一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111638076 A(43)申请公布日 2020.09.08

(21)申请号 202010437723.3(22)申请日 2020.05.21

(71)申请人 山东科技大学

地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港

路579号山东科技大学(72)发明人 于海明　杨先航　程卫民　周刚　

聂文　陈连军　刘国明　谢瑶　彭慧天　侯传根　王玉环　(74)专利代理机构 济南知来知识产权代理事务

所(普通合伙) 37276

代理人 曹丽(51)Int.Cl.

G01M 99/00(2011.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图4页

(54)发明名称

一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法(57)摘要

本发明提供了一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法，在模拟截割头外表面内布置有套筒，该套筒的一端通过第一轴承布置在封闭式圆柱壳体上，另一端穿过薄圆盘，所述的另一端与薄圆盘通过第二轴承相联接，所述的另一端通过一加固钢架固定在上述模拟摇臂上；该套筒在朝向竖直向下方向的一侧设置有若干个排尘条隙，上述另一端上布置有送尘机构。使落入套筒内的粉尘持续向套筒另一端输送，粉尘在输送过程经过排尘条隙时，粉尘在重力作用下均匀排出，定量落至旋转的筛网内表面，在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网扩散到空气中，达到持续、定量的沿截割头外表面均匀发尘目的，以接近作业现场产尘的效果，为综掘面综合除尘技术研发提供基础手段。

CN 111638076 ACN 111638076 A

权　利　要　求　书

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1.一种综掘面截割粉尘发生器，其包括模拟摇臂，该模拟摇臂上设置有交流伺服电动机，该交流伺服电动机上设置有动力输出轴，其特征在于，该动力输出轴上设置有封闭式圆柱壳体，该封闭式圆柱壳体上设置有刚性骨架，刚性骨架的前端设置有薄圆盘，刚性骨架与薄圆盘之间布置有筛网，封闭式圆柱壳体、刚性骨架、薄圆盘与筛网形成模拟截割头外表面；模拟截割头外表面内布置有套筒，该套筒的一端通过第一轴承布置在封闭式圆柱壳体上，另一端穿过薄圆盘，所述的另一端与薄圆盘通过第二轴承相联接，所述的另一端通过一加固钢架固定在上述模拟摇臂上；该套筒在朝向竖直向下方向的一侧设置有若干个排尘条隙，上述另一端上布置有送尘机构；随模拟截割头外表面转动，粉尘通过上述若干个排尘条隙持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘。

2.根据权利要求1所述的综掘面截割粉尘发生器，其特征在于，上述送尘机构包括送尘轴，送尘轴上设置有螺旋叶片，送尘轴沿套筒的轴向布置在套筒内，送尘轴通过第三轴承与套筒相联接；所述的另一端上设置有送尘管，送尘管上设置有储尘罐，送尘管内设置有转动叶轮，该转动叶轮的转轴从送尘管一侧穿出，该转轴穿出的端头上设置有从动齿轮；

所述另一端的端头上设置有驱动电动机，送尘轴上设置有驱动齿轮，驱动电动机的动力轴与送尘轴相连接，从动齿轮与驱动齿轮相啮合；

储尘罐内的粉尘通过送尘管落下，粉尘随送尘轴的转动，将落入套筒的粉尘向套筒另一端持续、定量的输送。

3.根据权利要求2所述的综掘面截割粉尘发生器，其特征在于，上述储尘罐由圆柱形和漏斗形组成，整体高度为200～300mm，漏斗形部分的斜度为45°～70°，圆柱形部分高度为150mm，内径为150mm；储尘罐配置有盖子。

4.根据权利要求1所述的综掘面截割粉尘发生器，其特征在于，上述交流伺服电机配置有PLC控制器，该PLC控制器配置有PLC控制显示器。

5.一种使用如权利要求1所述综掘面截割粉尘发生器的测试方法，其包括以下步骤：设定交流伺服电动机的转速、时间参数，通过动力输出轴带动模拟截割头外表面转动；待转动稳定后，启动连接在套筒末端的驱动电动机；驱动电动机通过驱动齿轮带动转动叶轮转动，将储尘罐内落下的粉尘打散，并带动套筒内送尘轴转动，送尘轴上的螺旋叶片推动落入套筒内的粉尘持续、定量的向套筒另一端输送；

粉尘在重力作用下经过排尘条隙时均匀排出；在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网扩散到空气中，持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘；并记录相关测试数据，直至模拟测试完毕。

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一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法

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技术领域

[0001]本发明涉及综掘面模拟设备，尤其涉及一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法。背景技术

[0002]近年来，随着巷道掘进技术的快速发展，机械化、自动化掘进水平迅速提高，综合机械化掘进已广泛应用于全国各煤矿。随之而来的矿井生产自然灾害问题也愈发突出，尤其是综掘作业区域高浓度粉尘污染严重威胁了矿工职业安全健康和矿井安全高效生产。煤矿高浓度粉尘污染问题不仅会降低作业人员的劳动生产率，长期工作在粉尘污染的环境中将面临尘肺病威胁，而且还会引发大型粉尘爆炸事故，造成重大人员伤亡和经济损失。综掘工作面作为主要的产尘地，在没有采取任何防尘措施的情况下，综掘机截割煤岩体瞬间在迎头区域产生的总尘浓度可高达2500～3000mg/m3，即使采取控除尘措施，多数工作面的粉尘浓度在一定程度上得到降低，但人员作业区域环境依然相当恶劣，综掘机下风侧总尘和呼尘浓度可分别高达400mg/m3、250mg/m3以上，粉尘浓度已远远超出国家要求。[0003]为了研究综掘工作面粉尘扩撒规律，以及研发通风控尘、喷雾降尘、设备除尘等相关技术，通常需要综掘面截割头产尘模拟装置，对截割状态下粉尘的发射方式予以模拟，其主要满足的特点为：沿近似圆台形截割头外表面的法向方向发射，发尘量较大，粉尘的发射量持续稳定等。但是目前国内常用的发尘装置存在很多问题，主要分为以下几种形式：[0004]①采用气溶胶发生器直接模拟粉尘的发生，其粉尘发射面积、发射方向与现场实际相差较大，发尘量也远远不足；②采用风扇扬尘或人工扬尘方式，其难以满足持续、定量的发射粉尘，且粉尘发射方向与实际不符，风扇产生的风流与人员所占体积均对工作面风流场产生不可忽视的扰动。[0005]因此，现有技术有待于更进一步的改进发展。发明内容

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法，以达到持续、定量的沿截割头外表面均匀发尘的目的，接近作业现场产尘的效果。

[0007]为解决上述技术问题，本发明技术方案包括：[0008]一种综掘面截割粉尘发生器，其包括模拟摇臂，该模拟摇臂上设置有交流伺服电动机，该交流伺服电动机上设置有动力输出轴，其中，该动力输出轴上设置有封闭式圆柱壳体，该封闭式圆柱壳体上设置有刚性骨架，刚性骨架的前端设置有薄圆盘，刚性骨架与薄圆盘之间布置有筛网，封闭式圆柱壳体、刚性骨架、薄圆盘与筛网形成模拟截割头外表面；模拟截割头外表面内布置有套筒，该套筒的一端通过第一轴承布置在封闭式圆柱壳体上，另一端穿过薄圆盘，所述的另一端与薄圆盘通过第二轴承相联接，所述的另一端通过一加固钢架固定在上述模拟摇臂上；该套筒在朝向竖直向下方向的一侧设置有若干个排尘条隙，上述另一端上布置有送尘机构；随模拟截割头外表面转动，粉尘通过上述若干个排尘条隙

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持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘。[0009]所述的综掘面截割粉尘发生器，其中，上述送尘机构包括送尘轴，送尘轴上设置有螺旋叶片，送尘轴沿套筒的轴向布置在套筒内，送尘轴通过第三轴承与套筒相联接；所述的另一端上设置有送尘管，送尘管上设置有储尘罐，送尘管内设置有转动叶轮，该转动叶轮的转轴从送尘管一侧穿出，该转轴穿出的端头上设置有从动齿轮；[0010]所述另一端的端头上设置有驱动电动机，送尘轴上设置有驱动齿轮，驱动电动机的动力轴与送尘轴相连接，从动齿轮与驱动齿轮相啮合；[0011]储尘罐内的粉尘通过送尘管落下，粉尘随送尘轴的转动，将落入套筒的粉尘向套筒另一端持续、定量的输送。

[0012]所述的综掘面截割粉尘发生器，其中，上述储尘罐由圆柱形和漏斗形组成，整体高度为200～300mm，漏斗形部分的斜度为45°～70°，圆柱形部分高度为150mm，内径为150mm；储尘罐配置有盖子。

[0013]所述的综掘面截割粉尘发生器，其中，上述交流伺服电机配置有PLC控制器，该PLC控制器配置有PLC控制显示器。

[0014]一种使用上述述综掘面截割粉尘发生器的测试方法，其包括以下步骤：[0015]设定交流伺服电动机的转速、时间参数，通过动力输出轴带动模拟截割头外表面转动；

[0016]待转动稳定后，启动连接在套筒末端的驱动电动机；驱动电动机通过驱动齿轮带动转动叶轮转动，将储尘罐内落下的粉尘打散，并带动套筒内送尘轴转动，送尘轴上的螺旋叶片推动落入套筒内的粉尘持续、定量的向套筒另一端输送；[0017]粉尘在重力作用下经过排尘条隙时均匀排出；[0018]在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网扩散到空气中，持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘；并记录相关测试数据，直至模拟测试完毕。[0019]本发明提供了一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法，采用模拟截割头外表面转动，而起散尘作用的套管不动的方式，通过送尘轴上的螺旋叶片推动下，使落入套筒内的粉尘持续向套筒另一端输送，粉尘在输送过程经过排尘条隙时，粉尘在重力作用下均匀排出，定量落至旋转的筛网内表面，在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网扩散到空气中，达到持续、定量的沿截割头外表面均匀发尘目的，以接近作业现场产尘的效果，在此过程中可根据实验具体需求，调节具体参数以实现截割头发尘模拟要求，提高了测量数据的准确性，为作业现场的降尘、控尘技术研发提供基础手段。附图说明

[0020]图1为本发明中综掘面截割粉尘发生器的示意图；[0021]图2为本发明中模拟截割头外表面的示意图；[0022]图3为本发明中送尘机构的示意图；[0023]图4为本发明中模拟摇臂的示意图；

[0024]图5为本发明中PLC控制显示器的示意图；[0025]图6为本发明中送尘轴的示意图；[0026]图7为本发明中套筒的示意图；

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其中，1-模拟摇臂；2-交流伺服电动机；3-动力输出轴；4-封闭式圆柱壳体；5-刚性

骨架；6-薄圆盘；7-筛网；8-第一轴承；9-第二轴承；10-加固钢架；11-套筒；12-驱动电动机；13-储尘罐；14-螺旋叶片；15-排尘条隙；16-驱动齿轮；17-从动齿轮；18-转轴；19-转动叶轮；20-PLC控制显示器；21-综掘机模型。具体实施方式

[0028]本发明提供了一种综掘面截割粉尘发生器及测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0029]本发明提供了一种综掘面截割粉尘发生器，如图1与图2所示的，其包括模拟摇臂1，模拟摇臂1安装在综掘机模型21上，该模拟摇臂1上设置有交流伺服电动机2，该交流伺服电动机2上设置有动力输出轴3，其中，该动力输出轴3上设置有封闭式圆柱壳体4，该封闭式圆柱壳体4上设置有刚性骨架5，刚性骨架5的前端设置有薄圆盘6，刚性骨架5与薄圆盘6之间布置有筛网7，封闭式圆柱壳体4、刚性骨架5、薄圆盘6与筛网7形成模拟截割头外表面；模拟截割头外表面内布置有套筒11，该套筒11的一端通过第一轴承8布置在封闭式圆柱壳体4上，另一端穿过薄圆盘6，所述的另一端与薄圆盘6通过第二轴承9相联接，所述的另一端通过一加固钢架10固定在上述模拟摇臂上1；该套筒11在朝向竖直向下方向的一侧设置有若干个排尘条隙15，上述另一端上布置有送尘机构；随模拟截割头外表面的转动，粉尘通过上述若干个排尘条隙15持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘。[0030]本发明另一较佳实施例中，如图2与图3所示的，上述送尘机构包括送尘轴，送尘轴上设置有螺旋叶片14，送尘轴沿套筒11的轴向布置在套筒11内，送尘轴通过第三轴承(视角原因未在图中标出)与套筒11相联接；所述的另一端上设置有送尘管，送尘管上设置有储尘罐13，送尘管内设置有转动叶轮19，该转动叶轮19的转轴从送尘管一侧穿出，该转轴穿出的端头上设置有从动齿轮17；

[0031]所述另一端的端头上设置有驱动电动机12，送尘轴上设置有驱动齿轮16，驱动电动机的动力轴与送尘轴相连接，从动齿轮17与驱动齿轮16相啮合；在驱动电动机12启动时，驱动齿轮带动从动齿轮17转动，从而使转动叶轮19、送尘轴转动；[0032]储尘罐13内的粉尘通过送尘管落下，粉尘随送尘轴的转动，将落入套筒11的粉尘向套筒11另一端持续、定量的输送。

[0033]而且上述交流伺服电机2配置有PLC控制器，如图4所示的，该PLC控制器配置有PLC控制显示器20，当然也可以配置多个传感器能够实现本发明的全自动运行，本发明的技术方案重点在于结构，关于自动化现有技术中已经比较成熟，在此不再详述。[0034]其更为具体的是：

[0035]综掘面截割粉尘发生器主要包括交流伺服电动机2、动力输出轴3、封闭式圆柱壳体4、刚性骨架5、薄圆盘6、筛网7、第一轴承8、第二轴承9、加固钢架10、套筒11、驱动电动机12、储尘罐13；交流伺服电动机2安装在模拟摇臂1内部。交流伺服电动机2通过动力输出轴3连接封闭式圆柱壳体4。刚性骨架5由8根刚性管组成，焊接在封闭式圆柱壳体4和薄圆盘6的圆面边缘，三者组合形状固定为圆台状，因此，包裹刚性骨架5的筛网7据其形状也规定为圆台状，同时，筛网7一端固定在封闭式圆柱壳体4的边缘，另一端固定在薄圆盘6的边缘。封闭

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式圆柱壳体4的近筛网端的圆面与薄圆盘6的中心有同心同径的两个圆形孔，同型号的第一轴承8与第二轴承9的外圈分别焊接在两个孔内部。此外，第一轴承8与第二轴承9的内圈与套筒11外壁相固定，驱动电动机12连接在套筒11末端，储尘罐13竖直固定在套筒11尾端的筒壁上侧。安装由驱动齿轮16、从动齿轮17、转轴18、转动叶轮19及螺丝、螺帽组成的拨动装置，实现由驱动电动机12同时带动装置拨动粉尘下落和送尘轴上螺旋叶片14旋转输送。为了固定套筒11，由连接在模拟摇臂1上的三根加固钢架10与套筒11相连接。更进一步的，如图7所示，套筒11表面存在若干个排尘条隙15。为了展示交流伺服电动机2的控制效果，如图5所示，安装在其上的PLC控制显示器20，可从模拟摇臂1引出，其具有开关、变速、定时、计数等功能按键，可实现对转速等参数的灵活控制。[0036]而且，上述储尘罐13由圆柱形和漏斗形组成，整体高度为200～300mm，漏斗形部分的斜度为45°～70°，圆柱形部分高度为150mm，内径为150mm；储尘罐配置有盖子。[0037]为了更进一步描述本发明，具体如下：

[0038]综掘机模型21可由铁皮或其它合金材料制成，模拟摇臂1外形为综掘机摇臂结构的简化形式，可为圆柱形壳体，在实现固定交流伺服电动机2的条件下，其尺寸可根据实际需要来选定。

[0039]模拟摇臂1内的交流伺服电动机2通过动力输出轴3使封闭式圆柱壳体4、刚性骨架5、薄圆盘6、筛网7产生一定速率的转动，转速约为50～500转/分钟，转到过程中空气受摩擦力将在筛网7内形成一定大小的旋流。此外，在第一轴承8、第二轴承9作用下保证套筒11不随之转动。

[0040]更进一步的，为减轻重量，采用内部中空的封闭式圆柱壳体4，长度约为0.1～0.3m，根据模拟截割头的直径大小可设置为0.5～1.5m，薄圆盘6的厚度约为3～8mm，直径可为封闭式圆柱壳体4内径的0.5～0.8倍，通过钢制或轻质合金材料制成的刚性骨架5相连接，组合为圆台状，整体长度可为0.5～1m。同时，筛网7包裹刚性骨架5组成的圆台侧面，筛网7根据现场粉尘性质选择200～2000目。[0041]更进一步的，储尘罐13由圆柱形和漏斗形铁皮制成，储尘罐13配置有盖子，整体高度约为200～300mm，并可通过打开储尘罐13上方的盖子即时添加粉尘。其中，漏斗斜度约为45～70度，圆柱形罐体高度约为150mm，内径约为150mm，漏斗形罐体下端为长度30～40mm，送尘管的内径约为30mm的管结构。[0042]更进一步的，为了使储尘罐13内的粉尘均匀、持续地落入套筒11内，安装转动叶轮19以防止储尘罐下方粉尘颗粒挤压作用导致颗粒间摩擦力较大，发生粉尘凝聚不下落现象，驱动齿轮16安装在带有螺旋叶片14之送尘轴的末端，转轴18一端穿过储尘罐下端管状结构，并安装转动叶轮19，另一端安装从动齿轮17，通过螺丝、螺帽固定。其中，为了保证齿轮16与齿轮17啮合，套筒11末端的对应出开有槽口。驱动电动机12带动驱动齿轮16、从动齿轮17和转轴18转动，使转动叶轮19将储尘罐13中粉尘持续、均匀的向下输送，落入套筒11内。与此同时，驱动电动机12带动螺旋叶片14转动，将落入的粉尘向套筒11另一端输送，形成自动的、持续的、定量的粉尘输送结构。[0043]更进一步的，图5中，套筒11两侧均开设若干个排尘条隙15，开设角度约为60°～120°，空隙宽度为3mm～6mm，每条条隙间隔约为30～40mm，利用驱动电动机12带动螺旋叶片14转动，将落入套筒11的粉尘持续向前输送，粉尘在输送过程经过排尘条隙15时，定量落至

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旋转的筛网7内面，并在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网7扩散到空气中，达到持续、定量沿截割头外表面均匀发尘目的。[0044]而且，在交流伺服电动机2上安装PLC控制显示器20，交流伺服电动机2可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机转子转速受PLC输入信号控制，把所收到的电信号转换成电动机转轴上的角速度输出，以此改变转速参数。PLC控制显示器20设有开关、变速、定时、计数及数字等功能按钮，并具有相关功能的显示屏幕，以便实现实时自动调节电机参数的功能，控制发尘量，以接近作业现场的产尘效果，满足实验研究需求。[0045]本发明还提供了一种使用上述述综掘面截割粉尘发生器的测试方法，其包括以下步骤：

[0046]设定交流伺服电动机2的转速、时间参数，通过动力输出轴3带动模拟截割头外表面转动；

[0047]待转动稳定后，启动连接在套筒11末端的驱动电动机12；驱动电动机12通过驱动齿轮16带动转动叶轮19转动，将储尘罐13内落下的粉尘打散，同步的，带动套筒11内送尘轴转动，送尘轴上的螺旋叶片14推动落入套筒11内的粉尘持续、定量的向套筒另一端输送；[0048]粉尘在重力作用下经过排尘条隙15时均匀排出；[0049]在离心力和内部旋流作用下，粉尘透过筛网7扩散到空气中，持续、定量的沿模拟截割头外表面均匀发尘；并记录相关测试数据，直至模拟测试完毕。[0050]当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

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