1、第 9期 2 0 I 2年 9月 机械 设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e l 61 文章鳙号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 1 6 1 0 3 变电站智能巡检机 器人散热 系统分析 木 曾 涛孙 大庆杨 墨王 明瑞王 飞 。 ( 山东电力研究院 国家电网电力机器人重点实验室， 济南 2 5 0 0 0 0 ) Su b s t a t i o n I n s p e c t i o n Ro b o t Ba s e d 0 1 3 I n t e l l i g e n
2、 t An a l y s i s o f Co o l i n g Sy s t e m CA0 T a o， S UN Da q i ng， YANG Mo， W ANG Mi n g r u i W ANG Fe i ( S t a t e G r i d E l e c t r i c P o W e t R o b o t i c L a b o r a t o r y ， S h a n d o n g E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， J i n a n 2 5 0 0 0 0 ， C h
3、i n a ) ； 【 摘要】 主要通过探讨热量传递中 热传导、 对流传热和辐射传热三种热量传递类型、 分析不同类 ； 型热量传递的性质， 研究热量传递与热量散发之间的相应关系， 同时结合变电 站智能巡检机器人结构 ；特点、 工作环境特点等因 素， 综合分析在巡检机器人中 的热量形式来源， 以 及如何针对不同热量形式采 用相应的散热方式， 为巡检机器人内部结构布局、 防护壳体设计等提出技术解决方案， 同时为产品研 i发、 生产管理等环节提供的理论依据， 为 今后的产品研发和项目 管理提供定量的分析依据。 j 关键词： 热量传递； 太阳辐射； 对流传热； 巡检机器人 ； 【 A b s t r
4、a c t 】 T h r e e k in d s o f h e a t t r a n sf e r ty p e s w h ic h a r e h e at t r a n sf e r ， c i r c u l at e d i n h e at a n d r a d i at i o n； ；h e at t r a n sf e r ar e d i s c u s s e d , ana l y z i n g t h e n at u r e oft h e d iff e r e n t ty p e s o f h e at t r a n sf e r ， s
5、u t h e r e l at io n - s |Il b e tw e e n h e at tra n sf e r an d q u an tity of h e at I n c o m b in at io n w ith th e s u b s tat io n in te ll ig e n t in sp e c tio n ；ro b 0 s fr u c tu c h a r a c 把 r is tic s ,z7。 r k in g e 删 ro n m e ri t f a c to s “ c h h e c h ar a c te r is ic s , t
6、h e c 。 m p re h e n s iv e ； a n a l y s is in t e r m ofh e at s o u r c e i n s p e c t i o n r o b o t is d o n e ， and h o w t o ado p t t h e c o r r e s p o n d i n g c o o l in g l m o d e a c c o r d i n g t o d iff e r e n t f o r n l , of h e at i s a n a l y z e d ， p r o v i d i n g t e
7、 c h n i c a l s o l u t i o ns f o r i n t e r n al s t r u c t u r e 2 l a y o u t ofi n s p e c t i o n r o b o t ， and p r o t e c t iv e s h e l l d e s i g n ， a t t h e s a m e t i m e l a y in g t h e o r e t i c al b a s is f o r t h e p r o d 一 u c t r e s e ar c h a n d d e v e lo p m e n
8、 t , a n d q u ant it at i v e ana l y s i s b a s is f o r p r o d u c t i o n m ana g e men t a n d p r o j e c t m a l t i a g e men t f o r f u t u r e p r o d u c t d e v e l o p men t ； K e y Wo r d s ： H e a t T r a n s f e r ； S o l a r R a d i a t i o n ； C o n v e c t i v e H e a t ； I n s
9、 p e c t i o n R o b o t ； 中图分类号： T HI 6 ； T K1 1 文献标识码 ： A 引言 作为国家“ 8 6 3 ” 计划科技成果， 变电站智能巡检机器人是由 山东电研院、国家电网电力机器人技术重点实验室自主研发的， 主要应用于室外变电站， 代替人工进行巡视检查。该机器人系统 可以携带红外热像仪、可见光 C C D等有关的变电站设备检测装 置。 以自主和遥控的方式， 代替人对室外高压设备进行巡测， 以便 及时发现电力设备的内部热缺陷、 外部机械或电气问题如： 异物、 损伤、 发热、 漏油等， 给运行人员提供诊断电力设备运行中的事故 隐患和故障先兆的有关数据。
10、 变电站智能巡检机器人是代替巡检人员对变电站设备进行 巡查， 长期工作在户外， 尤其南方夏季酷热的天气对巡检机器人 内部的温度造成很大的影响。 同时变电站智能巡检机器人内部布 置安装各种机械结构 、 电子产品 、 电子元器件等 ， 温度 的升高对 内 部设备的性能和使用寿命都有很大的影响， 设置影响变电站智能 巡检机器人整体产品的工作性能 ， 以变电站智能巡检机器人为基 础， 探讨户外工作产品的散热方式。 采稿日 期： 2 0 1 1 - 1 l 一 1 8 -k 基金项目： 国 家8 6 3 高技术基金 项目 ( 2 0 0 2 A A 4 2 0 1 1 0 3 ) ； 国 家电 网 公司
11、 重点 科研项H ( S G K J 2 0 0 7 1 5 9 ) 4结论 ( 1 ) 编制了计算机控制程序； 建立了控制计算机和两台机器 人之间的实时通讯系统， 为机器人的正确走棋动作提供基础。 ( 2 ) 在两台机器人下棋过程中， 利用机器人控制器的 I O口 实现互斥信号。 通过不断读取 I O口状态来判断两个机器人的运 动状态， 避免了机器人运动过程中发生干涉。 ( 3 ) 利用双机器人协调下棋系统进行实验研究。结果表明， 所编制的控制程序可以进行双机器人协调下中国象棋， 机器人取 棋子、 走棋位置精度较高， 满足下棋的需要， 这些工作为进一步进 行双机器人协调运动控制研究提供了必要
12、的基础。 参考文献 1 原魁 ， 李园 ， 房立新 多移动机器人系统研究发展近况 J 自动化学报 ， 2 0 0 7 ， 8 ， 2 1 ( 1 ) ： 3 9 - 4 3 2 王凯 多移动机器人 的协调合作和群智慧方法研究 D 南京 ： 南京理 工大学 ， 2 0 0 7 3 赵风升 下棋机器人视觉系统的研究与开发 D 沈阳： 东北大学， 2 0 0 8 4 张捍东， 吴玉秀， 岑豫皖 多机器人合作与协调研究进展 J 计算机工 程与应用 ， 2 0 0 8 ， 4 4 ( 2 2 ) ： 2 3 8 - 2 4 1 5 赵利辉 基于多A g e n t 机器人系统合作与协调技术研究 J 中北
13、大学 学报 ， 2 0 0 8 6 韩庆瑶 ， 徐瑾 ， 朱晓光 基于主从多机通信的机器人控制系统开发 J 计算q L S g 量与控制 ， 2 0 1 0 ， 1 8 ( 1 】 ) ： 2 5 2 4 - 2 5 2 6 1 62 萱 釜! 奎 皇 苎塑 垡 垫墨 整垫垒 竺 坌 堑 笙! 塑 _ _ _ _ -_ _ - - _ - _ - _ - _ _- _- _ _ - _ _ _- -_ 一 2毽 曼 2 检 机 器 陵 电 2 1 热量传 递方式 一 。 热量传递是由于温度差而产生热量从高温区向低温区的转 移， 与动量传递、 质量传递并列为三种传递过程。在 自然界中， 热 量传
14、递是一种普遍存在的现象。 两物体间或同一物体的不同部位 间， 只要存在温差 ， 就会发生热量传递， 直到各处温度相同为止1 。 热量传递有热传导、 对流传热和辐射传热三种基本方式。 热传导实质是 由大量物质 的分子热运动互相撞 击 ，而使能 量从物体的高温部分传至低温部分 ， 或由高温物体传给低温物体 的过程 。在固体中 ， 热传导的微观过程是 ： 在温度高的部分 ， 晶体 中结 点上的微粒振动动能较大。 在低温部分 ， 微粒振动动能较小 。 因微粒的振动互相联系，所以在晶体内部就发生微粒的振动， 动 能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体中热的传导， 就 是能量的迁移。在液体中热传导表现
15、为： 液体分子在温度高的区 域热运动比较强 ， 由于液体分子之间存在着相互作用， 热运动的 能量将逐渐向周围层层传递， 引起了热传导现象。在气体中热传 导表现为： 依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞， 在气体 内部发生能量迁移 。 当物体 内的温度分布只依赖于一个空间坐标 ，而且温度分 布不随时间而变时， 热量只沿温度降低的一个方向传递， 这称为 一维定态热传导。此时的热传导可用下式描述： q 一 t ( d T I d x ) ( 1 ) 式中： q 热量通量； 卜 温度； 扩 热传递方向的坐标； A 热导率。 此式表明 g正 比于温度梯度 d T l & ， 但热流方 向与温度梯度 方
16、向相反2 I。 对流传热依靠流体微 团的宏观运动来传递热量 ，所 以它只 能在流体中存在， 并伴有动量传递。液体或气体中较热部分和较 冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。 所以对流是液 体和气体中热传递的主要方式， 气体的对流现象比液体明显。对 流可分 自然对流和强迫对流两种。 自然对流往往 自然发 生， 是由 于温度不均匀而引起的。 强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌 而形成的。 热辐射物体因自身的温度而以电磁辐射的形式发出向外发 射能量， 温度越高， 辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而 变 ， 如温度较低时 ， 主要以不可 见的红外光进行辐射 ， 在 5 0 0 C 以 至更高
17、的温度时， 则顺次发射可见光以至紫外辐射 。热辐射是远 距离传热 的主要方式 ， 如太 阳的热量就是以热 辐射 的形式 ， 经过 宇宙空间再传给地球的13 1。 在实际过程中， 往往是几种传热方式同 时存在 。 2 - 2变电站智能巡检机器人热量来源 变电站智能巡检机器人 内部有电源系统 、 运动控制系统 、 无线通信系统、 信息采集系统 、 工控处理系统 、 无线通许系统组 成， 其中每个系统都含有发热源的电路控制芯片。变电站智能巡 检机器人整机 工作 平均 功率 为 1 2 0 W， 其 中有 ( 5 1 5 ) 的功率要 转化为热量在整机内部释放。同时， 变电站智能巡检机器人长时 间工作
18、在户外， 同时受到包括太阳热辐射和地表辐射等环境因素 影响， 致使变电站智能巡检机器人受到热量来源包括内部设备散 图 1户外变电站受环境热辐射示意图 3散热分析 3 1散热方式 根据热量传递方式， 通常可采用风冷， 热管， 水冷等散热方式。 风冷主要是通过风扇， 散热片等将热量传至周围环境( 最终 还是通过空气散热的 ) ， 达到散热的 目的， 其特点是 ： 结构简单 ， 成 本较低， 安全可靠 、 技术成熟。但是不能将温度降至室温以下 ， 由 于存在风扇的转动， 所以有噪音， 风扇寿命有时问限制。 热管是在热管里面填充了特制的液态导热介质，具体的工 作原理是 ： 热管两端产生温差的时候， 蒸
19、发端的液体就会迅速气 化， 将热量带向冷凝端， 速度非常快。两端温差越大， 蒸发速度越 大。 在极端的情况下， 蒸发速度可能可以接近音速。 液体在冷凝端 凝结液化以后， 通过毛细作用， 流回蒸发端。如此循环往复， 其实 就是利用导热介质气化吸热液化放热实现散热。 水冷原理和风冷很相似， 只是利用水来导热， 有进水 口和出 水口， 不断的导出热水注入冷水从而带走热量。根据变电站智能 巡检机器人实际运行情况， 可采用风扇推动空气流动， 使巡检机 器人内部产生气体对流， 利用空气流动将车体内部设备系统产生 的热量带出巡检机器人外部。同时， 针对太阳热辐射和地表辐射 产生的辐射热， 需要采用隔离热源的
20、方式， 杜绝外部热量通过热 传导使巡检机器人内部热量提升的可能性。 变电站智能巡检机器 人散热方案示意图， 如图2所示。 图 2变电站智能巡检机器人散热方案示意图 3 2 对流 分析 前面所描述的三种热量传递方式中， 热传导、 对流传热和热 辐射。热传导散热通常用于实体内部的热量流动 ， 或实体与实体 之间的热量传递； 对流传热和热辐射都涉及实体和环境之间的热 量交换。 对流传热所传递的热量与如下因素成正比： 实体表面 No 9 S e p t 2 0 1 2 机 械 设 计 与 制 造 1 6 3 和周围流体 之间的温差； 交换( 散发或获得) 热量的表面积A。 比例系数称为对流系数， 也称
21、为膜系数。可表示为： Q = H a ( 死一 ( 2 ) 同时实体表面及其周围流体之间的热交换要求具有流体的 运动。而对流系数在很大程度上取决于介质( 例如， 空气 、 蒸汽、 水 、 油 ) 和对流类 型， 即 自然对流和强制对流。自然对 流只有在存 在引力 的情况下才能发生 ， 因为流体运动依赖于冷流体和热流体 之间特定的引力差。 强制对流则对引力没有依赖性。自然对流和 强制对流示意图， 如图3 所示。不同介质和不同对流类型的热对 流系数 ， 如表 1 所示 。 自然对流 图 3 自然对流和强制对流示意图 表 1不同介质和不同对流类型的热对流 系数 介质 传热系数 h ( W m z )
22、 空气( 自然对流 ) 空气 过热蒸汽 ( 强制对 流) 油( 强制对流 ) 水( 强制对流 ) 水 ( 沸腾 ) 。 蒸气( 沸腾) ( 5 - 2 5 ) ( 2 0 3 o 0) ( 6 0 一 l 8 0 0) ( 3 0 0 6 0 0 0 ) ( 3 0 0 0 6 0 ， o o o ) ( 6 0 0 o 一 1 2 0 ， 0 0 0 ) 根据对流传热所传递的热量分析，在变电站智能巡检机器 人前方安装入风口风扇，而在巡检机器人后方安装排风口风扇， 使巡检机器人内部产生强制对流。同时在风道设计时， 要保证人 风口流入的空气要均匀地送入巡检机器人内部， 在满足该使用效 果的前提下
23、， 尽可能地做到结构简单， 制造方便 ， 与内部设备安装 设计及线路布置相协调。风道系统设计时， 需考虑以下因素： ( 1 ) 必须考虑车身巡检机器人整体布置设计、 内部设备安装 设计以及底盘设计中和风道设计相关的情况。 ( 2 ) 由于汽车车厢巡检机器人内部空间有限， 同时， 巡检机 器人又要满足 I P 4 3防护等级， 因此在设计、 布置风道时， 应特别 注意风道中的防水 、 防尘设计 。 ( 3 ) 要考虑风道各支管路之间的风量平衡， 各支管路之间的 空气流动的均衡 。 ( 4 ) 必须将风道的气流噪声控制在允许的范围内， 因此要对 风道的风速进行控制。 ( 5 ) 风道不能有大的泄漏
24、点 ， 以保证 内部对流散热 系统功能 的发挥。 3 3环境热辐射分析 在环境热辐射中， 以太阳热辐射较为典型， 太阳光线通过大气 层， 将辐射转化为光效应和热效应。根据变电站巡检机器人使用的 户外环境，太阳热辐射对其影响最大的时间是 ( 1 0 ： 0 0 - 1 5 ： 0 0 ) 之 间。7 月份平均辐射示意图， 如图4所示。 图 4 7 月份平均辐S T Y , 意图 根据太阳辐射强度的分析结果，在夏季白天太热辐射是影 响巡检机器人温度上升的主要因素， 有 6 0 的热量是来 自太阳辐 射 ， 所以巡检机器人 防环境辐射设计就显得尤为重要 。在防辐射 外壳设计时考虑外表层喷涂防辐射漆
25、， 理论可抵抗( 7 0 9 0 ) 的 直射辐射； 同时在中层添加 5 m m厚的的隔热层， 利用隔热层防止 由热传导效应给巡检机器人内部带来的热量传递。 外壳结构及热 量反射示意图 ， 如图 5 所示。 太阳辐射 热量反射 防辐射喷涂层 防火隔热层 热量反射铝箱 内部气流 气流反射 图 5外壳结构及热量反射示意图 4结论 研究了热量传递方式及太阳辐射强对户外工作的变电站智 能巡检机器人的影响， 根据热量传递的特性， 利用对流传热方式 为变电站智能巡检机器人内部散热， 同时在变电站智能巡检机器 人外壳添加防辐射设计可以有效地保持巡检机器人内部的温度， 保证了内部各系统工作的可靠性。 参考文献
26、 1 J P 霍尔 曼 著， 马庆芳 ， 译 传热 学 M 北京 ： 人民教育 出版社 ， 1 9 7 9 ( 4 ) 2 曹毅然， 张小忪透过遮阳系统的室内太阳辐射得热量实验研究 J 东南 大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 6 ) 3 过增元， 程新广， 夏再忠 最小热量传递势容耗散原理及其在导热优化 中的应用 J 科学通报 ， 2 0 0 3 ， 4 8 ( 1 ) 4 鲁守银， 钱庆林， 张斌变电站设备巡检机器人的研制 J 电力系统自 动化 ， 2 0 0 6 ( 1 3 ) ： 8 5 8 9 5 曹涛， 栾贻青， 肖鹏 变电站巡检机器人虚拟样机系统开发及其研
27、究 J 机械工程师 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 3 8 - _ 4 5 6 刘建胜 ， 张凡 一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法 J _ 电 力 系统 自动化 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 1 0 1 1 0 5 7 岳前进， 季顺迎辽东湾冰季太阳辐射分析 J 海洋与湖沼， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 5 ) 8 大枫， 治明， 宋尔纯 用计算机控制移动式机器人的方法与展望 J 机 器人 ， 1 9 8 0 ( 2 ) ： 3 8 - 4 2 9 KA R LT U L R I C H； P R O D UC T D E S I G N A N D D E V E L O P ME N T M I S B N 7 04 ) l 6 6 O 4 2 0 0 5 1 0 B l o t MAT h e mo e l a s t i c i t y a n di r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s J 1 9 5 6 ( 3 )
