姜小桃，郭建珠

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西太原045000；2.太原理工大學(xué)，山西030024）

淺談加強(qiáng)熱效應(yīng)設(shè)計(jì)在機(jī)電工程中應(yīng)用的必要性

姜小桃1，郭建珠2

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西太原045000；2.太原理工大學(xué)，山西030024）

機(jī)電工程實(shí)施過(guò)程中，熱效應(yīng)是一個(gè)不可回避的物理現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)熱效應(yīng)危害、治理基本策略的分析，認(rèn)為加強(qiáng)熱效應(yīng)設(shè)計(jì)在機(jī)電工程應(yīng)用和實(shí)踐中意義重大。

加強(qiáng)熱效應(yīng)設(shè)計(jì)可靠性機(jī)電工程

機(jī)電工程實(shí)施過(guò)程中熱效應(yīng)是一個(gè)不可回避的物理現(xiàn)象，熱效應(yīng)可直接導(dǎo)致變形甚至燃燒爆炸級(jí)的災(zāi)害，因此熱效應(yīng)問(wèn)題首要解決問(wèn)題就是其測(cè)量監(jiān)測(cè)問(wèn)題，其次其危害及控制問(wèn)題。機(jī)電工程實(shí)施過(guò)程中，熱效應(yīng)問(wèn)題是一個(gè)需要注重并且在實(shí)施過(guò)程中時(shí)時(shí)加以監(jiān)測(cè)的重要運(yùn)行質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)，其與設(shè)備運(yùn)行壽命，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性等指標(biāo)息息相關(guān)[1]。

1 機(jī)電工程熱效應(yīng)的主要體現(xiàn)形式及形成機(jī)理

1）機(jī)械相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致摩擦發(fā)熱。在潤(rùn)滑不佳情形下，發(fā)熱加劇，又對(duì)潤(rùn)滑和密封形成反壓態(tài)勢(shì)進(jìn)一步劣化潤(rùn)滑，加劇發(fā)熱，其體現(xiàn)形式是機(jī)械磨損加劇，潤(rùn)滑失效明顯。

2）電磁效應(yīng)必然導(dǎo)致電磁熱。電磁效應(yīng)必然存在損耗，損耗大部分導(dǎo)致發(fā)熱，該熱量由電磁能產(chǎn)生因此熱效應(yīng)躍升是指數(shù)形態(tài)發(fā)展，災(zāi)害發(fā)生時(shí)間短危害大是其基本災(zāi)害形式，發(fā)生時(shí)應(yīng)對(duì)時(shí)間短是其另一特色，不做事先必要專業(yè)培訓(xùn)和防護(hù)，災(zāi)難事所難免。

3）化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的熱效應(yīng)。本文特指機(jī)電工程中所涉及的各種化學(xué)電池等機(jī)電工程中常用的類似產(chǎn)品，該熱效應(yīng)常常被忽視，因?yàn)閷?duì)于機(jī)電工程而言僅作為輔助直流電能的這類電池確實(shí)能量微不足道，但是“星星之火可以燎原”這一道理體現(xiàn)在化學(xué)電池的危害上非常貼切，更因?yàn)槠浒l(fā)熱機(jī)理的不確定性，所以危害放大效應(yīng)在其危害過(guò)程中體現(xiàn)更為明顯和可怕。

4）核能發(fā)電導(dǎo)致的熱效應(yīng)。這里主要強(qiáng)調(diào)射線能量的累積，局部熱量的聚集效應(yīng)更加明顯，基因變異，器官損傷，“致人死地”于無(wú)形。

2 機(jī)電工程中熱效應(yīng)測(cè)試及防護(hù)基本方法

1）對(duì)溫度不敏感性系統(tǒng)一般采用熱累積效應(yīng)方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和管理。

2）對(duì)溫度敏感性系統(tǒng)采用溫度閾值法進(jìn)行測(cè)量和管理。

以上二者控制原理和測(cè)量精度是不同，前者是一種模糊控制方式，測(cè)量精度等級(jí)低，響應(yīng)時(shí)間短，對(duì)設(shè)備的保護(hù)性一般，用于不太精密的場(chǎng)合；后者是一種控制精度高，響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)設(shè)備的保護(hù)性好，用于較精密場(chǎng)合控制的先進(jìn)的熱效應(yīng)控制方法。系統(tǒng)熱效應(yīng)控制得當(dāng)對(duì)電氣、機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般起決定性的作用，電氣設(shè)備的熱效應(yīng)導(dǎo)致的直接后果是電氣絕緣等級(jí)的下降，機(jī)械設(shè)備熱效應(yīng)直接后果是潤(rùn)滑及密封部件質(zhì)量的不利影響，其最終結(jié)果是對(duì)機(jī)電工程裝備長(zhǎng)期穩(wěn)定性及壽命的劣化影響。

3 熱效應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)用機(jī)電工程系統(tǒng)實(shí)例

3.1 在小容量機(jī)電工程系統(tǒng)中熱效應(yīng)設(shè)計(jì)

在經(jīng)常、大量使用的機(jī)電工程系統(tǒng)中容量一般為15 kW以下電機(jī)容量系統(tǒng)中使用，瞬時(shí)過(guò)載、波動(dòng)量大、頻繁啟動(dòng)停止等原因造成熱效應(yīng)瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象非常突出，業(yè)界技術(shù)人員群策群力，實(shí)現(xiàn)了一種規(guī)避機(jī)電工程中主要器件損壞，又能容錯(cuò)熱效應(yīng)瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象，而且不影響機(jī)電工程設(shè)備正常使用的模糊熱效應(yīng)管理運(yùn)行模式——熱效應(yīng)累積效應(yīng)模式，缺點(diǎn)是多次瞬時(shí)熱效應(yīng)瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期壽命確實(shí)有較大影響。其工作原理圖如下頁(yè)圖1所示：熱繼保護(hù)工作原理圖，熱繼作為熱效應(yīng)檢測(cè)元件直接接到三相工作回路中。其輔助觸點(diǎn)：常閉輔助觸點(diǎn)接到控制回路中，當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱到一定程度時(shí)，熱效應(yīng)檢測(cè)元件動(dòng)作其常閉輔助觸點(diǎn)將打開(kāi)，控制回路中控制線圈將失電，控制主控回路中的接觸器將打開(kāi)，主用電回路處于斷路狀態(tài)，這樣由于運(yùn)行過(guò)程中熱累積超標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)了工作回路的斷開(kāi)，保護(hù)了設(shè)備因熱效應(yīng)導(dǎo)致的機(jī)電工程設(shè)備損害現(xiàn)象的進(jìn)一步延續(xù)。

圖1 熱繼保護(hù)工作原理圖

3.2 機(jī)電工程中電子儀器所用直流電池?zé)嵝?yīng)

iphone-5s無(wú)線通訊設(shè)備靠近熱源時(shí)，例如喝水杯外殼接觸到iphone-5s無(wú)線通訊設(shè)備機(jī)殼幾分鐘后，iphone-5s無(wú)線通訊設(shè)備就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入不工作狀態(tài)，熱源消失，系統(tǒng)繼續(xù)閉鎖一小時(shí)以后，iphone-5s無(wú)線通訊設(shè)備即進(jìn)入自恢復(fù)狀態(tài)，使用iphone-5s無(wú)線通訊設(shè)備時(shí)即可正常使用。這就是iphone-5s公司對(duì)系統(tǒng)用鋰電池設(shè)計(jì)的熱保護(hù)，如果有如此完善的保護(hù)電路和思想，三星Galaxy NOTE7自燃爆炸事件發(fā)生就不會(huì)發(fā)生，電池自燃爆炸事件是電池?zé)嵝?yīng)極端現(xiàn)象，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)熱累積量巨大，大的熱效應(yīng)產(chǎn)生巨大的變形動(dòng)力，所以爆炸，必須采用閾值法對(duì)電池?zé)嵝?yīng)實(shí)行管理。如圖2所示為化學(xué)電池?zé)嶙冃螌?shí)物圖，其發(fā)生原因僅為存電過(guò)程速度過(guò)快，沒(méi)有熱效應(yīng)保護(hù)造成的物理變形事例，實(shí)質(zhì)上化學(xué)電池存放電過(guò)程是一復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程其機(jī)理還有人類未掌握領(lǐng)域，所以我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)慎而慎之。

3.3 傳感器回路中串接限流電阻對(duì)傳感器及系統(tǒng)采集模塊的保護(hù)

圖2 化學(xué)電池?zé)嶙冃螌?shí)物圖

傳感器供電回路一般為直流24 V回路，但是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境相對(duì)苛刻，事故原因比較復(fù)雜，一般不僅造成傳感器損壞而且造成系統(tǒng)采集模塊的進(jìn)一步損壞，筆者通過(guò)增強(qiáng)熱效應(yīng)保護(hù)設(shè)計(jì)理念，在傳感器回路中串接一阻止位100Ω的電阻作為限流電阻使用，當(dāng)工作電流超越工作電流值時(shí)，限流電阻瞬時(shí)熔斷，作為保護(hù)器件斷開(kāi)傳感器上的熱效應(yīng)產(chǎn)生源，避免對(duì)傳感器的損壞，進(jìn)一步回避對(duì)系統(tǒng)采集模塊的損壞，如圖3所示為傳感器采集模塊熱效應(yīng)保護(hù)電路示意圖；如圖4所示為增強(qiáng)熱效應(yīng)保護(hù)設(shè)計(jì)前對(duì)傳感器采集模塊熱效應(yīng)損壞圖。

圖3 傳感器采集模塊熱效應(yīng)保護(hù)示意圖

圖4 增強(qiáng)熱效應(yīng)保護(hù)設(shè)計(jì)前對(duì)傳感器采集模塊熱效應(yīng)損壞圖

3.4 MCU系統(tǒng)熱效應(yīng)保護(hù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

MCU系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備發(fā)展的最新水平，其集成化和智能化水平極高，因此直接測(cè)量工作電流工作電壓的能力極強(qiáng)，計(jì)算和保護(hù)回路較好，這樣為熱效應(yīng)保護(hù)提供了新的模式和新的方式提供了可能，通過(guò)熱效應(yīng)安全值推算法提前預(yù)知系統(tǒng)過(guò)熱閾值，實(shí)現(xiàn)精確熱效應(yīng)控制，為我們?cè)鰪?qiáng)熱效應(yīng)保護(hù)設(shè)計(jì)在機(jī)電工程設(shè)備中的應(yīng)用提供了全新的理念和模式，值得我們借鑒和推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

熱效應(yīng)是機(jī)電工程裝備在運(yùn)行過(guò)程中必然的副產(chǎn)品，現(xiàn)在許多工業(yè)場(chǎng)合熱效應(yīng)的測(cè)量、測(cè)試及保護(hù)控制成為產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵，從設(shè)計(jì)思想上必須慎之又慎，在應(yīng)用上堅(jiān)持“熱累積效應(yīng)法”與“熱效應(yīng)閾值法”并重的原則，以增強(qiáng)熱效應(yīng)保護(hù)為突破口，實(shí)現(xiàn)機(jī)電工程裝備能可靠長(zhǎng)壽命工作的目的。

[1]Tony Kordyban.笑談熱設(shè)計(jì)[M].李波，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

（編輯：苗運(yùn)平）

On Necessity of Strengthening the Design of Thermal Effect in App lication of M echanical and Electrical Engineering

Jiang Xiaotao1,Guo Jianzhu2
（1.Shanxi Institute of Technology,Taiyuan Shanxi045000;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024）

In implementation process of mechanical and electrical engineering,thermal effect is an unavoidable phenomenon.Through the analysis of thermal effect harm and basic methods for governance of thermal effect, strengthening heateffectdesign in practice and application of electromechanical engineering is of great significance.

strengthening thermal effectdesign,reliability,electromechanical engineering

TU895

A

1672-1152（2017）02-0091-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.35

2016-12-20

姜小桃（1967—），女，山西陽(yáng)泉人，大專，助理實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)在山西工程技術(shù)學(xué)院從事實(shí)驗(yàn)室教學(xué)工作。