煤礦井下防爆柴油發動機的設計特點分析

侯衛紅

摘要：煤礦井下防爆柴油發動機是針對煤礦井下瓦斯濃度大、空間小、通風不順暢環境特點所引進的一種特殊發動機，其設計結構比較復雜，一旦操作失誤容易引發安全隱患。為此，文章在闡述柴油機原理、過程、構造的基礎上，結合一般性柴油發動機使用缺陷來分析煤礦井下防爆柴油機的應用優勢，并從溫度、電氣元件、火星消除、零部件材料的選擇應用幾個方面具體分析如何優化煤礦井下防爆柴油發動機的設計。

Abstract： Coal mine explosion proof diesel engine is a large space for the coal mine gas concentration small ventilation is not smooth environmental characteristics by introducing a special motor， its design structure is complex， once the error is easy to cause potential safety hazard to this end， this article expounds the principle of diesel engine， on the basis of process structure， combined with the general diesel engine using defects to the advantage of application of the coal mine explosion-proof diesel and temperature electrical components from Mars to eliminate of the component materials application aspects specific analysis how to optimize the design of the coal mine explosion-proof diesel engine.

關鍵詞：煤礦井;防爆;柴油發動機;設計

Key words： coal mine well;explosion-proof;diesel engines;design

中圖分類號：TM357? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0121-02

0? 引言

我國是世界上以煤炭作為重要能源的國家，煤炭在總體能源消費結構中占據七成以上的比例，且在未來很長一段時間內煤炭都會是我國發展的重要能源支柱產業，但是和發達國家的煤炭開采設備相比我國的煤炭加工生產技術以及設備使用處于落后的狀態。柴油機作為動力機車，具備體積小、使用方便、適應性強、使用范圍廣的特點，但是想要實現井下柴油機車的大范圍使用需要著重解決好柴油機的爆炸、廢氣凈化和自動保護等問題。從實際應用情況來看，由于煤礦井下環境的特殊，一般的柴油機無法在煤礦井下工作，只有具備了防爆性能的柴油機才能夠在煤礦井下使用。為此，文章結合煤礦資源開采實際要求就煤礦井下防爆柴油發動機的設計問題進行探究。

1? 柴油機工作原理分析

柴油和空氣在一定的環境作用下會燃燒產生熱能，熱能在累積到一定數量之后會轉變為機械能。在柴油機的圓筒型氣缸中存在活塞，在活塞稍和活塞鉸的配合下完成連桿操作，柴油機的下端和曲軸連接在一起，會將直線來回運動的活塞和旋轉運動的曲軸聯系在一起，順利將熱能轉變為機械能。

柴油機在工作的時候，燃燒室的燃燒氣體溫度最高可以達到兩千到兩千五攝氏度，燃燒的過程中還會產生熱量，其中也會有一少部分轉變為機械功，在機械功的作用下實現柴油機的運轉，另外一部分的熱量會通過多個類型的傳熱方式傳送到對應柴油機的組件上，之后伴隨氣體溫度的升高會被排放到大氣環境中。柴油機在工作的時候會涉及到比較多的混合氣體，在這個過程中會產生高溫。

2? 煤礦井下防爆柴油機發動機概述

根據煤礦井下防爆柴油機發動機的進氣和排氣原理不難發現在主機進氣口上借助空氣濾清器和進氣箱會將外界的空氣提供給柴油機，徹底過濾干凈煤礦環境中的粉塵污染物。同時，在主機的排氣口廢氣處理箱內部會放置一定數量水，廢氣經過廢水過濾再次排出，高溫廢氣和廢氣中的火星會通過廢氣處理箱內部的水進行降溫處理，經過處理后的廢氣排放會達到防爆的作用。

第一，柴油機本體、防爆柴油機所用氣缸蓋。柴油機本體、防爆柴油機所用氣缸蓋需要按照規范的標準進行設計，在設計的過程中還需要對燃油箱的內部結構組成、基本材質、呼吸器的結構進行深入的分析，在分析之后總結出能夠確保系統穩定運行的方法。第二，隔爆進排氣系統。①安裝在隔爆外殼開口的位置上，進出排氣系統和外界相連的部分要額外安裝阻火器和排火阻火器。②水夾層排氣管和廢氣處理箱。在灌水層、夾水層的作用下將柴油機內部的廢氣排出，進排氣系統連接法蘭接口和螺紋接口，所有接口都需要使用隔爆結構。第三，防爆柴油機防爆電氣系統一般由隔離發電機、隔爆啟動機、隔爆電源箱共同組成，整個系統安全可靠，在自動保護裝置的作用下能夠保證柴油機表面溫度、排氣溫度、冷卻水的溫度在規定的范圍內。柴油機的防爆結構能夠為整個機車系統的穩定運行提供支持，隔爆和安全結構會在最大限度上避免因為火花產生可能引起的爆炸問題，自動保護隔離裝置還能夠避免柴油機表面溫度高可能引發的一系列機械動力不足、水位不到位等情況，進而避免因為柴油機表面溫度過熱而引爆周圍的可燃氣體。對于一些自動保護裝置還需要額外設置瓦斯傳感器，應用器械密切監測瓦斯傳感器的使用，在巷道內部的瓦斯濃度超過規定的數值就及時啟動應急停止裝置，及時停止防爆柴油機的運轉。第四，柴油機冷卻系統。柴油機冷卻系統在氣缸中燃燒所產生的熱量會使得發動機各個部位的溫度提升。從實際構成上來看，柴油機由散熱器、風扇、水泵、溫度節省器等共同構成，在實際運作的時候要求氣缸防爆柴油機表面的溫度不能夠超過150攝氏度，因為一旦柴油機表面溫度超過規定的數值就會使得整個機械設備產生比較多的破壞環境的氣體。

3? 普通柴油機出現燃燒爆炸的因素

第一，熱表面。如果柴油機排氣系統的溫度在300攝氏度到500攝氏度，如果氣體關聯元件表面的溫度超過了這個溫度范圍就會使得柴油機的表面的溫度過高由此會引發燃燒的問題。第二，火焰和熱氣體。柴油機發出的廢氣會包含一些火花，排氣管排除的廢氣溫度會達到650攝氏度左右，這個時候柴油機進氣系統和燃燒室連接，火焰會通過進氣其系統影響周圍的大氣，并借助柴油機零件面滲漏到外界的大氣環境中。第三，機械設備摩擦產生的電火花。第四，電火花。電氣元件在運作過程中不可避免的會產生一些電弧和電火花。

4? 煤礦井下防爆柴油發動機的設計優化

煤礦井下防爆柴油發動機本身具備防爆的基本性能，在使用的時候會消除柴油機在工作過程中潛在的容易引起燃燒爆炸的因素。煤礦井下防爆柴油發動機在一般性柴油機的基礎上會進一步控制熱表面和排出廢氣的溫度，將溫度控制在安全溫度以下，并在這個過程中消除向空氣中可能釋放的火焰和火花。為了能夠更進一步提升煤礦井下防爆柴油發動機的防爆性能，需要在以往機器的基礎上進行更深入的防爆設計，具體包含以下幾個方面的工作：

4.1 加強對溫度的控制

煤礦井下防爆柴油發動機對溫度有著比較高的要求，在使用發動機的過程中要著重從以下兩個方面控制溫度：第一，控制柴油機及其周圍附屬設備裝置表面的溫度。第二，控制廢氣排放到大氣環境之前的出口溫度。在防爆柴油機設計的過程中需要對設備采取必要的隔熱處理，通過隔熱處理來滿足設備表面溫度的基本要求。柴油機的冷卻方式有兩個類型，分別是水冷和風冷，水冷具備良好的冷卻能力，柴油機一般也會選擇水冷的方式。對于表面溫度比較高的零部件，在零部件溫度超過300攝氏度之后還需要額外采取隔熱措施使其滿足溫度控制要求。從實際應用上來看，柴油機廢氣溫度最高可以達到650攝氏度，這個溫度超過了一些可燃性物質的引燃溫度，因此，在廢氣排放到空氣環境中之前還需要對其進行必要的降溫處理，在設計排氣系統的時候還需要額外設計廢氣冷卻裝置，加強對廢氣冷卻控制出口溫度的控制。

4.2 采取措施消除火焰和火星

為了能夠消除柴油機工作排放到空氣中的火焰和火星在防爆柴油機設計的過程要通過合理設計隔爆結合面和火焰消除裝置來抑制火星的產生。柴油機是一種潛在的引燃源，燃燒室是燃燒點源頭。燃燒室由缸蓋和缸體通過螺栓聯結構組成，氣缸蓋的上面還會設計進氣門、排氣門，噴油器孔和燃燒室密切關聯，在運作過程中產生的火星都會透過這些結合面滲透到大氣環境中。為了能夠減少火星的產生需要對結合面進行額外設計，由此來抑制火焰泄漏到大體環境中。柴油機燃燒的廢氣會通過排氣系統排放到空氣中，這些廢氣的氣體中會有一些火花，為了防止火花釋放到大氣環境中，在防爆柴油機上還需要額外設計隔離裝置。

4.3 電氣元件的設計

為了滿足柴油機的正常運作，在柴油機上還會額外配置發電機、傳感器、電磁控制器元件，而這些元件在工作的時候會產生電火花。為了有效減少電火花的產生。為了能夠阻止火花釋放到大氣環境中，需要在防爆柴油機靠近進氣口和出氣口的位置上設置阻火裝置。在時代的進步發展下現代柴油機開始朝著電子控制方向發展，電子元件開始被人們廣泛的應用在柴油機上。柴油機的電子化發展是防爆柴油機未來的一個發展方向。

4.4 合理選擇零部件材料

柴油機的主要構成零部件有三百多種，涉及到金屬零件和非金屬零件。在選擇零部件的時候要著重注意以下幾個問題：第一，對于外露的零部件，比如鋼管、輸送管、進氣軟管等需要做好防止燃燒的基本舉措，這些器械加工材料的電阻值需要在容易燃燒點界定的范圍以下，因為只有這樣才不會引起燃燒。第二，外露的零部件在使用的過程中有時候會受到撞擊，為了避免出現撞擊火花，在零部件設計的過程中要減少輕金屬材料的使用，對于一些更換比較麻煩的零件要在其表面上涂抹防護層、設置鋼材質的防罩殼。

5? 結束語

綜上所述，煤礦井下柴油機在我國的開發和研制發展呈現出良好的態勢，相信在未來，伴隨井下柴油機操作人員水平的提高，煤礦井下防爆柴油機車安全保護系統將會更加完善。防爆柴油機在我國的研發制作屬于一個新的課題，以往的柴油機僅僅是使用了簡單的防爆改造裝置，結構復雜、附屬零件比較多，且改造之后出現了油耗高低不一、動力下降、整車布置困難的問題。為了能夠更好的解決這個問題在設計柴油機的時候要充分考慮其防爆特征，將防爆設計引入到柴油機發動機的設計中，從而更好的提升防爆柴油機的使用性能。

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