采煤机电控箱水道散热设计.pdf

第4 4 卷第3 期2023年6 月煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical TechnologyVol.44 No.3Jun.2023技术实践何寒冰.采煤机电控箱水道散热设计J.煤矿机电，2 0 2 3,4 4（3）：6 1-6 3,6 7.doi：1 0.1 6 5 4 5/j.c n k i.c m e t.2 0 2 3.03.013采煤机电控箱水道散热设计何寒冰（天地上海采掘装备科技有限公司，上海2 0 0 0 3 0）扫码移动阅读摘要：针对采煤机电控箱内变频器安装板的水道散热问题，分析了变频器内部的功耗电器件，运用仿真技术建立了变频器安装板及变频器简化散热模型。利用仿真工具对比仿真了2 种不同水道结构的散热性能，验证了双层水道结构的散热效果更佳。通过对仿真数据的分析，为后续采煤机内水道设计提供了技术基础及参考依据。关键词：采煤机电控箱；水道散热；优化设计；仿真分析中图分类号：TD632.1Heat Dissipation Design of Coal Mining Machinery文献标志码：BControl Box Waterway文章编号：1 0 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 6 1-0 4HE Hanbing(Tiandi Shanghai Mining Equipment Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)Abstract:In response to the water channel heat dissipation problem of the frequency converter installation platein the coal mining machinery control box,the internal power consumption electrical components of the frequencyconverter were analyzed.Simulation technology was used to establish the frequency converter installation plate andthe simplified heat dissipation model of the frequency converter.The heat dissipation performance of two differentwater channel structures was compared and simulated using simulation tools,verifying that the double layer waterchannel structure has better heat dissipation effect.The analysis of simulation data provides a technical foundationand reference basis for the subsequent design of the inner waterway of the coal mining machine.Keywords:electronic control box of coal mining machine;water channel heat dissipation;optimistic design;simulation analysis0引言散热技术在现代工业中扮演着重要的角色，随着现代采煤机牵引部变频器的功率越来越高，在采煤机电控箱内部产生大量热量，这时候散热系统的设计和优化显得尤为关键。基于散热技术的基本原理和设计方法，通过建立仿真模型，优化设计采煤机电控箱水道结构。1散热系统散热系统是工业设备中常见的一个系统，主要作用是将设备内产生的热量带走，以保证设备的正常运行和安全性。散热是温度高的物体向温度低的物体热传递。热传递有3 种方式：1）传导。这种方式通过同一固体温度高区域向低区域因分子、电子运动碰撞而产生能量传递。2）对流。对于液态、气态或流体因对流而产生能量传递。623）辐射。电子运动会产生电磁辐射，对于热辐射也会传递热量。在采煤机电控箱中，由于电器件的使用和运行，会产生大量热量，如果不及时散热，会导致电器件的温度过高,进而影响其性能和寿命，甚至可能引起设备故障和安全事故。水冷主要是利用水的流动将采煤机电控箱内产生的热量带走，通常是通过水泵将冷却水送人水冷板，冷却水在水冷板水道内与电控箱内产生的热量进行热交换，然后将热水排出。在采煤机电控箱内主要发热电器件，变频器主要使用水冷方式进行散热，水道结构布局方式、冷却水的流量、温度和材料特性等因素都会影响散热系统的性能2。因此,散热系统的设计需要进行全面的综合考虑，以保证其散热性能。2散热原理和设计方法流体力学的能量守恒方程是指描述流体内能量变化的数学方程。它基于热力学第一定律,即能量守恒定律，考虑了热传导、热对流和热辐射等因素的影响，用于描述流体内部的能量转换和传递过程。能量守恒方程(1)可以写成一般的形式,即：dTpcdt+V q=H式中:p为密度;c为比热容;T为温度;q为热传导率；H为热源项。这个方程表示流体内部的温度随时间的变化率加上热能的传播与产生率等于热源项3。这个方程描述了在流体运动过程中，热能也会在各个部分之间转化，但总热能守恒。能量守恒方程在流体力学中具有重要作用。它可以用于分析流体内部的能量转换和传递过程，例如热流、温度分布等。同时，它也可以用于优化流体系统的设计和操作，以实现能量的最大利用和节约。2.1热传导热传导是指热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式。据傅里叶热传导公式（2)可知，传热速度与温差成正比，与距离成反比。kA(T,-To)qL式中：9 为单位面积热流密度；A为与热传递方向垂直的面积;k为热导率;T为高温区的温度;T。为低温区的温度;L为热的移动距离。2.2热对流热对流是指通过流动介质热微粒由空间的一处煤矿机电向另一处传播热能的现象。热对流传递的热量主要由对流换热系数和换热面积决定,Newton对流换热公式（3）如下：q=hA(Th-T.)式中：q为单位面积热流密度;A为与热传递方向垂直的面积;h为对流换热系数;T，为固体温度;T。为流体温度。对流换热系数与导热系数不同，它不是一个特定值，而是由流动条件和壁面状态共同决定的系数。随着流体速度的增加,对流换热系数变大4。本文通过三维软件建立水冷板和变频器的简化模型，运用仿真软件进行模拟仿真。在相同条件下，通过改变不同的水道结构，得出仿真结果，比较两种不同水道结构的差异性，并找到散热效果为佳的一种水道结构，为后续类似设计提供参考。3散热仿真方案3.1输入仿真条件文中使用变频器主要发热器件是6 个ICBT,单个IGBT最大产热量4 0 0 W，总发热量2 4 0 0 W。冷却进水开氏度2 9 8 K（合摄氏度：K-273.15=24.85）,环境温度2 5。进出口位置定义：进口设置冷却液流量2 0 L/min。湍流强度5%，黏性比1 0。(1)IGBT与周围空气、模型外壳与外界空气对流换热系数为1 0 W/m.K。3.2材料特性把变频器抽象成6 个IGBT安装于铝板，再贴合到水冷板上。铝板材质为6 0 6 3-T5，水冷板尺寸为6 4 0 mm 300mm 55mm;水冷板材质为Q460,如表 1 所示。表1 材料热物性密度/导热系数/模型材料名称(kg m*3)铝板铝6 0 6 3-T5ICBT铜水冷板钢Q4603.3建立仿真模型根据变频器的安装位置建立仿真模型，模拟采煤机电控箱散热水道建立一块水冷板模型，根据变频器的外形尺寸和IGBT的位置建立发热源模型，(2)图1 和图2 为2 种不同水冷板结构的简化模型。在仿真软件中,fluent模型由水冷板、冷却水、散热铝板和IGBT等效模型组成。通过数据计算分析得出以下结果：网格划分成3 万节点、1 1 万网格，较简化，如图3所示。2023年第4 4 卷(3)比热容/(w/m k)(J/kg k)2.70020089783907850168703805002023年第3 期何寒冰：采煤机电控箱水道散热设计3.444e+012.964e+012.485e+01C63出水口图1 水冷板单层水道结构和变频器简化模型进水口水温开氏度2 9 8 K00.1000.200m0.0500.150进水口图6单层水道中冷却水温度进水口温度3.444e+012.964e+012.485e+01C出水口水温开氏度2 9 9.7 0 2 K出水口0.1000.0500.150hihet0.200mX图7单层水道中冷却水温度出水口温度进水口图2水冷板双层水道结构和变频器简化模型图3等效模型网格划分3.4仿真方法流体模型方程有能量方程、端流k-两方程式realizable(可实现型）。求解方法。压力一速度耦合方式用Couple算法。梯度用最小二乘法。求解的迭代次数设为800次。3.5仿真结果单层水道仿真结果如图4 7 所示，双层水道仿真结果如图8 1 1 所示。TemperatureContour27:279e+016.799e+016.320e+015.840e+015.361e+014.882e+014.402e+013.923e+013.444e+012.964e+012.485e+01C图4单层水道对应的温度图TemperatureContourl2.909e+012.867e+012.824e+012.739e+012.782e+012.697e+012.655e+012.612e+012.570e+012.527e+012.485e+01出水C图5单层水道中冷却水温度变化图TempertureContour23.803e+013.671e+013.539e+013.408e+013.276e+013.144e+013.012e+012.880e+012.749e+012.617e+012.485e+012.684e+012.664e+012.644e+012.624e+012.604e+012.584e+012.565e+012.545e+01出水2.525e+012.505e+012.485e+01C图9双层水道中冷却水温度变化图2.749e+012.617e+012.485e+01C图1 0双层水道中冷却水温度进水口温度出水口进水口ANSYS进水出水口图8双层水道对应的温度图进水进水口水温开氏度2 9 8 K00.1500.0750.22512:749e+012.617e+012.485e+01C出水口水温开氏度2 9 9.7 3 6 K0.075图1 1双层水道中冷却水温度出水口温度进水口0.300m00.1500.225Z0.300m(下转第6 7 页）2023年第3 期析，融合各类高性能传感器及分析系统，包括智能控制和分析软件、专家数据库系统、高精度控制液压设备、车辆跟踪系统、车速检测测量等，在装车过程的信息全掌握的基础上，建立高稳定、高可靠、兼容性强的自动化模型和控制系统，无须人工干预，实现从物料上料，高精度定重称量配料到列车车厢卸料全系列工艺流程的自动控制过程，具有良好的应用基础。本文所述的铁路智能装车技术在山西天地王坡煤矿铁路智能装车系统升级改造中已成功应用，铁路智能装车系统建设完成后，平均每节车厢装车时间对比人工装车可减少1 0 s，按照每列车3 0 节车厢、每天平均装5 列车计算，月减少装车时间为7 5 0min,在提高矿山建设智能化水平的基础上实现了减人增效的目标。4结论本文研究的铁路智能装车技术，在常规铁路装车系统建设的基础上增加智能控制设备和智能控制算法，实现了铁路装车全过程周期的无人化控制。采用搭建智能管理平台的方法将装车的智能控制与信息处理相融合，实现了两化融合的目标。铁路智能装车技术已在王坡矿落地应用，达到了良好的应33353335533535333533335333353(上接第6 3 页）3.6仿真结果分析表2 不同水道形式的散热性能比较水道大水道孔截面水道长度/形式mm单层30双层16由表2 可知,在相同条件下，即便减小水道孔尺寸，只要做成双层水道形式，散热效果就会优于单层大孔水道形式。4结论通过上述的模拟仿真，在采煤机电控箱水道散热设计中，合理的水道布局设计是确保散热性能的崔义森：铁路智能装车系统技术研究与应用用效果。参考文献：1夏晓云.推动我国铁路煤炭运输发展的对策探讨J.企业改革与管理,2 0 2 2(1 0)：1 6 5-1 6 7.2陈科，张倩.煤运火车智能装车系统研究与应用J.微型电脑应用,2 0 2 2,3 8(1 1):1 7 8-1 8 1.3孙丁丁.基于电液伺服技术的智能装车控制系统设计研究J.中国煤炭,2 0 1 9,4 5(2):7 5-7 8.4 刘子彬.基于IO-Link技术的散粮智能装车系统J.港口装卸,2 0 2 2(6):4 4-4 6.5 单德兴.快速定量装车站智能装车关键技术研究D.辽宁：辽宁工程技术大学，2 0 2 0.6李建功.同忻矿快速定量装车系统智能化改造及应用J.能源与节能,2 0 2 1(1 0）：1 8 5-1 8 7.7孙祖明.无人化汽车装车站智能装车技术研究J.煤矿机电,2 0 2 2,4 3(5):4 0-4 3.8 张婧婧，白晓.基于激光点云的三维测量系统设计J.现代电子技术,2 0 2 0,4 3(1 4)：4 8-5 1.9伍锡如，薛其威.基于激光雷达的无人驾驶系统三维车辆检测J.光学精密工程，2 0 2 2,3 0（4）：4 8 9 4 9 7.10张寅，李斌，杨冬.基于物联网技术的大型机械设备智能管理系统开发J.中国仪器仪表，2 0 2 3（2）：5 3-5 8.作者简介：崔义森（1 9 8 8 一），男，助理研究员。2 0 1 3 年毕业于中国矿业大学（北京）（硕士学位）。现从事散装物料智能装车研发工作，已发表论文1 篇。（收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 7；责任编辑：任雨晴）重要环节，此方法在实际设计工作中具有指导意义和使用价值。只有在全面考虑各种因素的情况下，才能设计出高效、稳定、安全的散热系统，确保采煤冷却水最高IGBT位置最高mm温度/3 34830.376 07826.8467机电控箱的正常运行。温度/参考文献：72.791 尹玉新，朱兆霞.矿用隔爆型变频器水冷散热性能研究J.煤38.03矿机械,2 0 1 5,3 6(8):8 3-8 5.2 罗毅，王江.化学镀镍工艺技术在采煤机水道防腐中的应用研究J.煤矿机械,2 0 1 5,3 6（4)：2 5 2-2 5 4.3陈克华，常小刚，张渤阳.采煤机电控箱冷却水道设计和工艺研究J.机械工程师,2 0 1 4（1 1)：2 5 7-2 5 8.4刘丹,张祚明,刘磊.采煤机电控箱冷却方式J.煤矿机械，2011,32(12):214-215.作者简介：何寒冰（1 9 8 2 一），男，助理工程师。2 0 1 0 年毕业于上海交通大学（硕士学位），现主要从事煤矿隔爆电控箱的设计工作。（收稿日期：2 0 2 3-0 3-1 5；责任编辑：任雨晴）