煤矿井下探险车辆动力部分设计研究

1引言1.1我国煤炭工业背景1.1.1我国煤炭工业发展状况煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。我国煤炭资源丰富，煤炭资源分布面积约60多万平方公里，占国土面积的6%。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。已查明资源中精查资源量仅占25%，详查资源仅占17%。探明储量达到10202亿吨。其中可开采储量1891亿吨，占18%，人均占有量仅145吨，低于世界平均水平。国务院制订的《能源中长期发展规划纲要（2004-2020）》（草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占70%左右。煤炭占我国一次能源生产的70%以上，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。根据我国全面建设小康社会的需求，煤炭消费的趋势将有明显上升。在煤炭消费用户的构成中，电力、冶金、建材、化工4个行业煤炭消费量占煤炭消费总量从1990年的50%提高到2004年的84%，其中电力占51.8%，冶金11.64%，化工10.5%，建材10.06%。电力用煤的消费量从1990年占27%提高到2004年的51%，将近增长一倍。

我国煤炭资源分布广泛但不均匀。全国除上海外，其他省(区)、市均有探明储量。从地区分布看，储量主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、云南、贵州、河南和安徽，七省储量占全国储量的81.8%，分布呈现出“北多南少”、“西多东少”的特点。进入21世纪，我国煤炭工业快速发展，2000年全国产煤9.9亿吨，2001年产煤11.04亿吨，2002年13.8亿吨，2003年16.67亿吨。2004年全国产煤19.56亿吨，占全国一次性能源生产总量的74.3%，当年煤炭销售量为18.91亿吨，占全国一次性能源消费总量的65%，均居世界第一位。2005年煤炭产量达21亿左右，创历史最高水平。全行业实现整体盈利，生产力水平显著提高，产业结构调整取得重大进展。一些企业开始跨地区、跨行业的产业联合，煤、电、化、路、港、航产业链开始形成，形成了一批在国内领先、在国际上具有一定竞争力的大集团，如神华集团、山西焦煤集团、兖州矿业集团等。我国煤炭产量急剧上升，得到了全世界的关注。1.1.2我国煤矿安全现状我国的煤炭产量居全世界第一位，年产量占全世界煤炭产量的37％左右，但煤矿事故频发，发生数和死亡人数分别占我国工矿商贸企业事故起数和死亡人数的26．91％和40．26％，占世界煤矿死亡人数近80％。近年来，国家对煤矿事故高度重视，加大了监控力度，煤矿事故大大下降，全国煤炭百万吨死亡率从2002年的4．94下降到2O07年的1．485；死亡人数从2001年的5670人降至2007年3786人。但煤矿事故仍然频繁发生，2001年到2005年间，全国煤矿共发生一次死亡3～9人的重大事故1398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故的l1％；发生一次死亡l0～29人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故的36％；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故的58％。煤炭百万吨死亡率仍远远超过其他国家。2005年我国煤炭百万吨死亡率为2．836，是美国(百万吨死率为0．0405)的70倍，南非(百万吨死亡率为0．1668)的17倍，波兰(百万吨死率为0．2837)的10倍，印度和俄罗斯(百万吨死率为0．405)的7倍。在煤矿事故中，瓦斯、水害和顶板事故最为常见。在全国煤矿一次死亡3人以上的事故中，瓦斯事故居第一位，水害事故居第二位；顶板事故总量占全国煤矿事故起数的50％以上，死亡人数居第二位。瓦斯事故对煤炭企业安全生产影响最大，其发生率和引起的死亡人数都占相当大的比重。2007年全国煤矿共发生瓦斯事故272起，死亡l084人，其中死亡人数超过l0人以上的重特大瓦斯事故22起，死亡人数达460人。瓦斯事故造成百人以上死亡的情况也累见是鲜：2000年9月27日，贵州木冲沟煤矿瓦斯事故死亡l62人；2004年10月20日郑州大平煤矿瓦斯事故死亡l48人；2005年2月14日阜新孙家湾煤矿瓦斯事故死亡214；2007年洪洞新窑煤矿瓦斯事故死亡l05人。1.1.3瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸的危害主要有三点：（1）爆炸瞬间形成的冲击波速度大于音速，压力可达几十个大气压。危害：人员创伤、巷道毁坏、冒顶、设备翻到破坏、摧毁矿井通风设施等。作用范围几千米，甚至冲出地面。（2）火焰波速度从每秒几米到100m/s至音速以上。温度达2000℃以上。造成人体皮肤、呼吸器官等烧伤，烧坏电气设备、可引燃井巷中的可燃物。作用范围较小，一般为几十米到几百米。（3）大气成份的变化瓦斯爆炸后，空气中氧浓度下降，燃烧生成大量的CO2和H2O，以及不完全反应产生的CO。作用范围与爆炸后通风系统状况有关，可波及下风侧的生产区域。瓦斯爆炸后，空气中的CO会造成井下人员一氧化碳中毒。一氧化碳中毒是含碳物质燃烧不完全时的产物经呼吸道吸入引起中毒。中毒机理是一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200～300倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。对全身的组织细胞均有毒性作用，尤其对大脑皮质的影响最为严重。当人们意识到已发生一氧化碳中毒时，往往已为时已晚。因为支配人体运动的大脑皮质最先受到麻痹损害，使人无法实现有目的的自主运动。可手脚已不听使唤。所以，一氧化碳中毒者往往无法进行有效的自救。医学研究表明空气中CO浓度高于0.02%时，人在其中停留2～3小时，前头部会轻微的头痛。当浓度大于0.04%时，人在其中停留1～2小时，前头痛、呕吐。2.5～3.5小时，有后头痛。当浓度大于0.08%时，人在其中停留45分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会意识不清。当浓度大于0.16%时，人在其中停留20分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会死亡。当浓度大于0.32%时，人在其中停留5～10分钟，会头痛、眩晕。停留30分钟就会死亡。当浓度大于0.64%时，人在其中停留1～2分钟，会头痛、眩晕。停留15～30分钟就会死亡。当浓度大于1.28%时人在其中停留1～3分钟就会死亡。然而瓦斯爆炸后，CO的浓度一般也达到0.4%以上。因此，CO中毒死亡是井下人员伤亡的主要因素之一。1.2国内外救援车辆的发展现状救援车辆也称救援机器人，它是为救援而采取先进科学技术研制的机器人。救援机器人的种类有很多，如煤矿救援机器人，地震救灾机器人，军用战地救援机器人，消防救灾机器人，山地救援机器人等1.2.1煤矿用救援机器人煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务。由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成搜救机器人和营救机器人两种专门用途的救灾机器人。(1)搜救机器人所谓搜救机器人则是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。该种机器人身上一般携带多种类型传感器。先于抢险人员进入井下，发挥自身的越障功能到达矿井深处。探测井下爆炸事故破坏后的环境和人员情况。为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息。同时，搜救机器人上携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具，以协助被困人员实施自救和逃生。例如蛇形机器人，它具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。(2)营救机器人该种机器人需要将受伤矿工转移到安全地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环境探测机器人。1.2.2地震救灾机器人该种机器人国内国外研制的比较多，例如2010年7月中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室就研制出了空中搜索探测机器人、废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人，在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。空中搜索探测机器人能够实现昼间低空灾情侦察、夜间被困人员搜索、投放救灾物资、喷洒防疫药品等功能。废墟洞穴搜救可变形机器人能够实现地震灾后幸存者搜索与辅助救援应用。废墟表面搜救机器人能够对假设的内部情况不明的危险区域进行侦测。通过音频、视频、有害气体探测等多种技术手段实现对生命迹象和废墟内部威胁进行判断。1.2.3军用战地救援机器人为减少战争中士兵在战场的伤亡数量，如图1.1所示为美国研制的战地用救援机器人，可用于军事搜索和营救任务，其水压臂可以托起重达400磅（比全副武装的伞兵还要重）的受伤战士，且在承载重物时依然移动平缓，这样能避免给受伤士兵增加痛苦。它的双手是两把平平的“铲子”，能够“铲起”躺在地上的伤兵。研发者说，下一代机器人将在双手的灵活性上有所改进，从而“铲”得更温柔一些。机器人的双腿和双脚都装有履带，从而能在崎岖道路或楼梯上自如行驶。它的臀部、膝盖和脚部还有轮子。在平滑地面上，它可以转换到两个轮子的行驶模式，行动更加快捷。它还能灵活地转换多种姿势，以适应不同路况。图1.1为了使机器人在转换姿势时保持稳定，研发人员给机器人装备了测速仪和陀螺仪，以监控身体移动，并探测身体是否失去平衡。电脑控制的发动机能够随机调整下肢动作，防止它跌倒。目前，这种机器人还需要进行遥控，但一种自动视觉系统正在计划中，不久即可派上用场，到时候这种机器人能够自行其事。1.2.4消防救灾机器人消防机器人主要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中从事火场侦察、化学危险品探测、灭火、排烟、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏、反恐防暴等特种消防作业。如图1.2中的机器人是我国首台智能消防机器人，它可在五百度高温环境下自主连续作图1.2业，遥控操作可达二百米，爬坡最大角度四十五度，具有防水、防爆功能。另外，它还配备了红外线热像仪、远红外摄像头、测温仪、可燃气体探测仪等先进侦察器材，并安装了视频传输平台，可在高温、浓烟、有毒等人员无法进入的恶劣、危险环境下进行侦察。并将现场采集到的图象及现场温度、可燃气体、有毒气体浓度等相关信息数据及时向外传输，为救援决策提供依据。1.3问题的提出当煤矿井下发生瓦斯爆炸之后，井下氧气含量迅速下降，空气中弥漫着大量的有毒气体，因此必须进行长达数小时乃至几天的主井强制送风作业，同时井下环境异常凶险，井下呈现出非常复杂的非结构化环境，各种碎片散落堆积、并可能伴有积水、淤泥等；矿井入口变得狭小、空间有限，矿井下面充满爆炸腐蚀性气体．到处充满碎片和不稳定结构，缺少照明．通讯困难。更为危险的是，爆炸发生之后很可能再发生二次爆炸，因此次生事故极易发生。在以往事故中伤亡人员有相当一部分是救护人员，如2004年6月15日，陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年1月8日，渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职嘲；2006年8月23日，六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡，2人重伤，1人轻伤。因此抢险人员一般难以在第一时间进入，使得救援工作无法及时展开，救援工作必须等到确定井下安全后才能展开。救援人员往往在井上等待很长时间。事故专家和决策者也由于缺少信息无法及时做出判断和决策。而在这短短的数小时内，井下幸存下来的人员，大部分因为所在区域氧含量过低而导致窒息死亡或是因为CO含量过高而发生毒气中毒而失去生命。1.3.1现有煤矿救援机器人所存在的问题现有煤矿救援机器人所存在的问题很明显，现有的救援机器人的动力源基本都采用的蓄电池供电，电动机带动。其主要的缺点就是动力不足，且蓄电池的续航能力差。当井下发生事故后，井下环境异常恶劣，井下道路状况变差，没有强劲的动力的话，难以通行，而且现有的救援机器人体积小，也越障能力差，也没有足够的空间携带救援物资。现有蓄电池的单位体积能量低，导致续航能力和动力成为矛盾，想要得到足够的动力就不得不牺牲续航能力，而对于矿井救灾来说，时间就是生命，不可能频繁的让机器人返航换蓄电池。1.3.2改进的思路要解决动力不足和续航能力差的问题，可通过更换动力源的方式来解决。而目前，柴油机在煤矿设备运输中广泛的应用，柴油机的防爆技术也比较成熟，且相比汽油机来说柴油机具备以下优点：(1)柴油机的燃料经济性好。因此柴油机的热效率高，而且在工况变化时，燃料消耗变化小，使燃料消耗降低。在正常行驶情况下，柴油车比汽油车可节约燃料约25％，大大降低运输成本，提高了车辆的续航能力。(2)柴油机的工作可靠性，耐久性比汽油机好。柴油机由于没有点火系统，所以故障相对较少，性能可靠。(3)柴油机采用增压或增压中冷技术提高柴油机功率。由于增压器能提高进气密度，使更多空气与燃油得到充分燃烧，从而产生更大的功率，使用范围更宽广。(4)有害排放物低。与同功率的汽油机相比，由于柴油机空燃比较高，燃烧热效率高．排出废气中的CO和CH均较汽油机少，但炭烟(微粒)较汽油机重。总的来讲柴油机有害排放量较汽油机低，特别是增压中冷柴油机就更低，对环境污染小。然而使用柴油机做动力源又引发出另一个问题，就是柴油机的防爆处理。众所周知，瓦斯爆炸后，井下空气中CO和瓦斯的浓度很高，只要柴油机温度过高或是有火花，就很可能引起矿井的瓦斯二次爆炸，极其危险。因此柴油机的防爆处理是解决矿井救援机器人动力来源不足的首要问题。1.4防爆柴油机现状1.4.1国内防爆柴油机的发展防爆柴油机的研制在我国已经有2O多年的历史了，曾研制成功30kW、15kW、66kW、180kW等几种机型。2000年，河北煤炭科学研究所与山西卓里集团临汾柴油机厂联合研制了一种型号为S1100FB的防爆柴油机，功率为8．8kW。此外，近些年来常州科研试制中心有限公司也进行了防爆柴油机的研制工作，并且取得了可喜的成果。防爆柴油机又称防爆发动机，其防爆改装技术被归类为非电防爆技术——尽管柴油机电控元件也需要防爆化，但由于初期柴油机不带电，初期的柴油机防爆标准也是由非电防爆技术。回顾中国的防爆柴油机研发历史，从最初的7.5千瓦、15千瓦、30千瓦到现在的几千千瓦，我们已经经历了将近30年的发展历程。防爆柴油机市场是一块不大的蛋糕，但是涉及到的产品类型和防爆方式却纷繁复杂。这也就不难解释为什么数十年来，防爆柴油机都没有形成批量化生产。尽管这样，国内的一些企业在十余年的发展过程中，所展现出来的研发成果和应用实例也可圈可点：以地面用防爆柴油机为例，长沙湘普防爆车辆有限公司具有明显的领先优势。该公司根据不同危险作业场所的要求，曾开发出多种防爆柴油机，可装配在移动车辆和固定设备上，功率从几千瓦涵盖至上千千瓦。以井下用防爆柴油机为例，南昌通用机械和临汾柴油机厂都有涉猎，虽然其柴油机功率不过几千瓦或十几千瓦，但结构紧凑、技术领先。虽然，在某些方面，湘普防爆车辆、南昌通用机械等业内著名公司已经能与国外大型防爆设备制造商相抗衡，但是我国的防爆设备普及现状仍然令人堪忧。未来，我们应注重防爆柴油机研发与应用，使我们的危险性作业场所达到与发达国家相当的安全指标。1.4.2防爆柴油机的特点防爆柴油机必须符合“《煤矿用防爆柴油机技术检验规范》(暂行)2002”的规定，并且需要在国家安全生产邢台矿用防爆柴油机械检测检验中心进行防爆性能检测，以取得煤矿安全标志准用证。防爆柴油机的主要特点如下：（1）防爆柴油机在运转或维修过程中可能受到撞击的零部件，均不允许用轻金属制造。燃油泵因改换材料困难可采用表面喷涂不小于0．2mm厚防护层或设置钢质罩壳保护措施。含轻金属外壳的材料，按质量百分比，铝、钛和镁的总含量不允许大于15％，并且镁和钛的总含量不允许大于6％。（2）防爆柴油机上的非金属零部件，应采用电阻值小于1×109Ω的不燃或阻燃材料制造。（3）用于密封的衬垫，应使用带有金属骨架或金属包封的不燃材料制造。（4）防爆柴油机上的电气设备必须符合GB3836．2《爆炸性气体环境用电器设备第2部分：隔爆型“d”》或GB3836-4《爆炸性气体环境用电器设备第4部分：本质安全型“i”》的有关规定，并取得煤矿安全标志准用证。（5）连接电气设备的电缆，除应符合MT818的有关规定外，还应具有耐油性能，并应可靠固定和保护。（6）防爆柴油机缸盖与机体之间隔爆结合面的有效宽度不小于9mm，平面度不大于0．15mm。（7）进、排气管与缸盖之间的隔爆结合面的有效宽度不小于13mm，平面度不大于0.15mm。（8)隔爆结合面中含有冷却水道通孔的隔爆面，由结合面内部到水道通孔边沿的有效宽度应不小于5mm，平面度不大于0.15mm。（9）隔爆结合面的内部边沿到螺栓孔的边沿有效宽度不小于9mm，平面度不大于0．15mm。（10）利用杆套间隙作为隔爆面的，杆套间隙不大于0.05mm，轴向长度不小于25mm。（11）喷油器与缸头的配合间隙不大于0.2mm，轴向长度不小于25mm。（12）隔爆腔体上应避免钻通孔，至少留3mm或1／3孔径的壁厚，取其大者。如果钻通孔需用螺塞堵死，螺塞最小拧人深度不得小于12.5mm，最少啮合扣数不得小于6扣，并有防松措施。（13）防爆柴油机曲轴箱的通气孔要加设滤网装置，并且滤网至少五层，滤网的孔目不小于144目／cm。（14）隔爆结合面的表面粗糙度Ra为6.3。（15）各非不锈钢隔爆结合面采用磷化处理。1.4.3防爆柴油机的防爆原理国内的防爆柴油机一般为购买现成的柴油机，再对进气系统、排气系统和冷却系统加以改造。设计时主要考虑以下几个问题：进气防爆问题；排气防爆问题；废气净化问题；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℃。具体来讲，防爆柴油机主要包括进气系统、排气系统、启动方式、燃油箱系统等部分，此外，还安装了一个防爆电子监控系统。下面分别叙述：（1）进气系统防爆柴油机的进气系统主要包括以下几个部分：空气滤清器、进气管、阻火器、空气关断风门、进气歧管。其中阻火器的作用是阻断发动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，易于装配、检验和清洗。阻火器的结构主要有栅栏型和珠型，两种结构的阻火器都应采用耐高温、耐腐蚀材料制造。另外，在空气滤清器的后端还要求设置空气关断风门，空气关断风门是为了在柴油机发生不正常现象是切断进气紧急停机。（2）排气系统防爆柴油机的排气系统主要包括以下部分：排气歧管、排气波纹管、废气处理装置、阻火器、排气管。其中排气歧管、排气波纹管为双层管，表面有一个水夹层，夹层中的水与柴油机中的冷却水连通，形成强制封闭冷却，保证柴油机表面温度不超过150℃。废气处理装置一般有两种形式，一种是水洗式，一种是干式。其中水洗式废气处理装置比较常见。其原理为使废气通过一个装有冷却水的废气处理箱，废气通过水洗进行净化和冷却，然后随之后的排气管道排出。规定排气管路最终排出气体到大气中的温度不超过70℃。废气处理箱的容量至少要满足柴油机连续运行2h耗水。阻火器作用仍然是阻止发动机气缸内的火焰喷出，而引燃空气中的可燃气体，起到安全保护的作用。（3）启动方式防爆柴油机的启动方式有弹簧启动、压缩空气启动、液压气动等几种。起动性能的要求是：在5℃的环境温度下，在不超过30s的时间内能顺利启动。常用的启动方式为压缩空气启动。（4）燃油箱防爆柴油机的燃油系统的燃油箱用非燃性材料制造，其布置应能防止撞击和远离热源至少50mm以上，其容量不得超过8h正常运行耗油量。（5）防爆电子监控系统防爆电子监控系统主要是在柴油机的不同位置安放了各种用途的传感器，配合中央控制系统，来对使用中的柴油机系统进行实时监控，当柴油机系统出现下列情况之一时，防爆电子监控系统应能准确发出声、光报警信号，并可自动或人工停机：A．防爆柴油机任何一部件外表面温度达到150℃。B．水冷却系统冷却水温度达到95℃。C．防爆柴油机排气系统排气口温度达到70℃。D．防爆柴油机转速到达2600r／min。E．废气处理箱的水位低于设定位置。F．柴油机润滑机油压力低于最低设定压力。

2整体方案的确定2.1整车总体布置1-轮胎；2-前轮转向架；3-前轮驱动桥；4-万向传动装置；5-分动器；6-变速箱；7-柴油机；8-后轮驱动桥图2.1车辆传动系布置如图2.1所示为煤矿井下探险车辆底盘传动系的布置方案，参考通用的汽车底盘作为模板设计。柴油机输出动力通过皮带轮传动给变速箱，变速箱通过联轴器与分动器相连，分动器将动力分配给前后两个驱动桥，从而带动4个轮胎转动，实现四轮驱动。采用四驱轮式行走，可得到较大的驱动力，增强了越障能力。车辆采用柴油发动机作为动力来源，可获得较大的动力。车辆设置两个档位，前进挡和后退档，车辆的加减速通过油门控制。探险车的主要参数要求：1、车辆高度<1.2m；整车长度<2.5m；宽度<1.5m；2、发动机防爆净功率>9.7kW；3、发动机采用经过防爆处理后的柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载；4、工作档速度2～4km；同时在探险车辆上还应该配备低照度红外摄像仪、甲烷传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、氮氧化物传感器等传感器，将井下的现场景象以及各气体的浓度传至地面，为地面做出进一步的营救计划提供可靠的依据；车辆信号的传输采用有线传输，以上所述的图像信号和传感器信号经处理后通过线缆传至地面，并且地面对车辆发出的控制指令也通过线缆传至车辆上达到对探险车辆的控制。

2.2尾气防暴设备的布置图2.2总体方案如图2.2所示，图中柴油机为S195单缸柴油机，防爆处理分为两部分，即进气防爆，和尾气的防爆和净化。空气经进气防爆防爆装置进入柴油机进气口，尾气由出气口通向水洗净化箱，之间用波纹管水套进行降温处理。波纹管内的循环冷却水由补水箱提供。废气经过冷却后进入防爆水洗净化箱，进一步降温，并去除大部分的颗粒物(PM)，冷却净化后的尾气经出气口排入大气。在水洗净化箱正常工作的时候，水洗箱中的水会不断的减少，倘若不及时补给的话，很快水洗想就会失去其使用价值，形同虚设。因此在柴油机工作的时候，必须对防爆水洗净化箱进行补水。补水系统由密闭箱和补水箱构成，具体的工作原理在设计部分进行介绍。防爆水洗净化箱内装有隔爆装置，在以往的水洗净化箱设计中，一般将隔爆装置放在水洗箱之后，也就是说，柴油机尾气先经水洗箱冷却净化，再经隔爆装置实现隔爆。但这样布置安装方式，使得尾气经水洗生成的粘稠物质堵塞隔爆单元，而且经水洗的尾气中含的大量水分子也会对隔爆装置产生破坏。鉴于上述情况，初步确定防爆水洗净化箱的内部结构，即在防爆水洗净化箱的前段尾气入口处安装阻火器，用于熄灭尾气火焰，之后尾气排入水洗箱底部，进行水洗净化，最后排入空气。由于在柴油机上安装了防爆设备，使得柴油机在进气时存在进气阻力，因此冲量系数变小，燃料燃烧不充分，最终将导致柴油机的功率下降，燃油消耗率增大。同样，由于在柴油机的出气口安装了出气防爆阻火器和防爆水箱，使得柴油机的排气背压上升，同样导致柴油机的功率下降。针对上述情况，本文对S195柴油机进行了改进，以提高原柴油机的功率。具体改进方案和设计校核见柴油机设计改进的章节。

3尾气防爆水洗净化箱的设计3.1排气排放污染及相关法规内燃机排气中包含的成分主要分为两大类：一类是与空气混合后完全燃烧的产物，主要包括水蒸气、二氧化碳、未参与燃烧的氧气和氮气。这些气体中，CO2排入大气中后可产生温室效应，从而引发各种环境问题，但其余产物对环境和人类基本不会产生直接影响。第二类是与空气混合后不完全燃烧的产物及其氧化物，主要有一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和微粒，这类排放物化学成分比较复杂，对环境和人类均能造成不同程度的危害。目前各国环保组织关注的内燃机排放污染物主要是指第二类排放物（有害排放物）。柴油机与汽油机相比，由于柴油自身的燃烧特性，其排放物中HC和CO较少，仅为汽油机的30%，而微粒排放则为汽油机的20～100倍。并且在其有害排放物质中，比重较大的是硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和微粒（PM）。这也限制了柴油车辆的进一步推广使用。因此，对柴油机排放问题的控制也主要表现在对这几种排放物的控制研究上。NOx是内燃机排气中各种氮氧化物的总称，柴油机排气中的NOx主要由NO、NO2组成，其中NO占绝大部分，约为总量的90%左右。NO可与大气中的O2通过进一步的氧化反应生成NO2，NO2本身具有毒性和刺激性，通过呼吸道进入人体后，与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有强烈的刺激性，严重时甚至会引起肺气肿。被吸收进入血管后会使血液的输氧能力降低，诱发心血管系统的各类病变。NO2与空气中的水结合形成的硝酸，是造成酸雨的重要原因之一，不仅污染土地和水源，还能腐蚀损坏建筑物和金属。此外，在紫外线照射下易发生光解反应生成二次污染物，形成光化学烟雾。柴油机排气中SOx的主要成分是SO2，SO2往往与空气中飘浮的微尘吸附在一起。被人体吸入后与呼吸道的水分结合形成酸性物，对呼吸道粘膜产生强烈的刺激作用，引起呼吸系统疾病；在空气中发生复杂化学反应并被雨水吸收溶解后，可形成酸雨危害。有资料表明在英吉利海峡的航运比较集中的区域内曾出现过大面积酸雨，造成巨大的经济损失。柴油机所排放的微粒和汽油机相比有很大不同。汽油机排放的微粒主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质；柴油机的颗粒排放量要比汽油机多，一般要高30至60倍，并且化学成分也复杂得多，主要有未参与燃烧的燃油、润滑油、以及不同程度的氧化裂解产物，并且含一些重金属物质，这些物质可能引起人精神系统、血液系统障碍，还能导致癌症。同时这种类似石墨形式的含碳聚合物，聚集和吸附了相当数量的高分子可溶性有机物（SOF）和硅酸盐等，尺寸通常都比较小，主要由直径0.1～10μm的多孔碳粒构成，能长期悬浮在大气中，不仅降低了大气的可见度，且易于被人吸入肺部，并在肺里滑动，造成肺组织的摩擦损伤。微粒中的可溶性有机成分（SOF）含有致癌物质，从一项动物试验来看，柴油机排放微粒的致癌性要比汽油机排放的苯类物质高9倍，因为细微的颗粒排放物极易被吸入肺部，导致肺癌的发生。在欧洲，每年仅因车辆排放的颗粒物污染而导致死亡的人数就超过了三十四万人。煤矿井下由于空气流动性差，需通过风井向巷道及工作面输送来自地面的新鲜空气，因此井下对柴油机的尾气排放有着更为严格的要求。但此过程中，空气的清洁质量发生变化，主要表现在：氧气含量减少；有毒有害气体含量增加；粉尘浓度增大；其他温度、湿度及压力等物理特性的变化等。《煤矿安全规程》中规定，人行巷道内的风速不得低于0.15m/s，主要进、回风巷的最大风速不得超过8m/s，这也必然注定了柴油机燃烧与排放之间的矛盾。一方面，洁净空气量的供应不足导致了柴油机燃烧不充分，从而增加了尾气中有害物质的产生；另一方面，柴油机尾气又进一步恶化了井下巷道内的空气质量，加剧有害物质的排放。因此，除了通过技术手段来进一步为柴油机提供充足的洁净空气外，还需要从控制和净化柴油机排放入手，改善煤矿井下空气质量。在实际生产过程中，井下无轨运输车存在的主要排放问题是黑烟及刺激性的气味无法有效地解决，同时，尾气夹带水雾现象严重，导致井下视线差，极易造成安全事故。1960年，美国加州颁布了世界上第一个汽车排放法规，标志着汽车排放污染的治理工作逐渐在全球展开。到今天，随着汽车的普及和保有量的不断上升，由汽车排放所引起的污染问题也日益严重，限制汽车的有害排放已经成为全世界人民的共同愿望和呼声，因此世界各国都根据各自国情制定了强制性的汽车排放控制标准。日益严格的排放法规也逼迫着各大汽车公司不断开发新技术，寻找相应的技术手段来控制和减少内燃机有害排气对环境和人类造成的危害。目前，美国、日本和欧洲等汽车生产大国的汽车排放水平与1960年时相比已经降低了99%以上。但由于全球汽车保有量仍然保持着持续高速增长，汽车排放污染的现状依然严峻。表3-1欧洲重型车用柴油机排放限值排放标准测试循环实施年份排放限值g/(kW·h)COHCNMHCCH4NOxPMk(1)欧洲ⅠECER491990.360.61(2)欧洲ⅡECER4919964.01.17.00.510.25(3)欧洲ⅢESCELRETC2000200020002.15.450.660.781.65.05.00.100.13(3)0.160.8欧洲ⅣESCELRETC20051.50.463.50.21(3)0.020.5欧洲ⅤESCELRETC20081.50.462.00.020.5EEVESCELRETC0.020.15（1）动态消光烟度单位为m-1；（2）适用于功率小于等于85kW的柴油机；（3）适用于单缸工作容积小于0.7L、标定转速大于3000r/min的柴油机。排放控制是一项复杂的系统工程,它不仅需要环保部门的监管,还需要其他政府相关部门以及企业的通力配合。一直对机动车的排放污染问题最为关注的欧洲，从“欧Ⅰ”标准到“欧Ⅲ”标准还是走过了八年的时间，并在09年9月开始全面实施“欧Ⅴ”尾气排放标准。2009年12月16日，欧洲议会在法国的斯特拉斯堡通过了专门针对重型车辆的“欧Ⅵ”排放标准，这一排放标准对2.6吨以上的重型车辆（卡车和巴士）进行了统一排放限制。根据规定，新推出的车型将从2012年12月31日开始实施这一标准，而其他新出厂车辆则从2013年12月31日开始实行。根据“欧Ⅵ”标准，一氧化碳、氮氧化物以及颗粒物等有害物的排放限值将进一步降低。其中，氮氧化物的总排放限值为0.4g/kW·h（比“欧Ⅴ”标准降低了80%），颗粒物的排放限值为0.01g/kW·h（比“欧Ⅴ”标准降低了66%）。这样，“欧Ⅵ”排放标准将更接近于美国环保署针对重型车辆制定的EPA2010排放标准（其规定氮氧化物的排放限值为0.27g/kW·h，颗粒物的排放限值为0.013g/kW·h）。然而，目前欧盟在下一代排放标准的实施时间上仍然晚于日本和美国3～4年左右，后两者已分别于2009年和2010年就推出了相当于“欧Ⅵ”标准的排放标准。根据现行的“欧Ⅴ”标准，在欧洲销售的重型车辆，不论是与日本还是与美国相比，颗粒物的排放量至少超出了规定限值一半以上，氮氧化物则超出了近两倍之多。因此“欧Ⅵ”排放标准的实施将进一步将控制车辆颗粒物和氮氧化物等污染物的排放法规化，同时也是改善整个欧洲空气质量的一项重要举措。表3-2我国排放法规实施阶段时间法规意义第一阶段1983年三个限值标准：《汽油车怠速污染排放标准》《柴油车自由加速烟度排放标准》《汽车柴油机全负荷烟度排放标准》三个测量方法标准：《汽油车怠速污染物测量方法》《柴油车自由加速烟度测量方法》《汽车柴油机全负荷烟度测量方法》标志着我国汽车尾气法规从无到有，并逐步走向法制治理汽车尾气污染的道路第二阶段1989-1993年两个限值标准：《轻型汽车排气污染物排放标准》《车用汽油机排气污染物排放标准》两个工况法测量方法标准：《轻型汽车排气污染物测量方法》《车用汽油机排气污染物测量方法》形成了一套较为完善的汽车尾气排放标准体系，但仅相当于欧洲七十年代的水平第三阶段2000年《汽车排放污染物限值及测试方法》（GB14961－1999）《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法》地方法规：《汽油车双怠速污染物排放标准》使我国汽车尾气排放标准达到国外九十年代初的水平与国外发达国家相比，我国的汽车排放法规起步较晚、水平较低。根据实际情况，我国从八十年代初期开始，在“先易后难”、“分阶段实施”的思路基础上，开始了控制汽车排放的制度化和法规化之路。其具体实施过程主要可分为表3-2中列出的三个主要阶段。矿用防爆柴油机除了满足通用柴油机的各项排放指标之外，还需满足相应的矿用标准。《煤矿安全规程》中规定，防爆柴油机在规定的工况下，排出的尾气在干燥时的有害成分含量不超过以下值：表3-3矿井有害气体最高允许浓度名称最高允许浓度(%)一氧化碳CO0.0024氧化氮(换算成二氧化氮NO2)0.00025二氧化硫SO20.0005硫化氢H2S0.00066氨NH30.004矿用防爆柴油机通用技术条件MT990-2006中同时规定，未经稀释的防爆柴油机排气中，有害气体成分的体积浓度不应超过以下许可值：一氧化碳CO的最大体积浓度为0.1%，氮氧化物NOx的最大体积浓度为0.08%。此外，防爆柴油机机体任意部位的表面温度不得超过150℃；废气排出口排气的尾气温度不得超过70℃。3.2排气净化方案3.2.1主要污染物的生成机理(1)CO的生成机理：CO的生成过程比较复杂，它是燃料与氧气在燃烧过程中所形成的主要中间产物之一。燃料中的碳氢化合物与氧燃烧后被氧化，并最终生成CO2。CO的生成是这一过程的重要中间步骤。燃烧过程中，CO2形成的主要过程如下：式中R——烃基上式中所生成的CO接着通过极低的氧化速率生成了燃烧的最终产物CO2，其反应式为：由此可见，CO转化成CO2的速度将直接影响到CO的排放。理论上，如果进入发动机的混合气与喷入缸体内的燃料比值大于理论空燃比，这时在燃烧环境中存在氧气过剩的情况，这样发动机燃烧后的排气中将不存在CO而是全部氧化生成的CO2。但实际上由于发动机各个缸体内的空燃比不一定保持高度一致，同时燃烧室内不同位置的混合比也不会非常均匀，导致燃烧室内会出现局部的缺氧区域，这时，发动机燃烧后的排气中就会有少量的CO产生。此外，即使各缸体内每个位置的空气和雾化燃料都能保证混合的非常均匀，在这样的理想状态下，由于燃烧产生的高温，已经氧化生成的CO2也仍会有一小部分被分解生成CO和O2。另外排气中的H2和未燃烃HC也可能将排气中的一部分CO2还原成CO。这些原因都导致了尾气中不可避免的存在CO。(2)HC的生成机理：尾气中的HC是由未参与燃烧的烃、燃烧过程中的不完全氧化产物和部分被分解的物质所组成。它包括各种类型的碳氢化合物，其中有饱和烃、不饱和烃以及含氧的碳氢化合物等，其成分复杂，各组分含量变化也很大。当空燃比过小时，由于氧气不足，导致燃烧不充分，会使尾气中的HC浓度增大。当空燃比过大或排气不畅导致燃烧室内废气过多时，火焰不能迅速传播引燃周围混合气，致使燃烧室内的部分区域由于燃料不足或残余废气过多而不能燃烧，出现断火现象。在上述情况下，排气中的HC浓度都会显著增大。（3）NOx的生成机理分析：柴油机尾气中的NOx主要是NO和NO2，其中含量较高的是NO，它主要来自于空气中所含的氮气在高温环境中燃烧后的产物。前苏联科学家泽尔多维奇通过相关试验研究后认为，在柴油机的缸体内同时满足高温、高压、和氧气三大条件的情况下，NO的生成过程可以由三个链式反应表示，即：与O2分子相比，N2分子的分解要困难的多。因此，引发上述链式反应的条件应该是是O2分子在高温下分解为氧原子，从而产生了后续的相关反应。所以说，NO的生成过程是以原子状态下的O切断N2分子的分子链作为开始的。拉夫那（Lavoie）等人在充分研究了泽尔多维奇提出的反应机理后认为，NO的生成过程除了包括以上三大反应机理以外，在反应机理之后，还应存在如下的反应机理:该反应式中的N均来自于反应式NO的生成，而在NO的生成过程中，N的生成速率主要取决于温度，并对温度有着强烈的依赖性。因此，柴油与氧气燃烧后NO的生成量在很大程度上取决于燃烧火焰的温度。后来，又有相关科学家总结出了氧的浓度对NO的生成率有相当大的影响。除此之外，因为化学反应的过程需要一定时间，因此氮和氧在高温环境中的滞留时间是影响NOx生成量的又一重要因素。综上所述，温度、氧气含量和氧与氮在高温下的滞留时间，是决定柴油机燃烧过程中NOx生成量的三大要素。由于柴油机燃烧过程中，氮的含量始终是足够的，因此不存在氮的浓度对NOx生成率的影响问题。（4）PM的生成机理分析：尾气中所有以固态存在的碳基颗粒物、未燃烧的液态燃油和润滑油以及其它无机类化合物等物质统称为颗粒物（PM）。PM可分成可溶性有机物与不可溶性有机物两部分。在可溶性有机物中，绝大部分是由润滑油产生的细小颗粒物，不可溶性有机物中的主要成分是碳烟颗粒。碳烟是燃料中的烃在高温环境中经过热裂解、脱氢等过程而形成的基本粒子。燃油雾化后，其分子在高温缺氧条件下的气缸内发生了热裂解反应并有一部分氧化，继而生成各种不饱和烃类，不饱和烃持续进行脱氢反应形成了原子级的碳粒子，然后不断彼此聚合形成了碳核。此时，烃和其他同为气态的物质在碳核的表面聚集粘合，碰撞和拦截机理使碳核不在这个过程中不断增大，成为碳烟基元；众多的碳烟基元经过彼此间的相互聚集粘合，最终形成了球状或者链状的多孔性碳基聚合物。在燃烧后期，气态未燃烃、碳酸盐以及水分子等继续被碳基聚合物吸附凝聚，从而形成了排放微粒。研究发现，燃烧过程中排放碳烟的浓度总是先升至最大值，然后开始下降，这说明大量的碳烟形成在燃烧的初期和中期，并且产生的碳烟中有很大一部分会在燃烧的后续过程中被引燃消耗。总而言之，影响PM形成的因素较为复杂。除空气过量系数、气缸内的燃烧温度和混合气在汽缸内的分布均匀程度以外，还与燃料所含成分的不同有较大的关系。例如，燃料的碳氢比、芳香烃的含量、游离碳及灰分等都要影响到PM的生成。并且碳烟的形成过程主要发生在燃烧的初期和中期，而氧化过程则主要发生在燃烧的中期和后期。3.2.2水洗净化机理湿式净化技术按照采用的吸收液的不同可分为碱吸收法、酸吸收法、水吸收法和络合吸收法等，湿式净化通常结构比较简单且易于推广。矿用防爆无轨胶轮运输车通常采用防爆冷却净化箱对柴油机尾气进行冷却和净化处理，以控制柴油机有害物质排放，保证井下巷道内的空气质量。本文采用纯水作为冷却净化介质，尾气在排放到大气前，经过冷却净化箱，通过水的过滤和溶解作用减少有害物质的排放。这一过程主要通过两大机理实现：一方面，当尾气排入水洗箱并在水中扩散后，由于水的阻力，部分颗粒物被水吸收并沉淀，可溶性有机成分则被水溶解吸收。另一方面，尾气热量使水温升高并蒸发形成饱和水蒸气，未沉淀的碳烟颗粒随气流进入水蒸气，吸收水分后以自身为核心形成聚水颗粒，随着气流在箱体内的扩散降温，聚水颗粒逐渐冷凝沉淀。(1)HC的水洗净化机理分析：水溶液对HC的净化效果主要表现在能溶解乙醛和部分极性化合物等具有刺激性和臭味的化合物，因此水洗净化能够有效的去除尾气中的刺激性气味，减少对呼吸道的刺激。(2)NOx的水洗净化机理分析：氮氧化物的净化主要通过下面的化学反应进行：因为氮氧化物易溶于水，所以纯水对于氮氧化物有着较好的净化效果，使其反应生成硝酸和亚硝酸，进而被水稀释。国外相关研究表明，应用水洗净化方法可以使柴油机尾气中氮氧化物的排放量降低32%～58%，这主要是受NO在水中溶解度不高的限制，通过添加催化剂或者改善净化结构后仍有较大的提升空间。(3)PM的水洗净化机理分析：尾气中的颗粒物PM从化学角度可分为两大类，一类是可溶解于有机溶液的SOF，其成分复杂，主要成分包括高沸点的HC，且其中的多环芳香烃具有很强的诱变和致癌特性，对人体有很大的危害性。另一类是不可溶解于有机溶液的碳烟颗粒，具有阻光特性，排入大气后将影响周围环境的能见度。相关分析实验的结果表明，在柴油机排放尾气的可溶性SOF中，主要化学组分为直链和支链烷烃，以直链烷烃为主；其次还包括部分的多环芳香烃，例如萘和菲等；此外还有较少量的烯烃和酯类。在柴油机处于最大扭矩和标定转速的工况下时，气缸内的温度相对较高，致使芳香烃在缸内燃烧消耗的比例增加，从而使其在尾气中的相对含量有明显降低；而当处于低负荷工况下时，尾气PM中的芳香烃含量有明显增大。这表明随着柴油机负荷的增大，以及气缸内温度的逐渐升高，参与到燃烧反应中的芳香烃比例也逐渐有所增加，从而使得尾气PM中的芳香烃含量降低。固态碳烟颗粒的脱除主要通过两种途径实现。一是利用水分子自身的“基核生成”特性来进行净化处理。根据水分子的该种特性，当粉尘等颗粒状杂质进入过饱和的潮湿空气或者水蒸气中时，便以杂质颗粒为中心开始形成基于杂质颗粒的水核，之后水核便会继续吸水增大直至变成体积较大的水滴。因此，在防爆柴油机的排气系统中引入过饱和水蒸气，使尾气PM中对人体危害最为严重的碳烟颗粒被水分子吸附，形成以碳烟颗粒为核心的大水滴，然后通过旋风脱除或者过滤沉淀等技术手段和除尘装置来实现对颗粒物质的脱除或者捕集，达到减少尾气中碳烟排放，改善巷道内空气质量的目的。另一个途径是通过化学溶液或者化学反应来改变碳烟颗粒的亲水特性，一方面增强炭烟颗粒在吸收剂溶液中的溶解效果，另一方面可同时改善溶液本身对碳烟颗粒的的吸收效果，从而提高吸收剂的吸收净化效率。第一种途径应用较为广泛，但其净化效果受碳烟亲水性的限制；第二种途径是近期尾气湿式净化研究的主要方向，但其对溶液的配比有较为严格的要求。3.3排气净化系统的组成通过前文的分析，确定了利用过滤体捕集和水洗净化相结合来减少有害物排放的技术方案。冷却净化箱作为排气净化系统中的重要组成部分，其内部结构和设计参数直接决定了对有害物质的净化效果，也间接对发动机的性能发挥产生影响。因此，对冷却净化箱及其内部过滤体的设计对整个防爆柴油机系统的性能具有重要意义。防爆柴油机的排气净化系统通常由带水套的波纹管（或弯管）、冷却净化箱以及防爆格栅组成。3.3.1冷却水套由发动机排出的高温尾气会将热量传递至排气歧管及后面的弯管等部件，使其壁面温度无法达到《矿用防爆柴油机通用技术条件》中对于整机壁面温度不得超过150℃的要求。因此需要通过对波纹管加装水套来实现水循环降温。对于水套的具体设计安装将在后续章节介绍。3.3.2冷却净化箱冷却净化箱也可称作水洗箱，是整个排气冷却净化系统中最主要的部件，通常主要由排气管、扩散腔、隔板、排气口等部分组成。由柴油机排出的高温尾气，经由波纹管进入水洗箱后，由排气管排入扩散腔，由于扩散容积增大，气体流速此时迅速减缓，并扩散至周围水溶液中。有时排气管上会留有等径的小孔（或狭长缝隙），其目的在于把废气以更高的速度射入水中，加强扩散效果。高温气体遇水后，发生热量交换，使得气体周围的水温升高并产生饱和水蒸气扩散到水洗箱上部空间。尾气中的可溶性有害物质在与水接触后被水溶解或稀释，部分固态碳粒也可以吸水沉积。其余未被净化处理的有害成分随着气流涌出水面，与水蒸气混合后沿着各隔板形成的导流腔前行。经过特别设计的隔板使气流迂回曲折，从而有足够的时间与水蒸气进行接触，使得余下的有害物质能充分的被气态水分子溶解吸收。随着导流距离的延长，温度不断下降，有害物质与水蒸气聚集成的大液滴可顺利冷凝回流至水箱下部，未冷凝的水蒸气则随着气流由排气口排入外界。这个过程在水洗箱内反复进行，起到了对尾气进行冷却和净化的作用。冷却净化箱的作用可总结如下：沉积，对不可溶的碳粒有效分散沉淀溶解，溶解可溶性有害物质并进一步稀释除味，溶解稀释各类刺激性气味的气体降温，满足尾气温度要求，减小对井下环境热污染消音，替代消音器的作用，减小排气噪音3.3.3存在的主要问题通过近十五年的发展应用，我国在自主研制防爆无轨辅助运输车辆方面已取得了巨大的进步，各类新型防爆技术不断应用到最新的防爆车辆上，各类防爆车辆无论是安全、舒适，还是环保等方面都有大幅度的提升，为我国未来的大型机械化煤矿的设计和开采奠定了坚实的基础。但由于防爆车辆自身工作环境的限制，防爆车辆在各方面仍然有很多亟需改善提高的地方。（1）防爆格栅的设计参数及安装位置导致其阻火缝隙极易被尾气中的有害成分和被水净化后生成的粘稠状物质堵塞，导致排气背压上升。通过图3-1，可清楚的看到防爆格栅逐渐损坏直至报废的过程。图3-1防爆格栅的报废过程（2）排气噪音大。主要是由于高速尾气由排气管进入水中时，形成了高速气道并产生过大气泡，引起排气噪音。（3）没有对净化后产生的粘稠状化合物进行有效的捕集，导致粘稠状物质直接喷射出水洗箱排气口，并飞溅至井下巷道内的墙体及地面，清理极为困难。（4）箱体内部结构设计有待进一步优化提高，以改善尾气净化质量和效率。（5）仅依靠尾气在水中的扩散来达到净化效果，使得水箱内必须有足量的水，这就导致发动机排气背压过大，功率损失严重。台架实验表明，柴油机经过防爆及冷却净化处理后的有效功率将损失20%之多，这样的直接后果就是造成油耗量大大增多。目前各大国有矿务集团均已把“节能减排”、“打造绿色矿区”作为增强各自集团核心竞争力的主要目标，然而各大矿区动辄上百辆的防爆车辆所造成的巨大燃油消耗和严重的尾气排放问题，是发展现代化绿色矿井必须首先解决的重要难题。3.4过滤体的设计为改善纯水对尾气中有害物质吸收净化的单一性，提高水洗箱的冷却净化效果，本文在水洗箱中增加过滤体结构，一方面可以加强水的净化效果，另一方面可以对净化后产生的粘稠状化合物进行有效地捕集，避免因冷凝回流不及时而排出水洗箱，造成二次污染。3.4.1过滤体材料的选择由于井下防爆运输车多用来运送人员及大型机械，且巷道内的路况恶劣，因此在选择过滤体的材料、设计过滤体结构时，需结合煤矿井下的实际工况，综合考虑各种因素。综合来说，过滤体的材料和结构需满足以下条件：（1）需要有较强稳定性，坚固耐用；（2）排气背压要尽可能小，保证发动机正常输出功率；（3）易清洗，或者造价低廉便于拆换；（4）净化及过滤效果明显。在国内外关于尾气后处理技术的研究实验中，颗粒捕集技术通常采用的材料是蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维和金属丝网。在这四大过滤材料中，国外科研机构和高校着重对壁流式蜂窝陶瓷和陶瓷纤维过滤体进行了相关研究，并且已经发展形成了较为成熟的技术体系，在实际生产中也得到了广泛的应用。壁流式蜂窝陶瓷的特点是耐高温、过滤效率较高、机械强度高；但是制造工艺较为复杂，对产品的检测也有较高的要求。另外在受热不均匀的情况下，陶瓷体易发生热应力损坏。国内很多高校也在近些年开始着力研究壁流式陶瓷过滤体的相关特性，但由于目前国内很少有企业具备生产高质量壁流式蜂窝陶瓷的能力，也限制了其进一步发展应用。陶瓷纤维也有较高的过滤效率，相关研究表明可达95%以上，并且能适应催化剂的使用要求，可与催化净化技术配合使用。但由于陶瓷纤维本身是一种脆性材料，在生产或者使用过程中易发生损坏，并且其制造工艺复杂，因而该过滤材料尚处于试验阶段。国内也有部分高校在研究泡沫陶瓷过滤体，其过滤效率为40%～70%左右，能满足常规过滤要求。但这种材料的强度不高，结构疏松，在尾气高速冲击或者安装壳体振动时易发生局部破损。综合比较后，金属材质的过滤体可以最大限度的满足煤矿井下生产条件对过滤体的几点要求，具有良好的应用价值。柴油机尾气经过水的冷却处理后，使水洗箱内部充满水蒸气，而陶瓷类过滤体本身具有一定的吸水性，因此箱内潮湿环境会使过滤体的吸附性能大大下降，并且可作为过滤体的蜂窝陶瓷或者陶瓷纤维等材料都无法承受高速尾气气流的冲击。本文选用不锈钢丝为原材料，形状如图3-2所示，图3-2不锈钢丝过滤体该种过滤体的特点在于：A．在尾气高速气流的冲击下，能保持外观及内部形状不变形；B．特殊结构能有效实现各类微粒拦截机理；C．耐腐蚀，且结构简单，成本低；D．具备良好的微粒物捕集效果。3.4.2过滤体的工作机理一方面，由于缠绕型过滤体的特殊结构，使得气流在通过过滤体时，不断折返、迂回，延长了尾气在水中的扩散距离，继而增加了尾气与水的接触时间，加强了对可溶性有害物质以及部分吸水颗粒的净化。另一方面，对于没有来得及在水中吸水沉淀的颗粒物，随气流离开液面后，过滤体主要通过以下四种机理进行捕集。A．碰撞拦截尾气进入过滤体后，体积较大的颗粒物与不锈钢丝体发生碰撞的机会较多，碰撞后被阻留在过滤体的缝隙中，或者直接粘附在不锈钢丝上。较小的颗粒物虽然一开始能随着气流绕过钢丝体在缝隙中继续前进，但由于过滤体内部结构的不规则，因此只要在后续的流动过程中颗粒物能接触到钢丝体的表面，就很容易被吸附截留。B．惯性拦截尾气气流在通过杂乱无序的不锈钢丝缝隙时，由于钢丝体的阻挡，气流的方向是不断发生无规则变化的，此时具有较大动量的颗粒会由于自身惯性过大而来不及跟随气流改变方向，在离心力的作用下会脱离原来的轨迹转而朝向钢丝体，进而发生碰撞拦截，这就是惯性拦截的机理。C．扩散拦截微观上，柴油机排放尾气的气体分子由于热运动，彼此之间不断发生碰撞，体积较小的颗粒就会产生轨迹不规则的布朗运动。如果整个气场中的颗粒浓度是均匀分布的话，那么小微粒的这种布朗运动并不会影响到颗粒物在宏观上的传输。然而由于过滤体对颗粒的碰撞拦截和扩散拦截，在过滤体气场中形成了浓度梯度，而浓度的变化又引起高浓度区的颗粒物开始向低浓度区扩散。这种由布朗运动引起的扩散传输，同样增大了颗粒物与钢丝体发生碰撞而被拦截的几率。理论上来说，扩散拦截效应大约在不锈钢丝体横截面前方呈120°扇形面的区域内起作用。D．重力沉降尾气在流经过滤体时，由于钢丝体对气流的阻碍以及气流通过缝隙后的相互干扰，使气速变缓，同时由于尾气在过滤体中有较长的逗留时间，体积较大的微粒还有可能由于自身重力的原因而脱离原来的运动轨迹，直接沉积在过滤体上。3.4.3过滤体的压力损失不锈钢丝过滤体的颗粒捕集效果和压力损失均与其孔隙度有着直接的关系。要想提高颗粒捕集率，就需要减小过滤体的孔隙度，提高其对于气流的干扰效果。与此同时，较低孔隙度导致了较高的排气背压，造成发动机功率损失增大，得不偿失。因而，需要在捕集效果和压力损失之间寻找最佳契合点，找出过滤体的通气压力随孔隙度的变化规律。由于缠绕型不锈钢丝的结构特性，可以通过调整加工过程中的张紧度，来实现过滤体具有不同的孔隙度。相关实验研究表明，为保证良好的颗粒捕集率，过滤体的孔隙度应不大于95%，即孔隙度越小，过滤体的捕集效率越高，但孔隙度减小的同时也意味着通气阻力的增大。因此，必须综合这两者来考虑过滤体的孔隙度，在保证过滤体捕集率的同时，其排气压力应尽可能的越小越好。3.5冷却净化箱的设计3.5.1水洗箱的性能要求首先，水洗箱的内部结构设计必须使其能有效地对气流进行分散，同时最大限度的避免结构对气速的衰减影响，以增大水和尾气的接触面积，并利于尾气在水中的扩散。另一方面，需满足水蒸气有足够的流程距离，以增加水蒸气和尾气的接触时间，加强对尾气中有害物质的进一步吸收。其次，水洗箱应具有良好的气、水分离能力，在尾气排出排气口前，其中夹杂的纯净水蒸气应顺利实现冷凝回流，以减少水的损耗量，并可在一定程度上进一步降低排气温度。第三，合理设计水洗箱水位，使其水容量既能满足对有害成分的净化要求，又要最大限度的减少因排气背压过大对发动机造成的性能损失。第四，水洗箱的有效补水容积要保证车辆持续正常工作8小时以上。第五，由于尾气被水净化后生成硝酸、亚硝酸和硫酸等酸性物质，因此水洗箱体应具备一定的耐腐蚀性。第六，受井下空间限制及防爆车辆自身设计需要，在满足排放标准的同时，水洗箱的外形尺寸要尽可能的小。3.5.2水下排气分析排气管在水下排气，形成气液两相流，这一流动状态可进一步分为四大区域：气泡形成区、自由扩散区、破碎区和喷涌区。气泡形成区即尾气从排气管管口脱离时，所形成的气液界面不断增大的区域。在自由扩散区内，气液界面不断扩大直至形成完整气泡并脱离管口，开始上浮并逐渐分散。这时，气泡具有一定的初速度和动能，能在自身下部产生尾流低压，吸引之后的气泡运动。两个独立气泡间可能合并，也可能以管径相连。破碎区是指各气泡在周围流场等因素的综合作用下，继续上浮并破裂成多个较小气泡，众多较小气泡可进一步扩散，使气泡分布面积逐渐增大，在液面附近形成气泡群。喷涌区是指气泡群中的小气泡从液面涌出，使液面局部升高并伴有液滴飞溅。液面升高程度与排气孔数，气泡大小、管口距液面距离等因素有关。研究利用破碎区和喷涌区这两个区域内的气液流动特点，合理设计尺寸参数，不仅可以延长气液接触时间和面积，改善尾气净化效果，同时可相对应的减少箱体内水溶液的体积，从而降低排气背压，保证发动机的正常输出功率。3.5.3整体布局水洗箱通常分为上下两部分，上层为气态反应区，下层为液态反应区。一般说，总希望有较大的气态反应空间，以减慢气体流速，增大水蒸气与废气的接触面积和接触时间，增强净化效果。但箱体容积常受井下空间限制，而且水量不易过大。一方面，水量大使发动机排气背压上升，排气不畅，不仅不利于发动机性能的有效发挥，而且导致排放问题加剧；另一方面，使水温上升缓慢，水蒸气量减少，使得气态反应的净化效果降低。对于水洗净化的形式主要有两种，一种是喷洒式吸收净化。其特征是在水洗箱中设置多个喷嘴，迎着尾气气流的方向喷洒细小液滴，液滴遇高温气体立即雾化，从而达到冷却净化的效果。其喷射压力来自于由曲轴皮带轮带动的外接水泵，水泵转速由柴油机的转速决定。当柴油机处于低转速时，排气量减少，但燃烧条件变差，有害物质排放增多，但此时喷嘴的喷水量却随着转速降低而减少，因而该种方式在低转速工况下不能很好的起到净化作用。同时，由于液滴的雾化速度快，导致排出水洗箱的尾气夹杂大量水蒸气，致使井下巷道内能见度降低，易发生事故。因此必须在排气口前设置除雾装置。另一种是水箱吸收净化。该方法是将尾气直接排入水洗箱中的水中，利用尾气在水中的扩散效应进行有害物质的初步净化，二次净化通过高温产生的水蒸气来增大与有害物质的接触面积和接触时间，实现对有害物质的双重净化效果。通常要求在水洗箱内设置过滤板，以定期清理净化后的沉淀物。这种结构形式能有效改善气雾夹带现象，减少了水的蒸发损耗。相关实验表明，经由水箱净化后排出的尾气温度不高于50℃，而湿度不大于95%，具有良好的冷却净化效果。结合防爆车的整车结构设计，采用水箱吸收净化法。将冷却净化箱的外形确定为长方体，用隔板隔成防爆补水腔和反应腔两个独立腔室，减少刹车及加速时液体晃动对补水精度的影响，同时利用液封效应避免了气液反应形成的粘稠化合物堵塞补水孔。在隔板下部开孔便于两个腔体内的液体流动。防爆补水腔内装有纵向防爆格栅，下部为补水区，通过监测箱体内水位高度实现实时补水；反应腔内为装有两层过滤体的反应筒。尾气排入水洗箱后，先由扩张腔进入防爆格栅，此时如果尾气中含有火星的话，在通过防爆格栅的平板狭缝时，火苗淬熄，实现防爆。之后通过收缩腔及弯管，由上自下进入反应筒排入水中。产生的尾气气泡经由安装在气泡破碎区的第一层过滤体后，可被进一步破碎成体积更为理想的细小气泡，增大了气液接触面积，可有效地实现有害物质的溶解吸收和初步的截留、吸附。尾气离开液面后，夹杂了大量的粘稠状反应化合物，这些化合物主要是吸水性颗粒物及其他化合物与水反应后的产物，随气流在箱体内扩散。因此，在喷涌区内，设置第二层过滤体。这一层过滤体的意义在于，由于过滤体自身的结构特点，气流在经过这一区域时，气速会有所降低，同时伴随着气流的相互碰撞、折返现象。因此，对于未来得及反应或吸收的颗粒物，以及粘稠状的反应化合物，在这里可以被高效拦截。同时，喷涌区飞溅至过滤体内的液滴，在其回流过程中，能进一步的吸收部分有害成分。3.5.4主要设计参数结合上一节的分析，设计反应筒直径D=220mm，高度h＇=270mm。同时，为进一步提高尾气排出管口时的速度并提高气流的扩散性能，在排气管末端做适当变径，并在管口处做扩口处理。在管口正下方处安装导流槽，以减少底板对气速的衰减影响。其他主要设计参数：排气口气体流速u=10m/s～20m/s；气泡上升速度约v=0.1m/s～0.3m/s；气泡上升时间t=0.5s～1.5s；液面高度：H=150mm～200mm。取排气口气体流速为u=10m/s，液面高度取H=160mm，排气管在水面以下约为150mm。则根据经验计算公式，喷涌区的液面升高高度为：即液滴最高可飞溅至距液面220mm的位置，考虑到过滤体对气流的减速，初步设计在距底板100mm处安装第一层过滤体，距底板135mm处安装第二层过滤体。3.5.5净化效果分析过滤初期，即尾气刚排出排气管时，由于流速过大，尾气在水中的扩散过程迅速而短暂，颗粒物及可溶性物质溶解尚不充分。之后，尾气气泡被第一层过滤体破碎，增大了与水的接触面积，这时水溶液可以吸收沉淀部分碳烟颗粒和可溶性有机成分，其比例约为60%～70%。其余有害物质随气流扩散离开液面并流入到第二层过滤体中。这期间，大量水蒸汽与碳烟颗粒结合，吸水颗粒彼此粘合并形成了纤维状的粘稠混合物，在气流的推动下，由于不锈钢丝的弯曲结构产生的碰撞、拦截效应，使得混合物流速不断降低，并最终粘附在不锈钢丝过滤体上。可溶性有机成分在这个过程中也被水蒸气充分吸收，其反应物部分被过滤体拦截，其余部分在扩散至排气口前冷凝回流。随着排气的进行，碳烟颗粒不断沉积，逐渐形成了粘稠状的碳烟混合物，造成了过滤体孔隙率下降，排气背压上升，发动机功率下降。因此，不锈钢丝过滤体使用一段时间后需要清洗再生或定期更换。3.6冷却补水系统的设计3.6.1冷却系统设计防爆柴油机工作过程中，其排气系统的循环水套和尾气冷却净化箱都将蒸发损耗大量水分。为满足安全法规要求，保证各系统的持续有效工作，必须设置补水系统。补水系统的作用在于：一方面实现冷却水套的内部水循环；另一方面对冷却净化箱实时补水。尾气通过波纹管时，尾气高温使水套里的歧管外壁附近的水温升高，水套内出现水温差，由于热水比重小，上浮时产生虹吸效应，带动整个冷却系统内的水产生微循环，冷水不断从水套下部补充，从而实现了循环降温。补水箱内设置挡板，减少水箱进、出水的水温干扰，以保证补水箱出水口的低温，使柴油机长时间工作后，仍对有效实现对排气管路的冷却降温。冷却系统的整体布置方案如图3-3所示：图3-3冷却系统的布置方案3.6.2补水系统的设计目前防爆柴油机冷却净化箱内的补水装置多为浮球阀式，利用浮球随着液面的起伏来控制补水开关的开启和闭合。发动机长时间工作后，箱体内反应生成的粘稠状化合物会粘附在浮球表面，随着反应的不断进行，导致浮球重力增加，对水位的控制精度降低。同时，该种装置补水口较小，极易被反应化合物堵塞。因此，箱体内补水装置是整个冷却净化箱内维修率最高的部件之一。为提高补水装置的稳定性，在补水箱与水洗箱之间设置密闭箱，并通过水位控制管和补水管与水洗箱连接，水位控制管管口与水面持平，补水管管口在水面之下，利用水位控制管作为控制水洗箱内水位升降的开关。当水面高于水位控制管管口时，液封效应使得密闭箱与两根水管形成了整体真空，可保持水位的稳定。图3-4补水系统的布置方案随着水的蒸发损耗，当水面低于水位控制管管口时，外界大气通过控制管进入密闭箱内，在大气压的压力下，密闭箱内的水通过补水管进入水洗箱内，直至水面再次将水位控制管管口封住。补水箱容积的设计按照如下计算过程确定：（1）车辆每小时通过燃烧柴油所释放的总能量N：式中——柴油热值，约为10000kcal/kg=41840；——有效比燃油消耗率，为0.233；P——柴油机标定功率，kW。（2）车辆每小时通过燃烧柴油所释放的总热量：（3）循环冷却水每小时冷却消耗的热量。防爆柴油机的水循环主要包括柴油机机体的冷却水和排气系统水套中的冷却水两部分，其冷却消耗的热量分别通过下面的公式进行计算。机体冷却水消耗的热量：=35208kJ/h式中——柴油比散热量，；P——柴油机标定功率，PS；排气水套冷却水消耗的热量通常为的0.3～0.4倍，取0.4，则（4）每小时进入冷却净化箱的热量：（5）每小时汽化的水量M，设水温为20℃：式中R——汽化潜热，kJ/kg。（6）保证防爆车能够有效工作8小时所需的水容积L：式中n——安全系数。因此，设计补水箱的容积为：可以满足防爆车连续正常工作时的续水要求。

4防爆阻火器的设计计算爆炸阻隔（隔爆）是一种利用隔爆装置将设备内发生的燃烧或爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道传播到其他设备中去的一种防爆技术措施。4.1阻火器介绍及选用4.1.1阻火器工作原理目前，机械阻火器的工作原理有两种理论。一种是热理论：机械阻火器常由大量只允许气体，但不允许火焰通过的细小通道或孔隙固定材料组成，当火焰进入这些细小通道后就会形成许多细小火焰流，由于通道或孔隙传热面积相对增大，火焰通过时加速了热交换，使温度迅速下降到着火点以下而使火焰熄灭。另一种是连锁反应理论，可燃气体在外界能源激发作用下，会因分子键受到破坏而产生活化分子，这些具有反应能力的活化分子发生化学反应时，首先分裂成自由基，这些自由基与反应分子碰撞几率随阻火器通道尺寸减小而下降，当通道尺寸减小到火焰最大熄灭直径时，这种器壁效应就为阻止火焰继续传播创造了条件。4.1.2阻火器的分类机械阻火器按用途不同可分为隔爆型、耐烧型和阻爆轰型等几种。隔爆型阻火器主要用于阻隔可燃物燃烧或爆炸火焰的传播，且能承载一定的爆炸压力作用；耐烧型阻火器主要用于可燃物燃烧火焰的传播，且能承载一定时间的燃烧作用；阻爆轰型阻火器主要用于可燃物从爆燃向爆轰转变火焰的传播，且能承载较大的爆炸压力的作用。按结构的不同可分为：金属网型阻火器、波纹型阻火器、泡沫金属网阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、填充型阻火器、复合型阻火器和星型旋转阀阻火器。4.1.3阻火器的选用根据不同机械阻火器的特点，选用平行板型阻火器，它由不锈钢薄板水平重叠而成，板间隙在0.3～0.7mm左右，以形成大量细小孔道，有利于承受较猛烈的爆炸作用，易于制造，且便于清扫。主要缺点是体积较大，流阻较大，多用于煤矿和内燃机的排气系统。4.2阻火器性能参数的计算4.2.1气体熄灭直径。使火焰不能继续传播的阻火器的最大通道直径称为气体熄灭直径。气体熄灭直径大小取决于气体种类，并直接关系到阻火器的阻火性能。在设计阻火器时，应根据可燃气体燃烧速度选取熄灭直径，已知柴油的主要成分为15～19烷。一般来说，阻火层通道或孔隙直径可按气体熄灭直径来选取，但由于爆燃火焰速度远快于标准燃烧速度，因此，在实际设计中，阻火层通道或孔隙直径按半气体熄灭直径选取，当然也可通过增加阻火层厚度来提高阻火器效能。阻