超低温冷库巡检机器人热管理装置的实验研究和数值模拟

超低温冷库的应用日益广泛,受温度、湿度、空间以及生物危害等限制,人员无法进入超低温冷库内部进行巡检及维护,因此使用带热成像摄像机的巡检机器人对冷库内部进行巡检,操作人员可以远程控制巡检机器人,并了解冷库内部的实时景象和热图像,便于冷库内部问题的分析。对于应用于武汉P4(生物安全等级4)实验室超低温冷库的巡检机器人来说,需要经历低温巡检和高温消毒两个过程,因此,热管理对于超低温冷库巡检机器人来说具有十分重要的意义。本文对超低温冷库巡检机器人各个系统进行了初步分析和简单的选型,在此基础上对低温工况下驱动系统伺服电机进行了试验,并使用Ansoft Maxwell软件对伺服电机各部分损耗进行了模拟,使用ANSYS Fluent软件对伺服电机和视觉系统在不同工况、热管理方式下的温度变化进行了模拟。主要研究内容与成果如下:1.通过对使用真空隔热杜瓦的伺服电机进行-60℃和-80℃低温环境下的实验研究发现:伺服电机制动器和编码器表面中心温度先上升后下降,其中编码器表面中心温度下降速度最快;159分钟时,-60℃低温工况下伺服电机各部分表面中心温度处于0℃以上,-80℃低温工况下仅有制动器表面温度处于0℃以上,电机表面中心温度在105分钟时降至0℃以下,编码器表面中心温度则在65分钟时降至0℃以下,但各部分表面中心之间的温差减小。使用功率为10W的电加热对伺服电机进行加热,电加热开启30分钟后电机和编码器表面中心温度从0℃上升至20℃,但制动器表面温度较高。对比真空隔杜瓦与橡塑保温棉两种热管理方式下伺服电机各部分表面中心温度的变化曲线,发现橡塑保温棉的保温能力优于真空隔热杜瓦,但较高和较低的温度会使得橡塑保温棉发生龟裂、非弹性变形等现象,为保证系统的可靠性,在实际应用中应选择真空隔热杜瓦的热管理方式。2.使用Ansoft Maxwell有限元电磁分析软件模拟出伺服电机各部分损耗并将损耗作为伺电机的内热源,在ANSYS Fluent软件中对高、低温工况下伺服电机和视觉系统的温度场的变化进行数值模拟,通过实验结果与数值模拟结果的对比,验证了模拟结果的正确性。发现真空隔热杜瓦及内部的伺服电机温度的均匀性较差,高温工况下伺服电机和视觉系统的温度较高,低温工况下视觉系统无法长时间正常运行。3.对真空隔热杜瓦与相变材料相结合的热管理方式进行了数值模拟:相变温度接近的两种相变材料一甲酸和脂肪醇十醇,相变潜热较高的甲酸热保温能力较强;相变材料的保温能力随相变材料的厚度增加而提高。3mm厚的两种相变材料均可以保证在低温工况下运行150分钟后视觉系统各部分中心温度处于0℃以上;对于伺服电机,2mm厚的甲酸和十醇即可保证在低温工况下运行150分钟后伺服电机各部分表面中心温度处于0℃以上。采用温度较低的相变材料可以对低温工况下伺服电机及视觉系统起到较好的保温效果,但对于高温工况所能起到的保温效果较差,而采用两层不同相变温度的相变材料对伺服电机和视觉系统的热管理,在高低温工况下均可以使其长时间处于正常工作的温度范围内。