礦用運煤車強制循環水冷卻散熱可靠性研究設計

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、不規則塊段開采和殘采區回收煤柱等。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，進煤炭行業的可持續發展[1]。

短壁機械化開采成套裝備主要由連續采煤機、 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，具有全輪驅動、生產能力大、效率高、轉向方便、機動靈活、轉彎半徑小、四輪轉向等特點，它除本身行走外，還裝有轉載運輸機，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，由于工作環境的特殊性，對其工作的可靠性也有較高的要求， 電氣系統里的防爆變頻器和防爆電機散熱設計是必須解決的關鍵技術之一。

本文主要對比了風冷和水冷方式的優缺點，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水路系統設計，采用強制循環水冷卻散熱系統對電氣元部件進行冷卻的設計方案，并對水冷電機和水冷變頻器的結構進行了設計排布， 并進行現場安裝調試， 驗證了該冷卻散熱系統設計滿足了運煤車的實際需求，對其它類似設備的冷卻設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冷和水冷兩種主要方式，兩種方式各有優缺點。

1.1 風冷方式

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

風冷卻系統具有結構簡單、輔機系統少、費用低廉、安裝維護方便和運行可靠等優點。但其自身的缺點有：通風損耗大，從而導致電機效率低下；電機運行時噪聲比較大；由于受到轉速和容量的限制，同容量電機的體積龐大[2]。

1.2 水冷方式

水冷系統的優點有：①電機結構更加緊湊。水冷卻系統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下工作。 在相同功率輸出狀態下，水冷卻電動機比風冷卻電動機的結構更加緊湊，從而適合井下較為惡劣的工況；②高動態響應。較緊湊的結構設計使得電機能在全速范圍內的恒定高扭矩穩定性更好。 因此，水冷卻系統電動機具有較高的動態響應能力；③水的比熱和導熱系數比氣體大許多， 所以水冷卻的散熱能力比風冷卻的效果顯著。

與此同時，水冷卻也存在許多缺點：水的凈化程度不夠時，容易產生結垢及氧化物堵塞冷卻水管；管路系統存在腐蝕、堵塞、滲漏等隱患，繼而產生局部過熱而損壞電機，因此管路系統均采用不銹鋼材料；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]。

比較了風冷與水冷的優缺點后， 結合運煤車設備上附屬安裝的零部件較多， 結構緊湊、 空間較小的實際情況，決定采用水冷卻方式對本系統進行散熱處理。

2 水冷變頻器和水冷電機的設計

2.1 水冷變頻器的設計

通常的水冷卻方式一是將散熱水管貼在導熱板上或穿過散熱刺，散熱水管與導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構的一部分的鋁散熱板上， 將做為防爆結構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，減少了導熱的環節，提高了導熱效率[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，防止滲水，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，清理鋁散熱板內的水垢。在外部水冷散熱的同時，防爆殼體內部安裝兩個風扇對吹，在內部形成風流，目的是使散熱板各部分溫度均勻，并加快內部空氣流動，增強散熱效率。

2.2 水冷電機的設計

當前水冷卻電動機的結構主要有：機殼水冷卻、機殼加端蓋水冷卻以及機殼加端蓋加轉軸水冷卻三種形式。其中機殼加端蓋水冷卻結構效果比較明顯， 適用于采用軸向通風、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， 選擇機殼水冷卻設計，在電動機外殼設置冷卻管路，進水口和出水口管路設置在電機后端， 在水泵的壓力作用下使得循環水不斷的流動將電機產生的熱量吸收，從而達到對電動機的冷卻作用。

3 強制循環水冷卻系統設計

研究分析了本設備的特性及其使用工況后， 決定采用強制循環水冷卻系統。 強制循環水冷卻系統原理圖如圖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， 當高壓水的壓力超過系統的設定值時，高壓水通過泄壓閥泄荷。

系統各元件經過設計計算和選型后， 現場組裝調試后均可長時間穩定運行， 經測試水路冷卻系統滿足整機設計要求。

圖1 強制循環水冷卻系統原理圖

4 結束語

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