礦用PC6Ⅰ轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)的優(yōu)化設(shè)計

李　萍，張咸民，吳　斌，宋　陽，楊　柳

(1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣技術(shù)系，寧夏 銀川 750021；2.南京石誠井巷裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211146)

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礦用PC6Ⅰ轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)的優(yōu)化設(shè)計

李萍1，張咸民2，吳斌2，宋陽2，楊柳2

(1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣技術(shù)系，寧夏 銀川 750021；2.南京石誠井巷裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211146)

[摘要]煤礦井下的噴射混凝土作業(yè)是錨噴支護(hù)的重要組成部分，經(jīng)歷了干噴、潮噴、濕噴發(fā)展過程。而濕噴技術(shù)設(shè)備投資大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作與維修技術(shù)水平高，不易維護(hù)使用。為此，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以PC6Ⅰ轉(zhuǎn)子式噴射機(jī)為本體，通過增加轉(zhuǎn)子體直徑以及上料部分和拉緊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使礦用轉(zhuǎn)子濕式混凝土噴射機(jī)組從使用工藝和技術(shù)上有效地解決工人作業(yè)環(huán)境差、粉塵濃度高、回彈大等問題，是目前國內(nèi)煤礦井下的一種優(yōu)良濕式噴漿設(shè)備。

[關(guān)鍵詞]濕噴機(jī)； 粉塵濃度；回彈率；含水率

Optimization Design of PC6I Rotor Type Wet Spraying Machine for Coal Mine

[引用格式]李萍，張咸民，吳斌，等.礦用PC6Ⅰ轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)的優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦開采，2015，20(6)：49-51.

煤礦井下噴射混凝土作業(yè)是煤礦井下錨噴支護(hù)作業(yè)的重要組成部分，具有靈活、快速、高效、安全和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下廣泛應(yīng)用。但粉塵濃度大、回彈率高、勞動強(qiáng)度大，是噴射混凝土作業(yè)中的難題，不僅造成了材料浪費(fèi)，同時還嚴(yán)重影響了噴漿質(zhì)量，損害了工人健康。為控制和降低煤礦井下錨噴支護(hù)作業(yè)中噴射混凝土的高回彈率和粉塵問題，國內(nèi)外進(jìn)行了很多相關(guān)研究，包括從最初的干式噴射到潮式噴射直到現(xiàn)在正研究推廣的濕噴技術(shù)。而濕噴技術(shù)又因為設(shè)備投資大并且復(fù)雜，操作和維修要求有較高的技術(shù)水平，噴漿工藝環(huán)節(jié)多，目前煤礦井下不易推廣使用。因此，研發(fā)具有安全可靠、體積小、粉塵低、回彈率低、噴漿強(qiáng)度高等特點(diǎn)的礦用新型濕式噴漿機(jī)勢在必行。

1濕噴機(jī)的相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)狀況

20世紀(jì)80年代起，我國開始引進(jìn)濕噴技術(shù)，經(jīng)過幾十年的研究，各種噴射機(jī)具被陸續(xù)開發(fā)。濕式混凝土噴射機(jī)已逐漸成為噴混凝土作業(yè)的理想機(jī)具，干噴已被禁止使用，潮噴機(jī)也正逐步被淘汰，但濕噴受我國煤礦井下條件限制推廣應(yīng)用比較緩慢。

目前，最具代表性的濕噴機(jī)有如下幾種：

(1)柱塞泵式濕噴機(jī)將柱塞式混凝土泵作為濕噴機(jī)的基體，在輸送管出口裝噴嘴并通入壓縮空氣，將混凝土噴射出去。但是，由于煤礦井下使用條件苛刻，空間狹小,目前還沒有真正適合煤礦井下使用的泵送式濕噴機(jī)。其原因有：現(xiàn)有濕噴機(jī)設(shè)備機(jī)型大，難以適應(yīng)井下狹小的作業(yè)空間，上料高度高，難以滿足井下現(xiàn)場的施工要求；混凝土后配套設(shè)備笨重、體積大、環(huán)節(jié)多，在高效運(yùn)轉(zhuǎn)的煤礦井下難以快速有效地適應(yīng)；濕噴工藝設(shè)備復(fù)雜，操作難度大，每次停機(jī)清洗時間長；濕噴使用的液體速凝劑，其成本高，不易保存、運(yùn)輸；煤礦井下噴漿為短距離、多次數(shù)噴漿，而泵送式濕噴機(jī)停機(jī)超過半小時機(jī)械和管子內(nèi)的混凝土?xí)糠帜Y(jié)，造成堵管；維護(hù)頻繁、時間久，這是井下濕噴機(jī)推廣應(yīng)用難的主要因素。

(2)軟管擠壓泵式濕噴機(jī)由攪拌斗、泵送軟管、泵體和輸料管等部件組成。泵體為圓筒形，其中部的行星傳動機(jī)構(gòu)帶動兩個滾輪轉(zhuǎn)動，連續(xù)擠壓泵送管內(nèi)濕料，使之進(jìn)入輸料管壓送出去，目前基本未見使用。

(3)氣送式濕式混凝土噴射機(jī)即轉(zhuǎn)子式濕噴，工作時料斗中濕拌合料落入轉(zhuǎn)子體落料孔中，經(jīng)轉(zhuǎn)子體旋轉(zhuǎn)180°后料孔上口與壓縮空氣進(jìn)氣口相接，下口與出料口相通，濕拌合料遂被高壓風(fēng)擠壓攪拌經(jīng)出料口、噴漿管，在噴嘴處高速噴出。由于噴漿距離短；清理麻煩，易堵管；易損件使用壽命短，混合料不均勻、噴漿效果差等原因，在國內(nèi)也沒有推廣開來。

綜上所述，受國內(nèi)煤礦噴漿工藝和地質(zhì)條件所限，其噴漿特點(diǎn)為距離短、次數(shù)多。而由于濕噴機(jī)所采用的含水量達(dá)到60%以上的混凝土進(jìn)行噴射，噴射完成后清洗時間長、次數(shù)多，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增加工人勞動強(qiáng)度，是目前濕噴機(jī)在煤礦難于推廣使用的主要原因。

2新型濕噴機(jī)的研制

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)相較于泵送式濕噴機(jī)易適于煤礦井下巷道施工工藝，其使用過程中清洗困難的問題，可通過降低濕噴時的含水率的途徑解決。為此，依據(jù)國家發(fā)改委公布的MT/T547-2006《轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入轉(zhuǎn)子料腔的混合料水灰比大于0.4，在輸送過程中不再加水，進(jìn)行噴射支護(hù)的施工，確定以PC6I轉(zhuǎn)子式噴射機(jī)為本體，進(jìn)行轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)的設(shè)計優(yōu)化。

2.1濕噴機(jī)工作量的確定

轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)在噴射時雖然有一定的周期性脈沖，但脈沖幅度很小。因此，可以增加轉(zhuǎn)子體通過直徑來增加噴射量，經(jīng)計算，在不改變風(fēng)壓的情況下，PC6I轉(zhuǎn)子體料口增加5mm時，能保證料杯不余料，這時，理論噴射能力增加17%，噴射機(jī)工作效率達(dá)到7m3/h，保證其有效噴漿距離達(dá)到70m。

2.2料斗上料部分設(shè)計

由于噴漿物料只需達(dá)到含水量40%即為濕式噴射，可以就近配料、拌料、上料，該濕噴機(jī)設(shè)計了螺旋配比系統(tǒng)(圖1)，主結(jié)構(gòu)采用螺旋輸送。螺旋輸送主要用于短距離輸送和提升散裝物料，可輸送粉狀、顆粒及小塊物料，滿足濕噴機(jī)混合料的輸送條件，不僅解決了泵送式濕噴機(jī)的后配套問題，而且能較好地控制輸出量，輸出過程可封閉，是較為環(huán)保的輸送方案。

圖1　配料攪拌螺旋

配料、拌料系統(tǒng)工作原理為電動機(jī)經(jīng)減速箱帶動螺旋軸旋轉(zhuǎn)，從配料料斗汲取砂石、水泥，落入拌料系統(tǒng)，通過有一定傾斜度的螺旋葉片來攪拌和輸送物料，物料被輸送至螺旋攪拌軸上端出口后排出，從而完成混合料的配料、攪拌、輸送過程。通過料斗下的變量螺旋實現(xiàn)混合料按砂∶石∶水泥為2∶2∶1的比例配比。在自動攪拌裝置上設(shè)置噴霧裝置，給物料加水，使其含水量達(dá)到40%左右，具有降塵、調(diào)節(jié)濕度的效果。

螺旋軸是配料、拌料系統(tǒng)的主要組成部件，承擔(dān)著配料、拌料、輸送任務(wù)，配料主要靠螺旋直徑和螺距控制。螺旋輸送能力計算公式：

Q=47D2ntφρC

式中，Q為螺旋輸送能力，t/h；D為螺旋直徑，mm；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；t為螺距，mm；φ為物料填充系數(shù)；ρ為物料松散密度，t/m3；C為物料傾斜輸送系數(shù)。

輸送能力為7m3/h，螺旋軸轉(zhuǎn)速11r/min，按砂∶石∶水泥為2∶2∶1的配比系數(shù)，計算得出配料螺旋尺寸為：D1=250mm，t1=143mm；D2=165mm，t2=117mm；攪拌螺旋尺寸為：D=240mm，t=180mm。

螺旋上料后落入料斗時，普通的震動過篩效果不好，容易堵料，工作時需增加1人專門負(fù)責(zé)梳料。經(jīng)過三維模擬，以上料裝置主螺旋為動力，在出料口處設(shè)置一個往復(fù)運(yùn)動的過篩裝置(圖2)，過篩網(wǎng)格為20mm×20mm，能夠有效去除物料中直徑大于20mm的物料，防止堵料。過篩高度為615mm，寬度為627mm，在提供轉(zhuǎn)速11r/min的情況下，能滿足物料隨時落在過篩裝置網(wǎng)格中，且在往復(fù)運(yùn)動中不甩料。

圖2　過篩裝置

2.3轉(zhuǎn)子混凝土噴射機(jī)液壓拉緊系統(tǒng)設(shè)計

轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)現(xiàn)行的拉緊裝置為機(jī)械拉緊，操作人員完全憑經(jīng)驗和相互間的配合來感知拉緊程度，誤差較大，無法保證4個拉緊裝置的拉緊程度都相同，有時壓的不夠緊，有時又產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。由于旋轉(zhuǎn)襯板和結(jié)合板之間受力不均勻，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)襯板和結(jié)合板之間磨損較大，壽命降低，同時其間隙會使得粉塵溢出，污染工作環(huán)境。

針對上述問題，南京石誠井巷設(shè)計了一種直通式轉(zhuǎn)子混凝土噴射機(jī)拉緊裝置(圖3)，該裝置采用了液壓操作保證拉緊力輸出一致，并且在油缸相連處設(shè)計了蓄能器，保證在摩擦板磨損時能及時補(bǔ)壓，使得分布在直通式轉(zhuǎn)子噴射機(jī)轉(zhuǎn)子體的周圍的4個拉緊裝置的拉緊程度相同，旋轉(zhuǎn)襯板和結(jié)合板之間受力均勻，提高了旋轉(zhuǎn)襯板和結(jié)合板的使用壽命以及密封性，降低了操作人員的操作難度，提高了工作效率。

圖3　液壓拉緊系統(tǒng)

液壓拉緊系統(tǒng)拉緊能力計算：

當(dāng)工作時，轉(zhuǎn)子體中始終只有一個料杯孔噴料，風(fēng)壓為0.4～0.7MPa，其受力為：

F=P·S

式中，F(xiàn)為物料輸送力；P為風(fēng)壓；S為下料口面積。

液壓拉緊裝置只需克服物料輸送力，即：

4F油≥F

F油=P油·S油

式中，F(xiàn)油為油缸拉力；P油為油壓；S油為油缸內(nèi)徑面積。

2.4整體結(jié)構(gòu)與作業(yè)過程

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，由配料系統(tǒng)、拌料系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等部分組成。采用電動機(jī)做動力，物料從配料系統(tǒng)的砂石、水泥料斗進(jìn)入，通過螺旋轉(zhuǎn)動定量配比，進(jìn)入拌料系統(tǒng)攪拌槽，混合均勻，在拌料系統(tǒng)前端設(shè)計有過篩裝置以二次篩選物料，進(jìn)入噴射系統(tǒng)后，落入轉(zhuǎn)子體，經(jīng)旋轉(zhuǎn)180°后與壓縮空氣混合進(jìn)入輸料管，后經(jīng)噴嘴噴出。

圖4　轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)

3使用效果分析

現(xiàn)場使用表明，該含水量40%的新式轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)完全能滿足井下噴漿時對粉塵、回彈、效率的要求，而且解決了其他類型的轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)噴漿距離短的問題。

目前井下潮式噴漿機(jī)平均回彈率18.2%，實測該新式轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)平均回彈率12%以下，按一個掘進(jìn)隊月進(jìn)尺80m計算，每月節(jié)約噴漿料15t，一個中型礦5支開拓隊，每月節(jié)約噴漿料將達(dá)到75t。

普通噴漿機(jī)使用時，無法準(zhǔn)確預(yù)計噴漿量，通常提前拌料總量稍大，少量剩余料造成浪費(fèi)；該轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)組噴漿機(jī)無需拌料，噴完即停，杜絕了余料浪費(fèi)。同時，也解決了泵送式濕噴機(jī)體積大、后配套設(shè)備跟不上的問題。

4結(jié)束語

該轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)與其他混凝土濕噴機(jī)相比，技術(shù)成熟、成本低廉、維護(hù)方便簡捷，從結(jié)構(gòu)上和工藝上都能適應(yīng)在井下狹小空間內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)攪拌上料噴漿作業(yè)。

轉(zhuǎn)子式濕噴機(jī)有效解決了目前濕噴機(jī)技術(shù)推廣使用中的技術(shù)難題，同時從功能方面和技術(shù)方面保障了煤礦工人的工作環(huán)境，降低了煤礦工人工作強(qiáng)度，節(jié)省了煤礦生產(chǎn)成本，是目前國內(nèi)煤礦井下的一種優(yōu)良濕式噴漿設(shè)備。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

[作者簡介]李萍(1964-)，女，寧夏石嘴山人，碩士 ，副教授，從事煤礦機(jī)械設(shè)備自動化方面的研究工作。

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.014

[收稿日期]2015-07-01

[中圖分類號]TD353.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)06-0049-03