掘进机内喷雾系统结构的改进研究

孙 敏

（阳煤集团二矿调度室机掘二队， 山西 阳泉 045000）

引言

掘进机作为煤矿井下综掘工作面最重要的机器，在工作过程中会产生大量的粉尘，不仅影响工作进度，而且会对工人身体造成严重损害，导致尘肺病等的发生，所以抑尘降尘工作尤为重要。当前主要的降尘措施是掘进机自带的内外喷雾系统喷雾降尘，但使用过程中发现降尘效果很不理想，主要原因是截齿深入煤层后内喷雾系统大多堵塞失效，失去喷雾作用；外喷雾由于距离截割头较远，且喷雾压力低，降尘效果也很有限。本文研究的EBZ-120型掘进机属于悬臂式掘进机，应用于巷道断面不大的巷道，调动方便、稳定可靠、截割效率高，可以在包括煤巷、半煤岩巷及较软岩巷中实现连续掘进目的。当前喷雾系统效率低、易失效且难维护，导致了掘进面工作环境非常恶劣。因此，亟需对掘进机喷雾系统进行优化和改进。

1 掘进机喷雾系统组成及原理

雾化除尘的原理是压力水经喷嘴喷出，高压使水流实现扩散和雾化喷向截割头及煤壁，雾化后的水珠与空气中粉尘颗粒结合并实现自然沉降。当前掘进机截割臂上设置外喷雾系统，截齿上设置内喷雾系统。

外喷雾系统是指在截割摇臂两侧分别设置一排喷嘴，掘进机工作时井下压力水从喷嘴射向截割头部分进行除尘，因水压一般不高，其雾化效果较差，且其距离截割头较远，故除尘效果不佳。但其结构简单、不易堵塞和损坏，可以长期使用[1]。

内喷雾系统是指均匀布置在截割头上截齿间隙的喷嘴，其与截齿一样呈螺旋分布，掘进机开启后压力水从喷嘴射出水雾覆盖截齿，实现雾化降尘的同时对截齿进行湿润和降温。这种方法可以实现从产尘源处压制粉尘的产生和扩散，效果好且耗水较少。但因其装设在截割头上，截割头工作时需割入煤壁，故其喷嘴极易堵塞，失去效果，且目前内喷雾系统的供水系统由掘进臂内部通入，非常难以拆卸和维护。EBZ-120型掘进机喷雾系统组成如下图1所示，由图1可以看出掘进机内外喷雾的系统结构及组成，井下静压水经过滤器过滤后由三通分别流向外喷雾和内喷雾系统，外喷雾系统部分经过球阀控制直接喷洒出去；流向内喷雾部分经二级过滤及减压阀后经冷却器部分进行冷却，后由三通分为两路，一部分绕切割电机流动对电机进行冷却后由喷嘴喷出；另一部分经小型柱塞泵进行加压后从截割头上部喷嘴喷出进行降尘和冷却湿润截齿。EBZ-120型掘进机喷雾系统常用外喷雾水压约为2 MPa，内喷雾水压约为3 MPa。经试验，此时雾化效果良好。

图1 掘进机喷雾系统结构示意

2 喷雾系统存在问题

根据图1可以发现，EBZ-120型掘进机的内喷雾的走水结构镶嵌在掘进臂内部，后经截割头流出，从而实现喷雾除尘。按照系统结构来说，为保障截割臂轴线的稳定和精确，掘进臂内部会设置两组滚动轴承对主轴支撑和定位。这种结构也就要求在掘进臂内部的轴承处需按时加入润滑油进行维护，保障其使用年限和工作稳定性。为了使水路系统与润滑油隔离，通常采用的办法是利用O型密封垫及几组格莱圈进行旋转密封。但由于掘进迎头工作条件恶劣，环境复杂，伴随着剧烈的振动和撞击，密封措施经常会出现磨损失效，这就会导致下述一系列问题：

1）喷雾水与润滑油造成混合。若格莱圈及O型密封垫发生磨损破坏，则压力水进入截割臂轴承处造成与轴承混合，严重影响润滑油的品质和作用效果，从而间接降低了滚动轴承的作用及使用年限。

2）内喷雾系统损坏失效。若破碎的格莱圈或O型密封垫流入内喷雾水路系统，则可能导致喷雾系统堵塞失效，从而导致工作时大量粉尘产生，对掘进工作面环境造成严重污染，影响操作和工人健康。同时失去了内喷雾对截齿的湿润和冷却效果，截齿截割效率下降，且使用寿命也会明显降低，造成极大的工作困难和经济损失。

3）造成电机进水。密封措施失效后，静压水可能会进入截割电机处，从而导致电机进水，出现漏电或跳闸的问题。

4）维护困难。因为密封圈位置位于切割旋转轴及配水盘交错处，若发生损坏必须将掘进机前部整个掘进臂拆除才能维修，严重影响进度。

除了上述问题，EBZ-120型掘进机的喷雾还有结构原件冗杂、中间环节过多、喷嘴位置、口径设置待优化及过滤精度不够，喷嘴易堵等明显问题。

3 水路改进及优化

根据前面对掘进机喷雾系统存在问题的分析，经过不断地实验研究和现场测试，以下提出了几点改进和优化方案。

1）对于掘进臂内部水路通过可能造成水进入润滑油或电机进水等问题，拟采用将内喷雾走水结构外置的方案。在悬臂外部设置条状钢保护槽对水路进行固定和保护。这样设置以后，一旦发生漏水或堵塞可以快速发现并进行维护，有效避免了水进入截割臂，同时使故障维护变得更加简单可行。具体的操作原理图如图2，在截割臂外端装设和截割臂固定的轴套护槽，在护槽上开出走水孔，使静压水进入；在截割头上装设和截割头固定的轴套，其随截割头一起旋转。喷雾系统水经掘进臂上轴套预留口进入后到达旋转轴套，经轴套上的导水口进入截割头，最终由喷嘴喷出实现雾化降尘[2-3]。

2）对于格莱圈等密封措施易损坏的问题，进行一定的防护和管理。在掘进机喷雾系统工作时，密封措施起到重要作用，密封圈可靠耐用不仅保障了系统的稳定正常运行，还能够防止煤尘、岩粒等杂物进入堵塞损坏喷嘴。改进后的喷雾系统结构，密封格莱圈及O型圈内外径均有所加大。在相同转速情况下，其线速度也有所增加，加快了其磨损程度，降低其使用寿命。因此将密封件的摩擦面光滑程度和硬度均适当增大，同时不影响其装配和使用密封效果。在安装时必须保障两个轴套的轴向间距和旋转密封保持同一中心，不然可能会出现漏水现象。此外，在进水口处应加大防护槽的强度和厚度，防止落煤或落石损坏系统[4]。

图2 内喷雾水路外置改进示意图

4 应用效果

经过改造后的喷雾系统在潞安常村矿进行了现场应用，实践发现改造后的系统使用效果明显，且发现堵塞等情况后维护方便，电机进水情况不再发生，内喷雾效果明显提高，截齿湿润冷却情况正常。工作面环境得到显著改善。根据现场实测，改造后内喷雾雾化覆盖直径可达1.8 m，完全覆盖截割头产尘部分。轴套温度在45℃以下，且无漏水现象发生。

5 结论

把EBZ-120型掘进机原本由截割臂内部通过的内喷雾水路系统置于截割臂外部，并在截割臂和截割头处分别装设固定轴套及旋转轴套，在截割臂上设置管路系统保护槽，解决了水进入截割臂内与润滑油混合的问题。同时，通过提高密封件摩擦面的光滑度和硬度，并加强维护，安装时保证其与轴套在同一圆心，从而提高了密封设施的耐用度和密封效果。