壓氣旋風式吸氣裝置設計

張冬梅 王保華

（焦作大學機電工程學院 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，會降低井下作業現場的能見度，容易發生安全事故，同時加速機械磨損，甚至一定條件下能引起劇烈爆炸，因此，消除粉塵的危害，已經成為煤礦安全生產的迫切任務。壓氣旋風式抽風機與通風系統的結合，能夠很好地將巷道中的粉塵排除礦井。

旋風裝置工作原理：模擬龍卷風的氣動機理，在消耗少量壓縮空氣的情況下，就能產生很強吸附力，氣流被從四面八方吸入渦旋的底部，并隨即變為繞軸心向上的渦流，達到類似強力葉片式抽風機的效果。圖1為吸塵部分工作原理圖，其中接口1和空壓機等設備連接，從接口1處通入一定壓力的氣體，氣體在桶壁特殊的結構作用下，形成渦流，使接口3處產生低壓，把外界氣體吸入桶壁內，并由接口2處排出，完成吸塵過程。

二、吸塵系統設計

綜采工作面粉塵分布情況所需數據在潞安礦區某礦井下的4339和5204綜采工作面測定取得。在進風巷、工作面和回風巷布點測塵，測點高度在1.5 m左右的工人呼吸帶處。經數據分析，采煤粉塵濃度從割煤機操作員開始，向下風側粉塵濃度迅速升高，在下風向10 m附近達到粉塵濃度最大值，然后再往下風側粉塵濃度就逐漸下降，到下風側50 m后粉塵濃度明顯降低。由此可知，采煤機割煤時需要

重點防治的是下風向10～50 m空間的粉塵。

根據現場情況分析，設計參數為：進氣口直徑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.吸塵裝置設計

（1）抽吸腔。抽吸腔是渦旋運動產生部位，結構如圖2所示，其中溝槽是產生渦旋運動的關鍵部位，選取溝槽內徑為48 mm。在計算過程中，將氣體視為不可壓縮的理想流體，由流體力學分析可知，由于渦核區域很小，其壓強比環流區低，徑向壓強梯度很大，故有向渦核中心的抽吸作用。渦旋越強，抽吸效果越明顯。對稱布置溝槽10個，當溝槽角度為45°時，渦旋運動效果最好。

在抽吸腔進氣口和進氣溝槽之間設置一孤立臺階，此臺階有兩個作用，一是與其它臺階形成一個環形溝，用于放置密封墊圈并與連接套（圖3）配合形成密封。二是與進氣溝槽形成密封空腔，可將由進氣口進入的高壓氣體均勻的從十個溝槽進入，更好的形成渦旋運動。

（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動，產生負壓，從而有利于通入高壓氣體時向上吸氣。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，其結構如圖3所示。

圖2 抽吸腔結構

圖3 連接套結構

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

（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留螺紋孔進行螺栓連接，以保證連接的穩定性、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，由于該零件使用過程中，只有氣體流動無機械運動，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 法蘭結構

2.風機的選擇

（1）風量。風機的選擇要根據設計風量和風壓來確定。風機的風量按式（1）計算，風量的調節是通過與風機相連接的調頻器實現。

式中 Q——風機所需的風量，m3/h

K——風管和除塵器的漏風系數

Q1——系統風量，m3/h

（2）風壓。風壓按式（2）計算。

圖5 吸氣裝置

圖6 吸氣裝置剖視圖

式中 K1——管路系統阻力的附加系數

K2——風機風壓的附加系數

ΔP1——管路系統阻力，Pa

ΔP2——除塵器阻力，Pa

由于此除塵設備要用于礦井綜掘面除塵，采用防爆型風機。由于風機安裝位置屬于工作區域，應當在風機出口安裝消聲裝置。

3.濾筒式除塵器

經綜合考慮，采用濾筒式除塵器進行除塵，鑒于安裝使用的便利性和工作面的空間要求，設計選用唐納森濾筒，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到99.999%。此濾筒使用表面過濾技術達到脫塵效果，省去了形成塵餅的過程，屬于阻燃型濾筒，符合標準要求。

三、結論

壓氣旋風式吸氣裝置沒有運動部件，使用更加安全且免維護；結構緊湊、操作簡單、便于安裝和攜帶；有氣流增強功能，耗氣量小，節約用氣；氣流強度可調，通道大，無障礙物；由壓縮空氣提供動力，沒有電氣干擾，無電氣隱患；入口和出口都可安裝輸送管，便于整體結構設計。

結合現有除塵設備的優點和不足，利用井下通風量大的特點，根據旋風原理，設計壓氣旋風式綜掘工作面吸塵裝置，經某煤礦投入使用，除塵效果明顯。通過除塵器的合理設計和布局，提高了粉塵凈化效果，具有一定的推廣意義和市場價值。