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緊湊型防爆柴油鏟運機防爆柴油機設計

文檔作者：孫好功文檔來源：寶鋼集團南京梅山礦業(yè)分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月09日
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第6期(總第169期)
2011年l2月
機械工程與自動化
MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUTOMATION
NO．6
Dec．
文章編號：1672-6413(2011)06—0084—02
緊湊型防爆柴油鏟運機防爆柴油機設計
孫好功
(寶鋼集團南京梅山礦業(yè)分公司，江蘇 南京 210041)
摘要：在概述了防爆柴油機特殊性的基礎上，針對緊湊型防爆柴油鏟運機用防爆柴油機的具體要求，分析了
防爆柴油機各系統(tǒng)在設計過程中應考慮的因素，解決了防爆柴油機在緊湊型防爆柴油鏟運機上的安裝布置問
題。通過在實際車輛的成功使用，驗證了該防爆柴油機設計的可行性。
關鍵詞：緊湊型；鏟運機；防爆柴油機；設計 ，
中圖分類號：TD422．4 文獻標識碼：A
0 引言
緊湊型防爆柴油鏟運機作為一種特殊的礦山機械，
近年來在煤礦井下無軌輔助運輸中得到了廣泛的使用。
防爆柴油機作為防爆柴油鏟運機的原動力部件，不僅
需要比普通柴油機具有更高的可靠性，而且還需要更
高的安全性。這就為防爆柴油機的設計提出了更高的
要求，同時也增加了設計的難度。本文在闡述了防爆
柴油機的一般工作原理的基礎上，著重研究了緊湊型
防爆柴油鏟運機防爆柴油機的設計布置。
1 防爆柴油機的工作原理及組成
防爆柴油機主要組成示意圖如圖1所示。空氣通過
防爆進氣系統(tǒng)進行除塵阻火后進入符合防爆要求的柴油
機本體中與柴油混合燃燒，燃燒后的廢氣通過防爆排氣
系統(tǒng)進行降溫、除塵、消聲、阻火，最后排到空氣中。
2
卜一柴油機本體；2～ 防爆排氣系統(tǒng)；3一防爆進氣系統(tǒng)；
4一冷卻系統(tǒng)；5一支撐組；6一管路
圖1 防爆柴油機組成示意圖
輔助系統(tǒng)中自動保護裝置的作用是在各參數(shù)出現(xiàn)
超過最高限值的情況時，使防爆柴油機能及時自動停
機。自動保護裝置由燃油切斷裝置、進氣切斷裝置、
直感式傳感器、氣壓和液壓壓力閥組成。
2 緊湊型柴油鏟運機防爆柴油機布置
緊湊型柴油鏟運機作為井下無軌輔助運輸設備，
是為適應薄煤層及窄巷道而開發(fā)設計的。由于其特殊
的使用環(huán)境，致使其結構更加復雜，設計的難度更大。
為了保證鏟運機高的可靠性和高的通過性，必須將防
爆柴油機各部件布置在更有限的空間中，這就為防爆
柴油機從空間布置到性能設計都提出了更高的要求。
圖2為某緊湊型鏟運機后機架與防爆柴油機布置圖。
】 2 3 4 5 6
1一后機架；2一散熱器組；3一進氣柵欄；4一廢氣處理箱；
5～排氣柵欄；6一柴油機
圖2 防爆柴油機布置圖
如圖2所示，該防爆柴油機由柴油機、以進氣柵
欄為主的防爆進氣系統(tǒng)、以排氣柵欄與廢氣處理箱為
主的防爆排氣系統(tǒng)、以散熱器組為主的冷卻系統(tǒng)和輔
助系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)在后機架上固定連接，組成防爆
柴油機動力裝置。防爆柴油機在設計過程中充分考慮
整車的總體要求與自身設計的需要。防爆進氣系統(tǒng)
收稿日期：2011—09—11；修回日期：2011—10—11
作者簡介：孫好功(1978一)，男，河南商丘人，工程師，碩士，主要從事機械設備的檢修和管理工作。
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2011年第6期 孫好功：緊湊型防爆柴油鏟運機防爆柴油機設計 · 85 ·
中，進氣柵欄安裝在進氣歧管的連接法蘭上，空氣關
斷閥安裝在進氣柵欄之前的管路上，并且進氣柵欄采用
圓形結構，以盡量增大通氣面積而縮小外形幾何尺寸，
空氣關斷閥保證在防爆柴油機開關閥切斷的情況下，可
靠地切斷進氣；防爆排氣系統(tǒng)中，采用水冷式排氣歧管
和軟連接水冷式排氣管以便于安裝布置；廢氣處理箱采
用方形箱體結構以充分利用機架空間，側置于柴油機一
側，排氣柵欄位于廢氣處理箱后方便于排氣方向控制；
冷卻系統(tǒng)布置在柴油機正前方，采用側置于柴油機一側
的方式，以雙馬達或多馬達為驅動源，該方式布置靈
活，縮短了整個防爆柴油機在軸向的總體尺寸。
3 緊湊型柴油鏟運機防爆柴油機性能分析
3．1 防爆進氣系統(tǒng)性能分析
四沖程往復式柴油機是依靠吸人純凈空氣，在氣
缸內和柴油油霧形成混合氣，采用壓燃的點火方式點
火燃燒。在4個沖程中存在氣門疊角即進氣門、排氣
門同時處于開啟狀態(tài)，燃燒的燃氣有可能逆行經過進
氣道產生回火現(xiàn)象，因此防爆柴油機的進氣系統(tǒng)必須
安裝進氣柵欄，其結構示意圖如圖3所示。
進 口
圖3 進氣柵欄結構示慝圖
進入氣缸中的空氣質量m可按氣體狀態(tài)方程估算：
一P (RT) 。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
其中：P為氣缸內壓力；T為氣體溫度；V為單氣缸
排量；R為氣體常數(shù)。
假設在原進氣系統(tǒng)加裝進氣柵欄后，進入氣缸內
的空氣溫度不變，則：
mocp 。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)
氣缸壓力P可以表示為：
p—P0一 坍欄損失一 原。? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)
其中：P。為當?shù)卮髿鈮毫?；P原為原進氣系統(tǒng)壓力損
失； 柵欄損失為進氣柵欄壓力損失。
由式(2)、式(3)可以看出，加裝進氣柵欄后的防爆
進氣系統(tǒng)比原進氣系統(tǒng)產生了新的壓力損失 柵欄損失，在
相同情況下進入氣缸中的空氣質量減少，影響了柴油機
的燃燒，降低了柴油機的性能。因此在設計防爆進氣系
統(tǒng)時應重視進氣柵欄對進氣壓力損失的影響。
3．2 防爆排氣系統(tǒng)性能分析
防爆柴油機表面溫度要求低于150℃，排氣溫度
要求小于7O℃ ，原柴油機排氣口溫度高于300℃，遠
遠高于防爆要求，因此必須進行隔溫降溫處理。圖4
為某緊湊型防爆柴油鏟運機用防爆柴油機的防爆排氣
系統(tǒng)示意圖。
1一進排氣岐霄；2一水冷排氣暫；3一廢氣處理箱
圖4 防爆柴油機的防爆排氣系統(tǒng)示意圖
該系統(tǒng)主要由進排氣岐管、水冷排氣管、廢氣處
理箱組成，進排氣岐管、水冷排氣管采用雙層結構
(內層過氣外層過水)；廢氣處理箱采用箱體結構，其
中裝入一定量的水，當廢氣排出后流經3個部件處理
后，其排氣溫度可降低到許可值7O℃ ，同時排氣中
的顆粒物在廢氣處理箱中沉淀達到除塵的作用。
廢氣處理箱尾部裝有排氣防爆柵欄并裝有水，因
此當廢氣經過該部件后會產生較大的排氣背壓(排氣
管中的壓力損失可以忽略)：
p壓- Pm~+ 水。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4)
其中：P水為工作時水產生的壓力；P柵欄為排氣防爆
柵欄產生的壓力。排氣背壓越大對柴油機性能影響越
大，不同柴油機對排氣背壓的要求各不相同，通常不
大于10 kPa，排氣背壓的大小通常用實驗測得。
3．3 冷卻系統(tǒng)性能分析
冷卻系統(tǒng)是保障防爆柴油機正常穩(wěn)定運行的重要
輔助系統(tǒng)，它通過冷卻水的循環(huán)帶走防爆柴油機運轉
過程中散發(fā)出來沒有轉化為機械能的多余的熱量，從
而避免因大量熱量的累積而造成的金屬疲勞脆化和潤
滑油的失效。
圖5為某緊湊型防爆柴油鏟運機用防爆柴油機的
散熱器組示意圖，該散熱器由水散熱器、油散熱器、
風扇和導風罩組成，采用液壓雙馬達驅動。
1一水散熱器}2一油散熱器；3一風扇；4一導風罩
圖5 防爆柴油機的散熱器組示意圖
(下轉第88頁)
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· 88 · 機械工程與自動化 2011年第6期
形，因此PCB板設計時采用雙面都放置元器件，把每
個功能組的元器件放置在一起做到布線最短，性能最
好。高壓、大功率器件與低壓、小功率器件分別布在
印制板的兩面。由于此開關電源采用全密封結構，功
率較大，所以在設計時必須考慮大功率器件開關管和穩(wěn)
壓管的散熱問題，設計時定制了兩個鋁合金部件，大功
率器件通過和鋁合金部件和外殼相連達到散熱的效果。
6 結論
本自動收線式充電器能利用一只卷彈簧將輸入線
和輸出線分別自動卷繞在各自的繞線盤上，結構緊湊
合理，可有效縮小筆記本電源及其電源線的整體收納
體積，外形美觀，便于收存及攜帶。經過近兩年的努
力， 自動收線式筆記本電源已研究設計完成并制造出
樣機。該電源結構緊湊，外形美觀，性能可靠，使用
攜帶方便。該設計正在申請國家發(fā)明專利(專利申請
號201010018703．9)。
參考文獻：
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Design of Automatic Spooler-type Portable Computer Charger
LIU Xiao-qiang，HAN M an-lin，XU Rui-ya
(Nanjing Information Professional Technology Institute，Nanjing 210046，China)
Abstract：This article is about the design of an automatic spooler-type portable computer charger，which is composed of shell，
winding dishes，main connecting unit，coil spring，PCB and switching power supply，isolation board，etc．The article respectively
introduces the design of the winding plate for input line and self-locking mechanism，the winding plate for output line and self-locking
mechanism，as well as the switch power． How tO use a coil spring tO make input line and output line respectively retract is
emphatically introduced．
Key words：wire collection；coil spring；portable computer；automatiom；charger
(上接第85頁)
在正常情況下，空氣通過散熱器芯子被加熱，而
冷卻水及油依次逐漸被冷卻，散熱器通過與空氣進行
熱交換，達到將熱量散出的目的，其關系可以用下式
描述：
Q=C水M水(Tm．一T進水)十C油M油(Tm油一
T進油)= C空氣M空氣(T出氣一T進氣) 。 ? ? ? ? ? (5)
其中：C水、C油、C空氣分別為水、油、空氣的比熱
容；M水、M油、M空氣分別為水、油、空氣流體質量
流量；T’進水、Tm．、丁進油、T出油、Tl進氣、T出氣分另0為
流體進、出散熱器溫度。
4 結論
本文通過對防爆柴油機工作原理的介紹，給出了防
爆柴油機的一般組成及與普通柴油機的區(qū)別，并著重研
究了緊湊型防爆柴油鏟運車防爆柴油機的設計。該研究
可對以后緊湊型產品的設計開發(fā)提供一定的參考。
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技術，2007(5)：11—13．
A Design of Flame Proof Diesel for Compact Load-haul——dump Vehicle
SUN Hap-gong
(Meishan Mining Co．，Ltd．，Baosteel Group，Nanjing 210041，China)
Abstract：A flame proof diesel used for load—haul—dump vehicle was developed in present work，according tO the performance
requirement．The factors which should be concerned during the design of each component in the flame proof diesel were analyzed．
Then，the flame proof diesel was successfully assembled in the load-haul—dump vehicle．The practice verifies the feasibility of the
flame proof diese1．
Key words：compact；load-haul-dump vehicle；flame proof diesel；design

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