壓氣旋風(fēng)式吸氣裝置設(shè)計(jì)

張冬梅 王保華

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南焦作）

一、引言

礦井井下粉塵不僅危害人體健康，而且高濃度的粉塵懸浮在空氣中，會(huì)降低井下作業(yè)現(xiàn)場的能見度，容易發(fā)生安全事故，同時(shí)加速機(jī)械磨損，甚至一定條件下能引起劇烈爆炸，因此，消除粉塵的危害，已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的迫切任務(wù)。壓氣旋風(fēng)式抽風(fēng)機(jī)與通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)合，能夠很好地將巷道中的粉塵排除礦井。

旋風(fēng)裝置工作原理：模擬龍卷風(fēng)的氣動(dòng)機(jī)理，在消耗少量壓縮空氣的情況下，就能產(chǎn)生很強(qiáng)吸附力，氣流被從四面八方吸入渦旋的底部，并隨即變?yōu)槔@軸心向上的渦流，達(dá)到類似強(qiáng)力葉片式抽風(fēng)機(jī)的效果。圖1為吸塵部分工作原理圖，其中接口1和空壓機(jī)等設(shè)備連接，從接口1處通入一定壓力的氣體，氣體在桶壁特殊的結(jié)構(gòu)作用下，形成渦流，使接口3處產(chǎn)生低壓，把外界氣體吸入桶壁內(nèi)，并由接口2處排出，完成吸塵過程。

二、吸塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜采工作面粉塵分布情況所需數(shù)據(jù)在潞安礦區(qū)某礦井下的4339和5204綜采工作面測定取得。在進(jìn)風(fēng)巷、工作面和回風(fēng)巷布點(diǎn)測塵，測點(diǎn)高度在1.5 m左右的工人呼吸帶處。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，采煤粉塵濃度從割煤機(jī)操作員開始，向下風(fēng)側(cè)粉塵濃度迅速升高，在下風(fēng)向10 m附近達(dá)到粉塵濃度最大值，然后再往下風(fēng)側(cè)粉塵濃度就逐漸下降，到下風(fēng)側(cè)50 m后粉塵濃度明顯降低。由此可知，采煤機(jī)割煤時(shí)需要

重點(diǎn)防治的是下風(fēng)向10～50 m空間的粉塵。

根據(jù)現(xiàn)場情況分析，設(shè)計(jì)參數(shù)為：進(jìn)氣口直徑51 mm，出氣口直徑64 mm，壓縮空氣消耗量600 L/min，抽氣量12 000 L/min，抽氣比例20，壓縮空氣進(jìn)口尺寸M10×1，喉道直徑45 mm，最大直徑60 mm。

圖1 吸氣部分工作原理

1.吸塵裝置設(shè)計(jì)

（1）抽吸腔。抽吸腔是渦旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生部位，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中溝槽是產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部位，選取溝槽內(nèi)徑為48 mm。在計(jì)算過程中，將氣體視為不可壓縮的理想流體，由流體力學(xué)分析可知，由于渦核區(qū)域很小，其壓強(qiáng)比環(huán)流區(qū)低，徑向壓強(qiáng)梯度很大，故有向渦核中心的抽吸作用。渦旋越強(qiáng)，抽吸效果越明顯。對稱布置溝槽10個(gè)，當(dāng)溝槽角度為45°時(shí)，渦旋運(yùn)動(dòng)效果最好。

在抽吸腔進(jìn)氣口和進(jìn)氣溝槽之間設(shè)置一孤立臺(tái)階，此臺(tái)階有兩個(gè)作用，一是與其它臺(tái)階形成一個(gè)環(huán)形溝，用于放置密封墊圈并與連接套（圖3）配合形成密封。二是與進(jìn)氣溝槽形成密封空腔，可將由進(jìn)氣口進(jìn)入的高壓氣體均勻的從十個(gè)溝槽進(jìn)入，更好的形成渦旋運(yùn)動(dòng)。

（2）連接套。連接套喉部的直徑必須小于抽吸腔的直徑，才能更好的形成渦旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生負(fù)壓，從而有利于通入高壓氣體時(shí)向上吸氣。選擇零件喉部直徑尺寸為45 mm，連接套與抽吸腔配合形成完整的吸氣裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 抽吸腔結(jié)構(gòu)

圖3 連接套結(jié)構(gòu)

（3）法蘭。法蘭與連接套配合，結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過覆蓋沉頭螺栓達(dá)到美觀效果，另外由于法蘭與抽吸腔和連接套的結(jié)合體結(jié)合較為緊密，不易進(jìn)灰塵，一定程度上起保護(hù)作用。

（4）吸氣零件裝配。吸氣零件裝配如圖5所示。其中，抽吸腔與連接套的裝配采用密封圈密封。裝配后，通過抽吸腔和連接套上的預(yù)留螺紋孔進(jìn)行螺栓連接，以保證連接的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。抽吸腔和連接套裝配完成之后，再與法蘭裝配。與法蘭裝配時(shí)，由于該零件使用過程中，只有氣體流動(dòng)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不易損壞。所以，不考慮零件的維修，可用黏膠連接組裝件，零件剖視圖如圖6所示。

圖4 法蘭結(jié)構(gòu)

2.風(fēng)機(jī)的選擇

（1）風(fēng)量。風(fēng)機(jī)的選擇要根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量和風(fēng)壓來確定。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量按式（1）計(jì)算，風(fēng)量的調(diào)節(jié)是通過與風(fēng)機(jī)相連接的調(diào)頻器實(shí)現(xiàn)。

式中 Q——風(fēng)機(jī)所需的風(fēng)量，m3/h

K——風(fēng)管和除塵器的漏風(fēng)系數(shù)

Q1——系統(tǒng)風(fēng)量，m3/h

（2）風(fēng)壓。風(fēng)壓按式（2）計(jì)算。

圖5 吸氣裝置

圖6 吸氣裝置剖視圖

式中 K1——管路系統(tǒng)阻力的附加系數(shù)

K2——風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的附加系數(shù)

ΔP1——管路系統(tǒng)阻力，Pa

ΔP2——除塵器阻力，Pa

由于此除塵設(shè)備要用于礦井綜掘面除塵，采用防爆型風(fēng)機(jī)。由于風(fēng)機(jī)安裝位置屬于工作區(qū)域，應(yīng)當(dāng)在風(fēng)機(jī)出口安裝消聲裝置。

3.濾筒式除塵器

經(jīng)綜合考慮，采用濾筒式除塵器進(jìn)行除塵，鑒于安裝使用的便利性和工作面的空間要求，設(shè)計(jì)選用唐納森濾筒，尺寸為Φ350 mm×710 mm，濾料面積為25 m2，重8 kg。濾料為專有合成納米纖維，在延長濾筒使用壽命的同時(shí)又可保證低壓降，可水洗，對0.5 μm左右粒徑的粉塵除塵效率達(dá)到99.999%。此濾筒使用表面過濾技術(shù)達(dá)到脫塵效果，省去了形成塵餅的過程，屬于阻燃型濾筒，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

三、結(jié)論

壓氣旋風(fēng)式吸氣裝置沒有運(yùn)動(dòng)部件，使用更加安全且免維護(hù)；結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、便于安裝和攜帶；有氣流增強(qiáng)功能，耗氣量小，節(jié)約用氣；氣流強(qiáng)度可調(diào)，通道大，無障礙物；由壓縮空氣提供動(dòng)力，沒有電氣干擾，無電氣隱患；入口和出口都可安裝輸送管，便于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)合現(xiàn)有除塵設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和不足，利用井下通風(fēng)量大的特點(diǎn)，根據(jù)旋風(fēng)原理，設(shè)計(jì)壓氣旋風(fēng)式綜掘工作面吸塵裝置，經(jīng)某煤礦投入使用，除塵效果明顯。通過除塵器的合理設(shè)計(jì)和布局，提高了粉塵凈化效果，具有一定的推廣意義和市場價(jià)值。