防爆无轨胶轮车阻火器性能分析研究

范江鹏

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

随着煤矿辅助运输的飞速发展，防爆柴油机无轨胶轮车以其机动、高效的特点得到了广大煤矿用户的认可[1-2]。但同时对防爆柴油机无轨胶轮车的驾驶舒适性、动力性能以及排放性能等提出了更高的要求。尤其是近年来，要求其达到国Ⅲ及以上排放标准，必然导致各类尾气后处理技术应用于防爆柴油机车辆上。而此类设备，无一例外为达到增加尾气与催化剂接触面积的目的，采用蜂窝状孔隙结构，造成防爆柴油机无轨胶轮车排气背压增大，使得柴油机动力损失严重，降低了设备的经济性[3]。本文通过理论计算和试验相结合的方法，对不同间隙的阻火器的阻火性能进行研究，对提高防爆柴油机无轨胶轮车动力性和排放性能具有参考意义。

1 阻火理论

阻火器作为防爆无轨胶轮车隔爆性能的关键元部件，其厚度以及间隙大小直接决定了阻火器的阻火效果[4-6]。阻火器是通过其内部的狭隙结构，将火焰分成若干火焰束，并通过与边界层碰撞而释放能量，从而使火焰温度降低，最终实现火焰淬熄[7-9]。

周凯元大量实验指出阻火器间隙高度不宜高于1.4 mm[10]。GB 3836.11—2008指出甲烷气体的最大试验安全间隙为1.14 mm。MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中规定：阻火器间隙不大于0.5 mm，阻火层长度不小于50 mm。综上所述，本文以煤炭行业标准中规定的阻火器厚度50 mm为基础，研究间隙为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm阻火器的阻火性能。

2 计算分析

2.1 数值模拟

为简化计算，将阻火器简化为二维模型，考虑到模型的对称性，只取二维模型的一半作为计算区域，具体模型如图1所示。具体边界参数如表1所示。

图1 阻火器简化模型

表1 边界条件

根据雷诺数的计算公式：

2 300

(1)

式中：ρ为预混气体的密度，由于大部分为空气，包含少量甲烷，所以近似按空气密度计算，kg/m3；V′为气体的流速，m/s；d为平均管径，m；η为动力黏度，kg/ms。

由式(1)可知，该模拟计算属于湍流模型，因此采用最广泛的k-ε二方程湍流模型描述甲烷气体在氧气中燃烧的湍流特性。

2.2 计算结果及分析

不同阻火器间隙的温度分布云图如图2所示。随着阻火器间隙的不断增大，其淬熄距离也逐渐增大，对于间隙为0.8 mm、1.0 mm的阻火器，其出口处的火焰温度小于1 700 K，表明阻火成功。而对于间隙1.2 mm、1.4 mm的阻火器，其出口火焰温度在1 800 K以上，表明阻火失败。

图2 不同阻火器间隙的温度分布云图

图3为不同间隙的阻火器对压力损失的影响。从图中可以看出，对于相同间隙的阻火器，随着气体流速的增加，阻火器的压力损失也大幅度地增加；对于相同的气流速度，随着阻火器间隙的增大，压力损失逐渐减小；当间隙达到1.6 mm时，对压力损失的影响可忽略不计。

图3 不同阻火器间隙对压力损失的影响

如图4所示，随着栅栏间隙的增加，通过阻火器的气流速度也逐渐增大；栅栏入口处扩张腔在上下壁面处产生湍流；气体在穿过阻火层后进入出口扩张腔时，由于管径缩小气流速度有所增加，而且随着栅栏间隙的增加气流速度增加。这主要是由于随着栅栏间隙的增加，阻火器有效通气面积加大，从而流出阻火器的气体量也随之增加；阻火器栅栏板的数量减少，气流与壁面的摩擦阻力也减小。

图4 不同阻火器间隙速度云图

3 试验研究

为验证数值模拟结果的准确性，制作0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm间隙的阻火器，阻火器厚度均为50 mm，阻火器样件如图5所示，对上述样件进行隔爆试验。

图5 阻火器样件

为使实验符合实际使用工况，将阻火器固定在某型废气处理箱上，在废气处理箱的进气口以及出气口位置处设置甲烷充气口和排气口；在远离阻火器端设置火花塞，以保证足够的火焰传播速度；在箱体顶部设置压力传感器，用以监测爆炸压力，确认箱内混合气体是否被火花塞引燃。

试验时，将废气处理箱以及阻火器整体放入防爆压力罐中，通过中控台将防爆压力罐与废气处理箱中充入甲烷，使得甲烷浓度控制在8.5%，氧气浓度控制在19%。待混合气体浓度均匀后，通过火花塞将箱内甲烷引燃，通过防爆压力罐中的压力传感器，判断火焰是否通过阻火器将防爆压力罐中的可燃气体引燃，以此判断阻火器是否阻火成功，试验仪器如图6和图7所示。同一阻火器样件进行10次隔爆试验，如果10次试验均隔爆成功，则认为阻火器阻火成功；否则认定阻火失败，试验结果如表2所示。

图6 阻火器隔爆试验

图7 隔爆试验中控台

表2 试验结果

注：√表示隔爆成功；×表示失爆。

试验结果表明，阻火器间隙在小于1.0 mm的情况下，阻火器阻火成功，但是当阻火器间隙为1.2 mm和1.4 mm时，分别在进行第7次和第5次隔爆试验时，阻火器失败，这与理论计算的结果相符合。

4 结论

通过理论分析以及探索性试验研究，阻火器间隙小于1.0 mm时，阻火器可阻火成功。因此，防爆无轨胶车通过采用大间隙的阻火器，可有效提高防爆柴油机的通气效率，降低排气背压；对于提升防爆柴油机无轨胶轮车的动力性能及燃油经济性起重要作用。