采煤机机载调高喷雾泵站设计

中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 1 页1 概 述随着采掘机械话程度和工作面产量不断提高，井下污染问题日益引起重视。实测采煤工作面采煤机截割时的原始粉尘农度高达 （采煤机司3/605mg机及下风流 10 人行道处） ，最高可达 。一般认为粒度小于m3/80的呼吸性粉尘含量，是衡量空气污染程度的一项重要指标。 煤矿安全规程5规定，井下空气中的总粉尘量最高允许浓度为 。呼吸性粉尘容易沉积在/1mg肺部引起尘肺病，呼吸性粉尘最高允许浓度为 。粉尘达到一定浓度时，35.影响设备操作人员的视野，易造成人身事故，还容易引起或加剧瓦斯爆炸的强度。我国 1993 年和 1994 年爆炸好几次，伤亡惨重，另外，工人长期处于高浓度粉尘作业场所，易换上职业尘肺病。煤炭系统尘肺人数占我国总尘肺人数的一半，对此国家每年要花费大量的人力物力，经济损失巨大，也给患者及家属带来很大的痛苦。所以，减少采掘过程中产生的粉尘具有重要意义。采煤机的滚筒在割煤装煤过程中，会产生大量煤尘，不仅降低工作面的能见度，而且对安全健康极为不利，滚筒截割到顶板或底板时，必然要降低行走速度，也会生成较多粉尘，且可产生火花，引起瓦斯爆炸。因此必须及时进行降尘。用喷嘴扩散和雾化压力水，形成包围尘源的水雾（即喷雾） ，把粉尘扑灭，是本次设计的降尘措施。喷雾降尘包括机内输配水系统和降尘器配置系统两部分。输配水系统设计为高压喷雾 。虽然高压喷雾系统的装备和维护费用高，但将尘效果MPa18好（一般比低压喷雾的降尘效率提高 ） ，适用于现代话高生产率采煤机%805上。采煤机机载调高喷雾泵站为整体式布置即所有零部件均安装在一个框架内，再与采煤机其他部件连接，安设在低托架中部，工作时随采煤机一起在采煤工作面移动。它具有结构紧凑，操作控制方便，高压喷雾灭尘效果好，事故率低的优点，实现了将采煤机的冷却、调高、喷雾三大系统设计为采煤机机载调高喷雾泵站由调高喷雾总成（包括防爆电动机、减速器、泵体和底盘等） 、过滤器组（包括过滤器、卸载阀组、转阀、压力表、六通阀、蓄能器等）两大部分组成。调高喷雾泵的作用是将过滤器过来的常压清水转换成高压水，供滚筒调高以及设备冷却和喷雾灭尘使用。过滤器组的作用是将回收的电机冷却水或井上来的清水，经过过滤器内的过滤网，把各种杂质过滤下来，以保证水的清洁度。泵主要由箱体、泵头、连杆、柱塞、曲轴、进排液阀等组成。为卧式三柱塞往复泵，电机驱动，经一级齿轮减速，带动曲轴旋转，经连杆、滑块使柱塞泵往复运动，柱塞在高密封的高压腔内往复运动时，工作液经吸排水阀吸入和排出，从而使泵输出压力液体，再经单向阀通过橡胶软管进入工作面。对于本次的设计我要解决的问题是：电机冷却水的回收问题。中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 2 页本次设计的泵站实现将现有电牵引采煤机的相互独立的调高系统与喷雾系统合并为一个系统,共享同一压力源。本泵站在采煤机上的安放位置。图 1.1 采煤机喷雾系统示意图2 方案论证我国目前煤矿井下采掘工作面大多以传统的喷雾降尘为主（水压在 以MPa5.2下，普通喷嘴） ，降尘效果特别是对呼吸性粉尘的降尘效果不理想，因此，本次设计的采煤机机载调高喷雾泵站是压力为 的高压喷雾，与电牵采煤机配套使MPa18用，是为采煤机提供喷雾灭尘、冷却用水和摇臂调高的设备。高压喷雾克服了采煤机原来使用的低压内外喷雾对粉尘降尘效率低的缺点。极大地改善了机采工作面的劳动卫生条件。原来喷雾降尘系统有许多的缺点，首先，由于采煤机的各电机都是采用水冷方式冷却，冷却水套所要求的水的压力限制在 ，由于压力低造成喷雾时Pa25.1喷嘴的水雾化效果差、喷射距离短且容易造成煤堵塞喷嘴。另外，采用以油为为介质的泵站调高，在处理事故时容易造成环境污染。以下是 系列滚筒采煤150MG机的喷雾冷却系统和摇臂的调高液压系统图：中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 3 页1- 水门；2- 过滤器；3- 节流阀；4-水流分配阀；5-左喷头；6-右喷头；7，8-不可调节流阀；9，10-左右外喷雾装置。图 2.1 MG150 系列滚筒采煤机喷雾冷却系统图它采取喷雾和冷却分别供水的方法，水源由工作面水管进入装在机器上的水门 1 和过滤器 2 后，水流分成两路：一路水流经节流阀 3 后，又分成两路，其中一路去液压泵箱冷却器，冷却泵箱内的油后经喷头 5 喷出，起降尘作用；另一路去电机的水套，冷却电机的定子，由电机水套出来的水流，经喷头 6 喷出，也起降尘作用这种降尘方法远不及经泵站加压喷出的高压水的降尘效果，实质上是浪费了水源。1-调高泵；2- 左右调高油缸；3-手动换向阀；4-高压换向阀；5-单向阀图 2.2 MG150 系列滚筒采煤机调高液压系统图本次设计的采煤机机载调高喷雾泵站为整体式布置即所有零部件均安装在一个框架内，再与采煤机其他部件连接，安设在低托架中部，工作时随采中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 4 页煤机一起在采煤工作面移动。它具有结构紧凑，操作控制方便，高压喷雾灭尘效果好，事故率低的优点，实现了将采煤机的冷却、调高、喷雾三大系统设计为互为关联的统一整体。液压系统图如下：图 2.3 电牵引采煤机冷却、调高、喷雾降尘液压系统图1.进水阀 2.进水压力表 3.进水过滤器 4.减压阀 5.压力表 6.分配节流阀7.电机冷却器 8.冷却回水过滤器 9.水箱 10.低压安全阀 11.吸液过滤器12.泵 13.泵用安全阀 14.卸载式溢流阀 15.卸载阀单向阀 16.卸载阀主阀17.液压控制 18.喷雾器 19.泵用压力表 20.节流阀 21.操纵阀 22.调高液压缸23.蓄能器冷却系统主要组成：开关阀、减压阀及水分配阀。工作原理：如图 3 所示，冷却系统由工作面 25 供水管供水，经开阀进水过滤器、减压阀到水分配阀，在水分配阀分为 6 路分别进入左、右截割电机，左、右摇臂冷却器，泵站电机和两个牵引部的电磁滑差调速器进行冷却，除了进入两个牵引部的电磁滑差调速器的冷却水由于电磁滑差调速器的结构有特殊要求而外泄外，其余冷却水由 5 条 高压胶管引回进入水箱，至此完成采煤机电机和冷却箱10的冷却工作。电机冷却水的回收是本次设计优越于以往冷却水用于喷雾或排放掉浪费的地方，本次设计的电机定子冷却水的回收，不仅节约了水源提高了降尘效果，而且保证了供采煤机滚筒调高的压力。泵站动力系统中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 5 页主要组成：由隔爆电机、三柱塞卧式柱塞泵、卸载阀、蓄能器、过滤器、压力表及水等组成。工作原理：采煤机各电机及冷却器的冷却回水进入水箱后，通过磁性过滤器及吸液过滤器过滤后进入柱塞泵，经蹦泵加压后到达卸载阀，而后分为 3 路：第1 路，冲开单向阀，通过输水高压胶管引处到达节流控制阀，供喷雾抬高使用。第2 路，到达手动卸载阀（手卸阀打开时）经过回液断路器回水箱。第 3 路，通过主阀上的节流孔进入主阀上腔，与阀芯下腔压力共同作用于先导阀芯形成向上的推力，控制先导阀的起闭，到达超压卸载的目的。喷雾调高系统主要组成：由节流控制阀、喷雾器、喷雾压力表、调高操作阀等组成。工作原理：由泵站出来的压力水首先到达节流控制阀（差动溢流阀的改进型） ，在次分为两路，一路当调高操作阀不动作时，即通向操作阀的水路为封闭状态时，压力水打开阀芯向喷雾器供水进行喷雾灭尘工作。另一路当采煤机需进行摇臂调高操作时，开启调高操作阀从而使阀芯下腔处压力降低而小于调压弹簧力，使得阀芯关闭停止喷雾，压力液体向调高千斤顶供液实现采煤机的调高工作。本次泵站的设计选用往复柱塞泵而不选用齿轮泵及其他类型的泵，是因为齿轮泵最难解决的问题是泄漏问题，喷雾泵站使用的介质是清水。由于两啮合齿之间的缝隙很大，更是加剧了非常严重的泄漏，给密封来了很大的困难，泄漏不仅使容积效率大大降低而且很难达到所需压力。因为本次设计的泵站的额定压力为18MP，压力较高，更不容易满足。图 2.4 齿轮泵结构图1-弹簧当圈；2-压盖；3-滚针轴承；4-后盖板；5-键；6-齿轮；7-泵体；8-前盖板；9-螺钉；10-密封座；11-密封环；12-长轴；13-键；14-泄油通道；15-端轴；16-泄菏沟；17-圆柱销 往复柱塞泵的突出优点是：可获得高的排压，且流量与压力无关，适应输送介质十分广泛，吸入性能好，效率高，泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 6 页而变动。由于泵的结构也比较简单、操作比较方便，而且还有体积小、重量轻、流量均匀等一系列优点，也是本次选择柱塞泵的原因之一。柱塞泵有其他类型的泵所不及的特点，它属于容积式泵，是借助工作腔里容积周期性变化来达到输送液体的目的的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能；泵的流量只取决于工作腔容积变化值极其在单位时间内的变化次数（频率） ，而（在理论上）与排出压力无关。这一实现工作腔容积变化的方式和结构特点，构成了柱塞泵性能参数和总体结构的一系列特点。柱塞泵不仅经济性可靠,而且工作效率高。这正是其他类型的泵所不能比及的。具体特点可归纳如下：1、瞬时流动是脉动的2、平均流量（即泵的流量）是恒定的3、泵的压力取决于管路特性4、对输送的介质（液体）有较强的适应性。原则上可以输送任何介质，几乎不受介质的物理性能和化学性能的限制。5、有良好的自吸性能，所以在启动前通常不需灌泵。本次设计中采用卧式柱塞泵，而不采用轴向柱塞泵和径向柱塞泵。是因为卧式柱塞泵通常为阀式配流，耐震动和冲击性能较好，工作压力较高，对液体的过滤精度要求较底，有一定的自吸能力。由于采用密封圈密封，转速不宜过高，但使用了齿轮的一级减速，就达到了要求。制造和使用起来都很经济。轴向柱塞泵虽然有结构紧凑，转动惯量小，压力高，效率高，易于实现变量等诸多优点。但它主要使用于工程机械、起重运输机械、船舶等方面。它的造价高，用在喷雾泵上就很不经济。径向柱塞泵虽然加工精度要求较底，但其径向尺寸要求较大，结构也较复杂，不适合用在机载的喷雾泵上。图 2.5 配流阀式径向柱塞泵中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 7 页1-传动轴；2-离合器；3-缸体；4-配流轴；5-压环；6-滑靴；7-柱塞；8-定子；9、10-控制活塞调高喷雾泵站由调高喷雾总成（包括防爆电动机、减速器、泵体和底盘等） 、过滤器组（包括过滤器、卸载阀组、转阀、压力表、六通阀、蓄能器等）两大部分组成。调高喷雾泵的作用是将过滤器过来的常压清水转换成高压水，供滚筒调高以及设备冷却和喷雾灭尘使用。过滤器组的作用是将回收的电机冷却水或井上来的清水，经过过滤器内的过滤网，把各种杂质过滤下来，以保证水的清洁度。喷雾泵主要由箱体、泵头、连杆、柱塞、曲轴、进排液阀等组成。为卧式三柱塞往复泵，电机驱动，经一级齿轮减速，带动曲轴旋转，经连杆、滑块使柱塞泵往复运动，柱塞在高密封的高压腔内往复运动时，工作液经吸排水阀吸入和排出，从而使泵输出压力液体，再经单向阀通过橡胶软管进入工作面。在泵的排液腔一端装有安全阀。过滤器组主要有立式原形过滤器及卸载阀、蓄能器等组成，起低压进水的过滤及中压出液的控制作用。泵站工作原理为来水首先经过过滤器过滤，然后进入泵加压，在经过卸载阀组经胶管送到采煤机供喷雾冷却和调高用。当不需要用水时，采煤机司机关闭阀门，这时喷雾泵站由于出液的截止，压力迅速升高到卸载阀调定压力，泵站卸载，喷雾泵输出的液体被直接送到泵站的进液口，泵轻负荷运转。当需要用水时，采煤机司机打开供水阀门，卸载阀在液压力的作用下，自动转入正常的供液状态，泵站恢复工作。过滤器工作一段时间需要清洗时，可利用泵站输出的压力水来进行反冲洗过滤网，不必卸下过滤器进行冲洗。电机在采煤机上横向布置经一对直齿圆柱齿轮减速，带动泵转动，其结构简图如下：图 2.6 传动方案示意图电牵引采煤机是在液压牵引采煤机的基础上发展起来的。而电牵引采煤机没有液压系统，故原有的液压箱正好可以放调高喷雾泵站。3、电动机的选型中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 8 页3.1 电动机类型和结构形式的选择：电动机类型和结构形式可以根据电源、工作条件和载荷特点来选择。由于井下瓦斯煤尘大，易燃烧和爆炸，因此本次设计选用隔爆异步电动机。为全封闭自扇冷式隔爆型电动机。广泛用于爆炸性的气体混合物存放的场所作一般用途驱动电动机。工作条件为：工作方式为 S1。海拔不超过 1000 米。环境温度不超过 40 度。准备选用转速为 的 YB 防爆电动机。该系列电动机防爆性能符合min/1470rGB3836.1-83防爆环境电气设备通用要求 、GB3836.283防爆环境电气设备隔爆电气设备“d” 及电气设备隔爆外壳的结构与实验等标准规定。其功率等级与安装尺寸与德国 DIN2673 标准相同。防护等级：IP44 接线盒（IP54） ；绝缘等级：F 级。考虑到安装及体积的大小故选择底座带底脚、端盖无凸缘的电动机。所选电动机的额定功率应等于或稍大于电动机所需要的实际功率 Nd。图 3.1 YB 防爆电动机选择电动机的原则归纳为以下几点: 电动机必须满足前述功率 的要求；dN选择电动机时应注意到转差率。应注意电动机的启动力矩和启动电流。注意泵输送介质和操作环境的易燃易爆性。电动机外形尺寸与泵搭配合适，机组外形美观，便于安装和维修。3.2 电动机功率的选择与确定 泵的有效功率查往复泵设计式 1-2501-253 可知，当带入常用单位后可得：kwPQNe 7.14625081 泵的轴功率(输入) 功率 N查往复泵设计式 1-257 可知:ke38.1.074中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 9 页式中 是泵的效率。电动泵的效率范围是 =0.600.90 取 =0.8， 电动机功率 dN查往复泵设计式 1-270 可知， 电动机功率 Nd 为：kwed 59.20.9708./14/ 式中 -泵的传动装置效率取 0.97;-电动机效率 0.92;由于泵的效率 已包括了泵的传动机构的磨擦损失,所以泵的传动装置效率只与泵的减速的机械损失有关。齿轮传动，=0.940.99;电动机效率 通常由电动机出厂说明书给出。d d 储备系数 和电动机功率选择cK考虑到往复泵的流量是脉动的，泵的载荷也是脉动，泵的瞬时功率和平均功率差别较大，而且密封处的机械摩擦损失和容积损失也很难精确确定。为了使泵在实际运转中不致超载，常常在选择电动机时，还要留有一定的富裕量，把这富裕称为储备系数 。实际电动机功率应为：ckwNKdd查往复泵设计储备系数表 2-7 选择=1.10c取kwdd 649.25.01. kwNd2电机转速取 min/47rn4 齿轮机构的设计根据泵站的特点选用卧式一级开式圆柱齿轮减速。