防爆柴油機(jī)的防爆安全設(shè)計(jì)

賈二虎

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西太原 030006）

0 引言

防爆柴油機(jī)為動力的無軌輔助運(yùn)輸車輛在煤礦井下正常工作時(shí)， 因防爆柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體與缸體、 缸蓋直接接觸， 并通過排氣管排出，若無相應(yīng)措施，極易導(dǎo)致缸體、缸蓋、排氣管等表面會出現(xiàn)高溫?zé)t現(xiàn)象，進(jìn)排氣管路如出現(xiàn)泄漏，也可能出現(xiàn)火花、火焰從管路中泄漏等危險(xiǎn)因素[1]，這些因素可能導(dǎo)致引燃井下瓦斯、煤塵等，甚至爆炸。

1 危險(xiǎn)源分析

柴油機(jī)在工作過程中因燃燒燃料，產(chǎn)生高溫高壓的氣體， 導(dǎo)致柴油機(jī)在煤礦井下使用時(shí)會成為點(diǎn)燃危險(xiǎn)源[2]，主要危險(xiǎn)因素有：

（1）熱表面：柴油機(jī)在燃燒時(shí)，缸內(nèi)溫度達(dá)上千度，雖然經(jīng)過冷卻系統(tǒng)降溫，柴油機(jī)表面仍有很高溫度。 由于工作環(huán)境煤塵較多，在柴油機(jī)表面會積存不同程度的煤塵、機(jī)油等易燃物，溫度太高可能引燃這些可燃性物質(zhì)[3-4]。

（2）熱氣體：柴油機(jī)的增壓器出口廢氣溫度在高負(fù)荷時(shí)可達(dá)到550℃以上；直接噴出排氣管，可能引燃煤塵、機(jī)油等可燃物。

（3）火焰火星：柴油機(jī)排出的廢氣因溫度過高，到大氣中時(shí)可能含有火焰和火星， 引燃附著在防爆車輛表面的煤塵、機(jī)油等可燃物，造成火災(zāi)。

（4）機(jī)械火花：從車輛上部掉落螺栓等小零件與柴油機(jī)表面碰撞或旋轉(zhuǎn)零部件與周邊的機(jī)架等碰撞、 摩擦產(chǎn)生火花。

（5）靜電起火：柴油機(jī)上使用的非金屬可能會與周邊金屬零部件摩擦產(chǎn)生的靜電，導(dǎo)致形成火花。

（6）電火花：工作過程中，電氣元件線纜破損或破損后的不當(dāng)接線等導(dǎo)致防爆的電氣部件失爆，產(chǎn)生電火花。

2 防爆安全設(shè)計(jì)方案

根據(jù)柴油機(jī)在井下使用形成危險(xiǎn)的源頭進(jìn)行分析，防爆柴油機(jī)需針對每個(gè)危險(xiǎn)源進(jìn)行相應(yīng)的防爆安全設(shè)計(jì)，以避免該因素引起防爆柴油機(jī)的爆炸。

（1）表面溫度防爆設(shè)計(jì)：防爆柴油機(jī)與爆炸性氣體環(huán)境直接接觸， 溫度過高可能引燃防爆柴油機(jī)表面附著的煤塵、柴油、機(jī)油等易燃物，甚至引燃瓦斯氣體，因此需要在設(shè)計(jì)階段， 將排氣歧管等高溫零部件設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，采用冷卻水進(jìn)行冷卻。 重新匹配冷卻系統(tǒng)，加大散熱器、風(fēng)扇，甚至增加一套冷卻系統(tǒng)，使各高溫的零部件其表面溫度降至150℃以內(nèi)[5-6]。

空氣壓縮機(jī)也需采用水冷式缸蓋， 對空氣壓縮機(jī)的缸蓋進(jìn)行冷卻，根據(jù)需要，空氣壓縮機(jī)出口管路需采用雙層金屬波紋管，及時(shí)散熱，保證空氣壓縮機(jī)管路在正常溫度以內(nèi)。

（2）排氣溫度防爆設(shè)計(jì)：為使最終排至大氣的溫度降至70℃以內(nèi)， 除采用雙層水冷方式使排氣歧管等高溫零部件溫度不斷降低外，在最終出口前還設(shè)置廢氣處理箱，通過廢氣處理箱內(nèi)的冷卻水對排氣進(jìn)一步降低溫度，保證排氣溫度不得超過70℃防爆要求。

（3）火焰火星防爆設(shè)計(jì)：柴油機(jī)正常燃燒時(shí)，燃燒室內(nèi)最高溫度達(dá)1500℃以上，與燃燒室直接連通的進(jìn)、排氣管路中為防止火焰和火星從零部件間的結(jié)合面泄露，要求各結(jié)合面連接處形成一定的阻燃路徑， 以阻止火星火焰排到大氣中，對阻燃路徑提出要求見表1。

表1 進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)合面尺寸要求

因柴油機(jī)存在進(jìn)排氣門同時(shí)開啟的氣門重疊角，為熄滅防爆柴油機(jī)從進(jìn)氣口噴出中的火星火焰， 為使阻火性能更加可靠， 應(yīng)在盡可能的靠近缸蓋的進(jìn)氣及排氣管路上設(shè)置要求更高的阻火器， 阻火器一般要求采用不銹鋼材料。 阻火器隔爆要求見表2。

表2 阻火器隔爆要求

考慮煤礦井下車輛的工作環(huán)境，車身震動及晃動較嚴(yán)重，阻火器必須可靠安裝，防止在使用過程中阻火器松動。

廢氣處理箱內(nèi)水位保證排氣必須通過水面下后才能排出外面， 在降低排溫的同時(shí)起到了濕式火花消除器的作用，可消除尾氣中的火焰、火星的擴(kuò)散并阻止易燃物質(zhì)的點(diǎn)燃。

（4）機(jī)械碰撞產(chǎn)生火花防爆設(shè)計(jì)：防爆柴油機(jī)外圍的旋轉(zhuǎn)部件不能使用輕金屬， 防爆柴油機(jī)易碰撞的表面應(yīng)盡量避免使用輕金屬，外圍用到輕金屬的地方，應(yīng)該作為發(fā)動機(jī)的一部分，用外罩或容器保護(hù)起來，外罩需要滿足沖擊試驗(yàn)的要求。

（5）非金屬產(chǎn)生靜電的防爆設(shè)計(jì)：防爆柴油機(jī)上應(yīng)盡量不使用非金屬材料， 若無法避免也應(yīng)采用阻煤燃抗靜電材料。 風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)件盡量不使用非金屬風(fēng)扇，冷卻、潤滑、進(jìn)氣膠管在裝配過程中應(yīng)可靠固定，不能與機(jī)架等產(chǎn)生摩擦。

（6）電纜破損的防爆設(shè)計(jì)：電纜應(yīng)采用符合防爆要求的纜線，還應(yīng)具有耐油性，電纜的安裝應(yīng)在出現(xiàn)機(jī)械震動（如摩擦、卡磨）時(shí)絕緣體不脫落，不出現(xiàn)彎折過度而導(dǎo)致內(nèi)部的導(dǎo)體不導(dǎo)電。

3 防爆安全保護(hù)措施

雖然在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到防爆柴油機(jī)的隔爆等事項(xiàng)，但在使用過程中，由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，車輛使用工況比較惡劣，為保證可靠的防爆性能，需要對與防爆有關(guān)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在達(dá)到一定條件時(shí)，能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，按要求使防爆柴油機(jī)自動熄火。

（1）溫度保護(hù)：為保證防爆柴油機(jī)的防爆可靠性，溫度保護(hù)應(yīng)包括冷卻水、表面溫度、進(jìn)氣、排氣、空壓機(jī)出口等溫度。因各部位對溫度的要求不同，冷卻水溫度最高至95℃、柴油機(jī)表面溫度、空壓機(jī)出口溫度、進(jìn)氣溫度最高至150℃、排氣溫度最高至70℃。

（2）冷卻水水位：為使防爆柴油機(jī)正常工作，冷卻水、廢氣處理箱、補(bǔ)水箱等水位也需進(jìn)行保護(hù)監(jiān)控。防爆柴油機(jī)的溫度主要由防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行保證， 若冷卻水缺失，必定會導(dǎo)致各項(xiàng)溫度指標(biāo)超標(biāo)，所以要設(shè)置冷卻水缺水位保護(hù)。

（3）機(jī)油壓力：為保證防爆柴油機(jī)的正常運(yùn)行，機(jī)油必須保質(zhì)、保量的按時(shí)供應(yīng)，若機(jī)油缺少，輕則可能使防爆柴油機(jī)拉缸、抱瓦，在運(yùn)行過程中突然熄火停機(jī)，重則可能使表面溫度超標(biāo)，引燃周邊易燃物，甚至發(fā)生火災(zāi)。因此， 對機(jī)油壓力進(jìn)行監(jiān)測是保證防爆柴油機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（4）瓦斯?jié)舛龋阂蚍辣裼蜋C(jī)工作在有瓦斯的環(huán)境中，瓦斯?jié)舛冗_(dá)一定程度后，易引起燃燒、爆炸，所以應(yīng)配置瓦斯檢測儀，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%時(shí)自動控制防爆柴油機(jī)熄火。

4 防爆柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)

（1）防爆柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)防爆柴油機(jī)對阻燃尺寸的要求、缸體、缸蓋的接合面、缸蓋與進(jìn)排氣系統(tǒng)的接合面，及噴油器安裝孔等本體部分進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行加工。

進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)， 在缸蓋前的進(jìn)氣管路中增加阻火器， 阻火器與缸蓋之間的管路嚴(yán)格按照阻燃尺寸進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)；阻火器之間增加進(jìn)氣關(guān)斷閥，以防在出現(xiàn)飛車時(shí)能夠及時(shí)堵塞進(jìn)氣管道，將防爆柴油機(jī)熄滅；空氣濾清器應(yīng)盡量選用金屬外殼空濾， 以防非金屬在運(yùn)行中產(chǎn)生靜電。

排氣系統(tǒng)的防爆設(shè)計(jì)，根據(jù)阻燃路徑要求，采用雙層水冷的方式對排氣歧管、排氣彎管進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行承壓試驗(yàn)；根據(jù)不同工況，對廢氣處理箱不同傾角下的水位進(jìn)行測試，保證廢氣處理箱在各種工況下可靠防爆，見圖1。

圖1 防爆柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

空氣壓縮機(jī)、 增壓器等產(chǎn)生高溫的零部件重新設(shè)計(jì)加工，在保證使用性能的同時(shí)表面溫度符合防爆要求。

（2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)防爆柴油機(jī)散熱量，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行重新匹配，設(shè)計(jì)散熱器、水泵等，保證防爆柴油機(jī)各處均能滿足溫度要求。

（3）保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：防爆柴油機(jī)應(yīng)設(shè)置自動保護(hù)系統(tǒng)，對運(yùn)行中的各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)達(dá)到一定檢測值時(shí)，自動報(bào)警并控制防爆柴油機(jī)停機(jī)，見圖2。

圖2 防爆柴油機(jī)保護(hù)配置

（4）裝配設(shè)計(jì)：在進(jìn)行防爆柴油機(jī)裝配時(shí)，將所有管路固定在柴油機(jī)兩側(cè)， 盡量避免防爆柴油機(jī)上方布置燃油、潤滑、冷卻等管路及電纜，若無法避免，也需將管路遠(yuǎn)離防爆柴油機(jī)表面。

5 結(jié)論

防爆柴油機(jī)作為防爆無軌膠輪車的主要動力， 隨著無軌輔助運(yùn)輸車輛在煤礦井下的大量使用， 防爆柴油機(jī)的安全設(shè)計(jì)成為煤礦井下車輛使用的重要保證。但設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與使用是實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)安全運(yùn)行的三個(gè)階段，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都會影響整個(gè)防爆柴油機(jī)的安全，為此，還需加強(qiáng)幾方面的工作：

防爆柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行生產(chǎn)，所有隔爆面均應(yīng)滿足要求，所有溫度均在規(guī)定范圍之內(nèi)，所有保護(hù)均能正常工作，不得擅自改變加工圖紙，不得采用不合格零部件，裝配時(shí)應(yīng)固定牢靠。

煤礦企業(yè)應(yīng)按防爆車輛生產(chǎn)廠家規(guī)定， 不得擅自變更、拆除原廠配置，按時(shí)對防爆柴油機(jī)進(jìn)行檢修、保養(yǎng)，及時(shí)更換磨損電纜，保證防爆柴油機(jī)的正常工作，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)排除。

經(jīng)生產(chǎn)企業(yè)與使用企業(yè)的共同努力， 才能保證防爆柴油機(jī)的真正安全運(yùn)行，減少事故發(fā)生。