谷勇霞 周忠寧 李意民

1.北京工商大學(xué),北京,100048 2.中國礦業(yè)大學(xué),徐州,221008

0 引言

受通風(fēng)壓力作用,積聚在采空區(qū)內(nèi)具有一定壓力的高濃度瓦斯從回采工作面上隅角不斷涌出,同時由于通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原因,在上隅角處形成渦流區(qū),涌出的瓦斯難以進(jìn)入到主風(fēng)流中,形成一個危險的瓦斯積聚帶,這就是上隅角瓦斯積聚問題[1-2]。液動瓦斯吹排風(fēng)機(jī)可很好地解決煤礦上隅角瓦斯積聚問題,但是,該風(fēng)機(jī)經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn),仍存在許多不足:效率偏低,功耗過大,風(fēng)量不足,尤其是低轉(zhuǎn)速情況下對瓦斯的吹排沒有達(dá)到預(yù)期效果;作為液動瓦斯吹排風(fēng)機(jī)動力源的馬達(dá)來說,其滑靴副—斜盤磨損嚴(yán)重[3],影響了瓦斯吹排裝置的使用壽命。

本文對瓦斯吹排裝置的滑靴副磨損及風(fēng)機(jī)效率較低上述兩種不足進(jìn)行了優(yōu)化:①對馬達(dá)滑靴副現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,同時設(shè)計(jì)了不同的凹坑結(jié)構(gòu)和尺寸的滑靴副,并進(jìn)行磨損試驗(yàn)研究,提高了滑靴外周的潤滑膜支承力以改善滑靴外周的過度磨損狀況,延長了液動風(fēng)機(jī)所使用的乳化液馬達(dá)的使用壽命;②對風(fēng)機(jī)的主要過流部件進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,改進(jìn)了葉輪、導(dǎo)葉、整流罩、輪轂和整流體,提高了風(fēng)機(jī)的效率。

1 液動瓦斯吹排裝置結(jié)構(gòu)

液動瓦斯吹排裝置(圖1)由高壓乳化液驅(qū)動,帶有一獨(dú)特的布風(fēng)輪,使出口空氣射流具有擾動特性,加強(qiáng)其與主風(fēng)流的混和,可以安全有效地吹排處于上隅角的瓦斯[4]。該裝置外型尺寸較小(475×φ 316mm),使用時僅需懸掛于工作面上方,使用軸向柱塞液壓馬達(dá)作為這種小型風(fēng)機(jī)動力源,該馬達(dá)可直接采用煤礦井下現(xiàn)有的高壓水或乳化液作為基液來提供動力[5]。

2 乳化液體潤滑軸向柱塞液壓馬達(dá)滑靴副優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 滑靴底面凹坑開設(shè)方案

滑靴底面常用的靜壓支承形式有多種,常見的有兩種[6],如圖2所示。圖2a所示的滑靴為常見的簡易式滑靴,也是本文所用滑靴的原始形態(tài)。從磨損的角度看,圖2b所示的滑靴是以(d′0—d′1)密封帶的磨損代替了(d0—d1)的磨損。

本文的凹坑布局要求:①能形成儲液潤滑;②舍棄全周布局以減少凹坑內(nèi)液體泄漏的幾率;③流體進(jìn)入凹坑的壓強(qiáng)耗散要能夠彌補(bǔ)回來,沿流體流動方向收斂的凹坑無疑能提供動壓增量以滿足這一點(diǎn)[7]。設(shè)計(jì)采用間歇式凹坑分布既避免一個點(diǎn)或幾個點(diǎn)磨損而出現(xiàn)全周泄壓,又使內(nèi)部靜壓能傳遞到邊緣地帶,并可以利用動壓彌補(bǔ)凹坑耗散掉的部分靜壓。初步設(shè)計(jì)的凹坑普遍形式如圖3所示,其中,hk為坑深,dk為最大坑深在滑靴上的分布圓直徑,γk為短直角邊與滑靴底面的交角,γi為長直角邊與滑靴底面的交角,lk為凹坑在滑靴底面的徑向長度,Dr為長直角邊1和滑靴底面的交線距滑靴外周的徑向距離。

2.2 軸向柱塞液壓馬達(dá)滑靴副磨損試驗(yàn)及結(jié)果分析

對四組不同凹坑結(jié)構(gòu)的滑靴進(jìn)行了磨損試驗(yàn),并與原始滑靴進(jìn)行了比較,不同滑靴凹坑參數(shù)見表1。進(jìn)行磨損的運(yùn)行時間共20h,平均每天不間斷運(yùn)行5h。試驗(yàn)中儲液箱采用14L小塑料桶,運(yùn)轉(zhuǎn) 20min后,桶內(nèi)液體溫度基本能維持在38.5℃[8]。

表1 試驗(yàn)滑靴的凹坑參數(shù)

測試前在每個滑靴的非工作面上每隔120°刻一記號,共作3處記號,記錄每個滑靴的3組邊緣厚度h3的值(在表2中分別記作Δ1、Δ2和Δ3,并取其平均值為),然后洗凈吹干稱重,質(zhì)量記為M1,數(shù)據(jù)如表2所示,試驗(yàn)后數(shù)據(jù)見表3。由表2、表3分析得到滑靴副物理參數(shù)的變化,列于表4中。

表2 試驗(yàn)前滑靴副物理參數(shù)

表3 試驗(yàn)后滑靴副物理參數(shù)

表4 滑靴副物理參數(shù)的變化

可見,邊緣磨損中滑靴1、滑靴2、滑靴3的相對磨損量比較小,這與它們凹坑短直角邊上承受較大的潤滑壓力有相當(dāng)大的關(guān)系;而總體磨損體現(xiàn)在總質(zhì)量的減小,滑靴1、滑靴2、滑靴3與滑靴5的總體磨損量幾乎一致,有的甚至還略小于滑靴5,這是因?yàn)檩^高的潤滑壓力防止了滑靴邊緣的過度磨損,減緩了承壓面積的迅速減小,延緩了滑靴的總體磨損[9-11]。

3 風(fēng)機(jī)部分的優(yōu)化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展,使三維黏性流動計(jì)算技術(shù)趨于成熟,可以較為準(zhǔn)確地求解流體機(jī)械內(nèi)部的三維黏性流場[12]。通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理可以得到流體機(jī)械的能量指標(biāo)(效率、功率等)和內(nèi)部各部分的壓力、速度以及流線分布,找出模型或初次設(shè)計(jì)中損失發(fā)生的部位及發(fā)生的原因,對流體機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化[13]。基于此,本文使用CFD技術(shù)對原風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立風(fēng)機(jī)模型如圖4所示。

3.1 葉輪安裝角選擇

安裝角是影響葉輪性能的一個重要參數(shù),合理地選取該角度可以有效降低葉型損失,減小葉型阻力,提高風(fēng)機(jī)效率[14]。本文分別計(jì)算了安裝角為 40°、45°、51°(實(shí)際安裝角)、56°的單級葉輪風(fēng)機(jī)的流場情況,通過計(jì)算全壓效率確定最優(yōu)葉輪。

利用Fluent的后處理功能,獲得該風(fēng)機(jī)的一些性能參數(shù)數(shù)據(jù),將這些參數(shù)值及計(jì)算結(jié)果列于表5。從表5中可以看到,隨著安裝角的增大,全壓和轉(zhuǎn)矩呈增大趨勢,而流量和靜壓則呈現(xiàn)不同的規(guī)律,導(dǎo)致效率也產(chǎn)生不同的變化趨勢,在安裝角為51°時風(fēng)機(jī)的流量和全壓達(dá)到最高,但由于轉(zhuǎn)矩的增大,效率并非最高點(diǎn),安裝角為45°時轉(zhuǎn)矩小于51°的情況,全壓效率和靜壓效率均達(dá)到最高。因此從效率角度考慮,應(yīng)該選取45°為最佳安裝角。

表5 不同安裝角下單級葉輪風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)

3.2 后導(dǎo)葉的優(yōu)化

利用45°安裝角度下的風(fēng)機(jī)模型計(jì)算出新導(dǎo)葉的入口氣流角,通過葉柵法計(jì)算其他幾何參數(shù),獲得新導(dǎo)葉的幾何模型(仍使用等厚度圓弧板葉型)。表6所示為此導(dǎo)葉的幾何參數(shù)。

表6 新導(dǎo)葉的主要幾何參數(shù)

根據(jù)重新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉,對原模型進(jìn)行修改,重新建模、前處理、計(jì)算和后處理。最終獲取修正導(dǎo)葉后的風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)見表7?？梢钥闯?導(dǎo)葉經(jīng)優(yōu)化后,風(fēng)機(jī)的流量和全壓值升高,全壓效率顯著提高。

3.3 整流部件的優(yōu)化

本風(fēng)機(jī)在研制初期從加工和結(jié)構(gòu)簡單角度考慮,對整流罩只進(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì),沒有考慮其與輪轂的相互影響。本文根據(jù)型線坐標(biāo)[15]將整流罩和輪轂進(jìn)行整體流線型設(shè)計(jì)。在Pro/E中所建模型如圖5所示,整流部件優(yōu)化后風(fēng)機(jī)性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表8。由表8可以看出,對于具有流線型輪轂和整流罩的風(fēng)機(jī),流量和全壓都有所增大,全壓效率由74.79%提高至77.11%

表7 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能對比

表8 優(yōu)化整流部件前后風(fēng)機(jī)性能對比

根據(jù)以上的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì),在制造新的瓦斯吹排裝置時,選取葉片安裝角為45°的葉輪,選取新的后導(dǎo)葉,并使用具有流線型的整流罩,與原瓦斯吹排裝置相比效率(實(shí)測值)由71.3%上升到了76.6%。

4 結(jié)論

目前,經(jīng)過優(yōu)化后的小型液動瓦斯吹排裝置在各大煤礦已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,其液壓馬達(dá)使用壽命大大提高,實(shí)際使用效率由71.3%上升到了76.6%,在低轉(zhuǎn)速情況下對瓦斯的吹排也能滿足煤礦生產(chǎn)中的需要。通過本文的研究可得到以下的結(jié)論:

(1)通過對具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸凹坑的馬達(dá)滑靴副進(jìn)行磨損試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)hk和Dr這兩個參數(shù)對潤滑膜的壓力分布和液膜支承力影響較大,平底凹坑(滑靴5)對潤滑不利,在合適的凹坑分布下,邊緣磨損最高可減少68.72%,總磨損量最高可減少28.77%。

(2)將CFD現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于瓦斯吹排裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造中可取得良好的效果:新設(shè)計(jì)制造的風(fēng)機(jī)效率由71.3%上升到了76.6%。這種優(yōu)化方法對于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式有一定的借鑒意義。

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