嚴(yán)雅婧， 孟晶悅， 張 龍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

大型礦用挖掘機(jī)主要應(yīng)用于露天礦的開采，其工作條件惡劣、粉塵濃度大，因此選取合理高效的通風(fēng)除塵系統(tǒng)對(duì)于大型礦用挖掘機(jī)可靠工作是至關(guān)重要的。

空氣在風(fēng)道中流動(dòng)過程中的阻力是由于與風(fēng)道管壁摩擦所引起的機(jī)械能損失，該阻力的大小與流體本身物理性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)及管道壁面形狀等因素有關(guān)。對(duì)風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)過程中的壓力損失的計(jì)算，對(duì)于通風(fēng)機(jī)的選取、風(fēng)道合理設(shè)計(jì)改進(jìn)有重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)簡介

太原重工股份有限公司（以下簡稱太重）開發(fā)的35 m3機(jī)械挖掘機(jī)通風(fēng)除塵裝置主要由底座、濾筒除塵器、風(fēng)帽、通風(fēng)裝置等部件組成，見圖1，其中深色部分為風(fēng)道。其工作流程為：離心風(fēng)機(jī)不斷將經(jīng)濾筒過濾后清潔的空氣通過風(fēng)道送到機(jī)棚及電氣間內(nèi)，對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)散熱。濾筒過濾后的灰塵進(jìn)入集灰斗，通過螺旋輸送機(jī)和旋轉(zhuǎn)卸灰閥經(jīng)由排灰軟管排出機(jī)外。35 m3通風(fēng)除塵系統(tǒng)風(fēng)道有2條，現(xiàn)將風(fēng)道分別編號(hào)為風(fēng)道一、風(fēng)道二，見圖2。

2 壓力損失的計(jì)算

氣體在管道內(nèi)流動(dòng)是依靠風(fēng)機(jī)所提供的能量，研究表明，這些能量一部分用來克服管道的摩擦壓力損失，另一部分是用來克服管道的局部結(jié)構(gòu)突變所產(chǎn)生的局部阻力和管道出口的動(dòng)壓力損失[1]。太重以風(fēng)道一為例，計(jì)算了以上兩分部分的壓力損失。

圖1 通風(fēng)除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 風(fēng)道UG三維模型

2.1 沿程壓力損失的計(jì)算

由流體力學(xué)能量守恒的基本思想可知，單位質(zhì)量流體在管道中的沿程阻力損失可表達(dá)為單位質(zhì)量流體克服壁面內(nèi)摩擦力所做的功。當(dāng)流體以平均流速c通過內(nèi)徑為D、單位長度的一段圓管時(shí)，其壓力損失為[2]：

式中，Δpf為單位長度通風(fēng)管道沿程壓力損失，又稱比摩阻Pa/m，λ為摩擦系數(shù)；D為通風(fēng)管道內(nèi)徑，m；c為流道截面流體的平均速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

考慮到風(fēng)道布置及外觀協(xié)調(diào)性，太重所設(shè)計(jì)的風(fēng)道截面為矩形，研究中需要采用當(dāng)量直徑來代替(1)式中的圓管直徑：

式中，Dε為矩形風(fēng)道當(dāng)量直徑；a為風(fēng)道截面矩形長度；b為風(fēng)道截面矩形寬度。

空氣在風(fēng)道中可能存在2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流[3]，影響流態(tài)各因素組成一個(gè)綜合的無因次量數(shù)—雷諾數(shù)Re，且當(dāng)Re＜2 320時(shí)為層流，當(dāng)Re＞2 320時(shí)為紊流。

式中，ξ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

若流體流動(dòng)狀態(tài)符合層流特性，則采用以下修正公式計(jì)算其相應(yīng)的阻力系數(shù)。

式中，C為非圓形流道截面形狀修正系數(shù)，此處取C=57。

對(duì)于35 m3挖掘機(jī)通風(fēng)除塵系統(tǒng)，太重選擇了通風(fēng)量為L=20 000 m3/h的通風(fēng)機(jī)，相應(yīng)的可得到風(fēng)道截面流體的平均速度c。

已知條件：空氣密度ρ=1.2 kg/m3；通風(fēng)量L=20 000 m3/h；空氣運(yùn)動(dòng)粘度ξ=15.06 m2/s；風(fēng)道截面矩形長度a=500 mm,風(fēng)道截面矩形長度b=494 mm；風(fēng)道一總長度l=3 835 mm。由公式（1）~（5）可計(jì)算出風(fēng)道比摩阻。

2.2 局部壓力損失的計(jì)算

在研究的過程中，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)中由局部阻力所造成的能量損失在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中壓力損失占有相當(dāng)大的比重。由于布局的限制等原因，風(fēng)道中的管件種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣，空氣在風(fēng)道的進(jìn)出口、管徑擴(kuò)大或縮小等局部位置時(shí)，空氣的流動(dòng)形勢極為復(fù)雜，所以大多數(shù)的局部阻力系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)得到[4]。 克服阻力所消耗的機(jī)械能可表示：

式中，ξ為局部阻力系數(shù)；c為流道截面流體的平均速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

圖3 管壁粗糙度對(duì)摩擦阻力的修正系數(shù)

由于風(fēng)道轉(zhuǎn)彎會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，故風(fēng)道一主要會(huì)在3個(gè)部分出現(xiàn)壓力損失。由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]可以查得以上3種情況對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù)為：ξ1=1.480，ξ2=0.213，ξ3=0.207。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由2.1及2.2內(nèi)容可得出，空氣流經(jīng)風(fēng)道一的總壓力損失Δp1=ΔPf+Δpfj= 37.89+ 5 76.60 = 6 14.48Pa 。

類似的，計(jì)算出了空氣流經(jīng)風(fēng)道二的總壓力損失Δp2=ΔPf+Δpfj= 66.78+ 9 38.97 = 1 005.73Pa。

對(duì)于35 m3挖掘機(jī)配備的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，全壓為P風(fēng)機(jī)= 2 303 Pa，則Δp1＜ Δ風(fēng)機(jī)， Δp2＜ Δ風(fēng)機(jī)。

由上述分析可以看出在該風(fēng)道結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的壓力損失下，風(fēng)機(jī)是可以保證空氣的正常流通的。

此外，計(jì)算風(fēng)道比摩阻對(duì)于通風(fēng)管道設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義，比摩阻過小，風(fēng)道的加工成本高經(jīng)濟(jì)性不佳；反之，比摩阻過大，需要配備較大的風(fēng)機(jī)，運(yùn)行成本增加。

4 結(jié)語

本文對(duì)于風(fēng)道壓力損失的計(jì)算為風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)確選型提供了相關(guān)的依據(jù)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，本文中所設(shè)計(jì)風(fēng)道可較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

[1] 《風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造與質(zhì)量檢測新標(biāo)準(zhǔn)及選型、安裝維護(hù)操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)》編委會(huì). 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造與質(zhì)量檢測新標(biāo)準(zhǔn)及選型、安裝維護(hù)操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)[M]. 徐州：安徽文化音像出版社,2005.

[2] 游英,魯程.矩形風(fēng)道比摩阻的簡便計(jì)算方法[J].通風(fēng)除塵,1996(2):47-48.

[3] 李詩久.工程流體力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1981.

[4] 張玉成,儀登利,馮殿儀.通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與選型[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[5] 續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.