濾筒式通風除塵裝置故障分析與設計改進

孟晶悅

(1.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024)

濾筒式通風除塵裝置故障分析與設計改進

孟晶悅1，2

(1.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機濾筒式通風除塵裝置的工作原理是在系統風機的作用下，將含塵氣流通過濾筒過濾，把清潔空氣送入機棚內；同時，在濾筒上的灰塵通過脈沖閥清灰，落入灰斗被連續排出。本文對該裝置在實際應用中發生的故障進行分析，從設計結構入手，對裝置底架鋼結構、風帽結構及其支撐、系統風機室結構、風機安裝底座、螺旋輸送機等進行了優化設計，優化除塵器的清灰方式，對濾筒系統的控制程序進行了合理的調控。改進后的濾筒式通風除塵裝置普遍應用于系列大型礦用挖掘機的工作中，為提高大型挖掘機的出鏟率提供可靠保障。

濾筒除塵器；故障分析；設計改進

在露天采礦中，大型礦用挖掘機用于露天礦表土的剝離、堆棄以及礦物的采掘和裝載工作。由于挖掘機是露天作業，特別是在露天采礦場工作的挖掘機，因粉塵嚴重，所以挖掘機的一些重要部件和設備等都放在機棚內，機棚除防風防雨外，還需要防塵、保溫。機棚的設計是封閉式的。為了保持機棚內空氣清潔，在挖掘機的后部，設計有通風除塵裝置，其作用是經過過濾的新鮮空氣由風機一直吹入到機棚內，涌入大量的空氣，使機棚氣壓增高，造成超高微壓，形成氣封，使外邊空氣從各縫隙不能進入機棚內部。機棚各縫隙之間加膠條密封，棚內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、下雨，粉塵都無法進入機棚內，保證機棚內的設備的清潔[1]。另一方面，通風裝置中通入機棚的清潔冷空氣還需對挖掘機機棚內的電器室內的電器元件進行散熱，保證其正常工作。

1 通風除塵裝置的工作原理及設計結構

1.1 通風除塵裝置的工作原理

大型礦用挖掘機的新型的通風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入集氣室，由于氣流斷面突然擴大，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、密度小的塵粒進入集氣室后通過布朗擴散和篩濾等的綜合效應就被濾筒表面截流，使粉塵沉積在濾筒的濾料表面。在系統風機的作用下，氣流通過濾筒過濾，清潔空氣被送入機棚內[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，阻力達到某一規定值時，進行清灰，此時脈沖控制儀控制脈沖閥的啟閉。當脈沖閥開啟時，氣包內的壓縮空氣通過脈沖閥經噴吹管上的小孔噴射出一股高速、高壓的引射氣流，從而形成一股相當于引射氣流體積1～2倍的誘導缺陷流，一起進入到濾筒內，使濾筒內出現瞬間正壓并產生鼓脹和微動；沉積在濾料上的粉塵脫落，掉入灰斗內被連續排出。

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所需要的時間為10～30 min。由于為低壓脈沖清灰，所以根據運行阻力情況，應把噴吹時間適當延長，而把噴吹間隔和噴吹周期適當縮短[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 通風除塵裝置的設計結構

大型礦用挖掘機的通風除塵裝置設計安裝在挖掘機的后部，需要與挖掘機的機棚后部聯接，其結構由裝置底架、濾筒除塵器、風帽及支撐等組成，而濾筒除塵器則由系統風機、集氣室、凈氣室、脈沖反吹、集灰斗及排塵的螺旋輸送機等組成。

2 通風除塵裝置使用中的故障分析及設計改進

新型的濾筒式通風除塵裝置應用于大型礦用挖掘機上，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系列大型挖掘機的使用過程中，裝置各部件經常出現故障，影響挖掘機的正常工作，本文結合挖掘機的實際工況，對各部件發生的故障進行分析并進行相應的設計改進。

2.1 裝置底架的故障分析及設計改進

2.1.1 裝置底架高度偏高產生的故障

裝置底架在整個通風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，裝置的下部與機棚的后部聯接。裝置的結構是上下兩層的鋼結構形式。由于濾筒除塵裝置安裝于挖掘機的后部，在挖掘機開始挖掘與回轉工作過程中，挖掘機機棚頂上的后部將產生劇烈的抖動，裝置底架高度偏高，導致其上的濾筒除塵器聯接不穩。且裝置底架的前部聯接有螺旋輸送機中的集塵斗，在裝置前壁上缺少維修孔，若輸送機出現問題，現場維修困難。裝置底架的結構如圖2所示。

圖2 裝置底架結構圖

2.1.2 優化裝置底架的設計結構

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

2.2 風帽及支撐結構的故障分析及設計改進

2.2.1 不合理的風帽結構產生的故障

風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風機吸入到濾筒中的空氣，進行前期預處理，即將空氣中的水氣及小石粒擋在濾筒除塵器外。前期裝置的風帽設計中，采用是前后立柱通過螺栓聯接在機棚及除塵器上。但由于挖掘機工作時產生大的抖動，導致立柱與機棚聯接處的焊接法蘭發生開裂，以至于風帽支撐搖晃。

2.2.2 改進風帽的設計形式

由原來的在機棚上有左右支撐、后部支撐的螺栓連接的大風帽優化設計為在除塵器頂上由銷軸連接的小型風帽。這樣，減輕了風帽的重量，增加了穩定性。同時，將除塵器內部鋼結構進行了加強。兩種風帽結構對比如圖3所示。

圖3 風帽改進前后的結構形式

2.3 濾筒除塵器系統風機的故障分析及設計改進

2.3.1 濾筒除塵器系統風機與凈氣室聯接不當產生的故障

在大型挖掘機上采用的濾筒除塵器中的動力是系統風機，即離心風機。風機的進風端需要與除塵器的凈氣室聯接，而出風口則需要于裝置底架的送入機棚的風道口聯接。前期的設計是采用軟接通過螺栓聯接，風機與裝置底架的安裝采用彈簧減震器，在實際挖掘機的工作中，由于挖掘機挖掘產生的沖擊力導致挖掘機機身抖動，軟接常常撕裂，彈簧減震器崩開，使得風量無法集中保證。另外，因離心風機安裝于密閉室內，有時需要更換檢修，而風機室的檢修門尺寸不合適。

2.3.2 改進系統風機室的設計結構

首先改進風機進風口及出風口處的聯接形式。將原設計中的出風軟接，改設計為剛性直插式，在剛性管與底架接口處留出一定的間隙，在裝置中的進風口處設計成硬連接筒形式。

將系統風機的底座由原來的彈簧減震器，改設計為彈性相對小的絕緣脂減震器，在系統風機室頂部增加設計鏈軌小車，在風機室鋼結構側板上設計維修門，便于系統風機的更換與維護。

2.4 濾筒除塵器中脈沖清灰系統的故障分析及設計改進

2.4.1 除塵器中電磁脈沖閥氣包安裝位置不合適產生的故障

在濾筒除塵器中，在濾筒后部設置有文氏管，在濾筒中線上設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，經文氏管引射進入濾筒內腔，并由多褶濾料外流，以清除濾筒上的灰塵。前期的設計中，電磁閥氣包的安裝位置尺寸不合適，導致電磁閥不易維修更換，在挖掘機實際工作中，電磁閥是屬于易損件。這樣，需要改進設計除塵器的脈沖清灰系統，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的設計改進

除塵器脈沖清灰系統結構見圖4。清灰系統的參數有噴嘴直徑，噴射距離S，文氏管的口徑及長度，這些參數合理與否，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構的設計外形尺寸。對現有結構中各件尺寸進行校核計算，以確保達到更加理性的清灰效果。

圖4 脈沖清灰系統結構

一般情況下，假設射流從管口(或噴嘴)噴出時，在出口斷面上速度的分布是均勻的。由于射流的空氣質點的運動，帶動周圍靜止空氣的質點運動，使射流的斷面不斷擴大，形成一個圓錐，圓錐的頂點位于管內一定距離，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，并存在式(1)關系[4]。

(1)

式中：α為紊流系數，對圓柱形噴管，α=0.08；φ為射流噴口的形狀系數，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計算見式(4)和式(5)。

(4)

即

(5)

確定了射程S的具體數值，合理設計出電磁閥氣包的安裝位置尺寸，留出中部的出風口要與風機有安全距離，便于電磁閥的更換與維修。同時，以此來確定了除塵器鋼結構的外形尺寸，使得其與裝置底架的聯接更加牢靠。

2.5 螺旋輸送機的故障分析及設計改進

2.5.1 螺旋輸送機排灰不暢產生的故障

當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，由螺旋輸送機將粉塵直接排到設備室外。由于大型挖掘機所要求的風量大，除塵器濾筒數量多，而螺旋輸送機整體安裝于除塵器下面，它的長度較長，集塵器側板與水平面夾角為55°，在集塵器下部連接螺旋輸送機，在螺旋輸送機的左端是帶傳動帶動星型卸荷閥，在螺旋輸送機右端安裝減速箱機、聯軸器和電機。在挖掘機工作時，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，導致螺旋輸送機無法正常工作，從而影響到整個除塵裝置。

2.5.2 螺旋輸送機的設計改進

在改進設計時，首先，加強螺旋輸送機的整體剛性，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縮小，增加螺桿葉片與輸送機鋼結構底部的距離，以防止螺旋輸送機在工作過程中與鋼結構底部發生干涉現象。考慮到螺旋輸送機方便安裝，在輸送機的驅動裝置側設計為鏈式聯軸器，這樣的聯軸器不但可以補償安裝時難免存在的一定相對偏差，還可以補償螺旋輸送機在運轉過程中出現的相對位移[5-6]。

2.6 合理調節除塵器的電氣控制程序

對除塵裝置的機械結構進行了改進設計之后，結合挖掘機實際工況，對除塵裝置的電氣方面的控制程序也進行了合理調節。

2.6.1 合理調節風機電機的開啟和關閉程序

設定開關，當環境溫度低于-30 ℃時，啟動電加熱器，風機運轉時電加熱器關閉，風機停機時電加熱器一直開啟；當溫度高于-30 ℃時，電加熱器一直關閉。

2.6.2 合理調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，反吹持續時間0.1s，所有脈沖電磁閥順序進行；PLC在脈沖反吹閥間隔與反吹持續時間的控制設置為可調節的。

2.6.3 合理設置除塵器中運行阻力的監控程序

在電控柜內設置壓力變送器監控除塵器運行阻力，壓力變送器開關設置在除塵器運行阻力達到1 200Pa時，壓力變送器向PLC傳遞信號，可以調節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行。2.6.4 合理調節螺旋輸送機和星形卸灰閥的控制程序

螺旋輸送機電機開關控制由PLC完成，并且可以調節電機開啟關閉及運行間隔持續時間。由原來的每隔20～30min運行一次，每次運行持續時間是8～10min；調整為每隔8h運行一次，每次運行持續時間是15min。即當脈沖反吹電磁閥工作時，螺旋輸送機也開始工作，實現同步。螺旋輸送機同時配置星形卸灰閥，星形卸灰閥由自帶電動機作為動力，它的開啟與關閉與螺旋輸送機的開啟與關閉同步，并由PLC控制完成。這樣，有效地防止螺旋輸送機由于頻繁工作造成的停機故障。

3 結 語

通過對濾筒式通風除塵裝置在使用過程中的故障分析，發現原有結構中存在的問題，并提出相應的解決方案，將裝置各部件的鋼結構進行了優化設計，將濾筒系統的控制程序進行了合理的調控，有效地保證了濾筒式通風除塵裝置在挖掘機工作中的穩定性，進而為挖掘機機棚內提供清潔空氣，同時對挖掘機機棚內電器室散熱提供了可靠地保證。從某種意義上來說，降低了通風除塵裝置的故障率，有效的延長了挖掘機的使用壽命，為用戶提高了挖掘機的鏟出率。

目前，濾筒式通風除塵裝置成功應用于WK系列挖掘機WK-20(標準鏟斗斗容量為20m3)、WK-35(標準鏟斗斗容量為35m3)、WK-55(標準鏟斗斗容量為55m3)各機型中，至今已經出產40余臺各種型號的大型挖掘機，普遍應用于國內準格爾、江西銅業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.機械式挖掘機設計[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2] 張殿印，王純.除塵工程設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3] 譚天佑，梁鳳珍.工業通風除塵技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1984.

[4] 魏潤柏.通風工程空氣流動理論[M].北京：中國建筑工業出版社，1981.

[5] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[6] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2008.

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

山西省煤基重點科技攻關項目資助(編號：MJ2014-01)

孟晶悅(1966-)，女，工程碩士，高級工程師，從事礦山設備的設計及研究。

TD722

A

1004-4051(2017)05-0162-04