无轨胶轮运煤车的加压冷却散热系统设计

马育华

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

短壁机械化开采工艺项目具有建设周期短、 出煤时效高、移动便利、机械化水平高和安全性高等优点，使无法布置或不易布置长壁综采装备的煤层块段可进行合理开采和回收，尤其适合“三下”（建筑物下、铁路下和水体下）开采、不规则块段煤层开采和对残采区煤柱进行回收等。 从而大大提高了煤矿资源回收率， 增加煤矿经济效益、延长矿井的开采年限，也有利于保障矿井安全生产，促进煤炭行业的可持续发展[1]。

短壁机械化开采成套装备主要由连续采煤机、 锚杆支护机、运煤车和破碎转载机组成，运煤车作为重要成员之一， 主要负责将工作面破碎后的煤及时运输至破碎转载机，运煤车收放、拖曳电缆主要是采用液压马达驱动卷缆滚筒来进行，整车以交流电为动力源，拥有液压转向、液压多盘湿式器制动器， 可实现短距离往复运行的胶轮运输车辆，具有全轮驱动、运输效率高、转向方便、机动灵活、 转弯半径小等优点， 它除本身可承载煤块进行行走外，还自带有转载运输机，可自动卸载料斗里的煤块。 运煤车研制对促进短壁机械化技术进步， 提升煤矿巷道采掘自动化起着非常重要的作用，因为井下环境的特殊性，对整车每个核心部件的可靠性都有较高的要求， 电气系统里的防爆变频器和防爆电机散热设计是必须解决的关键技术之一。

本文主要对比了风冷和水冷方式的优缺点， 考虑了运煤车整体空间较小，零部件排布较密的实际情况，对整机进行了强制循环水路系统设计， 采用强制循环水冷却散热系统对电气元部件进行冷却的设计方案， 并对水冷电机和水冷变频器的结构进行了设计排布， 通过现场安装调试和井下工业性试验， 验证了该冷却散热系统设计满足运煤车的运行需求， 该设计对其它类似设备的冷却设计具有借鉴参考意义。

1 散热方案的选择

目前， 井下机械化开采设备主要以电能为主要动力源， 各种电元件尤其是电机作为一种高效快捷污染少噪音小的动力装置已被广泛的应用到各种装备上， 电机在工作的过程中会产生大量的热量， 产生的热量如果不能及时排就会造成大量的热能聚集， 热能聚集到一定的程度就会造成电机的爆炸[2]。运煤车电气系统主要发热部件为电机和变频器。针对煤矿井下防爆电机来说，闭式加压冷却方式一般主要有风冷和水冷两种主要方式， 两种方式各有优缺点。

1.1 风冷方式

风冷却利用空气流动带走电机产生的热量。 为了实现电机内部热量的散失通常采用开放式的开有洞的电机壳通风或者使用风机向电机内部吹风， 冷空气通过转子线圈和定子中的通风沟， 使冷空气与电机内部的热空气进行热交换，从而带走电机产生的热量[3]，这样的散热形式有利有弊，虽然风冷系统具有结构简单、价格低廉、安装维护方便和运行可靠等优点， 但其自身的缺点也是非常多。 比如：

（1）冷风吹必然会造成煤尘的进入，而煤尘进入到电机内部是非常难清理的， 而且会对电机造成不可逆转的影响，增加电机内部的磨损从而减少电机的使用寿命。

（2）风机通风会造成损耗大，导致电机效率低下。

（3）电机运行时噪声比较大，尤其是在煤矿井下空间狭小、视线不好的环境里，会给驾驶司机带来很大的安全隐患。

（4）整体体积较大，需要设备预留出更多的空间来安装。

1.2 水冷方式

煤矿井下由于防爆等要求限制， 大多数电机进行内部封闭，由于安装空间受限，要求体积越小越好，所以水冷电机在煤矿井下得到了一定程度的发展和应用。

水冷方式的优点有：

（1）能量密度大，在相同的技术参数状态下，水冷电机比风冷电机的结构更加紧凑， 更适合设计用于狭小有限的空间里。

（2）高动态响应。较紧凑的结构设计使得电机能在全速范围内的恒定高扭矩稳定性更好， 具有较高的动态响应能力[4]。

（3）水的比热和热传导效率比空气大许多，所以在同等接触面积下，水冷却的散热能力更好。

同时，水冷电机也存在许多缺点：结构复杂，制造难度相对较大；对冷却水的质量要求较高，如果水质不好或杂质较多时， 管道容易结垢而造成冷却水道不通畅或者堵塞；对管道材料要求高，如果水道里存在腐蚀、堵塞等隐患，继而会发生渗漏或局部过热而使电机损坏，因此水路管道大多使用不锈钢材料； 水接头以及电机内部各密封处，会因承受水压而发生漏水的隐患，进而造成漏电或短 路 的 风 险[5，6]。

比较分析了风冷与水冷的优缺点后， 水冷却系统使得电动机的散热问题得到了大幅度的改善， 电动机能够较长时间在全功率状态下工作， 更适合井下较为恶劣的工作状况。同时，结合运煤车设备上附属安装的零部件较多，结构紧凑、空间较小的实际情况，决定采用水冷却方式对电气系统进行散热处理。

2 水冷变频器和水冷电机的设计

水冷方式散热效果的好坏程度关键在于水路的设计是否合理，所以水流通道的设计非常重要。对整个系统来说，不仅要实现需冷却元件的散热良好，而且要考虑供水的压力泵和对循环水进行热交换降温的管路元件， 尽可能减少相关部件的负荷。假如通道设计不够合理，要么散热效果不好；要么水路的进出水温差和水压差很大，就可能需要再设置外部冷却设备进行配合作业， 会增加整个系统的重量和经济成本[5]。所以水路设计要综合考虑各种因素进行优化。

2.1 水冷变频器的设计

通常的水冷却方式有两种： 一种是将散热水管贴合在导热板上或穿过散热刺， 由于散热水管与导热板或散热刺接触不太紧密，造成冷却效果不很理想；另一种是将功率元件的散热部分直接泡在蒸馏水中， 但煤矿井下条件恶劣，不具备条件。

我们在设计变频器散热时，没有采用惯用的散热器，而是将功率元件IGBT 和整流管直接安装在防爆结构的铝散热板上， 将作为防爆结构一部分的铝散热板与冷却水直接接触，从而加快铝板和水的热交换，达到功率元件直接与主散热器进行热交换，减少了导热的环节，提高了导热效率[6]。具体措施是将铝散热板的非元器件安装背面开出水槽，增大了散热面积，使铝板水槽与水接触，同时也可使水朝一个方向流动，实现散热板较好的冷却效果。除功率元件安装面外， 不在隔爆壳内的其余面用钢板包裹，钢板与铝板之间采用胶皮密封，防止渗水，进出水管接头设计在钢板上。钢板包裹不仅满足防爆的要求，而且检修时可以揭开，便于清理铝散热板上的水垢。在外部水冷散热的同时，变频器壳体内部安装两个小风扇对吹，形成风流，目的是使散热板各局部温度均匀，同时加快内部空气流动，增强散热效率。

2.2 水冷电机的设计

目前水冷却电机的结构主要有：机壳水冷却、机壳加端盖水冷却以及机壳加端盖加转轴水冷却三种形式。 其中机壳加端盖水冷却结构的冷却效果比较明显， 适合于采用轴向通风、滚动轴承的电机中，能够有效对电机端部和外壳进行散热， 同时对滚动轴承的使用寿命和工作可靠性都十分有益[7，8]。

考虑运煤车的实际空间紧凑情况，选择机壳水冷却设计，在电动机的定子机壳内嵌入水套，当水套中通有冷却水时，冷却水从进水口进入，循环流动于整个水套中， 同机壳内壁发生热交换， 从而达到电机散热的目的。 其中水套由外筒和内筒两部分构成，内筒的外表面焊接有一条螺旋管路，形成单螺旋水路结构，进、出水口设置在电机后端，方便与水路管线进行安装、检修更换。 在水泵的压力作用下，使得循环流动水不断地将电机产生的热量交换后带走， 以达到对电动机进行冷却的目的。

3 加压冷却散热系统设计

研究分析了本设备的特性及其使用工况后， 决定采用加压冷却散热系统。 闭式加压循环水冷却系统原理图如图1 所示，系统主要元件包括：水箱、过滤器、加压水泵、截止阀及泄压阀。 工作原理为：水泵由电机带动进行工作，加压水泵形成的负压将水箱的水冷却。

图1 加压冷却散热系统原理图

首先由过滤器过滤后再吸入，以确保流入后续元部件时杂质较少。 高压水分两路分别进入变频器、左电机以及右电机的水冷腔对元件进行冷却，冷却后的水回流至水箱，截止阀主要用来通断各自水路、方便水路系统检修维护，当系统水压超过设定值时，高压水通过泄压阀泄荷至水箱。 水箱的高位处设计有透气孔，可用来将水箱的压力进行释放，同时可进行补水；过滤器选择Y型过滤器，方便滤芯的拆洗更换，节省维修时间和精力。

系统各元件经过设计计算和选型后， 现场组装调试后均可长时间稳定运行， 经井下工业性试验证实了该种水路冷却系统满足整机设计要求， 可使电气系统中的防爆变频器和防爆电机核心元部件及时得到冷却， 保障其正常运行。

4 结语

此冷却散热设计研究主要在分析比较了水冷与风冷的优缺点基础上，结合设备实际工作需求，对电气系统核心元件采用加压水冷却散热设计方案， 并对变频器和电机的结构进行了设计说明。 整个冷却系统的设计采用了简单可靠的强制循环水冷散热系统，当运煤车工作时，冷却水不断地流过变频器与电机水冷腔， 通过循环水带走热量，从而对变频器及电机进行及时、充分地冷却，达到了预期效果，保证了电气元部件工作的稳定正常，从而提升了整台设备的可靠性。