熱模型，不同網格數量下總換熱量的變化及算數平均誤差見表2 所列，可以發現隨著網格數量的增加，算數平均誤差不超過6%，因此網格對于計算結果的影響較小，為平衡計算機資源，選擇網格數量為100萬左右進行數值計算。

3.2 結果討論

對上述3 種散熱方案進行數值計算，以評價3 種方案的優劣。圖4 （a）為出口1 換熱量隨著總質量流量的變化過程，發現方案二對應的出口1 的換熱量優于方案三，且優于方案一;圖4（b）為出口2換熱量隨著總質量流量的變化過程，可以發現方案二對應出口2 的換熱量在流量較低時優于方案一，而在流量為0.348 kg/s 時，方案一優于方案二，出現這種情況的主要原因在于隨著流量的增大，方案一對應的出口2 的流量增大，這與內部氣流渦旋有關。綜上可見，對于兩個出口，方案二均優于方案三和方案一;就方案一和方案三對比而言，方案一使更多熱量從出口2 流出，方案三使更多熱量從出口 1流出。

圖5 為總換熱量隨質量流量的變化，可以發現隨著流量的增大，總換熱量在逐漸增大;方案二的總換熱量大于方案一且大于方案三，由此可見在進口風量相同的前提下，對比三種方案只改變通風口位置時，將開口位置設在電源側時，其換熱量最高，因此方案二為最優方案。

為了進一步研究方案二對于機器人底部散熱的強化傳熱過程，圖6 展示了流量為0.308 kg/s 時方案二對應的流線圖。由于電源與底部的兩個電機均為熱源且距離相近，強迫通風進口垂直流向電源及兩個電機可有效增強對流換熱，流速減小的同時流體沿著兩側流出并將熱量帶走。同時部分風量流經背面另外兩個電機，以達到強化傳熱的效果。由此可見，將進風口布置于發熱元較多的一側完全合理可行。

圖7 為方案二的模型在 x=-590 mm、x=-400 mm、 x=-200 mm、x=0 mm、x=200 mm、x=400 mm、x=600 mm、 x=800 mm 截面處的溫度云圖分布，此時對應的進口質量流量為0.308 kg/s 。從溫度云圖可以看出，將進風口設置在電源側時，空氣從進風側流入兩側及背面之前與發熱電源及電機產生熱交換使得空氣被加熱，因此進風側空氣的溫度低，流至背側的空氣被加熱，溫度相對較高。為了清楚地顯示溫度分布，將溫度云圖的標尺定為 300 K 至320 K，實際標尺為298.15 K 至348.15 K 。被加熱的空氣均勻地從兩側出口流出，由此可見，方案二使空氣盡可能均勻地被加熱后從兩側排出，其換熱量大大增強。

4 結論

本論述對于某電纜敷設機器人底部散熱提出三種強迫冷卻方案，通過數值計算的方法進行分析，得出以下結論：將強迫通風進口位置定于電源側（方案二）為最優方案，此時機器人底部出口風量帶走的熱量最多，方案一次之，方案三的總換熱量最小。但無論何種方案，總換熱量隨著進口風量的增加而增大。

參考文獻：

[1] 王雅妮，張洪亮，吳建東，等.不同敷設方式下高壓直流電纜溫度場與電場仿真計算研究[J]. 絕緣材料，2017（7）：71-78.

[2] 張巖. 超高層建筑電纜垂直敷設綜合施工技術[J]. 建筑技術，2012（2）：136-138.

[3] 張華.海淀500 kV 電纜工程的技術研究與應用[D]. 北京：華北電力大學，2014.

[4] 戴宗寶. 仿人機器人用多路集成伺服驅動系統散熱建模及優化[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[5] 孫柯. 核救災機器人電子器件熱防護系統研究[D].上海：華東理工大學，2017.