全斷面通道式自動(dòng)風(fēng)窗研究與應(yīng)用

李偉

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013)

全斷面通道式自動(dòng)風(fēng)窗研究與應(yīng)用

李偉1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013)

針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)窗調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題，研發(fā)了由支撐框架、氣動(dòng)馬達(dá)、推桿、門體、導(dǎo)流板和旋轉(zhuǎn)編碼器為主要組成部分的全斷面通道式自動(dòng)風(fēng)窗，介紹了風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積精確測(cè)控原理。該自動(dòng)風(fēng)窗在壓縮空氣的壓能作用下，氣動(dòng)馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)推桿傳動(dòng)帶動(dòng)門體和導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)窗面積的快速調(diào)節(jié)；利用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該自動(dòng)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積調(diào)節(jié)最大誤差為0.385%，完成1次面積調(diào)節(jié)耗時(shí)小于60 s。

煤礦安全； 礦井通風(fēng)； 自動(dòng)風(fēng)窗； 全斷面

0 引言

礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是煤礦安全的基礎(chǔ)，是“一通三防”的重中之重[1-3]。隨著采掘變化，工作面不斷推進(jìn)和更替，巷道風(fēng)阻、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及瓦斯等有害氣體濃度均在不斷變化，風(fēng)量的自然分配往往不能滿足作業(yè)地點(diǎn)的風(fēng)量需求，必須及時(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積是煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)量的最基本手段[4-5]。

目前中國(guó)煤礦井下基本上還是依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積[6]，不能遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，可靠性和穩(wěn)定性差；風(fēng)窗調(diào)節(jié)范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)全斷面調(diào)控；風(fēng)窗的節(jié)流限流作用造成風(fēng)窗處的風(fēng)流紊亂，難以在風(fēng)窗處準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)窗的過(guò)風(fēng)量。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者研發(fā)了全斷面通道式自動(dòng)風(fēng)窗(以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)風(fēng)窗)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積的遠(yuǎn)程精確控制，風(fēng)窗調(diào)節(jié)范圍寬，并能形成穩(wěn)定的風(fēng)流通道，配合多點(diǎn)移動(dòng)式平均風(fēng)量測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)窗過(guò)風(fēng)量的快速、準(zhǔn)確測(cè)量[7]。

1 自動(dòng)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)與原理

1.1 自動(dòng)風(fēng)窗及其配套設(shè)施

自動(dòng)風(fēng)窗及其配套設(shè)施主要包括通道式自動(dòng)風(fēng)窗本體、氣閥箱和電控系統(tǒng)，如圖1所示。自動(dòng)風(fēng)窗本體作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝在井下主要風(fēng)量調(diào)節(jié)地點(diǎn)，以壓縮空氣為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)過(guò)風(fēng)斷面的快速調(diào)控；氣閥箱輸入端接入井下壓縮空氣管網(wǎng)，輸出端連接自動(dòng)風(fēng)窗氣動(dòng)馬達(dá)，氣閥箱內(nèi)部封裝了礦用隔爆電磁閥，控制壓縮空氣的接通與關(guān)閉；電控系統(tǒng)以PLC作為核心控制單元，利用TCP/IP協(xié)議接入井下環(huán)網(wǎng)與上位機(jī)軟件通信，遠(yuǎn)程控制電磁閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積的遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)。

圖1 自動(dòng)風(fēng)窗及其配套設(shè)施

1.2 自動(dòng)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)

自動(dòng)風(fēng)窗由支撐框架、動(dòng)力及傳動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)風(fēng)窗組成

支撐框架主要由立柱、橫梁、擋板組成。支撐框架為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，各部分由螺栓連接成為一個(gè)整體框架。該框架主要起固定支撐作用，為動(dòng)力及傳動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及各類傳感器提供安裝固定載體。

自動(dòng)風(fēng)窗以氣動(dòng)馬達(dá)、推桿分別作為動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置。如圖2所示，推桿一端通過(guò)鉸鏈與門體連接，另一端通過(guò)法蘭盤與氣動(dòng)馬達(dá)相連。在壓縮空氣的壓力能作用下，氣動(dòng)馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)推桿做直線運(yùn)動(dòng)。

風(fēng)窗運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于支撐框架上，主要包括門體、連桿和導(dǎo)流板3個(gè)部分。

1.3 自動(dòng)風(fēng)窗運(yùn)動(dòng)過(guò)程

風(fēng)窗調(diào)節(jié)過(guò)程中，在動(dòng)力及傳動(dòng)裝置的作用下，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做水平直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積發(fā)生變化，形成規(guī)則矩形斷面的風(fēng)流通道。

自動(dòng)風(fēng)窗完全關(guān)閉及完全打開這2個(gè)極限狀態(tài)時(shí)的效果如圖3所示。其中a為2個(gè)連桿，b為導(dǎo)流板，c為風(fēng)窗門體，d為動(dòng)力及傳動(dòng)裝置。2個(gè)導(dǎo)流板之間的距離為風(fēng)窗的開度。風(fēng)窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，連桿和門體與導(dǎo)流板相互垂直，推桿伸出距離最短，風(fēng)窗開度最小。在風(fēng)窗由完全關(guān)閉到完全打開的過(guò)程中，在動(dòng)力裝置作用下，推桿逐漸伸出，推動(dòng)門體、連桿，與導(dǎo)流板繞門軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，風(fēng)窗開度逐漸增加，2個(gè)導(dǎo)流板之間形成的過(guò)風(fēng)斷面逐漸增大。

(a) 風(fēng)窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)

(b) 風(fēng)窗處于完全打開狀態(tài)

2 自動(dòng)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積精確測(cè)控原理

2.1 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器用于將旋轉(zhuǎn)的角度位移量轉(zhuǎn)換成周期性的脈沖電信號(hào)。編碼器每順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1圈，都會(huì)有固定數(shù)量的A信號(hào)脈沖INA和B信號(hào)脈沖INB，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)則相反及輸出一個(gè)零信號(hào)脈沖INZ。隨著編碼器轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，不斷輸出相應(yīng)的INA，INB，INZ信號(hào)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加與測(cè)量[8]。

自動(dòng)風(fēng)窗開度和過(guò)風(fēng)面積與氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)風(fēng)窗開度精確測(cè)量和控制，必須準(zhǔn)確獲得氣動(dòng)馬達(dá)和防爆電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。該功能由增量式旋轉(zhuǎn)編碼器完成。

電控系統(tǒng)的PLC與自動(dòng)風(fēng)窗旋轉(zhuǎn)編碼器通信，獲取氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)過(guò)換算得到自動(dòng)風(fēng)窗的過(guò)風(fēng)面積。當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積時(shí)，PLC發(fā)出電信號(hào)，使電磁閥接通氣路，氣動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。PLC通過(guò)檢測(cè)氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，判斷調(diào)節(jié)是否到位，若到位則立即通過(guò)電磁閥切斷氣路，使氣動(dòng)馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 過(guò)風(fēng)面積計(jì)算方法

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積的精確測(cè)量與控制，必須找到氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)與風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積之間的計(jì)算關(guān)系。

如圖2所示，風(fēng)窗左右2個(gè)部分沿虛線對(duì)稱，劃分為左右2個(gè)風(fēng)窗。左右風(fēng)窗結(jié)構(gòu)組成與功能原理均一致，以左風(fēng)窗為例說(shuō)明過(guò)風(fēng)面積計(jì)算原理。A，B，C，O為4個(gè)鉸接點(diǎn)，此時(shí)自動(dòng)風(fēng)窗處于關(guān)閉狀態(tài)，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)為0，推桿伸長(zhǎng)量為0。對(duì)推桿、門體及4個(gè)鉸接點(diǎn)簡(jiǎn)化抽象后得到如圖4所示的幾何結(jié)構(gòu)。線段AC所在位置為門體處于完全關(guān)閉狀態(tài)的位置，此時(shí)推桿前端處于B鉸接點(diǎn)；氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)后，推桿前端推進(jìn)到B′位置，門體圍繞A鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到線段AC′位置，點(diǎn)D為點(diǎn)C′在線段AC上的投影點(diǎn)，則線段CD長(zhǎng)度即為左風(fēng)窗開度。

圖4 簡(jiǎn)化的左風(fēng)窗幾何結(jié)構(gòu)

風(fēng)窗完全關(guān)閉時(shí)，推桿伸長(zhǎng)量為0，推桿長(zhǎng)度即線段OB長(zhǎng)度lOB。氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)后，推桿長(zhǎng)度為

lOB′=lOB+nk

(1)

式中k為推桿旋轉(zhuǎn)1圈的推進(jìn)或縮短量。

線段OA與線段AB′夾角為

(2)

式中：lOA為O鉸接點(diǎn)與A鉸接點(diǎn)距離；lAB′為A鉸接點(diǎn)與點(diǎn)B′距離。

門體旋轉(zhuǎn)角度為

β=α-δ

(3)

式中δ為線段OA與線段AB夾角。

左風(fēng)窗開度w和面積s計(jì)算公式為

式中:lAC為A鉸接點(diǎn)與C鉸接點(diǎn)距離;lAC′為A鉸接點(diǎn)與點(diǎn)C′距離;h為自動(dòng)風(fēng)窗調(diào)風(fēng)高度。

2.3 面積測(cè)控誤差

自動(dòng)風(fēng)窗由左右2個(gè)風(fēng)窗組成，每個(gè)風(fēng)窗由各自的氣動(dòng)馬達(dá)控制。其中1個(gè)風(fēng)窗的程序計(jì)算面積為

sc=wch

(6)

式中wc為程序計(jì)算風(fēng)窗開度。

1個(gè)風(fēng)窗的實(shí)測(cè)面積為

st=wth

(7)

式中wt為實(shí)際測(cè)量風(fēng)窗開度。

1個(gè)風(fēng)窗面積測(cè)控絕對(duì)誤差為

e=|sc-st|

(8)

自動(dòng)風(fēng)窗調(diào)節(jié)過(guò)程中，風(fēng)窗高度不變，只有左右風(fēng)窗的開度發(fā)生變化，因此開度誤差直接反映了面積誤差。風(fēng)窗面積測(cè)控相對(duì)誤差為

(9)

式中：stmax為實(shí)測(cè)風(fēng)窗最大面積；wtmax為實(shí)測(cè)風(fēng)窗最大開度。

左右風(fēng)窗分開測(cè)試，以左風(fēng)窗為例說(shuō)明測(cè)試步驟。

(1) 手動(dòng)將左風(fēng)窗面積關(guān)到最小，將右風(fēng)窗開到最大，以形成充足的空間，便于測(cè)量開度。

(2) 啟動(dòng)風(fēng)窗，小幅度增大過(guò)風(fēng)面積，然后停止。

(3) 上位機(jī)軟件自動(dòng)記錄旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)數(shù)n、左風(fēng)窗開度wc和調(diào)節(jié)時(shí)間t，使用盒尺、激光測(cè)距儀測(cè)量左風(fēng)窗實(shí)際開度wt。

(4) 重復(fù)步驟(2)—步驟(4)，直到左風(fēng)窗完全打開。

完成左風(fēng)窗面積誤差測(cè)試后，即可按照上述步驟進(jìn)行右風(fēng)窗面積誤差測(cè)試。最終得左風(fēng)窗面積測(cè)控最大絕對(duì)誤差為0.046 m2，平均絕對(duì)誤差為0.026 m2，最大相對(duì)誤差為0.89%，平均相對(duì)誤差為0.39%，全程調(diào)節(jié)時(shí)間(風(fēng)窗由完全關(guān)閉到完全打開所需最短時(shí)間)為94.5 s；右風(fēng)窗面積測(cè)控最大絕對(duì)誤差為0.043 m2，平均絕對(duì)誤差為0.019 m2，最大相對(duì)誤差為0.83%，平均相對(duì)誤差為0.37%，全程調(diào)節(jié)時(shí)間為95.8 s。

3 自動(dòng)風(fēng)窗現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在山西大同白洞煤礦開展了自動(dòng)風(fēng)窗現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作，在回風(fēng)聯(lián)巷安裝了自動(dòng)風(fēng)窗，如圖5所示?；仫L(fēng)聯(lián)巷凈斷面為11.8 m2，自動(dòng)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積調(diào)節(jié)范圍為0～10.4 m2。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)8112回采工作面風(fēng)量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，共進(jìn)行了4次風(fēng)量調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。過(guò)風(fēng)面積調(diào)節(jié)誤差(由式(9)計(jì)算)及消耗的時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。可看出自動(dòng)風(fēng)窗面積調(diào)節(jié)最大誤差為0.385%，完成1次面積調(diào)節(jié)耗時(shí)小于60 s。

表1 自動(dòng)風(fēng)窗面積調(diào)節(jié)誤差及耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

(a) 自動(dòng)風(fēng)窗安裝位置示意

(b) 自動(dòng)風(fēng)窗井下實(shí)物

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)風(fēng)窗以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出過(guò)風(fēng)面積，配合電控系統(tǒng)和上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了過(guò)風(fēng)面積的遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。實(shí)踐表明，自動(dòng)風(fēng)窗達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了礦井通風(fēng)管理的自動(dòng)化水平，適用于井工開采的煤礦及非煤礦山通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程、定量、快速調(diào)節(jié)。

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Research of automatic passageway type air regulator with full section and its application

LI Wei1,2

(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Beijing 100013, China)

For problems of long adjustment time and low adjustment precision of traditional air regulator, an automatic passageway air regulator with full section was developed, and accurate measurement and control principle of air section of the air regulator was introduced. The air regulator is composed of a supporting frame, a pneumatic motor, a push rod, a door body, a guide plate and a rotary encoder. Under the pressure of compressed air, the pneumatic motor rotates at high speed and drives the push rod to push the door body and the guide plate to move, so as to realize rapid adjustment of air regulator area. The rotary encoder records revolutions of the pneumatic motor. The field application shows that the maximum error of air area adjustment is 0.385%, and area adjustment time is less than 60 s.

coal mine safety; mine ventilation; automatic air regulator; full section

2016-07-13；

2016-10-20；責(zé)任編輯：李明。

科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014EG122192)。

李偉(1983-)，男，黑龍江木蘭人，助理研究員，碩士,從事礦井通風(fēng)與煤礦安全方面的研究工作，E-mail：liwei7792@163.com。

1671-251X(2016)12-0015-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.004

TD724

A

時(shí)間：2016-12-01 10:17

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1017.006.html

李偉.全斷面通道式自動(dòng)風(fēng)窗研究與應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：15-18.