大型挖掘機除塵通風系統(tǒng)的設(shè)計計算

譚彬 馬永海

摘要：通過現(xiàn)場對機械式挖掘機工作環(huán)境的粉塵濃度、進出口的溫度等主要數(shù)據(jù)的采集，運用除塵原理和流體力學理論、熱力學知識;進行散熱風量和正壓的計算并分析影響正壓形成的原因及措施，對除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計有指導意義。

關(guān)鍵詞：除塵凈化系統(tǒng);挖掘機;設(shè)計

1.概述

礦用機械挖掘機的除塵通風系統(tǒng)主要功能和作用是：①將室外含塵空氣過濾除塵后送入機棚內(nèi);②將機棚內(nèi)電機、電氣柜、減速機及其他運動件產(chǎn)生的熱量通過室內(nèi)空氣的流動帶走，以降低室內(nèi)及其運動件的工作溫度;③通過通風機向機棚內(nèi)不斷補充潔凈空氣使機棚內(nèi)保持一定正壓，防止粉塵從機棚敞口處進入室內(nèi)。生產(chǎn)實踐表明：大多情況下的機械式挖掘機故障停機，是由于電器故障引起的，而電器故障90%是由于電器柜或元件的發(fā)熱或粉塵造成的，致使電器控制柜的開關(guān)跳閘、打火花、接觸不良，使機器停止運行，嚴重影響機器正常運行和生產(chǎn)效率。挖掘機的機棚和電器間的通風除塵質(zhì)量是直接影響設(shè)備正常開工率的關(guān)鍵因素。

本文根據(jù)目前露天礦山工作環(huán)境和礦物條件分析研究了幾種適合除塵方式，依據(jù)機棚內(nèi)運動設(shè)備和電器元件的發(fā)熱量、進出口的溫度等主要因素，確定系統(tǒng)總風量，分析了機棚內(nèi)正壓形成的影響因素，對減少電氣故障、保證電器控制元件和電器設(shè)備正常開工率，提高運行效率有積極意義。

2.挖掘機除塵系統(tǒng)的研究

2.1 設(shè)備工作環(huán)境

挖掘機主要工作于大型露天煤礦、露天鐵礦及有色金屬礦山，工作環(huán)境氣候條件有南方多雨潮濕氣候，也有北方干熱多風氣候。挖掘機除塵系統(tǒng)主要是針對現(xiàn)場工作時產(chǎn)生的二次揚塵以及北方大風氣候條件下的粉塵。露天礦山粉塵濃度一般約為100mg/m?以下，多數(shù)情況下為10～30mg/m?，粉塵中的大部分粒徑為30μm以下，粒徑大于30μm的粉塵極少見。所以露天礦粉塵環(huán)境污染的特點是粉塵濃度較低，粉塵粒徑較細。這是大型礦用挖掘機除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的粉塵的特點。

2.2 除塵方式的選擇

目前，挖掘機除塵通風系統(tǒng)通常采用的除塵方式主要有以下幾種方式：1）采用旋流子除塵方式，該除塵原理為當含塵氣體經(jīng)過除塵器時，氣流將由直線運動變?yōu)閳A周運動，含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將相對密度大于氣體的塵粒甩向器壁，塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和向下的重力沿壁面下落，進入排灰管。該方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，除塵效率低，一般在75-85%左右，適用于處理大于5μm 以上的粉塵;2）采用百葉窗式慣性除塵方式，它是利用氣流突然轉(zhuǎn)變方向，使塵粒與氣體分離的一種裝置，可捕集到10μm 以上的粉塵，該方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，除塵效率在一般在75%左右;3）采用濾筒式除塵方式，濾筒式除塵具有體積小、過濾精度高、安裝維修簡便等特點，可捕集到0.5μm以上的粉塵;隨著挖掘機智能化水平的提高，電控系統(tǒng)對工作環(huán)境粉塵的控制提出了愈來愈高的要求，因此，濾筒式除塵方式成為挖掘機除塵通風系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2.3 除塵通風裝置的設(shè)計原則

挖掘機除塵通風系統(tǒng)是挖掘機正常運行必須的重要裝置，該裝置運行質(zhì)量的好壞直接決定著設(shè)備運行的可靠性，主要滿足以下幾點：1）電器控制系統(tǒng)對粉塵的最低要求;2）為確保電氣系統(tǒng)正常工作而需要的最低通風散熱條件要求;3）為確保機器間內(nèi)電機及機械傳動系統(tǒng)正常工作所需要的最低的散熱條件要求;4）為阻止室外粉塵進入機器間，需在機器間內(nèi)形成一定的空氣正壓的要求。

2.4 機棚內(nèi)發(fā)熱量的計算

機棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量主要由提升電動機、回轉(zhuǎn)電動機、電器柜、提升和回轉(zhuǎn)機械傳動系統(tǒng)工作時的發(fā)熱量組成。

（1）電器柜發(fā)熱量的確定

同時參與工作的電氣柜的功率為，電器元件的效率，令=0.98，則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康墓β蕿?/p>

（1）

（2）電機設(shè)備發(fā)熱量的確定

電機設(shè)備發(fā)熱量的確定主要有提升電機額定功率NS1，回轉(zhuǎn)電機額定功率NS2，推壓電機額定功率NS3。

（2）

式中，：電機效率，=0.95;

：不均勻系數(shù)。

確定不均勻系數(shù)是比較復雜的，因為挖掘機在一個工作周期中不同時間段功率是變化的，且各個部分的電機不是同時工作的;并不等于參與工作的電機銘牌標出的功率之和。所以求發(fā)熱功率時，需乘以不均勻系數(shù)。

（3）

式中，、、—分別為各個電機參與工作的時間占整個周期時間的比例。

（3）提升、回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動系統(tǒng)發(fā)熱量的確定

（4）

機棚內(nèi)設(shè)備總發(fā)熱量為電器柜發(fā)熱量和電機設(shè)備發(fā)熱量之和Nz，即

（5）

2.5 系統(tǒng)風量的確定與分析

根據(jù)該發(fā)熱功率產(chǎn)生的熱量計算系統(tǒng)風量

（6）

式中，860—為熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)，由單位換算可得。

建立熱平衡方程[1]，，則風量有

（7）

式中，—空氣比熱，c =0.24 kcal/kg.℃，

—空氣密度，=1.2kg/m?（常溫時），

—散熱風量，m3/h，

t0—進風溫度，℃，

—機棚內(nèi)部溫度，℃（即向外排的空氣溫度），

，機棚內(nèi)外溫差，℃。

為防止意外情況導致風量不足，將散熱風量乘以儲備系數(shù)k

（8）

其中，k—儲備系數(shù)，k=1.02～1.05，取k=1.03。

2.6機棚內(nèi)正壓形成的影響因素分析與正壓的計算

保持機棚內(nèi)正壓的目的是為了避免含塵氣流侵入室內(nèi)，重新造成粉塵污染。影響機棚內(nèi)正壓形成的主要因素是注入機棚內(nèi)風量的大小和出風開口的大小及其氣密性的好壞。正壓的大小與氣流速度、密度、及氣流運行阻力有關(guān)。

以速度Vk從開口處流出的風量所需壓頭hy，該壓頭即為機棚內(nèi)的正壓[2]：

（9）

式中，—阻力系數(shù)，與氣體流出的開口大小、外腔的形狀等因素有關(guān)，一般可取=1;

—空氣密度，常溫時，=1.2kg/m3。

若注入室內(nèi)的風量為Q（m3/s）、開口面積為Ak（m2），并認為整個機棚內(nèi)密封好，則從開口處流出的速度vk為

（10）

由式（10）知，影響室內(nèi)正壓大小的主要因素是注入室內(nèi)的風量和開口面積的大小。正壓值與開口處風速的平方成正比。若要求室內(nèi)正壓大，就必須加大注風量或減少開口面積。需要特別強調(diào)的是：當正壓一定的情況下，減少開口面積，或者降低注入的風量，就意味著降低能耗。

對推壓系統(tǒng)的供風方式有兩種：其一是由機棚頂部直接供風;其二是由機棚內(nèi)部供風。無論哪種供風方式，都會影響到室內(nèi)的正壓。推壓電機的散熱風量為q，則參與室內(nèi)正壓計算的風量Qtk =Q-q。風級F與風速之間有如下關(guān)系[ 3]

（風級）（11）

3.實例計算

通過對某個型號礦用機械挖掘機為例，計算了所需通風除塵系統(tǒng)的風量與正壓。驗證了本計算假設(shè)條件和所選取的有關(guān)系數(shù)適合當前挖掘機的實際情況。

3.1系統(tǒng)風量計算

已知：參與工作的電氣柜的功率、提升電機額定功率、回轉(zhuǎn)電機額定功率、推壓電機額定功率。

由式（1）得，電器柜發(fā)熱量。

假定在一個工作周期內(nèi)，提升電機和推壓電機的工作時間==10s，占整個周期時間的1/3，即==1/3，回轉(zhuǎn)電機工作時間為=15s，占整個周期時間的，即=1/2，由式（3）計算不均勻系數(shù)，將有關(guān)各電器柜發(fā)熱量與在一個周期中所占時間的比例等因素綜合考慮計算出不均勻系數(shù)為0.39

由式（2），計算可得機棚內(nèi)所有電機發(fā)熱功率。

由式（4），計算可得機棚內(nèi)所有機械傳動部件發(fā)熱功率。

機棚內(nèi)設(shè)備總發(fā)熱功率

由式（5）得系統(tǒng)散熱量，kcal/h

若取℃，由式（6）（2.6）計算得，此時散熱所需風量為：

m3/h

m3/h

同理，若按經(jīng)驗=0.45，取℃，計算此時的散熱風量Qt，見表1?? 表1? 對于、取不同的值時，散熱所需風量和考慮儲備系數(shù)的風量

不均勻系數(shù)

總發(fā)熱

功率（kW）

溫差（℃）

5

5.6

散熱所需風量

Qt（m3/h）

考慮儲備系數(shù)風量（m3/h）

散熱所需風量

Qt（m3/h）

考慮儲備系數(shù)風量（m3/h）

0.3812

81.17

48475

49930

43280

44580

0.45

95.5

57035

58745

50925

52450

根據(jù)實際使用條件，在滿足最小溫差散熱要求的情況下，通往機棚的散熱風量Q進行合理的圓整和選取。

3.2機棚內(nèi)正壓計算

設(shè)推壓電機的散熱風量約為q=8000m3/h，所以參與室內(nèi)正壓計算的風量應(yīng)該去掉推壓電機冷卻所需的風量。

當機棚出風口面積A1=1.2m2，則出口處的流速可通過系統(tǒng)總風量的平衡關(guān)系求得為9.7m/s。

所以，此時機棚內(nèi)正壓為

Pa（即5.7mm水柱）

風級為：級

表明在該正壓下，可以抵抗9.7 m/s室外風速所造成的動壓。大約可抵抗在5級風情況下，外部空氣不能進入室內(nèi)。

在考慮推壓系統(tǒng)時的所需風量時，對于機棚開口面積Ak取不同的值，所求得的機棚正壓hy和風級F如表2所示。

表2??????? 機棚開口面積Ak取不同的值的機棚正壓hy和風級F

參與室內(nèi)正壓計算的風量Qtk

機棚開口處

面積Ak（m2）

機棚開口處

速度vk（m/s）

機棚內(nèi)正壓

hy（Pa）

機棚開口

處風級F

42000（m3/h）

（11.67m3/s）

1.2

9.7

56.5

5.1

1.4

8.33

41.66

4.61

1.6

7.29

31.9

4.22

4.結(jié)論

通過上述計算與分析，得出以下結(jié)論：

（1）不均勻系數(shù)的選取對計算結(jié)果有很大影響，建議按實際參與工作的電機的額定功率進行計算，較符合實際情況;

（2）形成一定正壓的主要因素是進風量和出風口面積以及機棚的氣密性的好壞。所以減少漏風口面積或者減小開口面積，利于形成正壓。

（3）所采取的計算模型和方法是正確的，對除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計有指導意義。

參考文獻：

[1]湖南大學等校編.工業(yè)通風（M）， 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980

[2]李詩久.工程流體力學（M），北京：機械工業(yè)出版社，1980

[3]郝吉明，馬廣大.大氣污染控制工程（M），北京：高等教育出版社，2002

[4]張殿印王純，除塵器手冊（M），北京：化學工業(yè)出版社，2005

基金項目：國家863資助項目（2012AA062001）

作者簡介：譚彬，女，高級工程師，主要從事大型挖掘機設(shè)計研究工作。