煤礦掘進(jìn)工作面智能渦街流量計的優(yōu)化與實(shí)現
點(diǎn)擊次數：1682 發(fā)布時(shí)間：2021-01-06 11:29:52
掘進(jìn)機運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的粉塵，對煤礦環(huán)境造成很大影響。為了有效地控制粉塵，必須在粉塵擴散到整個(gè)道路空間之前，找到一種能夠抑制靠近源頭的粉塵的介質(zhì)。智能渦街流量計作為氣液介質(zhì)，具有表面面積大、潤濕性和附著(zhù)力強的獨特優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣、水和表面活性劑混合并通過(guò)金屬網(wǎng)強制形成智能渦街流量計。智能渦街流量計除塵效率大于 50%，噴水裝置的耗水量?jì)H為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統智能渦街流量計抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)
傳統的智能渦街流量計抑塵技術(shù)在智能渦街流量計生產(chǎn)和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在智能渦街流量計生產(chǎn)方面，許多智能渦街流量計發(fā)生器通常使用壓縮空氣來(lái)生產(chǎn)智能渦街流量計，并且在開(kāi)挖面上使用智能渦街流量計產(chǎn)生了限制 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應的壓力常常是不穩定的，難以調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向發(fā)電機的壓縮空氣管道占用了掘進(jìn)機上的一些空間，增加了系統的復雜性，使其難以用于狹窄的開(kāi)挖面。此外，傳統的智能渦街流量計發(fā)生器通常采用定量添加劑泵來(lái)添加發(fā)泡劑，使系統更復雜，更容易燃燒。為了充分利用智能渦街流量計，智能渦街流量計流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴涂結構中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴來(lái)噴涂智能渦街流量計。由于縱向掘進(jìn)機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應理想為圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過(guò)固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的智能渦街流量計流不能有效地覆蓋粉塵源，導致智能渦街流量計利用率低。
2 新型智能渦街流量計
為了克服這些缺點(diǎn)，設計了優(yōu)化的智能渦街流量計發(fā)生器、分配支座和噴嘴，并進(jìn)行了實(shí)驗室和現場(chǎng)試驗，取得了良好的效果。優(yōu)化后的智能渦街流量計發(fā)生器由一個(gè)自吸部分和一個(gè)智能渦街流量計產(chǎn)生部分組成，其電力只需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。*先，高壓水流通過(guò)噴嘴將其轉化為高速湍流，自動(dòng)將環(huán)境空氣和發(fā)泡劑吸入混合室。然后，旋流器加速空氣和液體的混合以產(chǎn)生高質(zhì)量的智能渦街流量計。新版本的優(yōu)點(diǎn)是 ：壓縮空氣管道和添加發(fā)泡劑的外來(lái)設備全部拆除，使整個(gè)系統更加簡(jiǎn)單方便 ；自動(dòng)將空氣和發(fā)泡劑吸入混合裝置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合裝置的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著(zhù)水流速度的增加而增大。真空度的增加會(huì )增加夾帶的空氣量，也會(huì )增加進(jìn)入混合室的發(fā)泡劑量。為了獲得智能渦街流量計發(fā)生器的工作參數，設計了相應的實(shí)驗系統，測試了自吸能力和發(fā)泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)相對吸風(fēng)功能。智能渦街流量計流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價(jià)智能渦街流量計函數。采用添加發(fā)泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)添加發(fā)泡劑的性能。分析水流與空氣流動(dòng)、智能渦街流量計流動(dòng)和發(fā)泡劑流動(dòng)的關(guān)系可知，隨著(zhù)水流量的增加，空氣自吸量、智能渦街流量計產(chǎn)生量和發(fā)泡劑吸力總量呈線(xiàn)性增加。這一現象證實(shí)了噴射理論。智能渦街流量計主要由氣體組成，智能渦街流量計的產(chǎn)生量與引氣量基本相同。通過(guò)實(shí)驗分析，傳統發(fā)泡器發(fā)泡劑的添加比例通常超過(guò) 2%，新發(fā)電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的智能渦街流量計發(fā)生器有效地降低了發(fā)泡劑的消耗。
圖 1 為電弧風(fēng)扇噴嘴的結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個(gè)智能渦街流量計入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降低了湍流強度。導流葉片類(lèi)似于流線(xiàn)型尾部，產(chǎn)生類(lèi)似于弧形風(fēng)扇形狀的智能渦街流量計噴霧，其形狀類(lèi)似于掘進(jìn)機的粉塵源。
為了描述智能渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個(gè)幾何參數 ：cov 年齡和弦長(cháng)度 Lch 和覆蓋直徑長(cháng)度 Hch 。 Lch 代表了單弧風(fēng)機噴嘴所能覆蓋的粉塵源的*大弦長(cháng)， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長(cháng)之間的*大垂直距離，覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度可確定智能渦街流量計流的*終覆蓋面積。
電弧風(fēng)機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑是影響智能渦街流量計覆蓋性能的關(guān)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(guān)系。為了得到覆蓋弦長(cháng)的修正系數 k 和覆蓋直徑長(cháng)度的修正系數 ε，對導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑不同的噴嘴進(jìn)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(cháng)度分別設置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像機測量，該攝像機能夠捕捉和分析照片的具體尺寸。實(shí)驗中使用的高速相機有 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(guò)程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰地捕捉智能渦街流量計流。
通過(guò)理論計算和實(shí)驗測試，得到了相關(guān)參數，并可知實(shí)際覆蓋弦長(cháng)或覆蓋直徑長(cháng)度與導流葉片長(cháng)徑或短徑的變化趨勢相同，修正系數 k 在 0.68~0.85 之間，修正系數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為 0.75 和 0.68。
選擇某煤礦正在進(jìn)行巖石開(kāi)挖的 810 巷道作為現場(chǎng)試驗場(chǎng)地。巷道支護斷面面積 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高 3.5m）。巖石巖性主要為砂質(zhì)泥巖和中砂巖，可產(chǎn)生大量粉塵。為了解決大功率電機的粉塵問(wèn)題，采用了兩個(gè)智能渦街流量計發(fā)生器和四個(gè)電弧風(fēng)扇噴嘴。由于切割頭的*大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點(diǎn) Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長(cháng)徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實(shí)際覆蓋性能，在實(shí)驗室中測量了覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度，結果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長(cháng) Lch 滿(mǎn)足條件，但覆蓋直徑Hch 小于要求。為了解決這一問(wèn)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 示出了所提出的智能渦街流量計產(chǎn)生設備的實(shí)施方案。這主要包括發(fā)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(fā)生器，一個(gè)在該單元的任何一側。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 縱向掘進(jìn)機上安裝的防塵系統，四個(gè)磁鐵將智能渦街流量計生產(chǎn)設備安裝在駕駛員旁邊的掘進(jìn)機上，以便及時(shí)和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門(mén)分成兩個(gè)直徑為 19 mm 的管道。智能渦街流量計發(fā)生器 ：兩個(gè)直徑為 25 mm 的管子將智能渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個(gè)智能渦街流量計發(fā)生器的工作水流為 1 m 3 /h，智能渦街流量計產(chǎn)生率為 60 m 3 /h。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)試驗表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統更加穩定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測量數據，試驗結果表明，新的智能渦街流量計技術(shù)對 td 的抑制效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高于傳統方法的等效值。
4 結語(yǔ)
設計了一種用于煤礦掘進(jìn)工作面的優(yōu)化智能渦街流量計。通過(guò)礦井輸送的高壓水為擬議的智能渦街流量計生產(chǎn)設備提供動(dòng)力，自吸單元自動(dòng)地吸引環(huán)境空氣和發(fā)泡劑以產(chǎn)生智能渦街流量計，然后將電弧噴涂到智能渦街流量計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發(fā)泡劑的附加設備被完全去除，使得整個(gè)系統更簡(jiǎn)單，所提出的智能渦街流量計發(fā)生器需要更少的水和起泡劑，電弧風(fēng)扇噴嘴提高了智能渦街流量計利用效率。
現場(chǎng)實(shí)施表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤礦采掘工作面提供了較好的防塵要求，具有廣闊的應用前景。
1 傳統智能渦街流量計抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)
傳統的智能渦街流量計抑塵技術(shù)在智能渦街流量計生產(chǎn)和噴涂方面仍存在一定的缺陷。在智能渦街流量計生產(chǎn)方面，許多智能渦街流量計發(fā)生器通常使用壓縮空氣來(lái)生產(chǎn)智能渦街流量計，并且在開(kāi)挖面上使用智能渦街流量計產(chǎn)生了限制 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應的壓力常常是不穩定的，難以調整，通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向發(fā)電機的壓縮空氣管道占用了掘進(jìn)機上的一些空間，增加了系統的復雜性，使其難以用于狹窄的開(kāi)挖面。此外，傳統的智能渦街流量計發(fā)生器通常采用定量添加劑泵來(lái)添加發(fā)泡劑，使系統更復雜，更容易燃燒。為了充分利用智能渦街流量計，智能渦街流量計流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴涂結構中，通常使用固體錐形噴嘴和扁平噴嘴來(lái)噴涂智能渦街流量計。由于縱向掘進(jìn)機的截割頭大致為錐形，噴嘴的噴霧范圍應理想為圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過(guò)固體圓錐噴嘴和扁平噴嘴的智能渦街流量計流不能有效地覆蓋粉塵源，導致智能渦街流量計利用率低。
2 新型智能渦街流量計
為了克服這些缺點(diǎn)，設計了優(yōu)化的智能渦街流量計發(fā)生器、分配支座和噴嘴，并進(jìn)行了實(shí)驗室和現場(chǎng)試驗，取得了良好的效果。優(yōu)化后的智能渦街流量計發(fā)生器由一個(gè)自吸部分和一個(gè)智能渦街流量計產(chǎn)生部分組成，其電力只需要高壓水供應，通常在地下礦山可用。*先，高壓水流通過(guò)噴嘴將其轉化為高速湍流，自動(dòng)將環(huán)境空氣和發(fā)泡劑吸入混合室。然后，旋流器加速空氣和液體的混合以產(chǎn)生高質(zhì)量的智能渦街流量計。新版本的優(yōu)點(diǎn)是 ：壓縮空氣管道和添加發(fā)泡劑的外來(lái)設備全部拆除，使整個(gè)系統更加簡(jiǎn)單方便 ；自動(dòng)將空氣和發(fā)泡劑吸入混合裝置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合裝置的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著(zhù)水流速度的增加而增大。真空度的增加會(huì )增加夾帶的空氣量，也會(huì )增加進(jìn)入混合室的發(fā)泡劑量。為了獲得智能渦街流量計發(fā)生器的工作參數，設計了相應的實(shí)驗系統，測試了自吸能力和發(fā)泡能力。用空氣流量 qg 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)相對吸風(fēng)功能。智能渦街流量計流量 qr 與水流 qw 的比值用于評價(jià)智能渦街流量計函數。采用添加發(fā)泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來(lái)評價(jià)添加發(fā)泡劑的性能。分析水流與空氣流動(dòng)、智能渦街流量計流動(dòng)和發(fā)泡劑流動(dòng)的關(guān)系可知，隨著(zhù)水流量的增加，空氣自吸量、智能渦街流量計產(chǎn)生量和發(fā)泡劑吸力總量呈線(xiàn)性增加。這一現象證實(shí)了噴射理論。智能渦街流量計主要由氣體組成，智能渦街流量計的產(chǎn)生量與引氣量基本相同。通過(guò)實(shí)驗分析，傳統發(fā)泡器發(fā)泡劑的添加比例通常超過(guò) 2%，新發(fā)電機的添加比例在 0.8% 到0.9% 之間。所提出的智能渦街流量計發(fā)生器有效地降低了發(fā)泡劑的消耗。
圖 1 為電弧風(fēng)扇噴嘴的結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個(gè)智能渦街流量計入口、出口和導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降低了湍流強度。導流葉片類(lèi)似于流線(xiàn)型尾部，產(chǎn)生類(lèi)似于弧形風(fēng)扇形狀的智能渦街流量計噴霧，其形狀類(lèi)似于掘進(jìn)機的粉塵源。
為了描述智能渦街流量計的覆蓋性能，定義了兩個(gè)幾何參數 ：cov 年齡和弦長(cháng)度 Lch 和覆蓋直徑長(cháng)度 Hch 。 Lch 代表了單弧風(fēng)機噴嘴所能覆蓋的粉塵源的*大弦長(cháng)， Hch 代表覆蓋塵源與覆蓋弦長(cháng)之間的*大垂直距離，覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度可確定智能渦街流量計流的*終覆蓋面積。
電弧風(fēng)機噴嘴 l ， d 、 h 的導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑是影響智能渦街流量計覆蓋性能的關(guān)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(guān)系。為了得到覆蓋弦長(cháng)的修正系數 k 和覆蓋直徑長(cháng)度的修正系數 ε，對導葉長(cháng)度、長(cháng)徑和短徑不同的噴嘴進(jìn)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(cháng)度分別設置為 10 mm 和 30 mm。
Hch 和 Lch 由高速攝像機測量，該攝像機能夠捕捉和分析照片的具體尺寸。實(shí)驗中使用的高速相機有 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(guò)程中使用黑色窗簾模擬巷道，以便攝像機能夠清晰地捕捉智能渦街流量計流。
通過(guò)理論計算和實(shí)驗測試，得到了相關(guān)參數，并可知實(shí)際覆蓋弦長(cháng)或覆蓋直徑長(cháng)度與導流葉片長(cháng)徑或短徑的變化趨勢相同，修正系數 k 在 0.68~0.85 之間，修正系數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為 0.75 和 0.68。
選擇某煤礦正在進(jìn)行巖石開(kāi)挖的 810 巷道作為現場(chǎng)試驗場(chǎng)地。巷道支護斷面面積 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高 3.5m）。巖石巖性主要為砂質(zhì)泥巖和中砂巖，可產(chǎn)生大量粉塵。為了解決大功率電機的粉塵問(wèn)題，采用了兩個(gè)智能渦街流量計發(fā)生器和四個(gè)電弧風(fēng)扇噴嘴。由于切割頭的*大外徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點(diǎn) Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的長(cháng)徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的實(shí)際覆蓋性能，在實(shí)驗室中測量了覆蓋弦長(cháng)和覆蓋直徑長(cháng)度，結果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長(cháng) Lch 滿(mǎn)足條件，但覆蓋直徑Hch 小于要求。為了解決這一問(wèn)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 示出了所提出的智能渦街流量計產(chǎn)生設備的實(shí)施方案。這主要包括發(fā)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(fā)生器，一個(gè)在該單元的任何一側。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 縱向掘進(jìn)機上安裝的防塵系統，四個(gè)磁鐵將智能渦街流量計生產(chǎn)設備安裝在駕駛員旁邊的掘進(jìn)機上，以便及時(shí)和方便地控制。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門(mén)分成兩個(gè)直徑為 19 mm 的管道。智能渦街流量計發(fā)生器 ：兩個(gè)直徑為 25 mm 的管子將智能渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個(gè)智能渦街流量計發(fā)生器的工作水流為 1 m 3 /h，智能渦街流量計產(chǎn)生率為 60 m 3 /h。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)試驗表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統更加穩定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測量數據，試驗結果表明，新的智能渦街流量計技術(shù)對 td 的抑制效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高于傳統方法的等效值。
4 結語(yǔ)
設計了一種用于煤礦掘進(jìn)工作面的優(yōu)化智能渦街流量計。通過(guò)礦井輸送的高壓水為擬議的智能渦街流量計生產(chǎn)設備提供動(dòng)力，自吸單元自動(dòng)地吸引環(huán)境空氣和發(fā)泡劑以產(chǎn)生智能渦街流量計，然后將電弧噴涂到智能渦街流量計噴嘴上。壓縮空氣塞和添加發(fā)泡劑的附加設備被完全去除，使得整個(gè)系統更簡(jiǎn)單，所提出的智能渦街流量計發(fā)生器需要更少的水和起泡劑，電弧風(fēng)扇噴嘴提高了智能渦街流量計利用效率。
現場(chǎng)實(shí)施表明，優(yōu)化后的系統比傳統系統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤礦采掘工作面提供了較好的防塵要求，具有廣闊的應用前景。