压气旋风式吸气装置设计

张冬梅 王保华

（焦作大学机电工程学院 河南焦作）

一、引言

矿井井下粉尘不仅危害人体健康，而且高浓度的粉尘悬浮在空气中，会降低井下作业现场的能见度，容易发生安全事故，同时加速机械磨损，甚至一定条件下能引起剧烈爆炸，因此，消除粉尘的危害，已经成为煤矿安全生产的迫切任务。压气旋风式抽风机与通风系统的结合，能够很好地将巷道中的粉尘排除矿井。

旋风装置工作原理：模拟龙卷风的气动机理，在消耗少量压缩空气的情况下，就能产生很强吸附力，气流被从四面八方吸入涡旋的底部，并随即变为绕轴心向上的涡流，达到类似强力叶片式抽风机的效果。图1为吸尘部分工作原理图，其中接口1和空压机等设备连接，从接口1处通入一定压力的气体，气体在桶壁特殊的结构作用下，形成涡流，使接口3处产生低压，把外界气体吸入桶壁内，并由接口2处排出，完成吸尘过程。

二、吸尘系统设计

综采工作面粉尘分布情况所需数据在潞安矿区某矿井下的4339和5204综采工作面测定取得。在进风巷、工作面和回风巷布点测尘，测点高度在1.5 m左右的工人呼吸带处。经数据分析，采煤粉尘浓度从割煤机操作员开始，向下风侧粉尘浓度迅速升高，在下风向10 m附近达到粉尘浓度最大值，然后再往下风侧粉尘浓度就逐渐下降，到下风侧50 m后粉尘浓度明显降低。由此可知，采煤机割煤时需要

重点防治的是下风向10～50 m空间的粉尘。

根据现场情况分析，设计参数为：进气口直径51 mm，出气口直径64 mm，压缩空气消耗量600 L/min，抽气量12 000 L/min，抽气比例20，压缩空气进口尺寸M10×1，喉道直径45 mm，最大直径60 mm。

图1 吸气部分工作原理

1.吸尘装置设计

（1）抽吸腔。抽吸腔是涡旋运动产生部位，结构如图2所示，其中沟槽是产生涡旋运动的关键部位，选取沟槽内径为48 mm。在计算过程中，将气体视为不可压缩的理想流体，由流体力学分析可知，由于涡核区域很小，其压强比环流区低，径向压强梯度很大，故有向涡核中心的抽吸作用。涡旋越强，抽吸效果越明显。对称布置沟槽10个，当沟槽角度为45°时，涡旋运动效果最好。

在抽吸腔进气口和进气沟槽之间设置一孤立台阶，此台阶有两个作用，一是与其它台阶形成一个环形沟，用于放置密封垫圈并与连接套（图3）配合形成密封。二是与进气沟槽形成密封空腔，可将由进气口进入的高压气体均匀的从十个沟槽进入，更好的形成涡旋运动。

（2）连接套。连接套喉部的直径必须小于抽吸腔的直径，才能更好的形成涡旋运动，产生负压，从而有利于通入高压气体时向上吸气。选择零件喉部直径尺寸为45 mm，连接套与抽吸腔配合形成完整的吸气装置，其结构如图3所示。

图2 抽吸腔结构

图3 连接套结构

（3）法兰。法兰与连接套配合，结构如图4所示，通过覆盖沉头螺栓达到美观效果，另外由于法兰与抽吸腔和连接套的结合体结合较为紧密，不易进灰尘，一定程度上起保护作用。

（4）吸气零件装配。吸气零件装配如图5所示。其中，抽吸腔与连接套的装配采用密封圈密封。装配后，通过抽吸腔和连接套上的预留螺纹孔进行螺栓连接，以保证连接的稳定性、可靠性和安全性。抽吸腔和连接套装配完成之后，再与法兰装配。与法兰装配时，由于该零件使用过程中，只有气体流动无机械运动，不易损坏。所以，不考虑零件的维修，可用黏胶连接组装件，零件剖视图如图6所示。

图4 法兰结构

2.风机的选择

（1）风量。风机的选择要根据设计风量和风压来确定。风机的风量按式（1）计算，风量的调节是通过与风机相连接的调频器实现。

式中 Q——风机所需的风量，m3/h

K——风管和除尘器的漏风系数

Q1——系统风量，m3/h

（2）风压。风压按式（2）计算。

图5 吸气装置

图6 吸气装置剖视图

式中 K1——管路系统阻力的附加系数

K2——风机风压的附加系数

ΔP1——管路系统阻力，Pa

ΔP2——除尘器阻力，Pa

由于此除尘设备要用于矿井综掘面除尘，采用防爆型风机。由于风机安装位置属于工作区域，应当在风机出口安装消声装置。

3.滤筒式除尘器

经综合考虑，采用滤筒式除尘器进行除尘，鉴于安装使用的便利性和工作面的空间要求，设计选用唐纳森滤筒，尺寸为Φ350 mm×710 mm，滤料面积为25 m2，重8 kg。滤料为专有合成纳米纤维，在延长滤筒使用寿命的同时又可保证低压降，可水洗，对0.5 μm左右粒径的粉尘除尘效率达到99.999%。此滤筒使用表面过滤技术达到脱尘效果，省去了形成尘饼的过程，属于阻燃型滤筒，符合标准要求。

三、结论

压气旋风式吸气装置没有运动部件，使用更加安全且免维护；结构紧凑、操作简单、便于安装和携带；有气流增强功能，耗气量小，节约用气；气流强度可调，通道大，无障碍物；由压缩空气提供动力，没有电气干扰，无电气隐患；入口和出口都可安装输送管，便于整体结构设计。

结合现有除尘设备的优点和不足，利用井下通风量大的特点，根据旋风原理，设计压气旋风式综掘工作面吸尘装置，经某煤矿投入使用，除尘效果明显。通过除尘器的合理设计和布局，提高了粉尘净化效果，具有一定的推广意义和市场价值。