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)

大型礦用挖掘機通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計研究

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)

大型礦用挖掘機的通風(fēng)除塵裝置的功能是過濾從室外送入機棚內(nèi)空氣中所含粉塵，用清潔的冷空氣排除機棚內(nèi)各機構(gòu)和電氣柜中產(chǎn)生的熱量。本文從設(shè)計挖掘機通風(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棚粉塵問題，并成功應(yīng)用于WK系列大型挖掘機中。

大型礦用挖掘機；通風(fēng)除塵裝置；濾筒除塵器；設(shè)計方案

1 概況

大型礦用挖掘機是露天礦山單斗-汽車開采工藝系統(tǒng)和半連續(xù)開采工藝系統(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)境污染的特點是粉塵濃度較低，粉塵粒徑較細(xì)?；谶@樣的工況條件，導(dǎo)致礦用挖掘機在工作過程中的停機故障時常發(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)熱或粉塵過量造成的。

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

2 通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計

確定通風(fēng)除塵裝置方案需要考慮的因素包括：①挖掘機整個系統(tǒng)所需要的散熱總量；②挖掘機機棚內(nèi)正壓的形成；③通風(fēng)除塵裝置在挖掘機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棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，機棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量主要根據(jù)提升電動機、回轉(zhuǎn)電動機、電氣柜和由機棚內(nèi)的風(fēng)量冷卻推壓電動機工作時的散熱總量。其中各電機的發(fā)熱功率見式(1)。

(1)

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

在一個工作周期內(nèi)，若一個工作周期的時間為30s，提升電機和推壓電機的工作時間為10s，占整個周期時間的，回轉(zhuǎn)電機工作時間為15s，占整個周期時間的，則實際參與工作的電機功率為，得不均勻系數(shù)，見式(2)。

(2)

則三者之間同時工作時功率的最大值，通過式(3)計算可得發(fā)熱功率。

(3)

根據(jù)該發(fā)熱功率產(chǎn)生的熱量計算系統(tǒng)風(fēng)量，見式(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)；Qi為散熱風(fēng)量，m3/h；t0為進風(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，則機棚內(nèi)各機構(gòu)電機所需的散熱的風(fēng)量根據(jù)式(5)計算。

(5)

將計算出的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)機的風(fēng)量以及相應(yīng)的風(fēng)機的風(fēng)壓等參數(shù)。

2.2 挖掘機機棚內(nèi)正壓的形成

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

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

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

以速度v從開口處流出所需壓頭(Pa)即為機棚內(nèi)的正壓，計算方法見式(6)。

(6)

式中：ξ為阻力系數(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ξ=1；ρ為空氣密度，常溫20°C時，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、及氣流運行阻力有關(guān)。

若已知單位時間內(nèi)注入室內(nèi)的風(fēng)量為Q(m3/s)，則以提升鋼絲繩開口處流出的風(fēng)量亦應(yīng)為Q，如果提升鋼絲繩開口面積為A(m2)，則從開口處流出的速度v(m/s)見式(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棚內(nèi)的風(fēng)量和提升鋼絲繩開口面積的大小。正壓值與提升鋼絲繩開口處風(fēng)速的平方成正比。

風(fēng)速與風(fēng)級之間關(guān)系見式(8)。

(8)

式中：F為風(fēng)級；v為風(fēng)速，km/h。

根據(jù)式(8)，當(dāng)機棚內(nèi)的正壓一定值Q，提升鋼絲繩開口尺寸A也確定時，可以計算出開口處流出的速度v，繼而計算出室外風(fēng)級F。這樣，就可以知道在該正壓Q值下，可以抵抗v室外風(fēng)速對挖掘機造成的動壓。即在F級風(fēng)情況下，挖掘機外部空氣不會進入機棚內(nèi)。

2.3 通風(fēng)除塵裝置在挖掘機上的安裝位置

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

2.4 選擇除塵方式，確定方案

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

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多先進成熟的技術(shù)被集成應(yīng)用于大型挖掘機的設(shè)計和制造過程中，為礦用挖掘機整體技術(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)計的改進，濾筒式除塵器在除塵工程中開始應(yīng)用。

濾筒式除塵器具有體積小，效率高等優(yōu)點，能夠滿足大型礦用挖掘機的通風(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、集氣室、凈氣室、脈沖反吹、集灰斗及粉塵的機械輸送等組成。

濾筒除塵器的過濾元件是濾筒，濾筒是設(shè)計長度的濾料折疊成褶，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)，它由機棚中所需的總風(fēng)量確定。

由于大型礦用挖掘機通風(fēng)除塵裝置位于挖掘機的后部，挖掘機工作過程中會產(chǎn)生強烈的振動，同時又需要其安裝空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以在除塵器的設(shè)計中在滿足挖掘機系統(tǒng)所需風(fēng)量及風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，盡量降低其高度。同時，通風(fēng)除塵裝置的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計不但有強度要求，還應(yīng)有足夠的剛度以抵抗挖掘機工作時產(chǎn)生巨大的抖動來保證除塵器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，進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入集氣室，由于氣流斷面突然擴大，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；含塵氣流中的粒度細(xì)、密度小的塵粒進入集氣室后通過布朗擴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)機的作用下，氣流通過濾筒過濾，清潔空氣被送入機棚內(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，進行清灰，此時脈沖控制儀控制脈沖閥的啟閉。當(dāng)脈沖閥開啟時，氣包內(nèi)的壓縮空氣通過脈沖閥經(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；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，脈沖閥開閉一次產(chǎn)生一個脈沖動作，一般情況下，所需的時間為0.1～0.2s；脈沖閥相鄰兩次開閉時間為1～2min，全部濾筒完成一次清灰循環(huán)所需要的時間為10～30min。由于為低壓脈沖清灰，所以根據(jù)運行阻力情況，應(yīng)把噴吹時間適當(dāng)延長，而把噴吹間隔和噴吹周期適當(dāng)縮短。

3.3 系統(tǒng)風(fēng)機的選用

在通風(fēng)除塵系統(tǒng)中，系統(tǒng)風(fēng)機是用來連續(xù)輸送氣體的重要部件之一。由于大型礦用挖掘機是移動的機器，所以安裝于其上后部的通風(fēng)除塵裝置中的系統(tǒng)風(fēng)機在選用時，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。離心式風(fēng)機與軸流風(fēng)機均可以選用，若選擇離心風(fēng)機，則風(fēng)機與電機需要采用直聯(lián)式。

選用風(fēng)機時，風(fēng)機的風(fēng)量及風(fēng)壓必須滿足挖掘機整個系統(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

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

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

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

上述除塵器中各環(huán)節(jié)的動作，包括濾筒的脈沖噴吹清灰、系統(tǒng)風(fēng)機的啟制動、螺旋輸送機的排灰，均采用PLC控制，與挖掘機主機一起，實現(xiàn)可控運行。

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系列大型挖掘機上，尤其用于剝離開采的挖掘機，由于通風(fēng)除塵裝置采用濾筒式除塵方式，其機棚內(nèi)空氣潔凈度大大提高，有效降低了挖掘機的故障率。

通過對大型礦用挖掘機機棚內(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，有效地解決機棚和電氣室的粉塵問題，創(chuàng)造干凈的機棚空間，對于提高挖掘機的工作效率，減少故障率起著積極地促進作用。

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

[2] 譚天佑，梁鳳珍. 工業(yè)通風(fēng)除塵技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[3] 閻書文. 機械式挖掘機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[4] 張殿印,王純.除塵工程設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[5] 魏潤柏.通風(fēng)工程的空氣流動理論[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[6] 金國淼，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