煤矿井下防爆胶轮车冷却系统的智能控制研究

煤矿井下防爆胶轮车冷却系统的智能控制研究

李海东

山西天地煤机装备有限公司 山西省太原市 030000

摘要：针对煤矿井下辅助运输设备防爆胶轮车自动化、智能化水平较低的问题，以冷却系统为例，通过阐述和分析防爆胶轮车传统冷却系统的工作方式和缺点，以及对冷却系统的热平衡进行了理论计算，提出了防爆胶轮车智能冷却系统的电动部件设计、控制系统设计、电路设计及控制系统硬件设计等设计方法及原理，实现了防爆胶轮车冷却能力随其发热情况进行智能调节的功能。对提高防爆胶轮车性能、可靠性及使用寿命有重大的意义。

关键词：防爆胶轮车；冷却系统；智能化；防爆柴油机；可靠性；

前言

我国现在煤矿井下辅助运输多采用以防爆柴油机作为动力源的防爆胶轮车，具有快捷、方便、效率高、动力足等优点。但防爆柴油机作为防爆胶轮车的动力源，是防爆胶轮车的危险源之一，其采用易燃液体柴油为燃料，表面辐射热高。防爆胶轮车冷却系统不仅要冷却防爆柴油机本体及其防爆部件，还需要冷却变矩器和传动装置。而且由于煤矿井下的特殊性，防爆胶轮车的冷却系统在井下的工况往往很差。传统的散热是靠防爆柴油机带动风扇进行制冷，使防爆柴油机夏天高温，冬天过冷，热损失大、效率差、使用寿命短。因此，研究一套智能化防爆柴油机冷却系统对提高防爆胶轮车的工作效率和可靠性有着非常重要的意义。

一、胶轮车运输智能控制与管理优点

煤矿井下胶轮车运输智能控制与管理系统主机采用工业监控计算机，在较差环境中能可靠地长期连续工作，采用适度的冗余设计，在各级计算机中编有抗干扰和纠错的程序，使系统有很强的容错工作能力，各设备采用工业级芯片，各级电气接口之间全部隔离，能适应井下恶劣环境。

1.先进性

引入智能控制，解决行车路径的动态链接问题，信号联锁关系自动判定。先进的系统结构形式，以分布式控制取代集中控制，以地面调度站取代井下调度站，当设备损坏时，拓朴结构的自适应可以使系统重组，高可靠工业计算机作为主控设备，系统可方便组态，在不增加设备投资的前提下，可拓宽系统功能。为适应不同应用环境的需要，系统采取不同的网络结构∶FSK总线结构、工业以太网总线结构和CAN总线结构，满足系统环境使用。

2.适应性

井下设备采用"积木式"结构，能适应矿井延伸，应使程序具有通用性，用户能方便地自行扩充、改造，能适应运输路线的不断变化。系统具有自动、半自动和手控调度等多种调度方式，能适应不同管理方式和调度方法的矿井。系统发生局部故障时，该处信号灯能给出特殊信号，指示司机采取措施，确保安全生产，而且计算机可定位、定性报警，现场可更换插件，能适应不同水平的维护人员。系统应为集散式结构，各分站（本安车辆读卡器）就近安装在控制现场，并就近接入环网交换机，减少了电缆和施工费用。

二、传统冷却系统的工作方式及缺点

1.传统的冷却系统一般由防爆柴油机直接驱动风扇对散热器进行散热，通常安装在防爆胶轮车的头部或者尾部，由于布置方式的限制，冷却风扇只能安装在车架的狭小空间内，导致散热器及防爆柴油机周围的空气流动性变差，风扇效率低下，一般在30%上下，消耗防爆柴油机额定功率的10%左右。防爆胶轮车用散热器由水散热器、油散热器和空空中冷器简单叠加安装在一起，散热器厚度偏大导致空气通过阻力增大，风速下降，散热效率降低，散热能力下降。传统冷却系统采用以乙醚或石蜡作为反应介质的节温器，反应滞后迟缓，节流明显导致冷却系统中的冷却液流量损失大，热量损失，整个系统散热效率低。另外，防爆胶轮车在井下工作时，普遍车速较低，自然风的流速比较低，而防爆胶轮车的热源多且大部分布置在密闭矮小的空间内，造成了夏天冷却系统经常高温;冬季如果设计的散热功率过大，又会造成防爆柴油机长期处于低温的工况下，加速磨损，可靠性下降。

2.热平衡计算

（1）水散热量计算

水散热器的散热能力与散热器自身的材质，散热面积、设计厚度及风速等有关。水散热器的散热功率要满足冷却系统的散热量的要求。矿用防爆柴油机的水散热器根据《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》的要求，不应选用铝等轻金属制作的散热器，宜选用铜材料制成的散热器。防爆柴油机冷却系统散热量：

式中η—燃料燃烧传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，取η=25%;ge—防爆柴油机燃料消耗率，kgkW·h;Ne——防爆柴油机额定功率，kW;Hu—防爆柴油机燃料低热值，kJ/kg。

（2）油散热量计算

防爆柴油机液压系统散热量：

式中c—液压油比热，kJ/kg"m²;q—防爆柴油机液压油排量，kgh;△A—油散出液口温度与进液口温度的差值，C。在设计油散的散热量时还应考虑到液压系统油路中油的泄漏、风速等因素的影响，增加50%~100%的安全裕量。

三、智能冷却系统的设计

1.电动部件设计

（1）将传统的机械传动风扇变为电动风扇;将传统的以石蜡作为反应介质的节温器变为电控节温器。利用防爆柴油机的ECU电控系统对电动风扇的转速和电动节温器的开度进行智能化控制。防爆柴油机的智能控制冷却系统的工作过程相较于传统冷却系统的工作过程更为复杂、合理、节能和智能。当防爆柴油机的冷却系统的液温低于78℃时，电动风扇此时不通电，处于停止状态;当冷却系统的液温上升到78℃时，防爆柴油机的ECU接到温度传感器的信号后，发出指令控制电动装置启动电动风扇，此时风扇转速处于低速状态;当防爆柴油机的冷却系统的液温达到90℃时，防爆柴油机的ECU控制电动风扇至高速状态，使防爆柴油机的冷却系统液温控制在90℃左右;当防爆柴油机出现异常，冷却系统的液温达到98℃时，防爆柴油机的ECU会启动电子安全保护系统，紧急停止防爆柴油机的运转。

（2）电动节温器在防爆柴油机液温处于78℃以下的状态时处于关闭状态，此时防爆柴油机的冷却系统循环从防爆柴油机本体经缸盖、排气歧管、水冷增压器、双层波纹管至机油冷却器，最后返回防爆柴油机的水泵回液口，在冷却循环过程中冷却液不经过散热器。当防爆柴油机冷却系统的液温超过78℃时，ECU接到温度传感器信号后，发出指令控制电动节温器开启，防爆柴油机冷却液从防爆柴油机本体经缸盖、排气歧管、水冷增压器、双层波纹管至散热器，经冷却后返回防爆柴油机本体。

2.防爆胶轮车冷却系统控制原理

防爆柴油机通过温度传感器检测防爆柴油机冷却系统水温及液压系统的油温，检测到的信号经放大器放大后通过通过信号转换装置转换后，把信号发送至ECU，ECU按照设定的逻辑程序发出动作指令，然后将指令送至电动控制装置，最终驱动风扇或者打开电动节温器;当防爆胶轮车的冷却液温度和液压油温度下降时，温度传感器把检测得到的冷却液温度和液压油温度信号反馈到防爆柴油机的ECU系统，如冷却液温度和液压油温度低于设定值时，则ECU发出关闭指令，通过电动控制装置停止风扇运转或者完全关闭电动节温器，以实现防爆胶轮车冷却液温度和液压油温度在一定的范围内，保证防爆胶轮车在最适宜的温度下工作，提高防爆胶轮车的使用寿命。

3.控制系统电路及硬件设计

防爆胶轮车冷却系统控制电路设计是智能控制系统设计的重要组成部分，由于煤矿井下巷道中工况复杂，防爆胶轮车在运行过程中容易受到碰撞、振动、颠簸和电线电缆等电气系统的磁干扰，而且还要符合《煤矿安全规程》和《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》对电路系统的防爆要求。

结束语

综上，通过改进防爆胶轮车传统的冷却系统，降低防爆柴油机的热损失，提高防爆胶轮车的可靠性和使用寿命是现今煤矿井下辅助运输的发展趋势。尤其是随着电子技术、互联网技术的飞速发展，对防爆胶轮车进行智能化改造设计是大势所趋，也是提高防爆胶轮车性能的必由之路，而且对环保节能也有重大的意义。

参考文献：

[1]杨臻王彦清，王帆.矿用防爆柴油机电控技术探讨[J].煤矿机械，2010,31(10):100-101.

[2]白雷.矿用防爆柴油发动机设计研究[J].煤矿机械，2009，30（6）∶32-34.