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2
DuanChunxia，ZhangYijun
〔洛阳理工学院1，洛阳河南 471003〕
〔中国一拖〔洛阳〕柴油机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]针对煤矿井下瓦斯煤尘浓度大﹑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良使之具有防爆能力。

另外为到达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 explosion-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：柴油机，防爆，废气净化，自动保护
Keywords: diesel engine，explosion-proof，automation protection
1 引言
我国是一个以煤炭为主要能源的国家，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给、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
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。

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，其外外表必须喷涂不小于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1×109Ω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采用钢丝防护内层胶管。

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；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；各隔爆接合面的外表粗糙度不小于。

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，气流方向的宽度不小于50mm，相邻两栏栅板之间的间隙不大于。

〔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给使防爆柴油机停机；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℃。

进
气
系
统
排
气
系
统
图1 进〔排〕气系统
温度：
柴油机任一部分位外表温度不得超过150℃，废气出口温度不得超过70℃。

目前多采用强化水冷却循环〔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到达以上要求，一般采用水夹层排气管
来实现。

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。

图2 强化水循环系统
3.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、NO X、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,NO X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NO X 较高，所以柴油机采用催化转化器的主要目的是降低PM和NO X 。

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，到达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。

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O H CO CO HC 222
⇒⇒O 反应方程式：
2HC+5/2O 2=H 2O+2CO 2
2CO+ O 2= 2CO 2
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HC ﹑SO 2及少量NO X 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假设干组喷管〔如图4〕。

发动机排出的废气由收缩烟道5进入假设干组喷管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 。

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
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。

为了确保到达我国煤矿安全中对排气温度、外表温度、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12V 的回路中，就实现了不同故障对应指示的功能，以便司机检修准确判断。

图6 某新型自动保护系统示意图
1.备用电源板
2.瓦斯电源板
3.喇叭电源板
4.喇叭音频发生板
5.保护电源板
6.电源箱
7.瓦斯探头
8.直流发电机9.蓄电池10.前灯11后灯12.端子箱13.指示灯14.前喇叭15.后喇叭16~25依次接检测按钮1 开关按钮1和2 电磁阀排气温度传感器水温传感器机油压力传感器检测按钮2 喇叭按钮1和2
5．结语
煤矿井下柴油机在我国开发研制和推广应用势头良好，种类不断拓展，性能指标不断提高。

展望未来，随着井下柴油机操作和维护人员技术水平的不断提高，必将促使机车安全高效地使用，为我国煤炭事业多做奉献。

参考文献
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[2] GB8189-87. 柴油机排放试验方法[S]
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[5] 纪宗南.利用模数转换器提高转换信号的线性度.电测与仪表，1991，〔6〕：39-42
作者简介
张怡军〔1980-〕，男，中国一拖〔洛阳〕柴油机，工程师，主要研究方向：柴油机设计技术开发。

段春霞〔1980-〕，女，河南叶县，讲师，主要研究方向：过程控制。