張 云

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司數控加工廠，四川成都 610092)

電氣控制柜越來越多地被安裝在環(huán)境比較惡劣的現場或機械設備附近，高溫、粉塵和水汽等嚴重影響了電氣控制柜的正常使用［1］。另外，電氣控制柜中越來越普遍的使用了大量的發(fā)熱元件。為了保證電氣控制柜中各元器件的正常工作，采用一定的散熱裝置來保證電氣控制柜的正常使用。常見的散熱方法一般是采用風扇、空調器、熱交換器等［2］。

惡劣的工作環(huán)境會對這些電子裝置的工作可靠性和壽命有較大的影響;當溫度峰值超過50℃、印制電路板之間的最熱點、冷凝物的形成和能導電的灰塵，所有這一切都使現代電子控制設備的中斷危險性增加和壽命縮短［3］。降低由于溫度以及粉塵、冷凝物等造成的設備損壞是現代設備設計的必要因素。

1 現有制冷系統(tǒng)綜述

現有大部分機床采用懸掛式空調制冷或風機制冷。普通制冷空調當采用風機進行內部空氣循環(huán)，在保證內部熱量分布均勻的情況下，利用鈑金制作的電氣柜熱傳導率為5～6 W/(m2·℃)，即利用1 m2的金屬表面，可以保證5～6 W發(fā)熱量的電氣柜保持在溫升1℃的范圍內。

懸掛式電氣柜空調制冷采用獨立結構，空調發(fā)生故障不影響機床正常加工，方便于更換新空調，制冷效果較好。制冷空調主要問題包含氣流短路、凝結水問題、氣流組織不合理［1］等，并由于制冷過程中需要從外部吸入空氣，在空氣過濾處使用過濾網，過濾網過濾不完全，且過濾網在3～5天內必須更換，成本較高。

利用風機制冷主要用于老式機床，以及無功率模塊的電氣柜，優(yōu)點在于成本低廉，方便維修更換，缺點制冷效果不佳，空氣伴隨粉塵進入電氣柜容易導致元件損壞。

2 集成水冷系統(tǒng)的設計

當前數控設備的水冷系統(tǒng)主要用于電主軸水冷，少數驅動電動機采用水冷模式。集成水冷系統(tǒng)是指數控設備中3類或3類以上的部件采用1個水冷裝置。集成水冷系統(tǒng)一般使用1個儲液箱，1個熱交換裝置，2個或2個以上的水循環(huán)電動機，提供多條冷卻管路滿足多個數控設備部件的冷卻。如圖1所示，為一個標準集成水冷裝置配置圖。圖1中采用2個水循環(huán)回路，分別供應主軸電動機制冷和電氣柜制冷，設定2個循環(huán)回路的目的在于可以分別控制制冷的啟動條件。如:在急停下需要電主軸制冷運行一段時間，可以單獨停止循環(huán)回路M2，延時停止循環(huán)回路M1，通過PLC根據用戶需求對各個部位冷卻水進行優(yōu)化，達到最好的制冷效果。

集成水冷系統(tǒng)采用統(tǒng)一制冷單元，便于維護，另在回水口設置多個流量開關檢測，監(jiān)測各個回路冷卻水流量。

3 集成水冷系統(tǒng)包含內容

集成水冷系統(tǒng)包含數控設備各種部件的制冷及控制，有常見的電主軸冷卻，坐標電動機冷卻，還有電氣柜以及功率模塊冷卻。集成水冷可以將循環(huán)水溫度控制到15～40℃范圍內，滿足數控設備所有部件的散熱要求。

3.1 電主軸水冷

電主軸發(fā)熱主要來源由兩部分組成，一是前后軸承的摩擦生熱，二是內裝式電動機的發(fā)熱［4］。電主軸水冷指的是根據電動機廠家提供的電主軸在額定轉速和最高轉速下需要的冷卻能力，合理配置水冷機，確保冷卻液進入主軸的入口溫度，通過調整流量，控制主軸運轉溫度，使主軸在穩(wěn)態(tài)下工作，實現高精度切削。內置電動機位于水冷系統(tǒng)中部，其功率損耗轉化為熱量加熱該區(qū)域。高速電主軸冷卻方式一般采用含添加劑的循環(huán)水，相應地配備管路和控溫裝置。冷卻液一般在電動機外殼的螺旋冷卻水道內循環(huán)，如圖2所示為某電主軸螺旋冷卻水道。

3.2 坐標電動機水冷

現代電動機普遍采用高的電磁負荷，達到了節(jié)省材料、縮小體積和減少占地面積的作用，但同時也帶來了電動機內產生的熱量過大，而散熱面積相對不足的問題。目前絕大多數異步電動機都采用以空氣為冷卻介質的冷卻系統(tǒng)，采用風扇強迫空氣流動來冷卻電動機。對于大功率、小體積或高速電動機才采用循環(huán)液冷卻。

相對空冷系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)而言，各有優(yōu)缺點。液體熱容量和導熱能力遠大于氣體，冷卻效果好，使電動機維持在一個較低的溫升水平，延長了絕緣壽命;液冷系統(tǒng)允許電動機承受的電磁負荷高，提高了材料利用率;此外液冷電動機損耗小，噪音低。但總的來看液冷技術比較復雜。液冷在結構上需要相應的冷卻液流通路和液冷結構部件，需要防止冷卻液滲漏，還要解決金屬腐蝕問題，提高了對電動機運行和維護的要求。

3.3 電氣柜水冷

電氣控制柜常常由于高溫、粉塵和水汽等的存在而影響其正常工作，更重要的是，現在的電控柜內電子元器件的發(fā)熱量越來越大，而電控柜的體積卻越來越小，因此采取合適的散熱方式以滿足電控柜內合適的溫濕度要求已經成為電控柜設計上必須予以考慮的一個重要環(huán)節(jié)。

電氣柜水冷主要原理是讓低溫冷卻水通過熱交換片，然后安裝風機將風通過熱交換片，將冷卻的風吹向電氣柜內部，通過氣流循環(huán)降低電氣柜整體溫度。由于電氣柜對溫度的要求相對于電主軸及功率模塊要低，故應根據電氣柜空間大小選擇合適的熱交換機。

3.4 功率模塊水冷

目前驅動模塊主要采用風冷形式制冷，風冷會導致粉塵堆積到散熱片，導致散熱片堵塞，需要定期清理散熱片才能達到良好的效果。水冷式功率模塊各大數控廠家均有產品，不過實際應用中使用較少。主要原理是冷卻水通過密封的散熱片，通過水循環(huán)的熱傳遞效果將功率模塊的熱量帶走，制冷效果好，不易堵塞。電氣柜水冷也提供了較低的溫度對功率模塊降溫，可以達到更好的控制溫度的效果。

4 集成水冷系統(tǒng)的優(yōu)勢及缺點

4.1 集成水冷系統(tǒng)優(yōu)點分析

(1)制冷效果

以IS200－150－400的清水離心泵為例，其配用電動機型號為Y280M－4的封閉式異步電動機，說明水冷與風冷計算過程。

Y280M－4的異步電動機，帶散熱肋型軸向通風。風冷系統(tǒng)風路由電動機風罩、外風扇和散熱筋等組成。冷卻空氣從電動機風罩入口吸入，經風扇旋轉增壓，從風罩出口噴出，經電動機散熱肋流動，逐漸減速擴散，吸收電動機的損耗熱。其氣冷冷卻系統(tǒng)計算如下:

①電動機放熱量P=5.97 kW;②冷卻風量Q=7.2 m3/s;③進風溫度t1=30℃;④出風溫度t2=34.5℃;⑤風扇消耗功率P=－3.4 kW;⑥機殼對空氣的溫度降A0=－7.2℃;⑦系統(tǒng)效率為76.7%。

改用水冷冷卻系統(tǒng)計算如下:

①電動機放熱量P=5.97 kW;②冷卻水量(20%裕度)q=0.15 m3/a;③進水溫度t1=30℃;④出水溫度t2=38.4℃;⑤水管消耗功率P=0.086 kW;⑥電動機對冷卻水溫降A0=－7.23℃;⑦系統(tǒng)效率為77.4%。

通過以上數據得知，水冷冷卻方式帶走的溫度更高，制冷效果與風冷相同，功率消耗更低。

(2)經濟分析

某臺設備使用集成水冷系統(tǒng)配備一套制冷機組，制冷機組中2臺泵，1個制冷單元，4個電氣柜及驅動模塊共計使用熱交換器6個，1個溫度控制系統(tǒng)，1個空氣過濾網。若使用水冷風冷分別制冷，需配備1臺電主軸用制冷單元，含1個泵，1個制冷單元，4個電氣柜使用4個懸掛式空調，驅動模塊使用渦輪風扇散熱，驅動模塊需要安裝散熱塊，空調獨立溫度控制，使用5個過濾網。

如以上備件分析，采用集成水冷能節(jié)約過濾網約4張/月，能耗根據功率核算比分別制冷低，

(3)隱性故障分析

采用懸掛式空調制冷，粉塵及油霧會隨空氣交換通過過濾網少量進入電氣柜內部，日積月累情況下會導致電氣元件、功率模塊等接觸不良，甚至短路燒毀。大功率電動機在機床內部風冷循環(huán)不暢，風冷風扇的老化或積垢，長期會導致電動機損壞。

集成水冷系統(tǒng)采用全封閉式水冷結構，對電動機、功率模塊等直接進行發(fā)熱元件制冷，穩(wěn)定可靠。在電氣柜內部采用熱交換方式，實現內部空氣循環(huán)，不與外界空氣交換，尤其適用于空氣較潮濕和粉塵較多的加工環(huán)境。

(4)維護保養(yǎng)

分離制冷有獨立的制冷單元，水冷制冷單元，懸掛式空調制冷單元，驅動風扇制冷，電動機風扇制冷，各單元有獨立的制冷部件，如果有損壞需要單獨維修。

集成水冷系統(tǒng)采用一個集成水冷循環(huán)及溫度控制系統(tǒng)，維修內容相對簡單。保養(yǎng)中清洗或更換部件更加方便集中，日常點檢也一目了然。

4.2 集成水冷系統(tǒng)缺點分析

(1)冷卻液泄漏

水冷系統(tǒng)需要做到良好的連接，盡量使用密封好的快速接頭，如冷卻液泄漏可能對電動機、電氣柜帶來大的損壞。在設計環(huán)節(jié)中應充分考慮到接頭的位置及配置。

(2)故障維修

在故障維修中，集中式水冷系統(tǒng)一旦出現問題，將造成整臺數控設備無法正常運行，需要及時完成維修才能恢復。零部件故障后水管拆卸較復雜。相對而言，分開制冷中空調可以單獨拆卸修理，驅動風扇制冷方便拆卸更換，維修性較好。

5 集成水冷系統(tǒng)的應用

在數控設備日常使用中，集成水冷系統(tǒng)故障率明顯較低。以2臺同時購買的新機床為例，某機床采用集成水冷系統(tǒng)，在3年使用期間每月更換一個過濾網，制冷效果良好，無任何制冷引起的報警，電氣柜內干凈無粉塵。另外一臺同采用分開制冷，每月更換過濾網4張;電氣柜空調故障1次;主軸風冷電動機由于粉塵和油霧堆積導致主軸電動機散熱不良而燒毀;電氣柜內部檢查有少量粉塵堆積。

制冷故障的發(fā)生原因較多，但是長期使用風冷必然造成風扇積灰，電氣柜污染，制冷風扇機械磨損等問題。日常的維修保養(yǎng)無法檢查到細微部件的質變，可能造成隱性故障。

集成水冷機床通過流量監(jiān)控每個回路的冷卻情況以及溫度情況，直觀地顯示機床制冷效果。集成水冷控制單元及核心部件安裝位置集中，便于維修。

6 結語

集成水冷系統(tǒng)已成功運用到高檔數控機床的設計和使用中，并在實際應用中降低了隱性故障的發(fā)生率，節(jié)約成本，便于維護，能達到良好的制冷效果。其穩(wěn)定性、維修性、集成性能滿足高檔數控機床使用要求。

［1］丁立君，吳俊云，顧克東.電控柜空調常見問題及分析［C］.中國制冷學會2009年學術年會，2009.

［2］顧克仁.電氣控制柜散熱方法的比較分析［M］.電氣制造，2006(2).

［3］馬瑜瑾.冷卻裝置在電氣控制柜中的應用［J］.機電工程技術，2004，33(12).

［4］孔祥志，李長英，王家興，等.內裝式電主軸冷卻方式的探討［J］.機械工程師，2011(1).