礦用掘錨一體機噴霧系統(tǒng)設計及其性能影響因素的研究

李 劍

（科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

掘錨一體機在大斷面煤巷掘進工作中被廣泛應用，利用該設備可以同時完成巷道的臨時支護、錨桿支護、行走、除塵以及煤礦物料的截割、運輸?shù)榷囗椆ぷ鱗1-2]。由于多項工作都集中在相同設備中完成，整個流程銜接更加順暢，能夠顯著提升煤礦開采效率[3]。噴霧系統(tǒng)是掘錨一體機中重要的構成部分，其作用是通過噴霧降低礦井作業(yè)環(huán)境中粉塵的含量，營造良好的工作氛圍[4]。因此，噴霧系統(tǒng)性能的好壞直接決定了礦井工作環(huán)境的優(yōu)劣，進而影響礦井工作人員的身體健康。本文主要以MB380型號掘錨一體機為例，對其噴霧系統(tǒng)進行了詳細的設計研究。

1 掘錨一體機整體結構及其基本原理

掘錨一體機由多個部分構成，整個結構非常復雜，見圖1。截割部的作用類似于采煤機，能夠完成掏槽、下切、拉底等多個動作，達到落煤的效果[5-6]。裝載部的作用類似于刮板輸送機，將落煤進行收集并運輸至運輸部，通過運輸部將采集得到的煤礦物料輸送到其他傳輸設備中運走。錨鉆系統(tǒng)和臨時支護則主要是為了完成各種支護工作，確保整個煤礦采掘過程的安全。噴霧系統(tǒng)的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：由于煤礦采掘過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，通過噴霧系統(tǒng)能夠加速粉塵的降落，保障采掘環(huán)境質量；對掘錨一體機設備中的泵箱以及電動機等進行冷卻，提升設備運行穩(wěn)定性。噴霧系統(tǒng)雖然不是掘錨一體機中最為關鍵和核心的部分，但同樣會對整個設備的性能產(chǎn)生重要的影響，因此需要對其進行詳細設計。

圖1 礦用掘錨一體機整體結構示意圖

2 掘錨一體機噴霧系統(tǒng)的設計

噴霧系統(tǒng)除了降塵的作用外，更重要的是對掘錨一體機的電機進行冷卻，避免溫度過高影響電機運行的穩(wěn)定性。而掘錨一體機屬于集成化設備，設備可以實現(xiàn)很多功能，每個功能都需要利用電機提供動力。因此掘錨一體機內部包含有多部電機，使得整個掘錨一體機噴霧系統(tǒng)也相對較為復雜，見圖2。

圖2 掘錨一體機噴霧系統(tǒng)整體方案示意圖

從圖2中可以看出，整個噴霧系統(tǒng)有兩大支路構成。冷卻水進入噴霧系統(tǒng)后先需要經(jīng)過過濾器進行處理，以確保冷卻水質達到要求，避免雜質進入噴霧系統(tǒng)造成管路堵塞，然后沿兩個方向進行流動。在第一支路中，冷卻水流經(jīng)流量開關、流量表、減壓閥等設施后，可以對裝載電機和截割電機進行冷卻。其中，裝載電機通過串聯(lián)方式進行冷卻，而截割電機則通過并聯(lián)方式進行冷卻。最終冷卻水在截割機和鏟板機中進行噴霧；第二回路中，冷卻水經(jīng)過控制閥、減壓閥等設施后，又分成四個子支路。第一子支路通過串聯(lián)的方式對變頻器、兩個行走電機進行冷卻，第二子支路對油泵電機進行冷卻，且水最終流進鉆箱，第三子支路直接對除塵機進行供水噴霧，第四子支路同樣通過串聯(lián)方式對兩個輸送電機進行冷卻，最終在輸送槽中進行噴霧。需要說明的是，掘錨一體機正常工作時行走速度非常緩慢，因此行走電機發(fā)熱量相對較小，無需對其進行冷卻，一般通過球閥對該支路進行關閉。只有在掘錨一體機長距離行駛時才打開球閥對行走電機進行冷卻。通過此措施能夠顯著提升噴霧系統(tǒng)的運行效率，避免不必要的浪費。

3 噴嘴的選型壓力流量設計

3.1 噴嘴的選型

為了確保煤礦生產(chǎn)安全，在掘錨一體機的多個部位均設置了噴霧系統(tǒng)。噴嘴是噴霧系統(tǒng)中比較關鍵的裝置，冷卻水需要通過噴嘴進行霧化。如圖3所示為本系統(tǒng)選用的噴嘴實物圖片，屬于空心錐噴嘴。噴嘴內部為螺旋空腔，冷卻水的入口與螺旋空腔相切，確保冷卻水以相切的方式進入，使得水分在空腔內能夠得到充分霧化，以達到最理想的效果。在設置噴霧系統(tǒng)時，要求噴嘴形成的噴霧、機械設備、煤壁等可以形成一個封閉的空間，使得掘錨一體機工作時產(chǎn)生的粉塵不會向外擴散，而是隨噴霧沉降。

圖3 空心錐噴嘴實物圖片

3.2 壓力流量計算

根據(jù)我國制定的煤礦行業(yè)標準，為確保煤礦生產(chǎn)安全，要求截割部位噴霧系統(tǒng)噴霧時的壓力不得低于2 MPa。對于本系統(tǒng)選用的空心錐噴嘴，為達到上述壓力要求，其流量大小應該不得低于2.7 L/min。第一回路中使用的噴嘴數(shù)量為26個，則要求第一回路的流量不得低于70.2 L/min。輸送槽噴霧和除塵噴霧的壓力不得低于0.5 MPa，要求對應的流量不得低于1.3 L/min，此兩個子回路的噴嘴數(shù)量共為10個，則要求對應的流量不得低于13 L/min。另外，每個鉆箱進水流量要求每分鐘達到30 L，共計有三個鉆箱，則鉆箱的流量大小為90 L/min。基于以上分析可以看出，在滿足最基本要求的情況下，噴霧系統(tǒng)的流量大小應該為173.2 L/min。雖然通過控制噴霧系統(tǒng)入口流量大小能夠保障噴霧時的壓力要求，但為了進一步提升系統(tǒng)運行的可靠性，分別在各個噴霧支路前端設置增壓閥。使截割部位噴霧系統(tǒng)水壓和除塵部位噴霧系統(tǒng)水壓分別不低于2 MPa和0.5 MPa。

4 影響噴霧系統(tǒng)性能的主要因素

基于上述分析可以看出，掘錨一體機噴霧系統(tǒng)相對較為復雜。在復雜的煤礦環(huán)境下工作時，容易受環(huán)境因素的影響，進而降低其使用性能。以下結合筆者實踐經(jīng)驗，對噴霧系統(tǒng)使用性能的主要影響因素及其解決措施進行分析。

1）噴霧系統(tǒng)需要利用水進行冷卻和噴霧，而礦井水質通常不理想。雖然會利用過濾器對水進行過濾，但不可避免地還是會混入各類雜質，最終對噴霧系統(tǒng)造成堵塞，影響冷卻和噴霧效果。針對該問題，當掘錨一體機停機時，應該將噴霧系統(tǒng)前端的過濾器取下并清洗干凈，對濾芯定期進行更換。

2）水流從噴嘴中流出時速度較快，經(jīng)過長時間使用后噴嘴會出現(xiàn)磨損問題，進而影響噴霧的效果，需要定期對噴嘴進行更換。另外，煤礦開采環(huán)境較為復雜，噴嘴口容易被雜質堵塞，針對該問題可以利用針狀物體將噴嘴進行疏通。

3）由于水質問題，噴霧系統(tǒng)經(jīng)過長時間使用后，會在管道內部產(chǎn)生水垢，阻礙水的流動，影響冷卻和噴霧效果，需要定期對噴霧系統(tǒng)管道進行清理。尤其是管道中的各類水路元件，彈簧表面產(chǎn)生水垢后可能會影響復位，使得水路元件工作精度降低，所以需要定期對各類水路元件進行檢查，確保各元件都能夠正常工作。