煤礦用防爆膠輪車柴油箱的設(shè)計

楊建勇

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆柴油機的無軌膠輪運輸車是煤礦井下輔助材料的關(guān)鍵運行設(shè)備，防爆車輛的防爆柴油機系統(tǒng)是重要的防爆件和安標件，燃油系統(tǒng)的設(shè)計和計算是非常必要的，燃油系統(tǒng)的設(shè)計中，柴油箱是重要的裝置，除為柴油提供足夠的容積外，同時還要分離柴油中的氣泡、過濾燃料中的雜質(zhì)等，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到防爆車輛的安全穩(wěn)定運行，甚至直接關(guān)系到煤礦井下物料的正常運輸。

1 防爆膠輪車柴油箱的結(jié)構(gòu)特點

防爆車輛燃油箱是重要的部件之一，采用非燃性材料制造，需具有高強度，耐高溫，低溫性好，工藝簡單等優(yōu)點[1]，一般采用成本較低的厚度為3 mm的Q235號板材焊接而成，噴涂阻燃材料。柴油箱距離熱源至少50 mm以上，根據(jù)防爆車輛的整體布置情況，距發(fā)動機和廢氣處理箱至少50 mm。燃油箱的容量一般不超過8 h運行使用的用量，同時要求安裝位置要盡量避開撞擊位置[2]。如整體空間布置受限，需滿足避開熱源50 mm以上、避免撞擊和不超過8 h用量等條件進行布置。

以國內(nèi)某款防爆車輛的發(fā)動機參數(shù)進行柴油箱的設(shè)計，具體參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)某款發(fā)動機參數(shù)

2 柴油箱容積的確定

柴油箱在整體布置空間條件允許的情況下要滿足8 h設(shè)備運行需要的柴油容積，空間布置中要求離開熱源一定距離，柴油箱容積的確定一般采取公式計算：

V=αηhQ

(1)

式中:α為經(jīng)驗系數(shù)，α=0.8～0.9，取0.85；η為發(fā)動機標定總功率燃油耗,取240 g/kW·h；h為防爆車輛一般井下工作運行時間，按照《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》第四章十二條,取8 h；Q為發(fā)動機標定總功率，Q=261 kW±5%,為保證安全，取266 kW。

計算可知,防爆車輛運行8 h所需要的柴油箱的容積為271 L。

3 柴油箱的設(shè)計要點

防爆柴油機無軌運輸膠輪車在煤礦井下運行，巷道的高低和轉(zhuǎn)彎半徑等對整車的尺寸提出了要求嚴格的限制，因此各部件的外形布置較為困難，因此柴油箱的布置需要根據(jù)整車的要求進行設(shè)計，圖1為某型防爆膠輪車所用柴油箱的結(jié)構(gòu)示意圖，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要考慮以下因素：

1) 柴油箱要有足夠的強度和剛度，以免裝滿油后發(fā)生較大的變形。內(nèi)部需要有筋板加強柴油箱的強度，同時考慮防爆膠輪車在井下運行時由于劇烈振動造成焊縫開裂等現(xiàn)象，板厚一般取4～6 mm,為了提高油箱的安全系數(shù),盡量將加油口改為過度圓角[2]。

2) 為了便于清洗、清理柴油箱的內(nèi)部以及更換吸油過濾器等，油箱蓋板上要設(shè)置觀察口蓋并以法蘭形式安裝固定。

3) 柴油箱內(nèi)部要設(shè)置有口的隔板，將吸油區(qū)和回油區(qū)分開，盡量將吸油區(qū)設(shè)置在柴油平靜區(qū)域，防止將空氣吸入進入柴油管道中，避免發(fā)動機工作抖動，動力輸出出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

1-吊耳; 2-吸油過濾器; 3-吸油管; 4-油位傳感器; 5-回油管; 6-液位計7-油空氣濾清器8-檢查蓋; 9-放油螺塞; 10-緩沖墊; 11-固定耳。

4) 在柴油箱底部最低點要設(shè)置放油螺塞，以便柴油箱清洗和柴油箱中雜質(zhì)的排除。

5) 柴油箱頂蓋處設(shè)置空氣濾清器。

6) 柴油泵吸油管處應(yīng)安裝吸油過濾器，吸油過濾器的安裝位置要便于清洗和更換，同時要使吸油過濾器能平緩地吸取足夠的柴油以滿足發(fā)動機燃料需求，同時吸油管盡可能采用直管，避免中間雜質(zhì)堵塞。

7) 回油管一般安裝在柴油箱的頂部，回油管一半浸入油箱內(nèi)，能使回油的介質(zhì)平穩(wěn)地流入油箱內(nèi)，降低回油對柴油箱內(nèi)燃油的沖擊，減少空氣進入柴油液內(nèi)。

8) 柴油箱內(nèi)壁必須進行噴丸、酸洗、中和及表面清洗，最后噴涂阻燃材料。

4 柴油箱的檢驗受力分析

按照國家行業(yè)標準MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》的第4.14.2中要求燃油箱應(yīng)能承受0.03 MPa的壓力試驗，保持1 min，無滲漏[4]。依照該標準條例，需要對柴油箱進行檢驗受力分析。

4.1 柴油箱的模型的建立

在SolidWorks中建立柴油箱的三維模型，注意邊角過度，實際在柴油箱是板材焊接而成，而SolidWorks對組件無法進行受力分析，因此對柴油箱的模型進行了如圖2所示的簡化。

4.2 仿真分析

選取SolidWorks軟件中分析SimulationXpress模塊，對柴油箱模型在材料庫中選取Q235相應(yīng)的參數(shù)。選取相應(yīng)的固定夾具，由于壓力檢驗屬于注水壓力測試，無需固定，因此在模型中選取柴油箱的泄油孔為夾具固定位置。外部載荷添加為符合安全標準規(guī)定的0.03 MPa,柴油箱各面板外向壓力30 000 N/m2。進行該柴油箱的模擬運算,結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖2 柴油箱SolidWorks模型

圖3 位移圖

圖4 應(yīng)力云圖

從圖3位移圖可看出,該柴油箱的最大位移為5.565 mm，最大變形處位于柴油箱底部斜面，經(jīng)邢臺國家安標試驗中心試驗,該款柴油箱注水，注水壓力為0.03 MPa，壓力保持時間為1 min，經(jīng)注水試驗后柴油箱體無變形。從圖4應(yīng)力云圖中可以得出,該柴油箱的最大應(yīng)力遠低于材料的屈服力，滿足要求。

5 柴油箱主要附件的選配

5.1 吸油過濾器

吸油過濾器一般位于柴油箱底部，便于吸取柴油，同時還要避免柴油機高壓油泵吸入較大的機械雜質(zhì)，造成高壓油泵的損壞和油道的堵塞。選用防爆膠輪車柴油箱吸油過濾器一般遵循以下原則：

1) 過濾精度：防爆膠輪車柴油箱吸油過濾器屬于粗過濾器，精度為50～100 μm。

2) 公稱流量：一般選取柴油機高壓油泵工作時最大流量的2倍以上。

5.2 空氣濾清器

對于柴油箱而言，空氣濾清器是必備的，從而防止空氣中的微粒雜質(zhì)進入柴油箱。新鮮空氣進入柴油箱，防止柴油機吸油造成柴油箱內(nèi)負壓，高壓油泵出現(xiàn)吸油困難或油道管路強制吸入空氣，造成發(fā)動機工作不穩(wěn)定；盡量減少柴油機蒸汽溢出柴油箱，造成防爆發(fā)動機周邊形成油氣混合狀態(tài)；具有柴油加油的作用。選用空氣濾清器時主要考慮以下因素：

1) 空氣濾清器的安放位置要保證車輛在最大爬坡度和下坡時不致使柴油從空氣濾清器中溢出；

2) 空氣流量按下式計算：

QA=fV/h

(2)

計算可知,QA=33.875×4=135.5 L/h。

5.3 吸油管的直徑

柴油吸油管的直徑d主要取決于流速計算公式為

(3)

式中:qV為柴油流量,m3/s；v為流速,對于吸油管,v≤1～2 m/s,一般取1.5 m/s。

根據(jù)流量和流速可以計算出吸油管的直徑。

5.4 油位傳感器

傳感器與電控箱通過CAN通信，主要用于提醒駕駛?cè)藛T注意柴油情況，各煤礦巷道條件和使用距離不一樣，需提前設(shè)定油位傳感器的報警位置，避免煤礦的輔助材料在運輸中出現(xiàn)柴油短缺造成車輛停機影響運輸?shù)默F(xiàn)象。

5.5 其他附件

1) 吊耳的起吊能力要大于柴油箱滿載時的總重量。

2) 液位計一般位于車輛便于觀察的位置，方便駕駛?cè)藛T觀察液位的高低，油液最低位置對應(yīng)液位計最低刻度線，最低位置要確保發(fā)動機高壓油泵不出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。

6 整體布置

通過計算柴油箱的各項設(shè)計要和安裝注意事項，最終需在整車上進行布置和使用，如圖5所示。柴油箱布置于發(fā)動機右側(cè)，通過吸油管、回油管將柴油粗濾、細濾與發(fā)動機低壓泵、高壓油泵相連，共同組成發(fā)動機燃油系統(tǒng)。

圖5 柴油箱布置圖

7 工業(yè)試驗

中煤科工集團太原研究院有限公司研制的某型支架搬運車應(yīng)用該項燃油系統(tǒng)，在神東活雞兔煤礦進行搬家倒面工程中實際應(yīng)用，從地面廣場將50 t重型支架通過某型支架搬運車運輸?shù)郊磳⒉擅旱墓ぷ髅孢M行采煤支護,一般長度為15 km,其中還有部分路段路面沒有硬化，地面坡度起伏不平，重型車輛耗油量較大，每完成一個支架的搬運后都需要檢查各項系統(tǒng)是否正常，尤其是各項油液的位置。表3是通過車輛駕駛室顯示器路程顯示和地面加油站得到的公里數(shù)和加油數(shù)據(jù)。

表3 工業(yè)性試驗公里數(shù)和加油量

通過以上數(shù)據(jù)可以得出發(fā)動機平均燃油消耗分別為：28.59 L/h和2.48 L/km，符合煤礦防爆使用的柴油箱設(shè)計要求。

8 結(jié)論

該型柴油箱投入生產(chǎn)以來，尚未接到柴油箱結(jié)構(gòu)強度不足的反饋[5]。本文介紹了防爆膠輪車柴油箱的結(jié)構(gòu)特點，重點說明了液壓油箱容積的計算、結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點及重要附件的選型方法。這些燃油系統(tǒng)的設(shè)計方案已在防爆膠輪車實際的運行中得到實踐，至今尚未出現(xiàn)因設(shè)計不合理而造成系統(tǒng)吸油吸空和井下運行缺油的現(xiàn)象。