低温环境下悬挂电动卷扬小车的设计

方线伟，葛 兵，袁秀峰

(法兰泰克重工股份有限公司，江苏 苏州 215211)

0 引言

通常情况下，起重机的使用环境要求温度范围-10 ℃～40 ℃，海拔高度1 000 m以下。当使用地点的环境温度超过要求的范围或海拔高于1 000 m时，需要考虑机械钢结构的材料特性和电气设备的使用情况，采取一定的措施保障起重机在特定的环境下能够正常运行，一般采取替代材料和电气元件降容使用。

当环境温度低于起重机电机、制动器或其他电器元件正常工作的最低温度时，将无法保证起重机正常运行，存在着一定的安全隐患。一般起重机用电机的最低使用环境温度为-20 ℃，制动器最低使用环境温度为-25 ℃，均无法在极端环境(环境温度远远低于正常使用的最低温度)下正常工作。

为了使起重机能够在低温环境下正常工作，我们采取给起重机进行保温处理的方法，当环境温度低于标准要求时，起重机自动运行加热系统，使起重机运行的小环境达到各个设备机构使用的环境要求，保障起重机的正常运行。

为此，本文介绍一种低温环境下的应对方法，并结合我司自主研发的电动卷扬小车，系统地阐述该产品机械和电气设计时的解决方案。

1 悬挂电动卷扬小车结构设计

悬挂电动卷扬小车采用双吊钩形式，且双钩共用一个钢丝绳卷筒，该小车要求的存储环境温度-60 ℃～+80 ℃，运行温度-20 ℃～+40 ℃。设计的核心是在低温环境下的储存问题，即保障在低温的环境下机械钢结构不变形、电气元器件不会被低温冻坏。

悬挂电动卷扬小车主视图如图1所示，侧视图如图2所示。该方案在小车外部增加了一套保温室，形成中空结构的腔体，在保温室内外封板间填充保温材料，使内部环境达到一定的保温效果，外部车轮的墙板材料采用Q345E。在保温箱下方设置起重机的开闭功能，通过电动液压推杆的伸缩带动固定座运动、进而连带滑门移动，限位导轨对滑门兼具导向和限位作用，不仅能够保证滑门开关的顺畅度、同时控制其开启宽度。当处于低温状态时，起升机构将吊钩升到保温箱内，并关闭保温箱下部移动门，以保持箱内的温度稳定。

2 电气控制系统设计方案

为了解决低温运行和存储问题，我们对室内的环境温度和散热做了具体设计。

2.1 散热说明

假设环境温度为-55 ℃，保温层内温度为-10 ℃。电动卷扬小车系统的散热分为两个部分：①聚胺酯保温层自身热传导；②置于保温层外的四端车轮表面热传导的热量。

2.2 散热计算

2.2.1 聚胺酯保温层散热

对于保温层自身传导到周围环境中的热量，这部分计算只考虑聚胺酯保温层传导的极限热量，忽略保温层与外界空气隔热的影响。单位时间散热量Q1(W)由下式计算:

Q1=A1λ1(T0-T1)/δ.

(1)

其中：A1为保温层外表面面积，取值35.1 m2;λ1为聚胺酯的导热系数，取0.023 W/(m·K)；δ为保温层的厚度，取值0.05 m；T0为保温层内的温度，T0=-10 ℃；T1为保温层外部温度，T1=-55 ℃。将相关参数代入式(1)，计算得Q1=726.6 W。

2.2.2 四个车轮表面传导散热

此部分热桥散热为暴露在低温环境下热桥对空气的表面散热，假设热桥的温度与保温箱中的温度相同并保持恒定值不变。单位时间车轮散热量Q2(W)由下式计算:

Q2=NA2λ2(T0-T1).

(2)

其中：N为车轮数量；A2为车轮热表面的面积，A2=3 m2；λ2为车轮表面对空气的散热系数，λ2值与车轮的材质、表面空气流动、表面是否有涂层有关，根据室内使用经验和表面油漆涂层情况，λ2取值为5.5 W/(m2·K)。

以上计算已经考虑了小车驱动电机处热桥的散热面积。将相关参数代入式(2)，计算得Q2=2 970 W。

1-保温层;2-外封板;3-内封板;4-加热器;5-行走电机;6-车轮外墙板;7-制动器;8-起升电机;9-卷筒组图1 悬挂电动卷扬小车主视图

10-电动液压推杆;11-固定座;12-滑动移门;13-限位导轨图2 悬挂电动卷扬小车侧视图

2.2.3 总计散热

综合考虑保温层与热桥散热，系统的总计散热量Q约为:

Q=Q1+Q2.

(3)

将相关参数代入式(3)，计算得Q=3 696.2 W。

2.3 散热保温措施

(1) 由以上计算得知，车轮热桥散热是主要的散热点，在稳态下，车轮热桥最主要的散热为表面交换的热量，故在热桥处矩形梁表面进行隔热处理，以减少散热面积。当矩形规则面进行聚胺酯表面隔热处理后，散热面积将减少至少一半，故热桥散热总量将减少至1 500 W以内，系统总散热将减少至2 300 W以内。

(2) 由于电机轴是由梅花弹性联轴器连接，中间有橡胶式梅花式弹性垫圈隔挡，故散热能力比实际散热面积小。

(3) 保温层内的系统可加装800 W加热器4只(已经考虑备用)，为了能够让温度均匀分布，加热器分别在保温层四周偏下部安装。

(4) 电控箱内散热总量Q3由下式计算：

Q3=A3λ1(T0-T1)/δ.

(4)

其中：A3为电箱外表面面积，取值8.2 m2。将相关参数代入式(4)，计算得Q3=169.7 W。

为了保证电控箱内温度为10 ℃，环境温度为-20 ℃情况下，在电控箱内部增加1个400 W的加热器，满足电控内元器件正常运作的要求。

2.4 电气加热器件选择

通过散热计算，保温层内部选择了基于高性能晶体半导体材质的紧凑型加热器，加热器能够在零下45 ℃到70 ℃之间稳定运行，加热的温度可以通过界面方便设定和监控，该加热器能够满足客户环境下的使用要求，为设备稳定运行提供保障。

加热器的传感器能够实时检测保温箱内的温度，当温度到达预设的条件后，加热器停止加热，在温度降低后再继续工作，通过温度控制监测，可以有效延长加热器的寿命，防止持续加热引起加热器故障。

3 整体系统的验证

为了检测整个系统在低温环境下的稳定性及可靠性，我们联合超低温实验室进行了测试，通过模拟实际工况环境下温湿度交变对起重机进行实验，测试了起重机在极端环境下的加热性能和保温性能。

在实验中分别采用5个K型热电偶来测量起重机表面的温度，5个测试点分别测量电控箱内部温度、电缆卷筒温度、起升电机温度、小车电机温度、保温箱内温度，对这5个点分别进行5次高低温循环周期的测试，这5个循环周期内在降温和升温过程中观察热电偶的温度变化。在起重机外部达到零下40 ℃后，起重机内部各个测试点的温度情况如表1所示，并测试了保温3 h后各测试点的温度情况，每个小时的变化不超过1 ℃。

表1 采集的测点温度

通过实测数据和现场观察可以得知，在零下40℃，起重机的外形结构完好，运行电机和起升电机均能在指定的温度测点下正常工作。

4 总结

本文中设计的悬挂卷扬小车符合起重机的设计标准和规范要求，通过了低温环境下的测试，并在实际使用的情况下，进行了几个月的应用测试，保温性能和稳定性能均能满足客户的使用环境要求，得到了客户的认可，为我们在低温环境下起重机的设计提供了参考。