1、目 錄1 前言22 整體設計思想23 防爆柴油機的技術要求和選型33.1防爆柴油機的技術要求33.2防爆柴油機的功率選擇33.3 防爆前柴油機的主要技術參數34 防爆柴油機的設計要點44.1防爆柴油機的起動44.2進氣系統的設計44.3排氣系統的設計54.4冷卻系統的設計54.5 配套零部件的選用64.6其他附件的設計及選取65 設計成型的防爆柴油機的組成及性能參數66 試驗驗證77 結語7參考文獻8新型防爆柴油機設計楊建偉 【摘要】 結合我國煤炭輔助運輸設備的發展狀況,針對煤礦井下大型物料運輸設備動力裝置的特殊要求，從系統設計匹配的角度出發，嚴格按照國家行業標準要求,開發了新型防爆柴油機系統

2、。將防爆柴油機的有效動力、排放指標及防爆性能進一步提升，達到業內領先水準。 關鍵詞：新型防爆柴油機 系統 設計 匹配1 前言防爆柴油機是一種用于爆炸性氣體環境的柴油機。這種柴油機具有防爆性能，在爆炸性環境中工作不會點燃環境氣體，且排放氣體指標符合MT 220的要求。近年來，隨著與國際市場的接軌，國外的先進煤礦設備陸續涌人中國，在一定程度上促進了我國煤礦開采技術的進步和礦井建設的擴大，但礦井運輸設備整體老化落后的局面，特別是井下無軌運輸設備滯后，仍然制約著我國煤炭工業的發展。在我國煤礦無軌設備從上個世紀八十年代研制開始，到現在已經經歷了二三十年的發展歷程，但發展依舊緩慢，主要表現為它的牽引動力防

3、爆柴油機的研制還沒有形成系統的理論，主要是在現有柴油機的基礎上加以改造而成，這樣就造成各系統與柴油機不能達到最佳匹配，防爆后的柴油機動力性、排放性能均較差，無法滿足煤礦井下實際工作環境要求。結合此種情況，我們在防爆柴油機領域內進行了積極的嘗試和摸索，力求為我國傳統工業的發展做出我們應有的貢獻，共同促進煤礦輔助運輸設備的現代化建設。防爆柴油機的開發是一個系統工程，存在諸多難點，其主要原因：一方面，在國內防爆柴油機的研發處于起步階段，沒有成熟的理論和經驗可以借鑒；另一方面，防爆柴油機的防爆降溫性能實質是“違背”能量守恒原則，希望得到最大的動力性的同時又要抑制柴油機表面產生的熱量，因此，防爆柴油機的

4、表面降溫成為最大的難點。我們通過對東風康明斯柴油機進行的系統匹配設計，從進氣系統、排氣系統、冷卻系統、潤滑系統等方面入手，進行了大量計算和仿真分析，成功開發了具有領先水準的新型防爆柴油機。2 整體設計思想防爆柴油機的開發設計主要集中在機體表面降溫、排氣降溫、冷卻系統熱平衡設計以及整體優化設計布置等工作。其中，機體表面降溫主要采用在高溫部位設計水套，采用水冷的方式降溫。目前在我國煤礦井下使用的防爆柴油機排放標準一般為歐或更低的排放級別，大都為自然吸氣方式，也有少量的增壓型防爆柴油機，但水冷增壓器的設計開發一般都未經過系統匹配，進氣也沒有經過中間冷卻，因此，造成最終的防爆柴油機不僅動力滿足不了煤礦

5、井下連續坡道的路況環境，排放性能更是嚴重危害著井下礦工的身心健康。憑借東風康明斯的資源優勢，我們選取了東風康明斯歐以上排放指標的柴油機作為開發原型機，從主機的缸蓋、排氣歧管、增壓器、冷卻水泵進行系統的匹配設計，并采用模具生產制造，在缸蓋的排氣口端部設計冷卻水套，對缸蓋高溫部位進行降溫；在排氣系統末端設計了廢氣處理箱，對廢氣進行水洗降溫；同時對進氣采用中間冷卻，進一步提高進氣量，這樣不僅可有效提升防爆柴油機功率20%以上,同時也最大程度的降低了排氣中的碳粒及煙度。另外，采用兩套獨立的冷卻系統分別對防爆柴油機的機體熱量及排氣系統熱量進行冷卻，這樣在不破壞原機冷卻系統的同時，可提升冷卻能力50%以上

6、,使排氣溫度有效控制在70以下。3 防爆柴油機的技術要求和選型3.1防爆柴油機的技術要求防爆柴油機應滿足的技術要求如下：進氣系統防爆；排氣系統防爆；廢氣凈化；提高冷卻系統的冷卻能力，以便使柴油機的機體表面溫度低于150 ；配套零部件具備防爆功能或采用措施后具備防爆功能。除此之外，防爆柴油機多在井下系統中應用，巷道空間狹小，這就要求防爆柴油機結構要緊湊，各系統合理布置，進行整體優化設計。3.2防爆柴油機的功率選擇發動機作為整車的心臟部分，它性能的優劣將會直接影響整車的動力性能及可靠性。而且作為整車的一大部件其成本的高低也將直接影響全車價格。車輛的動力性主要取決于發動機功率的大小。發動機功率越大，

7、其后備功率愈大，加速與爬坡能力就越好，整車的動力性也越好。但發動機功率選擇得太大，會造成不必要的功率浪費和燃油消耗，導致經濟性能下降。通過下列方法可以估算發動機的功率大小。由公式：Pemax=l/r (magfrVamax/3600+CDAVa3max/76140)Pemax最大功率r 傳動效率ma汽車總質量g 重力加速度fr滾動阻力系數，滾動阻力系數與路面的種類、行駛速度以及輪胎的構造、材料、氣壓等有關CD空氣阻力系數A汽車迎風面積Vamax最高車速根據經驗推薦，一般發動機輔助系統會造成發動機功率2O%25%的損失。我們以8噸無軌膠輪車參數進行防爆柴油機的研發，通過計算選擇東風康明斯功率為1

8、53kW的柴油機作為防爆柴油機系統的主機。3.3 防爆前柴油機的主要技術參數目前，我國煤礦在用的井下無軌膠輪車用防爆柴油機大部分是非增壓型，我們所開發的防爆柴油機具有低油耗、高動力、低排放的優點，能滿足井下輔助運輸需求。柴油機主要技術參數見表1。表 1項目規格缸徑×沖程（mm）102×120排量（L）5.9進氣方式渦輪增壓額定功率/轉速(kW/rpm)153/2200最大扭矩/轉速(N.m/rpm)870/1400排放EPA Tier2進氣冷卻方式空空中冷4 防爆柴油機的設計要點按照防爆柴油機的開發要求，以3.3所述柴油機為基本型,對柴油機的起動方式、進排氣系統、冷卻系統、

9、配套零部件的選用等進行了匹配設計及嚴格選取，以此來滿足防爆要求。4.1防爆柴油機的起動傳統的防爆柴油機一般采用電啟動的方式啟動，起動馬達起動瞬間所需要的電流高達幾百安培，有可能產生較強的電火花，從而引起煤礦井下易燃易爆氣體或粉塵的爆炸。為了杜絕高電流電火花的產生，我們采用壓縮空氣啟動的方式，選用大扭矩、低壓啟動的渦輪啟動馬達，該氣馬達不僅體積小，啟動噪聲也只有95分貝，適合煤礦井下的惡劣環境。防爆柴油機的起動示意圖如圖1所示。圖1 防爆柴油機啟動示意圖4.2進氣系統的設計 為最大化提升防爆柴油機的動力并改善排放性能，我們對進行系統采用空氣冷卻的方式，以期最大限度增加進氣量。經增壓后的壓縮空氣溫

10、度一般高達150，經柴油機自帶的吸風式風扇進行冷卻后一般可達60左右，這樣在進入燃燒室的空氣量明顯可增加50%以上,從而可有效提高防爆柴油機功率20%以上。 同時，為提高防爆柴油機的進氣空氣質量，我們選取了帶有旋風初濾的大流量沙漠空濾器，不僅可降低進氣阻力，同時也可延長空濾的更換周期，對防爆柴油機的使用壽命有一定好處。 另外，為降低防爆柴油機進氣系統回火造成的引爆可能，我們在進氣蓋板上設計了阻火柵欄及空氣關斷裝置，阻火柵欄能防止火星從進氣系統中竄出，避免了引起可燃物燃燒的可能性；空氣關斷裝置采用氣缸控制，在出現事故或防爆指標超標時，可切斷防爆柴油機的空氣供給，并及時停車。4.3排氣系統的設計防

11、爆柴油機最關鍵的防爆措施之一就是降低柴油機機體的表面溫度，使之低于150。而排氣系統也是柴油機機體最高溫度所在地，普通柴油機的增壓器排氣出口溫度高達600， 因此，需要對缸蓋的排氣口、排氣歧管、增壓器進行全新的匹配設計，并設計冷卻水套，為不破壞原機的冷卻性能，同時提高柴油機的排氣冷卻效果，我們采用兩套獨立的冷卻系統，即在輪系中增加一個水泵，同時增加一個散熱器，對排氣部分進行單獨冷卻。因增壓器經過冷卻后能量會有損失，不僅造成防爆柴油機的功率損失，同時對低速扭矩的影響也較大，為了克服這一難點，我們通過設計經驗及流體模態分析，將渦輪殼氣體流道進行更改，從而將損失的能量補償回來，滿足了低速扭矩性能。水

12、冷排氣歧管與水冷渦輪增壓器連接圖如圖2所示。 圖2 水冷排氣歧管與水冷渦輪增壓器連接圖為使防爆柴油機的排氣溫度低于標準要求的70，我們在排氣總管后端設計了廢氣處理箱，并在廢氣處理箱內部設計了排氣阻火柵欄，可有效阻止排氣火焰外泄引起的環境爆炸。4.4冷卻系統的設計為有效降低柴油機排氣溫度，不破壞原柴油機冷卻系統，在柴油機上另行設計增加了一個水泵，同時也增加了一個外循環散熱器，該冷卻系僅對排氣歧管、增壓器廢氣渦殼、排氣總管部分的廢氣溫度進行冷卻，不僅可降低零件表面溫度，同時可有效降低廢氣溫度。該系統的設計，使柴油機的冷卻系統在環境溫度高達40時也可趨于熱平衡，而不影響柴油機正常使用。其布置示意圖如

13、圖3所示。圖3 冷卻系統布置示意圖4.5 配套零部件的選用行業標準中防爆柴油機的技術要求中明確規定：(1)在防爆柴油機運轉和維修期間，有可能受到撞擊的零部件的外殼均不允許采用輕金屬制造。(2)防爆柴油機及其配套的非金屬材料零部件，采用電阻值小于1×109的不燃或阻燃性材料制造。(3)用于密封的墊襯，應使用帶有金屬骨架或金屬包封的不燃材料制造 。因此，對于防爆柴油機中不可避免的輕金屬部件外殼，除了加以有效防護外，我們采用表面噴涂改性的方式處理，并經過煤炭行業的摩擦火花試驗，均滿足要求；對于非金屬零部件如風扇、多楔帶、各種膠管等均采用阻燃抗靜電材料全新設計開發，滿足煤礦行業標準要求。4.

14、6其他附件的設計及選取對于隔爆結合面的尺寸及有關要求，比如結合面的有效寬度、表面粗糙度、桿套配合的長度及間隙等，均嚴格按照礦用防爆柴油機通用技術條件要求設計。燃油箱的設計遠離柴油機，以此減少熱源的影響，油箱加油口、曲軸箱通氣孔采用螺紋可靠連接，同時在油箱和柴油機之問設置燃油停油機構，在出現故障時可及時關閉燃油供給。對于防爆柴油機采用的部分電器件，如發電機、調節器、溫度傳感器等，均采用有安標認證的隔爆件，其中采用的隔爆兼本質安全型保護裝置，可有效實現防爆柴油機的表面溫度超標、排氣溫度超標、散熱器冷卻液溫度超標、機油壓力低于設定值、廢氣處理箱水位低于設定值以及礦井下瓦斯濃度超過設定值時發出聲光報警

15、信號，并在30秒內自動停機。5 設計成型的防爆柴油機的組成及性能參數通過對防爆柴油機的進氣、排氣、冷卻系統等進行總體設計開發，并嚴格執行礦用防爆柴油機通用技術條件的要求，開發出了具有領先性能的新型防爆柴油機，完全滿足煤礦井下輔助運輸的要求，防爆后技術參數完全達到設計要求。防爆后技術參數見表2,新型防爆柴油機系統圖見圖4。表 2項目參數額定功率/轉速(kW/rpm)125/2200最大扭矩/轉速(N.m/rpm)590/1600排放指標CO0.1%785maxNOx0.08%680max表面溫度150128max排氣溫度7064max平衡后冷卻液溫度9896max1-進氣系統 2-外循環水泵 3

16、-外循環散熱器 4-內循環散熱器 5-中冷器 6-柴油機 7-排氣系統圖4 新型防爆柴油機系統圖6 試驗驗證防爆柴油機經過系統匹配設計開發并經過多次設計評審后展開試制，樣機經過了臺架試驗及外特性檢測，各項性能參數達到設計目標。在國家防爆柴油機檢測中心進行了形式認證試驗，檢驗內容包括防爆柴油機隔爆尺寸檢測、隔爆件耐壓性能檢測、溫度檢測、啟動性能檢測、外特性曲線檢測、排放性能檢測以及整機隔爆性能檢測等，檢驗結果完全符合礦用防爆柴油機通用技術條件的要求，多項指標遠遠優于標準要求值，取得了防爆柴油機合格證及安全標志證書。同時也進行了裝車實驗，并在煤礦井下做了工業性試驗，此防爆柴油機能夠達到8噸物料運輸車的動力要求，滿足了井下運輸的使用要求。從試驗結果可以看出，新研制的防爆柴油機在各方面已經滿足了設計要求。7 結語該新型防爆柴油機的設計開發達到了國內行業領先的水平，通過整車裝配及性能試驗檢測，能夠很好地滿足8噸