煤礦掘進工作麵智能渦街流量計的優化與實現

掘（jué）進機運行時會產生大量的粉塵，對煤礦環境造（zào）成很大影響。為了有效地控製（zhì）粉塵，必須在粉塵擴散到整個道路空間之前（qián），找到（dào）一種能夠抑（yì）製靠近源頭的粉塵的介質。智能渦街流量計作為氣液（yè）介質，具有表麵麵積大、潤濕性和附著（zhe）力（lì）強的獨特優點（diǎn）。壓（yā）縮空氣、水（shuǐ）和表麵活性劑混合並（bìng）通過金（jīn）屬網強製（zhì）形成智（zhì）能渦街流量計。智能渦街流（liú）量計除塵效率大於 50%，噴水裝置（zhì）的（de）耗（hào）水量僅為噴水（shuǐ）裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統智能渦街流量計抑（yì）塵技術的缺（quē）點
傳統的智能渦（wō）街流量計（jì）抑塵技術在智能渦街流量計生產和噴（pēn）塗方麵仍存在一定的缺陷。在智能渦街流量計生產方麵，許多智能渦街流量計發生器通常使用（yòng）壓縮空氣來（lái）生產智能渦街流量計，並（bìng）且在開挖（wā）麵上使（shǐ）用智能（néng）渦街流量計產生了限製 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應的壓力常常是不穩定的，難以（yǐ）調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向（xiàng）發電機的壓縮空氣管道占用了掘進機上的一些空間，增加了係（xì）統的複（fù）雜性，使其難以用於狹窄的開挖麵。此外（wài），傳統的智能渦街流量計發（fā）生（shēng）器通常采用定（dìng）量添加劑泵來添加（jiā）發泡劑，使係統更複雜，更（gèng）容易燃燒。為了充分利（lì）用智能渦街流量計（jì），智（zhì）能渦街流量計流的形狀（zhuàng）必須與粉塵源的形狀相（xiàng）似。在目前的噴塗結構中，通常使用固（gù）體錐形噴嘴和扁平噴嘴來（lái）噴塗智能渦街流量計。由於縱向掘進機的截割頭大（dà）致為錐形，噴（pēn）嘴的（de）噴霧範圍應理想為（wéi）圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過固（gù）體圓錐噴嘴（zuǐ）和扁平（píng）噴嘴的（de）智能渦街流量計（jì）流不能有（yǒu）效地覆蓋粉塵源（yuán），導致智能渦街（jiē）流量（liàng）計利用率低。
2 新型智能渦街流量計
為了克服（fú）這些缺點，設計了優化的智（zhì）能渦街流量計發生器、分配（pèi）支座和噴嘴，並進行了實驗室和現場試（shì）驗，取（qǔ）得（dé）了（le）良好的效果。優化後的智能渦街流量計發（fā）生器由一個自吸（xī）部分和一（yī）個（gè）智能渦街流量計產生部分組成，其電力隻需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。*先，高壓（yā）水流通過噴嘴將其轉（zhuǎn）化為高速湍流，自動將環境空氣（qì）和發泡劑（jì）吸入混合室。然後，旋流器加（jiā）速（sù）空氣和（hé）液體的（de）混合以產生高質量的智能渦（wō）街流量計。新版本的優點是 ：壓（yā）縮空氣管道和（hé）添加發泡劑的（de）外來設備（bèi）全部拆除，使整個係統更加簡單方便 ；自動將空氣和發泡劑吸入混合裝置（zhì），消除了水回流 ；旋流器降低（dī）了混合裝置的阻力。
根據射（shè）流理論，水射流形（xíng）成（chéng）的真空度（dù）隨（suí）著水流速度的增加而增（zēng）大。真空度的增（zēng）加會增加夾帶的空氣量，也會增加進入混合室的發泡劑量。為了獲得智能渦（wō）街流量計發生器的工作參數，設計了相應的實驗（yàn）係統，測試了自吸能力和發泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來評價相對吸風功能。智能渦街流量（liàng）計流量 qr 與水流 qw 的比值用於評價智能渦街流（liú）量計函數。采用添加發泡劑（jì）流量 qa 與水流量 qw 的比值來評價添（tiān）加（jiā）發泡劑的性能。分析水流與空氣流動、智能渦街流量計流動（dòng）和發（fā）泡劑流（liú）動的關係可（kě）知，隨著水流量的增加，空氣自吸量、智能渦街流（liú）量計（jì）產（chǎn）生量和（hé）發（fā）泡劑（jì）吸力（lì）總量呈（chéng）線性增加。這（zhè）一（yī）現象證實了噴射理論。智能（néng）渦街流量計主要由氣體組成，智能（néng）渦街流量計的產生量與引氣量基本相同。通過實（shí）驗（yàn）分析，傳統發泡器發（fā）泡劑的添加比例通常超過 2%，新發電（diàn）機的添加比例在（zài） 0.8% 到0.9% 之間。所提出的智（zhì）能渦街流量計發（fā）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霧，一種新型的噴嘴主要由一個智（zhì）能渦街流量計（jì）入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設（shè）計降低了湍（tuān）流強度。導流葉片類似（sì）於流線型尾部，產（chǎn）生類似於弧形風扇形狀的智能渦街流量計噴（pēn）霧，其形狀類似於掘進機的粉塵（chén）源。

為了描述智能渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個幾何（hé）參數 ：cov 年齡和弦長度 Lch 和覆蓋直徑（jìng）長（zhǎng）度 Hch 。 Lch 代表了單（dān）弧風機噴嘴所能覆蓋的粉（fěn）塵源的*大弦長， Hch 代（dài）表覆蓋塵源（yuán）與覆蓋弦長之間的*大垂（chuí）直距離（lí），覆蓋弦長和（hé）覆蓋（gài）直徑（jìng）長度可確定智能渦街流量計流（liú）的*終覆蓋麵積。
電弧風機（jī）噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長度、長徑和短徑是影響智能渦街流量計覆蓋性能的關鍵因素。根據空間幾何結構，計算噴嘴結構參數與智能渦街流量計覆蓋性能之間的關係。為了得到覆蓋弦長的修正係數（shù） k 和覆蓋直徑長度的修正係數 ε，對導葉長度、長徑和短徑不同的噴嘴進行了研究。為了適應地下環（huán）境，將智能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（gāo）速攝像機測量，該攝像機能夠捕捉和（hé）分析照片的具體尺寸。實驗中（zhōng）使用的高速（sù）相機有（yǒu） 1280×800 像素，拍攝速度為每秒 200 幀。為了提高對比度，在實（shí）驗過程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰（xī）地捕捉智能渦街流量計流。
通過理論（lùn）計算和實驗測試，得到了相關（guān）參（cān）數，並可知實際覆蓋弦（xián）長或覆蓋直徑長度與導（dǎo）流葉片長徑或短徑的變化趨勢相同，修正係數 k 在 0.68~0.85 之間，修正係數 ε在 0.60~0.72 之間，平均（jun1）值分別為 0.75 和 0.68。

選擇某煤礦正在進行岩石開挖的 810 巷道作為現場試（shì）驗場地。巷道支護斷麵麵積（jī） 13.87 m 2 （寬（kuān） 4.6 × 高 3.5m）。岩石岩性主要為（wéi）砂質泥岩和中砂（shā）岩，可產生大量粉塵。為了解決大功率電機（jī）的粉（fěn）塵問題，采用了兩（liǎng）個智能渦街流量計發生器和四個電弧風扇噴嘴。由於切割頭（tóu）的*大外（wài）徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點 Ltd 之（zhī）間的距（jù）離為 1 000 mm。根據計（jì）算（suàn）得出導葉 d 、 h的長徑和短徑分（fèn）別為 34.3 mm 和（hé） 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實際覆蓋性能，在實驗室中測量（liàng）了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長 Lch 滿足條件，但覆蓋直徑Hch 小於要（yào）求。為了解決這一問題，測試了不同結構參數的噴嘴，*終選擇 d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示（shì）出了所提出的智能渦街流量計產生設備的實施（shī）方案。這（zhè）主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達 40 kg）和兩個（gè）集成智能渦街流量計發生器，一個在該單元的（de）任何一（yī）側。單元和智能渦街流量計發（fā）生器通過（guò）流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘（jué）進機上（shàng）安裝的防塵係（xì）統，四個磁鐵將智能渦街流量計生產設備安裝在駕駛員（yuán）旁邊的（de）掘進機上，以便及時和（hé）方便地控製。50 mm 直徑的（de）地下高壓（yā）水管被 T 型閥門分成兩個（gè）直徑為 19 mm 的管道。智能渦街流量計發生器 ：兩個直（zhí）徑為 25 mm 的管子將智能渦街流量計噴到（dào）支撐件和噴嘴上，兩個智能渦街流量計發生器的（de）工作水流為（wéi） 1 m 3 /h，智能渦街流量計產生（shēng）率為 60 m 3 /h。經過現場試驗表明（míng），優化後的係統比（bǐ）傳統（tǒng）係統更加穩定可靠。獲得了三組不同（tóng）條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵（chén）濃度測量（liàng）數據，試驗結果表明，新的智能渦街流量計技術對（duì） td 的（de）抑製效果為 87.3%，rd 為（wéi） 85.9%，均高於傳（chuán）統（tǒng）方法的等效值。
4 結語
設計了一種用於煤（méi）礦掘進工作麵的優化智能渦街流量計。通過礦井（jǐng）輸送的高壓水為擬議的智能渦街（jiē）流量計生（shēng）產設備提供動力，自吸單元自動地吸引環境空氣和發泡劑以（yǐ）產生智能渦街流量（liàng）計，然後將電弧（hú）噴塗（tú）到智能渦街流量（liàng）計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發泡劑的附（fù）加（jiā）設備被完全（quán）去除，使得整個係統更簡（jiǎn）單，所提（tí）出的智能渦街流量計發生器需要更少的水和（hé）起泡劑，電弧風扇噴嘴提高了智能渦（wō）街流量計利用效率。
現場實施表明，優化後（hòu）的係統比傳統係統（tǒng）具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤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。

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