趙曉夏

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤礦火災(zāi)防治領(lǐng)域，束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常被用于煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，其原理是輸氣泵將井下所檢氣體經(jīng)束管送至井下或地面某處，傳感器或氣相色譜儀分析氣體組分和濃度，從而判斷煤自燃狀態(tài)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用負(fù)壓輸氣方式，從理論上存在難以克服的問(wèn)題：負(fù)壓輸氣時(shí)間較長(zhǎng)，尤其長(zhǎng)距離束管輸送；采用負(fù)壓輸氣的束管系統(tǒng)負(fù)壓低，最大推動(dòng)力難超100 kPa[3]；容易吸入沿程環(huán)境氣體，造成所檢氣體失真；長(zhǎng)距離輸送可能導(dǎo)致束管負(fù)壓壓扁，束管破損不易察覺(jué)。鑒于實(shí)踐中負(fù)壓束管出現(xiàn)的問(wèn)題，陸偉等[4]首次提出并驗(yàn)證了正壓輸氣的可行性，白光星等[5]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了正壓輸氣速度快于負(fù)壓輸氣，流量極限最小值大于負(fù)壓輸氣方式，且隨著束管長(zhǎng)度增加，正壓輸氣優(yōu)勢(shì)越明顯。為此在前人研究基礎(chǔ)上，研發(fā)正壓束管輸氣泵，形成正壓束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以解決負(fù)壓束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

1 正壓輸氣參數(shù)選擇

1.1 正壓輸氣參數(shù)理論估算

正壓輸氣的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在輸出壓力、輸氣時(shí)間和出口流量。正壓輸氣時(shí)間和流量取決于正壓輸出壓力和束管內(nèi)阻力，正壓輸出壓力必須大于束管內(nèi)阻力損失才能保證氣體輸送至檢測(cè)點(diǎn)，所以需要估算束管內(nèi)產(chǎn)生阻力大小。由流體力學(xué)可知，流動(dòng)氣體在束管內(nèi)流動(dòng)受到沿程阻力和局部阻力2 種。摩擦阻力Hf計(jì)算公式為：

式中:l 為束管總長(zhǎng)度，m；d 為束管內(nèi)徑，m；v 為束管中氣體的平均流速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3；λ為無(wú)因次系數(shù)，其值由雷諾數(shù)Re 和管壁的相對(duì)粗糙度而定。

雷諾數(shù)Re 計(jì)算公式為：

式中：v 為氣體的平均流速，m/s；d 為束管內(nèi)徑，m；μ 為氣體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s，礦井氣體一般取值14.4×10-6。

局部阻力是氣體經(jīng)局部裝置（如束管接頭、彎曲、斷面變化）發(fā)生急變流而產(chǎn)生，一般處于紊流狀態(tài)。按照經(jīng)驗(yàn)，局部阻力可選取沿程阻力的15%來(lái)估算。

正常情況礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的束管長(zhǎng)度約4 000～5 000 m，束管內(nèi)徑通用6 mm 或8 mm，由式（1）可知，沿程阻力損失與束管的長(zhǎng)度和流量成正比，與束管直徑成反比，所以選擇束管直徑6 mm，長(zhǎng)度5 000 m 計(jì)算不同輸氣時(shí)間阻力損失。因氣相色譜分析儀1 次氣樣分析時(shí)間約10～15 min，為保證束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線連續(xù)性輸送和分析氣體，束管輸氣時(shí)間大于色譜分析時(shí)間為宜，所以正壓輸氣時(shí)間參數(shù)理論驗(yàn)算選擇20 min 及以上不同時(shí)間段，經(jīng)計(jì)算Re＜2 000，屬于層流狀態(tài)，采用公式λ=64/Re計(jì)算λ，得到的規(guī)定輸氣時(shí)間束管內(nèi)氣體阻力損失見(jiàn)表1。正壓束管所需輸氣時(shí)間與管內(nèi)氣體阻力損失關(guān)系圖如圖1。

表1 規(guī)定輸氣時(shí)間束管內(nèi)氣體阻力損失Table 1 Gas resistance loss in specified gas delivery time beam tube

圖1 正壓束管所需輸氣時(shí)間與管內(nèi)氣體阻力損失關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram between gas transportation time and gas resistance loss in positive pressure beam tube

由表1 可知，對(duì)于內(nèi)徑為6 mm，長(zhǎng)度為5 000 m 的束管，在要求時(shí)間內(nèi)完成1 次輸氣，束管入口壓力至少應(yīng)大于相應(yīng)阻力損失值。由圖1 可知，隨著1次輸氣所需時(shí)間增加，束管內(nèi)氣體阻力損失減小，輸氣所需時(shí)間大于50 min 時(shí)，隨著輸氣時(shí)間繼續(xù)增加，阻力損失減小速率變緩，即隨著1 次輸氣時(shí)間逐漸縮短至50 min，氣體所受阻力的增加速率緩慢變大，直至50 min 后阻力增速快速變大?？紤]正壓泵的體積和克服阻力損失所需功率大小，輸氣時(shí)間宜選擇30～50 min。

1.2 正壓輸氣模擬試驗(yàn)

在正壓輸氣理論驗(yàn)算后，采用高壓氣瓶和空壓機(jī)多次模擬正壓泵輸氣，了解束管長(zhǎng)度和壓力對(duì)輸氣時(shí)間和流量的影響。試驗(yàn)采用濃度3.0%的甲烷作為示蹤氣體源，瓶口接流量調(diào)節(jié)閥，用空氣壓縮機(jī)清洗束管內(nèi)氣體，束管入口端接壓力變送器測(cè)量壓力，末端接流量計(jì)，束管出口放置精度為0.01%的甲烷測(cè)定儀，分別測(cè)試束管進(jìn)出口端的流量、輸氣時(shí)間和壓力等參數(shù)?？紤]到實(shí)踐中束管輸氣有局部阻力，將束管圍繞成周長(zhǎng)為150 m 的圓形。入口壓力500 kPa 時(shí)束管長(zhǎng)度對(duì)輸氣參數(shù)的影響見(jiàn)表2，長(zhǎng)度5 000 m 束管不同入口壓力對(duì)輸氣參數(shù)的影響見(jiàn)表3。

表2 入口壓力500 kPa 時(shí)束管長(zhǎng)度對(duì)輸氣參數(shù)的影響Table 2 The influence of the length of beam tube on the gas transmission parameters at the entrance pressure of 500 kPa

表3 長(zhǎng)度5 000 m 束管不同入口壓力對(duì)輸氣參數(shù)的影響Table 1 The influence of different inlet pressure on gas transmission parameters of 5 000 m beam tube

由表2 和表3 可知，壓力一定時(shí)，束管長(zhǎng)度增加，輸氣時(shí)間增加和出口流量減小較快；束管長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著束管入口壓力增至500 kPa 后，出口所需時(shí)間減小和流量增大速率不大，與圖1 曲線規(guī)律相似。說(shuō)明束管長(zhǎng)度比入口壓力對(duì)輸氣時(shí)間和出口流量的影響大。所以在考慮正壓輸氣泵連接較長(zhǎng)束管的性能時(shí)，兼顧輸氣時(shí)間和出口流量情況下優(yōu)先考慮輸氣時(shí)間優(yōu)劣。

2 正壓輸氣泵

2.1 正壓泵選型

正壓輸氣泵主要用于正壓輸氣，但抽氣端要起到抽氣作用，在正壓泵選型時(shí)也要兼顧微負(fù)壓性能。據(jù)文獻(xiàn)[6-9]，容積式泵分為往復(fù)泵和轉(zhuǎn)子泵，往復(fù)泵包括活塞泵和隔膜泵；容積式泵出口流量穩(wěn)定性好，揚(yáng)程高時(shí)轉(zhuǎn)子泵效率降低較大，而往復(fù)泵降低較小。從輸氣穩(wěn)定性和效率考慮，選擇往復(fù)泵為宜。對(duì)市場(chǎng)上往復(fù)泵調(diào)研后，選美國(guó)GAST 活塞泵和德國(guó)KNF 隔膜泵選型試驗(yàn)，連接內(nèi)徑為6 mm 的束管，連接方式分2 種：①連接方式1：泵進(jìn)氣端接200 m 束管,出氣端接5 000 m 束管；②連接方式2：泵進(jìn)氣端接500 m 束管,出氣端接5 000 m 束管。在2 種狀態(tài)下分別試驗(yàn)，氣瓶?jī)?nèi)裝濃度為3%的甲烷，通過(guò)用來(lái)模擬采空區(qū)環(huán)境的氣囊吸入正壓泵進(jìn)氣端。測(cè)試活塞泵和隔膜泵的進(jìn)出口壓力、出氣端流量和出口甲烷濃度，活塞泵和隔膜泵不同連接方式下性能參數(shù)見(jiàn)表4。

如表4，2 種連接方式下，KNF 隔膜泵進(jìn)出口壓力、出口流量和穩(wěn)定所需時(shí)間均優(yōu)于GAST 活塞泵，特別是KNF 隔膜泵系統(tǒng)進(jìn)出口甲烷濃度基本未失真，其氣密性明顯優(yōu)于GAST 活塞泵；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，KNF 隔膜泵結(jié)構(gòu)小巧，更符合移動(dòng)使用的要求。所以選KNF 隔膜泵為正壓輸氣的原型泵。

2.2 隔膜泵的優(yōu)點(diǎn)

隔膜泵是容積泵中特殊的一種形式，主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、柱塞、液缸、隔膜、泵體、吸入閥和排出閥等組成，按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力，可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)3 種[10]。電動(dòng)隔膜泵是利用電驅(qū)動(dòng)柱塞兩端的隔膜前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在隔膜泵2 個(gè)對(duì)稱工作腔內(nèi)隔膜鼓動(dòng)改變工作腔內(nèi)容積，使得單向球閥交替開(kāi)關(guān)，使介質(zhì)循環(huán)往復(fù)地吸入和排出。

表4 活塞泵和隔膜泵不同連接方式下性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of piston pump and diaphragm pump under different connection modes

隔膜泵的隔膜片具有良好的柔韌性和耐腐蝕性，密封性能較好，克服了活塞泵的活塞密封元件易磨損的缺點(diǎn)，較容易達(dá)到無(wú)泄漏運(yùn)行[11]。隔膜泵具有活塞泵壓高、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，成為輸送氣體介質(zhì)的新一代往復(fù)泵。

2.3 正壓泵設(shè)計(jì)

以KNF 隔膜泵為原型，通過(guò)以下技術(shù)路線仿制開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)品泵：測(cè)繪原泵基本尺寸→繪制泵3D尺寸→繪制泵帶公差的2D 尺寸→配防爆電機(jī)→修改尺寸→加工。

通過(guò)解剖原型泵分析其工作原理及技術(shù)重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)氣室容積、氣室長(zhǎng)徑比和曲柄兩端軸承安裝座同軸度是分別影響采氣量、壓力和機(jī)械噪聲的關(guān)鍵因素，所以，對(duì)原型泵的殼體、曲柄、連桿和氣室進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x掃描，獲取準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。泵座，曲柄軸，連桿，氣室設(shè)計(jì)是正壓泵的關(guān)鍵工藝點(diǎn)，尤其氣室設(shè)計(jì)的精度直接影響泵的整體性能，它的主要功能是合理分隔為抽氣室，排氣室和壓變室，同時(shí)配合閥片實(shí)現(xiàn)各氣室的單向功能，所以氣室間、單向閥與氣室需要有較好的氣密性。

設(shè)計(jì)時(shí)，采用CATIA 軟件逆向設(shè)計(jì)，同一零件多次掃描獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)縫合成相應(yīng)數(shù)據(jù)再進(jìn)行后續(xù)處理，關(guān)鍵位置尺寸逆向成功后與實(shí)物進(jìn)行對(duì)比修正，零部件設(shè)計(jì)完成后裝配模擬、驗(yàn)證和調(diào)整。

3 正壓輸氣泵性能試驗(yàn)

在2 種狀態(tài)下測(cè)試研制的正壓輸氣泵流量、壓力、穩(wěn)定性和輸送氣體失真情況：①狀態(tài)1：正壓輸氣泵進(jìn)氣端未接束管，正壓端連接5 000 m 束管；②狀態(tài)2：正壓輸氣泵進(jìn)氣端接500 m，正壓端連接5 000 m 束管。狀態(tài)1 時(shí)正壓輸氣泵性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，狀態(tài)2 時(shí)正壓輸氣泵性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 狀態(tài)2 時(shí)正壓輸氣泵性能測(cè)試結(jié)果Table 6 Performance test results of positive pressure gas pump in the state 2

由表5 可知，正壓泵運(yùn)行33 min 穩(wěn)定后，出口端壓力為405 kPa，流量穩(wěn)定在8.0 L/min；表6 可知，正壓泵運(yùn)行40 min 穩(wěn)定后，出口端壓力為255 kPa，流量穩(wěn)定在3.1 L/min。綜合表5 和表6 數(shù)據(jù)分析，無(wú)論正壓泵進(jìn)氣端有無(wú)束管，出口端與進(jìn)氣端甲烷濃度值保持一致，輸氣時(shí)間遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上負(fù)壓束管系統(tǒng)所需時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)理論估算和試驗(yàn)驗(yàn)證得到正壓輸氣小于負(fù)壓輸氣所需時(shí)間，正壓輸氣時(shí)間宜控制在宜選擇30～50 min，分析和試驗(yàn)不同輸氣泵，得出隔膜泵的正壓輸氣性能具有優(yōu)勢(shì)，成功仿制開(kāi)發(fā)出自主火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)正壓輸氣泵。

2）對(duì)研制開(kāi)發(fā)的正壓輸氣泵樣品連接不同長(zhǎng)度束管性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正壓泵出口端與進(jìn)氣端甲烷濃度值基本一致，在一般使用條件下輸氣40 min 內(nèi)性能穩(wěn)定，從根本上解決了目前負(fù)壓火災(zāi)束管輸氣泵易造成所檢氣體失真，輸氣時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。