液压支架喷雾降尘喷嘴的优化设计.pdf

当代化工研究 Modern Chemical Research1492020 10 科研开发 液压支架喷雾降尘喷嘴的优化设计 *韩强 山西西山中煤机械制造有限公司山西030000 摘耍作为煤矿企业餉一项重要的安全措施之一，煤矿防尘技术在煤矿企业的生产体系中占据着不可或缺的位置.为降低粉尘浓度，改 善矿井内的作业环境，保障煤矿生产人员的健康和安全，本文将工作面产生粉尘实际情况与旋转射流理论有机结合，构建了液压支架喷雾 降尘喷嘴材料和结构两方面的设计方案，实现了对液压支架喷雾降尘喷嘴丝优化. 关键词液压支架；喷雾降尘；喷嘴；煤矿企业 中图分类号TD714 文献标识码A Optimization Design of Spray Dust Suppression Nozzle for Hydraulic Support Ha n Qia n g Sh a n xi Xish a n Zh o n gme i Ma c h in e r y Ma n ufa c tur in g Co ., Ltd ., Sh a n xi, 030000 Abstracts As one of the important safety measures of coal mine enterprises, coal mine dust prevention technology occupies an indispensable position in the production system of coal mine enterprises. In order to reduce the dust concentration, improve the working environment in the mine, and ensure the health and safety of coal mine production personnel, this paper organically combines the actual situation of dust generation in the working face with the theory of rotating jet, and constructs the design scheme of the material and structure of spray dust suppression nozzle of the hydraulic support, thus realizing the optimization of spray dust suppression nozzle of the hydraulic support. Key words hydraulic support spray dust suppression nozzle\ 通过对本文提出的优化方案在工作面上进行工业性试 验，可以知悉，利用该方案对液压支架喷雾降尘喷嘴进行结 构和材料上的改造，取得了十分明显的效果，显著的降低了 粉尘浓度、为煤矿生产人员创造了良好的作业环境、推动了 煤矿生产工作有序稳定的进行。 1. 液压支架喷雾降尘喷嘴的应用现状 煤矿企业的综放工作面凭借着其具有的高产量、高效 率和低能耗的优势，能够完成对需要分层开采煤矿的一次采 出，在一定程度上，能够实现煤矿企业生产工作的高效率进 行⑴。但综放工作面在实现煤矿一次采出的同时，也会衍生 出一系列的问题，例如煤炭损失、防尘和瓦斯管理等问 题，尤其是其在作业过程中产生的大量的高浓度的粉尘，严 重污染了煤矿作业的环境，威胁着煤矿生产人员的身体健 康。据研究表明，综放工作面在作业时产生的未经处理的粉 尘质量浓度每立方米可达5000毫克。 现阶段，为减少粉尘污染，改善作业环境，推动煤矿生 产效率的提升，我国煤矿企业在生产作业时，普遍应用了防 尘措施。煤体预注水防尘、喷雾降尘、弓谢除尘器除尘、通 风排尘和封闭控尘是其中比较常见的五种防尘措施，而喷雾 降尘因为其具有的降尘效果好、操作简便、实用性强和经济 性的优势，被当前煤矿综放工作面广泛使用。 作为喷雾降尘措施中的一种常见载体，液压支架喷雾具 有控制移架和采煤机产尘的功能，是综放工作面最为重要的 防尘手段，但当前我国缺少对其喷嘴的细致探索，致使煤矿 综放工作面粉尘浓度强、降尘效果不尽人意，因而有必要对 综放工作面液压支架喷嘴进行优化研究⑷。 2. 液压支架喷雾降尘喷嘴材料上的优化 一直以来，我国煤矿企业中普遍应用铜和不锈钢材料作 为液压支架喷雾降尘喷嘴的材料，近年来，随着科技的不断 发展和工艺的不断进步，基于现场应用实际，我国对这种材 coal mining enterprises 料的喷嘴使用缺陷进行了相关总结，具体有如下几点缺陷⑷0 ⑴使用周期短 通过试验发现，以铜和不锈钢作为材料的液压支架喷雾 降尘喷嘴在使用两、三个月后，孔径会发生明显的变化，一 般来说，会增大0.2到0.3毫米，在一定程度上，缩短了喷嘴 的使用周期。原因在于射流出口高速水流对喷嘴的冲刷，使 喷嘴在水流高速的过流状态下产生磨损和破坏，简而言之， 就是气蚀作用，这种情况在水流中含有固体颗粒杂质时会更 为严重。 ⑵雾化效果不明显 研究表明，在对以铜和不锈钢作为材料的液压支架喷雾 降尘喷嘴进行相关清洁工作时，在高压水连续喷射状态下， 铜和不锈钢材质的喷嘴由于强度不够，喷嘴的射流会出现变 形的现象，进而影响着喷嘴孔径的形状，造成雾化效果不明 显⑷。 ⑶喷嘴波道经常发生堵塞 以铜和不锈钢作为材料的液压支架喷雾降尘喷嘴会经常 出现堵塞情况，进而影响出水流量，线状的出水致使喷雾效 果极其不稳定，影响着降尘效率和质量。 基于以铜和不锈钢作为材料的液压支架喷雾降尘喷嘴的 实际状况，我国亟需对喷嘴进行改良，选择合适的、高效的 喷嘴材料，实践证明，与铜和不锈钢材料相比，以碳化硅作 为主要材料的液压支架喷雾降尘喷嘴，在煤矿开采作业中能 够发挥出极为显著的降尘效果间。 首先，以碳化硅作为材料的喷雾降尘喷嘴硬度更好、 更耐冲刷、不易磨损，能够显著的延长喷嘴的使用周期和寿 命。其次，碳化硅喷嘴材料弹性更好、外形更紧凑、质量更 轻、不易碎裂，具有良好的稳定性。此外，碳化硅喷嘴表面 光滑无气孔，内部流道不容易结垢，雾化效果更均匀。最 后，碳化硅喷嘴传热性能良好，即使在冷热交替情况下，也 当代化工研究 Modem Chemical Research150 科研开发 2020 10 很少会发生开裂变形状况。 3.液压支架喷雾降尘喷嘴结构上的优化 为解决液压支架喷雾降尘喷嘴在运作时产生的堵塞情 况，要进行液压支架喷雾降尘喷嘴结构上的优化。 在喷雾供水压力和流量确定的情况下，喷嘴孔径计算公 式为口2C2D04/16Q2p/2pn,其中，C代表与喷嘴结构密切相 关的喷嘴流量系数，具体的数据需要通过实验获得，一般取 值在0・68到0.7之间。D。代表喷嘴出口直径，单位为厘米。Q 代表喷嘴介质的流量，以秒为周期，以升为单位。P代表喷 嘴介质的密度，单位为kg/L。Pn代表喷嘴压力降，以Pa为单 位。射流扩散系数计算公式为k2tg a /2 , a代表射 流条件雾化角 通过详细的计算可以得知，普通喷嘴由于条件雾化角相 对来说很小，进而影响雾化效果，无法迎合煤矿生产工作中 防尘的需求。因此，从液压支架喷雾降尘喷嘴的条件雾化角 出发，适当对其进行扩大，能够实现雾化效果的提升，进而 大面积控制呼吸性粉尘。在进行液压支架喷雾降尘喷嘴的结 构设计工作时，要以旋转射流理论作为基础。 下图为旋转射流的流动。 图1 由上图可知，与常规的普通射流相比较，旋转射流的外 形呈扩张的喇叭状，具有十分显著的扩散性特点，能够带动 起周围介质参与流动，具有常规的普通射流无法比拟的雾化 能力。旋转射流的运行原理为水流经高速旋转喷出喷嘴， 能够形成较大的冲击面积，进而实现良好的雾化效果。其旋 转程度计算公式为S4M/ 兀RK,其中，M代表切向动量 矩、K代表轴向动量，R代表喷嘴出口半径。 通常来说，要在液压支架喷雾降尘喷嘴的上游采用一定 的加旋装置，来实现旋转射流的产生，基于喷雾射流雾化和 扩散的实际要求，具体问题具体分析，釆取某种加旋方式或 几种方式的组合在导向叶轮几何尺寸确定的情况下，液 压支架喷雾降尘喷嘴的旋流数与叶轮导向角的正切成正比关 系，因此，可以初步设计旋转射流喷嘴内部加旋结构，并主 动进行实践验证，确定旋转射流喷嘴的结构和几何尺寸。此 外，7微米以下的粉尘一经吸入，长此以往，会对煤矿生产 人员的身体健康造成严重的威胁，因此，要减小雾粒直径， 增加雾粒分散度，而切向注入、固定导叶加旋的组合喷嘴结 构能发挥出优秀的雾化和扩散效果，进而实现对作业环境的 改善，保障生产人员的健康，推动煤矿生产稳定、安全、有 序的进行。 4. 其他优化方式 在煤矿生产作业中，为了最大程度的实现液压支架喷雾 降尘喷嘴的价值，除了可以对喷嘴进行结构和材料上的优化 外，也可以对其进行布置方式上的优化。可以基于工作面的 作业实际，科学的对前探梁喷雾喷嘴布置方式进行优化，以 实现对喷雾空白区域的填补、强化喷雾降尘效果，也可以对 架间喷雾喷嘴布置方式进行优化，设计角度可调节形式的喷 嘴布置方式，调节喷嘴喷雾形成的雾场范围，实现最佳的喷 雾降尘效果⑻。 5. 结束语 本文基于煤矿企业综放工作面的实际情况和粉尘分布特 点，结合高压射流的相关理论，基于液压支架喷雾降尘喷嘴 应用材料和结构的实际情况，有针对性的构建了优化措施， 经过实践证明，本文提出的优化设计方案取得了显著的成 果，具有一定的现实意义和价值。 首先，改变了过往模式下以铜和不锈钢作为喷嘴材料的 状况，选用了新型的碳化硅材料喷嘴，提高了液压支架喷雾 降尘喷嘴的耐磨性、稳定性，一定程度上延长了喷嘴的使用 周期和寿命，并使喷嘴的雾化效果有了明显的提升，有效的 减少了粉尘对人体的危害。其次，在喷嘴的结构设计上，釆 用了高压旋转射流喷雾的方式，保证了喷嘴流道的畅通性， 使喷嘴堵塞的情况明显的得到了改善和缓解，最大程度地减 少了液体阻塞，使液体在给定尺寸的流道上达到最大流量。 最后，改良后的液压支架喷雾降尘喷嘴具有极强的适用性， 能够突破传统设计模式下的局限性，实现了对呼吸性粉尘的 防治，保障了煤矿生产人员的身心健康。 【参考文献】 [1] 赵俊霞综采面液压支架喷雾降尘及自动稳压补压装置设 计[J ] 矿业装备,2019 04. [2] 李建志.煤矿巷道掘进机喷雾降尘装置应用分析[J ].机械 管理开发,201901. [3] 李慧斌.煤矿井下喷雾降尘装置喷嘴结构的优化研究[J ]. 机械管理开发,2 019 02. [4] 罗洪章.煤矿井下高效喷雾降尘系统的应用研究[J ].机械 管理开发,201910. [5] 魏勇.煤矿采掘机械喷雾降尘模糊评价[J ].机械设计与制 ,2018 09. [6] 林慧.掘进工作面降尘技术现状及喷雾降尘系统介绍[J ]. 科技风,2017 12* [7] 张晋龙.浅析综采面高压喷雾降尘系统[J ].山东煤炭科 技,2 017 08・ ・ [8] 潘成峰，宋伟，孔繁红浅谈综掘工作面喷雾降尘技术[J ]. 山东煤炭科技,2014 03. 【作者简介】 韩强1991-,男，汉，河北省张家口市阳原县人，本科， 助理工程师，山西西山中煤机械制造有限公司；研究方向机械问 题修复与改进。