矿用防爆柴油机进气系统数值模拟实践与优化.pdf

206/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言矿用防爆柴油机在井下作业生产中具有重要的作用，相比于普通柴油机而言，由于井下作业环境较为复杂，存在着爆炸安全隐患，所以在柴油机中增加了能够全面提升井下生产作业安全性的防爆技术。进气系统作为矿用防爆柴油机的重要组成部分，主要包括空气滤清器、空气关断阀、进气阻火器等组成，该系统运行情况会对矿用防爆柴油机产生直接影响，所以需要做好进气系统的模拟实践，结合模拟结果对其进行改造与优化调整。1 矿用防爆柴油机构成矿油防爆柴油机的主要系统包括进气系统、排气系统、冷却系统、电气系统以及液压系统。在进气系统中，进气阻火器是为了防止柴油机气缸可能返回火焰直接通向大气，将经进气阻火器的火焰熄灭，不致引燃工作环境中的可燃气体。空气关断阀是为紧急停机而设置的，在柴油机发生不正常现象时，关闭油门，关断空气，柴油机可迅速停止运转。空气滤清器应定期清扫和更换滤芯。在排气系统中，一级冷凝器起到冷却尾气的作用。排气阻火器是为了防止尾气中的火焰直接通入大气，将经排气阻火器的火焰熄灭，不致引燃工作环境中的可燃气体。二级冷凝器起到再次冷却尾气的作用。尾气稀释装置再次冷却尾气，使得排出的尾气温度更低；冷却系统作用是防止在汽缸中燃烧所产生热量引起发动机各部分温度过高，并且冷却尾气。该系统采取了排气冷却管夹层中的冷却水与柴油机冷却系统的冷却水连通的形式，形成封闭循环系统，使柴油机表面温度不超过 150，并使发动机尾气得到冷却。液压系统将动力源的负载敏感变量柱塞泵的压力油口和信号控制油口连接到掘进机多路阀（控制行走马达的多路阀）对应的进油口和信号控制油口连接，再将多路阀的减压油口引出接到掘进机驾驶室内的行走控制手柄的进油口1。2 矿用防爆柴油机现状某煤矿设备回撤（主要指综掘机、液压钻车）一直以来面临“掘进快、回撤慢”的问题，以往巷道在施工完成后，综掘机、液压钻车、巷修机大型设备回撤过程烦琐，需频繁接电、托电缆，功效低、用工多、人员劳动强度大，制约了设备回撤速度，延缓了采掘接续，造成生产被动。为了降低劳动强度，改善施工环境，提高安全性，对原有防爆柴油机进行改造，采用了全新的矿矿用防爆柴油机进气系统数值模拟实践与优化田红卫 马超智 刘慧勇 王计兵 马将（山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城 048021）摘要：在我国现代煤矿生产力不断提升的背景下，多项生产开采技术得以全面创新，且井下应用的设备制造水平也在不断提升。在煤矿生产过程中，矿用防爆柴油机具有重要的作用，能够为井下机械设备提供动力。为了进一步提升矿用防爆柴油机的性能与安全性，需要做好进气系统的优化设计。以某企业研发的产品为例，进行矿用防爆柴油机进气系统数值模拟，并结合实践经验总结一些措施，以期能够对相关人员有所帮助。关键词：矿用防爆柴油机；进气系统；数值模拟；产品特点；优化策略2023.7 矿业装备/207用防爆柴油机设备。防爆柴油机动力装置能够为掘进机行走提供一个移动的液压源，通过 85kW 防爆柴油机带动负载敏感柱塞泵给掘进机的行走马达提供液压动力，从而驱动掘进机行走。整个防爆柴油机系统和液压系统所有零部件布置在 MINCA6A 车厢上，以方便运输。在掘进机行走过程中，MINCA6A 车跟随掘进机一起行走。防爆柴油机系统使用 JHP4105ZLDFB-G 防爆柴油机，这款发动机已取得煤安认证，并被成功应用在 MINCA4AJ多功能铲运机和 MINCA6A 自卸车上多年，获得矿方的一致认可。液压系统采用负载敏感液压系统，即动力源启动后没有操作时，行走主泵处于低压待命状态；操纵行走液控手柄后，接通行走马达的负载信号，主泵即时根据负载情况供给行走马达压力油液。对接方式简单易操作，动力源前方设置 4 组对接接头。该矿油防爆柴油机的基本参数见表 1。3 矿用防爆柴油机的运行工况试验本次试验以 JHP4105ZLDFB-G 矿用防爆柴油机为试验对象，试验采用设备包括发动机台架测功机、烟度计、气体分析仪、油耗仪、油管压力传感器、转速传感器以及矿用柴油机车保护监控仪等。在实验过程中，对矿用防爆柴油机的性能参数进行记录，结合试验结果来看，加装防爆装置的矿用柴油机，扭矩最大降低幅度为 25.68%，输出功率最大降低幅度为 20.66%，然后消耗率最大上升幅度为 0.85%；在发动机转速为 12002400r/min 范围时，防爆改造前后运行情况较为接近，转速过低的情况下，发动机功率下降幅度较大；转速过大的情况下，发动机扭矩下降幅度最大，燃油消耗率提升幅度逐渐增加。4 矿用防爆柴油机的进气系统数值模拟实践4.1 防爆进气系统模拟软件在本次模拟试验中，采用 FLUENT 软件，该软件在汽车、航空航天以及石油化工等领域中具有广泛的应用。该软件主要用在计算流体传动与传热方面，软件功能齐全，能够模拟高超音流场、传热与相变以及多相流等复杂的流动问题。采用该软件进行流体的流动与传热模拟计算，通过GAMBIT 构建流动区域几何形状、与边界类型，并生成网格，之后将 GAMBIT 中的网格文件输出用在 FLUBIT 中，在 FLUBIT 中获取输出文件，设置条件对流体区域进行计算，最后对计算结果进行处理2。4.2 进气结构模型建立在明确防爆进气系统实际尺寸的情况下，采用GAMBIT 软件构建矿用防爆柴油机进气系统三维模型，三维模型中主要包括进气管、导流罩、阻火器以及进气歧管。由于矿用防爆柴油机的进气系统弯道较多，且进气阻力较高，气流流动较为复杂，所以在模拟实验中，采用将整体进气系统简化为一个圆管进气道的处理方式。针对空气在进气栅栏、空气风门以及空气滤清器中的流动，都按照流体力学计算的原理，将其换算为相同的圆管气流动，通过内燃机气道内流动三维数值，对气道流动进行模拟计算。在网格划分方面，流体力学计算的实质为对控制区域内进行点离散与区域离散，也就是有限差分方法，将其转变为在各个区域中定义的代数方程，之后通过线性代数的方式进行迭代求解。对于三维流动而言，需要生成三维实体网络，为此通过 FLUENT 软件构建三角形、四面体以及混合网格。表1 矿油防爆柴油机的基本参数整体设备名称数值外形尺寸(长宽高)/mmmmmm268015001243整备质量/kg3900提供动力(主泵压力)/MPa23冷却泵压力/MPa5液压油箱容积/L350防爆柴油机型号JHP4105ZLDFB-G型式直列、水冷、四冲程、直喷式气缸数/个4气缸直径/mm105活塞行程/mm127压缩比18.23总排量/l4.4额定功率/kW及其相应转速/(r/min)(702)/2100最大扭矩/Nm及其相应转速/(r/min)350/1400最低工作稳定转速/(r/min)/扭矩/Nm1250/270空载稳定转速/(r/min)850最高空载转速/(r/min)2400208/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备在网格划分方法中，采用了 GAMBIT 软件提供的子映射方法。为了提升结构化网格生成率，GAMBIT 软件通过子映射网络划分技术，在几何外形较为复杂的情况下，子映射网格划分方法能够自动对几何对象进行划分处理，使得原本无法生成结构化网格的几何体中生成结构化网格，对于几何体的分割只需要在网格中进行算法处理，不需要对几何外形进行实际操作3。4.3 防爆进气系统模型的验证将三维模型导入到 FLUENT 软件中进行流场计算，将不可压缩黏性流体在稳定的条件下定义流场，因为煤矿作业安全规定中要求各个工作点的温度不能超过 28，井下各低温温度一般在 18左右，且该柴油机采用自然吸气的方式，所以将进气温度设置为 296K。进气管出口区域的气体温度应避免温度受缸中气体以及排气温度的影响，通常设定为 320K。在计算过程中，空气密度设定为 1.252kg/m3，进口压力设定为 101.324kPa，其他参数为软件默认数值。结合相关计算结果可以明确，通过整体进气系统的进口界面质量为 0.1102kg/s，出口界面质量流量和为0.1102kg/s，所以进口质量流量守恒，为此验证该模型具有良好的应用效果，能够在进气系统模拟中应用4。4.4 模拟结果分析整体进气系统的进气阻力分别为 14.402kPa、15.564kPa、18.983kPa 以及 21.624kPa 时，对应防爆栅栏的阻力分别为 9.372kPa、10.852kPa、13.327kPa 以及 15.082kPa，占据进气系统净阻力的 70%左右。在导流罩扩散角从 145 增加到156 时，进气系统阻力降低到 4.360kPa，管道长度为 6cm 时，防爆栅栏进气管阻力较低，管道长度为 4cm 时，防爆栅栏阻力增加。5 矿用防爆柴油机进气系统优化策略结合对矿用防爆柴油机的进气系统模拟结果，可以采用如下几项优化策略：第一，防爆进气系统的阻力主要为防爆栅栏，阻力越大则气体流动速度越低，质量流量越小，系统中流通性能则会下降，导致进气效率降低，使得燃烧不够充分，同时还会增加污染，所以需要降低防爆栅栏阻力，提升进气系统性能5。第二，在导流罩扩散角度增加的情况下，流线分布不均匀特点增强，导致进气系统阻力损失降低，管内流动性得以优化，从而能够降低防爆柴油机运行功耗。第三，管道长度增加的情况下，能够提升气体流动稳定性，削减气体回流现象，从而降低进气阻力，所以可以通过增加管道长度的方式对进气系统进行优化。第四，在歧管处于总管两侧时，管内流通性较好，结合相关计算结果，将歧管安装在总管两侧的结构，能够提升防爆结构中的气体流动性，是优化进气系统的有效措施。通过采用上述优化措施，使得矿用防爆柴油机的进气系统性能得以全面优化，能够提升动力性能与运行经济性，同时能够减少污染物排放，本次数值模拟与改进措施取得良好的效果。6 结束语本文简要阐述了矿用防爆柴油机及其进气系统的基本特征，并结合某企业研发的矿用防爆柴油机进行进气系统数值模拟，依据数值模拟结果制定了多项优化改进措施。结果证明，这些改进措施能够提升矿用防爆柴油机运行性能，希望能够对相关领域起到一定的借鉴与帮助作用，不断提升矿用机械设备性能。参考文献1 魏肖,鲍久圣,谭飞等.矿用防爆柴油机瞬态工况特性及参数优化 J.工矿自动化,2022,48(2):138-146.2 纪宇.矿用 WC3J(D)型防爆柴油机无轨胶轮车制动系统分析 J.机械管理开发,2021,36(1):166-167+219.3 樊小荣.矿用防爆柴油机无轨胶轮车检测系统建模 J.计算机测量与控制,2020,28(3):44-47+51.4 梁胜龙,马俊.基于 CFD 柴油机进气系统防爆栅栏结构优化设计 J.机械设计与制造,2020(9):167-171.5 唐锐红,袁文华.机械增压柴油机配气相位耦合优化分析J.内燃机与配件,2022(14):22-24.