煤矿用防爆胶轮车柴油箱的设计

2021-03-24杨建勇

煤矿机电 2021年1期

杨建勇

(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

防爆柴油机的无轨胶轮运输车是煤矿井下辅助材料的关键运行设备，防爆车辆的防爆柴油机系统是重要的防爆件和安标件，燃油系统的设计和计算是非常必要的，燃油系统的设计中，柴油箱是重要的装置，除为柴油提供足够的容积外，同时还要分离柴油中的气泡、过滤燃料中的杂质等，其设计的好坏直接关系到防爆车辆的安全稳定运行，甚至直接关系到煤矿井下物料的正常运输。

1 防爆胶轮车柴油箱的结构特点

防爆车辆燃油箱是重要的部件之一，采用非燃性材料制造，需具有高强度，耐高温，低温性好，工艺简单等优点[1]，一般采用成本较低的厚度为3 mm的Q235号板材焊接而成，喷涂阻燃材料。柴油箱距离热源至少50 mm以上，根据防爆车辆的整体布置情况，距发动机和废气处理箱至少50 mm。燃油箱的容量一般不超过8 h运行使用的用量，同时要求安装位置要尽量避开撞击位置[2]。如整体空间布置受限，需满足避开热源50 mm以上、避免撞击和不超过8 h用量等条件进行布置。

以国内某款防爆车辆的发动机参数进行柴油箱的设计，具体参数如表1所示。

表1 国内某款发动机参数

2 柴油箱容积的确定

柴油箱在整体布置空间条件允许的情况下要满足8 h设备运行需要的柴油容积，空间布置中要求离开热源一定距离，柴油箱容积的确定一般采取公式计算：

V=αηhQ

(1)

式中:α为经验系数，α=0.8～0.9，取0.85；η为发动机标定总功率燃油耗,取240 g/kW·h；h为防爆车辆一般井下工作运行时间，按照《矿用防爆柴油机通用技术条件》第四章十二条,取8 h；Q为发动机标定总功率，Q=261 kW±5%,为保证安全，取266 kW。

计算可知,防爆车辆运行8 h所需要的柴油箱的容积为271 L。

3 柴油箱的设计要点

防爆柴油机无轨运输胶轮车在煤矿井下运行，巷道的高低和转弯半径等对整车的尺寸提出了要求严格的限制，因此各部件的外形布置较为困难，因此柴油箱的布置需要根据整车的要求进行设计，图1为某型防爆胶轮车所用柴油箱的结构示意图，在结构设计时主要考虑以下因素：

1) 柴油箱要有足够的强度和刚度，以免装满油后发生较大的变形。内部需要有筋板加强柴油箱的强度，同时考虑防爆胶轮车在井下运行时由于剧烈振动造成焊缝开裂等现象，板厚一般取4～6 mm,为了提高油箱的安全系数,尽量将加油口改为过度圆角[2]。

2) 为了便于清洗、清理柴油箱的内部以及更换吸油过滤器等，油箱盖板上要设置观察口盖并以法兰形式安装固定。

3) 柴油箱内部要设置有口的隔板，将吸油区和回油区分开，尽量将吸油区设置在柴油平静区域，防止将空气吸入进入柴油管道中，避免发动机工作抖动，动力输出出现喘振现象。

1-吊耳; 2-吸油过滤器; 3-吸油管; 4-油位传感器; 5-回油管; 6-液位计7-油空气滤清器8-检查盖; 9-放油螺塞; 10-缓冲垫; 11-固定耳。

4) 在柴油箱底部最低点要设置放油螺塞，以便柴油箱清洗和柴油箱中杂质的排除。

5) 柴油箱顶盖处设置空气滤清器。

6) 柴油泵吸油管处应安装吸油过滤器，吸油过滤器的安装位置要便于清洗和更换，同时要使吸油过滤器能平缓地吸取足够的柴油以满足发动机燃料需求，同时吸油管尽可能采用直管，避免中间杂质堵塞。

7) 回油管一般安装在柴油箱的顶部，回油管一半浸入油箱内，能使回油的介质平稳地流入油箱内，降低回油对柴油箱内燃油的冲击，减少空气进入柴油液内。

8) 柴油箱内壁必须进行喷丸、酸洗、中和及表面清洗，最后喷涂阻燃材料。

4 柴油箱的检验受力分析

按照国家行业标准MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的第4.14.2中要求燃油箱应能承受0.03 MPa的压力试验，保持1 min，无渗漏[4]。依照该标准条例，需要对柴油箱进行检验受力分析。

4.1 柴油箱的模型的建立

在SolidWorks中建立柴油箱的三维模型，注意边角过度，实际在柴油箱是板材焊接而成，而SolidWorks对组件无法进行受力分析，因此对柴油箱的模型进行了如图2所示的简化。

4.2 仿真分析

选取SolidWorks软件中分析SimulationXpress模块，对柴油箱模型在材料库中选取Q235相应的参数。选取相应的固定夹具，由于压力检验属于注水压力测试，无需固定，因此在模型中选取柴油箱的泄油孔为夹具固定位置。外部载荷添加为符合安全标准规定的0.03 MPa,柴油箱各面板外向压力30 000 N/m2。进行该柴油箱的模拟运算,结果如图3、图4所示。

图2 柴油箱SolidWorks模型

图3 位移图

图4 应力云图

从图3位移图可看出,该柴油箱的最大位移为5.565 mm，最大变形处位于柴油箱底部斜面，经邢台国家安标试验中心试验,该款柴油箱注水，注水压力为0.03 MPa，压力保持时间为1 min，经注水试验后柴油箱体无变形。从图4应力云图中可以得出,该柴油箱的最大应力远低于材料的屈服力，满足要求。

5 柴油箱主要附件的选配

5.1 吸油过滤器

吸油过滤器一般位于柴油箱底部，便于吸取柴油，同时还要避免柴油机高压油泵吸入较大的机械杂质，造成高压油泵的损坏和油道的堵塞。选用防爆胶轮车柴油箱吸油过滤器一般遵循以下原则：

1) 过滤精度：防爆胶轮车柴油箱吸油过滤器属于粗过滤器，精度为50～100 μm。

2) 公称流量：一般选取柴油机高压油泵工作时最大流量的2倍以上。

5.2 空气滤清器

对于柴油箱而言，空气滤清器是必备的，从而防止空气中的微粒杂质进入柴油箱。新鲜空气进入柴油箱，防止柴油机吸油造成柴油箱内负压，高压油泵出现吸油困难或油道管路强制吸入空气，造成发动机工作不稳定；尽量减少柴油机蒸汽溢出柴油箱，造成防爆发动机周边形成油气混合状态；具有柴油加油的作用。选用空气滤清器时主要考虑以下因素：

1) 空气滤清器的安放位置要保证车辆在最大爬坡度和下坡时不致使柴油从空气滤清器中溢出；

2) 空气流量按下式计算：

QA=fV/h

(2)

计算可知,QA=33.875×4=135.5 L/h。

5.3 吸油管的直径

柴油吸油管的直径d主要取决于流速计算公式为

(3)

式中:qV为柴油流量,m3/s；v为流速,对于吸油管,v≤1～2 m/s,一般取1.5 m/s。

根据流量和流速可以计算出吸油管的直径。

5.4 油位传感器

传感器与电控箱通过CAN通信，主要用于提醒驾驶人员注意柴油情况，各煤矿巷道条件和使用距离不一样，需提前设定油位传感器的报警位置，避免煤矿的辅助材料在运输中出现柴油短缺造成车辆停机影响运输的现象。

5.5 其他附件

1) 吊耳的起吊能力要大于柴油箱满载时的总重量。

2) 液位计一般位于车辆便于观察的位置，方便驾驶人员观察液位的高低，油液最低位置对应液位计最低刻度线，最低位置要确保发动机高压油泵不出现吸空现象。

6 整体布置

通过计算柴油箱的各项设计要和安装注意事项，最终需在整车上进行布置和使用，如图5所示。柴油箱布置于发动机右侧，通过吸油管、回油管将柴油粗滤、细滤与发动机低压泵、高压油泵相连，共同组成发动机燃油系统。

图5 柴油箱布置图

7 工业试验

中煤科工集团太原研究院有限公司研制的某型支架搬运车应用该项燃油系统，在神东活鸡兔煤矿进行搬家倒面工程中实际应用，从地面广场将50 t重型支架通过某型支架搬运车运输到即将采煤的工作面进行采煤支护,一般长度为15 km,其中还有部分路段路面没有硬化，地面坡度起伏不平，重型车辆耗油量较大，每完成一个支架的搬运后都需要检查各项系统是否正常，尤其是各项油液的位置。表3是通过车辆驾驶室显示器路程显示和地面加油站得到的公里数和加油数据。