牽引用大容量隔爆電阻器的研制

1　引言

目前,煤炭行業(yè)復(fù)蘇給低迷的煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)備市場(chǎng)帶來了一片生機(jī),而現(xiàn)有的巷道掘進(jìn)多采用沿煤層方式,使長(zhǎng)距離大坡度的蓄電池機(jī)車頗受歡迎。為了適用長(zhǎng)距離大坡度的路況要求,現(xiàn)大多采用膠套輪、齒軌以及增大功率等方式來滿足與之對(duì)應(yīng)的大牽引力的要求,而人們最擔(dān)心的制動(dòng)問題一直沒找到比較合適的方式,其中機(jī)械和液壓等制動(dòng)方式均不可能滿足煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)備限制表面溫度不超過150℃的基本要求,只能采用下坡發(fā)電制動(dòng)的方式。因此,機(jī)車啟動(dòng)和電氣制動(dòng)的重要器件—牽引用隔爆電阻器就需要很大容量,以便放出機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量,同時(shí)又不使其表面溫度超過規(guī)定要求�，F(xiàn)有牽引用隔爆電阻器因?yàn)橹豢紤]平道啟動(dòng)時(shí)使用,故其容量偏小。其主要結(jié)構(gòu)形式為有骨架的螺旋式電阻器、外加隔爆外殼且隔爆外殼上裝有散熱片。電阻器產(chǎn)生的熱量一部分由電阻器本身吸收,另一部分利用了輻射和電阻器內(nèi)部的空氣對(duì)流,使熱量通過電阻器外殼及其散熱片向周圍空氣散發(fā),因此傳熱效率較低。這種結(jié)構(gòu)方式,使單位體積的電阻器容量受到了極大的限制。而機(jī)車所能提供給電阻器的空間是有限的,不可能通過增加隔爆電阻器體積和重量來解決其容量問題,這樣必須另辟蹊徑才能解決這種問題。基于以上原因,對(duì)牽引用隔爆電阻器重新進(jìn)行了分析和研究,研制了新型的隔爆電阻器,并從結(jié)構(gòu)和原理上進(jìn)行了根本性的改進(jìn),突破了現(xiàn)有隔爆電阻器的容量瓶頸。

2　工作原理

通過研究歸納了影響電阻器容量的因素:(1)熱的傳遞方式。熱傳遞方式有3種:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射,而其中熱傳導(dǎo)方式導(dǎo)熱效率是最高。(2)電阻元件本身熱容量限制。電阻器的作用是限制電流,一般根據(jù)機(jī)車啟制動(dòng)要求和牽引電機(jī)參數(shù)來確定電阻值。即電阻值

R=ρLPS

式中ρ——電阻元件電阻率;

S——電阻元件截面積。

所以必須通過同時(shí)增加其長(zhǎng)度和截面積來增加電阻元件熱容量,但這種方式受電阻器體積的限制。(3)電阻帶的單位載流量與熱的傳導(dǎo)率成正比。理論上講,如果電阻帶產(chǎn)生的熱量能及時(shí)全部地傳導(dǎo)出去,電阻帶的載流量可以達(dá)到無限大,但要受到工藝、材料等因素的影響和限制。綜上所述,牽引用隔爆電阻器提高容量的最佳途徑是用可靠有效的熱傳導(dǎo)方式。

在現(xiàn)有的熱傳導(dǎo)器件中,一種新型高效的傳熱元件—熱管日漸成熟。熱管是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件。常用的熱管由三部分組成:主體為封閉的金屬管,內(nèi)部有少量工作介質(zhì)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)。熱管工作時(shí)利用了3種物理學(xué)原理:(1)在真空狀態(tài)下,液體的沸點(diǎn)降低;(2)同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高得多;(3)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)液體的抽吸力可使液體流動(dòng)。

熱管工作時(shí)與熱源靠近的一段(蒸發(fā)段)內(nèi)的液體吸熱而蒸發(fā),蒸汽攜帶汽化潛熱經(jīng)空腔流向另一段(冷凝段),汽體經(jīng)管壁與外界冷媒體換熱放出潛熱而完成了傳熱任務(wù),冷凝成液體,經(jīng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸力量或重力回流到蒸發(fā)段進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。熱管利用與金屬銅、鋁等實(shí)體材料的天然傳熱方式完全不同的”相變”傳熱的原理,它的有效導(dǎo)熱性是銅、鋁等有色金屬的成百上千倍,其熱傳導(dǎo)效率在99%以上;25°時(shí),5s內(nèi)啟動(dòng)傳熱,單向傳熱。所以熱管是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果,給人類社會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力電子器件散熱、太陽(yáng)能熱水器、空調(diào)等多種領(lǐng)域。

由以上分析,采用了下面的解決方案。將電阻帶設(shè)計(jì)成平面柵狀,下襯導(dǎo)熱絕緣層,導(dǎo)熱絕緣層下面為不銹鋼板,起固定和傳熱的作用。不銹鋼板上安裝熱管,熱管的熱端與鋼板鑄成一體,熱管的冷端置于水箱內(nèi)。這樣,電阻產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱絕緣層傳導(dǎo)至不銹鋼板,然后通過鋼板上的熱管將熱量傳遞給水箱內(nèi)的水,熱量使水箱內(nèi)的水溫度升高,溫度升到水的沸點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)化為汽化熱,散發(fā)到大氣中。單位體積水的汽化熱是2258kJPkg,是同體積水溫度升高1°所吸收的熱量的80倍左右。這樣,用水汽化來吸收的熱量就不用過多的水作冷卻,從而減小電阻器的體積,同時(shí)又保證了隔爆電阻器的外殼溫度不超過150℃。由于熱的傳導(dǎo)方式主要通過熱傳導(dǎo)并利用了性能優(yōu)良的熱管使導(dǎo)熱效率大為提高,可以大幅度提高單位體積內(nèi)電阻器的容量。電阻器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1　電阻器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1　Diagramofresistorstructure

1氣孔　2熱管　3冷卻水　4不銹鋼板　5導(dǎo)熱絕緣板　6電阻元件　7壓緊板

電阻材料通過對(duì)康銅、新康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁、鑄鐵等材料的技術(shù)參數(shù)和性能價(jià)格比進(jìn)行比較,由于鐵鉻鋁具備電阻率高、工作溫度高、易于加工、價(jià)格低廉等特點(diǎn),采用了鐵鉻鋁材料0Cr25Al5。

導(dǎo)熱絕緣層需要滿足既能迅速將熱量傳導(dǎo)給熱管,又要保證絕緣的要求。通過篩選比較,最后確定從熱導(dǎo)率非常高的Al2O3,MgO(質(zhì)脆),BeO(有毒,昂貴),SiC(900℃后跑碳)中選取了性能最優(yōu)的Al2O3,最終確定Al2O3的95瓷為導(dǎo)熱絕緣層,其有關(guān)技術(shù)參數(shù)為:熱導(dǎo)率28189WP(m·K),直流擊穿強(qiáng)度17.6～20kVPmm。

不銹鋼板與熱管的熱端制作成一體,便于熱管的熱端吸收熱量,通過熱管內(nèi)部的載體將熱量輸送到熱管的冷端,最終傳遞給水箱內(nèi)的水,這些熱量一部分是水箱內(nèi)的水溫度升高,另一部分通過水的汽化散發(fā)到空氣中。

3　主要性能分析

以為CXQ-55P600J蓄電池膠套輪齒軌機(jī)車配套的196P250B型隔爆電阻器為例進(jìn)行分析。該機(jī)車要求電阻單元為R1=0.25Ω,R2=0.5Ω,R3=015Ω,R4=0.