大型礦用挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計(jì)研究

孟晶悅

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心礦山所，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計(jì)研究

孟晶悅

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心礦山所，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機(jī)的通風(fēng)除塵裝置的功能是過(guò)濾從室外送入機(jī)棚內(nèi)空氣中所含粉塵，用清潔的冷空氣排除機(jī)棚內(nèi)各機(jī)構(gòu)和電氣柜中產(chǎn)生的熱量。本文從設(shè)計(jì)挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置的考慮因素入手、深入研究帶有自潔性濾筒式除塵器的工作原理、除塵方式等，確定合理的通風(fēng)除塵裝置設(shè)計(jì)方案。與采用傳統(tǒng)的惰性除塵相比，濾筒式除塵器有效解決了機(jī)棚粉塵問(wèn)題，并成功應(yīng)用于WK系列大型挖掘機(jī)中。

大型礦用挖掘機(jī)；通風(fēng)除塵裝置；濾筒除塵器；設(shè)計(jì)方案

1 概況

大型礦用挖掘機(jī)是露天礦山單斗-汽車(chē)開(kāi)采工藝系統(tǒng)和半連續(xù)開(kāi)采工藝系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵采裝設(shè)備[1]。由于其是露天作業(yè)，作業(yè)環(huán)境粉塵嚴(yán)重。露天礦粉塵環(huán)境污染的特點(diǎn)是粉塵濃度較低，粉塵粒徑較細(xì)。基于這樣的工況條件，導(dǎo)致礦用挖掘機(jī)在工作過(guò)程中的停機(jī)故障時(shí)常發(fā)生，一般是由于電器故障引起的，而電器故障的90%是由于電器柜的發(fā)熱或粉塵過(guò)量造成的。

大型礦用挖掘機(jī)的通風(fēng)除塵裝置設(shè)計(jì)目的就是保證機(jī)棚內(nèi)電器柜控制元件和各機(jī)構(gòu)件的良好運(yùn)行。它的功能是過(guò)濾從室外送入機(jī)棚內(nèi)空氣中所含粉塵，用清潔的冷空氣排除機(jī)棚內(nèi)各機(jī)構(gòu)和電氣柜中產(chǎn)生的熱量，以保證挖掘機(jī)的安全運(yùn)行；使機(jī)棚內(nèi)產(chǎn)生正壓，以防止室外含塵氣流侵入到機(jī)棚內(nèi)。

2 通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計(jì)

確定通風(fēng)除塵裝置方案需要考慮的因素包括：①挖掘機(jī)整個(gè)系統(tǒng)所需要的散熱總量；②挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)正壓的形成；③通風(fēng)除塵裝置在挖掘機(jī)上的安裝位置及幾何尺寸；④選擇除塵方式，確定方案。

2.1 挖掘機(jī)系統(tǒng)所需要的散熱總量

通風(fēng)除塵裝置方案的確定首先要考慮機(jī)棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，機(jī)棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量主要根據(jù)提升電動(dòng)機(jī)、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、電氣柜和由機(jī)棚內(nèi)的風(fēng)量冷卻推壓電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的散熱總量。其中各電機(jī)的發(fā)熱功率見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：N備為各電機(jī)的發(fā)熱功率之和，單位kW；N為電機(jī)的額定功率；ηi為電機(jī)的額定效率；n為電機(jī)的額定臺(tái)數(shù)。

在一個(gè)工作周期內(nèi)，若一個(gè)工作周期的時(shí)間為30s，提升電機(jī)和推壓電機(jī)的工作時(shí)間為10s，占整個(gè)周期時(shí)間的，回轉(zhuǎn)電機(jī)工作時(shí)間為15s，占整個(gè)周期時(shí)間的，則實(shí)際參與工作的電機(jī)功率為，得不均勻系數(shù)，見(jiàn)式(2)。

(2)

則三者之間同時(shí)工作時(shí)功率的最大值，通過(guò)式(3)計(jì)算可得發(fā)熱功率。

(3)

根據(jù)該發(fā)熱功率產(chǎn)生的熱量計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)量，見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：c為空氣比熱，c=0.24kcal/kg·℃；ρ為空氣密度，ρ=1.2kg/m3(常溫時(shí))；Qi為散熱風(fēng)量，m3/h；t0為進(jìn)風(fēng)溫度，℃；t為內(nèi)部溫度，℃(即外排的空氣溫度)。

因1kW=860kcal/h，故系統(tǒng)風(fēng)量kcal/h，則機(jī)棚內(nèi)各機(jī)構(gòu)電機(jī)所需的散熱的風(fēng)量根據(jù)式(5)計(jì)算。

(5)

將計(jì)算出的Q值加上電器柜內(nèi)所需要的散熱量，就可以得出系統(tǒng)所需要的散熱總量，Q總。

根據(jù)系統(tǒng)中所需要的散熱總量，可以選擇確定通風(fēng)除塵裝置中風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以及相應(yīng)的風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓等參數(shù)。

2.2 挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)正壓的形成

挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)保持正壓的目的是抵抗機(jī)棚外含塵空氣進(jìn)入，是機(jī)棚內(nèi)的各機(jī)構(gòu)工作在清潔的環(huán)境中，從而能減少磨損，延長(zhǎng)壽命。

正壓形成的過(guò)程是由通風(fēng)裝置中的風(fēng)機(jī)向機(jī)棚內(nèi)一直吹入清潔的大量的空氣，使機(jī)棚內(nèi)的氣壓增高，造成超高微壓，形成氣封，機(jī)棚內(nèi)的氣體可由提升鋼絲繩出口處排出。

影響機(jī)棚室內(nèi)正壓形成的主要因素是吹入機(jī)棚內(nèi)風(fēng)量的大小和機(jī)棚各縫隙間密封性的好壞。

以速度v從開(kāi)口處流出所需壓頭(Pa)即為機(jī)棚內(nèi)的正壓，計(jì)算方法見(jiàn)式(6)。

(6)

式中：ξ為阻力系數(shù)，與氣體流出的開(kāi)口大小、外腔的形狀等因素有關(guān)，一般可取ξ=1；ρ為空氣密度，常溫20°C時(shí)，可取ρ=1.2kg/m3。

從式中可以看出正壓的大小與氣流速度、密度、及氣流運(yùn)行阻力有關(guān)。

若已知單位時(shí)間內(nèi)注入室內(nèi)的風(fēng)量為Q(m3/s)，則以提升鋼絲繩開(kāi)口處流出的風(fēng)量亦應(yīng)為Q，如果提升鋼絲繩開(kāi)口面積為A(m2)，則從開(kāi)口處流出的速度v(m/s)見(jiàn)式(7)。

(7)

從式中看出，影響室內(nèi)正壓大小的主要因素是吹入機(jī)棚內(nèi)的風(fēng)量和提升鋼絲繩開(kāi)口面積的大小。正壓值與提升鋼絲繩開(kāi)口處風(fēng)速的平方成正比。

風(fēng)速與風(fēng)級(jí)之間關(guān)系見(jiàn)式(8)。

(8)

式中：F為風(fēng)級(jí)；v為風(fēng)速，km/h。

根據(jù)式(8)，當(dāng)機(jī)棚內(nèi)的正壓一定值Q，提升鋼絲繩開(kāi)口尺寸A也確定時(shí)，可以計(jì)算出開(kāi)口處流出的速度v，繼而計(jì)算出室外風(fēng)級(jí)F。這樣，就可以知道在該正壓Q值下，可以抵抗v室外風(fēng)速對(duì)挖掘機(jī)造成的動(dòng)壓。即在F級(jí)風(fēng)情況下，挖掘機(jī)外部空氣不會(huì)進(jìn)入機(jī)棚內(nèi)。

2.3 通風(fēng)除塵裝置在挖掘機(jī)上的安裝位置

挖掘機(jī)的一些重要的機(jī)構(gòu)和電氣柜等都放在機(jī)棚內(nèi)，考慮到整個(gè)挖掘機(jī)的平衡等因素，通風(fēng)除塵裝置一般均設(shè)計(jì)在挖掘機(jī)后部，與機(jī)棚的后部相聯(lián)接，以機(jī)棚后壁的接口尺寸為基準(zhǔn)。由于機(jī)棚上設(shè)計(jì)有A形架，所以通風(fēng)除塵裝置的外形尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)，前后方向應(yīng)避開(kāi)A形架，防止與之干涉。

2.4 選擇除塵方式，確定方案

大型礦用挖掘機(jī)的通風(fēng)除塵裝置前期是采用強(qiáng)迫通風(fēng)惰性除塵，即用船用立式軸流風(fēng)機(jī)做強(qiáng)迫通風(fēng)的通風(fēng)機(jī)，采用葉片式惰性除塵器做空氣濾清器。當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)向?yàn)V清器吹進(jìn)含塵的空氣時(shí)，空氣中的粉塵在自重和慣性力的作用下進(jìn)入濾清器的排塵管道而被吹出機(jī)棚外，而比較潔凈的空氣則由濾清器的縫隙處溢出進(jìn)入機(jī)棚內(nèi)。但由于受到除塵機(jī)理的限制，采用這種除塵方式，過(guò)濾到機(jī)棚內(nèi)的空氣的潔凈度不能滿(mǎn)足機(jī)棚內(nèi)設(shè)備的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多先進(jìn)成熟的技術(shù)被集成應(yīng)用于大型挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，為礦用挖掘機(jī)整體技術(shù)水平的提升提供了必要的保證。由于新型濾料的出現(xiàn)和除塵器設(shè)計(jì)的改進(jìn)，濾筒式除塵器在除塵工程中開(kāi)始應(yīng)用。

濾筒式除塵器具有體積小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足大型礦用挖掘機(jī)的通風(fēng)除塵要求。

3 濾筒式除塵器

3.1 濾筒式除塵器的構(gòu)造

濾筒除塵器主要是由系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、集氣室、凈氣室、脈沖反吹、集灰斗及粉塵的機(jī)械輸送等組成。

濾筒除塵器的過(guò)濾元件是濾筒，濾筒是設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的濾料折疊成褶，首尾黏合成筒；筒的內(nèi)外用金屬框架支撐。

大型礦用挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置中所采用的濾筒除塵器，需要考慮濾筒數(shù)目、排列型式及安裝方式等。濾筒的數(shù)目是通風(fēng)除塵裝置的關(guān)鍵參數(shù)，它由機(jī)棚中所需的總風(fēng)量確定。

由于大型礦用挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置位于挖掘機(jī)的后部，挖掘機(jī)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)又需要其安裝空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以在除塵器的設(shè)計(jì)中在滿(mǎn)足挖掘機(jī)系統(tǒng)所需風(fēng)量及風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，盡量降低其高度。同時(shí)，通風(fēng)除塵裝置的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但有強(qiáng)度要求，還應(yīng)有足夠的剛度以抵抗挖掘機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生巨大的抖動(dòng)來(lái)保證除塵器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，進(jìn)而保證除塵器除塵的效果。

3.2 濾筒式除塵器工作原理

含塵氣流從除塵器的頂部進(jìn)入集氣室，由于氣流斷面突然擴(kuò)大，氣流中一部分顆粒粗大的塵粒在重力和慣性力作用下沉降下來(lái)；含塵氣流中的粒度細(xì)、密度小的塵粒進(jìn)入集氣室后通過(guò)布朗擴(kuò)散和篩濾等的綜合效應(yīng)就被濾筒表面截流，使粉塵沉積在濾筒的濾料表面。在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的作用下，氣流通過(guò)濾筒過(guò)濾，清潔空氣被送入機(jī)棚內(nèi)。

濾筒式除塵器的阻力隨濾料表面粉塵層厚度的增加而增大，阻力達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，進(jìn)行清灰，此時(shí)脈沖控制儀控制脈沖閥的啟閉。當(dāng)脈沖閥開(kāi)啟時(shí)，氣包內(nèi)的壓縮空氣通過(guò)脈沖閥經(jīng)噴吹管上的小孔噴射出一股高速、高壓的引射氣流，從而形成一股相當(dāng)于引射氣流體積1～2倍的誘導(dǎo)缺陷流，一同進(jìn)入到濾筒內(nèi)，使濾筒內(nèi)出現(xiàn)瞬間正壓并產(chǎn)生鼓脹和微動(dòng)；沉積在濾料上的粉塵脫落，掉入灰斗內(nèi)被連續(xù)排出。

這種方式，是逐排濾筒順序清灰，脈沖閥開(kāi)閉一次產(chǎn)生一個(gè)脈沖動(dòng)作，一般情況下，所需的時(shí)間為0.1～0.2s；脈沖閥相鄰兩次開(kāi)閉時(shí)間為1～2min，全部濾筒完成一次清灰循環(huán)所需要的時(shí)間為10～30min。由于為低壓脈沖清灰，所以根據(jù)運(yùn)行阻力情況，應(yīng)把噴吹時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，而把噴吹間隔和噴吹周期適當(dāng)縮短。

3.3 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的選用

在通風(fēng)除塵系統(tǒng)中，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)是用來(lái)連續(xù)輸送氣體的重要部件之一。由于大型礦用挖掘機(jī)是移動(dòng)的機(jī)器，所以安裝于其上后部的通風(fēng)除塵裝置中的系統(tǒng)風(fēng)機(jī)在選用時(shí)，在保證風(fēng)量與風(fēng)壓的情況下，還要考慮到安裝空間的限制，即選用大風(fēng)量大風(fēng)壓盡量小的外形安裝尺寸的風(fēng)機(jī)。離心式風(fēng)機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)均可以選用，若選擇離心風(fēng)機(jī)，則風(fēng)機(jī)與電機(jī)需要采用直聯(lián)式。

選用風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及風(fēng)壓必須滿(mǎn)足挖掘機(jī)整個(gè)系統(tǒng)所需要的散熱總量與所需要形成的正壓值。

3.4 濾筒式除塵器的排灰方式

大型挖掘機(jī)惡劣的工作環(huán)境，主要是由于挖掘機(jī)在挖掘、卸裝過(guò)程中，產(chǎn)生的揚(yáng)灰，粉塵細(xì)且濃度大。對(duì)于濾筒式除塵器所過(guò)濾出的粉塵則需要機(jī)械輸送裝置將其排出。

粉塵的機(jī)械輸送裝置包括有螺旋輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等。由于螺旋輸送機(jī)適用于水平或傾斜度小于20°情況下輸送粉狀或粒狀物料，而大型礦用挖掘機(jī)除塵裝置中的除塵器的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，均大于4m，下部灰斗的長(zhǎng)度至少為3m，所以選用螺旋輸送機(jī)。

螺旋輸送機(jī)中灰斗側(cè)板與水平面夾角為55°，在灰斗下部連接螺旋輸送機(jī)，在螺旋輸送機(jī)的左端的排灰口設(shè)計(jì)有星型卸灰閥，螺旋輸送機(jī)右端則設(shè)計(jì)電機(jī)減速機(jī)。這樣，集灰斗內(nèi)的灰塵通過(guò)螺旋輸送機(jī)直接排到挖掘機(jī)下。

上述除塵器中各環(huán)節(jié)的動(dòng)作，包括濾筒的脈沖噴吹清灰、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的啟制動(dòng)、螺旋輸送機(jī)的排灰，均采用PLC控制，與挖掘機(jī)主機(jī)一起，實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)行。

4 結(jié)論

目前，濾筒式通風(fēng)除塵裝置已成功應(yīng)用于太原重工股份有限公司生產(chǎn)制造的WK系列大型挖掘機(jī)上，尤其用于剝離開(kāi)采的挖掘機(jī)，由于通風(fēng)除塵裝置采用濾筒式除塵方式，其機(jī)棚內(nèi)空氣潔凈度大大提高，有效降低了挖掘機(jī)的故障率。

通過(guò)對(duì)大型礦用挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)所需散熱量及形成正壓的分析，采用濾筒式除塵器作為通風(fēng)除塵裝置的除塵方式，有效地解決機(jī)棚和電氣室的粉塵問(wèn)題，創(chuàng)造干凈的機(jī)棚空間，對(duì)于提高挖掘機(jī)的工作效率，減少故障率起著積極地促進(jìn)作用。

[1] 王曉明. 礦用機(jī)械式挖掘機(jī)的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].礦業(yè)裝備，2010(zk)，8：50-53.

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[6] 金國(guó)淼，等.除塵設(shè)備[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Design and research of ventilation dust removal device in large mining excavator

MENG Jing-yue

(Technology Center Excavator Institute，Taiyuan Heavy Industry Co.，LTD.，Taiyuan 030024，China)

The function of the large mining excavator’s ventilation dust removal device is to filter those containing dust in the air from outside into the machinery house，is to remove the heat generated by the electrical cabinet and various machinery through clean cool air out of the house. In this paper，working principle of the fliter deduster with self-clean function and dusting method are researched deeply from the consideration of excavator design ventilation dust removal device，and the reasonable design scheme is determined. Compared with the traditional inertial dust separator，the problem of dust in the house is effectively solved by the fliter deduster. And it has been successfully used in WK series heavy excavator.

large mining excavator；ventilation dust removal device；fliter deduster;design scheme

2014-03-17

TD63+1

A

1004-4051(2015)02-0138-03