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煤礦掘進工作麵衛生型渦街流量計的優化（huà）與實現
點擊次數：1792 發布時間：2021-01-06 11:40:13
掘進機運行時（shí）會產生大（dà）量的粉塵，對煤礦環境造成很大影響。為了有（yǒu）效地（dì）控製粉塵，必須在粉塵擴散到整個道路空間之前，找到一種能夠抑製靠近源頭的（de）粉塵的介質。衛（wèi）生型渦街流量計作為氣液介質，具有表麵麵積大、潤濕性和（hé）附著力強的獨特優（yōu）點。壓縮空氣、水和（hé）表麵活性劑混合（hé）並（bìng）通過金屬網強製形成衛生型渦街流量計。衛生型渦街流量計除塵效率大於 50%，噴水裝置的耗水量僅為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統衛生型渦街流量計抑塵技術的缺點
傳統的（de）衛生型渦（wō）街流（liú）量計抑塵技術在（zài）衛生型渦街流量計生產和噴塗方（fāng）麵仍存在一定的缺陷。在衛（wèi）生型渦街（jiē）流量計生產方麵（miàn），許多衛生型渦街流量計發生器通常（cháng）使用壓縮空氣來生（shēng）產（chǎn）衛生型渦街流量計，並且在開挖麵上使用衛生（shēng）型渦街流量計產生了限（xiàn）製 ：
（1）地下礦（kuàng）山壓縮空氣供應的壓力常常是不（bú）穩定的（de），難以調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向（xiàng）發電機的壓縮（suō）空氣（qì）管道占用了掘進機上的一些空間，增加（jiā）了係統（tǒng）的複（fù）雜性，使其難以用（yòng）於狹窄的（de）開挖麵。此外，傳統的衛生型渦街流量計發生器通常采用定量添加劑泵來添加發泡劑，使係統更複雜，更容易燃燒。為了充分利用衛生型（xíng）渦街流量計（jì），衛生（shēng）型渦（wō）街流量計流的（de）形狀必須與（yǔ）粉塵源的形（xíng）狀相似。在目前的噴塗結構（gòu）中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴（zuǐ）來噴塗衛生型渦街流（liú）量計。由於縱向掘進機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧範圍應理想為圓形，接（jiē）近切割頭的（de）*大圓周，因此，通過（guò）固（gù）體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的衛生型渦街流量計流不能（néng）有效地（dì）覆蓋粉塵源（yuán），導致衛生型渦街流量計（jì）利用率低。
2 新型衛生型渦街流量計
為了克服這些缺點，設計（jì）了優化的衛生型渦街流量計發生器、分配支座和噴嘴，並進行了實（shí）驗室和現場試驗，取得了良好的效果。優化後的（de）衛生（shēng）型渦街流量計發生器由一個自吸部分和一個衛生型渦街流量計產生部分組成，其電力隻需要高（gāo）壓水供應，通（tōng）常在（zài）地下礦（kuàng）山可用。*先（xiān），高壓水流通（tōng）過噴嘴將其轉化為高速湍流，自動將環境空氣（qì）和發（fā）泡劑（jì）吸入混（hún）合室。然（rán）後，旋流器加速空氣（qì）和液體的混合以產生高質（zhì）量的衛生（shēng）型渦街流量計。新版本的優點是（shì） ：壓縮（suō）空氣管道（dào）和添加發泡劑的外來（lái）設備全部拆除，使整個係統更加（jiā）簡單方便 ；自（zì）動將空氣和（hé）發泡劑吸（xī）入混合裝置，消除（chú）了（le）水回流 ；旋流器降低（dī）了混合裝置（zhì）的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著水流速度的增加而增大。真空度的增加會增（zēng）加夾帶的空氣量（liàng），也會增加進入混合室的（de）發泡劑（jì）量。為了獲得衛生型（xíng）渦街流量計發生器（qì）的工作（zuò）參數，設計（jì）了相應的實驗係（xì）統，測試了自吸能力和發泡能力。用空氣流量 qg 與（yǔ）水流量 qw 的（de）比值來評價相對吸風功能。衛生型（xíng）渦街流量計流量（liàng） qr 與（yǔ）水流 qw 的比值用於（yú）評價衛生型渦街流量計（jì）函數。采用（yòng）添加發泡劑流量 qa 與水（shuǐ）流量 qw 的比值來（lái）評價添加發泡劑的性能。分析（xī）水流與空氣流動、衛（wèi）生型渦街流量計流動和發泡劑流（liú）動（dòng）的關係可知，隨著（zhe）水流量的增加，空氣自吸（xī）量、衛生型渦街流量計產生量和發泡劑吸力總量（liàng）呈線性（xìng）增加。這一現（xiàn）象證實了噴射理論。衛生型渦（wō）街流量計主要由氣體組成，衛生型渦街（jiē）流量計的產生（shēng）量（liàng）與引（yǐn）氣量基（jī）本相同。通過實驗分析，傳統發泡器發（fā）泡劑的添加比例通常超過 2%，新發電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的衛生型（xíng）渦街流量計發生器有效地降低了發泡劑的消耗（hào）。
圖 1 為電弧風扇噴嘴的結構和噴（pēn）霧，一種新型（xíng）的噴嘴（zuǐ）主要由（yóu）一個（gè）衛生型渦街（jiē）流量計入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降（jiàng）低了湍流強度。導流葉片類似於流線型尾部，產生類似於弧形風扇形狀的衛生型渦街（jiē）流量計噴霧，其（qí）形（xíng）狀（zhuàng）類似於掘進機的粉（fěn）塵源。
為了描述衛生型渦街流量計的覆蓋性能，定義（yì）了兩個幾（jǐ）何參數（shù） ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑長度 Hch 。 Lch 代表了單弧風機噴嘴所（suǒ）能覆蓋的粉塵源（yuán）的*大弦長， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長（zhǎng）之（zhī）間的*大垂直（zhí）距離，覆蓋弦長和覆蓋直徑長（zhǎng）度可確定衛生型渦街流量計流的*終覆蓋麵積。
電弧風機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長度、長徑和短徑是影響衛生型渦街流量計覆蓋性能的關鍵因素。根據空間（jiān）幾何結構，計算噴嘴結構參（cān）數與衛生型渦（wō）街流量計覆蓋性能之間的關（guān）係。為了得到覆蓋弦長的修正係數 k 和覆蓋直徑長度的修正係數 ε，對導（dǎo）葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進行了研究。為了適應地下環境，將衛生型渦街流量計出口直徑和導葉長度分別設置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像（xiàng）機測量，該攝像機能夠捕捉和分析（xī）照片的具體（tǐ）尺（chǐ）寸（cùn）。實驗中（zhōng）使用的高速相機有 1280×800 像素，拍攝速度為每（měi）秒 200 幀。為了提高對比度，在實驗過程中使用黑（hēi）色窗簾（lián）模擬（nǐ）巷道，以便（biàn）攝像機能夠（gòu）清（qīng）晰地捕捉衛生型渦街流（liú）量計流。
通過理（lǐ）論計（jì）算和實驗測試，得到了相關參數，並可知實際覆蓋（gài）弦長或覆蓋直徑（jìng）長度與導流葉片長徑或短徑的變化趨勢（shì）相同，修正係數 k 在（zài） 0.68~0.85 之間，修正係數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為（wéi） 0.75 和 0.68。
選擇某煤礦正在進行（háng）岩石開挖的（de） 810 巷（xiàng）道作為現場試驗場地。巷道支護斷麵麵（miàn）積（jī） 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高 3.5m）。岩石岩性主要為砂質泥岩（yán）和中砂岩，可產生大量粉塵。為了解決大功率電（diàn）機的（de）粉（fěn）塵問題（tí），采用（yòng）了兩個衛生型渦街（jiē）流量計（jì）發生器和四個電弧風扇噴嘴。由於切（qiē）割頭的*大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標（biāo）點 Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長徑和短徑分別為（wéi） 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實際覆（fù）蓋性能，在實驗室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結（jié）果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長 Lch 滿足條件，但覆（fù）蓋直徑Hch 小於要求。為（wéi）了解決這（zhè）一問題，測試了不同結（jié）構參數（shù）的噴嘴，*終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所（suǒ）提出（chū）的衛生型渦街流量計產生（shēng）設備的實施方案。這主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達（dá） 40 kg）和兩個集成衛生型渦街流（liú）量計發生器，一個在該（gāi）單（dān）元（yuán）的任何一側。單元和衛生型渦街流量計發生（shēng）器通過流入軟管（guǎn）和針閥連（lián）接。在 318 kW 縱（zòng）向掘進機上安裝的防塵（chén）係統，四（sì）個（gè）磁鐵將衛生型渦街流量計生產設備安裝在駕駛員（yuán）旁（páng）邊的掘進機上，以便及時和方便地控製。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門分（fèn）成兩個（gè）直徑為 19 mm 的管道。衛生型渦街（jiē）流量計發生器 ：兩個（gè）直徑為 25 mm 的管子將衛生型渦街流量計（jì）噴到支撐件（jiàn）和噴嘴上，兩個衛生型渦街（jiē）流（liú）量計發生器的工作水流為 1 m 3 /h，衛生型渦街流量計產生率為（wéi） 60 m 3 /h。經過現場試驗表明，優化後的係（xì）統比傳統係統更加穩定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測（cè）量數據，試驗結果（guǒ）表（biǎo）明（míng），新的衛生型渦街流量計技術對（duì） td 的抑製效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高於傳統方法的等效值。
4 結語
設計了一（yī）種用於（yú）煤礦掘進工作（zuò）麵的優化衛生型（xíng）渦街流量計。通過礦井（jǐng）輸送的高壓水為擬議的衛生型（xíng）渦街流量計生（shēng）產設備提供動力，自吸單元（yuán）自動地吸引環境空（kōng）氣和發泡劑以產生衛生型渦街流量計，然後將電（diàn）弧噴塗到衛生型渦街流量計噴（pēn）嘴上。壓縮空氣塞和添加發泡劑的附加設備被完全去除，使得整（zhěng）個係統更簡單，所提出的衛生型渦街流量計發生器（qì）需要更少（shǎo）的水和（hé）起泡劑，電弧風扇噴嘴提高（gāo）了衛生型渦街流量計利用（yòng）效率。
現（xiàn）場實施表（biǎo）明，優化後的係（xì）統比傳統係統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤（méi）礦采掘工作麵提供了較好的防塵要求，具有廣闊的應用前景。
1 傳統衛生型渦街流量計抑塵技術的缺點
傳統的（de）衛生型渦（wō）街流（liú）量計抑塵技術在（zài）衛生型渦街流量計生產和噴塗方（fāng）麵仍存在一定的缺陷。在衛（wèi）生型渦街（jiē）流量計生產方麵（miàn），許多衛生型渦街流量計發生器通常（cháng）使用壓縮空氣來生（shēng）產（chǎn）衛生型渦街流量計，並且在開挖麵上使用衛生（shēng）型渦街流量計產生了限（xiàn）製 ：
（1）地下礦（kuàng）山壓縮空氣供應的壓力常常是不（bú）穩定的（de），難以調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向（xiàng）發電機的壓縮（suō）空氣（qì）管道占用了掘進機上的一些空間，增加（jiā）了係統（tǒng）的複（fù）雜性，使其難以用（yòng）於狹窄的（de）開挖麵。此外，傳統的衛生型渦街流量計發生器通常采用定量添加劑泵來添加發泡劑，使係統更複雜，更容易燃燒。為了充分利用衛生型（xíng）渦街流量計（jì），衛生（shēng）型渦（wō）街流量計流的（de）形狀必須與（yǔ）粉塵源的形（xíng）狀相似。在目前的噴塗結構（gòu）中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴（zuǐ）來噴塗衛生型渦街流（liú）量計。由於縱向掘進機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧範圍應理想為圓形，接（jiē）近切割頭的（de）*大圓周，因此，通過（guò）固（gù）體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的衛生型渦街流量計流不能（néng）有效地（dì）覆蓋粉塵源（yuán），導致衛生型渦街流量計（jì）利用率低。
2 新型衛生型渦街流量計
為了克服這些缺點，設計（jì）了優化的衛生型渦街流量計發生器、分配支座和噴嘴，並進行了實（shí）驗室和現場試驗，取得了良好的效果。優化後的（de）衛生（shēng）型渦街流量計發生器由一個自吸部分和一個衛生型渦街流量計產生部分組成，其電力隻需要高（gāo）壓水供應，通（tōng）常在（zài）地下礦（kuàng）山可用。*先（xiān），高壓水流通（tōng）過噴嘴將其轉化為高速湍流，自動將環境空氣（qì）和發（fā）泡劑（jì）吸入混（hún）合室。然（rán）後，旋流器加速空氣（qì）和液體的混合以產生高質（zhì）量的衛生（shēng）型渦街流量計。新版本的優點是（shì） ：壓縮（suō）空氣管道（dào）和添加發泡劑的外來（lái）設備全部拆除，使整個係統更加（jiā）簡單方便 ；自（zì）動將空氣和（hé）發泡劑吸（xī）入混合裝置，消除（chú）了（le）水回流 ；旋流器降低（dī）了混合裝置（zhì）的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著水流速度的增加而增大。真空度的增加會增（zēng）加夾帶的空氣量（liàng），也會增加進入混合室的（de）發泡劑（jì）量。為了獲得衛生型（xíng）渦街流量計發生器（qì）的工作（zuò）參數，設計（jì）了相應的實驗係（xì）統，測試了自吸能力和發泡能力。用空氣流量 qg 與（yǔ）水流量 qw 的（de）比值來評價相對吸風功能。衛生型（xíng）渦街流量計流量（liàng） qr 與（yǔ）水流 qw 的比值用於（yú）評價衛生型渦街流量計（jì）函數。采用（yòng）添加發泡劑流量 qa 與水（shuǐ）流量 qw 的比值來（lái）評價添加發泡劑的性能。分析（xī）水流與空氣流動、衛（wèi）生型渦街流量計流動和發泡劑流（liú）動（dòng）的關係可知，隨著（zhe）水流量的增加，空氣自吸（xī）量、衛生型渦街流量計產生量和發泡劑吸力總量（liàng）呈線性（xìng）增加。這一現（xiàn）象證實了噴射理論。衛生型渦（wō）街流量計主要由氣體組成，衛生型渦街（jiē）流量計的產生（shēng）量（liàng）與引（yǐn）氣量基（jī）本相同。通過實驗分析，傳統發泡器發（fā）泡劑的添加比例通常超過 2%，新發電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的衛生型（xíng）渦街流量計發生器有效地降低了發泡劑的消耗（hào）。
圖 1 為電弧風扇噴嘴的結構和噴（pēn）霧，一種新型（xíng）的噴嘴（zuǐ）主要由（yóu）一個（gè）衛生型渦街（jiē）流量計入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降（jiàng）低了湍流強度。導流葉片類似於流線型尾部，產生類似於弧形風扇形狀的衛生型渦街（jiē）流量計噴霧，其（qí）形（xíng）狀（zhuàng）類似於掘進機的粉（fěn）塵源。
為了描述衛生型渦街流量計的覆蓋性能，定義（yì）了兩個幾（jǐ）何參數（shù） ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑長度 Hch 。 Lch 代表了單弧風機噴嘴所（suǒ）能覆蓋的粉塵源（yuán）的*大弦長， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長（zhǎng）之（zhī）間的*大垂直（zhí）距離，覆蓋弦長和覆蓋直徑長（zhǎng）度可確定衛生型渦街流量計流的*終覆蓋麵積。
電弧風機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長度、長徑和短徑是影響衛生型渦街流量計覆蓋性能的關鍵因素。根據空間（jiān）幾何結構，計算噴嘴結構參（cān）數與衛生型渦（wō）街流量計覆蓋性能之間的關（guān）係。為了得到覆蓋弦長的修正係數 k 和覆蓋直徑長度的修正係數 ε，對導（dǎo）葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進行了研究。為了適應地下環境，將衛生型渦街流量計出口直徑和導葉長度分別設置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像（xiàng）機測量，該攝像機能夠捕捉和分析（xī）照片的具體（tǐ）尺（chǐ）寸（cùn）。實驗中（zhōng）使用的高速相機有 1280×800 像素，拍攝速度為每（měi）秒 200 幀。為了提高對比度，在實驗過程中使用黑（hēi）色窗簾（lián）模擬（nǐ）巷道，以便（biàn）攝像機能夠（gòu）清（qīng）晰地捕捉衛生型渦街流（liú）量計流。
通過理（lǐ）論計（jì）算和實驗測試，得到了相關參數，並可知實際覆蓋（gài）弦長或覆蓋直徑（jìng）長度與導流葉片長徑或短徑的變化趨勢（shì）相同，修正係數 k 在（zài） 0.68~0.85 之間，修正係數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為（wéi） 0.75 和 0.68。
選擇某煤礦正在進行（háng）岩石開挖的（de） 810 巷（xiàng）道作為現場試驗場地。巷道支護斷麵麵（miàn）積（jī） 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高 3.5m）。岩石岩性主要為砂質泥岩（yán）和中砂岩，可產生大量粉塵。為了解決大功率電（diàn）機的（de）粉（fěn）塵問題（tí），采用（yòng）了兩個衛生型渦街（jiē）流量計（jì）發生器和四個電弧風扇噴嘴。由於切（qiē）割頭的*大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標（biāo）點 Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長徑和短徑分別為（wéi） 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實際覆（fù）蓋性能，在實驗室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結（jié）果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長 Lch 滿足條件，但覆（fù）蓋直徑Hch 小於要求。為（wéi）了解決這（zhè）一問題，測試了不同結（jié）構參數（shù）的噴嘴，*終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所（suǒ）提出（chū）的衛生型渦街流量計產生（shēng）設備的實施方案。這主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達（dá） 40 kg）和兩個集成衛生型渦街流（liú）量計發生器，一個在該（gāi）單（dān）元（yuán）的任何一側。單元和衛生型渦街流量計發生（shēng）器通過流入軟管（guǎn）和針閥連（lián）接。在 318 kW 縱（zòng）向掘進機上安裝的防塵（chén）係統，四（sì）個（gè）磁鐵將衛生型渦街流量計生產設備安裝在駕駛員（yuán）旁（páng）邊的掘進機上，以便及時和方便地控製。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門分（fèn）成兩個（gè）直徑為 19 mm 的管道。衛生型渦街（jiē）流量計發生器 ：兩個（gè）直徑為 25 mm 的管子將衛生型渦街流量計（jì）噴到支撐件（jiàn）和噴嘴上，兩個衛生型渦街（jiē）流（liú）量計發生器的工作水流為 1 m 3 /h，衛生型渦街流量計產生率為（wéi） 60 m 3 /h。經過現場試驗表明，優化後的係（xì）統比傳統係統更加穩定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測（cè）量數據，試驗結果（guǒ）表（biǎo）明（míng），新的衛生型渦街流量計技術對（duì） td 的抑製效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高於傳統方法的等效值。
4 結語
設計了一（yī）種用於（yú）煤礦掘進工作（zuò）麵的優化衛生型（xíng）渦街流量計。通過礦井（jǐng）輸送的高壓水為擬議的衛生型（xíng）渦街流量計生（shēng）產設備提供動力，自吸單元（yuán）自動地吸引環境空（kōng）氣和發泡劑以產生衛生型渦街流量計，然後將電（diàn）弧噴塗到衛生型渦街流量計噴（pēn）嘴上。壓縮空氣塞和添加發泡劑的附加設備被完全去除，使得整（zhěng）個係統更簡單，所提出的衛生型渦街流量計發生器（qì）需要更少（shǎo）的水和（hé）起泡劑，電弧風扇噴嘴提高（gāo）了衛生型渦街流量計利用（yòng）效率。
現（xiàn）場實施表（biǎo）明，優化後的係（xì）統比傳統係統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤（méi）礦采掘工作麵提供了較好的防塵要求，具有廣闊的應用前景。