防爆柴油机的防爆性改造方法研究Word文件下载.docx
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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50～60%。
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50～60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70～80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[4][5]。
开发的机型主要有美国卡特彼勒公司的Cat3306、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300kW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150～300kW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]。
（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
2.1.1AutoCAD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的主要功能[10][11]：
（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：
AutoCAD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ObjectARX、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。
2.1.2Pro/ENGINEER软件概况
Pro/ENGINEER是由美国参数化技术公司（ParametricTechnologyCorporation）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[12][13][14]。
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[15][16]。
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。
2.1.2.1Pro/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，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。
2.1.2.2Pro/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2.1Pro/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；
ANSYS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[20][21]。
2.2.2.2ANSYS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
升级会员 