某電纜敷設機器人底部散熱優(yōu)化分析

陳果　王倉平

摘要：電纜敷設機器人可以有效節(jié)省人力、提高纜線敷設效率。機器人工作時電機輸出功率很大，因此在機器人工作時會產生大量的熱量，導致局部溫度升高。高溫會嚴重影響電子元件的使用壽命和可靠性，增加故障率，因此對機器人進行熱分析和熱設計就顯得必不可少。本論述將某電纜敷設機器人底部進行模型簡化，通過數(shù)值計算的方法分析三種散熱方式的優(yōu)劣，結果發(fā)現(xiàn)將機器人電源側開設強迫通風孔可有效提高散熱，且換熱量隨著風量的增加而增大。

關鍵詞：電纜敷設;散熱;數(shù)值計算

中圖分類號：TK11文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市建設、工業(yè)工程以及5G 技術的發(fā)展，電纜線被廣泛應用于各個領域。纜線敷設是一項費時費力的工作。通常情況下，地下纜線敷設有3 種形式：土壤直埋敷設、管道敷設和隧道敷設[1]。電纜敷設亦長期存在于核技術工程中，一般情況下，纜線敷設往往采用卷揚機帶動鋼絲繩牽引電纜的方式進行[2]，但這種方式并不完全適合所有作業(yè)工況。電纜敷設長度的增加和工況的復雜往往會使電纜損壞[3]。與此同時，纜線敷設過程中的穿纜、收纜等多種作業(yè)方式同時進行時需要投入大量人工，且人工作業(yè)時往往存在敷設效率低、敷設過程不受控、敷設不安全等缺點。電纜敷設機器人是應運自動控制技術，通過機械手對電纜線抓附，機器人拖動電纜在電纜橋架內行走，電纜到達指定位置后放置在電纜橋架內。電纜敷設機器人不受人為因素、環(huán)境因素的影響，機器人行走速度基本恒定，可實現(xiàn)電纜連續(xù)、穩(wěn)定地敷設。同時采用電纜機器人進行電纜敷設僅需要幾人便可以完成350 m 電纜工程的敷設，而且敷設質量合格，電纜敷設效率相比人工提高了10倍以上。由此可見，使用電纜敷設機器人敷設電纜時有效率高、敷設過程可控、減少人力、提高安全系數(shù)、適用范圍廣等優(yōu)點。

工程機器人散熱問題往往會影響設備的正常運轉，根據(jù)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電子產品的失效事故中，大約有 55%是由于高溫引起的，而且電子元件工作溫度每上升10 K，其平均工作壽命就會減少大約一半[4]。因此散熱問題是電纜敷設機器人設計時必須考慮的因素。風冷和水冷作為主要冷卻方式廣泛應用于各個機械設備中。電纜敷設機器人的散熱設計主要考慮對流強化傳熱，以強迫風冷的形式提高其換熱量。強迫風冷技術廣泛應用于電子散熱等領域，通常以風扇的形式實現(xiàn)散熱。孫柯[5]設計了核救災機器人熱防護系統(tǒng)，并對機器人的熱防護設計的適用性及經濟性進行了評估。

本論述以某電纜敷設機器人的底部散熱設計為研究背景，機器人底部為主要發(fā)熱部位，為此簡化出電纜敷設機器人底部散熱模型，為其設計3 種強迫風冷方案，采用數(shù)值計算的方法進行驗證，確定最優(yōu)方案，為電纜敷設機器人散熱系統(tǒng)設計提供理論依據(jù)。

1 物理模型與假設

由于電纜敷設機器人發(fā)熱元件均在底部，故將其底部模型簡化，從而進行底部散熱優(yōu)化。為簡化計算過程，節(jié)約計算資源，對底部模型進行簡化，簡化時刪除小特征零部件、倒角、圓角及螺栓等對流場影響較小的特征，同時保留主要幾何特征，使機器人底部內流場基本不改變。電纜敷設機器人底部物理模型如圖1 所示，長1 700 mm、寬800 mm、高510 mm，其中在機殼里包含的發(fā)熱元件主要有1 個鋰電池、4個電機和1 個電源。需要指出的是，機器人發(fā)熱部件遠比上述部件多，部分發(fā)熱原件位于機器人外部如驅動電機等，此模型僅考慮底部流場內的散熱問題，忽略外部發(fā)熱源以及內部微小發(fā)熱源。

底部冷卻設置采用強迫風冷技術進行散熱，為提高冷卻效率。現(xiàn)提出三種強迫風冷方案。方案一：鋰電池上方進口進風;方案二：安裝電源側進風;方案三，機器人尾部正上方機殼開進風孔。三種方案對應進風口的示意圖如圖2 所示。三種方案進風口的面積相等，均為0.0314 m2。將底部上表面的開口進行密封處理，單獨研究機器人底部內流場結構。

2 控制方程及邊界條件

底部流體工作介質為空氣，假定底部內流場的流動為穩(wěn)態(tài)的、無粘性耗散的。湍流的控制方程表示如下：

其中 q 為總換熱量，q1 、q2 分別為出口1 和出口2 出流流體帶走熱量，單位 W;m1 、m2 為出口1 和出口2 的質量流量，單位 kg/s;T1 、T2 為出口1 和出口2 流體的平均溫度，單位℃;T0 為進口平均溫度，單位℃;Cp 為空氣的比熱容，單位 J/（kg?K）。

邊界條件：進口為速度進口（velocity-inlet），將質量流量根據(jù)進口面積和密度換算為速度;進口的空氣溫度為25℃;出口為壓力出口（pressure outlet）邊界，鋰電池、電源、發(fā)熱電機為機器人底部主要熱源，假設其表面溫度恒定為75℃，各部件材料的物性參數(shù)見表1 所列。

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算方法與網格獨立性考核

纜線機器人底部散熱模型在進行 CFD 仿真時采用 SIMPLE 算法作為壓力速度耦合求解器，動量項、湍動能項、湍流耗散項、壓力及能量項均采用二階迎風格式以保證計算精度，梯度項采用最小二乘單元法，能量方程和其他方程的殘差值設置為10-6。湍流模型選取 k-ω SST 模型。網格劃分采用四面體網格，網格結構如圖 3所示，網格數(shù)量對于計算結果的影響即網格獨立性仍需考核，當風量為0.231 kg/s 時，對于方案一的散熱模型，不同網格數(shù)量下總換熱量的變化及算數(shù)平均誤差見表2 所列，可以發(fā)現(xiàn)隨著網格數(shù)量的增加，算數(shù)平均誤差不超過6%，因此網格對于計算結果的影響較小，為平衡計算機資源，選擇網格數(shù)量為100萬左右進行數(shù)值計算。

3.2 結果討論

對上述3 種散熱方案進行數(shù)值計算，以評價3 種方案的優(yōu)劣。圖4 （a）為出口1 換熱量隨著總質量流量的變化過程，發(fā)現(xiàn)方案二對應的出口1 的換熱量優(yōu)于方案三，且優(yōu)于方案一;圖4（b）為出口2換熱量隨著總質量流量的變化過程，可以發(fā)現(xiàn)方案二對應出口2 的換熱量在流量較低時優(yōu)于方案一，而在流量為0.348 kg/s 時，方案一優(yōu)于方案二，出現(xiàn)這種情況的主要原因在于隨著流量的增大，方案一對應的出口2 的流量增大，這與內部氣流渦旋有關。綜上可見，對于兩個出口，方案二均優(yōu)于方案三和方案一;就方案一和方案三對比而言，方案一使更多熱量從出口2 流出，方案三使更多熱量從出口 1流出。

圖5 為總換熱量隨質量流量的變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著流量的增大，總換熱量在逐漸增大;方案二的總換熱量大于方案一且大于方案三，由此可見在進口風量相同的前提下，對比三種方案只改變通風口位置時，將開口位置設在電源側時，其換熱量最高，因此方案二為最優(yōu)方案。

為了進一步研究方案二對于機器人底部散熱的強化傳熱過程，圖6 展示了流量為0.308 kg/s 時方案二對應的流線圖。由于電源與底部的兩個電機均為熱源且距離相近，強迫通風進口垂直流向電源及兩個電機可有效增強對流換熱，流速減小的同時流體沿著兩側流出并將熱量帶走。同時部分風量流經背面另外兩個電機，以達到強化傳熱的效果。由此可見，將進風口布置于發(fā)熱元較多的一側完全合理可行。

圖7 為方案二的模型在 x=-590 mm、x=-400 mm、 x=-200 mm、x=0 mm、x=200 mm、x=400 mm、x=600 mm、 x=800 mm 截面處的溫度云圖分布，此時對應的進口質量流量為0.308 kg/s 。從溫度云圖可以看出，將進風口設置在電源側時，空氣從進風側流入兩側及背面之前與發(fā)熱電源及電機產生熱交換使得空氣被加熱，因此進風側空氣的溫度低，流至背側的空氣被加熱，溫度相對較高。為了清楚地顯示溫度分布，將溫度云圖的標尺定為 300 K 至320 K，實際標尺為298.15 K 至348.15 K 。被加熱的空氣均勻地從兩側出口流出，由此可見，方案二使空氣盡可能均勻地被加熱后從兩側排出，其換熱量大大增強。

4 結論

本論述對于某電纜敷設機器人底部散熱提出三種強迫冷卻方案，通過數(shù)值計算的方法進行分析，得出以下結論：將強迫通風進口位置定于電源側（方案二）為最優(yōu)方案，此時機器人底部出口風量帶走的熱量最多，方案一次之，方案三的總換熱量最小。但無論何種方案，總換熱量隨著進口風量的增加而增大。

參考文獻：

[1] 王雅妮，張洪亮，吳建東，等.不同敷設方式下高壓直流電纜溫度場與電場仿真計算研究[J]. 絕緣材料，2017（7）：71-78.

[2] 張巖. 超高層建筑電纜垂直敷設綜合施工技術[J]. 建筑技術，2012（2）：136-138.

[3] 張華.海淀500 kV 電纜工程的技術研究與應用[D]. 北京：華北電力大學，2014.

[4] 戴宗寶. 仿人機器人用多路集成伺服驅動系統(tǒng)散熱建模及優(yōu)化[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2018.

[5] 孫柯. 核救災機器人電子器件熱防護系統(tǒng)研究[D].上海：華東理工大學，2017.