孟晶悅

(1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

濾筒式通風(fēng)除塵裝置故障分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

孟晶悅1，2

(1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機(jī)濾筒式通風(fēng)除塵裝置的工作原理是在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的作用下，將含塵氣流通過濾筒過濾，把清潔空氣送入機(jī)棚內(nèi)；同時，在濾筒上的灰塵通過脈沖閥清灰，落入灰斗被連續(xù)排出。本文對該裝置在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生的故障進(jìn)行分析，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)入手，對裝置底架鋼結(jié)構(gòu)、風(fēng)帽結(jié)構(gòu)及其支撐、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)室結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)安裝底座、螺旋輸送機(jī)等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化除塵器的清灰方式，對濾筒系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行了合理的調(diào)控。改進(jìn)后的濾筒式通風(fēng)除塵裝置普遍應(yīng)用于系列大型礦用挖掘機(jī)的工作中，為提高大型挖掘機(jī)的出鏟率提供可靠保障。

濾筒除塵器；故障分析；設(shè)計(jì)改進(jìn)

在露天采礦中，大型礦用挖掘機(jī)用于露天礦表土的剝離、堆棄以及礦物的采掘和裝載工作。由于挖掘機(jī)是露天作業(yè)，特別是在露天采礦場工作的挖掘機(jī)，因粉塵嚴(yán)重，所以挖掘機(jī)的一些重要部件和設(shè)備等都放在機(jī)棚內(nèi)，機(jī)棚除防風(fēng)防雨外，還需要防塵、保溫。機(jī)棚的設(shè)計(jì)是封閉式的。為了保持機(jī)棚內(nèi)空氣清潔，在挖掘機(jī)的后部，設(shè)計(jì)有通風(fēng)除塵裝置，其作用是經(jīng)過過濾的新鮮空氣由風(fēng)機(jī)一直吹入到機(jī)棚內(nèi)，涌入大量的空氣，使機(jī)棚氣壓增高，造成超高微壓，形成氣封，使外邊空氣從各縫隙不能進(jìn)入機(jī)棚內(nèi)部。機(jī)棚各縫隙之間加膠條密封，棚內(nèi)氣體可由提升鋼絲繩出口處排出。這樣，就形成了一個對流，任憑外面刮風(fēng)、下雨，粉塵都無法進(jìn)入機(jī)棚內(nèi)，保證機(jī)棚內(nèi)的設(shè)備的清潔[1]。另一方面，通風(fēng)裝置中通入機(jī)棚的清潔冷空氣還需對挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)的電器室內(nèi)的電器元件進(jìn)行散熱，保證其正常工作。

1 通風(fēng)除塵裝置的工作原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1 通風(fēng)除塵裝置的工作原理

大型礦用挖掘機(jī)的新型的通風(fēng)除塵裝置采用濾筒式除塵方式，其工作原理是：含塵氣流從除塵器的頂部進(jìn)入集氣室，由于氣流斷面突然擴(kuò)大，氣流中一部分顆粒粗大的塵粒在重力和慣性力作用下沉降下來；含塵氣流中的粒度細(xì)、密度小的塵粒進(jìn)入集氣室后通過布朗擴(kuò)散和篩濾等的綜合效應(yīng)就被濾筒表面截流，使粉塵沉積在濾筒的濾料表面。在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的作用下，氣流通過濾筒過濾，清潔空氣被送入機(jī)棚內(nèi)[2]。

濾筒式除塵器的阻力隨濾料表面粉塵層厚度的增加而增大，阻力達(dá)到某一規(guī)定值時，進(jìn)行清灰，此時脈沖控制儀控制脈沖閥的啟閉。當(dāng)脈沖閥開啟時，氣包內(nèi)的壓縮空氣通過脈沖閥經(jīng)噴吹管上的小孔噴射出一股高速、高壓的引射氣流，從而形成一股相當(dāng)于引射氣流體積1～2倍的誘導(dǎo)缺陷流，一起進(jìn)入到濾筒內(nèi)，使濾筒內(nèi)出現(xiàn)瞬間正壓并產(chǎn)生鼓脹和微動；沉積在濾料上的粉塵脫落，掉入灰斗內(nèi)被連續(xù)排出。

濾筒式除塵方式逐排濾筒順序清灰，脈沖閥開閉一次產(chǎn)生一個脈沖動作，一般情況下，所需時間為0.1～0.2 s；脈沖閥相鄰兩次開閉時間1～2 min，全部濾筒完成一次清灰循環(huán)所需要的時間為10～30 min。由于為低壓脈沖清灰，所以根據(jù)運(yùn)行阻力情況，應(yīng)把噴吹時間適當(dāng)延長，而把噴吹間隔和噴吹周期適當(dāng)縮短[2]。濾筒除塵器工作原理見圖1。

圖1 濾筒除塵器工作原理示意圖

1.2 通風(fēng)除塵裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

大型礦用挖掘機(jī)的通風(fēng)除塵裝置設(shè)計(jì)安裝在挖掘機(jī)的后部，需要與挖掘機(jī)的機(jī)棚后部聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)由裝置底架、濾筒除塵器、風(fēng)帽及支撐等組成，而濾筒除塵器則由系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、集氣室、凈氣室、脈沖反吹、集灰斗及排塵的螺旋輸送機(jī)等組成。

2 通風(fēng)除塵裝置使用中的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

新型的濾筒式通風(fēng)除塵裝置應(yīng)用于大型礦用挖掘機(jī)上，雖然濾筒式除塵器的除塵效果較前期惰性除塵器的除塵效果有了很大的改善，但在WK系列大型挖掘機(jī)的使用過程中，裝置各部件經(jīng)常出現(xiàn)故障，影響挖掘機(jī)的正常工作，本文結(jié)合挖掘機(jī)的實(shí)際工況，對各部件發(fā)生的故障進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2.1 裝置底架的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1.1 裝置底架高度偏高產(chǎn)生的故障

裝置底架在整個通風(fēng)除塵裝置中起承上啟下的作用，裝置底架的上部與除塵器連接，裝置的下部與機(jī)棚的后部聯(lián)接。裝置的結(jié)構(gòu)是上下兩層的鋼結(jié)構(gòu)形式。由于濾筒除塵裝置安裝于挖掘機(jī)的后部，在挖掘機(jī)開始挖掘與回轉(zhuǎn)工作過程中，挖掘機(jī)機(jī)棚頂上的后部將產(chǎn)生劇烈的抖動，裝置底架高度偏高，導(dǎo)致其上的濾筒除塵器聯(lián)接不穩(wěn)。且裝置底架的前部聯(lián)接有螺旋輸送機(jī)中的集塵斗，在裝置前壁上缺少維修孔，若輸送機(jī)出現(xiàn)問題，現(xiàn)場維修困難。裝置底架的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置底架結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 優(yōu)化裝置底架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在保證除塵器功能的基礎(chǔ)上，盡量降低裝置底架的整體高度，在WK-20(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為20 m3)、WK-35(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為35 m3)、WK-55(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為55 m3)等型號的挖掘機(jī)中，裝置底架的高度降低200 mm左右，同時對于底架與機(jī)棚后部聯(lián)接處加強(qiáng)的剛性，盡量減少焊接變形。在裝置底架前部下方對應(yīng)的集塵室處開帶有維修蓋的維修孔，以方便螺旋輸送機(jī)的維護(hù)。

2.2 風(fēng)帽及支撐結(jié)構(gòu)的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.2.1 不合理的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的故障

風(fēng)帽安裝于濾筒除塵器之上，它的作用是對從大氣中通過系統(tǒng)風(fēng)機(jī)吸入到濾筒中的空氣，進(jìn)行前期預(yù)處理，即將空氣中的水氣及小石粒擋在濾筒除塵器外。前期裝置的風(fēng)帽設(shè)計(jì)中，采用是前后立柱通過螺栓聯(lián)接在機(jī)棚及除塵器上。但由于挖掘機(jī)工作時產(chǎn)生大的抖動，導(dǎo)致立柱與機(jī)棚聯(lián)接處的焊接法蘭發(fā)生開裂，以至于風(fēng)帽支撐搖晃。

2.2.2 改進(jìn)風(fēng)帽的設(shè)計(jì)形式

由原來的在機(jī)棚上有左右支撐、后部支撐的螺栓連接的大風(fēng)帽優(yōu)化設(shè)計(jì)為在除塵器頂上由銷軸連接的小型風(fēng)帽。這樣，減輕了風(fēng)帽的重量，增加了穩(wěn)定性。同時，將除塵器內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。兩種風(fēng)帽結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

圖3 風(fēng)帽改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)形式

2.3 濾筒除塵器系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.3.1 濾筒除塵器系統(tǒng)風(fēng)機(jī)與凈氣室聯(lián)接不當(dāng)產(chǎn)生的故障

在大型挖掘機(jī)上采用的濾筒除塵器中的動力是系統(tǒng)風(fēng)機(jī)，即離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)端需要與除塵器的凈氣室聯(lián)接，而出風(fēng)口則需要于裝置底架的送入機(jī)棚的風(fēng)道口聯(lián)接。前期的設(shè)計(jì)是采用軟接通過螺栓聯(lián)接，風(fēng)機(jī)與裝置底架的安裝采用彈簧減震器，在實(shí)際挖掘機(jī)的工作中，由于挖掘機(jī)挖掘產(chǎn)生的沖擊力導(dǎo)致挖掘機(jī)機(jī)身抖動，軟接常常撕裂，彈簧減震器崩開，使得風(fēng)量無法集中保證。另外，因離心風(fēng)機(jī)安裝于密閉室內(nèi)，有時需要更換檢修，而風(fēng)機(jī)室的檢修門尺寸不合適。

2.3.2 改進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

首先改進(jìn)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口處的聯(lián)接形式。將原設(shè)計(jì)中的出風(fēng)軟接，改設(shè)計(jì)為剛性直插式，在剛性管與底架接口處留出一定的間隙，在裝置中的進(jìn)風(fēng)口處設(shè)計(jì)成硬連接筒形式。

將系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的底座由原來的彈簧減震器，改設(shè)計(jì)為彈性相對小的絕緣脂減震器，在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)室頂部增加設(shè)計(jì)鏈軌小車，在風(fēng)機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)側(cè)板上設(shè)計(jì)維修門，便于系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的更換與維護(hù)。

2.4 濾筒除塵器中脈沖清灰系統(tǒng)的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.4.1 除塵器中電磁脈沖閥氣包安裝位置不合適產(chǎn)生的故障

在濾筒除塵器中，在濾筒后部設(shè)置有文氏管，在濾筒中線上設(shè)有壓氣包和電磁脈沖閥。由壓力變送器向PLC傳遞信號使電磁脈沖閥動作，壓氣包中的壓氣由噴吹管噴出高速射流，經(jīng)文氏管引射進(jìn)入濾筒內(nèi)腔，并由多褶濾料外流，以清除濾筒上的灰塵。前期的設(shè)計(jì)中，電磁閥氣包的安裝位置尺寸不合適，導(dǎo)致電磁閥不易維修更換，在挖掘機(jī)實(shí)際工作中，電磁閥是屬于易損件。這樣，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)除塵器的脈沖清灰系統(tǒng)，以確定合適的電磁閥氣包的安裝位置。

2.4.2 除塵器中脈沖清灰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

除塵器脈沖清灰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。清灰系統(tǒng)的參數(shù)有噴嘴直徑，噴射距離S，文氏管的口徑及長度，這些參數(shù)合理與否，直接影響清灰效果。而噴射距離S的合理性又直接影響到除塵器鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)外形尺寸。對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中各件尺寸進(jìn)行校核計(jì)算，以確保達(dá)到更加理性的清灰效果。

圖4 脈沖清灰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般情況下，假設(shè)射流從管口(或噴嘴)噴出時，在出口斷面上速度的分布是均勻的。由于射流的空氣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，帶動周圍靜止空氣的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，使射流的斷面不斷擴(kuò)大，形成一個圓錐，圓錐的頂點(diǎn)位于管內(nèi)一定距離，圓錐的頂角為2θ，θ角稱為射流的極角[3]。

射流的極角大小與噴管的形狀及射流周圍空氣的擾動程度有關(guān)，并存在式(1)關(guān)系[4]。

(1)

式中：α為紊流系數(shù)，對圓柱形噴管，α=0.08；φ為射流噴口的形狀系數(shù)，對圓斷口射流，φ=3.4。

若噴嘴噴口的半徑為R0，射程為Si處的射流斷面半徑R的計(jì)算見式(2)或式(3)。

(2)

(3)

若射流出口流量為QAi，出口半徑為R0，則射程為Si處的流量QSi計(jì)算見式(4)和式(5)。

(4)

即

(5)

確定了射程S的具體數(shù)值，合理設(shè)計(jì)出電磁閥氣包的安裝位置尺寸，留出中部的出風(fēng)口要與風(fēng)機(jī)有安全距離，便于電磁閥的更換與維修。同時，以此來確定了除塵器鋼結(jié)構(gòu)的外形尺寸，使得其與裝置底架的聯(lián)接更加牢靠。

2.5 螺旋輸送機(jī)的故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.5.1 螺旋輸送機(jī)排灰不暢產(chǎn)生的故障

當(dāng)濾筒裝置將空氣中的過濾后，過濾留下的灰塵就會落入除塵器下面的集成室內(nèi)，由螺旋輸送機(jī)將粉塵直接排到設(shè)備室外。由于大型挖掘機(jī)所要求的風(fēng)量大，除塵器濾筒數(shù)量多，而螺旋輸送機(jī)整體安裝于除塵器下面，它的長度較長，集塵器側(cè)板與水平面夾角為55°，在集塵器下部連接螺旋輸送機(jī)，在螺旋輸送機(jī)的左端是帶傳動帶動星型卸荷閥，在螺旋輸送機(jī)右端安裝減速箱機(jī)、聯(lián)軸器和電機(jī)。在挖掘機(jī)工作時，若灰塵得不到及時有效的排出，大量的灰塵就會聚集在集塵器中，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)無法正常工作，從而影響到整個除塵裝置。

2.5.2 螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

在改進(jìn)設(shè)計(jì)時，首先，加強(qiáng)螺旋輸送機(jī)的整體剛性，將螺桿的直徑加大，以減小大跨距螺桿的下沉撓度；其次，將螺桿上葉片尺寸適當(dāng)縮小，增加螺桿葉片與輸送機(jī)鋼結(jié)構(gòu)底部的距離，以防止螺旋輸送機(jī)在工作過程中與鋼結(jié)構(gòu)底部發(fā)生干涉現(xiàn)象?？紤]到螺旋輸送機(jī)方便安裝，在輸送機(jī)的驅(qū)動裝置側(cè)設(shè)計(jì)為鏈?zhǔn)铰?lián)軸器，這樣的聯(lián)軸器不但可以補(bǔ)償安裝時難免存在的一定相對偏差，還可以補(bǔ)償螺旋輸送機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的相對位移[5-6]。

2.6 合理調(diào)節(jié)除塵器的電氣控制程序

對除塵裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)之后，結(jié)合挖掘機(jī)實(shí)際工況，對除塵裝置的電氣方面的控制程序也進(jìn)行了合理調(diào)節(jié)。

2.6.1 合理調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的開啟和關(guān)閉程序

設(shè)定開關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度低于-30 ℃時，啟動電加熱器，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時電加熱器關(guān)閉，風(fēng)機(jī)停機(jī)時電加熱器一直開啟；當(dāng)溫度高于-30 ℃時，電加熱器一直關(guān)閉。

2.6.2 合理調(diào)整脈沖反吹電磁閥的動作程序

采用PLC控制，每隔20s開啟一個脈沖電磁閥，反吹持續(xù)時間0.1s，所有脈沖電磁閥順序進(jìn)行；PLC在脈沖反吹閥間隔與反吹持續(xù)時間的控制設(shè)置為可調(diào)節(jié)的。

2.6.3 合理設(shè)置除塵器中運(yùn)行阻力的監(jiān)控程序

在電控柜內(nèi)設(shè)置壓力變送器監(jiān)控除塵器運(yùn)行阻力，壓力變送器開關(guān)設(shè)置在除塵器運(yùn)行阻力達(dá)到1 200Pa時，壓力變送器向PLC傳遞信號，可以調(diào)節(jié)的控制脈沖反吹電磁閥每隔10s開啟一次，開啟時間為0.2s，所有反吹閥按順序依次進(jìn)行。2.6.4 合理調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)和星形卸灰閥的控制程序

螺旋輸送機(jī)電機(jī)開關(guān)控制由PLC完成，并且可以調(diào)節(jié)電機(jī)開啟關(guān)閉及運(yùn)行間隔持續(xù)時間。由原來的每隔20～30min運(yùn)行一次，每次運(yùn)行持續(xù)時間是8～10min；調(diào)整為每隔8h運(yùn)行一次，每次運(yùn)行持續(xù)時間是15min。即當(dāng)脈沖反吹電磁閥工作時，螺旋輸送機(jī)也開始工作，實(shí)現(xiàn)同步。螺旋輸送機(jī)同時配置星形卸灰閥，星形卸灰閥由自帶電動機(jī)作為動力，它的開啟與關(guān)閉與螺旋輸送機(jī)的開啟與關(guān)閉同步，并由PLC控制完成。這樣，有效地防止螺旋輸送機(jī)由于頻繁工作造成的停機(jī)故障。

3 結(jié) 語

通過對濾筒式通風(fēng)除塵裝置在使用過程中的故障分析，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)中存在的問題，并提出相應(yīng)的解決方案，將裝置各部件的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將濾筒系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行了合理的調(diào)控，有效地保證了濾筒式通風(fēng)除塵裝置在挖掘機(jī)工作中的穩(wěn)定性，進(jìn)而為挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)提供清潔空氣，同時對挖掘機(jī)機(jī)棚內(nèi)電器室散熱提供了可靠地保證。從某種意義上來說，降低了通風(fēng)除塵裝置的故障率，有效的延長了挖掘機(jī)的使用壽命，為用戶提高了挖掘機(jī)的鏟出率。

目前，濾筒式通風(fēng)除塵裝置成功應(yīng)用于WK系列挖掘機(jī)WK-20(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為20m3)、WK-35(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為35m3)、WK-55(標(biāo)準(zhǔn)鏟斗斗容量為55m3)各機(jī)型中，至今已經(jīng)出產(chǎn)40余臺各種型號的大型挖掘機(jī)，普遍應(yīng)用于國內(nèi)準(zhǔn)格爾、江西銅業(yè)等大型露天礦以及南非、印度、智利等國外大型露天礦之中。

[1] 閻書文.機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

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Fault analysis and design improvement of the filter ventilation dust removal device

MENG Jingyue1，2

(1.Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China；2.Excavator Mining Equipment Intelligent Manufacturing State Key Laboratory，Taiyuan 030024，China)

The working principle of large mining excavator’s filter ventilation dust removal device is to filter air containing dust outside into the machinery house under the action of system fan，at the same time，the dust on the filter cartridge is cleaned by pulse valves and discharged continuously falling into the hopper.In the paper，the fault of the device occurred in the practical application is analyzed.Considering the design for structure，the steel structure of the device chassis，the structure of the hood and its support，system fan room structure，fan installation base，crew conveyor，etc is optimized design，the ash removal method of dust collector is optimized and the control program of the filter cartridge system is adjusted reasonable.The improved filter ventilation dust removal devices are widely used in series large mine excavator，to provide reliable guarantee for increasing the mobility rate of large excavator.

cartridge filter；fault analysis；design improvement

2016-11-26

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目資助(編號：MJ2014-01)

孟晶悅(1966-)，女，工程碩士，高級工程師，從事礦山設(shè)備的設(shè)計(jì)及研究。

TD722

A

1004-4051(2017)05-0162-04