大型挖掘机除尘通风系统的设计计算

谭彬 马永海

摘要：通过现场对机械式挖掘机工作环境的粉尘浓度、进出口的温度等主要数据的采集，运用除尘原理和流体力学理论、热力学知识;进行散热风量和正压的计算并分析影响正压形成的原因及措施，对除尘净化系统设计有指导意义。

关键词：除尘净化系统;挖掘机;设计

1.概述

矿用机械挖掘机的除尘通风系统主要功能和作用是：①将室外含尘空气过滤除尘后送入机棚内;②将机棚内电机、电气柜、减速机及其他运动件产生的热量通过室内空气的流动带走，以降低室内及其运动件的工作温度;③通过通风机向机棚内不断补充洁净空气使机棚内保持一定正压，防止粉尘从机棚敞口处进入室内。生产实践表明：大多情况下的机械式挖掘机故障停机，是由于电器故障引起的，而电器故障90%是由于电器柜或元件的发热或粉尘造成的，致使电器控制柜的开关跳闸、打火花、接触不良，使机器停止运行，严重影响机器正常运行和生产效率。挖掘机的机棚和电器间的通风除尘质量是直接影响设备正常开工率的关键因素。

本文根据目前露天矿山工作环境和矿物条件分析研究了几种适合除尘方式，依据机棚内运动设备和电器元件的发热量、进出口的温度等主要因素，确定系统总风量，分析了机棚内正压形成的影响因素，对减少电气故障、保证电器控制元件和电器设备正常开工率，提高运行效率有积极意义。

2.挖掘机除尘系统的研究

2.1 设备工作环境

挖掘机主要工作于大型露天煤矿、露天铁矿及有色金属矿山，工作环境气候条件有南方多雨潮湿气候，也有北方干热多风气候。挖掘机除尘系统主要是针对现场工作时产生的二次扬尘以及北方大风气候条件下的粉尘。露天矿山粉尘浓度一般约为100mg/m?以下，多数情况下为10～30mg/m?，粉尘中的大部分粒径为30μm以下，粒径大于30μm的粉尘极少见。所以露天矿粉尘环境污染的特点是粉尘浓度较低，粉尘粒径较细。这是大型矿用挖掘机除尘净化系统设计时需要考虑的粉尘的特点。

2.2 除尘方式的选择

目前，挖掘机除尘通风系统通常采用的除尘方式主要有以下几种方式：1）采用旋流子除尘方式，该除尘原理为当含尘气体经过除尘器时，气流将由直线运动变为圆周运动，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将相对密度大于气体的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。该方式结构简单，成本低，除尘效率低，一般在75-85%左右，适用于处理大于5μm 以上的粉尘;2）采用百叶窗式惯性除尘方式，它是利用气流突然转变方向，使尘粒与气体分离的一种装置，可捕集到10μm 以上的粉尘，该方式结构简单，成本低，除尘效率在一般在75%左右;3）采用滤筒式除尘方式，滤筒式除尘具有体积小、过滤精度高、安装维修简便等特点，可捕集到0.5μm以上的粉尘;随着挖掘机智能化水平的提高，电控系统对工作环境粉尘的控制提出了愈来愈高的要求，因此，滤筒式除尘方式成为挖掘机除尘通风系统的发展方向。

2.3 除尘通风装置的设计原则

挖掘机除尘通风系统是挖掘机正常运行必须的重要装置，该装置运行质量的好坏直接决定着设备运行的可靠性，主要满足以下几点：1）电器控制系统对粉尘的最低要求;2）为确保电气系统正常工作而需要的最低通风散热条件要求;3）为确保机器间内电机及机械传动系统正常工作所需要的最低的散热条件要求;4）为阻止室外粉尘进入机器间，需在机器间内形成一定的空气正压的要求。

2.4 机棚内发热量的计算

机棚内设备发热量主要由提升电动机、回转电动机、电器柜、提升和回转机械传动系统工作时的发热量组成。

（1）电器柜发热量的确定

同时参与工作的电气柜的功率为，电器元件的效率，令=0.98，则转变为热量的功率为

（1）

（2）电机设备发热量的确定

电机设备发热量的确定主要有提升电机额定功率NS1，回转电机额定功率NS2，推压电机额定功率NS3。

（2）

式中，：电机效率，=0.95;

：不均匀系数。

确定不均匀系数是比较复杂的，因为挖掘机在一个工作周期中不同时间段功率是变化的，且各个部分的电机不是同时工作的;并不等于参与工作的电机铭牌标出的功率之和。所以求发热功率时，需乘以不均匀系数。

（3）

式中，、、—分别为各个电机参与工作的时间占整个周期时间的比例。

（3）提升、回转机构传动系统发热量的确定

（4）

机棚内设备总发热量为电器柜发热量和电机设备发热量之和Nz，即

（5）

2.5 系统风量的确定与分析

根据该发热功率产生的热量计算系统风量

（6）

式中，860—为热量转换系数，由单位换算可得。

建立热平衡方程[1]，，则风量有

（7）

式中，—空气比热，c =0.24 kcal/kg.℃，

—空气密度，=1.2kg/m?（常温时），

—散热风量，m3/h，

t0—进风温度，℃，

—机棚内部温度，℃（即向外排的空气温度），

，机棚内外温差，℃。

为防止意外情况导致风量不足，将散热风量乘以储备系数k

（8）

其中，k—储备系数，k=1.02～1.05，取k=1.03。

2.6机棚内正压形成的影响因素分析与正压的计算

保持机棚内正压的目的是为了避免含尘气流侵入室内，重新造成粉尘污染。影响机棚内正压形成的主要因素是注入机棚内风量的大小和出风开口的大小及其气密性的好坏。正压的大小与气流速度、密度、及气流运行阻力有关。

以速度Vk从开口处流出的风量所需压头hy，该压头即为机棚内的正压[2]：

（9）

式中，—阻力系数，与气体流出的开口大小、外腔的形状等因素有关，一般可取=1;

—空气密度，常温时，=1.2kg/m3。

若注入室内的风量为Q（m3/s）、开口面积为Ak（m2），并认为整个机棚内密封好，则从开口处流出的速度vk为

（10）

由式（10）知，影响室内正压大小的主要因素是注入室内的风量和开口面积的大小。正压值与开口处风速的平方成正比。若要求室内正压大，就必须加大注风量或减少开口面积。需要特别强调的是：当正压一定的情况下，减少开口面积，或者降低注入的风量，就意味着降低能耗。

对推压系统的供风方式有两种：其一是由机棚顶部直接供风;其二是由机棚内部供风。无论哪种供风方式，都会影响到室内的正压。推压电机的散热风量为q，则参与室内正压计算的风量Qtk =Q-q。风级F与风速之间有如下关系[ 3]

（风级）（11）

3.实例计算

通过对某个型号矿用机械挖掘机为例，计算了所需通风除尘系统的风量与正压。验证了本计算假设条件和所选取的有关系数适合当前挖掘机的实际情况。

3.1系统风量计算

已知：参与工作的电气柜的功率、提升电机额定功率、回转电机额定功率、推压电机额定功率。

由式（1）得，电器柜发热量。

假定在一个工作周期内，提升电机和推压电机的工作时间==10s，占整个周期时间的1/3，即==1/3，回转电机工作时间为=15s，占整个周期时间的，即=1/2，由式（3）计算不均匀系数，将有关各电器柜发热量与在一个周期中所占时间的比例等因素综合考虑计算出不均匀系数为0.39

由式（2），计算可得机棚内所有电机发热功率。

由式（4），计算可得机棚内所有机械传动部件发热功率。

机棚内设备总发热功率

由式（5）得系统散热量，kcal/h

若取℃，由式（6）（2.6）计算得，此时散热所需风量为：

m3/h

m3/h

同理，若按经验=0.45，取℃，计算此时的散热风量Qt，见表1   表1  对于、取不同的值时，散热所需风量和考虑储备系数的风量

不均匀系数

总发热

功率（kW）

温差（℃）

5

5.6

散热所需风量

Qt（m3/h）

考虑储备系数风量（m3/h）

散热所需风量

Qt（m3/h）

考虑储备系数风量（m3/h）

0.3812

81.17

48475

49930

43280

44580

0.45

95.5

57035

58745

50925

52450

根据实际使用条件，在满足最小温差散热要求的情况下，通往机棚的散热风量Q进行合理的圆整和选取。

3.2机棚内正压计算

设推压电机的散热风量约为q=8000m3/h，所以参与室内正压计算的风量应该去掉推压电机冷却所需的风量。

当机棚出风口面积A1=1.2m2，则出口处的流速可通过系统总风量的平衡关系求得为9.7m/s。

所以，此时机棚内正压为

Pa（即5.7mm水柱）

风级为：级

表明在该正压下，可以抵抗9.7 m/s室外风速所造成的动压。大约可抵抗在5级风情况下，外部空气不能进入室内。

在考虑推压系统时的所需风量时，对于机棚开口面积Ak取不同的值，所求得的机棚正压hy和风级F如表2所示。

表2        机棚开口面积Ak取不同的值的机棚正压hy和风级F

参与室内正压计算的风量Qtk

机棚开口处

面积Ak（m2）

机棚开口处

速度vk（m/s）

机棚内正压

hy（Pa）

机棚开口

处风级F

42000（m3/h）

（11.67m3/s）

1.2

9.7

56.5

5.1

1.4

8.33

41.66

4.61

1.6

7.29

31.9

4.22

4.结论

通过上述计算与分析，得出以下结论：

（1）不均匀系数的选取对计算结果有很大影响，建议按实际参与工作的电机的额定功率进行计算，较符合实际情况;

（2）形成一定正压的主要因素是进风量和出风口面积以及机棚的气密性的好坏。所以减少漏风口面积或者减小开口面积，利于形成正压。

（3）所采取的计算模型和方法是正确的，对除尘净化系统设计有指导意义。

参考文献：

[1]湖南大学等校编.工业通风（M）， 北京：中国建筑工业出版社，1980

[2]李诗久.工程流体力学（M），北京：机械工业出版社，1980

[3]郝吉明，马广大.大气污染控制工程（M），北京：高等教育出版社，2002

[4]张殿印王纯，除尘器手册（M），北京：化学工业出版社，2005

基金项目：国家863资助项目（2012AA062001）

作者简介：谭彬，女，高级工程师，主要从事大型挖掘机设计研究工作。