大型挖掘機(jī)除塵通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2014-04-29 22:54:11譚彬馬永海

中國機(jī)械 2014年20期

譚彬馬永海

摘要：通過現(xiàn)場對機(jī)械式挖掘機(jī)工作環(huán)境的粉塵濃度、進(jìn)出口的溫度等主要數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)用除塵原理和流體力學(xué)理論、熱力學(xué)知識;進(jìn)行散熱風(fēng)量和正壓的計(jì)算并分析影響正壓形成的原因及措施，對除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：除塵凈化系統(tǒng);挖掘機(jī);設(shè)計(jì)

1.概述

礦用機(jī)械挖掘機(jī)的除塵通風(fēng)系統(tǒng)主要功能和作用是：①將室外含塵空氣過濾除塵后送入機(jī)棚內(nèi);②將機(jī)棚內(nèi)電機(jī)、電氣柜、減速機(jī)及其他運(yùn)動件產(chǎn)生的熱量通過室內(nèi)空氣的流動帶走，以降低室內(nèi)及其運(yùn)動件的工作溫度;③通過通風(fēng)機(jī)向機(jī)棚內(nèi)不斷補(bǔ)充潔凈空氣使機(jī)棚內(nèi)保持一定正壓，防止粉塵從機(jī)棚敞口處進(jìn)入室內(nèi)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：大多情況下的機(jī)械式挖掘機(jī)故障停機(jī)，是由于電器故障引起的，而電器故障90%是由于電器柜或元件的發(fā)熱或粉塵造成的，致使電器控制柜的開關(guān)跳閘、打火花、接觸不良，使機(jī)器停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)器正常運(yùn)行和生產(chǎn)效率。挖掘機(jī)的機(jī)棚和電器間的通風(fēng)除塵質(zhì)量是直接影響設(shè)備正常開工率的關(guān)鍵因素。

本文根據(jù)目前露天礦山工作環(huán)境和礦物條件分析研究了幾種適合除塵方式，依據(jù)機(jī)棚內(nèi)運(yùn)動設(shè)備和電器元件的發(fā)熱量、進(jìn)出口的溫度等主要因素，確定系統(tǒng)總風(fēng)量，分析了機(jī)棚內(nèi)正壓形成的影響因素，對減少電氣故障、保證電器控制元件和電器設(shè)備正常開工率，提高運(yùn)行效率有積極意義。

2.挖掘機(jī)除塵系統(tǒng)的研究

2.1 設(shè)備工作環(huán)境

挖掘機(jī)主要工作于大型露天煤礦、露天鐵礦及有色金屬礦山，工作環(huán)境氣候條件有南方多雨潮濕氣候，也有北方干熱多風(fēng)氣候。挖掘機(jī)除塵系統(tǒng)主要是針對現(xiàn)場工作時(shí)產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵以及北方大風(fēng)氣候條件下的粉塵。露天礦山粉塵濃度一般約為100mg/m?以下，多數(shù)情況下為10～30mg/m?，粉塵中的大部分粒徑為30μm以下，粒徑大于30μm的粉塵極少見。所以露天礦粉塵環(huán)境污染的特點(diǎn)是粉塵濃度較低，粉塵粒徑較細(xì)。這是大型礦用挖掘機(jī)除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的粉塵的特點(diǎn)。

2.2 除塵方式的選擇

目前，挖掘機(jī)除塵通風(fēng)系統(tǒng)通常采用的除塵方式主要有以下幾種方式：1）采用旋流子除塵方式，該除塵原理為當(dāng)含塵氣體經(jīng)過除塵器時(shí)，氣流將由直線運(yùn)動變?yōu)閳A周運(yùn)動，含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將相對密度大于氣體的塵粒甩向器壁，塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和向下的重力沿壁面下落，進(jìn)入排灰管。該方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，除塵效率低，一般在75-85%左右，適用于處理大于5μm 以上的粉塵;2）采用百葉窗式慣性除塵方式，它是利用氣流突然轉(zhuǎn)變方向，使塵粒與氣體分離的一種裝置，可捕集到10μm 以上的粉塵，該方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，除塵效率在一般在75%左右;3）采用濾筒式除塵方式，濾筒式除塵具有體積小、過濾精度高、安裝維修簡便等特點(diǎn)，可捕集到0.5μm以上的粉塵;隨著挖掘機(jī)智能化水平的提高，電控系統(tǒng)對工作環(huán)境粉塵的控制提出了愈來愈高的要求，因此，濾筒式除塵方式成為挖掘機(jī)除塵通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2.3 除塵通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)原則

挖掘機(jī)除塵通風(fēng)系統(tǒng)是挖掘機(jī)正常運(yùn)行必須的重要裝置，該裝置運(yùn)行質(zhì)量的好壞直接決定著設(shè)備運(yùn)行的可靠性，主要滿足以下幾點(diǎn)：1）電器控制系統(tǒng)對粉塵的最低要求;2）為確保電氣系統(tǒng)正常工作而需要的最低通風(fēng)散熱條件要求;3）為確保機(jī)器間內(nèi)電機(jī)及機(jī)械傳動系統(tǒng)正常工作所需要的最低的散熱條件要求;4）為阻止室外粉塵進(jìn)入機(jī)器間，需在機(jī)器間內(nèi)形成一定的空氣正壓的要求。

2.4 機(jī)棚內(nèi)發(fā)熱量的計(jì)算

機(jī)棚內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量主要由提升電動機(jī)、回轉(zhuǎn)電動機(jī)、電器柜、提升和回轉(zhuǎn)機(jī)械傳動系統(tǒng)工作時(shí)的發(fā)熱量組成。

（1）電器柜發(fā)熱量的確定

同時(shí)參與工作的電氣柜的功率為，電器元件的效率，令=0.98，則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康墓β蕿?/p>

（1）

（2）電機(jī)設(shè)備發(fā)熱量的確定

電機(jī)設(shè)備發(fā)熱量的確定主要有提升電機(jī)額定功率NS1，回轉(zhuǎn)電機(jī)額定功率NS2，推壓電機(jī)額定功率NS3。

（2）

式中，：電機(jī)效率，=0.95;

：不均勻系數(shù)。

確定不均勻系數(shù)是比較復(fù)雜的，因?yàn)橥诰驒C(jī)在一個(gè)工作周期中不同時(shí)間段功率是變化的，且各個(gè)部分的電機(jī)不是同時(shí)工作的;并不等于參與工作的電機(jī)銘牌標(biāo)出的功率之和。所以求發(fā)熱功率時(shí)，需乘以不均勻系數(shù)。

（3）

式中，、、—分別為各個(gè)電機(jī)參與工作的時(shí)間占整個(gè)周期時(shí)間的比例。

（3）提升、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)發(fā)熱量的確定

（4）

機(jī)棚內(nèi)設(shè)備總發(fā)熱量為電器柜發(fā)熱量和電機(jī)設(shè)備發(fā)熱量之和Nz，即

（5）

2.5 系統(tǒng)風(fēng)量的確定與分析

根據(jù)該發(fā)熱功率產(chǎn)生的熱量計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)量

（6）

式中，860—為熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)，由單位換算可得。

建立熱平衡方程[1]，，則風(fēng)量有

（7）

式中，—空氣比熱，c =0.24 kcal/kg.℃，

—空氣密度，=1.2kg/m?（常溫時(shí)），

—散熱風(fēng)量，m3/h，

t0—進(jìn)風(fēng)溫度，℃，

—機(jī)棚內(nèi)部溫度，℃（即向外排的空氣溫度），

，機(jī)棚內(nèi)外溫差，℃。

為防止意外情況導(dǎo)致風(fēng)量不足，將散熱風(fēng)量乘以儲備系數(shù)k

（8）

其中，k—儲備系數(shù)，k=1.02～1.05，取k=1.03。

2.6機(jī)棚內(nèi)正壓形成的影響因素分析與正壓的計(jì)算

保持機(jī)棚內(nèi)正壓的目的是為了避免含塵氣流侵入室內(nèi)，重新造成粉塵污染。影響機(jī)棚內(nèi)正壓形成的主要因素是注入機(jī)棚內(nèi)風(fēng)量的大小和出風(fēng)開口的大小及其氣密性的好壞。正壓的大小與氣流速度、密度、及氣流運(yùn)行阻力有關(guān)。

以速度Vk從開口處流出的風(fēng)量所需壓頭hy，該壓頭即為機(jī)棚內(nèi)的正壓[2]：

（9）

式中，—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=1;

—空氣密度，常溫時(shí)，=1.2kg/m3。

若注入室內(nèi)的風(fēng)量為Q（m3/s）、開口面積為Ak（m2），并認(rèn)為整個(gè)機(jī)棚內(nèi)密封好，則從開口處流出的速度vk為

（10）

由式（10）知，影響室內(nèi)正壓大小的主要因素是注入室內(nèi)的風(fēng)量和開口面積的大小。正壓值與開口處風(fēng)速的平方成正比。若要求室內(nèi)正壓大，就必須加大注風(fēng)量或減少開口面積。需要特別強(qiáng)調(diào)的是：當(dāng)正壓一定的情況下，減少開口面積，或者降低注入的風(fēng)量，就意味著降低能耗。

對推壓系統(tǒng)的供風(fēng)方式有兩種：其一是由機(jī)棚頂部直接供風(fēng);其二是由機(jī)棚內(nèi)部供風(fēng)。無論哪種供風(fēng)方式，都會影響到室內(nèi)的正壓。推壓電機(jī)的散熱風(fēng)量為q，則參與室內(nèi)正壓計(jì)算的風(fēng)量Qtk =Q-q。風(fēng)級F與風(fēng)速之間有如下關(guān)系[ 3]

（風(fēng)級）（11）

3.實(shí)例計(jì)算

通過對某個(gè)型號礦用機(jī)械挖掘機(jī)為例，計(jì)算了所需通風(fēng)除塵系統(tǒng)的風(fēng)量與正壓。驗(yàn)證了本計(jì)算假設(shè)條件和所選取的有關(guān)系數(shù)適合當(dāng)前挖掘機(jī)的實(shí)際情況。

3.1系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

已知：參與工作的電氣柜的功率、提升電機(jī)額定功率、回轉(zhuǎn)電機(jī)額定功率、推壓電機(jī)額定功率。

由式（1）得，電器柜發(fā)熱量。

假定在一個(gè)工作周期內(nèi)，提升電機(jī)和推壓電機(jī)的工作時(shí)間==10s，占整個(gè)周期時(shí)間的1/3，即==1/3，回轉(zhuǎn)電機(jī)工作時(shí)間為=15s，占整個(gè)周期時(shí)間的，即=1/2，由式（3）計(jì)算不均勻系數(shù)，將有關(guān)各電器柜發(fā)熱量與在一個(gè)周期中所占時(shí)間的比例等因素綜合考慮計(jì)算出不均勻系數(shù)為0.39