浅谈加强热效应设计在机电工程中应用的必要性

姜小桃，郭建珠

（1.山西工程技术学院，山西太原045000；2.太原理工大学，山西030024）

浅谈加强热效应设计在机电工程中应用的必要性

姜小桃1，郭建珠2

（1.山西工程技术学院，山西太原045000；2.太原理工大学，山西030024）

机电工程实施过程中，热效应是一个不可回避的物理现象，通过对热效应危害、治理基本策略的分析，认为加强热效应设计在机电工程应用和实践中意义重大。

加强热效应设计可靠性机电工程

机电工程实施过程中热效应是一个不可回避的物理现象，热效应可直接导致变形甚至燃烧爆炸级的灾害，因此热效应问题首要解决问题就是其测量监测问题，其次其危害及控制问题。机电工程实施过程中，热效应问题是一个需要注重并且在实施过程中时时加以监测的重要运行质量指标参数，其与设备运行寿命，长期运行稳定性等指标息息相关[1]。

1 机电工程热效应的主要体现形式及形成机理

1）机械相对运动必然导致摩擦发热。在润滑不佳情形下，发热加剧，又对润滑和密封形成反压态势进一步劣化润滑，加剧发热，其体现形式是机械磨损加剧，润滑失效明显。

2）电磁效应必然导致电磁热。电磁效应必然存在损耗，损耗大部分导致发热，该热量由电磁能产生因此热效应跃升是指数形态发展，灾害发生时间短危害大是其基本灾害形式，发生时应对时间短是其另一特色，不做事先必要专业培训和防护，灾难事所难免。

3）化学反应过程产生的热效应。本文特指机电工程中所涉及的各种化学电池等机电工程中常用的类似产品，该热效应常常被忽视，因为对于机电工程而言仅作为辅助直流电能的这类电池确实能量微不足道，但是“星星之火可以燎原”这一道理体现在化学电池的危害上非常贴切，更因为其发热机理的不确定性，所以危害放大效应在其危害过程中体现更为明显和可怕。

4）核能发电导致的热效应。这里主要强调射线能量的累积，局部热量的聚集效应更加明显，基因变异，器官损伤，“致人死地”于无形。

2 机电工程中热效应测试及防护基本方法

1）对温度不敏感性系统一般采用热累积效应方式对其进行测量和管理。

2）对温度敏感性系统采用温度阈值法进行测量和管理。

以上二者控制原理和测量精度是不同，前者是一种模糊控制方式，测量精度等级低，响应时间短，对设备的保护性一般，用于不太精密的场合；后者是一种控制精度高，响应时间快，对设备的保护性好，用于较精密场合控制的先进的热效应控制方法。系统热效应控制得当对电气、机械设备的长期稳定性一般起决定性的作用，电气设备的热效应导致的直接后果是电气绝缘等级的下降，机械设备热效应直接后果是润滑及密封部件质量的不利影响，其最终结果是对机电工程装备长期稳定性及寿命的劣化影响。

3 热效应设计应用机电工程系统实例

3.1 在小容量机电工程系统中热效应设计

在经常、大量使用的机电工程系统中容量一般为15 kW以下电机容量系统中使用，瞬时过载、波动量大、频繁启动停止等原因造成热效应瞬时超标现象非常突出，业界技术人员群策群力，实现了一种规避机电工程中主要器件损坏，又能容错热效应瞬时超标现象，而且不影响机电工程设备正常使用的模糊热效应管理运行模式——热效应累积效应模式，缺点是多次瞬时热效应瞬时超标现象对设备长期寿命确实有较大影响。其工作原理图如下页图1所示：热继保护工作原理图，热继作为热效应检测元件直接接到三相工作回路中。其辅助触点：常闭辅助触点接到控制回路中，当机电设备运行过程中发热到一定程度时，热效应检测元件动作其常闭辅助触点将打开，控制回路中控制线圈将失电，控制主控回路中的接触器将打开，主用电回路处于断路状态，这样由于运行过程中热累积超标时实现了工作回路的断开，保护了设备因热效应导致的机电工程设备损害现象的进一步延续。

图1 热继保护工作原理图

3.2 机电工程中电子仪器所用直流电池热效应

iphone-5s无线通讯设备靠近热源时，例如喝水杯外壳接触到iphone-5s无线通讯设备机壳几分钟后，iphone-5s无线通讯设备就会自动关闭，系统进入不工作状态，热源消失，系统继续闭锁一小时以后，iphone-5s无线通讯设备即进入自恢复状态，使用iphone-5s无线通讯设备时即可正常使用。这就是iphone-5s公司对系统用锂电池设计的热保护，如果有如此完善的保护电路和思想，三星Galaxy NOTE7自燃爆炸事件发生就不会发生，电池自燃爆炸事件是电池热效应极端现象，说明短时间内热累积量巨大，大的热效应产生巨大的变形动力，所以爆炸，必须采用阈值法对电池热效应实行管理。如图2所示为化学电池热变形实物图，其发生原因仅为存电过程速度过快，没有热效应保护造成的物理变形事例，实质上化学电池存放电过程是一复杂的化学反应过程其机理还有人类未掌握领域，所以我们在工程实践中应慎而慎之。

3.3 传感器回路中串接限流电阻对传感器及系统采集模块的保护

图2 化学电池热变形实物图

传感器供电回路一般为直流24 V回路，但是因为工作环境相对苛刻，事故原因比较复杂，一般不仅造成传感器损坏而且造成系统采集模块的进一步损坏，笔者通过增强热效应保护设计理念，在传感器回路中串接一阻止位100Ω的电阻作为限流电阻使用，当工作电流超越工作电流值时，限流电阻瞬时熔断，作为保护器件断开传感器上的热效应产生源，避免对传感器的损坏，进一步回避对系统采集模块的损坏，如图3所示为传感器采集模块热效应保护电路示意图；如图4所示为增强热效应保护设计前对传感器采集模块热效应损坏图。

图3 传感器采集模块热效应保护示意图

图4 增强热效应保护设计前对传感器采集模块热效应损坏图

3.4 MCU系统热效应保护设计特点

MCU系统作为现代工业设备发展的最新水平，其集成化和智能化水平极高，因此直接测量工作电流工作电压的能力极强，计算和保护回路较好，这样为热效应保护提供了新的模式和新的方式提供了可能，通过热效应安全值推算法提前预知系统过热阈值，实现精确热效应控制，为我们增强热效应保护设计在机电工程设备中的应用提供了全新的理念和模式，值得我们借鉴和推广。

4 结语

热效应是机电工程装备在运行过程中必然的副产品，现在许多工业场合热效应的测量、测试及保护控制成为产品成败的关键，从设计思想上必须慎之又慎，在应用上坚持“热累积效应法”与“热效应阈值法”并重的原则，以增强热效应保护为突破口，实现机电工程装备能可靠长寿命工作的目的。

[1]Tony Kordyban.笑谈热设计[M].李波，译.北京：机械工业出版社，2015.

（编辑：苗运平）

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，山西阳泉人，大专，助理实验师，现在山西工程技术学院从事实验室教学工作。