大型矿用挖掘机通风除尘装置的设计研究

孟晶悦

(太原重工股份有限公司技术中心矿山所，山西 太原 030024)

大型矿用挖掘机通风除尘装置的设计研究

孟晶悦

(太原重工股份有限公司技术中心矿山所，山西 太原 030024)

大型矿用挖掘机的通风除尘装置的功能是过滤从室外送入机棚内空气中所含粉尘，用清洁的冷空气排除机棚内各机构和电气柜中产生的热量。本文从设计挖掘机通风除尘装置的考虑因素入手、深入研究带有自洁性滤筒式除尘器的工作原理、除尘方式等，确定合理的通风除尘装置设计方案。与采用传统的惰性除尘相比，滤筒式除尘器有效解决了机棚粉尘问题，并成功应用于WK系列大型挖掘机中。

大型矿用挖掘机；通风除尘装置；滤筒除尘器；设计方案

1 概况

大型矿用挖掘机是露天矿山单斗-汽车开采工艺系统和半连续开采工艺系统中必不可少的关键采装设备[1]。由于其是露天作业，作业环境粉尘严重。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。基于这样的工况条件，导致矿用挖掘机在工作过程中的停机故障时常发生，一般是由于电器故障引起的，而电器故障的90%是由于电器柜的发热或粉尘过量造成的。

大型矿用挖掘机的通风除尘装置设计目的就是保证机棚内电器柜控制元件和各机构件的良好运行。它的功能是过滤从室外送入机棚内空气中所含粉尘，用清洁的冷空气排除机棚内各机构和电气柜中产生的热量，以保证挖掘机的安全运行；使机棚内产生正压，以防止室外含尘气流侵入到机棚内。

2 通风除尘装置的设计

确定通风除尘装置方案需要考虑的因素包括：①挖掘机整个系统所需要的散热总量；②挖掘机机棚内正压的形成；③通风除尘装置在挖掘机上的安装位置及几何尺寸；④选择除尘方式，确定方案。

2.1 挖掘机系统所需要的散热总量

通风除尘装置方案的确定首先要考虑机棚内设备发热量，机棚内设备发热量主要根据提升电动机、回转电动机、电气柜和由机棚内的风量冷却推压电动机工作时的散热总量。其中各电机的发热功率见式(1)。

(1)

式中：N备为各电机的发热功率之和，单位kW；N为电机的额定功率；ηi为电机的额定效率；n为电机的额定台数。

在一个工作周期内，若一个工作周期的时间为30s，提升电机和推压电机的工作时间为10s，占整个周期时间的，回转电机工作时间为15s，占整个周期时间的，则实际参与工作的电机功率为，得不均匀系数，见式(2)。

(2)

则三者之间同时工作时功率的最大值，通过式(3)计算可得发热功率。

(3)

根据该发热功率产生的热量计算系统风量，见式(4)。

(4)

式中：c为空气比热，c=0.24kcal/kg·℃；ρ为空气密度，ρ=1.2kg/m3(常温时)；Qi为散热风量，m3/h；t0为进风温度，℃；t为内部温度，℃(即外排的空气温度)。

因1kW=860kcal/h，故系统风量kcal/h，则机棚内各机构电机所需的散热的风量根据式(5)计算。

(5)

将计算出的Q值加上电器柜内所需要的散热量，就可以得出系统所需要的散热总量，Q总。

根据系统中所需要的散热总量，可以选择确定通风除尘装置中风机的风量以及相应的风机的风压等参数。

2.2 挖掘机机棚内正压的形成

挖掘机机棚内保持正压的目的是抵抗机棚外含尘空气进入，是机棚内的各机构工作在清洁的环境中，从而能减少磨损，延长寿命。

正压形成的过程是由通风装置中的风机向机棚内一直吹入清洁的大量的空气，使机棚内的气压增高，造成超高微压，形成气封，机棚内的气体可由提升钢丝绳出口处排出。

影响机棚室内正压形成的主要因素是吹入机棚内风量的大小和机棚各缝隙间密封性的好坏。

以速度v从开口处流出所需压头(Pa)即为机棚内的正压，计算方法见式(6)。

(6)

式中：ξ为阻力系数，与气体流出的开口大小、外腔的形状等因素有关，一般可取ξ=1；ρ为空气密度，常温20°C时，可取ρ=1.2kg/m3。

从式中可以看出正压的大小与气流速度、密度、及气流运行阻力有关。

若已知单位时间内注入室内的风量为Q(m3/s)，则以提升钢丝绳开口处流出的风量亦应为Q，如果提升钢丝绳开口面积为A(m2)，则从开口处流出的速度v(m/s)见式(7)。

(7)

从式中看出，影响室内正压大小的主要因素是吹入机棚内的风量和提升钢丝绳开口面积的大小。正压值与提升钢丝绳开口处风速的平方成正比。

风速与风级之间关系见式(8)。

(8)

式中：F为风级；v为风速，km/h。

根据式(8)，当机棚内的正压一定值Q，提升钢丝绳开口尺寸A也确定时，可以计算出开口处流出的速度v，继而计算出室外风级F。这样，就可以知道在该正压Q值下，可以抵抗v室外风速对挖掘机造成的动压。即在F级风情况下，挖掘机外部空气不会进入机棚内。

2.3 通风除尘装置在挖掘机上的安装位置

挖掘机的一些重要的机构和电气柜等都放在机棚内，考虑到整个挖掘机的平衡等因素，通风除尘装置一般均设计在挖掘机后部，与机棚的后部相联接，以机棚后壁的接口尺寸为基准。由于机棚上设计有A形架，所以通风除尘装置的外形尺寸在设计时，前后方向应避开A形架，防止与之干涉。

2.4 选择除尘方式，确定方案

大型矿用挖掘机的通风除尘装置前期是采用强迫通风惰性除尘，即用船用立式轴流风机做强迫通风的通风机，采用叶片式惰性除尘器做空气滤清器。当轴流风机向滤清器吹进含尘的空气时，空气中的粉尘在自重和惯性力的作用下进入滤清器的排尘管道而被吹出机棚外，而比较洁净的空气则由滤清器的缝隙处溢出进入机棚内。但由于受到除尘机理的限制，采用这种除尘方式，过滤到机棚内的空气的洁净度不能满足机棚内设备的要求。

随着科学技术的不断发展，更多先进成熟的技术被集成应用于大型挖掘机的设计和制造过程中，为矿用挖掘机整体技术水平的提升提供了必要的保证。由于新型滤料的出现和除尘器设计的改进，滤筒式除尘器在除尘工程中开始应用。

滤筒式除尘器具有体积小，效率高等优点，能够满足大型矿用挖掘机的通风除尘要求。

3 滤筒式除尘器

3.1 滤筒式除尘器的构造

滤筒除尘器主要是由系统风机、集气室、净气室、脉冲反吹、集灰斗及粉尘的机械输送等组成。

滤筒除尘器的过滤元件是滤筒，滤筒是设计长度的滤料折叠成褶，首尾黏合成筒；筒的内外用金属框架支撑。

大型矿用挖掘机通风除尘装置中所采用的滤筒除尘器，需要考虑滤筒数目、排列型式及安装方式等。滤筒的数目是通风除尘装置的关键参数，它由机棚中所需的总风量确定。

由于大型矿用挖掘机通风除尘装置位于挖掘机的后部，挖掘机工作过程中会产生强烈的振动，同时又需要其安装空间小，结构紧凑，所以在除尘器的设计中在满足挖掘机系统所需风量及风压的基础上，尽量降低其高度。同时，通风除尘装置的钢结构的设计不但有强度要求，还应有足够的刚度以抵抗挖掘机工作时产生巨大的抖动来保证除尘器结构的稳定，进而保证除尘器除尘的效果。

3.2 滤筒式除尘器工作原理

含尘气流从除尘器的顶部进入集气室，由于气流断面突然扩大，气流中一部分颗粒粗大的尘粒在重力和惯性力作用下沉降下来；含尘气流中的粒度细、密度小的尘粒进入集气室后通过布朗扩散和筛滤等的综合效应就被滤筒表面截流，使粉尘沉积在滤筒的滤料表面。在系统风机的作用下，气流通过滤筒过滤，清洁空气被送入机棚内。

滤筒式除尘器的阻力随滤料表面粉尘层厚度的增加而增大，阻力达到某一规定值时，进行清灰，此时脉冲控制仪控制脉冲阀的启闭。当脉冲阀开启时，气包内的压缩空气通过脉冲阀经喷吹管上的小孔喷射出一股高速、高压的引射气流，从而形成一股相当于引射气流体积1～2倍的诱导缺陷流，一同进入到滤筒内，使滤筒内出现瞬间正压并产生鼓胀和微动；沉积在滤料上的粉尘脱落，掉入灰斗内被连续排出。

这种方式，是逐排滤筒顺序清灰，脉冲阀开闭一次产生一个脉冲动作，一般情况下，所需的时间为0.1～0.2s；脉冲阀相邻两次开闭时间为1～2min，全部滤筒完成一次清灰循环所需要的时间为10～30min。由于为低压脉冲清灰，所以根据运行阻力情况，应把喷吹时间适当延长，而把喷吹间隔和喷吹周期适当缩短。

3.3 系统风机的选用

在通风除尘系统中，系统风机是用来连续输送气体的重要部件之一。由于大型矿用挖掘机是移动的机器，所以安装于其上后部的通风除尘装置中的系统风机在选用时，在保证风量与风压的情况下，还要考虑到安装空间的限制，即选用大风量大风压尽量小的外形安装尺寸的风机。离心式风机与轴流风机均可以选用，若选择离心风机，则风机与电机需要采用直联式。

选用风机时，风机的风量及风压必须满足挖掘机整个系统所需要的散热总量与所需要形成的正压值。

3.4 滤筒式除尘器的排灰方式

大型挖掘机恶劣的工作环境，主要是由于挖掘机在挖掘、卸装过程中，产生的扬灰，粉尘细且浓度大。对于滤筒式除尘器所过滤出的粉尘则需要机械输送装置将其排出。

粉尘的机械输送装置包括有螺旋输送机、刮板输送机、皮带运输机等。由于螺旋输送机适用于水平或倾斜度小于20°情况下输送粉状或粒状物料，而大型矿用挖掘机除尘装置中的除尘器的长度较长，均大于4m，下部灰斗的长度至少为3m，所以选用螺旋输送机。

螺旋输送机中灰斗侧板与水平面夹角为55°，在灰斗下部连接螺旋输送机，在螺旋输送机的左端的排灰口设计有星型卸灰阀，螺旋输送机右端则设计电机减速机。这样，集灰斗内的灰尘通过螺旋输送机直接排到挖掘机下。

上述除尘器中各环节的动作，包括滤筒的脉冲喷吹清灰、系统风机的启制动、螺旋输送机的排灰，均采用PLC控制，与挖掘机主机一起，实现可控运行。

4 结论

目前，滤筒式通风除尘装置已成功应用于太原重工股份有限公司生产制造的WK系列大型挖掘机上，尤其用于剥离开采的挖掘机，由于通风除尘装置采用滤筒式除尘方式，其机棚内空气洁净度大大提高，有效降低了挖掘机的故障率。

通过对大型矿用挖掘机机棚内所需散热量及形成正压的分析，采用滤筒式除尘器作为通风除尘装置的除尘方式，有效地解决机棚和电气室的粉尘问题，创造干净的机棚空间，对于提高挖掘机的工作效率，减少故障率起着积极地促进作用。

[1] 王晓明. 矿用机械式挖掘机的现状及技术发展趋势[J].矿业装备，2010(zk)，8：50-53.

[2] 谭天佑，梁凤珍. 工业通风除尘技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1984.

[3] 阎书文. 机械式挖掘机设计[M].北京：机械工业出版社，1982.

[4] 张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2003.

[5] 魏润柏.通风工程的空气流动理论[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1981.

[6] 金国淼，等.除尘设备[M]. 北京:化学工业出版社，2005.

Design and research of ventilation dust removal device in large mining excavator

MENG Jing-yue

(Technology Center Excavator Institute，Taiyuan Heavy Industry Co.，LTD.，Taiyuan 030024，China)

The function of the large mining excavator’s ventilation dust removal device is to filter those containing dust in the air from outside into the machinery house，is to remove the heat generated by the electrical cabinet and various machinery through clean cool air out of the house. In this paper，working principle of the fliter deduster with self-clean function and dusting method are researched deeply from the consideration of excavator design ventilation dust removal device，and the reasonable design scheme is determined. Compared with the traditional inertial dust separator，the problem of dust in the house is effectively solved by the fliter deduster. And it has been successfully used in WK series heavy excavator.

large mining excavator；ventilation dust removal device；fliter deduster;design scheme

2014-03-17

TD63+1

A

1004-4051(2015)02-0138-03