低溫環境下懸掛電動卷揚小車的設計

方線偉，葛 兵，袁秀峰

(法蘭泰克重工股份有限公司，江蘇 蘇州 215211)

0 引言

通常情況下，起重機的使用環境要求溫度范圍-10 ℃～40 ℃，海拔高度1 000 m以下。當使用地點的環境溫度超過要求的范圍或海拔高于1 000 m時，需要考慮機械鋼結構的材料特性和電氣設備的使用情況，采取一定的措施保障起重機在特定的環境下能夠正常運行，一般采取替代材料和電氣元件降容使用。

當環境溫度低于起重機電機、制動器或其他電器元件正常工作的最低溫度時，將無法保證起重機正常運行，存在著一定的安全隱患。一般起重機用電機的最低使用環境溫度為-20 ℃，制動器最低使用環境溫度為-25 ℃，均無法在極端環境(環境溫度遠遠低于正常使用的最低溫度)下正常工作。

為了使起重機能夠在低溫環境下正常工作，我們采取給起重機進行保溫處理的方法，當環境溫度低于標準要求時，起重機自動運行加熱系統，使起重機運行的小環境達到各個設備機構使用的環境要求，保障起重機的正常運行。

為此，本文介紹一種低溫環境下的應對方法，并結合我司自主研發的電動卷揚小車，系統地闡述該產品機械和電氣設計時的解決方案。

1 懸掛電動卷揚小車結構設計

懸掛電動卷揚小車采用雙吊鉤形式，且雙鉤共用一個鋼絲繩卷筒，該小車要求的存儲環境溫度-60 ℃～+80 ℃，運行溫度-20 ℃～+40 ℃。設計的核心是在低溫環境下的儲存問題，即保障在低溫的環境下機械鋼結構不變形、電氣元器件不會被低溫凍壞。

懸掛電動卷揚小車主視圖如圖1所示，側視圖如圖2所示。該方案在小車外部增加了一套保溫室，形成中空結構的腔體，在保溫室內外封板間填充保溫材料，使內部環境達到一定的保溫效果，外部車輪的墻板材料采用Q345E。在保溫箱下方設置起重機的開閉功能，通過電動液壓推桿的伸縮帶動固定座運動、進而連帶滑門移動，限位導軌對滑門兼具導向和限位作用，不僅能夠保證滑門開關的順暢度、同時控制其開啟寬度。當處于低溫狀態時，起升機構將吊鉤升到保溫箱內，并關閉保溫箱下部移動門，以保持箱內的溫度穩定。

2 電氣控制系統設計方案

為了解決低溫運行和存儲問題，我們對室內的環境溫度和散熱做了具體設計。

2.1 散熱說明

假設環境溫度為-55 ℃，保溫層內溫度為-10 ℃。電動卷揚小車系統的散熱分為兩個部分：①聚胺酯保溫層自身熱傳導；②置于保溫層外的四端車輪表面熱傳導的熱量。

2.2 散熱計算

2.2.1 聚胺酯保溫層散熱

對于保溫層自身傳導到周圍環境中的熱量，這部分計算只考慮聚胺酯保溫層傳導的極限熱量，忽略保溫層與外界空氣隔熱的影響。單位時間散熱量Q1(W)由下式計算:

Q1=A1λ1(T0-T1)/δ.

(1)

其中：A1為保溫層外表面面積，取值35.1 m2;λ1為聚胺酯的導熱系數，取0.023 W/(m·K)；δ為保溫層的厚度，取值0.05 m；T0為保溫層內的溫度，T0=-10 ℃；T1為保溫層外部溫度，T1=-55 ℃。將相關參數代入式(1)，計算得Q1=726.6 W。

2.2.2 四個車輪表面傳導散熱

此部分熱橋散熱為暴露在低溫環境下熱橋對空氣的表面散熱，假設熱橋的溫度與保溫箱中的溫度相同并保持恒定值不變。單位時間車輪散熱量Q2(W)由下式計算:

Q2=NA2λ2(T0-T1).

(2)

其中：N為車輪數量；A2為車輪熱表面的面積，A2=3 m2；λ2為車輪表面對空氣的散熱系數，λ2值與車輪的材質、表面空氣流動、表面是否有涂層有關，根據室內使用經驗和表面油漆涂層情況，λ2取值為5.5 W/(m2·K)。

以上計算已經考慮了小車驅動電機處熱橋的散熱面積。將相關參數代入式(2)，計算得Q2=2 970 W。

1-保溫層;2-外封板;3-內封板;4-加熱器;5-行走電機;6-車輪外墻板;7-制動器;8-起升電機;9-卷筒組圖1 懸掛電動卷揚小車主視圖

10-電動液壓推桿;11-固定座;12-滑動移門;13-限位導軌圖2 懸掛電動卷揚小車側視圖

2.2.3 總計散熱

綜合考慮保溫層與熱橋散熱，系統的總計散熱量Q約為:

Q=Q1+Q2.

(3)

將相關參數代入式(3)，計算得Q=3 696.2 W。

2.3 散熱保溫措施

(1) 由以上計算得知，車輪熱橋散熱是主要的散熱點，在穩態下，車輪熱橋最主要的散熱為表面交換的熱量，故在熱橋處矩形梁表面進行隔熱處理，以減少散熱面積。當矩形規則面進行聚胺酯表面隔熱處理后，散熱面積將減少至少一半，故熱橋散熱總量將減少至1 500 W以內，系統總散熱將減少至2 300 W以內。

(2) 由于電機軸是由梅花彈性聯軸器連接，中間有橡膠式梅花式彈性墊圈隔擋，故散熱能力比實際散熱面積小。

(3) 保溫層內的系統可加裝800 W加熱器4只(已經考慮備用)，為了能夠讓溫度均勻分布，加熱器分別在保溫層四周偏下部安裝。

(4) 電控箱內散熱總量Q3由下式計算：

Q3=A3λ1(T0-T1)/δ.

(4)

其中：A3為電箱外表面面積，取值8.2 m2。將相關參數代入式(4)，計算得Q3=169.7 W。

為了保證電控箱內溫度為10 ℃，環境溫度為-20 ℃情況下，在電控箱內部增加1個400 W的加熱器，滿足電控內元器件正常運作的要求。

2.4 電氣加熱器件選擇

通過散熱計算，保溫層內部選擇了基于高性能晶體半導體材質的緊湊型加熱器，加熱器能夠在零下45 ℃到70 ℃之間穩定運行，加熱的溫度可以通過界面方便設定和監控，該加熱器能夠滿足客戶環境下的使用要求，為設備穩定運行提供保障。

加熱器的傳感器能夠實時檢測保溫箱內的溫度，當溫度到達預設的條件后，加熱器停止加熱，在溫度降低后再繼續工作，通過溫度控制監測，可以有效延長加熱器的壽命，防止持續加熱引起加熱器故障。

3 整體系統的驗證

為了檢測整個系統在低溫環境下的穩定性及可靠性，我們聯合超低溫實驗室進行了測試，通過模擬實際工況環境下溫濕度交變對起重機進行實驗，測試了起重機在極端環境下的加熱性能和保溫性能。

在實驗中分別采用5個K型熱電偶來測量起重機表面的溫度，5個測試點分別測量電控箱內部溫度、電纜卷筒溫度、起升電機溫度、小車電機溫度、保溫箱內溫度，對這5個點分別進行5次高低溫循環周期的測試，這5個循環周期內在降溫和升溫過程中觀察熱電偶的溫度變化。在起重機外部達到零下40 ℃后，起重機內部各個測試點的溫度情況如表1所示，并測試了保溫3 h后各測試點的溫度情況，每個小時的變化不超過1 ℃。

表1 采集的測點溫度

通過實測數據和現場觀察可以得知，在零下40℃，起重機的外形結構完好，運行電機和起升電機均能在指定的溫度測點下正常工作。

4 總結

本文中設計的懸掛卷揚小車符合起重機的設計標準和規范要求，通過了低溫環境下的測試，并在實際使用的情況下，進行了幾個月的應用測試，保溫性能和穩定性能均能滿足客戶的使用環境要求，得到了客戶的認可，為我們在低溫環境下起重機的設計提供了參考。