牵引用大容量隔爆电阻器的研制.pdf

7 6 煤 矿 机 械 2 0 0 5年第 1 期 文章编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 5 0 1 ． 0 0 7 6 ． 0 2 牵引用大容量隔爆 电阻器 的研制 张福 生 ．吴秋瑞 ．张 建成 石家庄铁道学院，石家庄 0 5 0 0 4 3 摘要 煤矿 井下运输 中的机 车制动是一个重要 的技 术问题 ， 在 长距 离大坡 度条件 下 的井下 蓄 电池机 车制动 时需要 大容量 隔爆 电阻器。根据要 求设计 了新 型的 隔爆 电 阻器 ， 介 绍 了新型 隔爆 电 阻 器 的设 计 思路 及 主要 技 术性 能 。 关键词 隔爆 电阻器；热传导 ；热管 ；氧化铝 中图号 删 5 4 文献标识码 B 1 引言 目前 ， 煤炭 行业 复苏给低 迷 的煤 矿井下辅助 运 输设 备市场带来 了一 片生机 ， 而现 有 的巷 道掘进 多 采用 沿煤 层方式 ， 使 长距 离 大坡度 的蓄 电池机车 颇 受欢迎 。为 了适用 长距离 大坡 度 的路 况要求 ， 现 大 多采用胶套轮 、 齿 轨 以及增 大功率 等方式 来满足 与 之对应 的大牵引力 的要求 ， 而人们最 担心 的制动 问 题一直没找到 比较合 适 的方式 ， 其 中机械 和液压 等 制动方式均不 可能满 足煤矿井下辅助运输设备限制 表面温 度 不超 过 1 5 0 ℃ 的基本要 求 ， 只能 采用 下坡 发 电制动 的方 式。因此 ， 机 车启 动和 电气制 动 的重 要 器件一 牵 引用 隔爆 电阻器就 需要很大容 量 ， 以便 放 出机车制动时产 生 的热量 ， 同 时又不使其 表面 温 度超过规定要 求。现有牵 引用 隔爆 电阻器 因为只考 虑平道启动时使 用 ， 故其容 量偏 小。其主要 结构形 式为有骨架 的螺旋 式 电阻器 、 外加 隔爆外 壳且 隔爆 外壳上装有散 热片。电阻器产生 的热量一部分 由电 阻器本身吸 收， 另一部 分利用 了辐射 和 电阻器 内部 的空气对流 ， 使 热量通 过 电阻器外 壳及其散 热 片向 周 围空气散发 ， 因此传热效率较低。这 种结构方式 ， 使单位体积 的电阻器容量受到 了极大 的限制 。而机 车所能提供给 电阻器 的空间是 有 限的 ， 不 可能通 过 增加 隔爆电阻器体 积和重 量来解 决其容 量 问题 ， 这 样必须 另 辟 蹊径 才 能解 决 这种 问题。基 于 以上 原 因， 对牵引用隔爆 电阻器重新进行了分 析和研究 ， 研 制 了新型 的隔爆 电阻器 ， 并从 结构 和原理上 进行 了 根本性 的改进 ， 突破 了现有隔爆 电阻器 的容量瓶颈。 2工 作 原 理 通过研究归纳 了影响 电阻器容量 的因素 1 热 的传递 方 式 。热传递 方 式有 3种 传导 、 对流 和辐 射 ， 而其 中热传导方式导热效率是最 高。 2 电阻元 件本 身热容量 限制。 电阻器 的作 用是 限制 电流 ， 一 般根据机 车启制动要求和牵引 电机参数来确定电阻 值 。即电阻值 Ro L | s 式 中 』 D 电阻元 件电阻率 ； S 电阻元件截 面积。 所 以必须通过同时增加其长 度和截 面积来增加 电阻 元件热容量 ， 但这种方式受电阻器体积的限制 。 3 电阻带 的单位 载流量 与热 的传导率成正 比。理论上 讲 ， 如果 电阻带产生 的热量能及时全部地传导出去 ， 电阻带 的载流量可以达到无 限大 ， 但 要受 到工艺 、 材 料等 因素的影 响和 限制。综 上所述 ， 牵 引用 隔爆 电 阻器提高容 量的最佳途径是用 可靠有效 的热传导方 式 。 在现有 的热传 导器件 中， 一种新 型高 效 的传 热 元件一热管 日渐成熟 。热管是一种传热性极好 的人 工构件。常用 的热管 由三部分 组成 主体为封 闭 的 金属管 ， 内部有少 量工作 介质 和毛细 结构 。热 管工 作时利用 了 3种 物理学 原理 1 在 真空状 态下 ， 液 体 的沸点降低 ； 2 同种物质的汽化潜热 比显热高得 多 ； 3 多孔 毛细 结构 对液 体 的抽 吸力 可使 液体 流 动 。 热管工作 时与热源靠近 的一段 蒸发段 内的液 体吸热而蒸发 ， 蒸 汽携 带汽化 潜热 经空 腔流 向另一 段 冷凝段 ， 汽体经 管壁与 外界冷 媒体换 热放 出潜 热而完成了传 热任务 ， 冷凝成液体 ， 经毛细结构 的抽 吸力量或重力 回流到蒸 发段进 入下 一个工 作循 环。 热管利用与金属 铜 、 铝 等实 体材料 的天然 传热 方式 完全不同的” 相变” 传热 的原理 ， 它 的有效 导热 性是 铜 、 铝等有 色金属 的成百 上 千倍 ， 其 热传 导 效 率在 9 9 ％ 以上 ； 2 5 。 时 ， 5 s内启 动 传 热 ， 单 向传 热 。所 以 热管是传热领域 的重大发 明和 科技 成果 ， 给人 类社 会带来巨大的实 用价值 ， 现 已广泛应 用 于 电力 电子 器件散热 、 太 阳能热水器 、 空调等多种领 域。 由以上分析 ， 采 用 了下面 的解决 方案 。将 电 阻 带设计成平 面栅状 ， 下衬导热绝缘层 ， 导热绝 缘层 下 面为不锈钢板 ， 起 固定 和传 热的作用 。不锈 钢板 上 安装热管 ， 热管的热端与钢板铸成一体 ， 热管的冷端 置于水箱内。这 样 ， 电 阻产生 的热量 通过 导热绝 缘 维普资讯 2 0 0 5年第 1 期 牵引用 大容量隔爆 电阻器的研制 张福生 ， 等 7 7 层传 导至不锈 钢板 ， 然后 通过钢 板上 的热管将 热量 传递给水箱 内的水 ， 热量使水箱 内的水温度升高 ， 温 度升到水 的 沸点 时 转 化为 汽化 热 ， 散 发 到大 气 中。 单位体积水 的汽 化 热是 2 2 5 8 k J ／ k g ， 是 同体积水 温 度升高 1 。 所 吸收的热量 的 8 0 倍 左右。这样 ， 用水汽 化来 吸收的热量就不 用过 多的水 作冷却 ， 从 而减小 电阻器 的体积 ， 同时 又保 证 了隔爆 电阻器 的外 壳温 度不超过 1 5 0 c I 。 由于热的传 导方式 主要通过热传 导并利用 了性能优 良的热 管使 导热效率 大为提 高 ， 可 以大 幅度提高单位体积 内电阻器的容量。电阻器 结构示意如 图 1所示。 图 1 电 阻 器 结 构 示 意 图 F i g ． 1 Di a g r a m o f r e s i s t o r s t r u c t u r e 1 ． 气孔2 ． 热管3 ． 冷却水4 ． 不锈钢板5 ． 导热绝缘板6 ． 电 阻元件7 ． 压 紧板 电阻材料通过对 康铜 、 新康 铜、 镍 铬合金 、 铁 铬 铝 、 铸铁 等材料 的技术参数和性能价格 比进行 比较 ， 由于铁铬铝具备 电阻率高 、 工作 温度 高、 易于加工 、 价格低廉等特点 ， 采用 了铁铬铝材料 O C r 2 5 A 1 5 。 导热绝缘层需要满足既能迅速将热量传导给热 管 ， 又要保证绝缘 的要求 。通过筛选 比较 ， 最后确定 从热导率非常高 的 A 1 2 0 ， Mg O 质脆 ， B e O 有毒 ， 昂 贵 ， S I C 9 0 0 c I 后跑碳 中选取 了性能最优的 A l 2 3 ， 最终确定 3的 9 5瓷 为导热绝缘层 ， 其 有关 技术 参数 为 热 导 率 2 8 ． 8 9 w／ m K ， 直 流 击 穿 强 度 1 7． 62 0 k V／ mm。 不锈 钢板 与热管 的热端 制作成 一体 ， 便 于热管 的热端吸收热量 ， 通过 热管 内部的载 体将热 量输送 到热 管的冷端 ， 最终传递给水箱 内的水 ， 这些热量一 部分是水箱 内的水 温度升 高 ， 另一部 分通过 水的汽 化散发 到空气 中。 3 主要性能分析 以为 C X Q一5 5 ／ 6 0 0 J 蓄 电池胶套轮齿轨 机 车 配 套的 1 9 6 ／ 2 5 0 B型 隔爆 电 阻器 为例 进行 分 析 。该 机 车要求 电阻单元 为 R。 0 ． 2 5 Q， R 0 ． 5 Q， R 3 0 ． 5 n， R 。 0 ． 3 3 Q串联并 分别 引出抽 头 ， 通 过外 接 控制来进行 串并 联调 节。工作 方式 为短 时工作 制 。 额定 电压为 直流 2 5 0 V， 额 定 电流 为 1 9 6 A， 外 形 尺 寸 长 宽 高 5 5 0 m m8 0 0 m m1 2 0 0 m m。在 这样 的空 间约束下 ， 普 通隔爆 电阻器 的通 过 电流 仅 可达到 4 8 A。电阻带 加工成平面栅状 ， 电阻带截 面 设计 为 2 ． 7 m m7 mm， 电气 间隙为 3 m m。通 过 电 阻带 的不 同长 度来 获 得 各 电阻 单 元 的 A I O ，电 阻 值 。在最恶劣的情况下 ， 水箱 内的水为沸腾的情况 ， 则钢板与水接触面的温度 1 0 0℃， 设钢板与氧化 铝板的接触面温度为 ， 氧化 铝板与 电阻元件 接触 面的温度为 。已知 3 厚度 。 0 ． 0 1 m， 钢板厚 度 0 ． 0 1 8 m， 0 3导热 率 。 1 7 w／ c I 、 钢 板导热率 5 4 ． 6 6 w／ c I 、 A 1 2 0 ，和 电阻元 件 接触面积 F 。 0 ． 1 4 6 1 6 ， 钢 板和 A l 2 3 接 触面 积 F ， 0 ． 2 1 6 。设 电 阻带 的工 作温 度 为 9 5 0 c I 。 9 5 0 c I ， 则 由 Q 。 ／ 8 。 F。 。 一 ／ 8 F 一 ， 可 以得 出 3 3 3 c I 。由此 ， 通过 对 热管 的相关 计算 ， 可取 热管功 率为 6 0 W／ 根 ， 数 量为 1 0 0根 ， 冷端 温度 为 6 0 c I ， 这样 就可 保证 电阻元 件 的工作温度远低于 9 5 0 c I 。 4结 语 通过对 电阻器结 构 的改进 ， 使 在 同样 空 间限制 下的电阻器容量提 高 了 4倍 多 ， 有效 地解决 了井下 隔爆蓄 电池机车起制 动 电阻的瓶 颈 问题 ， 使井 下隔 爆蓄 电池机车长距离 大坡 度运输 成 为可 能 ， 有 效地 促进 了井下辅助运输 的发展 ， 也为 有关散 热 问题 的 场合提供 了新 的设计思路 。 参考 文献 [ 1 ] 张福生 ， 吴秋瑞 ， 张建成 ． C XQ一5 5 ／ 6 0 0 J型蓄 电池胶 套轮齿 机车 的 研 制 [ J ] ． 煤矿机 电 。 2 O 0 4 ， 3 1 1 1 3 ． 作者 简介 张福生 1 9 6 3一 ， 河北 栾 城人 ， 副教 授 ， 1 9 9 0年 中 国 矿业 大学 研究生 毕业 ， 现 在石家 庄铁道 学院 电气工 程系工 作 ， 主要从 事煤矿 电气 设计 开 发 ， 发表 论文 2 o余 篇 ． Em a i l 丑 r ．g f u 目 l le n 2 0 收稿 日期 2 0 0 4 1 0 - 0 8 De v e l o pme n t o f Hi g h- -p o we r Ex pl o s i o n- -p r o o f Re s i s t o r i n Tr a c t i o n ZHANG F us h e n g 。WU Qi n～r u i 。Z HA NG J i a nc h e n g S h i j i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ． S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 C h i n a Ab s t r a c t L oc o mo t i v e b r a k i n g i s a n i mp o r t a nt t e c h n i q u e o n c o l l i e r y t r a n s po r t a t i o n。 h i g h po we r e x p l o s i o n p r o o f r e s i s t o r i s a pp l i e d o n br a k i ng o f u n de r mi n e a c c umu l a t o r l o c o mo t i v e wo r k i n g wi t h a l o n g d i s t an c e a n d b i g s l o p e．A n e w k i n d o f e x p l o s i o np r o o f res i s t o r i s d e s i g n e d i n t h e a r t i c l e 。 h o w t o d e s i gn t h i s n e w k i n d o f e x p l o s i o np r o o f res i s t o r i s d i s c u s s e d a n d t h e ma i n t e c h n i c a l d a t a i s p r o v i de d． ， Ke y wo r d s e x p l o s i o np r o o f r e s i s t o r ；h e a t e o n d u c t i o nh e a t p i p e alu mi n a 维普资讯