李民強，李國祥

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦選煤廠，河南 平頂山 467001)

多頭空氣炮破拱裝置的研制與應用

李民強，李國祥

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦選煤廠，河南 平頂山 467001)

簡要闡述了平頂山八礦選煤廠生產(chǎn)現(xiàn)狀及外來煤煤質(zhì)狀況，詳細分析了因煤倉棚堵而影響外來煤返運效率的原因，在對外來煤運輸系統(tǒng)與放倉工藝研究的基礎上，研制出多頭空氣炮破拱裝置，用以代替原直流吹風卸煤，從而大大提高了放倉返運速度，并降低了系統(tǒng)電耗。

煤倉；破拱裝置；多頭空氣炮破拱裝置；炮頭；安裝位置

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦選煤廠于1985年11月建成投產(chǎn)，設計能力為1.80 Mt/a，經(jīng)多次技術(shù)改造，目前洗選能力達5.00 Mt/a，生產(chǎn)采用原煤預先脫泥、三產(chǎn)品無壓重介旋流器、煤泥浮選聯(lián)合工藝流程。該廠入選原煤主要為八礦、十二礦、十三礦、首山礦、十礦、四礦等礦的己組煤，其中八礦原煤量約占1/3，其他礦原煤量約占2/3。生產(chǎn)時，八礦原煤直接通過膠帶運輸機進入選煤廠原煤倉，而其他礦原煤則通過外來煤運輸系統(tǒng)進入該廠原煤倉。由于該廠外來煤中<0.5 mm粒級的細顆粒含量約在30%以上，水分為7%～8%，煤質(zhì)較松散，靜止安息角為40°左右，因此易打團堵塞卸料倉，進而直接影響選煤廠的生產(chǎn)效率。為解決此問題，選煤廠組織技術(shù)力量，在對外來煤運輸系統(tǒng)與放倉工藝研究的基礎上，研制出了多頭空氣炮破拱裝置，用以代替原直流吹風卸煤，進而大大提高了放倉返運速度，同時降低了系統(tǒng)電耗。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

八礦選煤廠外來煤原采用的調(diào)入方式是：每次由機車調(diào)入22節(jié)60 t的K型自卸火車，將原煤卸入道軌下面單個體積為70 t的卸煤鋼倉；之后，卸煤倉內(nèi)的煤通過甲帶給料機進入膠帶運輸系統(tǒng)返運。在整個外來煤返運過程中，機車調(diào)入和卸煤由鐵路運輸處負責，基本屬于固定時間，影響外來煤返運的可控時間是卸煤倉內(nèi)的煤通過甲帶給料機進入膠帶運輸系統(tǒng)的返運時間。卸煤倉原設計采用φ66 mm的風管直接向每個卸煤倉的四壁單獨自流吹風卸煤，卸煤效率較低，嚴重影響甲帶給料機的運輸量，且耗時較長，特別是在煤濕、煤粘、煤結(jié)冰等特殊條件下，粘貼在倉壁的煤根本無法吹下，只能由工人使用大錘用力敲砸煤倉壁使堵煤下落，不僅勞動強度大，且有可能損壞鋼倉。另外，采用這種吹風卸煤方式需要開啟的空氣壓縮機臺時數(shù)較多，導致系統(tǒng)電耗較大。

在卸煤倉吹風方式改造前，八礦選煤廠每天只能完成調(diào)入外來煤機車6勾，每勾22車，每車60 t原煤，可返運原煤8 000 t左右。

2 解決方案

八礦選煤廠外來煤24個卸料倉采用的均是鋼制結(jié)構(gòu)，形狀相同，上口大、下口小，上部為方形，下部呈方錐形。在工作過程中，自上口進料，由下口排放料，物料自上而下靠自重下落，下落的物料由于在錐形容器內(nèi)流動，故越向下流動，面積越小，物料間相互擠壓現(xiàn)象越嚴重，導致磨擦系數(shù)增加，這是造成堵塞的主要原因。此外，物料的水分、粒度、溫度，物料在窗口容器內(nèi)存放的時間長短，容器壁磨擦系數(shù)大小也是形成堵塞的其他因素。

空氣炮又稱空氣助流器、破拱器、清堵器，是防止和消除各類型料倉、料斗、管道分叉處的物料起拱、堵塞、粘壁、滯留等現(xiàn)象的專用裝置。空氣炮主要由儲氣罐、炮頭、電磁閥等組成。其中：儲氣罐內(nèi)部一端連接炮頭，炮頭一端連接控制放炮的電磁閥，另一端對應連接在儲氣罐另一端的排氣管內(nèi)端。傳統(tǒng)空氣炮每個炮頭都需要一個儲氣罐，儲氣罐體積、質(zhì)量較大，占用空間多。由于八礦選煤廠外來煤卸煤鋼倉周圍空間狹小，無法安裝多臺空氣炮，因此設計出了炮頭外置的一罐多頭式多頭空氣炮破拱裝置，用以解決生產(chǎn)中的煤倉堵塞問題。

3 多頭空氣炮破拱裝置

3.1 結(jié)構(gòu)

多頭空氣炮破拱裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該破拱裝置設有一個帶有時序設定的微控制器和儲氣罐。微控制器用于控制空氣炮動作間隔或控制多個空氣炮的動作順序；儲氣罐的出氣口通過管道分別與多個炮頭的進氣口連接，進氣口則依次連接有油霧器、壓力調(diào)節(jié)器和空氣濾清器。工作時， 油霧器將潤滑油進行霧化并注入空氣流中，隨壓縮空氣流入需要潤滑的部位，達到潤滑的目的； 壓力調(diào)節(jié)器可根據(jù)工作現(xiàn)場需要隨時調(diào)節(jié)壓力，通過調(diào)節(jié)供氣壓力來控制放炮的沖擊力； 空氣濾清器可以清除空氣中的微粒雜質(zhì)，減少活塞工作時因吸入含有灰塵等雜質(zhì)的空氣加劇零件的磨損。此外，炮頭進氣口位置處的管道上設置有單向閥，炮頭的另一端連接有電磁閥。該破拱裝置占用空間小，不會加重倉體負擔，設備投資成本也較小。其主要部件結(jié)構(gòu)及功能如下：

1—儲氣罐；2—油霧器；3—壓力調(diào)節(jié)閥；4—空氣濾清器；5—電磁閥；6—檢修閥門圖1 多頭空氣炮破拱裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of multi-head air cannon flow aiding machine

(1)炮頭。如圖2所示，與傳統(tǒng)空氣炮相比，該裝置實現(xiàn)了罐體與放炮裝置的成功分離，體積小，重量輕，打破了目前市場上產(chǎn)品形式單一、安裝方式單一的現(xiàn)狀，大大節(jié)約了安裝空間和設備成本。在彈簧9與炮體端蓋法蘭6之間安裝有緩沖彈簧座8，解決了彈簧與后端蓋之間剛性連接時，因沖擊力過大而造成的彈簧斷裂事故，可對其進行緩沖保護，同時避免了每次放炮后彈簧在炮頭腔體內(nèi)中心位置的偏移，起到了對彈簧位置的有效校正。此外，活塞10為含有鏈子線的高質(zhì)橡膠復合型密封活塞，活塞上部設置有兩道氣體密封環(huán)12，活塞一端設置有環(huán)形凹槽，用來固定彈簧，并且采用橡膠墊減振。

(2)噴吹管。如圖3所示，噴吹管的端部為斜面，并焊接有封堵鋼板，封堵鋼板2對面的噴吹管側(cè)壁上開有橢圓形的噴吹放氣孔一，封堵鋼板2側(cè)面的噴吹管側(cè)壁開有噴吹放氣孔二，目的是使放炮時吹出的氣流在密閉的料倉內(nèi)形成一個向下的旋轉(zhuǎn)氣流，更利于物料的吹落。

1—殼體；2—排氣管；3—噴吹管；4—進氣管；5—上法蘭；6—下法蘭；7—缸套；8—彈簧緩沖座；9—彈簧；10—活塞；11—環(huán)狀凹槽；12—密封圈；13—電磁閥圖2 炮頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of cannon head

1—噴吹管；2—封堵鋼板；3—噴吹放氣孔一；4—噴吹放氣孔二圖3 噴吹管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of jet tube

3.2 工作原理

當倉體發(fā)生堵塞時，圖2中的電磁閥13處于關閉狀態(tài)，彈簧9所處的空間內(nèi)事先已經(jīng)以特定的方式充有一定壓力的氣體，使活塞10位于炮頭排氣口的位置，堵住排氣管2，使氣體不能從炮頭排氣口噴出； 然后，開啟電磁閥13，將彈簧9所處的空間內(nèi)的氣體放出，使壓力變小，迫使活塞10向下法蘭6方向快速移動，使儲氣罐中的氣體通過炮頭的排氣管2從噴吹管3的兩個噴吹放氣孔中噴出，從而完成一次放炮過程。這種突然釋放的膨脹沖擊波可以克服物料間的靜摩擦，使容器內(nèi)的物料恢復流動。該方法是利用空氣動力原理，以空氣為工作介質(zhì)，由一差壓裝置和可實現(xiàn)自動控制的快速排氣閥，將空氣壓力能瞬間轉(zhuǎn)變成空氣射流動力能，進而產(chǎn)生強大的沖擊力，是一種清潔、無污染、低耗能的理想清堵設備。

該空氣炮破拱裝置在實際運行中可采用自動方式或手動方式運行。自動控制系統(tǒng)可由空氣炮自動控制儀發(fā)信號開始啟動第一臺炮頭，系統(tǒng)延遲一定時間后，啟動第二臺炮頭，以此類推。相應的炮頭啟動后，系統(tǒng)延遲一定時間后再開始下一個循環(huán)控制，所有延遲時間均可隨時調(diào)整。手動控制功能允許操作人員切換至手動后由操作人員啟動各個快排閥按鈕，作相應的炮頭啟動。

3.3 最佳安裝位置確定

經(jīng)過對料倉結(jié)構(gòu)進行分析與現(xiàn)場考察，最易起拱、堵塞的部位是在垂直倉壁與錐形料斗結(jié)合部及其下部，所以布炮重點位置也應在此范圍。經(jīng)調(diào)研與試驗，煤倉棚煤后的形狀大致分為橋型、漏斗形、拱形、壁爐形等幾種情況，堵塞部位多在煤閘板以上1.5 m以內(nèi)，在這個范圍內(nèi)，起初煤開始在某處粘結(jié)成薄層物料，粘結(jié)后摩擦力增大，然后朝軸向或者徑向延伸，厚度逐步增加，最終形成不同形狀的搭橋、堵塞，造成斷流。因此，對多頭空氣炮破拱裝置安裝位置應進行合理選擇，針對易堵部位合理確定炮頭在料倉中安裝位置，從而有利于破拱。

圖4所示為空氣炮破拱裝置在煤倉安裝時的俯視圖。該煤倉倉體為方形，儲氣罐設置有兩個出氣口，分別通過兩通管和三通管連接在兩個不同的倉體上，一個煤倉倉體上設置有四個炮頭，均勻設置在倉體的四壁上，炮頭和噴出管中心位置選擇在離料倉四個角200 mm處，高度是距出料底口向上1 500 mm。安裝時，需將噴吹管安裝在倉體內(nèi)，采用水平方向安裝，噴吹放氣孔一朝向倉體底部，噴吹放氣孔二朝向距離其比較遠的倉體側(cè)壁。

同時，也可根據(jù)物料倉大小、高度等需要，針對各種情況，在容易起拱處按角度分層次布置若干臺空氣炮組成一個操作系統(tǒng)進行工作。一般來講，布炮的層距為0.9～2.5 m，間距為3 m左右，且交錯配置。

圖4 空氣炮破拱裝置安裝俯視圖Fig.4 Installation vertical view of air cannon flow aiding machine

上述方法只是一般選擇方法，至于一個料倉需如何布炮，要視具體情況而定。

3.4 技術(shù)特點

多頭空氣炮破拱裝置的技術(shù)特點為：

(1)炮頭上進氣管位置布置合理。進氣管垂直對應活塞缸出氣口，工作時一旦彈簧收縮，部分氣流便直接由放炮吹走，部分氣流進入腔體，當腔體氣流壓力小于彈簧壓力，彈簧立即推出。

(2)在彈簧與炮體端蓋法蘭之間安裝有緩沖彈簧座，該緩沖彈簧座為與彈簧直徑相同的耐磨凹凸墊片，解決了因彈簧與后端蓋剛性連接時，因沖擊力過大造成的彈簧斷裂事故，可起緩沖保護作用，同時避免了每次放炮后彈簧在炮頭腔體內(nèi)中心位置的跑偏，可對彈簧位置進行有效校正?；钊欢嗽O置有環(huán)形凹槽，用來固定彈簧，并且采用橡膠墊減振。

(3)伸入放料倉內(nèi)的炮頭噴吹管設計獨特。炮頭噴吹管端部設計成45°斜面角，焊有封堵鋼板，杜絕了空氣炮在破壞物料棚堵后，物料沿桶壁下滑時進入噴吹管，也避免了在此處棚物料而發(fā)生堵塞。斜面封堵鋼板下面的圓管上開橢圓形的噴吹放氣孔，為主噴吹卸料裝置口，斜面封堵鋼板下面的圓管單側(cè)方開一個小側(cè)口，目的是使其放炮時吹出的氣流在密閉的料倉內(nèi)形成一個向下的旋轉(zhuǎn)氣流，更利于物料的吹落。

(4)系統(tǒng)設置有油霧器，可以將潤滑油進行霧化并注入空氣流中，隨壓縮空氣流入需要潤滑的部位，達到潤滑的目的。

(5)系統(tǒng)設置有壓力調(diào)節(jié)器，可根據(jù)工作現(xiàn)場需要隨時調(diào)節(jié)壓力，通過調(diào)節(jié)供氣壓力來控制放炮的沖擊力。

(6)系統(tǒng)設置有空氣濾清器，可以清除空氣中的微粒雜質(zhì)，以避免活塞工作時因吸入含有灰塵等雜質(zhì)的空氣而加劇零件的磨損。

(7)每個炮頭管路單獨設置一個單向閥門，可對任一個炮頭單獨實施檢修，避免了因一個放炮裝置出現(xiàn)問題而影響其他裝置的使用。

(8)為保證活塞的使用壽命與嚴格的密封性，利用材料力學方法，先后對尼龍、絕緣脂、高質(zhì)橡膠等材質(zhì)進行試驗(連續(xù)放炮3 000次)，最終通過材料配比，研制出含有鏈子線的既有韌性又有強度的高質(zhì)橡膠復合型密封活塞，解決了活塞在炮腔體內(nèi)使用頻率高易損壞等問題，且提高了密封可靠性。

(9)炮頭在料倉的安裝位置選擇合理。合理選擇易堵部位安裝炮頭，破拱效果相當明顯，杜絕了工人用大錘敲擊卸煤現(xiàn)象，不僅降低了工人勞動強度，并且避免了煤倉壁過早變形損壞，延長了設備更換周期。

4 應用效果

多頭空氣炮破拱裝置采用一個儲氣罐配備多個炮頭的卸煤方式，實現(xiàn)了罐體與放炮裝置的成功分離，打破了目前市場上產(chǎn)品形式單一、安裝方式單一的現(xiàn)狀，大大節(jié)約了安裝空間和設備成本。設備工作時開啟供風開關，調(diào)節(jié)風壓和風量，而不工作時迅速切斷氣源，有利于節(jié)約能耗；設備自重小，減輕了卸煤倉體的承重，有利于延長其使用壽命。該裝置有效解決了卸煤倉的粘倉、堵倉、棚倉等事故，提高了外來煤卸車速度，保證了選煤廠的原煤入選量。表1所示為采用多頭空氣炮破拱裝置前后的返煤卸車數(shù)據(jù)對比結(jié)果。

表1 返煤卸車數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Data statistics result of returned coal transportation and unloading

由表1可以看出，采用多頭空氣炮破拱裝置后，八礦選煤廠外來煤的調(diào)入返運效率明顯提高，在調(diào)入返運相同數(shù)量原煤時，返煤速度提高了50%，綜合使用時間縮短35%以上。卸煤倉吹風方式改造后，每天能完成調(diào)入外來煤7～8勾機車，返運原煤10 000 t左右，效果明顯。此外，該裝置的應用還減少了空氣壓縮機的開車臺數(shù)，節(jié)約了生產(chǎn)能耗。

[1] 肖林京，李振華，肖洪彬.煤倉結(jié)拱現(xiàn)象的原因分析和解決方法[J].煤礦機電，2007(5).

[2] 宋秀索.大型煤倉用空氣炮的計算原理分析[J].選煤技術(shù)，2006(2).

[3] 羅 文,郝麗婭.煤倉起拱原因試析[J].礦山機械，2005(9).

[4] 閆志成.淺談空氣炮在煤倉防堵中的應用及選型[J].煤炭加工與綜合利用，2006(3).

[5] 陳榮斌，陳立龍.空氣炮清堵裝置的研究與應用[J].通用機械,2005(12).

[6] 李建朝,王慶輝,黃曉東.基于單片機的空氣炮自動控制儀的設計[J].工礦自動化,2011(2).

[7] 呂登逵.空氣炮在無煙煤煤倉破拱中的應用[J].煤礦設計,1995(10).

[8] 韓仲琦 ,周根生.空氣炮清堵器的技術(shù)進步[J]. CHINA CEMENT,2013(4).

Development and application of multi-head air cannon flow aiding machine

LI Min-qiang,LI Guo-xiang

(Ba Mine Coal Preparation Plant,Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.,Ltd.,Pingdingshan,Henan 467001,China)

The reason influencing transportation of introduced coal,which is caused by blocking of coal bunker,is analyzed according to production situation and introduced coal property in Pingdingshan ba mine coal preparation plant. In addition,transportation system of this coal and discharging process from coal bunker are also studied. On this basis,utility-type multi-head air cannon flow aiding machine is developed instead of coal unloading process by direct-current blowing air,which has greatly improve speed of transportation,reduced consumption of power.

coal bunker; flow aiding machine；multi-head air cannon flow aiding machine；cannon head；mounting position

1001-3571(2015)02-0024-04

TD948.7

A

2014-09-27

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.007

李民強(1974—)，男，河南平頂山市人，工程師，從事選煤技術(shù)管理工作。

E-mail:lmq2723@163.com Tel: 18537512723