矿井胶轮车制冷控制系统的优化设计

2021-08-14李国勇

江西煤炭科技 2021年3期

李国勇

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西运城 043300）

矿用防爆胶轮车是煤矿井下辅助物料运输的核心装备，主要以防爆柴油机为动力；在工作过程中会产生大量的热能，温度升高导致胶轮车驱动机构的工作效率下降、齿轮磨损加剧、使用寿命降低。因此控制胶轮车防爆柴油机工作时温度的恒定对于提升驱动效率、提高使用寿命具有十分重要的意义。目前防爆柴油机制冷系统主要采用柴油机驱动机械风扇制冷，不仅驱动效率低，无法进行降温速度调节且存在着夏天降温不够、冬天降温过多的现象，严重影响了胶轮车的正常运行。本文提出了一种新的矿井胶轮车制冷控制系统，以变速风扇和电控节温器为控制核心，实现对制冷系统的灵活控制，满足不同工况下的变温控制需求。根据实际应用表明，新的制冷控制系统能够将制冷效率提升24.7%，运行过程中的能耗降低17.2%，显著提升了胶轮车的运行安全性和使用寿命。

1 传统制冷系统缺陷分析

传统胶轮车的制冷系统主要利用直驱式机械风扇进行通风散热，柴油机运行风扇运行，柴油机停止风扇停止。风扇转速恒定而且布置空间受限制较大，空气流动性差，工作效率低下。冷却系统采用了物理节温器，反应速度慢、在节流系统中冷却液的液流损失大、换热效率低。由于煤矿井下多为高湿环境，气流流速慢，因此胶轮车无法利用自然风进行辅助降温，导致了在夏天时无法满足高温下的快速降温需求，在冬天时系统的散热量又过大，导致柴油机长期在低温下工作，可靠性差，故障率高，控制系统结构见图1。

图1 传统制冷系统结构

2 制冷控制系统优化设计

针对传统胶轮车制冷系统采用柴油机驱动机械风扇制冷方式所存在的问题，本文提出了一种新的胶轮车制冷系统。该系统采用电动风扇供风、电控节温器控温，利用车载电脑（ECU）智能控制系统实现对电动风扇和电控节温器的统一调节，该控制系统的整体控制结构见图2[1]。

图2 胶轮车制冷控制系统整体结构

为了满足不同环境下的灵活控制需求，该控制系统采用了阶梯式[2]的温度控制方案。通过对不同温度下防爆柴油机工作状态的研究，提出了75°、89°、97°三个调节标准。

当冷却系统内的冷却液的温度低于75°时表明胶轮车柴油机处在正常的工作温度下，冷却系统的电动风扇、电动节温器和散热器均处在非工作状态下。当冷却液的温度超过75°时，智能控制系统发出降温调节信号，控制电动风扇以低速档进行降温运行。当冷却液的温度超过89°时，表明柴油机已经处在高温工作状态下，会对驱动系统运行情况产生不利影响，因此控制系统将风扇调整至高速运行模式，加大对系统的降温；同时系统启动节温器，将冷却液送至散热器，增加冷却散热面积，加快系统的散热。当冷却液的温度超过97°时，传动系统内的润滑油润滑、散热效果将急剧下降，齿轮传动效率和稳定性将受到严重的影响，因此系统将控制防爆柴油机停机运行，保证工作安全性。

3 制冷控制系统逻辑

胶轮车防爆制冷控制系统的控制逻辑相对比较复杂，需要满足对冷却系统和液压系统内冷却剂、液压油工作温度的精确监控，然后将其转换为复杂的控制逻辑，满足不同条件下的灵活控制需求。该制冷系统的控制逻辑见图3[3]。

图3 制冷系统控制逻辑

系统通过温度传感器对制冷系统中液压系统油温、柴油机的液温进行连续不间断的监测，将监测结果传输到信号放大器内进行信号放大处理；然后经过A/D转换器进行数字信号转换，最终传输到车载电脑控制系统中，经过预设逻辑对输入信号的分析处理后输出控制信号，对风扇运行和电动节温器的运行状态进行连续动态控制，满足不同状态下的灵活降温、节能控制需求。

4 控制系统硬件结构设计

胶轮车在煤矿井下运行的过程中地质条件复杂而且其工作的环境条件恶劣，因此要求控制系统的硬件结构要能够适应井下高湿、高尘的环境；同时为了满足系统升级和扩展的需求，要求各个电控元件要具有很好的扩展性。经过多次验证后，控制系统的硬件结构采用了全新的模块化设计结构[4]，以车载电脑控制系统为核心，其他各个组成部分均通过模块化的方式进行组合，各个端口全部采用了标准协议接口，满足数据传输稳定性和可靠性的需求，同时满足后续功能拓展的需求，该控制系统整体结构见图4。