极端环境下三臂凿岩台车电气散热系统设计

邵济舟

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

2019 年以来，我国工程机械行业集中度进一步提高，龙头企业优势明显，市场逐渐向规模大、实力强的企业靠拢；且各企业产品之间开始相互渗透，竞争程度有加强的趋势。国际方面，我国部分工程机械企业已经初步具备了成为全球顶级工程机械制造商的核心竞争力，未来随着“一带一路”工作的推进，我国企业竞争力有望进一步增强。国内方面，随着郑万铁路、宜兴铁路和川藏铁路项目的施工和启动，给工程机械装备的发展带了更广阔的发展空间。

目前多数情况下电控系统的设计是按照2000 m 海拔的使用环境和条件设计的，但在高温、低温、高湿度和粉尘等极端环境下时，由于元器件局部高温、系统散热差、柜体凝露、柜体粉尘污染严重等问题，造成装备在施工过程中，出现元器件老化、放电、短路或柜体起火等故障，影响产品的正常施工，降低了工程施工效率和施工进度，给装备生产厂家带来了严重影响。

对于全电脑三臂凿岩台车ZYS113 应用于以上极端环境可能存在的故障，除了相关元器件的选型之外，柜体的防护和散热系统设计也同样重要，本文将从柜体散热、除湿和防冷凝方面对三臂凿岩台车电控系统进行改造，使其具有更广泛的地域适应性。

1 散热方案设计

由于三臂凿岩台车电控系统是安装在整机覆盖件内部，电控柜为钢板焊接而成，其尺寸为3580 mm×840 mm×630 mm，设备施工环境温度60 ℃，柜内元器件热量约800 W，在不考虑太阳辐射的情况下，仅依靠外壳散热，根据公式P=K×A×ΔT，可得内外温差ΔT=12.6 ℃。其中，P 为散热功率，K 为散热系数（这里取K=5.5 A）。

柜体要达到散热效果，柜体内外温差要达到12.6 ℃，由于柜体具有良好的热传导效应及60 ℃的环境温度，电控柜内即箱柜内温度为72.6 ℃，超过了大部分器件稳定工作的温度范围。当户外工作时，太阳辐射使覆盖件温度会达到70 ℃或更高，最终柜体内的运行温度会远远超越各元器件稳定运行温度。

通过以上分析，装备要在高温等环境下运行，柜体必须采取良好的散热系统，常用散热系统有风机散热和空调散热。风机散热使内外空气流通，无法做到良好的防尘，由于环境温度高和柜体热传导等问题，使散热效果不佳。在其他装备中采用过风机散热，柜内污染严重，故障频繁发生。随着环境温度的升高，空调散热效果明显下降，这就需要使用更大功率的空调，同时由于冷凝水处理、尺寸、供电、成本要求等因素，空调散热系统无法在三臂凿岩台车上使用。

为解决特殊环境下电控系统的散热问题，本项目采取将控制系统的环境与外部环境相隔离的方案，通过环境隔离，还可以减少粉尘污染，更容易进行控制系统小环境的温度调节和除湿操作。

具体方案设计如下：

（1）电控系统柜内部敷设隔热层，用隔热层减小或阻断内外环境的热交换，停机时减缓柜内温度降低速度，降低冷凝概率；

（2）散热系统采取引入半导体冷板技术[1]：半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1 cm3的制冷器；重量轻，微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克；无机械传动部分，工作中无噪声，无液态、气态工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作；通过调节工作电流的大小，可调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长且易于控制（图1）。

图1 半导体散热器

充分利用半导体可调节制冷及加热两用特性，通过检测柜内温度及湿度，对柜体进行加热、散热，实现温度调节，并达到除湿效果，散热器设计了相应的冷凝水排放口，可以有效排放散热器产生的冷凝水[2-3]。

2 系统控制

为了能更好地控制散热系统，凿岩台车上充分发挥控制系统的优势，通过电气控制柜内的EPEC3724控制器，实现对柜体温度和湿度的检测，并通过4 个固态继电器实现电源的正接、反接和可连续调压，实时调节散热系统（图2）。

图2 散热器控制系统功能

散热器具有3 种工作状态，分别为制冷散热、除湿和加热，EPEC控制器通过传感器反馈的柜内湿度和温度，控制散热器实现3 种模式的切换，达到柜体散热和除湿的功能。当设备运行状态下，根据环境温度和凝露点温度之差[4-5]，确认系统是处在制冷散热模式还是处在除湿模式，避免柜体因降温而使元器件或安装板表面产生冷凝水，当温度处在冷凝点附近时，降低散热速度，使散热器处在除湿状态，降低柜体内部空气湿度，达到一定阈值后再进行制冷散热。停机状态下，通过加热和除湿两种模式调节柜体温度，当柜体的湿度达到一定阈值后，进入除湿模式，否则散热器工作在加热模式，减缓柜体散热速度，避免柜体内部冷凝[6-8]。程序控制框图如图3 所示，其中t 为环境温度、t1为凝露点温度。

图3 散热系统程序控制

3 工地现场使用效果

目前，4 台全电脑三臂凿岩台车ZYS113 在中土集团阿联酋分公司工地施工，对工作中的凿岩台车电控柜进行了测试，测试数据如表1 所示。其中，条件1 为“关闭散热器，设备运行30 min后各部件温度”；条件2 为“设备连续运行，打开散热器，打开覆盖件，10 min 后各部件温度”。

表1 电气柜温度测试表

通过数据分析，电气控柜内部铺设保温层达到了很好的保温效果，减慢了柜内外的热传导速度，有效降低了外部高温对电控系统的影响。当不使用半导体散热系统工作1 h 后，安装板温度达到58 ℃，控制器温度达到68 ℃，开关电源达到75 ℃，而半导体散热系统开启后，可以实现良好的降温效果，使柜体温度控制在54 ℃附近，控制器温度降到64 ℃，开关电源温度稳定在68 ℃，凿岩台车连续工作3 h，系统运行达到了稳定，验证了柜体的冷却散热功能的有效性。参照关键元器件工作温度范围，开关电源超出额定工作温度，按降容后计算满足台车正常使用，其余器件均在器件的额定工作温度范围内。

从开始施工至施工完成6 h 内，每隔1 h 观察柜内安装板和元器件凝露情况，开始施工3 h 后施工完成，整个过程中柜体内安装板和元器件无凝露现象，散热器冷凝水排放口有冷凝水排出，说明系统防冷凝功能正常。

电气控制柜内干净整洁，内部基本无灰尘，说明实现柜体与外界的环境隔离后，很好的阻断了粉尘对电气控制柜的污染。

目前4 台三臂凿岩台车总共运行560 h，开挖320 m 隧道，至今4 台设备未发生由于电气系统高温而发生的故障，4 台三臂凿岩台车的稳定运行得到了客户的充分肯定。

4 结论及展望

工地实际施工证明，在高温和粉尘环境下，全电脑三臂凿岩台车ZYS113 采取柜内外环境的隔离和半导体散热系统，能很好的实现降温及防冷凝，有效阻断粉尘造成的电气控制系统污染。

中国铁建重工集团股份有限公司的施工装备近年来已经在俄罗斯、印度、伊朗、阿联酋和韩国等国家进行了使用，以后施工装备使用的地域会进一步拓展，以及2021 年开始的川藏铁路项目。由于使用地区的环境温度及海拔高度不同，所以对电控系统提出了不同的要求，如俄罗斯地区要求适应低温环境、阿联酋要求电控系统适应高温环境、韩国等沿海国家要求防盐雾措施以及川藏地区要求电控系统适应高温、高湿和高海拔环境。对于常规电控系统，严格限制了装备的使用范围，而以此为基础设计的电气控系统提高隧道施工装备在该领域的环境适应性和使用的可靠性与耐久性。该电控系统的使用，为特种装备产品适应更广泛的区域奠定了基础。