大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用.doc

大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用（全面版）资料
地质学刊,32(3,221—226,2021
大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用
吴建华
　　(江苏省地质矿产勘查局第三地质大队,江苏镇江212001
摘要:大功率振冲法可增加碎石桩直径、桩长等,有效提高复合地基承载力,在软地基处理方面具有较好的应用前景,施工中确保加密电流、留振时间和加密段长度是保证大功率振动水冲碎石桩质量的关键。以中国北方港曹妃甸原油码头储油罐桩基工程为实例,对大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用进行了探讨。关键词:大功率;振冲碎石桩;质量控制;河北唐山
中图分类号:T U47213+5　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1674-3636(202103-0221-06
收稿日期:2021-01-29;修订日期:2021-04-24;编辑:蒋艳作者简介:吴建华(1957—,男,江苏泰兴人,工程师.
0　引　言
近年来振冲碎石桩作为一种传统的地基处理方法,已在很多地区广泛推广应用于火力发电厂、高速公路路基、工业及民用建筑等软土地基,并向超深、超大直径方向发展,传统的30k W 、55k W 的振冲器处理地基已无法满足不断提高的设计地基承载力的要求,而更趋于使用75k W 、125k W 甚至130k W 振冲器,180k W 振冲器国内已处于试验中。
大功率振冲法处理软地基设计目前还处在半理论半经验状态,一些计算方法还不够成熟,某些设计参数仍只能凭工程经验选定。因此振冲碎石桩施工特别是大功率振冲器施工质量控制显得尤为重要。
1　工程概况
中国北方港曹妃甸原油码头储油罐桩基工程位于河北省唐山市南100km 渤海中的曹妃甸岛。一期工程100000m 3
储油罐8个,本工程为T 22原油罐。储油罐高1715m ,基础半径4415m ,占地约6200m 2
,基础设计采用振冲碎石桩与原地基土组成
复合地基,桩径112m ~113m ,桩长3010m ,桩间距214m ~215m ,放射形(三角形布置。设计复合基地承载力特征值230kPa,要求振动器功率为130k W ,水压为0.3MPa ~018MPa,加密电流大于90A ,留振时间不小于8s,加密段长度013m ~015m 。
场地勘察深度内的土层为第四系全新统滨海相
沉积层,岩性为粉细砂、粉质粘土、粉土,多为层状
土。与振动水冲碎石桩施工有关地层分述如下。
①层吹填砂(Q 4m l :褐黄色,近期吹填,成分以粉细砂为主,含植物根茎、贝壳碎屑,含云母、石英、长石等矿物,湿—饱和、稍密—中密,局部松散。该层仅在T 22罐场地区域分布,层厚2130m ~4180m ,在该区域T 22罐南部和西部边缘为防波堤,1m ~4m 范围内有围填的块石。
②层细砂(Q 4m :灰黄色,石英、长石为主,见贝壳碎屑、云母,颗粒级配均匀,很湿—饱和,稍密—密实。该层分布普遍,层厚2130m ~4180m ,层底标高-6113m ~1110m 。
③层粉砂(Q 4m :灰色,石英、长石为主,见贝壳碎屑,颗粒均匀,饱和,稍密—密实。该层下部见粘性土薄夹层。该层分布普遍,层厚6190m ~20210m ,层底标高-24180m ~-9140m 。
④层粉质粘土(Q 4m :灰色,含云母、有机质、贝
壳碎屑,软塑,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度中等,韧性中等,夹多层粉砂薄层,近互层状。该层分布普遍,层厚7100m ~31170m ,层底标高-43164m ~-27170m 。
⑤层粉土(Q 4m :浅灰色,含贝壳碎屑、云母、石英,有铁锰质浸染,饱和,中密—密实,摇振反应迅速,干强度低,无光泽反应,韧性低,上部0130m ~0140m 为含贝壳15%~25%的贝壳层。该层分布
普遍,层厚0170m~6120m,层底标高-46190m~ -39176m。
场地地下水对混凝土结构腐蚀等级为中等腐蚀,对混凝土结构中的钢筋腐蚀等级为弱腐蚀,对钢结构具有中等腐蚀。
③层土在抗震设防烈度为7度时判定为液化土层,液化等级为轻微。
2　施工工艺及技术指标
2.1　工艺原理
振动水冲碎石桩,是利用起重机吊起振冲器强烈水平振动和高压力水冲贯入到土层预定深度,形成钻孔,经过清孔后从地面向孔中逐段填入碎石,并利用振冲器产生水平向振动力振挤填料及周围土体,从而在地基中形成一根密实的桩柱体,和原基地土形成复合地基,并通过桩体与桩周土相互作用共同承担上部荷载从而达到提高地基承载力,减少沉降量,提高抗震液化能力,增加地基稳定性以及消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。
振冲碎石桩适用于砂性土,非饱和性粘土,以及炉灰,炉渣,建筑垃圾为主的杂填土,松散的素填土。因其经济效益显著、工艺简单,工期短,加固效果好等特点而为建设单位所乐于接受,和其他软基加固工艺(如沉管桩、粉喷桩、CFG桩等相比,振冲碎石桩的最大特点是桩径较大(一般可达018m~ 113m、承载力大、抗液化力强。
2.2　工艺流程
振冲碎石桩的工艺流程为:测放桩位→振冲器就位→造孔→清孔→逐段填料振密→成桩结束。
2.3　主要施工机械
①振冲碎石桩机:本工程根据设计要求及技术参数,使用130k W振冲器,投入4台Z CQ130型振冲器,并配4台50T履带吊车(吊臂高,大于37m组成碎石桩机。
②填料机械:施工时每台碎石桩机配一台料斗为115m3的Z L M-30E装载机喂料。
振冲施工供水泵扬程不小于80m,流量不小于15m3/h,本工程振冲器配套采用扬程125m、供水量50m3/h的I S80-50-315型高压水泵,蓄水池采用4m3铁皮箱。
③电器控制装置:可控制振冲施工中造孔电流、加密电流、留振时间等,施工中当电流和留振时间达到设定值会自动发出信号(当电流达到设计值时,指示灯亮;当留振时间达到时,电铃响,指导控制施工。
④振冲导管:采用外径299mm,壁厚16mm的无缝钢管与振冲器采用法兰盘连接。施工前用钢尺测量,在导管上每015m用8mm盘条焊结明显的标志。
⑤自检设备:采用DPP2100型工程钻机,<42钻杆作探杆,探头采用直径74mm、锥角60°的重型探头对工程近行跟踪、成桩质量检查。
2.4　工程施工

造孔应注意以下7个方面的事项。
①振冲器开孔允许偏差不大于100mm;施工时振冲器喷水中心与桩位中心偏差不得大于50mm。
②造孔过程中振冲器应处于悬垂状态,防止振冲器偏离贯入方向,若发现桩孔偏斜应立即纠正。
③造孔水压宜控制在013MPa~018MPa,本工程经试桩应控制在014MPa~016MPa。
④造孔速度取决于地层条件、振冲器类型及造孔水压等,本工程造孔水量50L/m in,造孔速度不超过2.0m/m in。如遇振冲器不利贯入的土层时,应增加水压,如果效果仍不明显,可增设辅助水管,以增加下沉速度。
⑤造孔深度不应浅于设计处理深度以上013m ~015m。
⑥造孔时,振冲器出现上下颠动或电流大于电动机额定电流无法贯入时,应及时调整施工参数。
⑦造孔过程中,振冲器每贯入1m~2m孔段,应记录一次造孔水压、水量、电流和时间,直到贯入到设计图纸规定的孔深。

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料法进行施工,当石料在振冲器上蓬积,振冲器工作电流长时间达不到加密电流时,采用强迫填料法,即利用振冲器的自重和振冲力将孔上部的石料送到孔的下部。加密从孔底开始,逐段向上,当达到设计规定的加密电流和留振时间后,将振冲器上提继续进行下一个加密段加密,重复上一步骤工作直至加密到设计要求桩顶标高。
桩体加密按如下方法控制。
①采用加密电流、留振时间、加密段长度作为控制标准,填料量指标作为参考值,当填料量与设计要求相差较大时,及时调整施工工艺参数,确保施工质量。
②正式施工前对每台机组操作人员进行岗前培训,确认施工工艺及施工技术参数。本工程采用的主要技术参数为:加密电流≥95A;留振时间8s;加密段长度30c m~50c m。
③桩体材料采用40mm~150mm碎石,含泥量不大于5%。
④桩体加密由桩底标高开始,每次提升振冲器高度在110m~115m左右,保证孔内有015m加密桩体的填料量,并严格控制加密段长度在30c m~50c m 内,中间不得漏振,振冲成桩应超过设计桩顶标高110m~115m,当超高不足时,振冲施工后应对基地土层及有效桩体顶部做压实处理。
⑤加密水压控制在013MPa~016MPa。
⑥振冲成桩时应连续施工,不得中途停止,以免影响成桩质量,施工中如发现串桩,应对被串桩重新加密或在其旁边补桩。
⑦成桩过程中,应保持振冲器处于悬垂状态,施工电压应保持稳定,允许偏差为380V±20V,加密过程中,当电流超过振冲器额定电流时,暂停或减缓振冲器的贯入或填料速度。
⑧施工时应由专人负责查对桩号,桩体加密时,每110m~210m记录一次电流、时间、水压,并及时记录填料量,记录要详细、如实、准确、整洁。
⑨成桩完成后的桩顶中心与设计定位中心偏差应小于200mm。
3　施工过程中的质量预控、事故处理
311　桩位偏差控制
①桩位:每测放一批桩应及时由质检员检查验收,并及时报监理审查。
②由于土质(已施工段和未施工段相差大不均匀,造孔时向土质软(未施工的一侧偏移,则在开孔时将振冲器向硬的一边稍作偏移,偏移量根据现场施工实际情况确定,也可在软土一侧倒入填料阻止桩位偏移。
③桩位标识应明显、牢固,在施工时应注意复核,保证其准确度。
④如振冲器导管上端的横拉绳拉力方向或松紧程度不合适造成振冲器偏移,现场应及时调整拉绳方向和松紧度。
⑤振冲器与导管安装时中心线不在垂直线上或导管弯曲。施工前应及时检查,发现问题,应立即调整或更换弯曲的导管。
312　桩顶标高(有效桩长控制
施工中应及时测量了解地面高程变化情况。当地面出现下沉或淤积抬高时,振冲器入土深度要做相应调整,以保证桩体长度。
313　施工技术参数的控制
①为保证加密电流和留振时间的准确性,施工中应采用电器自动控制系统。机械在高频振动条件下,设定的加密电流、留振时间可能发生变化,应及时校正。
②施工中应确保加密电流、留振时间和加密段长度都满足设计要求,否则不能结束这一加密段。如成桩加密电流达不到设计要求,而振冲器在提拉时电流异常超负荷,此时应停止填料,在该加密段多次提拉振冲器,待被卡石料畅通后正常施工。
③相同型号振冲器的空载电流也存在差异。因此,在施工中安排专人班前测量各机组振冲器的空载电流并进行记录。当空载电流变化在5A以内时,应及时调整加密电流,当空载电流发生突变时应停止使用,查明原因对振冲器进行检修,合格后再使用,保证各机组施工质量的一致性。
314　材料质量的控制
①填料应经过质量检验方可使用,填料的粒径、含泥量及强度等指标应符合设计要求,填料应按2000m3~5000m3作为一组试样进行质量检验,不足2000m3时按一批次送检。对不合格的石料一律清除出场。
②前场孔口指挥人员应控制好加料速度和加料量,并及时做好记录。
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第3期　　吴建华:大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用
315　桩体质量自检控制
对桩体的密实度采用重型动力触探进行抽样检测,检测时间为成桩1d后进行,检测数量按施工桩数的1%~3%控制,随机进行,检测合格标准为标准重型动力触探取值大于20击/10c m。随着工程的进行要跟踪并检查成桩质量。
316　预防抱卡振冲器(导管
①采用大直径高强度导管,减小导管与振冲器连接处的突变,增加造孔设备的自重,增强穿透能力,可降低抱卡振冲器的机会。
②当出现卡抱振冲器的迹象时,应及时停止下放振冲器,让振冲器停留在原深度,加大水压水量预冲一段时间,然后缓慢下放振冲器,在该地段附近多次上下提拉振冲器清孔,实现穿透。
③当振冲器不慎卡埋在孔中,采用以上方法无效时,可使用大吨位吊车提住振冲器,起动振冲器慢慢上提,多次反复直至提出。
4　施工质量及效果检验
受业主委托,保定实华工程测试对本工程进行了碎石桩单桩复合地基静载试验、碎石桩桩体重型动力触探试验及桩间土标准贯入试验,检验复合地基承载力、桩体的密实性、成桩连续性,评价桩间土的加固效果。共计完成单桩复合地基静载试验5组、桩体重型动力触探试验15根、桩间土标准贯入试验5孔,试验位置如图1。
　　根据“中国石化华北管网曹妃甸原油罐振冲碎石桩复合地基检测报告”,T22原油罐复合地基静载试验P-S曲线平缓光滑,在520kPa最大试验荷载下,各检测点复合地基均未遭到破坏,各检测点复合地基承载力特征值均不小于220kPa,复合地基承载力特征值为260kPa,满足设计要求。T22原油罐碎石桩桩体密实度较好,连续性、均匀性也较好。碎石桩桩间土性质与场地勘察资料相比有较大改善,强度有较大提高,③层土的液化已经消除。检测结果如表1、图2

。
图1　T22罐检测点平面布置示意图
12静载试验桩;22重型动力触探试验桩;32桩间土标准贯入试验点
(说明:①T2210251表示T22罐第10圈第51根桩;②桩位按顺时针方向布置;③检测点标注
表1　各检测点复合地基承载力特征值及对应沉降量
试验点号T22123T2210251T227229T2210221T22728复合地基承载力特征值f
s p,k
/kPa260260260260260

5　结　语
振冲法加固软土地基具有速度快、工期短、工艺简单、操作简便、成本低、应用广泛等特点。振冲碎石桩加固的软粘、砂土地基,承载力可提高3倍。一般认为,设计承载力小于200kPa的结构,基础采用振冲法加固地基比较经济,与其他桩基础相比,可节省工程费用60%左右,缩短一半工期。而大功率振冲器则更有成桩直径大、加固地基深度大、加固后复合地基承载力高的优点,在水库堤坝加固、码头、大型油罐等软地基处理中已显现出有效提高复合地基
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图2　T22罐静载试验点检测曲线汇总图
承载力的良好效果。抓好施工过程中漏振、加密段过长及加密电流偏小等环节的质量控制,是大功率振冲器(特别是130k W加固超深地基成功的关键。实践表明,适当增加振冲设备自重(7t~8t,用75T ~100T汽车吊配合施工,效果更好。
参考文献:
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第3期　　吴建华:大功率振动水冲碎石桩在超大储油罐软土地基中的应用

碎石挤密桩在软土地基处理中的应用

刘栋君
（清远市正阳公路工程监理）
0.引言
软土是指在滨海、湖泊、河滩、谷地、沼泽上沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、抗剪强度和承载低的软塑到流塑状态的细粒土。在清远市主要有河滩沉积、谷地沉积形成的软土。在软土地基上修建公路，高路堤则存在稳定性差和过大的变形沉降现象；而低路堤在交通荷载作用下，使公路量沉降变形，严重影响公路的质量和使用功能，存在安全隐患、影响行车安全。因此对软土地基必须进行加固处理。常用软土地基（路基地基、下同）处理方法有：浅层软土地基（不大于3m）,一般采用挖除换填或挖砂沟堆载预压等浅层处理措施；深层软土地基（大于3m），常用碎石挤密桩、水泥搅拌桩、塑料排水板预压等。本人参加国道323线连山吉田至鹰扬关段改建工程监理工作，该路段K632+550～K632+685、K633+160～K633+200.5及K633+260～K633+405.5三段，累计长321 m,经地质勘探探明其在3.5～12.9 m深度范围出现深层软土地基，地基承载力为80Kpa，采用振冲碎石挤密桩加固方案处理。工程质量、工程进度都得到保障,取得较好效果，现将碎石挤密桩在软土地基处理中的应用简介如下：
1.振冲碎石桩优缺点、适应范围和工程特点
1.1优点
⑴振冲碎石桩材料来原较广泛，其不是单纯的用碎石制桩，还可因地制宜，就地取材，可采用卵石、砾石、矿渣、碎砖制桩；
⑵不需要水泥等胶凝材料，省去了配置加工工序。
⑶对砂土、粉土和碎石土具有挤密和置换作用；对粘土和填土以置换为主，兼有不同程度的挤密和排水作用。效果较好。
1.2 缺点
⑴施工要求较严，要严格按试桩结果土质软弱程度控制好水压、电流和留振时间等，否则很难打入设计深度或出现塌孔现象；抗剪强度小于15KPa的地基土，难以成桩。
⑵施工现场高压电线以及烂泥地，须注意用电安全。
⑶工程量较小时，机械调遣费显得较偏高。
1.3处理原理
对砂土、粉土和碎石土具有挤密和置换作用；对粘土和填土以置换为主，兼有不同程度的挤密和排水作用。利用成孔过程中沉管对土的横向挤密及振密作用，使土体向桩周挤压，桩周土体得以挤密，同时分层填入并夯实碎石，形成碎石桩，使桩与土形成复合地基。
1.4工程特征
施工工艺较复杂，较其他方法比较造价偏高高，施工时对周围环境影响大。
1.5适用范围
适用于加固松散的非饱和(含水量小于25%)的粘性土，杂填土、湿陷性黄土、疏松的砂性土。对饱和软粘土，应慎重使用，可处理液化。具体量化指标是适用于十字板抗剪强度大于15KPa 的地基土。
2.工程设计
碎石挤密桩设计以中华人民共和国行业标准《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）为依据，设计复合地基承载力为130Kpa。
2.1桩径及对碎石要求
碎石桩设计直径为0.5m；碎石含泥量应小于10%，碎石粒径19～63mm；
2.2桩距及布置
桩距采用1.5m，正方形布置；
2.3桩长
要求打穿淤泥及软土层，深入其下土层至少0.5m；桩长4～13.4m
2.4桩顶处理及填筑路基
在桩顶先铺筑0.5m厚砂砾垫层,再铺设一层土工隔栅, 土工隔栅抗拉强度不小于25KN/m;然后分层填筑路基。
2.5施工参数
⑴造孔电流110A;
⑵加密电流90A;
⑶造孔水压0.5～0.8Mpa;
⑷加密水压0.4～0.7Mpa;
⑸加密段50cm;
⑹留振时间12s;
⑺填料量0.275m3/m。;
3.工程施工
碎石挤密桩施工符合中华人民共和国行业标准《公路路基施工技术规范》（JTG F10—2006）的有关规定
3.1施工机械
国道323线连山吉田至鹰扬关段改建工程软土地基采用振冲成桩法。施工机械包括振动机（电机功率55kw）、装砂料斗、振动套管组成的振动打桩机组。通过吊钩、缓冲器吊起，沿着导杆上下移动。套管的下端有底盖。为了使碎石有效地排出或套管易于沉入，还配有高压空气的喷气装置。其辅助设备有起重机、铲式装载机、空压机等。
3.2试桩成果
⑴造孔水压0.6～0.7Mpa;
⑵加密水压0.5～0.6Mpa;
⑶造孔电流110A;
⑷加密电流90A;
⑸留振时间11s;
3.3施工程序
⑴清淤、清理场地，平整场地至桩顶设计标高；布置桩位，根据试桩结果，确定施工技术参数。桩体采用间隔方式（即跳打）制桩。
⑵放线、定位：测量放线后吊车就位，徐徐吊起振冲器，使其竖直、悬空，距地面10～20cm，并让尖端对准桩位，检查水压、电压和振冲器电流是否正常。
⑶开动振动机把套管沉入土中，如遇到坚硬难沉的土层，可辅以喷水或射水沉入；
⑷把套管沉到设计深度；
⑸套管入土后，挤密了套管周围土体，然后将料斗插入桩管，向管内灌一定量的碎石；
⑹再将套管提升到规定的高度，套管内的碎石被压缩空气从套管内压出；
⑺然后又将套管沉入规定的深度，并加以振动，使排出的碎石振密，于是碎石再一次挤压周围的土体；
⑻再一次灌碎石于套管内，把套管提升到规定的高度（5～8工序重复多次），一直打到地面就成为碎石挤密桩。
⑼关机、停水，振冲器移位至下一桩位。
清沟排污：打桩过程中，施工现场安排人力清沟，保证排污网络畅通，避免泥浆漫淌，沉淀后的泥浆采用泥浆车出运至弃土场排放；做好场地整洁，文明施工。
⑽清沟排污：打桩过程中，施工现场安排人员清沟，保证排污网络畅通，避免泥浆漫淌，沉淀后的泥浆采用泥浆车运至弃土场排放。
⑾填料记录：每根桩体的充盈系数ß=1.2～1.5，施工过程中通过振冲器上配备的振冲碎石桩施工自动监控系统记录仪，对每段桩体的成孔电流、密实电流、填料量及留振时间等进行现场施工过程的实时跟踪记录，作为设计、监理部门质量签认的主要依据。每跟桩施工均填写施工记录表。
⑿铺设碎石垫层：振冲碎石桩处理完成后，在桩顶上铺填50cm厚砂砾垫层，全部处理范围均采用20t振动压路机重叠轮迹碾压至少两遍。
3.4施工质量控制
⑴严格控制水压、电流和振冲器在固定深度位置的留振时间。水量要控制好，使孔内充满水，防止塌孔，使制桩工作得以顺利进行；水压视土质及其强度而定，一般对强度较低的软土，水压小一些；对强度较高的土，水压大些；成孔过程中水压和水量尽可能大，当接近设计加固深度时，降低水压，以免影响桩底以下的土；加料振密过程中水压和水量均小些。
⑵电压一般为380±20V，并保持稳定。电流一般为空载电流加10～15A为加料振密过程中的密实电流，或为额定电流的90%。严禁在超过额定电流的情况下作业。振冲器在固定深度位置留振时间为10～20S。
⑶填料注意加料不过猛，原则上“少吃多餐”，勤加料，但每批不加得太多。施工中，每段桩体均做到满足密实电流、填料量和留振时间三方面的规定。当达不到规定的密实电流时，向孔内继续加碎石并振密，直至电流值超过规定的密实电流值。避免出现断桩，缩径现象。
⑷振冲碎石桩施工严格按《公路路基施工技术规范》（JTG F10—2006）的有关要求施工。
⑸碎石桩质量检验：振冲碎石桩施工完成四个星期后即可做单桩复合地基荷载试验，按每300根随机抽取1根进行检验，但总数不得少于3根。要求符合地基容许承载力不少于130KPa;桩体密实度抽查5%；复合地基承载力抽查5%，采用重Ⅱ型动力触探测试。碎石桩软基处理经检测符合有关规范及验收标准要求后，经监理工程师批准方可转下一道工序。振冲碎石桩施工施工质量标准如下表。
碎石桩施工质量标准
项次
检查项目
允许偏差
检查方法和频率
1
桩距（mm）
±150
抽查3%
2
桩径
不小于设计
查施工记录
3
桩长
不小于设计
抽查3%
4
竖直度（%）
1.5
查施工记录
5
灌碎石量
不小于设计
查施工记录

4.处理后的效果
4.1沉降处理。
促进固结沉降；减少总沉降量。
4.2稳定处理。
有效控制剪切变形；增加滑移抵抗；防止液化。
5.结语
干振碎石桩是处理松软地基土的一种行之有效的方法，它是挤密桩的一种，这三段地基经振冲碎石桩地基处理后，桩间土密实度有明显的提高，液化指数大幅度降低，复合地基承载力相应提高，采用现场原位试验法作现场地基承载力检测，地基承载力均达到130Kpa，满足了设计要求。

　　　　2021年第12期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 　

大功率
串励直流电机控制器功率板散热设计分析
11　
收稿日期:2021-10-26改稿日期:2021-22-30
大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析
王　程,周汉义,王海华
(合肥工业大学,安徽合肥230009
摘　要:在电机控制器的使用过程中,经常会由于电机控制器本身的过热保护,导致电动叉车不能按时按量的完成工作,特别是在环境温度较高的时候更是如此,从而严重影响了工作进度,为此,通过对电机控制器的重新设计改进,以及其影响散热的主要因素进行考察,最终验证电路板铜箔厚度才是影响电机控制器散热的最主要因素。
关键词:散热;功率板;电机控制器
中图分类号:T M 33　　文献标识码:A 　　文章编号:1004-7018(202112-0011-02
D esi gn and Ana lysis of Power Board Rad i a ti on for H i gh Eff i c i ency Ser i es of Exc it a ti on DC M otor
WAN G Cheng,ZHOU Han -yi,WAN G Hai -hua
(Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009,China
Abstract:Mot or contr ollers often st op s working because its temperature is t oo high t o reach its te mperature of p r otec 2ti on,therefore,the work of electric f orklift can not be comp leted as scheduled,es pecially in the envir on ment of high te mpera 2ture .The p r ogress of work is seri ously affected .The most i m portant fact or of radiati on has been found after redesigning its mot or contr oller .Result of the experi m ent shows that the most i m portant fact or of radiati on is PCB board thickness of cooper f oil .
Keywords:radiati on;PCB thickness of cooper foil;mot or contr oller
0引　言
电动叉车用电机是2.2~8k W 的大功率串励
直流电动机,其控制器采用模拟电路设计,已得到广泛应用。该控制器分为控制板和功率板两部分。其中控制板中的温度保护、短接保护等各种保护电路保证了电机控制器在恶劣的情况下可以正常工作,并且不会损坏电池或者电机;功率板则包括了电流限制的取样电阻和反馈信号,最重要的是它承受着控制器几乎全部的电流和热量。如果功率板不能尽快地将热量散去,将会导致控制器内部温度迅速上升,很快达到温度保护电路的极限而进行保护,从而使电动叉车的使用效率大大降低,尤其在炎热的夏天更是如此。然而,目前系统研究关于决定功率板散热的主要因素和文献较少。
根据当前控制电动叉车行走电机控制器中功率板的热量如何及时散去的问题,我们进行了一系列的实验。由于电机控制器功率板正常工作状态下的平均工作电流能达到上百安培,瞬时电流甚至可以达到600A 。在45~48V 的工作电压下,大约有1~2k W 的功率消耗在电路板上,功率板的散热好坏决定了该控制器的质量。我们通过对控制器不同条
件下的实验,探讨了功率板散热的影响因素。
1影响功率板散热的一些因素
1.1散热底座
散热底座放置的位置以及其与被放置的平台所接触的面积和良好程度决定了底座的散热情况。另外,芯片与底座的接触是否良好也决定着最终散热的好坏。
1.2功率管的选择
常用的功率管有I RF3710、I RF B4710、I RF B4310。其中,I RF3710和I RF B4710是专用的电机控制器MOSFET 管。这三种芯片的主要区别如表1所示。表1　三种芯片的性能比较
I RF3710
I RF B4710I RF B4310导通内阻R DS /m
Ω2314 5.6~7.0漏极最大电流I D /A 57
75140线性降额因子/(W ・℃
-1
1.3
1.4
2.2
　　根据芯片资料的对比分析,得出的结论是,I RF B4310在所能承受最大电流方面明显优于I RF3710和I RF B4710,但是在随管壳温度升高的过程中,其所能承受的最大耗散功率也下降得非常迅速。1.3电路板铜箔厚度
铜箔的厚度对于电路板本身所能承受的电流和热量的大小起到决定性的作用。最常用的铜箔厚度在18μm ,较厚的大约在75μm 。而针对控制器中
的大电流和大功率的问题,我们采用了多种铜箔的

D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2021年第12期　　

大
功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析
12
　厚度进行实验对比。2实验过程(400A,48V 规格的控制器
根据对电机控制器的规格要求,在正常情况下,控制器的平均输入电流应该可以保持在100A (环境温度25℃左右并持续较长的时间。而最大电流时候(平均输入电流为200A 则持续时间很短,即控制器内部温升很快,迅速到达温度保护电路中设定的
85℃。
实验就是依据这样一个工作标准,使用不同的功率管和电路板的不同铜箔厚度,通过对控制板电位器的调节,改变P WM 信号的占空比控制其工作电流的大小,以测试其是否可以满足规格要求,以及在功率板工作中,影响其散热良好程度的因素。2.1芯片采用I RF3710/I RF B4710/I RF B4310,铜箔厚度为175μm ,保持环境温度25℃
从图1中可以看到,在保持室温25℃,铜箔厚度为175μm ,整机持续工作的情况下,I RF B4710的承载电流明显比I RF3710大,而I RF B4310
所能承载的长时间工作电流则最小。这可能是因为I RF B4310管芯所能承受的耗散功率随管壳温度每升高1℃降低2.2W ,而I RF3710/I RF B4710则每升高1℃降低1.3/1.4W ,即随着芯片温度的升高,I RF B4310的带载能力也明显下降,管芯温度迅速上升,使得整机达到设定的保护温度从而停止工作。对比I RF3710/I RF B4710则因为其管芯所能承载功率随温度升高而发生的变化相差不大,综合导通内阻和最大漏极电流的因素,使得
I RF B4710的持续工作时间比I RF3710明显有所提升。
图1　功率管对持续工作时间的影响
由以上实验我们可以得出,功率管本身并不是
影响功率板散热的主要因素。

从图2中,我们可以明显地看到,铜箔厚度达到150μm 的实验数据明显要比铜箔厚度只有18μm 的数据好很多。在工作电流100A 时,150μm 的控制器的工作时间比18μm 的控制器提高了一半多,并且在100A 以下时,甚至都可以连续工作几个小
时都不会到达温度保护电路中限定的温度。
图2　铜箔厚度对持续工作时间的影响

从图3中同样可以看到,在功率管相同、环境温
度相同的情况下,175μm 铜箔厚度的实验数据明显比50μm 的数据好很多。在铜箔厚度为50μm 工作电流为140A 的情况下,I RF B4310只工作了25m in 便达到了温度保护设定的温度,而175μm 的铜箔厚度下,却可保持140A 的工作电流长达几个小时而并未达到应保护的温度。
图3　铜箔厚度对持续工作时间的影响
从以上数据可以看出,铜箔厚度对功率板的散
热效果起到了重要的作用。
3结　语
从实验数据可以看出,所研制的控制器满足实用要求,并且不同的MOSFET 管对控制器的工作效率有一定的影响,但是MOSFET 管本身的性能并不是功率板散热的主要因素,功率板的铜箔厚度才是对其散热起着主要作用的因素。参考文献
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作者简介:王程,男,硕士研究生,主要研究方向为计算机在材料科学中的应用。
大功率逆变器组合式IGBT过流保护方案

现代功率变换器均采用大功率半导体开关器件，其所能承受的电流过载能力相对于旋转变流装置要低得多，如IGBT一般只能承受几十微秒甚至几微秒的过载电流，一旦发生短路就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件，切断短路电流，使开关器件不致于因过流而损坏。但是，在短路情况下迅速关断开关器件，将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt。由于引线电感和漏感的存在，过大的di/dt将产生很高的过电压，使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT，过高的电压又可能导致器件内部产生锁定效应，从而使器件失控而损坏。因此，必须综合考虑和设计功率变换器的短路保护电路，以确保电流保护的有效性。
    1．IGBT的失效原因和保护方法
    引起IGBT失效的原因有：
    ①过热损坏。集电极电流过大易引起瞬时过热，如器件散热不良会使器件持续过热，当温度超过允许值时IGBT器件将损坏。如果器件持续工作在外部负载短路状态下，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升。若芯片温度超过硅本征温度（约250℃），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际运行时，一般最高允许IGBT器件的工作温度为130度左右。
②超出关断安全工作区引起锁定效应而损坏。锁定效应分静态锁定效应和动态锁定效应，IGBT为PNPN四层结构，体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正向偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，栅极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态锁定效应。IGBT发生锁定效应盾，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态锁定效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dUCE/dt很大，引起较大位移电流流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。
    ③瞬态过电流。IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，如果不采取措施，也可能会导致IGBT失效。
    ④过电压造成集电极与发射极击穿。
    ⑤过电压造成栅极与发射极击穿。
    2．IGBT的保护方法
    当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区(SCSOA)内。IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由于短路故障而造成IGB