基于深井环境的无轨装备动力系统设计

吴 楠

（山金重工有限公司，山东 烟台 261400）

随着矿产资源的持续大规模开采，浅部资源趋于枯竭，深井开采（1000 m～2000 m）将是矿业发展的必然趋势。与浅井和中深井开采相比，深井开采面临岩层温度升高带来的热害问题。由于地热等热源作用，使深井平均地温高达30 ℃以上，国外部分金矿地温能达到66 ℃。由于井下通风不良，湿度能达到90%以上，甚至饱和。这就形成了深部矿山环境高温、高湿、高腐蚀、低氧、灰尘大等特点。在这种环境下工作，无轨装备使用寿命和工作性能受到严重影响，这对地下无轨装备提出了更高的设计要求，既要耐高温、耐腐蚀，还要保证使用性能，其中受深部环境影响最大的就是动力系统[1]。

1 发动机选型

根据现行国家法规要求，非道路移动机械需选用符合三阶段排放的发动机，目前市场上满足三阶段排放的发动机基本采用水冷散热、增压中冷、高压共轨等技术，提高燃烧率，减少污染物的排放。

在发动机特性曲线中，扭矩曲线决定车辆的起步加速能力，功率曲线决定后期加速能力。因为深井环境通风差，加上空气温度高，进一步降低了空气中的含氧量，导致燃烧不充分，发动机性能下降，CO、NOx等有害物质排放增加，所以深井装备上的发动机相对于普通无轨装备应选用大功率发动机，确保功能满足要求。矿井巷道经常有爬坡路段，所以要选择低转速时扭矩值能快速提升、最大值扭矩持续转速范围大的发动机。另外，因潮湿环境影响，发动机电器系统防水等级应大于IP65，并增加有效保护措施。

2 进气系统设计

进气系统影响发动机的性能和排放。选择空气滤清器时，一要考虑发动机进气系统参数：额定流量、滤清效率及允许的最大进气阻力，根据发动机的最大进气量，选用合适流量段的空气滤清器，空滤的最大允许流量选择切不可过大，否则造成发动机吸气压力小，反而影响过滤效果。二要根据设备使用环境选择过滤形式，深井无轨装备所处工况非常恶劣，经常在重度灰尘环境下工作，因此其进气系统需选用重型空滤系统，即采用两级空滤：第一级为惯性式预滤器，第二级为干式纸质滤芯。另外，选用的空气滤清器的容灰量越大越好，可延长保养周期。

3 散热系统设计

发动机正常工作温度为80 ℃～90 ℃，如果发动机过热，会降低功率，磨损机体，造成严重后果。因此，在深井无轨装备动力系统设计时，最难、最重要的部分就是散热系统设计。

3.1 散热系统设计思路

相对于普通地下无轨设备，深井设备需要：1）增大散热面积，包括增大散热器总散热面积、散热器芯部迎风面面积、散热器厚度，由于芯部迎风面面积受到装备的空间限制，则可减小翅片间距，增加翅片层数，加长散热器厚度，但是翅片密度和散热器厚度超过一定数值，反而会增大冷风的风阻，影响散热效果，所以应综合考虑各个参数的影响，取最优值。2）增大风扇风量，即增大风扇直径、风扇压力角和叶数，虽然加大风扇直径可在一定程度上提高吸风量，但此时风扇消耗功率也会大幅增加，冷却风扇消耗功率最佳值应控制在发动机标定功率的6%～10%。3）增加护板或海绵条，减少热风回流，防止冷却风扇吹出的热空气受到发动机或其他零件的阻挡，通过中冷器、散热器和机舱的间隙返回到中冷器和散热器前。4）加强散热器材料的防腐蚀性，采用更耐腐蚀的铜制散热器，并进行表面处理，延长其使用寿命[2]。

3.2 散热系统设计计算

3.2.1 风扇尺寸设计

确定风扇直径与转速时，要注意风扇叶尖的圆周速度不大于110 m/s～120 m/s，取风扇叶尖的圆周速度为110 m/s，则风扇直径不得大于D=60 u/πn，吸风式风扇进入挡风罩内1/2～2/3为宜，风扇距离散热芯子断面距离50 mm～100 mm，挡风罩与风扇径向间隙＜2.5%风扇直径，通常取15 mm。

其中：Cm为空气轴向流速，；

κ为尖速比，取0.174；

A为风扇有效面积，，m2；

u为风扇圆周速度，。

其中：Q为散热器散热量；

γa为空气重度，取1.043 kg/m3；

Cp为空气定压比热，取1.047 kJ/kgf·℃；

Δt为冷却风经过散热器增加的温度，一般为10 ℃～30 ℃。

3.2.2 水冷散热系统设计

换热介质算数平均温差Δtm：

其中：twm为散热器冷却水平均温度；

tw1为散热器进水温度；

tw2为散热器出水温度；

tam为空气通过散热器平均温度；

ta1为散热器进气温度；

ta2为流出散热器空气温度，。

空气温升Δt水冷：

其中：Q水为水冷系统散热量；

S水冷为水冷散热器迎风面面积；

ua为空气通过散热器速度。

传热系数K：

其中：αw为水的放热系数；

λ为材料的热传导系数；

δ为材料厚度；

αa为空气的放热系数；

K取值与冷却介质的性质、散热器材料的性质和结构有关。

最终得到水冷散热器总散热面积：

其中：φr为储备系数，考虑焊接不良、水垢以及油泥等对散热性能的影响，取1.15。

3.2.3 中冷散热系统设计

对数平均温差：

其中：t1为增压空气冷却前最高温度；

t2为冷却后最高温度；

空气温升Δt中冷：

其中：Q气发动机中冷系统散热量；

S中冷为中冷散热器迎风面面积；

ua为空气通过散热器速度。

最终得到中冷散热器总散热面积：

4 燃油系统设计

燃油品质影响发动机性能、油泵寿命，严重时会造成发动机气缸损坏，引发安全事故，燃油系统的控制不仅要从设计层面解决问题，还要对使用过程进行有效控制。1）增加过滤装置，防止燃油堵塞油路、磨损油泵；2）增加燃油处理器，如等离子器，改变燃油物理性质，改善发动机气缸中的燃烧状态，使燃油充分燃烧，有效降低油耗和污染物排放；3）增加柴油油箱散热装置，降低柴油温度，防止柴油受井下温度影响，温度过高、影响性能；4）要严格控制燃油品质，按照规定使用合格燃油，并及时更换滤芯[3]。

5 结语

随着全球矿业的不断发展，深井开采装备的研发蓄势待发[4]。本文从发动机的选型、进气系统设计、散热系统设计、燃油系统设计等方面阐述适用于深井环境使用的无轨装备动力系统的选型及设计方案，为下一步研发深井开采装备，提供思路与方向。