閻志偉

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

短壁機械化開采具有建設(shè)周期短、 出煤快、 機動靈活、機械化程度高、效率高和安全性好等優(yōu)點，使不易或無法布置長壁綜采工作面的煤層塊段得到合理開采和回收，特別適合于“三下”開采、不規(guī)則塊段開采和殘采區(qū)回收煤柱等。從而提高了資源回收率，延長了礦井的使用壽命，有利于保障礦井安全，進煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

短壁機械化開采成套裝備主要由連續(xù)采煤機、 錨桿支護機、運煤車和組成，運煤車作為主要組成部分，主要負責(zé)將工作面破碎后的煤及時運輸至皮帶運輸機， 運煤車是采用卷纜滾筒收放拖曳電纜，以交流電為能源，液壓轉(zhuǎn)向、液壓多盤濕式安全制動的短距離膠輪運輸車輛，具有全輪驅(qū)動、生產(chǎn)能力大、效率高、轉(zhuǎn)向方便、機動靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小、四輪轉(zhuǎn)向等特點，它除本身行走外，還裝有轉(zhuǎn)載運輸機，能夠自動卸載料斗里的煤塊。它的研制對促進我國短壁機械化技術(shù)進步和煤礦巷道掘進的機械化有著非常重要的作用，由于工作環(huán)境的特殊性，對其工作的可靠性也有較高的要求， 電氣系統(tǒng)里的防爆變頻器和防爆電機散熱設(shè)計是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文主要對比了風(fēng)冷和水冷方式的優(yōu)缺點，考慮了運煤車整體空間較小，零部件排布較密的實際情況，對整機進行了強制循環(huán)水路系統(tǒng)設(shè)計，采用強制循環(huán)水冷卻散熱系統(tǒng)對電氣元部件進行冷卻的設(shè)計方案，并對水冷電機和水冷變頻器的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計排布， 并進行現(xiàn)場安裝調(diào)試， 驗證了該冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計滿足了運煤車的實際需求，對其它類似設(shè)備的冷卻設(shè)計具有借鑒參考價值。

1 散熱方案的選擇

目前，針對煤礦井下防爆電機來說，強制冷卻方式一般主要有風(fēng)冷和水冷兩種主要方式，兩種方式各有優(yōu)缺點。

1.1 風(fēng)冷方式

風(fēng)冷卻利用空氣流動帶走電機產(chǎn)生的熱量。 一般電機均采用密閉通風(fēng)，將電機空間加以密閉，密閉空間包含一定體積的空氣， 利用安裝在電機轉(zhuǎn)子上的散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)壓，強迫空氣流動，冷空氣通過轉(zhuǎn)子線圈和定子中的通風(fēng)溝，吸收電機產(chǎn)生的熱量。

風(fēng)冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、輔機系統(tǒng)少、費用低廉、安裝維護方便和運行可靠等優(yōu)點。但其自身的缺點有：通風(fēng)損耗大，從而導(dǎo)致電機效率低下；電機運行時噪聲比較大；由于受到轉(zhuǎn)速和容量的限制，同容量電機的體積龐大[2]。

1.2 水冷方式

水冷系統(tǒng)的優(yōu)點有：①電機結(jié)構(gòu)更加緊湊。水冷卻系統(tǒng)使得電動機的散熱得到了大幅度的改善，因此，電動機能夠較長時間在全功率狀態(tài)下工作。 在相同功率輸出狀態(tài)下，水冷卻電動機比風(fēng)冷卻電動機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而適合井下較為惡劣的工況；②高動態(tài)響應(yīng)。較緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得電機能在全速范圍內(nèi)的恒定高扭矩穩(wěn)定性更好。 因此，水冷卻系統(tǒng)電動機具有較高的動態(tài)響應(yīng)能力；③水的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)比氣體大許多， 所以水冷卻的散熱能力比風(fēng)冷卻的效果顯著。

與此同時，水冷卻也存在許多缺點：水的凈化程度不夠時，容易產(chǎn)生結(jié)垢及氧化物堵塞冷卻水管；管路系統(tǒng)存在腐蝕、堵塞、滲漏等隱患，繼而產(chǎn)生局部過熱而損壞電機，因此管路系統(tǒng)均采用不銹鋼材料；水接頭以及各個密封點處，由于承受水壓而漏水的隱患，將造成短路和漏電危險[3，4]。

比較了風(fēng)冷與水冷的優(yōu)缺點后， 結(jié)合運煤車設(shè)備上附屬安裝的零部件較多， 結(jié)構(gòu)緊湊、 空間較小的實際情況，決定采用水冷卻方式對本系統(tǒng)進行散熱處理。

2 水冷變頻器和水冷電機的設(shè)計

2.1 水冷變頻器的設(shè)計

通常的水冷卻方式一是將散熱水管貼在導(dǎo)熱板上或穿過散熱刺，散熱水管與導(dǎo)熱板或散熱刺接觸不緊密，冷卻效果不很理想； 二是將功率元件的散熱部分直接泡在水中，但必須是蒸餾水，在煤礦井下不具備條件。

我們在設(shè)計變頻器散熱時，沒有采用慣用的散熱器，而是將功率元件IGBT 和整流管直接安裝在成為防爆結(jié)構(gòu)的一部分的鋁散熱板上， 將做為防爆結(jié)構(gòu)一部分的鋁散熱板與水直接接觸，加快鋁板和水的熱交換，使功率元件直接與主散熱器進行熱交換，減少了導(dǎo)熱的環(huán)節(jié)，提高了導(dǎo)熱效率[5]。具體措施是將鋁散熱板非元器件安裝面開出水槽，目的是增大散熱面積，使鋁板所有散熱面都與水接觸；同時也可使水大致按一個方向流動，散熱板冷卻效果好。除功率元件安裝面外，不在隔爆殼內(nèi)的其余5 個面用鋼板包裹，鋼板與鋁板之間用膠皮密封，防止?jié)B水，進出水管接頭在鋼板上。鋼板包裹不僅是防爆的要求，而且可以隨時揭開，清理鋁散熱板內(nèi)的水垢。在外部水冷散熱的同時，防爆殼體內(nèi)部安裝兩個風(fēng)扇對吹，在內(nèi)部形成風(fēng)流，目的是使散熱板各部分溫度均勻，并加快內(nèi)部空氣流動，增強散熱效率。

2.2 水冷電機的設(shè)計

當(dāng)前水冷卻電動機的結(jié)構(gòu)主要有：機殼水冷卻、機殼加端蓋水冷卻以及機殼加端蓋加轉(zhuǎn)軸水冷卻三種形式。其中機殼加端蓋水冷卻結(jié)構(gòu)效果比較明顯， 適用于采用軸向通風(fēng)、滾動軸承的電機中，它能有效改善電機端部和外殼的散熱效果， 同時對于滾動軸承的使用壽命和運行可靠性來說都十分有益[6，7]。

考慮運煤車的實際空間緊湊情況， 選擇機殼水冷卻設(shè)計，在電動機外殼設(shè)置冷卻管路，進水口和出水口管路設(shè)置在電機后端， 在水泵的壓力作用下使得循環(huán)水不斷的流動將電機產(chǎn)生的熱量吸收，從而達到對電動機的冷卻作用。

3 強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計

研究分析了本設(shè)備的特性及其使用工況后， 決定采用強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。 強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，所需元件包括：水箱、過濾器、加壓水泵、截止閥及泄壓閥。

工作原理為： 水泵在電機的帶動下進行工作， 形成的負壓將冷卻水經(jīng)過過濾器的過濾后吸入水泵進行加壓，高壓水進入變頻器及電機的水冷腔對元件進行冷卻，冷卻后的水回流至水箱， 當(dāng)高壓水的壓力超過系統(tǒng)的設(shè)定值時，高壓水通過泄壓閥泄荷。

系統(tǒng)各元件經(jīng)過設(shè)計計算和選型后， 現(xiàn)場組裝調(diào)試后均可長時間穩(wěn)定運行， 經(jīng)測試水路冷卻系統(tǒng)滿足整機設(shè)計要求。

圖1 強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)束語

此強制循環(huán)水冷散熱系統(tǒng)采用了較少的元部件，工作系統(tǒng)將冷卻水源源不斷地流經(jīng)變頻器與電機， 通過循環(huán)水帶走熱量，從而對變頻器及電機進行充分地冷卻，達到了預(yù)期效果，保證了電氣元部件工作的穩(wěn)定正常，從而提升了整臺設(shè)備的可靠性。