防爆柴油機(jī)預(yù)熱減排隔爆電熱塞關(guān)鍵技術(shù)研究

李智偉

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國(guó)煤礦大部分分布在山區(qū)，冬季最低氣溫-10℃以下，渦流式防爆柴油機(jī)在5℃時(shí)就會(huì)啟動(dòng)困難，需要人為利用輔助設(shè)備給防爆柴油機(jī)加熱或在進(jìn)氣管中噴射低溫啟動(dòng)液?jiǎn)?dòng)車(chē)輛，嚴(yán)重影響了渦流式防爆柴油機(jī)車(chē)輛冬季的使用效率。地面渦流式柴油機(jī)普遍采用電熱塞加熱缸內(nèi)溫度解決冷啟動(dòng)和低溫排放問(wèn)題，但由于井下環(huán)境特殊要求，所有電氣設(shè)備必須采用雙線制，而地面普通電熱塞全部采用單線制，即負(fù)極搭鐵。由于井下電氣設(shè)備要求采用雙線制，普通電熱塞的結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足要求，研究隔爆電熱塞需要重點(diǎn)解決電熱塞底座和加熱棒之間的絕緣和連接問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)相關(guān)技術(shù)的報(bào)道，筆者通過(guò)深入研究，克服相關(guān)難點(diǎn)，研究出一款符合要求的隔爆電熱塞，并通過(guò)臺(tái)架、工業(yè)性試驗(yàn)，性能良好，解決了渦流式防爆柴油機(jī)在煤礦領(lǐng)域的推廣使用的瓶頸[1-4]。

1 工作原理

電熱塞安裝在柴油機(jī)缸蓋上，電熱塞前端插入渦流式內(nèi)，啟動(dòng)柴油機(jī)前，接通電源，經(jīng)過(guò)10～15 s預(yù)熱，電熱塞加熱棒前端產(chǎn)生950 ℃～1 150 ℃的高溫，使渦流室內(nèi)的溫度迅速上升。啟動(dòng)柴油機(jī)后，當(dāng)壓縮行程即將結(jié)束時(shí)，霧狀柴油直接與電熱塞接觸，到達(dá)或超過(guò)柴油的閃點(diǎn)溫度形成火源區(qū)，促使整個(gè)燃燒室燃燒，柴油機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)渦流式內(nèi)溫度的升高，有效促進(jìn)了柴油的霧化和空氣的混合，尤其是在柴油機(jī)啟動(dòng)后的后預(yù)熱階段，電熱塞繼續(xù)通電工作，可以減少柴油機(jī)煙的排放，降低燃燒噪音。

2 隔爆電熱塞結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

普通電熱塞全部采用單線制，電熱塞的外殼和加熱棒采用過(guò)盈連接形式，即電熱塞的外殼就是負(fù)極。隔爆電熱塞需要將加熱棒與電熱塞外殼之間做絕緣處理，同時(shí)長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作，絕緣物質(zhì)的絕緣和抗剪切性能不能衰減，此外隔爆電熱塞安裝在防爆柴油機(jī)缸蓋上,其安裝孔為標(biāo)準(zhǔn)孔,故底座和加熱棒之間的間隙狹小，在保證加熱棒和電熱塞外殼同軸度的同時(shí)，絕緣物質(zhì)的灌裝有較大難度；同時(shí)電熱塞長(zhǎng)期承受著缸蓋內(nèi)的高頻壓力，絕緣物質(zhì)在高溫下抗剪切性需好，電熱塞的結(jié)構(gòu)需能承受缸內(nèi)壓力。防爆后電熱塞因外殼笨重，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)倒T字形，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)下，底座和柴油機(jī)缸蓋連接部位抗剪切力要好[5-7]。

通過(guò)研究、測(cè)算，隔爆電熱塞的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由喇叭嘴、防爆電纜、橡膠圈、隔爆外殼、正極接線片、環(huán)氧樹(shù)脂、加熱棒、負(fù)極接線片、高溫絕緣膠、底座等組成。加熱棒用高溫絕緣膠固定在底座上，負(fù)極接線片用鎖緊螺母固定在加熱棒的不銹鋼護(hù)套上，正極接線片通過(guò)兩個(gè)螺母固定在加熱棒的正極棒上。正負(fù)極導(dǎo)線從防爆電纜中引出，防爆電纜用喇叭嘴、墊圈及橡膠圈固定在防爆外殼上。底座通過(guò)螺紋隔爆面固定在防爆外殼上，防爆外殼與底座內(nèi)部填充環(huán)氧樹(shù)脂。

1-喇叭嘴; 2-防爆電纜; 3-墊圈; 4-橡膠圈; 5-隔爆外殼; 6-正極接線片; 7-螺母; 8-環(huán)氧樹(shù)脂; 9-加熱棒; 10-鎖緊螺母; 11-負(fù)極接線片; 12-高溫絕緣膠; 13-底座。

2.1 耐高溫技術(shù)

加熱棒為隔爆電熱塞的核心元件，主要由正極棒、氧化鎂、不銹鋼護(hù)套及發(fā)熱絲組成。如圖2所示，發(fā)熱絲成線圈狀，裝在耐高溫的不銹鋼護(hù)套內(nèi)，與高溫高壓燃?xì)飧艚^。發(fā)熱絲的周?chē)顫M了絕緣性能及傳熱性能好的氧化鎂，它與不銹鋼護(hù)套之間是絕緣的。

1-正極棒; 2-氧化鎂; 3-不銹鋼護(hù)套; 4-發(fā)熱絲。

加熱棒采用特殊的不銹鋼材料制造，不僅耐高溫氧化，且防變形能力強(qiáng)。減少了使用過(guò)程中易出現(xiàn)的龜裂及變形現(xiàn)象[8]。采用縮管工藝將不銹鋼護(hù)套加工成階梯型，加大加熱棒與底座之間的間隙，使高溫絕緣膠固定充分，保證整體的絕緣性。

加熱棒與底座1 mm的間隙內(nèi)填充高溫絕緣膠，該膠在高溫和常溫下的絕緣性能均能滿足絕緣要求，并能在高達(dá)1 730 ℃的高溫下持續(xù)可靠工作。為保證絕緣性能，絕緣膠高于底座，接線片固定在絕緣膠上面，如圖3所示。

1-鎖緊螺母; 2-負(fù)極接線片; 3-包邊結(jié)構(gòu); 4-凹槽。

2.2 耐高壓技術(shù)

渦流式柴油機(jī)渦流式內(nèi)的壓力最高在5 MPa，通過(guò)測(cè)算，該膠的抗剪切性能完全能滿足需求，同時(shí)為了增加高溫絕緣膠和底座之間的抗剪切力，在將底座內(nèi)部加工成凹槽，同時(shí)設(shè)計(jì)包邊結(jié)構(gòu)，將高溫絕緣膠牢固的封閉在底座內(nèi)。此外在底座和防爆外殼填充環(huán)氧樹(shù)脂，進(jìn)一步增強(qiáng)該電熱塞的耐壓性[9]。

2.3 抗振動(dòng)技術(shù)

由于電熱塞的防爆設(shè)計(jì)，底座和柴油機(jī)缸蓋結(jié)合處在發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)下成為易斷裂處，通過(guò)合理設(shè)計(jì)底座和缸蓋的的緊固螺紋長(zhǎng)度，使得底座和缸蓋緊密貼合，從而消除結(jié)合處的剪切力，使得其在高頻振動(dòng)下不發(fā)生斷裂。

3 隔爆電熱塞的裝配工藝和裝備

高溫絕緣膠在常溫下流動(dòng)性較差，在1 mm的間隙內(nèi)灌注難度較大,成品率較低。其次防爆殼和安裝座之間的環(huán)氧樹(shù)脂也因結(jié)構(gòu)受限不便于填充。為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量及合格率，通過(guò)研究，研制出以下裝配工藝和裝備。

3.1 高溫絕緣膠灌注工藝和裝備

高溫絕緣膠灌注工藝和裝備如圖4所示。裝配前,不銹鋼護(hù)套采用縮管工藝加工成階梯型,以增大不銹鋼護(hù)套和底座之間的間隙。將底座通過(guò)止口在下固定座上定位，通過(guò)螺紋連接密封，下固定座上有加熱棒定位孔，以保證底座和加熱棒的同軸度以及加熱棒超出底座的長(zhǎng)度。上固定座通過(guò)螺紋固定在底座上面，并用密封圈密封，安裝完成后，上下固定座和底座之間形成一個(gè)密封腔，在灌注時(shí)，將高溫絕緣膠儲(chǔ)存在上固定座A口中，B口接入負(fù)壓裝置，通過(guò)負(fù)壓將高溫絕緣膠吸入到加熱棒和固定座之間狹小的縫隙中，待高溫絕緣膠從B口溢出時(shí)停止灌注。室溫固化12小時(shí)后，將連接好的加熱棒和固定座整體加熱到60～80 ℃保溫2小時(shí)，再緩慢加熱到150 ℃保溫2小時(shí)，緩慢冷卻到室溫即可。

1-高溫絕緣膠; 2-上固定座; 3-密封圈; 4-底座; 5-加熱棒; 6-下固定座。

3.2 環(huán)氧樹(shù)脂灌注工藝和裝備

在固化的加熱棒和固定座上安裝正負(fù)極片和防爆電纜，形成防爆加熱芯，將圓柱工裝安裝在防爆加熱芯上，然后將調(diào)配好的環(huán)氧樹(shù)脂灌注到圓柱工裝中，如圖5所示。此圓柱工裝內(nèi)徑和高度比防爆外殼小0.5 mm,待環(huán)氧樹(shù)脂固化后取出，安裝防爆外殼、橡膠圈、墊圈和喇叭嘴。

1-環(huán)氧樹(shù)脂; 2-圓柱工裝; 3-防爆加熱芯

4 試驗(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1.1 冷啟動(dòng)性試驗(yàn)

將裝配檢驗(yàn)合格的隔爆電熱塞，安裝在TY499ZDFB防爆柴油機(jī)上，在5 ℃、0 ℃、-10 ℃環(huán)境下預(yù)熱15 s，測(cè)試其啟動(dòng)時(shí)間，各測(cè)試3次記錄,見(jiàn)表1。

表1 冷啟動(dòng)試驗(yàn)

經(jīng)測(cè)試，在5 ℃～-10 ℃的環(huán)境溫度下，隔爆電熱塞預(yù)熱15 s，防爆柴油機(jī)在3 s之內(nèi)均能成功啟動(dòng)。

4.1.2 絕緣性試驗(yàn)

防爆柴油機(jī)在最大功率下工作8 h，用搖表測(cè)量不同時(shí)間段接線端子對(duì)外殼的絕緣電阻，工頻電壓(AC)550 V，絕緣電阻需≥50 MΩ,結(jié)果如表2所示。

表2 絕緣性試驗(yàn)

經(jīng)測(cè)試，隔爆電熱塞絕緣性能均能滿足要求。

4.1.3 耐壓和密封性能試驗(yàn)

滿負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后，拆除4個(gè)隔爆電熱塞對(duì)其水壓測(cè)試，試驗(yàn)壓力4 MPa，歷時(shí)15 s，測(cè)試其高溫工作后的耐壓能力和密封性能。

經(jīng)測(cè)試，4個(gè)電熱塞高溫工作后，水壓試驗(yàn)未有異常。

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

自2018年以來(lái)，此型號(hào)隔爆電熱塞已廣泛應(yīng)用在煤礦某型號(hào)防爆膠輪車(chē)上，累計(jì)裝車(chē)8 000余只，使用過(guò)程中，性能可靠，在低于5 ℃～10 ℃的環(huán)境溫度下預(yù)熱15 s，3 s內(nèi)能輔助車(chē)輛順利啟動(dòng)，啟動(dòng)后無(wú)明顯可見(jiàn)煙，效果較好。

5 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)符合防爆要求的隔爆電熱塞，成功解決了渦流式柴油機(jī)在煤礦領(lǐng)域使用的瓶頸，攻克了隔爆型電熱塞的雙線制設(shè)計(jì)以及在高溫、高壓和高頻振動(dòng)下的可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，采用負(fù)壓法對(duì)狹小空間灌裝流動(dòng)性較差的流體有一定的借鑒意義。同時(shí)，該類(lèi)電熱塞可廣泛應(yīng)用在各類(lèi)防爆柴油機(jī)上，作為低溫輔助啟動(dòng)裝置，解決低溫啟動(dòng)和排放問(wèn)題有較好的效果。