煤矿井下柴油机的应用分析

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1、1煤矿井下柴油机的应用分析煤矿井下柴油机的应用分析Application analysis of the diesel engine in coal mine 段春霞1 张怡军2DuanChunxia， ZhangYijun （洛阳理工学院1，洛阳 河南 471003）（中国一拖（洛阳）柴油机有限公司2，洛阳 河南 471004）Luoyang Institute of Science and Technology ,Luoyang Henan 471003 YTO(LuoYang) Diesel Engine CO.,LTD, Luoyang Henan 471004摘要摘要 针对煤矿井下瓦

2、斯煤尘浓度大空间狭小及通风不畅等恶劣的作业环境，需要对现有柴油机进行改进使之具有防爆能力。另外为达到我国煤矿安全中的相关规定，还配备废气净化及自动保护装置。Abstract: In view of coal mine shaft big gas coal dust density，the space narrow and ventilates and so on impeded the bad work environment，it is necessary to improve the existing diesel engine ,enabling it to have the explo

3、sion-proof ability。Moreover, in order to achieve coal mine safety correlation of our country stipulation，provides the waste gas refining equipment and the automatic relay protection。主题词：主题词： 柴油机，防爆，废气净化，自动保护柴油机，防爆，废气净化，自动保护Keywords: diesel engine，explosion-proof，automation protection1 引言引言 我国是一个以煤炭为

4、主要能源的国家，目前煤炭在能源消费结构中占 70% 以上，在 今后相当长的一段时期内，煤炭仍将是我国能源的支柱产业。但是与发达国家相比我国煤 矿安全供应、主要技术装备等性能指标仍落后 10 至 15 年。值得一提的是这几年我国煤矿 在运输机械上做了大量工作并取得很大效，目前国内已经成功开发应用了不同种类的井下 柴油机车。柴油机为动力的机车具有体积小巧，使用方便、灵活，在煤矿井下适应性强， 使用范围广等优点。但是要想使井下柴油机车得到大量的应用，必须解决好柴油机的防爆、 废气净化、自动保护等难题。2 防爆防爆 在瓦斯煤尘浓度大的矿井中，柴油机是否具有防爆能力直接关系矿工的生命安全。 而影响柴油机

5、的防爆因素主要有：材料、隔爆接合面、进（排）气系统、温度及电气系统。2.1 材料材料 在柴油机运行和维修期间，有可能受到撞击的零部件的外壳都不允许使用轻金属材料 制造。通常柴油机的机体缸盖进气管排气管飞轮壳齿轮室及齿轮室盖水泵等 主要零部件采用铸铁制造；汽缸盖罩壳风扇等零部件采用薄钢板制造；燃油泵柴油滤 清器等壳体为铝质材料的零部件，其外表面必须喷涂不小于 0.2mm 厚防护层或设置钢质罩 壳保护措施；皮带等非金属材料的零部件采用电阻小于 1109 的不燃或阻燃性材料制造； 进气管垫片排气管垫片及气缸盖垫片等用于防爆接合面密封的垫衬使用带有金属骨架 或金属包封的不燃材料制造；燃油系统中油管尽量

6、采用钢丝防护内层胶管。 2.2 隔爆接合面隔爆接合面 隔爆接合面部位主要有缸盖与机体之间进（排）气系统与缸盖之间齿轮室盖上加2油口与加油螺塞之间油底壳上放油口与放油螺塞之间油底壳与机油套管之间喷油器 与缸头之间等。现行的相关规定中对各隔爆接合面尺寸要求：缸盖与机体之间隔爆接合面 的有效宽度不小于 9mm，平面度不大于 0.15mm；进排气系统与缸盖的隔爆接合面有效宽度 不小于 13mm；隔爆接合面的内部边沿到螺栓孔的边沿有效宽度大于 9 mm；喷油器与缸头的 配合间隙应不大于 0.2 mm，轴向长度应不小于 25 mm；加油螺塞放油螺塞机油标尺套 管最小拧入深度不小于 12.5 mm，最小啮合

7、扣数不少于 6 扣；水夹层排气管隔爆接合面内 部到水道通孔边沿的有效宽度不小于不小于 5 mm；各隔爆接合面的表面粗糙度不小于 6.3um。 2.3 进（排）气系统进（排）气系统 柴油机进（排）气系统必须配置有空气滤清器和阻火器，阻火器用于阻断柴油机可能 的回火引燃空气中的可燃气体。阻火器的安装必须保证不受意外损坏，其结构应易于装配 检验和清洗，且定位应准确。阻火器框架隔爆接合面宽度不小于 25mm，不允许在阻火 器框架隔爆接合面内随意钻孔。阻火器一般分栏栅型阻火器和珠型阻火器：（1）栏栅型阻 火器必须使用耐高温防腐蚀耐磨损材料制造。栏栅板的厚度不小于 1mm，平面度不大 于 0.15mm，气

8、流方向的宽度不小于 50mm，相邻两栏栅板之间的间隙不大于 0.5mm。 （2） 珠型阻火器的框架及挡板球型体，应使用耐高温耐腐蚀材料制造。装配完整后的珠型 阻火器，内部球形体不得有松动。采用直径为 5mm 的球形体时，气流方向的填充厚度不 小于 60mm，采用直径为 6mm 的球形体时，气流方向的填充厚度不小于 90mm。 进（排）气系统（图 1）中，进气系统在空气滤清器和阻火器之间还要设置空气关断 阀，以便事故时及时切断空气供应使防爆柴油机停机；排气系统在和废气处理箱和阻火器 前设置水夹层排气管，以便使排出的气体温度低于 70。空空气气滤滤清清器器空空气气关关断断阀阀阻阻火火器器进进气气管

9、管柴柴油油机机水水夹夹层层排排气气管管废废气气处处理理箱箱阻阻火火器器进进 气气 系系 统统排排 气气 系系 统统图 1 进（排）气系统 2.4 温度：温度： 柴油机任一部分位表面温度不得超过 150，废气出口温度不得超过 70。目前多采3用强化水冷却循环（图 2） ，可使除排气管外的其它零部件温度低于 150。排气系统温度 一般为 600左右，因此必须对排气管进行强制冷却才能达到以上要求，一般采用水夹层 排气管来实现。 2.5 电气系统：电气系统： 柴油机上的电气设备必须符合 GB3836 有关规定，并取得煤矿矿用产品安全标志证书。连接电气设备的电缆线，除应符合 MT818 有关规定外，还应

10、具有耐油性能，并应可靠牢固 和保护。电缆的安装应保证在出现机械震动（如磨擦，卡磨）时不会使绝缘体脱落，不会 出现弯折过度而导致内部的导体不导电。冷冷却却水水泵泵水水加加层层排排气气管管节节温温器器机机油油冷冷却却器器机机体体气气缸缸盖盖出出水水管管冷冷却却水水泵泵副副 水水 箱箱主主 水水 箱箱风风扇扇水水 冷冷 空空 压压 机机小小循循环环 大大循循环环图 2 强化水循环系统3.废气净化废气净化 因井下空间狭小及通风不畅等因素，柴油机在井下作业时不断向巷道中排放 CO、HC、NOX、SO2、煤烟等污染物，使作业环境不断恶化、空气质量下降。当柴油机排 放废气浓度过高时，就可能使人中毒，因此柴油

11、机尾气必须进行净化处理。目前的净化装 置种类较多，废气净化效率各不相同，应用最多的是使用催化反应器和水洗箱组成的机外 净化装置。 催化反应器是在催化剂的作用下，使排放中的 HC,CO,NOX通过化学反应，然后生成 无害的 CO2，H2O，N2。安装催化净化器应尽量可能靠近发动机排气管道的出口，净化器 最好安装在柴油机排气管与消声器之间，离出口 700mm 以内。根据排气净化器上标签的 流向箭头来确定净化器排气流向。净化器工作 2000 小时，要进行清洗保养，保证排气净化 器良好净化效果。柴油机排气中 HC 和 CO 较少，而 PM 和 NOX 较高，所以柴油机采用催 化转化器的主要目的是降低

12、PM 和 NOX 。一般采用催化氧化方法，常用催化剂主要有 PtPdRh 及作为涂层的 AL2O3 。尽管柴油机排气温度低，使得微粒中的碳烟难以氧化，但 氧化催化剂可以转化可溶性有机组分中的大部分碳氢化合物，达到微粒排放降低的效果。 同时 HC 和 CO 可进一步降低，图 3 为转化器剖视图。4图 3 转化器剖视图1.外壳 2.基质 3.涂层这种氧化催化净化系统工作机理如下：），（加入），（净化后气体氧化型催化剂废气 OHCOCOHC222O反应方程式： 2HC+5/2O2=H2O+2CO2 2CO+ O2= 2CO2 水洗法是用水溶解废气中有刺激性的 HC（醛酸酯类）高沸点的 HCSO2及少

13、 量 NOX等，同时使用炭烟沉淀；水洗还使排气温度下降。所采用的水洗装置是在不锈钢制 的水洗箱内安装若干组喷管（如图 4） 。发动机排出的废气由收缩烟道 5 进入若干组喷管 4，从喷管 4 中高速射出，在吸水管 2 的出口处形成真空，水洗箱 3 中的水在大气压力作用 下从吸水管射出，并被高速气流喷射为细小的水滴，随同废气在水箱上方的旋流器内作旋 转运动。废气中的可溶性有害气体与水滴接触并溶解于水中。碳烟颗粒则在水接触后凝聚 为较大的颗图 4 水洗箱装置1.终排管 2.吸水管 3.水洗箱 4.喷管 5.收缩烟道粒，从而加速碳烟的沉淀。较大的水滴在离心力作用下被甩向导流板，然后流回箱底。净 化后的

14、废气由终排管 1 排出。 水洗箱与阻火器的固定板应使用耐腐蚀材料制造，水洗箱安装在阻火器前的应为隔爆 结构。各隔爆接合面的宽度应不小于 25mm，箱体内边沿到螺孔边沿的宽度应不小于 9 mm。5水洗箱应设置水位标记，如果在隔爆结构的水洗箱上设置玻璃窗口式水位标记，窗口部分 应小于 25mm2，隔爆接合面宽度应不小于 9 mm，应具有足够的强度，以免受到撞击面损坏。 采用喷淋冷却的水洗箱可不设水位标记，但喷水箱应设水位标记。水洗箱注水孔应采用螺 纹隔爆结构，孔盖应有系紧装置。水洗箱容量应能至少满足柴油机四小时连续工作耗水。 催化反应器和水洗箱组成的机外净化装置经过多种方案的分析比较和实际工程中的

15、应 用，净化效果明显，其净化总装图见图 5。图 5 总装图4.自动保护自动保护 柴油机在环境条件恶劣的煤矿井下使用，需要有一套完善的安全保护设施。为了确保 达到我国煤矿安全中对排气温度、表面温度、排出的各种有害气体浓度等的规定，防爆柴 油机附加了比较齐全的自动检测保护装置，包括冷却水温、排气温度、机油温度、机油压 力、空气成分检测保护装置和急停保护装置。 自动检测保护装置一般由两个电磁阀传达执行：排气温度、空气成分检测保护装置和 急停保护装置与主执行组件电磁阀串联，当瓦斯浓度、排气温度等关键参数超限时或驾驶 员发现紧急情况断开急停保护装置，电磁阀都失效释放，进而关闭柴油机的油门开关，使 柴油机

16、熄火制动。冷却水温、机油温度、机油压力与运行电磁阀串联，当冷却水温、机油 温度、机油压力等参数超限时，运行电磁阀断电，停止整车行使状态而柴油机自身处于空 载怠速下运转以便风扇自冷却。 图 6 为某新型自动保护系统示意图，该系统对原有 Y 型保护系统进行简化，主要由一 个电源箱组成，必需的外部配套设施与原 Y 型系统相同。电源箱中 4 块电源板设有双重过 流，过压，稳定保护，其工作原理与 Y 型自动保护系统电源箱的 5 块电源板相同，另外的 喇叭音频发生板，工作原理与 Y 型系统操作箱的线路原理相同。外部运行参数保护电路， 设在端子箱内下部，线路只设有排气温度水温机油压力急停 4 种保护，且都是与唯一的执 行组件电磁阀串联，其中任一传感器或继电器采集到的运行参数超限，或司机发现紧急境 况断开急停开关，电磁阀都要失电释放，从而关闭柴油机的油门开关，使柴油机停车制动。 指示灯组线路简单巧妙，只用几个不同规格的电阻，二极管与三个故障指示灯合理混合联 在