矿用运煤车强制循环水冷却散热可靠性研究设计

阎志伟

（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

短壁机械化开采具有建设周期短、 出煤快、 机动灵活、机械化程度高、效率高和安全性好等优点，使不易或无法布置长壁综采工作面的煤层块段得到合理开采和回收，特别适合于“三下”开采、不规则块段开采和残采区回收煤柱等。从而提高了资源回收率，延长了矿井的使用寿命，有利于保障矿井安全，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、运煤车和组成，运煤车作为主要组成部分，主要负责将工作面破碎后的煤及时运输至皮带运输机， 运煤车是采用卷缆滚筒收放拖曳电缆，以交流电为能源，液压转向、液压多盘湿式安全制动的短距离胶轮运输车辆，具有全轮驱动、生产能力大、效率高、转向方便、机动灵活、转弯半径小、四轮转向等特点，它除本身行走外，还装有转载运输机，能够自动卸载料斗里的煤块。它的研制对促进我国短壁机械化技术进步和煤矿巷道掘进的机械化有着非常重要的作用，由于工作环境的特殊性，对其工作的可靠性也有较高的要求， 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， 并进行现场安装调试， 验证了该冷却散热系统设计满足了运煤车的实际需求，对其它类似设备的冷却设计具有借鉴参考价值。

1 散热方案的选择

目前，针对煤矿井下防爆电机来说，强制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。 一般电机均采用密闭通风，将电机空间加以密闭，密闭空间包含一定体积的空气， 利用安装在电机转子上的散热风扇产生的风压，强迫空气流动，冷空气通过转子线圈和定子中的通风沟，吸收电机产生的热量。

风冷却系统具有结构简单、辅机系统少、费用低廉、安装维护方便和运行可靠等优点。但其自身的缺点有：通风损耗大，从而导致电机效率低下；电机运行时噪声比较大；由于受到转速和容量的限制，同容量电机的体积庞大[2]。

1.2 水冷方式

水冷系统的优点有：①电机结构更加紧凑。水冷却系统使得电动机的散热得到了大幅度的改善，因此，电动机能够较长时间在全功率状态下工作。 在相同功率输出状态下，水冷却电动机比风冷却电动机的结构更加紧凑，从而适合井下较为恶劣的工况；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。 因此，水冷却系统电动机具有较高的动态响应能力；③水的比热和导热系数比气体大许多， 所以水冷却的散热能力比风冷却的效果显著。

与此同时，水冷却也存在许多缺点：水的净化程度不够时，容易产生结垢及氧化物堵塞冷却水管；管路系统存在腐蚀、堵塞、渗漏等隐患，继而产生局部过热而损坏电机，因此管路系统均采用不锈钢材料；水接头以及各个密封点处，由于承受水压而漏水的隐患，将造成短路和漏电危险[3，4]。

比较了风冷与水冷的优缺点后， 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本系统进行散热处理。

2 水冷变频器和水冷电机的设计

2.1 水冷变频器的设计

通常的水冷却方式一是将散热水管贴在导热板上或穿过散热刺，散热水管与导热板或散热刺接触不紧密，冷却效果不很理想； 二是将功率元件的散热部分直接泡在水中，但必须是蒸馏水，在煤矿井下不具备条件。

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成为防爆结构的一部分的铝散热板上， 将做为防爆结构一部分的铝散热板与水直接接触，加快铝板和水的热交换，使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[5]。具体措施是将铝散热板非元器件安装面开出水槽，目的是增大散热面积，使铝板所有散热面都与水接触；同时也可使水大致按一个方向流动，散热板冷却效果好。除功率元件安装面外，不在隔爆壳内的其余5 个面用钢板包裹，钢板与铝板之间用胶皮密封，防止渗水，进出水管接头在钢板上。钢板包裹不仅是防爆的要求，而且可以随时揭开，清理铝散热板内的水垢。在外部水冷散热的同时，防爆壳体内部安装两个风扇对吹，在内部形成风流，目的是使散热板各部分温度均匀，并加快内部空气流动，增强散热效率。

2.2 水冷电机的设计

当前水冷却电动机的结构主要有：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效果比较明显， 适用于采用轴向通风、滚动轴承的电机中，它能有效改善电机端部和外壳的散热效果， 同时对于滚动轴承的使用寿命和运行可靠性来说都十分有益[6，7]。

考虑运煤车的实际空间紧凑情况， 选择机壳水冷却设计，在电动机外壳设置冷却管路，进水口和出水口管路设置在电机后端， 在水泵的压力作用下使得循环水不断的流动将电机产生的热量吸收，从而达到对电动机的冷却作用。

3 强制循环水冷却系统设计

研究分析了本设备的特性及其使用工况后， 决定采用强制循环水冷却系统。 强制循环水冷却系统原理图如图1 所示，所需元件包括：水箱、过滤器、加压水泵、截止阀及泄压阀。

工作原理为： 水泵在电机的带动下进行工作， 形成的负压将冷却水经过过滤器的过滤后吸入水泵进行加压，高压水进入变频器及电机的水冷腔对元件进行冷却，冷却后的水回流至水箱， 当高压水的压力超过系统的设定值时，高压水通过泄压阀泄荷。

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， 经测试水路冷却系统满足整机设计要求。

图1 强制循环水冷却系统原理图

4 结束语

此强制循环水冷散热系统采用了较少的元部件，工作系统将冷却水源源不断地流经变频器与电机， 通过循环水带走热量，从而对变频器及电机进行充分地冷却，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。