防爆柴油机的防爆性改造方法研究

1、第一章 绪论1.1防爆柴油机的经济效益分析随着我国经济建设的快速发展，煤炭等工业不断朝着机械化自动化的方向发展，各种采煤和运输设备越来越广泛地应用于各种采煤施工中的防爆柴油机，防爆柴油机泛指用于潜在爆炸性气体、可燃性气体、蒸汽及粉尘环境的柴油机1。这种柴油机具有防爆性能，在爆炸性环境中工作不会点燃环境气体、蒸汽和粉尘，且排放符合特殊环境规定的要求。煤矿用防爆柴油机是存在甲烷和 (或) 可然性粉尘的地下矿区巷道用类内燃机，用做煤矿井下各种固定和移动设备的防爆动力装置，适用于无轨胶轮车、单轨吊、轨道牵引车和齿轨车等辅助运输设备，主要应用于无轨胶轮车上2。我国煤矿用防爆柴油机随着新的矿井建设和旧矿改

2、造中辅助运输的发展而得以较大规模的推广应用，随着煤矿集约高效开采工作的开展，仍有很大的发展空间。国外厂商在中国独资或合资建立生产基地形成的竞争态势进一步推动了防爆柴油机的技术进步和应用。我国煤炭资源丰富，但大多是井下煤矿，具备露天开采条件的并不多，在这点上有别于美国。防爆柴油机械可在瓦斯矿井或超级瓦斯矿工作，使老矿山深层的瓦斯突出的工作面得以实现机械化作业，进行有经济价值的开采。开滦等老矿山，九水平(地下900m)以上煤层均接近采光，往下的矿井瓦斯含量越来越浓，蓄电池机车。电力机车已不能下去作业，只有采用防爆柴油机械才能继续开采，否则采用人力，经济上不合算。大同等老矿床有同样苦衷。贵州等地煤矿

3、，属瓦斯突出矿，若不采用防爆柴油机械，也有望煤兴叹之虑。目前，我国用于煤矿辅助运输的主要设备是调度绞车。调度绞车的主要缺点是运输距离短，中间转载，倒装环节多，对坡道、弯道、道岔等复杂巷道适应性差，在有起伏、拐弯的巷道中，往往要安装几台，十几台甚至几十台调度绞车进行接力运输。另外，调度绞车又没有安全运输装置，所以在装车、卸车或转载运输中常常出现脱轨、掉道、溜车等事故，因此，运输效率低，经济效益差。近年来，我国研制和引进了各种类型的综采设备，每套设备的总重量为5001800吨。这些设备搬迁一次，需装运4001000车，装车吨位和尺寸大都超过矿井常规搬迁设备的能力。一般情况下，从井上到工作面，每天需

4、投入200300人，安装或回收一个工作面综采设备，需要两个月时间，工时消耗大都在800012000个，每采万吨煤，其运输工时消耗达30060Oh。我国生产和引进液压支架共54种，其中3吨8吨的23种，占43%，8吨以上的26种，占48%，而且发展方向都倾向于大的方向，超过3吨的设备在运输中，通常要采用解体或半解体的方法，只有采用较大攻率的柴油机运输设备，方可实行整体、一次到位，少运输人员184人，年增产量5.15万吨，新增产值172.01万元。1.2国内外煤矿用防爆柴油机的发展现状1.2.1国外辅助运输与防爆柴油机的现状国外煤矿井下使用防爆柴油机己有60多年的历史了，20年代末期，柴油机就开始

5、用于煤矿井下，50年代有了较大发展，60年代到初年代国外是矿用柴油机设备飞跃发展的黄金代时。经数十年使用、验证，一致认为防爆柴油机在井下使用有安全、经济、灵活性等优点。国外实践证明，防爆柴油机用于煤矿井下采煤运输，可使生产效率提高5060%。用于辅助运输，可提高人员和设备的利用率12%，使采煤综合成本下降12%左右。与电力机车、蓄电池机车等比较，使用防爆柴油机车，事故率下降2/3。所以国外有种观气点“在地下煤矿开采时，要增加产量，降低成本并改善安全，最重要的是全面采用柴油机”3。 国外煤矿用防爆柴油机研究生产起步早，早在 20 世纪 30 年代就用于煤矿井下作为辅助运输的动力装置，20 世纪

6、5060 年代，一些主要采煤国家就着手解决煤矿井下辅助运输的机械化问题，到 7080 年代已相继建立了具有自己特色的煤矿辅助运输系统及装备，并产生了巨大的经济效益。德国在 1963 年研制出柴油机单轨吊，20 世纪 80 年代使用防爆柴油机辅助运输设备已达 400 台左右，主要使用有辅助运输设备、单轨吊和卡轨车；英国 20 世纪 80 年代开发了高速柴油机车和高速运人车辆；美国、澳大利亚和南非则是使用无轨胶轮车较多的国家，有一系列的无轨运输定型产品。当前国外煤矿使用的高效辅助运输设备，主要有单轨吊、卡轨车、齿轨车和无轨胶轮车等 4 大类45。开发的机型主要有美国卡特彼勒公司的 Cat3306、

7、Cat3304 和 Cat3304PC 机型；德国莫哈姆公司的 MWMD916-4、 MWMD932-8 和 MWMD916-6等机型。开发的防爆柴油机品牌多样，马力大，防爆后功率最高可以达到 300 kW 以上，并应用了包括最新的柴油机技术等机、电、液一体化技术，使得国外的防爆柴油机的产品具有功率大、污染小和经济性高的特点在产业化过程中，英国、法国、德国和澳大利亚都制定了相应的国家标准；欧盟也制定了相应的欧洲标准，用于指导和规范防爆柴油机的开发和应用。1.2.2我国煤矿用防爆柴油机的发展现状国内煤矿用防爆柴油机研究机构少，起步较晚，应用也较少。早期曾有机械部、煤炭部“六五”攻关项目4105

8、防爆低污染柴油机和国家“七五”重大科技攻关项目6105 防爆低污染柴油机的研制，但都没能进行推广应用。随后几年，少数柴油机厂家才开始进行防爆柴油机的改造和生产。近几年随着煤矿集约高效开采的推进和大型矿井的建设，辅助运输系统也取得长足发展，应用范围得到进一步扩展，无轨辅助运输车辆开始大批量应用，成为众多大型矿井辅助运输的主力军。随着用量的增加，无轨辅助运输设备生产商明显增多，国内行业中的外国企业看到商机开始进入，国外设备生产商在产品出口我国的同时开始在我国独资或合资建厂。煤矿生产要求的提高、产业竞争态势的形成都对辅助运输设备配套的防爆柴油机提出了更高的要求。防爆柴油机产业也随之迅速发展壮大，参与

9、企业明显增多，产品设计开发、生产制造和质量检验等方面都取得了进步：在设计开发方面，国内企业和科研机构进行了进气系统、排气系统及整机的温度场、压力场、流量和动力性以及燃油经济性的分析优化；防爆柴油机已经从现有地面柴油机的防爆改造进入部件适应性改造的新阶段，机型开发也从先前的单纯的自然吸气机型发展到现在的涡轮增压、增压中冷、空空中冷和双涡轮增压技术；配套的自动保护装置、启动系统、电气系统均实现了技术突破与升级。随着车辆在煤矿的大范围应用，在现场使用数据获取的基础上进一步优化性能；对元部件也进行了攻关，取得一定的成绩；在生产制造方面也随着国内工业生产水平的整体进步取得了长足的发展；随着应用量的扩大和

10、参与企业的增多，我国也于 2006 年制定了相应的煤炭行业标准。但与国外相比仍有相当差距。据了解，我国研制防爆柴油机有20年的历史，相继研制成功了30kw、15kw、66kw和180kw的防爆柴油机。但受各种因素的影响，上述机型都没有形成批量生产。国外生产的防爆柴油机也大多为大功率的，其体积均较大，用于大型运输设备(如单轨吊、卡轨车和大型井下工程机械)上还可以，但在像我们研制的装载机这一类的小型车辆上则放不下，另外根据工作需要，我们研制的装载机仅需7.5kw的功率，使用上述防爆柴油机也是大马拉小车，造成功率的浪费。南昌通用机械厂生产的一种小型装岩机结构尺寸非常小巧，功率为10.2kw，其动力装

11、置为电动和风动两种，同样存在上述问题。目前我国防爆柴油机的制造路线均为图中所示的情况，即买现成的柴油机（一般是用涡流燃烧室柴油机），再对进气系统、排气系统和冷却系统加以改造。这样制造的防爆柴油机势必存在各系统之间及与柴油机其他系统之间衔接不畅，必然使柴油机的结构庞大。图1.1我国防爆柴油机的制造线路我认为，若在柴油机设计制造之初就考虑其在井下的使用，或为地下开采且工作环境存在易燃气体的场合设计制造专用柴油机，即在设计时就考虑以下几个问题：（1）进气防爆问题；（2）排气防爆问题；（3）废气的净化问题；（4）提高冷却系统的冷却能力以使柴油机的表面温度不超过150摄氏度。这样可以对柴油机的整体进行结

12、构优化，对各系统进行合理安排，从而达到减小整机尺寸的目的6。1.3防爆柴油机的发展趋势我国在防爆柴油机方面的研制工作开展较晚，有轨运输现仍是我国井下主要的辅助运输方式7。但随着大型、特大型煤矿辅助运输方式的变革，大规模地引进国外防爆柴油机的技术和设备，为国内防爆柴油机的应用和技术进步提供了发展空间，从而使得我国在防爆柴油机研制领域有了较大的进步。 防爆柴油机驱动的辅助运输设备具有广泛的应用前景。但就具体产品而言，无论技术水平 还是产业规模，和国内市场的快速成长相比仍显滞后，产品在功能上和种类的多样化上仍不够丰富。故在防爆柴油机技术的研究中，需坚持高起点、多创新的原则，既要保持传承性，不断完善和

13、丰富已有的产品品质，也要紧跟国际先进技术发展的步伐，根据市场的变化不断创新提高。结合我国辅助运输的发展现状，对防爆柴油机的发展提出如下思路。(1) 技术先进性在防爆柴油机的研制上，由于国际竞争的全面参与，对防爆柴油机的性能提出了很高的要求。不仅要求科学选型、匹配合理，而且要在技术上不断创新、完善，在关键原部件 (如柴油机主机、保护装置、启动系统等) 的选用上，也可以和国际接轨，打破原有的思维模式，合理利用国际分工，在世界范围内选用较为成熟和性能优异的产品，从而保证整机的技术先进性和性能的可靠性。对防爆柴油机排放的尾气进行分析、控制和净化具有十分重要的意义8。(2) 产品多样性，市场多元化辅助运

14、输系统的复杂性和多样性决定了防爆柴油机的不同型式和不同用途，从防爆柴油机的功率、性能等方面看：既有用于工作面搬家的重型支架搬运车和重型铲运车的 150300 kW 大功率防爆柴油机，也有用于人员和小型配件的高机动性轻型运输车、工作指挥车和人车等中等功率防爆柴油机。当然还有适用于小煤矿的农用四轮车的单缸防爆柴油机等机型。(3) 安全性这是至关重要的环节，所有厂家对防爆柴油机主机及进排气系统的防爆都比较重视，国外进口机型及国外厂商在国内的独资或合资企业具有较多的技术优势，应不断推动技术进步，通过健全市场准入制度，规范市场秩序等措施来保证。防爆电气元件的设计将是今后防爆柴油机研究的主要工作之一9。(

15、4) 可靠性和动力性井下受场地、灯光等制约，维修条件较差，且大部分巷道不具备避让条件。因此，防爆柴油机作为辅助运输设备的动力装置在井下出现故障，将给生产秩序带来极大的影响。所以可靠性是非常重要的指标。煤矿井下环境恶劣，工作区域多变，路面质量、巷道断面及弯道和坡道的情况都受到地质和采掘条件的制约，而这些又对防爆柴油机的动力性提出了较高的要求。(5) 燃油经济性防爆柴油机由于加装进排气系统，使得进排气背压增高、燃烧效率降低从而增大了燃油消耗。节能减排已经承为一种趋势，通过技术进步提高防爆柴油机燃油经济性、降低辅助设备的运营成本也是一项重要内容。1.4本章小结本章主要介绍了国内外煤矿用防爆柴油机的应

16、用现状与发展趋势，并对国内外应用现状进行了比较，明显看出我国在这方面的技术与发展处于落后阶段，在此基础上提出了本课题研究的意义及研究的主要内容。第二章 柴油机防爆结构的设计及分析基础2.1 计算机辅助设计软件 2.1.1 AutoCAD 的概况及主要功能 AutoCAD 是由美国 Autodesk 公司开发的大型计算机辅助绘图软件，主要用来绘制工程图样。作为以 CAD 技术为内核的辅助设计软件，AutoCAD 具备了 CAD 技术能够实现的基本功能。作为一个通用的工程设计平台，AutoCAD 还拥有强大的人机交互能力和简便的操作方法，十分便于广大普通用户使用，下面介绍一下 AutoCAD 的主

17、要功能1011： （1）具有强大的图形绘制功能：AutoCAD 提供了创建直线、圆、圆弧、曲线、文本和尺寸标注等多种图形对象的功能。 （2）精确定位定形功能：AutoCAD 提供了坐标输入、对象捕捉、栅格捕捉、追踪等功能，利用这些功能可以精确地为图形对象定位和定形。 （3）具有方便的图形编辑功能：AutoCAD提供了复制、旋转、阵列、修剪、倒角、缩放、偏移等方便使用的编辑工具，大大提高了绘图效率。 （4）图形输出功能：图形输出包括屏幕显示和打印出图，AutoCAD 提供了方便的缩放和平移等屏幕显示工具，模型空间、图纸空间、布局、发布和打印等功能极大地丰富了出图选择。 （5）三维造型功能：Aut

18、oCAD 具备三维模型、布尔运算、三维编辑等功能。 （6）辅助设计功能：可以查询绘制好的图形的长度、面积、体积和力学特性等，提供多样软件的接口，可方便地将设计数据和图形在多个软件中共享，进一步发挥各软件的特点和优势。 （7）允许用户进行二次开发：AutoCAD自带的 AutoLISP 语言让用户自行定义新命令和开发新功能。通过 DXF、IGES等图形数据接口，可以实现 AutoCAD 和其他系统的集成。此外，AutoCAD 支持 Object ARX、ActiveX、VBA 等技术，提供了与其他高级编程语言的接口，具有很强的二次开发行。 2.1.2 Pro/ENGINEER 软件概况 Pro/

19、ENGINEER 是由美国参数化技术公司（Parametric Technology Corporation）开发的大型CAD/CAM/CAE 软件，与其他同类软件相比，它起步较晚，有条件采用近几年来 CAD 领域的一些先进理论和技术，具有较高的起点121314。 Pro/E 包含了较多先进的设计理念，改变了 CAD 技术的传统观念，逐渐成为当今世界CAD/CAM/CAE 领域的新标准。Pro/E 是新一代的产品造型系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工艺造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，随着计算机的发展和普及，现在广泛应用于工业设计的各个领

20、域，是典型的CAD/CAM/CAE 集成软件。Pro/E 软件及零件设计、产品装配、管路设计、钣金设计、模具设计、电路设计、制造加工、机械仿真与有限元分析、应力分析、产品数据库管理等功能于一体，也是目前国际上专业设计人员使用最为广泛、先进、具有多种功能的动态设计仿真系统之一。自从 1988 年推出以来，十余年间 Pro/E已成为全世界最普及的三维 CAD/CAM/CAE 应用软件，广泛应用于工业设计、机械、航空航天、汽车、数控加工、模具、外观设计、家电和通信等领域1516。因其优良的使用性能，Pro/E 是目前国际上专业设计人员使用最广泛、先进、具有多种功能的产品造型和动态设计仿真系统。 2.

21、1.2.1 Pro/ENGINEER 软件的核心思想 Pro/E 软件的核心思想有实体建模、特征造型、参数化设计、父子关系和单一数据库与相关性17。 （1）实体建模 三维实体模型是当前 CAD技术中最典型的模型形式，能够全面描述物体的形状、大小及质量分布等综合信息。使用 Pro/E 可以轻松创建三维实体模型，可以一目了然的看到零件或装配部件的实际形状和外观。实体模型和真实世界中的物体一样，具有密度、质量、体积、曲面区域以及重心等属性，这也是实体模型具有极大应用价值的重要原因。对实体模型进行质量分析将获得详细的质量属性参数，变更一个实体模型的设计结果时，其质量属性将会自动更新，通过实体模型还可以

22、检查装配部件中零件与零件之间的公差、间隙以及干涉等情况。 （2）特征造型 特征是 Pro/E中最重要的概念。特征是模型上的重要结构，是模型的基本组成单位和模型操作的基本操作单位，是建模中主要的设计对象。简单的说，特征就是一组举要特定功能的图元，是设计者在一个设计阶段完成的全部图元的总和。在 Pro/E 中，特征的种类很丰富，在根据创建方法和具体零件结构等的不同，特征可分为实体特征、曲面特征和基准特征，不同的特征具用不同的特点和用途。其中，实体特征是构建实际模型的基本组成单元，具有特定的形状，具有质量、体积以及厚度等物理属性。 （3）参数化设计 参数化设计是 CAD技术在实际应用中提出的课题，利

23、用参数化设计手段不但可以开发专用产品设计系统，还可以进行产品的参数化设计，从而使设计人员从大量繁重而琐碎的设计工作中解脱出来，轻松实现零件设计、模具设计、装配设计。Pro/E 引入了参数化设计思想，大大提高了设计的灵活性。在整个图形的创建过程中，根据参数化设计原理，设计者可以暂时舍弃大多数繁琐的设计限制，只需抓住图形的某些典型特征绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生后即可获得理想的图形。Pro/E的参数化设计不但能生成真实的几何形体，还可进行精确的模型分析，运动分析，干涉检查等。Pro/E 的参数化特征造型技术大大减轻了设计人员的绘图工作量

24、，提高了产品设计的效率和质量，可实现零件设计、装配设计、加工设计等同时进行，从而大大缩短模具的生产制造周期，提高了产品的质量。 （4）父子关系 在渐进创建实体零件的过程中建立块时，可使用各种类型的 Pro/E 特征。某些特征，处于必要性，优先于设计过程中的其它多种从属特征。这些从属特征从属于以前为尺寸和几何参照所定义的特征，这就是通常所说的父子关系。设计过程中将在各特征之间引入父子关系是参数化设计的一个重要特征，是 Pro/E 和参数化建模的最强大的功能之一。父子关系是在建模过程中在各特征之间自然产生的，建立新特征时，所参照的现有特征就会成为新特征的父特征，相应的新特征会成为其子特征。如果更新

25、了父特征，子特征与就会随之自动更新。在穿过模型传播改变来维护设计意图的过程中，此关系起着重要作用。父子关系提供了一种强大的捕捉方式，可以为模型加入特定的约束关系和设计意图，这对于参照特征尺寸非常必要，这样 Pro/E 便能在整个模型中正确地传播设计更改。父项特征可没有子项特征而存在，但是如果没有父项，则子项特征不能存在。 （5）单一数据库与相关性 所谓单一数据库就是在模型创建过程中，实体造型模块、工程图模块、模型装配模块以及数控加工模块等重要功能单元共享一个公共的数据库。设计者可以通过不同的渠道来获取数据库中的数据，也可以通过不同的渠道来修改数据，系统中的数据库是唯一的单一数据库最大的特点是实

26、时性，一旦修改了模型中的设计参数，也就修改了单一数据库的资料，则这个改动就会驱动与模型有关的各个设计环节自动更新设计结果。所以，当多个设计单位共同开发一个产品时，所有设计单位都可以随时获取最新的设计数据。2.1.2.2 Pro/ENGINEER 软件的优势建模模块 Pro/E 是新一代产品造型系统，它支持由设计到生产的全过程，它有众多功能完善、相对独立的功能模块组成，有自己独有的优势建模模块，每一个模块都有自己独特的设计功能，用户可以根据需要调用其中任一模块进行设计，而且，高级用户还可以调用系统的附加模块或者使用软件进行二次开发工作18。Pro/E软件的常用模块图如图 2.1 所示。 图 2.

27、1 Pro/ENGINEER 软件的常用模块2.2 有限元分析基础 2.2.1 有限元的基本思想 有限元法是 20 世纪 60 年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和解题方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范、精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造适用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。随着计算机技术的发展，它已成为涉

28、及力学的科学研究和工程技术不可或缺的工具。对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但是由于其几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，要求的解析解是困难的。有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域（单元）构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件19。 由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上它有成熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围已经包括了各

29、个领域（固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场）的数理方程；它已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方法。 有限元法的基本思想是将一个实际的结构（弹性连续体）划分为有限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个单元称为有限单元，简称单元。 对于一个应用工程师来说，它的目的是应用有限元法去求解各种工程问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很多，这些程序包使用方便，也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序求解工程问题。因此，对于一般的

30、工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解一些有限元的基本知识即可，不需要对它的理论背景作更深入的研究。在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不同，采用的单元类型也不同，常见的有以下几种单元： （1）杆、梁单元。这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的坐标确定。 （2）板单元。这类单元内任意点的变形和应力由 XY两个坐标确定，这是应用最广泛的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。 （3）多面体单元。它可分为四面体单元和六面体单元。 （4）薄壳单元。这是由曲面组成的壳单元。 2.2.2 通用有限元软件 ANSYS 2.2.2.1 概述 在目前大型通用的有限元分析软件中，在

31、美国 ANSYS 公司开发的 ANSYS 软件是最为通用有效的商业有限元让软件之一。ANSYS 软件是集结构、热、流体、声学、电磁多场耦合等分析为一体的通用有限元软件，已应用到全世界的诸多领域。它是最早通过 ISO9001质量认证的设计分析软件，在美国是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）近二十种专业技术协会认证的标准分析软件，在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证，并在国务院十七个部委推广使用。目前，ANSYS 软件已成为中国机械设计工程师资格认证的指定软件。ANSYS 和其他分析软件相比具有以下优点： （1）ANSYS 功能很强大，计算的结果和预期的很接近；A

32、NSYS 是分析功能丰富，其全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、钣金成形等，还可以进行电磁、结构耦合计算。 （2）ANSYS 有大量的模型库，ANSYS 有矢量单元、标量单元、棱边单元等用于不同的场合。就电磁场而言，包括二维、三维或者铁磁区域、非铁磁区域等等，每种单元的优点及其局限性也明白无误。 （3）ANSYS 分析结果可靠性好，产品应用的深度、广度、解算结果精度高。 （4）ANSYS 的图形用户界面（GUI）易学易用。 （5）ANSYS 接口性好，非常适于二次开发。 所以，ANSYS 软件已经发展成为航空、航天以及汽车等领域产品开发不可缺少的伙伴2021。 2.2.2.2

33、 ANSYS 的分析过程 ANSYS 典型的分析过程大致分为三步：前处理、分析计算和后处理。不同的分析过程分别对应于不同的分析模块。ANSYS 总的分析过程可简单表示为图 2.2：分析过程中，前处理要用前处理模块，主要包括：建立有限元模型、定义材料属性和实常数、单元划分；分析计算则有分析计算模块，它包括：定义施加载荷及边界条件、设置就解控制参数、求解；后处理要通过后处理模块进行，读取结果数据、图形显示结果数据、列表显示结果数据、进行其它响应后续分析等。 其中建立有限元模型是 ANSYS 的第一步，也是至关重要的一步。模型建立的好坏不仅关系到后面的分析工作的简单与繁琐，更是直接影响到分析结果的正

34、确性和准确性。 ANSYS 使用的模型主要分为两大类：实体模型和有限元模型。以数学的方式表达结构的几何形状极为实体模型，实体模型可以在其中填充节点和单元，也可以在模型边界上施加载荷和约束，但是它不参与有限元分析，所有施加在实体模型边界上的载荷或约束必须传递到节点和单元上进行求解。有限元模型则由节点和单元组成，专门供有限元分析计算所用。2.3 本章小结 本章主要介绍了课题进行过程中使用的三种 CAD和 CAE 软件：AutoCAD、Pro/ENGINEER和 ANSYS。介绍了 AutoCAD 的主要功能，Pro/ENGINEER 软件的核心思想以及 ANSYS 的主要分析过程。本科题的建模过程

35、主要是在 Pro/ENGINEER 中完成，生成工程图，完成模型的设计，总的来说，本章的主要内容是交待可能用到相关软件的知识基础。第三章 柴油机的防爆要求及产生问题的解决方法3.1 引言 随着我国防爆柴油机技术的不断发展和提高，对防爆柴油机的防爆要求也越来越严格，而故障的处理方法也越来越专业与严格，下面就对其防爆要求和几种典型的故障诊断作简要介绍。3.2 防爆柴油机零部件的防爆要求（1）对阻火器的防爆要求若柴油机的进排气系统均在危险环境，则进排气系统应符合隔爆外壳的规定，并都需要加装阻火器，排气系统还应该在阻火器之后加装火星熄灭器。阻火器一般都是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔

36、隙的固体材质所组成，火焰进入阻火器后就分成许多细小的火焰流被熄灭。其机理是通过传热作用和器壁效应达到熄灭火焰的目的，其中器壁效应为阻火的主要机理22。阻火器的分类方法很多，可按照用途、结构、应用气体介质等。比较通用的是按照结构分类，大致分为:1)金属网型阻火器；2)波纹型阻火器；3)平行板型阻火器；4)多孔板型阻火器；5)泡沫金属型阻火器；6)充填型阻火器；7)水封型阻火器。在这些不同结构的阻火器中，平行板阻火器的阻火层由不锈钢垂直排列而成，板间隙在0.30.9 mm间，阻火层气流方向有一定的长度，形成多道细小的孔道,这种结构形式有利于承受较猛烈的爆炸，易于制造和清扫，适合于柴油机的进排气系统

37、使用。排气系统中需要有阻火器和火星熄灭器，在防爆改造中都选用了水封型式。水封型式可以在满足防爆要求的同时对柴油机排出的气体进行净化，还可以有效的阻止回火，较其他阻火器类型有明显的优势。水封阻火器应为闭式阻火器，其适用压力可达到7 000 mm水柱，在特殊情况下可达到15 000 mm水柱。由于此处的水封阻火器还兼顾了净化废气的功能，所以每次使用完防爆机都应更换洁净的冷却水。阻火器及火星熄灭器在石化及危险品运输方面应用非常广泛，石化部门及公安部消防局针对其使用出台了相应的国家标准进行规范。但现有的阻火器产品和标准都注重于阻火性能，并不涉及防爆性能，虽然机理比较接近但并不一定能够满足防爆要求，因此

38、我们在使用时一定要注意。在GB 20800爆炸性环境用往复式内燃机和防爆技术通则6中对阻火器和火星熄灭器就提出了详细的功能要求，并给出了相应的试验方法和试验依据，我们以此为最终的判定依据23。关于隔爆外壳中的隔爆接合面应满足GB3836.2所要求的最小宽度，但对于最大间隙应该多加注意。首先对进气系统，内腔为负压，若在接合面有间隙会吸入灰尘，既不利于柴油机的使用，还有可能堵塞接合面使防爆性能丧失；对排气系统，内燃机的排气温度很高，高温会引起最大试验安全间隙减小，按照防爆要求采用结合面间隙较小的外壳24。鉴于上面的两种情况，应安装金属衬垫或是金属包覆的符合ISO 1210规定的可压缩不燃材料的衬垫

39、。在排气系统与柴油机气缸出气口结合的部分应增加水冷装置，以保证结合部分不会有过高的表面温度。（2）对曲轴箱的防爆要求曲轴箱可以设计成能承受爆炸的隔爆型或能保证正压的型式。在柴油机工作时，总有一部分可燃混合气和废气经活塞环窜到曲轴箱内，窜到曲轴箱内的汽油蒸气凝结后将使机油变稀，性能变坏。废气内含有水蒸气和二氧化硫，水蒸气凝结在机油中形成泡沫，破坏机油供给；二氧化硫遇水生成亚硫酸，亚硫酸遇到空气中的氧生成硫酸，这些酸性物质的出现不仅使机油变质，而且也会使零件受到腐蚀。柴油机装有曲轴箱通风装置就可以避免或减轻上述现象，从此角度讲我们设计曲轴箱时应优先选择使其保证正压的形式，但正压取得过压值不应太大，

40、正压过大会使机油从曲轴油封、曲轴箱衬垫等处渗出而流失25。曲轴箱内的机油蒸汽污染环境，应尽快可能给予处理，如将机油蒸汽经由进气管道通入气缸内燃烧等。对于整体都在危险气体环境中的防爆柴油机来说无法从周围环境获得安全气体，所以要保证曲轴箱正压就需要配置适当的压缩气瓶。这样的要求增加了制造和维护的成本，不利于防爆柴油机的使用。但若想将曲轴箱做成隔爆型，就应该在整体设计时考虑，因为普通柴油机成品改造工作量太大。综合考虑认为曲轴箱保证正压的型式适合于改造项目，而做成隔爆型式则适合于防爆柴油机整体开发。（3）防爆电气控制防爆柴油机电气设备的电压不大于24 V，且应该安装为双极式布线,即正极接线和负极接线都

41、与柴油机气缸体绝缘(仅2 G级内燃机要求双极式布线)26。电气设备中主要要求的是停机及报警功能，在出现以下情况时需有报警信号或报警声音：1)液冷系统冷却液超温；2)润滑油压力低；3)水基阻火器水位低；4)水基火星熄灭器水位低；5)排出气体超温；6)风冷型柴油机表面温度过高。要求这些报警均是为了防爆柴油机在一般故障情况下能够保证安全，除发出报警信号外还要求在1分钟内自动停止防爆柴油机工作。由于传感器较多且电压系统为24 V供电，电气系统优先考虑本安防爆系统。在使用中发现很多保护系统不能够可靠动作，分析有如下的原因：防爆柴油机往往使用在无电力资源的野外、矿山、车体上，一方面本身环境恶劣、粉尘油污等

42、对本安型传感器的损害很大，另一方面柴油机本身的震动很大，对电气元件、尤其是使用的电子元件的质量要求严酷。这样的恶劣使用环境就要求设计时应充分考虑防尘防震要求，对元件质量选择要苛刻些，其电压使用范围应更广泛，壳体设计时要提高防护等级并加装缓冲设施防震，安装传感器时应选择不宜积灰积油、且离油污远的地方安装，整体布线时将信号线电源等固定在不宜碰撞的地方，电缆选择耐油脂类型的。3.3 防爆柴油机的产生问题及解决方法（1）防爆柴油机排气冷却循环系统缺水或高压高温燃气进人循环冷却水，常致发动机高温故障。1)高温伴有翻水发动机高温并从加水口处往外翻水，系高压高温燃气进入循环冷却水中所致。造成此故障点有：排气

43、道内部与水道相通、气缸垫损坏。诊断时先检查进排气歧管、排气弯管，用水压试验检查，如有漏气处拆卸缸盖，更换气缸垫即可。2)高温无翻水发动机出现高温但不伴随翻水故障，系冷却系统中冷却水或冷却液缺失或循环不畅、冷却不足所致。实际检查时，首先观察冷却系统有无明显漏水处，若有处理即可；如无漏水处，再检查散热器是否堵塞、风扇及风扇皮带是否完好。散热器堵塞现象较为普遍，由于防爆无轨胶轮车运行于井下，环境较差，煤粉及泥水较多，容易堵塞散热器而造成冷却不足，若堵塞用高压水冲洗干净即好；同时检查散热器内部有无堵塞，方法用手摸散热器表面温度是否均匀(注意烫伤手)，内部堵塞则表面温度不均匀，更换或用专业去垢剂疏通。风

44、扇及风扇皮带主要检查风扇运转是否正常、皮带是否完好且张紧度合适。若上述检查均完好，请拆检节温器和水泵，节温器是控制冷却水大小循环的关键阀门，可将其置于水中逐渐加热来观察，四缸机77阀门开始打开，85完全打开；六缸机67阀门开始打开，75完全打开；打开长度均为9ram。若节温器正常，则更换水泵。3)发动机低温时即翻水并导致高温此种故障发生在带有空气压缩机的发动机上。表现为发动机低温时即伴有翻水现象，且有大量气泡逸出。故障诊断时，注意观察有无大量气泡逸出，若有，短接空压机的进出水道，此时翻水现象及气泡消失，则可确定空气压缩机缸垫损坏。由于气泡大量逸出带走冷却水造成发动机高温，故这种高温故障有别于前

45、述两种情况，应注意区别。(2)冒烟故障判断标准:冒烟故障是指柴油机达到正常工作。温度(Perkins柴油叽为90)后排气管冒黑烟、蓝烟或白烟。正常情况下,柴油机冷车情况冒蓝烟或白烟,热机后烟色明显减小或无为正常。1)冒蓝烟故障冒蓝烟故障最为复杂，由于机油进入燃烧室，蒸发后未能燃烧所造成。造成此故障的原因多为进气中有颗粒物、机油脏污等。故障点有：气缸套磨损、连杆弯曲、气门间隙过小、气门导管磨损、活塞环故障。用断缸法和下排气法进行诊断。下排气法即通过观察气门室罩通气13的排烟情况来诊断。具体方法为：发动机下排气严重，逐个断缸烟色无明显变化，即可确定为气缸套磨损或气门导管磨损，拆检更换活塞和缸套或气

46、门导管即可；若断开某缸时，蓝烟消失，先检查该缸气门间隙是否过小，气门间隙值为进气门02mm，排气门间隙位045mm，如果正常则断定该缸连杆弯曲或活塞环故障，拆检并更换即可。2) 黑烟故障诊断柴油机冒黑烟系空气与柴油混合比例不当或供油时间不当所造成，故障点为进气系统脏污、喷油器滴油、供油提前角太小、喷油泵故障及燃烧室密封不良。遵循由外及里、由简单到复杂的诊断顺序。先在发动机着车情况下，逐个断开喷油器，如断开某缸时烟色明显减小，更换该缸喷油器，故障解除即可。如断缸检查无玫，拆检进气系统。拆下空气滤清器，看滤芯是否赃污(脏污，吹干净滤芯或更换)； 如滤芯干净仍冒黑烟，再拆检进气栅栏，看是否堵塞(如堵

47、塞清洗干净即可)。如未堵塞，故障依旧，再调整高压油泵的供油时间，拧松高压油泵紧固螺栓，向发动机机体扳转高压油泵即可。如上述检查仍未排除故障，则应检查喷油泵。发动机在额定负荷下工作时，若各缸供油量不均匀，供油量多的缸，柴油得不到充分燃烧，就出现冒黑烟的故障现象。可采用断缸法检查。若断开某缸后，黑烟消失或明显减弱，且转速下降比其它缸断油时明显，则说明该缸供油量过大。拆下喷油泵到校泵中心，调整各缸的供油量，使各缸供油量符合技术要求。如果喷油泵检查无故障，则应检查燃烧室。燃烧室内部密封不良时，会导致汽缸内压缩空气减少，压缩终点时的压力和温度降低，喷人燃烧室内的雾化燃油不能完全燃烧，排气冒黑烟。应拆下汽

48、缸盖和活塞连杆组件，进行认真检查，更换过度磨损的零件。发动机超负荷，导致喷人燃烧室的柴油增多，多余的柴油得不到充分的燃烧而出现排气冒黑烟现象。应加强管理，切忌胶轮车多拉超载。3)冒白烟排气冒白烟是由于燃烧室内的柴油蒸发后未燃烧干净,或者燃烧室内部进人冷却水所造成的。Perkins柴油机,进排气歧管合二为一且有水冷却, 尤应注意。故障点有:进排气歧管有裂纹、发动机气缸垫损坏、柴油中有水、缸盖机体有砂眼或裂纹、环境温度较低、燃烧室密封不良。环境温度过低排气冒白烟,随着运转时间的增长和温度的升高,冒白烟的现象逐渐减弱或消失。这种现象属正常现象。柴油含有水份或柴油滤清器很长时间没有排水。排除方法:更换

49、符合标准的柴油。排放油箱、油路、滤清器、泵腔中的柴油,加注新柴油。上述原因排除后仍然冒白烟,拆检进排气歧管, 将进排气歧管淹没于水中,堵住所有水道,用压缩空气充气,若水中有气泡从排气口逸出则断定进排气歧管损坏,更换即可。如检测为完好,再拆检发动机,检查气缸垫有无损坏、缸盖机体有无砂眼或裂纹及燃烧室密封是否不良,这几种故障均需打开缸盖,故一并考虑。3,4本章小结无轨辅助运输技术是当今世界上最先进的煤矿辅助运输技术，矿用柴油发动机作为无轨辅助运输设备的主要心脏部件之一，其许多参数都和煤矿安全密切相关。本文阐述了矿用防爆柴油机防爆要求和特点、采用的技术措施、标准现状。防爆柴油机故障的分析与诊断,首先

50、要求维修人员应熟练掌握其结构及工作原理,遵循先外后里、由简单到复杂的诊断顺序;其次,相同的故障现象形成的原因有多种，实际分析时要结合多方面表现综合判断。例如，故障诊断时应详细询问司乘人员，尽可能多地掌握故障时的现象，同时还要注意区别人为故障，如高温是由于司机忘加冷却水的问题等等。总之，熟悉工作原理，细心观察判断，掌握一定的诊断技巧，就能从容处理防爆柴油机的故障；同时，加强防爆柴油机日常的维护与保养，就能延长发动机的使用寿命，为防爆胶轮车的推广与普及奠定基础。第四章 柴油机的防爆系统流程及结构设计4.1 引言现在的时代是能源极度消耗的时代，各种能源供不应求，煤矿、石油等能源的价格急剧上升，在社会

51、需求和利润的驱动下，煤矿的开采量与日俱增，这样对高产高效的现代化矿井的需要就更加迫切27。现代化矿井在其辅助运输中，必然大量使用以柴油机为动力的机车。而煤矿井下是易燃易爆的危险场所，国家对防爆地面机械的规定中明确指出：不得产生引燃火花、电弧和过高温度（柴油机最终排气温度不得超过 70；防爆柴油机任一部位表面温度不超过 15028）；即使产生引燃火花、电弧和过高温度，也不能引起爆炸；设备内部产生的爆炸，不会传入爆炸危险场所。因此，解决柴油机的防爆问题，是其技术的关键。4.2 柴油机的防爆设计说明4.2.1 危险源分析柴油机作为一种热机用于含有大量易燃易爆气体的煤矿井下，即使没有汽油机那样的点火系

52、统，其本身还是存在着许多潜在的点火源2930：（1）当柴油机卸去负荷时，如果吸进可燃气体，压缩着火冲程可能会使柴油机超速，在气门叠开期间，燃烧室和外界环境之间存在一个直接的火源传播通道，燃烧室内高温可使通道内的可燃混合气体着火，进而通过进气系统引起外部爆炸。（2）当给柴油机加载时，可燃气体的吸入可使柴油机表面温度和排气温度大大上升，一旦达到环境可燃气体的自燃温度，就可能引起爆燃或爆炸。（3）来自排气系统的火焰和炽热粒子的热辐射可使环境可燃气体爆燃。（4）电火花、带静电的风扇和皮带等、摩擦碰撞火花等也可使周围环境中的可燃气体爆燃。4.2.2 防爆设计方案煤矿辅助运输设备用防爆柴油机的防爆就在于消

53、除上述的着火源。正因为如此，防爆柴油机是一种结构较一般柴油机特殊的热机，它除了像一般柴油机有可靠的强度、刚度和防止高温气体、液体泄露的结构外，在设计、结构尺寸上还有严格的防爆面宽度要求，各个连接配合尺寸都要遵循防爆面尺寸规范，消除着火源可能形成的结构隐患。为了消除以上隐含着火源，做出以下防爆设计：（1）为了消除第一个着火源，在进气系统中，安装空气滤清器和进气阻火器（俗称防爆栅栏）。阻火器栅栏板采用耐磨、耐腐蚀并且有足够的强度的不锈钢片做成，外用金属框架固定，中间为叠片式防爆栅栏板，叠片间间隙不超过 0.5毫米，安装在空气关断阀和进气管之间。在气门叠开期间，当燃烧室高温引起进气道中可燃混合空气着

54、火迅速反扑向空气滤清器进而窜向外界有可燃气体的环境时，进气阻火器便迅速阻熄进气道中的混合气体燃烧外窜，起到进气防爆的作用。（2）为了消除第二个着火源，必须控制柴油机在任何工况下所有部位的表面温度不超过150和最终排气温度不超过 70。为此防爆柴油机任何部件或排气系统不能采用隔热材料；整机冷却方式采用水冷式，并用高效散热器；排气系统各管路都采用水套管结构，法兰接合处采用保温材料包裹，尾气被冷却水套包围，直接进入废气处理箱，可以控制表面温度及最终排气温度符合国家防爆要求。（3）为了消除第三个着火源，必须设置废气处理箱和排气阻火器。废气处理箱直接与冷却水管连接，可进一步冷却废气并且熄灭废气中的火星，

55、排气阻火器结构要求与进气阻火器相同，它可安放在废气处理箱出口，进一步熄灭废气中的火星。（4）为了消除第四个着火源，柴油机必须装用抗静电风扇等，采用非电起动或绝对安全可靠的防爆电器系统装置起动，导线接头必须采用防爆盒连接，消除一切可能导致爆炸的电火花产生的隐患；为了避免因碰撞而产生火花，在材料选择上尽量避免采用铝合金。4.3 防爆柴油机的气体、冷却水设计流程图4.3.1 防爆柴油机进气系统防爆设计根据对柴油机进气系统所隐含的危险源分析，对防爆柴油机的进气系统做出以下改进，如图所示图4.1 防爆柴油机进气系统气体流程图外界气体通过空气滤清器进入扫气泵，扫气泵后通过空气关断阀进入进气箱，其中安放进气

56、防爆栅栏，气体通过进气箱后经过进气管直接进入柴油机气缸内。上述方案的有益效果：（1）煤矿井下环境中含有大量的烟尘和其它固体粒子，空气滤清器的作用是滤去进入气缸空气中的尘土，保证发动机有足够的清洁空气同燃油混合，产生燃烧。发动机每燃烧 1kg 柴油而需要 14kg 空气，如果不滤掉进入空气中的尘土，将大大增加气缸、活塞、活塞环的磨损，如果不用空气滤清器，上述机件的磨损率要提高 39 倍。因此，防爆柴油机工作时，不用或使用缺件及损坏的空气滤清器是绝对不允许的。安装了空气滤清器之后，可以滤除煤矿环境中的绝大部分粉尘，提供柴油机较为新鲜的空气。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气

57、进入气缸。另外，空气滤清器也有消减进气噪声的作用。（2）在空气滤清器后端设置空气关断阀，阀的严密性应使在可燃气体中运转的柴油机，在关闭空气关断阀后停机，可以确保在出现紧急强况下能够及时停机，进一步提高作业的安全性。（3）对进、排气系统主要部件改造和供油量的调整可以改善发动机的动力性、尾气的排放性能，但是这种改造始终无法摆脱其改造后柴油机进、排气系统的阻力大于原柴油机的进、排气系统的阻力，也就是无法接近或达到原柴油机的性能。要想达到原柴油机的性能必须突破这种思维，利用强制进气来代替自然吸气的形式。在自然吸气式柴油机改造的防爆柴油机上增加一台扫气泵，这样就可以用扫气泵提供新鲜空气的动力克服进气道、

58、进气栅栏所产生的阻力,使进气管内新鲜气体的压力大于排气后期气缸内废气的压力，将气缸内的废气充分排出气缸, 改善燃烧室的燃烧情况, 改善原发动机的动力性和尾气排放性能。在防爆柴油机上, 使用扫气泵后不仅可以使其动力性恢复甚至超过原柴油机的动力性和尾气排放性能, 而且能够完全达到柴油机排放指标。4.3.2 防爆柴油机的尾气及冷却水流程设计根据对柴油机第二、第三着火源的分析及相应的防爆设计方案，对其排气系统及冷却系统进行防爆设计，如图所示。图4.2 防爆柴油机尾气及冷却水路流程图4.3.2.1 排气系统防爆设计设计的防爆柴油机的排气系统包括：气缸盖冷却水套、消声器、排气冷却水套管、废气处理箱和排气阻火器等。如图所示。 图 4.3防爆柴油机排进气系统气体流程图柴油机机体的出气口直接与气缸盖冷却水套连接，气缸盖冷却水套管通过法兰与消声器连接，气体通过消声器后进入废气的主要冷却装置排气冷却水套管，被冷却的废气直