新型防爆柴油機(jī)設(shè)計(jì)

1、目 錄1 前言22 整體設(shè)計(jì)思想23 防爆柴油機(jī)的技術(shù)要求和選型33.1防爆柴油機(jī)的技術(shù)要求33.2防爆柴油機(jī)的功率選擇33.3 防爆前柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)34 防爆柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)44.1防爆柴油機(jī)的起動(dòng)44.2進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)44.3排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)54.4冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)54.5 配套零部件的選用64.6其他附件的設(shè)計(jì)及選取65 設(shè)計(jì)成型的防爆柴油機(jī)的組成及性能參數(shù)66 試驗(yàn)驗(yàn)證77 結(jié)語(yǔ)7參考文獻(xiàn)8新型防爆柴油機(jī)設(shè)計(jì)楊建偉 【摘要】 結(jié)合我國(guó)煤炭輔助運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r,針對(duì)煤礦井下大型物料運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力裝置的特殊要求，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配的角度出發(fā)，嚴(yán)格按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,開發(fā)了新型防爆柴油機(jī)系統(tǒng)

2、。將防爆柴油機(jī)的有效動(dòng)力、排放指標(biāo)及防爆性能進(jìn)一步提升，達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水準(zhǔn)。 關(guān)鍵詞：新型防爆柴油機(jī) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 匹配1 前言防爆柴油機(jī)是一種用于爆炸性氣體環(huán)境的柴油機(jī)。這種柴油機(jī)具有防爆性能，在爆炸性環(huán)境中工作不會(huì)點(diǎn)燃環(huán)境氣體，且排放氣體指標(biāo)符合MT 220的要求。近年來(lái)，隨著與國(guó)際市場(chǎng)的接軌，國(guó)外的先進(jìn)煤礦設(shè)備陸續(xù)涌人中國(guó)，在一定程度上促進(jìn)了我國(guó)煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步和礦井建設(shè)的擴(kuò)大，但礦井運(yùn)輸設(shè)備整體老化落后的局面，特別是井下無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備滯后，仍然制約著我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展。在我國(guó)煤礦無(wú)軌設(shè)備從上個(gè)世紀(jì)八十年代研制開始，到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了二三十年的發(fā)展歷程，但發(fā)展依舊緩慢，主要表現(xiàn)為它的牽引動(dòng)力防

3、爆柴油機(jī)的研制還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論，主要是在現(xiàn)有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上加以改造而成，這樣就造成各系統(tǒng)與柴油機(jī)不能達(dá)到最佳匹配，防爆后的柴油機(jī)動(dòng)力性、排放性能均較差，無(wú)法滿足煤礦井下實(shí)際工作環(huán)境要求。結(jié)合此種情況，我們?cè)诜辣裼蜋C(jī)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了積極的嘗試和摸索，力求為我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)，共同促進(jìn)煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備的現(xiàn)代化建設(shè)。防爆柴油機(jī)的開發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，存在諸多難點(diǎn)，其主要原因：一方面，在國(guó)內(nèi)防爆柴油機(jī)的研發(fā)處于起步階段，沒(méi)有成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒；另一方面，防爆柴油機(jī)的防爆降溫性能實(shí)質(zhì)是“違背”能量守恒原則，希望得到最大的動(dòng)力性的同時(shí)又要抑制柴油機(jī)表面產(chǎn)生的熱量，因此，防爆柴油機(jī)的

4、表面降溫成為最大的難點(diǎn)。我們通過(guò)對(duì)東風(fēng)康明斯柴油機(jī)進(jìn)行的系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，從進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等方面入手，進(jìn)行了大量計(jì)算和仿真分析，成功開發(fā)了具有領(lǐng)先水準(zhǔn)的新型防爆柴油機(jī)。2 整體設(shè)計(jì)思想防爆柴油機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)主要集中在機(jī)體表面降溫、排氣降溫、冷卻系統(tǒng)熱平衡設(shè)計(jì)以及整體優(yōu)化設(shè)計(jì)布置等工作。其中，機(jī)體表面降溫主要采用在高溫部位設(shè)計(jì)水套，采用水冷的方式降溫。目前在我國(guó)煤礦井下使用的防爆柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)一般為歐或更低的排放級(jí)別，大都為自然吸氣方式，也有少量的增壓型防爆柴油機(jī)，但水冷增壓器的設(shè)計(jì)開發(fā)一般都未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)匹配，進(jìn)氣也沒(méi)有經(jīng)過(guò)中間冷卻，因此，造成最終的防爆柴油機(jī)不僅動(dòng)力滿足不了煤礦

5、井下連續(xù)坡道的路況環(huán)境，排放性能更是嚴(yán)重危害著井下礦工的身心健康。憑借東風(fēng)康明斯的資源優(yōu)勢(shì)，我們選取了東風(fēng)康明斯歐以上排放指標(biāo)的柴油機(jī)作為開發(fā)原型機(jī)，從主機(jī)的缸蓋、排氣歧管、增壓器、冷卻水泵進(jìn)行系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，并采用模具生產(chǎn)制造，在缸蓋的排氣口端部設(shè)計(jì)冷卻水套，對(duì)缸蓋高溫部位進(jìn)行降溫；在排氣系統(tǒng)末端設(shè)計(jì)了廢氣處理箱，對(duì)廢氣進(jìn)行水洗降溫；同時(shí)對(duì)進(jìn)氣采用中間冷卻，進(jìn)一步提高進(jìn)氣量，這樣不僅可有效提升防爆柴油機(jī)功率20%以上,同時(shí)也最大程度的降低了排氣中的碳粒及煙度。另外，采用兩套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)分別對(duì)防爆柴油機(jī)的機(jī)體熱量及排氣系統(tǒng)熱量進(jìn)行冷卻，這樣在不破壞原機(jī)冷卻系統(tǒng)的同時(shí)，可提升冷卻能力50%以上

6、,使排氣溫度有效控制在70以下。3 防爆柴油機(jī)的技術(shù)要求和選型3.1防爆柴油機(jī)的技術(shù)要求防爆柴油機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求如下：進(jìn)氣系統(tǒng)防爆；排氣系統(tǒng)防爆；廢氣凈化；提高冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，以便使柴油機(jī)的機(jī)體表面溫度低于150 ；配套零部件具備防爆功能或采用措施后具備防爆功能。除此之外，防爆柴油機(jī)多在井下系統(tǒng)中應(yīng)用，巷道空間狹小，這就要求防爆柴油機(jī)結(jié)構(gòu)要緊湊，各系統(tǒng)合理布置，進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.2防爆柴油機(jī)的功率選擇發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的心臟部分，它性能的優(yōu)劣將會(huì)直接影響整車的動(dòng)力性能及可靠性。而且作為整車的一大部件其成本的高低也將直接影響全車價(jià)格。車輛的動(dòng)力性主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的大小。發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大，

7、其后備功率愈大，加速與爬坡能力就越好，整車的動(dòng)力性也越好。但發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇得太大，會(huì)造成不必要的功率浪費(fèi)和燃油消耗，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性能下降。通過(guò)下列方法可以估算發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大小。由公式：Pemax=l/r (magfrVamax/3600+CDAVa3max/76140)Pemax最大功率r 傳動(dòng)效率ma汽車總質(zhì)量g 重力加速度f(wàn)r滾動(dòng)阻力系數(shù)，滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類、行駛速度以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)CD空氣阻力系數(shù)A汽車迎風(fēng)面積Vamax最高車速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦，一般發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率2O%25%的損失。我們以8噸無(wú)軌膠輪車參數(shù)進(jìn)行防爆柴油機(jī)的研發(fā)，通過(guò)計(jì)算選擇東風(fēng)康明斯功率為1

8、53kW的柴油機(jī)作為防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)。3.3 防爆前柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)目前，我國(guó)煤礦在用的井下無(wú)軌膠輪車用防爆柴油機(jī)大部分是非增壓型，我們所開發(fā)的防爆柴油機(jī)具有低油耗、高動(dòng)力、低排放的優(yōu)點(diǎn)，能滿足井下輔助運(yùn)輸需求。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。表 1項(xiàng)目規(guī)格缸徑×沖程（mm）102×120排量（L）5.9進(jìn)氣方式渦輪增壓額定功率/轉(zhuǎn)速(kW/rpm)153/2200最大扭矩/轉(zhuǎn)速(N.m/rpm)870/1400排放EPA Tier2進(jìn)氣冷卻方式空空中冷4 防爆柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)按照防爆柴油機(jī)的開發(fā)要求，以3.3所述柴油機(jī)為基本型,對(duì)柴油機(jī)的起動(dòng)方式、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、

9、配套零部件的選用等進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)及嚴(yán)格選取，以此來(lái)滿足防爆要求。4.1防爆柴油機(jī)的起動(dòng)傳統(tǒng)的防爆柴油機(jī)一般采用電啟動(dòng)的方式啟動(dòng)，起動(dòng)馬達(dá)起動(dòng)瞬間所需要的電流高達(dá)幾百安培，有可能產(chǎn)生較強(qiáng)的電火花，從而引起煤礦井下易燃易爆氣體或粉塵的爆炸。為了杜絕高電流電火花的產(chǎn)生，我們采用壓縮空氣啟動(dòng)的方式，選用大扭矩、低壓?jiǎn)?dòng)的渦輪啟動(dòng)馬達(dá)，該氣馬達(dá)不僅體積小，啟動(dòng)噪聲也只有95分貝，適合煤礦井下的惡劣環(huán)境。防爆柴油機(jī)的起動(dòng)示意圖如圖1所示。圖1 防爆柴油機(jī)啟動(dòng)示意圖4.2進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為最大化提升防爆柴油機(jī)的動(dòng)力并改善排放性能，我們對(duì)進(jìn)行系統(tǒng)采用空氣冷卻的方式，以期最大限度增加進(jìn)氣量。經(jīng)增壓后的壓縮空氣溫

10、度一般高達(dá)150，經(jīng)柴油機(jī)自帶的吸風(fēng)式風(fēng)扇進(jìn)行冷卻后一般可達(dá)60左右，這樣在進(jìn)入燃燒室的空氣量明顯可增加50%以上,從而可有效提高防爆柴油機(jī)功率20%以上。 同時(shí)，為提高防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣空氣質(zhì)量，我們選取了帶有旋風(fēng)初濾的大流量沙漠空濾器，不僅可降低進(jìn)氣阻力，同時(shí)也可延長(zhǎng)空濾的更換周期，對(duì)防爆柴油機(jī)的使用壽命有一定好處。 另外，為降低防爆柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)回火造成的引爆可能，我們?cè)谶M(jìn)氣蓋板上設(shè)計(jì)了阻火柵欄及空氣關(guān)斷裝置，阻火柵欄能防止火星從進(jìn)氣系統(tǒng)中竄出，避免了引起可燃物燃燒的可能性；空氣關(guān)斷裝置采用氣缸控制，在出現(xiàn)事故或防爆指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，可切斷防爆柴油機(jī)的空氣供給，并及時(shí)停車。4.3排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)防

11、爆柴油機(jī)最關(guān)鍵的防爆措施之一就是降低柴油機(jī)機(jī)體的表面溫度，使之低于150。而排氣系統(tǒng)也是柴油機(jī)機(jī)體最高溫度所在地，普通柴油機(jī)的增壓器排氣出口溫度高達(dá)600， 因此，需要對(duì)缸蓋的排氣口、排氣歧管、增壓器進(jìn)行全新的匹配設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)冷卻水套，為不破壞原機(jī)的冷卻性能，同時(shí)提高柴油機(jī)的排氣冷卻效果，我們采用兩套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，即在輪系中增加一個(gè)水泵，同時(shí)增加一個(gè)散熱器，對(duì)排氣部分進(jìn)行單獨(dú)冷卻。因增壓器經(jīng)過(guò)冷卻后能量會(huì)有損失，不僅造成防爆柴油機(jī)的功率損失，同時(shí)對(duì)低速扭矩的影響也較大，為了克服這一難點(diǎn)，我們通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及流體模態(tài)分析，將渦輪殼氣體流道進(jìn)行更改，從而將損失的能量補(bǔ)償回來(lái)，滿足了低速扭矩性能。水

12、冷排氣歧管與水冷渦輪增壓器連接圖如圖2所示。 圖2 水冷排氣歧管與水冷渦輪增壓器連接圖為使防爆柴油機(jī)的排氣溫度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的70，我們?cè)谂艢饪偣芎蠖嗽O(shè)計(jì)了廢氣處理箱，并在廢氣處理箱內(nèi)部設(shè)計(jì)了排氣阻火柵欄，可有效阻止排氣火焰外泄引起的環(huán)境爆炸。4.4冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為有效降低柴油機(jī)排氣溫度，不破壞原柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，在柴油機(jī)上另行設(shè)計(jì)增加了一個(gè)水泵，同時(shí)也增加了一個(gè)外循環(huán)散熱器，該冷卻系僅對(duì)排氣歧管、增壓器廢氣渦殼、排氣總管部分的廢氣溫度進(jìn)行冷卻，不僅可降低零件表面溫度，同時(shí)可有效降低廢氣溫度。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)在環(huán)境溫度高達(dá)40時(shí)也可趨于熱平衡，而不影響柴油機(jī)正常使用。其布置示意圖如

13、圖3所示。圖3 冷卻系統(tǒng)布置示意圖4.5 配套零部件的選用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中防爆柴油機(jī)的技術(shù)要求中明確規(guī)定：(1)在防爆柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和維修期間，有可能受到撞擊的零部件的外殼均不允許采用輕金屬制造。(2)防爆柴油機(jī)及其配套的非金屬材料零部件，采用電阻值小于1×109的不燃或阻燃性材料制造。(3)用于密封的墊襯，應(yīng)使用帶有金屬骨架或金屬包封的不燃材料制造 。因此，對(duì)于防爆柴油機(jī)中不可避免的輕金屬部件外殼，除了加以有效防護(hù)外，我們采用表面噴涂改性的方式處理，并經(jīng)過(guò)煤炭行業(yè)的摩擦火花試驗(yàn)，均滿足要求；對(duì)于非金屬零部件如風(fēng)扇、多楔帶、各種膠管等均采用阻燃抗靜電材料全新設(shè)計(jì)開發(fā)，滿足煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。4.

14、6其他附件的設(shè)計(jì)及選取對(duì)于隔爆結(jié)合面的尺寸及有關(guān)要求，比如結(jié)合面的有效寬度、表面粗糙度、桿套配合的長(zhǎng)度及間隙等，均嚴(yán)格按照礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件要求設(shè)計(jì)。燃油箱的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)離柴油機(jī)，以此減少熱源的影響，油箱加油口、曲軸箱通氣孔采用螺紋可靠連接，同時(shí)在油箱和柴油機(jī)之問(wèn)設(shè)置燃油停油機(jī)構(gòu)，在出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)關(guān)閉燃油供給。對(duì)于防爆柴油機(jī)采用的部分電器件，如發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、溫度傳感器等，均采用有安標(biāo)認(rèn)證的隔爆件，其中采用的隔爆兼本質(zhì)安全型保護(hù)裝置，可有效實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)的表面溫度超標(biāo)、排氣溫度超標(biāo)、散熱器冷卻液溫度超標(biāo)、機(jī)油壓力低于設(shè)定值、廢氣處理箱水位低于設(shè)定值以及礦井下瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警

15、信號(hào)，并在30秒內(nèi)自動(dòng)停機(jī)。5 設(shè)計(jì)成型的防爆柴油機(jī)的組成及性能參數(shù)通過(guò)對(duì)防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣、排氣、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行總體設(shè)計(jì)開發(fā)，并嚴(yán)格執(zhí)行礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件的要求，開發(fā)出了具有領(lǐng)先性能的新型防爆柴油機(jī)，完全滿足煤礦井下輔助運(yùn)輸?shù)囊?，防爆后技術(shù)參數(shù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。防爆后技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2,新型防爆柴油機(jī)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖4。表 2項(xiàng)目參數(shù)額定功率/轉(zhuǎn)速(kW/rpm)125/2200最大扭矩/轉(zhuǎn)速(N.m/rpm)590/1600排放指標(biāo)CO0.1%785maxNOx0.08%680max表面溫度150128max排氣溫度7064max平衡后冷卻液溫度9896max1-進(jìn)氣系統(tǒng) 2-外循環(huán)水泵 3

16、-外循環(huán)散熱器 4-內(nèi)循環(huán)散熱器 5-中冷器 6-柴油機(jī) 7-排氣系統(tǒng)圖4 新型防爆柴油機(jī)系統(tǒng)圖6 試驗(yàn)驗(yàn)證防爆柴油機(jī)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)開發(fā)并經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)評(píng)審后展開試制，樣機(jī)經(jīng)過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)及外特性檢測(cè)，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在國(guó)家防爆柴油機(jī)檢測(cè)中心進(jìn)行了形式認(rèn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括防爆柴油機(jī)隔爆尺寸檢測(cè)、隔爆件耐壓性能檢測(cè)、溫度檢測(cè)、啟動(dòng)性能檢測(cè)、外特性曲線檢測(cè)、排放性能檢測(cè)以及整機(jī)隔爆性能檢測(cè)等，檢驗(yàn)結(jié)果完全符合礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件的要求，多項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求值，取得了防爆柴油機(jī)合格證及安全標(biāo)志證書。同時(shí)也進(jìn)行了裝車實(shí)驗(yàn)，并在煤礦井下做了工業(yè)性試驗(yàn)，此防爆柴油機(jī)能夠達(dá)到8噸物料運(yùn)輸車的動(dòng)力要求，滿足了井下運(yùn)輸?shù)氖褂靡?。從試?yàn)結(jié)果可以看出，新研制的防爆柴油機(jī)在各方面已經(jīng)滿足了設(shè)計(jì)要求。7 結(jié)語(yǔ)該新型防爆柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)達(dá)到了國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的水平，通過(guò)整車裝配及性能試驗(yàn)檢測(cè)，能夠很好地滿足8噸