曹毅杰

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，赤峰 024005）

0 引言

煤礦采掘機(jī)械化實現(xiàn)了煤礦作業(yè)的高產(chǎn)高效，同時煤礦井下綜采工作面等的產(chǎn)塵量也隨之增加，特別是呼吸性粉塵的增加加重了井下工作的危害。除塵設(shè)備著眼于從粉塵產(chǎn)生的根源處對粉塵進(jìn)行控制，是粉塵污染防治根本、簡單、經(jīng)濟(jì)的措施?，F(xiàn)有除塵風(fēng)機(jī)由于設(shè)計及使用等方面的原因，還不能對粉塵的擴(kuò)散進(jìn)行有效地控制，而且對呼吸性粉塵的降塵率也較差，難以有效地改善綜采工作面的工作環(huán)境。

針對某煤礦綜采工作面的實際應(yīng)用需求，設(shè)計制作了一套風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)。基于理論分析和試驗研究對風(fēng)機(jī)的射流風(fēng)幕集塵罩進(jìn)行了整體設(shè)計與參數(shù)設(shè)計；通過試驗對常用的除塵技術(shù)進(jìn)行對比，確定選用泡沫振動纖維柵除塵作為所設(shè)計風(fēng)動的除塵器；除塵風(fēng)機(jī)以風(fēng)動風(fēng)機(jī)為動力源，通過試驗對設(shè)計的風(fēng)動風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行了測試?，F(xiàn)場多次試驗測試結(jié)果表明設(shè)計的風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵機(jī)能夠達(dá)到很好的除塵效果。

1 射流風(fēng)幕集塵罩設(shè)計

射流風(fēng)幕集塵罩就是在機(jī)械集塵罩的邊緣固定射流管，然后在射流管上鉆出一定數(shù)量的射流孔，工作時壓縮空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入射流管再經(jīng)射流孔射出，形成空氣射流，進(jìn)而由于射流的擴(kuò)散作用使射流（部分）封閉相鄰射流間的縫隙，從而形成封閉性較好的隱形風(fēng)幕。

1.1 射流風(fēng)幕集塵罩控塵

射流風(fēng)幕集塵罩通過兩兩射流孔射流的疊加效果而實現(xiàn)控塵。當(dāng)集塵罩射流管多個射流孔同時噴射高壓氣流而形成多股平行射流時，射流會在射流前方一定距離出現(xiàn)干涉增強(qiáng)，進(jìn)而形成一個近乎密閉的射流錐面，防止射流錐體空間內(nèi)的含塵空氣向錐體外擴(kuò)散。同時要使射流風(fēng)幕集塵罩將氣幕控制范圍內(nèi)含塵氣流控制在幕內(nèi)而不外溢，還需要滿足如下兩個條件：1) 產(chǎn)生射流風(fēng)幕的氣流流場總動量應(yīng)不小于幕內(nèi)含塵氣流流場的總動量；2) 射流流場水平方向的速度分量應(yīng)不小于巷道水平反向含塵氣流的速度。滿足上述控塵基本條件情況后，除塵風(fēng)機(jī)動力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，將射流風(fēng)幕內(nèi)的含塵氣流吸入除塵器，實現(xiàn)空氣除塵。

通過合理的設(shè)計射流孔的個數(shù)、直徑及孔間間距等參數(shù)，便可在機(jī)械集塵罩前方5～10倍集塵罩直徑的地方形成一個控制粉塵源外逸的無形空氣幕，將盡可能多的含塵氣流吸入除塵器處理掉，而又不影響工人的視線和作業(yè)空間。

1.2 射流風(fēng)幕集塵罩設(shè)計

集塵罩的功能是匯集含塵氣體，然后通過管道將所吸入的含塵氣體送入除塵器內(nèi)進(jìn)行凈化除塵。綜采工作面滾筒割煤速度較快，所產(chǎn)生的粉塵比較分散，而煤礦現(xiàn)場塵源可視為直徑500mm的圓形塵源，故采用圓形傘式集塵罩。集塵罩連同除塵風(fēng)機(jī)一起安裝在掘進(jìn)機(jī)上靠近搖臂末端的位置，取塵源至罩口的距離為2.5m，結(jié)合《除塵技術(shù)手冊》可得集塵罩控制直徑為1.75m。掘進(jìn)機(jī)破碎割煤時粉塵以較高速度放散出來，為使距罩口最遠(yuǎn)點(diǎn)上的污染物能隨氣流進(jìn)入罩內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗射流風(fēng)幕集塵罩的控制風(fēng)速應(yīng)大于2.5～10m/s。綜采工作面空間狹小，且巷道內(nèi)機(jī)械設(shè)備難于搬運(yùn)，故而選用耐腐蝕、重量輕、易于安裝維修的薄鋼板作為集塵罩的制作材料。集塵罩最終的形狀表現(xiàn)為大圓直徑600mm、小圓直徑400mm、罩高150mm、吸風(fēng)量270m3/min 的薄鋼板圓形傘形集塵罩。

上述傘形集塵罩大圓邊緣焊接一個環(huán)形圓管，在管上開射流孔形成射流風(fēng)幕集塵罩，然后通過試驗對集塵罩射流環(huán)管上射流孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。預(yù)先在射流管上鉆不同直徑、不同間距的射流孔，然后將射流管一端封閉，另一端通入高壓壓縮空氣，逐次對某一直徑、某一間距的兩個射流孔進(jìn)行試驗（其余射流孔全部封閉），測出相應(yīng)的射流出口風(fēng)速、射流擴(kuò)散角和控制距離等參數(shù)，然后結(jié)合經(jīng)驗選取最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計值。進(jìn)行試驗后折中考慮射流距離和射流出口速度兩個參數(shù)，將射流孔直徑設(shè)計為3mm，相鄰射流孔之間的間距設(shè)計為25mm，同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況取環(huán)形管直徑為25mm、射流壓為0.4MPa～0.6MPa。

射流風(fēng)幕集塵罩的控塵效果可以用其密封效果和最大控制斷面兩個參數(shù)來表征，通過控塵試驗對所設(shè)計的射流風(fēng)幕集塵罩的控塵效果進(jìn)行測試。正常工作壓力0.4MPa～0.6MPa下試驗測試數(shù)據(jù)表明在射流孔直徑一定的情況下，隨射流進(jìn)氣壓力的增加，隔塵效率都大于85%，射流風(fēng)幕集塵罩的最大控制斷面直徑逐漸增大；同時經(jīng)計算可得漏氣率在5%～15%之間，射流風(fēng)幕集塵罩能夠密封住絕大部分含塵氣流。

2 除塵器除塵方法設(shè)計

井下綜采工作面現(xiàn)場常用的除塵方法包括濕式過濾層除塵、濕式金屬網(wǎng)格柵除塵、濕式振動纖維柵除塵及泡沫振動纖維柵除塵。通過試驗對比的各種除塵方法的除塵效率、風(fēng)阻及處理風(fēng)量等參數(shù)，確定適合風(fēng)動射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)的除塵器的除塵方法。

依據(jù)國標(biāo)GB482-95與GB481-93的要求，取煤礦煤樣經(jīng)對輥破碎機(jī)XPC-200×75進(jìn)行破碎，然后通過球磨機(jī)得到煤樣，再讓煤樣通過XSB-88頂出式振篩機(jī)，得到與煤礦現(xiàn)場試驗相近粒徑分布的試驗粉塵。試驗時將皮托管接到U 型壓差計的兩端，通過壓差計測量流速產(chǎn)生的動壓，進(jìn)而可根據(jù)公式計算出處理風(fēng)量；以入口速度為基準(zhǔn)進(jìn)行除塵器阻力系數(shù)的計算；除塵效率通過質(zhì)量法進(jìn)行測定。

整個測試裝置（如圖1所示）由發(fā)塵器、風(fēng)管、風(fēng)機(jī)、除塵器、風(fēng)速測定儀、阻力測定系統(tǒng)及粉塵濃度測定儀組成。粉塵發(fā)塵器的發(fā)塵量為0.5～12g/min，室內(nèi)空氣干、濕球溫度和相對濕度采用干濕球溫度計進(jìn)行測定，空氣壓力采用大氣壓力計加以測定，粉塵采樣儀選用FC-4，濾膜稱重選用FG328A(S)分析天平。制備待比較的各濕式除塵器系統(tǒng)，進(jìn)行試驗。

圖1 除塵實驗裝置原理圖

試驗結(jié)果表明：1) 濕式過濾層的全塵與呼吸性粉塵除塵效率均較高，但系統(tǒng)阻力較大，過濾層過段時間必須及時清洗更換；2) 濕式金屬網(wǎng)格柵的全塵除塵效率較高，但呼吸性粉塵除塵效率較低，且金屬網(wǎng)格柵金屬絲的交叉點(diǎn)部分容易積聚粉塵造成堵孔，必須及時清洗更換以減小除塵系統(tǒng)阻力；3) 濕式振弦柵的全塵和呼吸性粉塵除塵效率基本達(dá)到了礦用除塵器的要求，但由于其受過濾風(fēng)速影響，處理風(fēng)量小；4) 泡沫振動纖維柵兼具了振動纖維柵和泡沫除塵的優(yōu)點(diǎn)，除塵效率能達(dá)到93%以上，系統(tǒng)阻力小，且除塵效率基本不受風(fēng)速的影響。因此選用泡沫振動纖維柵作為風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)的除塵方法。

3 風(fēng)動式風(fēng)機(jī)設(shè)計

煤礦井下掘進(jìn)工作面動力除常用的電力外，還有液壓動力和風(fēng)動動力（壓縮空氣動力）。液壓動力較大且比較穩(wěn)定，但需要配備液壓油回路系統(tǒng)，系統(tǒng)比較復(fù)雜；而風(fēng)動動力只需一條進(jìn)風(fēng)管路，動力較好，還可以根據(jù)要處理的污風(fēng)量調(diào)節(jié)供風(fēng)量實現(xiàn)無極調(diào)速，其缺點(diǎn)是噪音相對較大，但可以通過噪音控制將噪音控制在允許標(biāo)準(zhǔn)以下。

風(fēng)動風(fēng)機(jī)馬達(dá)選擇氣動馬達(dá)，變載荷的場合使用時應(yīng)注意考慮的因素是速度范圍及力矩，而在均衡載荷下使用時其工作速度則是最重要的因素。通風(fēng)機(jī)葉輪選用玻璃鋼葉輪以避免由于通風(fēng)機(jī)外殼變形或馬達(dá)的偏心旋轉(zhuǎn)造成葉輪與通風(fēng)機(jī)外殼的摩擦產(chǎn)生火花造成不安全因素，葉輪葉片角度取35o，葉片數(shù)設(shè)計為6個，而葉片直徑則為560mm。風(fēng)機(jī)外殼材料也采用3mm厚的低碳鋼薄板，即將兩張規(guī)格為914mm×600mm的薄板經(jīng)折彎機(jī)折成180°半圓弧，然后將兩個半圓弧焊接即為風(fēng)動風(fēng)機(jī)的外殼。進(jìn)行風(fēng)機(jī)組裝時，將馬達(dá)置于風(fēng)機(jī)外殼內(nèi)中心位置，用角鋼將氣動馬達(dá)初步固定在風(fēng)機(jī)外殼正中心，布置好氣動馬達(dá)進(jìn)氣管和排氣管位置，將玻璃鋼葉輪安裝在氣動馬達(dá)上，旋轉(zhuǎn)葉輪觀察葉輪與風(fēng)機(jī)外殼之間的空隙，確保風(fēng)機(jī)葉輪與風(fēng)機(jī)外殼無摩擦碰撞。最后將氣動馬達(dá)固定牢固。

風(fēng)動風(fēng)機(jī)經(jīng)測試動力性能滿足實際需求，但存在較大噪聲。參照GB2888-82進(jìn)行了噪聲測試，射流風(fēng)幕射流過程產(chǎn)生的噪聲和風(fēng)動馬達(dá)工作時產(chǎn)生的噪聲分別為60dB和85dB，而其它的噪聲源聲級在20dB以下。通過優(yōu)化射流噴口的形狀、大小及圓滑度，在風(fēng)動馬達(dá)進(jìn)氣口安裝穩(wěn)流器，在馬達(dá)的兩個排氣口安裝消音器，在除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)壁上安裝吸音材料，成功地將除塵風(fēng)機(jī)的整機(jī)噪聲控制在了80dB以下，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

將設(shè)計的風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)除塵器和風(fēng)動風(fēng)機(jī)安裝于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中央的轉(zhuǎn)載機(jī)上（如圖2所示），而將射流風(fēng)幕集塵罩安裝在掘進(jìn)機(jī)搖臂上距切割頭中心約2.5m處。射流風(fēng)幕集塵罩和除塵器用可伸縮柔性骨架風(fēng)筒連接，射流風(fēng)幕集塵罩隨掘進(jìn)機(jī)搖臂方向的變化而變化，始終保持射流風(fēng)幕集塵罩和主要產(chǎn)塵位置方向一致，保證射流風(fēng)幕集塵罩將絕大部分含高濃度粉塵的氣流控制并吸入除塵風(fēng)機(jī)泡沫振動纖維柵除塵器，泡沫振動纖維柵除塵器中的泡沫由除塵器前端的壓氣式泡沫槍產(chǎn)生，在除塵風(fēng)機(jī)的后方布置泡沫液箱，泡沫液由供液泵壓入到泡沫槍在壓氣的作用下產(chǎn)生泡沫噴向振動纖維柵。整套風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)可隨掘進(jìn)機(jī)同步移動，避免頻繁安裝。

圖2 綜采工作面風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)布置圖

掘進(jìn)機(jī)工作時，風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)的吸塵風(fēng)筒可迅速將切割產(chǎn)生的大量粉塵吸走，而使工作面端頭無粉塵聚集，抽塵率可達(dá)80%～90%，極大的降低了粉塵濃度，改善了工作面的工作環(huán)境（如表1所示）。射流風(fēng)幕的最大控制半徑能達(dá)到2m，且密閉性較好，有地控制了集塵罩范圍內(nèi)的粉塵向罩外擴(kuò)散。機(jī)載除塵系統(tǒng)噪聲為80dB左右，且機(jī)載配套性好、安裝維修簡便。

5 結(jié)束語

以某礦的綜采工作面為實際應(yīng)用對象，通過理論分析和試驗研究設(shè)計制作了一套風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)。研究了射流風(fēng)幕集塵罩的設(shè)計，確定了射流風(fēng)幕產(chǎn)生方式，并通過射流實驗優(yōu)化出了射流風(fēng)幕集塵罩的射流參數(shù)。通過試驗對常用的除塵技術(shù)進(jìn)行對比，確定選用泡沫振動纖維柵除塵作為所設(shè)計風(fēng)動的除塵器，并試制了除塵器樣機(jī)。以風(fēng)動風(fēng)機(jī)為風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)的動力源，通過試驗測試了風(fēng)動風(fēng)機(jī)的性能指標(biāo)?，F(xiàn)場所進(jìn)行的多次試驗結(jié)果表明所設(shè)計的風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)與現(xiàn)場的掘進(jìn)機(jī)配套良好，對全塵和呼吸性粉塵都具有較高的除塵效率，有效地改善了井下工作面的工作環(huán)境。

表1 風(fēng)動式射流風(fēng)幕除塵風(fēng)機(jī)現(xiàn)場測試結(jié)果

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