大型礦用挖掘機風道壓力損失的計算

嚴雅婧， 孟晶悅， 張 龍

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

引言

大型礦用挖掘機主要應用于露天礦的開采，其工作條件惡劣、粉塵濃度大，因此選取合理高效的通風除塵系統對于大型礦用挖掘機可靠工作是至關重要的。

空氣在風道中流動過程中的阻力是由于與風道管壁摩擦所引起的機械能損失，該阻力的大小與流體本身物理性質、流動狀態及管道壁面形狀等因素有關。對風道內空氣流動過程中的壓力損失的計算，對于通風機的選取、風道合理設計改進有重要的意義。

1 結構簡介

太原重工股份有限公司（以下簡稱太重）開發的35 m3機械挖掘機通風除塵裝置主要由底座、濾筒除塵器、風帽、通風裝置等部件組成，見圖1，其中深色部分為風道。其工作流程為：離心風機不斷將經濾筒過濾后清潔的空氣通過風道送到機棚及電氣間內，對電器設備進行強迫通風散熱。濾筒過濾后的灰塵進入集灰斗，通過螺旋輸送機和旋轉卸灰閥經由排灰軟管排出機外。35 m3通風除塵系統風道有2條，現將風道分別編號為風道一、風道二，見圖2。

2 壓力損失的計算

氣體在管道內流動是依靠風機所提供的能量，研究表明，這些能量一部分用來克服管道的摩擦壓力損失，另一部分是用來克服管道的局部結構突變所產生的局部阻力和管道出口的動壓力損失[1]。太重以風道一為例，計算了以上兩分部分的壓力損失。

圖1 通風除塵系統結構示意圖

圖2 風道UG三維模型

2.1 沿程壓力損失的計算

由流體力學能量守恒的基本思想可知，單位質量流體在管道中的沿程阻力損失可表達為單位質量流體克服壁面內摩擦力所做的功。當流體以平均流速c通過內徑為D、單位長度的一段圓管時，其壓力損失為[2]：

式中，Δpf為單位長度通風管道沿程壓力損失，又稱比摩阻Pa/m，λ為摩擦系數；D為通風管道內徑，m；c為流道截面流體的平均速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

考慮到風道布置及外觀協調性，太重所設計的風道截面為矩形，研究中需要采用當量直徑來代替(1)式中的圓管直徑：

式中，Dε為矩形風道當量直徑；a為風道截面矩形長度；b為風道截面矩形寬度。

空氣在風道中可能存在2種運動狀態：層流和紊流[3]，影響流態各因素組成一個綜合的無因次量數—雷諾數Re，且當Re＜2 320時為層流，當Re＞2 320時為紊流。

式中，ξ為流體的運動粘度，m2/s。

若流體流動狀態符合層流特性，則采用以下修正公式計算其相應的阻力系數。

式中，C為非圓形流道截面形狀修正系數，此處取C=57。

對于35 m3挖掘機通風除塵系統，太重選擇了通風量為L=20 000 m3/h的通風機，相應的可得到風道截面流體的平均速度c。

已知條件：空氣密度ρ=1.2 kg/m3；通風量L=20 000 m3/h；空氣運動粘度ξ=15.06 m2/s；風道截面矩形長度a=500 mm,風道截面矩形長度b=494 mm；風道一總長度l=3 835 mm。由公式（1）~（5）可計算出風道比摩阻。

2.2 局部壓力損失的計算

在研究的過程中，發現通風系統中由局部阻力所造成的能量損失在整個通風系統中壓力損失占有相當大的比重。由于布局的限制等原因，風道中的管件種類繁多、結構多樣，空氣在風道的進出口、管徑擴大或縮小等局部位置時，空氣的流動形勢極為復雜，所以大多數的局部阻力系數通過實驗得到[4]。 克服阻力所消耗的機械能可表示：

式中，ξ為局部阻力系數；c為流道截面流體的平均速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

圖3 管壁粗糙度對摩擦阻力的修正系數

由于風道轉彎會對空氣流動產生一定的阻礙作用，故風道一主要會在3個部分出現壓力損失。由相關設計手冊[5]可以查得以上3種情況對應的局部阻力系數為：ξ1=1.480，ξ2=0.213，ξ3=0.207。

3 計算結果及分析

由2.1及2.2內容可得出，空氣流經風道一的總壓力損失Δp1=ΔPf+Δpfj= 37.89+ 5 76.60 = 6 14.48Pa 。

類似的，計算出了空氣流經風道二的總壓力損失Δp2=ΔPf+Δpfj= 66.78+ 9 38.97 = 1 005.73Pa。

對于35 m3挖掘機配備的風機轉速為1 600 r/min，全壓為P風機= 2 303 Pa，則Δp1＜ Δ風機， Δp2＜ Δ風機。

由上述分析可以看出在該風道結構所導致的壓力損失下，風機是可以保證空氣的正常流通的。

此外，計算風道比摩阻對于通風管道設計也具有指導意義，比摩阻過小，風道的加工成本高經濟性不佳；反之，比摩阻過大，需要配備較大的風機，運行成本增加。

4 結語

本文對于風道壓力損失的計算為風機的準確選型提供了相關的依據。經實際生產驗證，本文中所設計風道可較好地滿足實際生產應用，且具有較好的經濟性。

[1] 《風機設計制造與質量檢測新標準及選型、安裝維護操作技術標準實用手冊》編委會. 風機設計制造與質量檢測新標準及選型、安裝維護操作技術標準實用手冊[M]. 徐州：安徽文化音像出版社,2005.

[2] 游英,魯程.矩形風道比摩阻的簡便計算方法[J].通風除塵,1996(2):47-48.

[3] 李詩久.工程流體力學[M].北京：中國建筑工業出版社,1981.

[4] 張玉成,儀登利,馮殿儀.通風機設計與選型[M].北京：化學工業出版社，2011.

[5] 續魁昌.風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.