鋁帶坯鑄軋機控制柜溫度場分析

蘇恒，楊俊，譚杰，曾樂

（1.長沙市電子工業學校，長沙 410116；2.湖南師范大學工程與設計學院，長沙 410081；3.芷江民族職業中專學校，湖南 懷化 418000；4.長沙航空職業技術學院，長沙 410124）

0 引言

如今，電子元件的熱流密度已經高達200 W/cm2以上，對于長時間運行的生產線控制柜來說，如果各種發熱元件散發出來的熱量不能夠及時散發出去, 就會造成熱量的積聚，內部的溫度會快速上升,從而導致各個元器件的溫度超過各自所能承受的溫度極限，可能造成電子設備絕緣性能退化、材料的熱老化，或者低熔點焊縫開裂、焊點脫落等后果，使得電子設備的可靠性大大降低，對生產線的正常運行造成嚴重影響[1-6]。據統計，電子系統中55%的電子器件失效或故障都與過高溫度的熱環境相關，當環境溫度高于70～80 ℃時，每增加1 ℃則電子器件的可靠性下降5%[7]。為了預測溫度變化，采用有限元仿真是有效的方法。許禮進[8]針對通用工業機器人電氣控制柜熱特性、噪聲問題，建立仿真模型，進行了控制柜的熱環境防護流程設計且通過試驗驗證了其有效性。湯清[9]對智能控制柜柜內開孔結構和設備排列方式進行了有限元仿真分析,得到了柜內溫度場和流體軌跡,優化了柜內智能終端間距設置和開孔設置。湖南某鋁業有限公司有多條鑄軋生產線，設備作業時產生大量熱量，導致控制柜溫度過高，對整條生產線安全造成隱患。

本文首先對控制柜進行結構設計，然后完成控制柜內部大功耗元件選型，再次建立發熱元件模型進行溫度場仿真分析，進而初步確定元件布局方式，最后分析比較了3種不同的散熱方案，確定了最終散熱方案。

1 控制柜的建模及元件布局

1.1 控制柜結構建模

控制柜的尺寸（寬×高×深）為400 mm×600 mm×320 mm；框架主要由2個左立柱、2個右立柱、2個側上橫梁、4個側橫梁、2個側下橫梁、2個上橫梁、2個下橫梁構成。控制柜結構如圖1所示。

圖1 控制柜框架

1.2 主要發熱元件布局

因為熱空氣比冷空氣輕，無外界干擾情況下，柜內空氣流向應該是由下往上，所以把主要的大功率發熱元件都放在上面的部分，小功率發熱元件都放在下面的部分，避免風機氣流先通過大功率發熱元件再流經小功率發熱元件影響散熱效率，出風口設置在柜體上方，柜內元件布局如圖2所示。

圖2 柜內元件布局

2 控制柜散熱仿真分析

2.1 控制柜自然散熱分析

主要發熱元件參數如表1所示。

表1 主要發熱元件的相關參數

式中：Q1為控制柜內的總發熱量；Q2為所需散熱能力。

當Q2為0或者負值，則說明控制柜自身散熱能力可以滿足柜內元件的散熱要求，不需要其它強制散熱方式；當Q2為正值時，則說明控制柜自身散熱能力已經沒有辦法達到柜內元件的散熱要求，需要選擇其它強制散熱方式進行散熱[2]。結合表1、式（1）和式（2），得出Q2為正值，需要選擇其它強迫對流冷卻的方式對控制柜進行散熱處理。

為了更加精確地分析散熱情況，利用有限元仿真分析控制柜溫度場，柜內溫度目標值應低于50 ℃，設置控制柜熱邊界條件如下：1）初步計算控制柜中氣流雷諾數Re為6320，大于4000，所以選取湍流計算模型；2）各元件熱源設置可參考表1；3）風機特性可選擇ICEPAK提供的標準模型，數量以及進出口的類型根據溫度場分析進行調整優化，風量為2.6～3.0 m3/min；4）環境溫度為37 ℃。

將控制柜與內部的元件簡化為長方體，如圖3所示。

圖3 柜內元件布局簡化圖

通過仿真得到控制柜在自然散熱下的溫度分布如圖4所示，柜內元件溫度最高可達70 ℃左右，周圍溫度達到55 ℃左右，均高于目標值50℃，所以自然散熱不能有效帶走柜內元件的熱量，柜內元件的溫度很高。

圖4 自然散熱下溫度分布

2.2 散熱方案分析

因為控制柜自然散熱下無法滿足柜內元件的散熱需求，所以需要選擇其它強迫對流冷卻的方式對控制柜進行散熱處理，制定出了3種散熱方案。方案1如圖5所示，在控制柜左右兩側上方分別開設出風口1、2，出風口大小（長×寬）為70 mm×19 mm，同時在控制柜下方布置一個鼓風機，通風量為3 m3/min。

圖5 方案1 布局及溫度分布

方案2如圖6所示，在方案1的基礎上，在控制柜頂部增開設出風口3，出風口的尺寸為280 mm×200 mm（長×寬），同時在底部增加一個鼓風機，通風量為3 m3/min。方案3如圖7所示，在方案2的基礎上，在控制柜的右側增加一個抽風機，通風量為3 m3/min。布置在大功率濾波器的旁邊，主要用于濾波器的散熱，同時將底部的2個鼓風機改用為抽風機。

圖6 方案2 布局及溫度分布

圖7 方案3 布局及溫度分布

將3種方案下控制柜內的元件溫度進行對比得到數據如表2所示。

由圖5、圖6、圖7及表2可知，方案1 控制柜內最高溫度為86 ℃，周圍溫度為55 ℃，均高于目標溫度50 ℃，沒有實現散熱。方案2控制柜內最高溫度為66℃，高于目標溫度50 ℃，周圍溫度為50 ℃，散熱效果不佳。方案3控制柜內最高溫度為45 ℃，周圍溫度為36 ℃，均低于目標溫度50℃，滿足散熱要求。

表2 三種散熱方案控制柜內元件溫度℃

圖8和圖9 為方案2 和方案3下的控制柜內風壓分布。

圖8 方案2 風壓分布

由圖8和圖9 可知，方案2控制柜內風壓分布不均勻，元件布置區風壓為5.27×104Pa，元件周圍風壓為1.76×105Pa，這是因為速度快的氣流主要分布在元件周圍。方案3在使用抽風機后，柜內風壓分布均勻，風壓為4.42×105Pa。

圖9 方案3 風壓分布

圖10和圖11為方案2和方案3下的控制柜內風速分布。

圖11 方案3 風速分布

由圖10和11可知，方案2由于PLC控制模板與濾波器的阻擋，風速主要集中在控制柜下面部分，風速達到了5.423 m/s，而濾波器周圍風速較小為1.808 m/s，流體帶走的熱量較少，濾波器散熱效果沒有達到最好的狀態。方案3在使用抽風風機后，濾波器周圍風速增加至11.976 m/s，流體帶走了較多的熱量。方案3控制柜內溫度低于目標溫度且柜內風壓分布均勻，實現了控制柜的有效散熱，為最佳的散熱方案。

圖10 方案2 風速分布

3 鋁帶坯鑄軋機控制柜的應用

通過布置溫度傳感器測得的實際控制柜內的溫度變化如圖12所示，生產線上采用方案3的鋁帶坯鑄軋機控制柜如圖13所示。由圖12可知，在生產時間范圍內的控制柜內最高溫度穩定在46℃左右，比仿真溫度高1℃，相對誤差為2.22%，周圍溫度穩定在35 ℃左右，比仿真溫度低1 ℃，相對誤差為2.78%，這是由于工作環境溫度會發生改變，證明了方案3散熱效果最佳，保證了控制柜的正常工作。

圖12 控制柜內溫度變化曲線

圖13 鋁帶坯鑄軋機控制柜

4 結論

通過對鋁帶坯鑄軋機控制柜的散熱方案設計和仿真分析、得到以下結論：

1）鋁帶坯鑄軋機控制柜內應采用大功率元件布置在上方、小功率元件布置在下方的布局方式。

2）采用抽風機替代鼓風機方案，能實現控制柜內風壓均勻分布和有效散熱。

3）生產線上采用最佳散熱方案的鋁帶坯鑄軋機控制柜，柜內最高溫度穩定在46 ℃左右，周圍溫度穩定在35℃左右，滿足設計要求，從而保證了鋁帶坯鑄軋機控制柜工作正常。