基于深井環(huán)境的無軌裝備動力系統(tǒng)設計

吳 楠

（山金重工有限公司，山東 煙臺 261400）

隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)大規(guī)模開采，淺部資源趨于枯竭，深井開采（1000 m～2000 m）將是礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。與淺井和中深井開采相比，深井開采面臨巖層溫度升高帶來的熱害問題。由于地熱等熱源作用，使深井平均地溫高達30 ℃以上，國外部分金礦地溫能達到66 ℃。由于井下通風不良，濕度能達到90%以上，甚至飽和。這就形成了深部礦山環(huán)境高溫、高濕、高腐蝕、低氧、灰塵大等特點。在這種環(huán)境下工作，無軌裝備使用壽命和工作性能受到嚴重影響，這對地下無軌裝備提出了更高的設計要求，既要耐高溫、耐腐蝕，還要保證使用性能，其中受深部環(huán)境影響最大的就是動力系統(tǒng)[1]。

1 發(fā)動機選型

根據(jù)現(xiàn)行國家法規(guī)要求，非道路移動機械需選用符合三階段排放的發(fā)動機，目前市場上滿足三階段排放的發(fā)動機基本采用水冷散熱、增壓中冷、高壓共軌等技術，提高燃燒率，減少污染物的排放。

在發(fā)動機特性曲線中，扭矩曲線決定車輛的起步加速能力，功率曲線決定后期加速能力。因為深井環(huán)境通風差，加上空氣溫度高，進一步降低了空氣中的含氧量，導致燃燒不充分，發(fā)動機性能下降，CO、NOx等有害物質(zhì)排放增加，所以深井裝備上的發(fā)動機相對于普通無軌裝備應選用大功率發(fā)動機，確保功能滿足要求。礦井巷道經(jīng)常有爬坡路段，所以要選擇低轉(zhuǎn)速時扭矩值能快速提升、最大值扭矩持續(xù)轉(zhuǎn)速范圍大的發(fā)動機。另外，因潮濕環(huán)境影響，發(fā)動機電器系統(tǒng)防水等級應大于IP65，并增加有效保護措施。

2 進氣系統(tǒng)設計

進氣系統(tǒng)影響發(fā)動機的性能和排放。選擇空氣濾清器時，一要考慮發(fā)動機進氣系統(tǒng)參數(shù)：額定流量、濾清效率及允許的最大進氣阻力，根據(jù)發(fā)動機的最大進氣量，選用合適流量段的空氣濾清器，空濾的最大允許流量選擇切不可過大，否則造成發(fā)動機吸氣壓力小，反而影響過濾效果。二要根據(jù)設備使用環(huán)境選擇過濾形式，深井無軌裝備所處工況非常惡劣，經(jīng)常在重度灰塵環(huán)境下工作，因此其進氣系統(tǒng)需選用重型空濾系統(tǒng)，即采用兩級空濾：第一級為慣性式預濾器，第二級為干式紙質(zhì)濾芯。另外，選用的空氣濾清器的容灰量越大越好，可延長保養(yǎng)周期。

3 散熱系統(tǒng)設計

發(fā)動機正常工作溫度為80 ℃～90 ℃，如果發(fā)動機過熱，會降低功率，磨損機體，造成嚴重后果。因此，在深井無軌裝備動力系統(tǒng)設計時，最難、最重要的部分就是散熱系統(tǒng)設計。

3.1 散熱系統(tǒng)設計思路

相對于普通地下無軌設備，深井設備需要：1）增大散熱面積，包括增大散熱器總散熱面積、散熱器芯部迎風面面積、散熱器厚度，由于芯部迎風面面積受到裝備的空間限制，則可減小翅片間距，增加翅片層數(shù)，加長散熱器厚度，但是翅片密度和散熱器厚度超過一定數(shù)值，反而會增大冷風的風阻，影響散熱效果，所以應綜合考慮各個參數(shù)的影響，取最優(yōu)值。2）增大風扇風量，即增大風扇直徑、風扇壓力角和葉數(shù)，雖然加大風扇直徑可在一定程度上提高吸風量，但此時風扇消耗功率也會大幅增加，冷卻風扇消耗功率最佳值應控制在發(fā)動機標定功率的6%～10%。3）增加護板或海綿條，減少熱風回流，防止冷卻風扇吹出的熱空氣受到發(fā)動機或其他零件的阻擋，通過中冷器、散熱器和機艙的間隙返回到中冷器和散熱器前。4）加強散熱器材料的防腐蝕性，采用更耐腐蝕的銅制散熱器，并進行表面處理，延長其使用壽命[2]。

3.2 散熱系統(tǒng)設計計算

3.2.1 風扇尺寸設計

確定風扇直徑與轉(zhuǎn)速時，要注意風扇葉尖的圓周速度不大于110 m/s～120 m/s，取風扇葉尖的圓周速度為110 m/s，則風扇直徑不得大于D=60 u/πn，吸風式風扇進入擋風罩內(nèi)1/2～2/3為宜，風扇距離散熱芯子斷面距離50 mm～100 mm，擋風罩與風扇徑向間隙＜2.5%風扇直徑，通常取15 mm。

其中：Cm為空氣軸向流速，；

κ為尖速比，取0.174；

A為風扇有效面積，，m2；

u為風扇圓周速度，。

其中：Q為散熱器散熱量；

γa為空氣重度，取1.043 kg/m3；

Cp為空氣定壓比熱，取1.047 kJ/kgf·℃；

Δt為冷卻風經(jīng)過散熱器增加的溫度，一般為10 ℃～30 ℃。

3.2.2 水冷散熱系統(tǒng)設計

換熱介質(zhì)算數(shù)平均溫差Δtm：

其中：twm為散熱器冷卻水平均溫度；

tw1為散熱器進水溫度；

tw2為散熱器出水溫度；

tam為空氣通過散熱器平均溫度；

ta1為散熱器進氣溫度；

ta2為流出散熱器空氣溫度，。

空氣溫升Δt水冷：

其中：Q水為水冷系統(tǒng)散熱量；

S水冷為水冷散熱器迎風面面積；

ua為空氣通過散熱器速度。

傳熱系數(shù)K：

其中：αw為水的放熱系數(shù)；

λ為材料的熱傳導系數(shù)；

δ為材料厚度；

αa為空氣的放熱系數(shù)；

K取值與冷卻介質(zhì)的性質(zhì)、散熱器材料的性質(zhì)和結構有關。

最終得到水冷散熱器總散熱面積：

其中：φr為儲備系數(shù)，考慮焊接不良、水垢以及油泥等對散熱性能的影響，取1.15。

3.2.3 中冷散熱系統(tǒng)設計

對數(shù)平均溫差：

其中：t1為增壓空氣冷卻前最高溫度；

t2為冷卻后最高溫度；

空氣溫升Δt中冷：

其中：Q氣發(fā)動機中冷系統(tǒng)散熱量；

S中冷為中冷散熱器迎風面面積；

ua為空氣通過散熱器速度。

最終得到中冷散熱器總散熱面積：

4 燃油系統(tǒng)設計

燃油品質(zhì)影響發(fā)動機性能、油泵壽命，嚴重時會造成發(fā)動機氣缸損壞，引發(fā)安全事故，燃油系統(tǒng)的控制不僅要從設計層面解決問題，還要對使用過程進行有效控制。1）增加過濾裝置，防止燃油堵塞油路、磨損油泵；2）增加燃油處理器，如等離子器，改變?nèi)加臀锢硇再|(zhì)，改善發(fā)動機氣缸中的燃燒狀態(tài)，使燃油充分燃燒，有效降低油耗和污染物排放；3）增加柴油油箱散熱裝置，降低柴油溫度，防止柴油受井下溫度影響，溫度過高、影響性能；4）要嚴格控制燃油品質(zhì)，按照規(guī)定使用合格燃油，并及時更換濾芯[3]。

5 結語

隨著全球礦業(yè)的不斷發(fā)展，深井開采裝備的研發(fā)蓄勢待發(fā)[4]。本文從發(fā)動機的選型、進氣系統(tǒng)設計、散熱系統(tǒng)設計、燃油系統(tǒng)設計等方面闡述適用于深井環(huán)境使用的無軌裝備動力系統(tǒng)的選型及設計方案，為下一步研發(fā)深井開采裝備，提供思路與方向。