大型矿用挖掘机风道压力损失的计算

严雅婧， 孟晶悦， 张 龙

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

引言

大型矿用挖掘机主要应用于露天矿的开采，其工作条件恶劣、粉尘浓度大，因此选取合理高效的通风除尘系统对于大型矿用挖掘机可靠工作是至关重要的。

空气在风道中流动过程中的阻力是由于与风道管壁摩擦所引起的机械能损失，该阻力的大小与流体本身物理性质、流动状态及管道壁面形状等因素有关。对风道内空气流动过程中的压力损失的计算，对于通风机的选取、风道合理设计改进有重要的意义。

1 结构简介

太原重工股份有限公司（以下简称太重）开发的35 m3机械挖掘机通风除尘装置主要由底座、滤筒除尘器、风帽、通风装置等部件组成，见图1，其中深色部分为风道。其工作流程为：离心风机不断将经滤筒过滤后清洁的空气通过风道送到机棚及电气间内，对电器设备进行强迫通风散热。滤筒过滤后的灰尘进入集灰斗，通过螺旋输送机和旋转卸灰阀经由排灰软管排出机外。35 m3通风除尘系统风道有2条，现将风道分别编号为风道一、风道二，见图2。

2 压力损失的计算

气体在管道内流动是依靠风机所提供的能量，研究表明，这些能量一部分用来克服管道的摩擦压力损失，另一部分是用来克服管道的局部结构突变所产生的局部阻力和管道出口的动压力损失[1]。太重以风道一为例，计算了以上两分部分的压力损失。

图1 通风除尘系统结构示意图

图2 风道UG三维模型

2.1 沿程压力损失的计算

由流体力学能量守恒的基本思想可知，单位质量流体在管道中的沿程阻力损失可表达为单位质量流体克服壁面内摩擦力所做的功。当流体以平均流速c通过内径为D、单位长度的一段圆管时，其压力损失为[2]：

式中，Δpf为单位长度通风管道沿程压力损失，又称比摩阻Pa/m，λ为摩擦系数；D为通风管道内径，m；c为流道截面流体的平均速度，m/s；ρ为流体密度，kg/m3。

考虑到风道布置及外观协调性，太重所设计的风道截面为矩形，研究中需要采用当量直径来代替(1)式中的圆管直径：

式中，Dε为矩形风道当量直径；a为风道截面矩形长度；b为风道截面矩形宽度。

空气在风道中可能存在2种运动状态：层流和紊流[3]，影响流态各因素组成一个综合的无因次量数—雷诺数Re，且当Re＜2 320时为层流，当Re＞2 320时为紊流。

式中，ξ为流体的运动粘度，m2/s。

若流体流动状态符合层流特性，则采用以下修正公式计算其相应的阻力系数。

式中，C为非圆形流道截面形状修正系数，此处取C=57。

对于35 m3挖掘机通风除尘系统，太重选择了通风量为L=20 000 m3/h的通风机，相应的可得到风道截面流体的平均速度c。

已知条件：空气密度ρ=1.2 kg/m3；通风量L=20 000 m3/h；空气运动粘度ξ=15.06 m2/s；风道截面矩形长度a=500 mm,风道截面矩形长度b=494 mm；风道一总长度l=3 835 mm。由公式（1）~（5）可计算出风道比摩阻。

2.2 局部压力损失的计算

在研究的过程中，发现通风系统中由局部阻力所造成的能量损失在整个通风系统中压力损失占有相当大的比重。由于布局的限制等原因，风道中的管件种类繁多、结构多样，空气在风道的进出口、管径扩大或缩小等局部位置时，空气的流动形势极为复杂，所以大多数的局部阻力系数通过实验得到[4]。 克服阻力所消耗的机械能可表示：

式中，ξ为局部阻力系数；c为流道截面流体的平均速度，m/s；ρ为流体密度，kg/m3。

图3 管壁粗糙度对摩擦阻力的修正系数

由于风道转弯会对空气流动产生一定的阻碍作用，故风道一主要会在3个部分出现压力损失。由相关设计手册[5]可以查得以上3种情况对应的局部阻力系数为：ξ1=1.480，ξ2=0.213，ξ3=0.207。

3 计算结果及分析

由2.1及2.2内容可得出，空气流经风道一的总压力损失Δp1=ΔPf+Δpfj= 37.89+ 5 76.60 = 6 14.48Pa 。

类似的，计算出了空气流经风道二的总压力损失Δp2=ΔPf+Δpfj= 66.78+ 9 38.97 = 1 005.73Pa。

对于35 m3挖掘机配备的风机转速为1 600 r/min，全压为P风机= 2 303 Pa，则Δp1＜ Δ风机， Δp2＜ Δ风机。

由上述分析可以看出在该风道结构所导致的压力损失下，风机是可以保证空气的正常流通的。

此外，计算风道比摩阻对于通风管道设计也具有指导意义，比摩阻过小，风道的加工成本高经济性不佳；反之，比摩阻过大，需要配备较大的风机，运行成本增加。

4 结语

本文对于风道压力损失的计算为风机的准确选型提供了相关的依据。经实际生产验证，本文中所设计风道可较好地满足实际生产应用，且具有较好的经济性。

[1] 《风机设计制造与质量检测新标准及选型、安装维护操作技术标准实用手册》编委会. 风机设计制造与质量检测新标准及选型、安装维护操作技术标准实用手册[M]. 徐州：安徽文化音像出版社,2005.

[2] 游英,鲁程.矩形风道比摩阻的简便计算方法[J].通风除尘,1996(2):47-48.

[3] 李诗久.工程流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社,1981.

[4] 张玉成,仪登利,冯殿仪.通风机设计与选型[M].北京：化学工业出版社，2011.

[5] 续魁昌.风机手册[M].北京：机械工业出版社，2004.