人車同行自動閉鎖風(fēng)門優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭曉君

（霍州煤電集團(tuán)億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041600）

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)設(shè)施數(shù)量大，管理困難。針對該問題，若能實(shí)現(xiàn)風(fēng)門自動控制，就可以避免出現(xiàn)風(fēng)門漏風(fēng)、常開等問題，還可以根據(jù)需要對風(fēng)流進(jìn)行調(diào)整，同時有利于防治火災(zāi)[1-3]?；诖?，對億隆煤礦井下風(fēng)門進(jìn)行結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局優(yōu)化升級[4-7]，并在井下開展了應(yīng)用和效果檢驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

億隆煤礦通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為抽出式，主、副井筒為進(jìn)風(fēng)井，回風(fēng)井回風(fēng)。風(fēng)井配備2 臺通風(fēng)機(jī)，一備一用，型號為FBDCZ №25/2×250 kW，風(fēng)機(jī)風(fēng)量10 860 m3/min，靜風(fēng)壓1 185.8 Pa。經(jīng)測算，風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下，礦井進(jìn)風(fēng)量11 066 m3/min，回風(fēng)量10 223 m3/min。目前能夠滿足礦井正常生產(chǎn)所需的最低風(fēng)量為11 469 m3/min，實(shí)際風(fēng)量略低于設(shè)計(jì)風(fēng)量，且進(jìn)風(fēng)井中風(fēng)速較高、礦井通風(fēng)阻力較大。億隆煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)相對脆弱，在無法進(jìn)行整體通風(fēng)系統(tǒng)改造的情況下，需要對局部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高其穩(wěn)定性。

1.2 存在問題分析

1）大風(fēng)壓行人風(fēng)門?？偦爻吠ǖ栏浇娘L(fēng)門為手動風(fēng)門，風(fēng)門兩側(cè)的壓差較高，風(fēng)門難以打開，造成礦工通行困難，通行過程中漏風(fēng)量較大。在礦工通行后，由于風(fēng)壓較大的原因，風(fēng)門會猛烈關(guān)閉，給行人安全造成隱患，同時易于損壞風(fēng)門。

2）聯(lián)動閉鎖行車風(fēng)門。在礦井皮帶大巷和軌道大巷掘進(jìn)過程中，每隔一段距離需要施工聯(lián)絡(luò)巷方便運(yùn)輸和回風(fēng)，需要設(shè)置風(fēng)門，通常為2 道。為防止2 道風(fēng)門同時敞開造成風(fēng)流短路，需要對其安裝閉鎖裝置。礦井風(fēng)門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1。常見的閉鎖裝置為鋼絲繩（鍍鋅）聯(lián)動閉鎖。在安裝該閉鎖裝置后，電瓶車司機(jī)在通過風(fēng)門時需要先制動停車，打開第1 道風(fēng)門，并用風(fēng)門掛鉤固定，然后啟動電瓶車，通過第1 道風(fēng)門后再次制動停車，關(guān)閉第1 道風(fēng)門，開啟第2 道風(fēng)門，通過后再次關(guān)閉第2 道風(fēng)門。這樣操作費(fèi)時費(fèi)力，頻繁剎車、打開車門同樣具有一定安全隱患。若司機(jī)忘記關(guān)閉風(fēng)門還有可能造成大量漏風(fēng)，對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成損害。若采用有人值守風(fēng)門，人力成本較高，且無效投入較大。

圖1 礦井風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖

3）平衡式自動行車風(fēng)門。該風(fēng)門施工時需在巷道兩側(cè)開挖硐室，工程成本較高，耗費(fèi)人力物力。當(dāng)風(fēng)壓很大的情況下，該風(fēng)門關(guān)閉之后可能無法正常打開，必須施加外力，大大影響自動風(fēng)門的便捷性。一旦出現(xiàn)突然停電，會造成電瓶車無法通過，影響礦井的安全高效生產(chǎn)。當(dāng)風(fēng)門兩側(cè)的風(fēng)壓較大時，兩扇風(fēng)門可能無法同時嚴(yán)密閉合，導(dǎo)致風(fēng)門漏風(fēng)。面對大風(fēng)壓的強(qiáng)負(fù)荷工作，還容易造成風(fēng)門拉桿損壞，形成安全隱患。

通過上述分析，為提高風(fēng)門通行效率，確保通過安全和通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)人力輔助風(fēng)門開啟裝置，紅外傳感自動開啟風(fēng)門，并將平面式和鈍角式人車同行風(fēng)門改為半圓弧式，實(shí)現(xiàn)設(shè)置簡單、易操作、易維護(hù)，降低成本的同時提高安全效益。

2 風(fēng)門優(yōu)化方案

根據(jù)風(fēng)門結(jié)構(gòu)和通過原理，分別對小風(fēng)門和大風(fēng)門開啟進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 小風(fēng)門輔助開啟裝置

人車同行的風(fēng)門若設(shè)計(jì)為大風(fēng)門，則行人通過時也必須全部打開風(fēng)門，通風(fēng)斷面和風(fēng)門阻力較大，存在漏風(fēng)和開啟困難的問題。因此，可以在大風(fēng)門上設(shè)計(jì)小風(fēng)門，有利于行人通行。小風(fēng)門的輔助開啟裝置包括把手、固定裝置、末端滾輪以及把手支點(diǎn)，詳見圖2。該裝置把手起始段至支點(diǎn)長50 cm，支點(diǎn)至滾輪長10 cm，動力臂長度是阻力臂的5 倍。由杠桿原理可知，施加在動力臂上的力量通過該輔助裝置可將5 倍的力量傳導(dǎo)至阻力臂，從而使通行人員輕松地打開風(fēng)門。在把手上合適位置多開幾個孔，通過調(diào)整支點(diǎn)在把手上的位置可以對動力臂和阻力臂進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)風(fēng)壓較大時，可以選擇最短的阻力臂，這時傳遞最大的力量；當(dāng)風(fēng)壓較小時，可以選擇較長的阻力臂，提高輔助裝置和風(fēng)門的使用壽命。井下人員通過時，拉開把手，通過滾輪行程把風(fēng)門打開一個小距離，卸壓后可以輕松打開風(fēng)門。

圖2 風(fēng)門輔助開啟裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 利用紅外傳感器的氣動風(fēng)門

自動氣動風(fēng)門由普通風(fēng)門、風(fēng)門控制主箱機(jī)、紅外線傳感器、聲光語音箱和配重吊桶組成，風(fēng)門控制主箱機(jī)是氣動控制裝置，如圖3。行人或電瓶車接近風(fēng)門時，紅外線傳感器監(jiān)測，傳遞給主控制器，主控制器利用啟動裝置控制風(fēng)門打開，行人或車輛通過風(fēng)門后，由前方的紅外線傳感器監(jiān)測到，控制風(fēng)門閉合。配重吊桶起到配重作用，降低氣動風(fēng)門的阻力，可以根據(jù)風(fēng)門阻力對配重進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)風(fēng)門執(zhí)行相應(yīng)動作時，聲光語音箱予以播報(bào)，提醒行人或車輛?？刂浦飨錂C(jī)內(nèi)設(shè)置電磁閥，和兩側(cè)風(fēng)門的壓風(fēng)管路連通，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的自動閉鎖功能。

圖3 自動氣動風(fēng)門結(jié)構(gòu)圖

2.3 半圓弧式氣動風(fēng)門

半圓弧式氣動風(fēng)門是在上述氣動風(fēng)門的原理上，對鈍角式氣動風(fēng)門進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)而來的。

1）首先在上述氣動風(fēng)門基礎(chǔ)上，增加行人風(fēng)門（小風(fēng)門）卸壓驅(qū)動裝置、門框、門扇等機(jī)械部件。該氣動風(fēng)門要求先施工風(fēng)門的墻體，并設(shè)置預(yù)埋件，對門框進(jìn)行固定，預(yù)埋件的高度要與風(fēng)門接口一致。半圓弧式氣動風(fēng)門的門框需固定在墻壁上，并安兩個門扇，在其中1 個門扇上設(shè)置行人風(fēng)門，另1 個門扇上設(shè)置卸壓孔，卸壓孔與驅(qū)動裝置連接。在門扇上方設(shè)置氣缸座，并鉸鏈氣缸活塞。氣動箱里電磁閥連接高壓風(fēng)管，并控制各個氣缸開閉。

2）對風(fēng)門的門扇進(jìn)行改進(jìn)。通常情況下風(fēng)門的門扇是平直的，即平面式和鈍角式。半圓弧式是將風(fēng)門的迎風(fēng)側(cè)設(shè)計(jì)為半圓弧狀，和平面式與鈍角式門扇相比，其門扇的中部是半圓弧型的，使得門扇和風(fēng)流夾角增加，大風(fēng)門打開時風(fēng)流的最大力矩位于門扇的中部，從而大大降低了風(fēng)門門扇所受的風(fēng)流力矩，降低了風(fēng)流阻力，大風(fēng)門開啟更加輕松。半圓弧式門扇迎風(fēng)側(cè)弧面所受力矩情況如圖4，半圓弧式氣動風(fēng)門運(yùn)行原理如圖5。

圖4 門扇受力情況分析

圖5 半圓弧式氣動風(fēng)門原理圖

3 應(yīng)用效果分析

由于普通風(fēng)門存在開啟困難、安全性差、易造成通風(fēng)系統(tǒng)紊亂等問題，利用小風(fēng)門輔助裝置和半圓弧式啟動風(fēng)門，改善了風(fēng)門的開啟方式。

3.1 小風(fēng)門輔助開啟裝置

利用杠桿原理設(shè)計(jì)風(fēng)門輔助開啟裝置，將力量最大增加5 倍，風(fēng)門卸壓后能夠順利、輕松地打開風(fēng)門。在把手上進(jìn)行多孔設(shè)計(jì)，可以調(diào)整動力臂和阻力臂的大小，適應(yīng)不同的風(fēng)壓情況。該設(shè)備小巧方便，易于安裝，操作簡單，在井下迅速推廣，應(yīng)用至今，大大降低了人員通過高風(fēng)壓風(fēng)門的難度，工作人員的行動效率提高50%，發(fā)揮了良好的作用。

3.2 半圓弧式氣動風(fēng)門

半圓弧式氣動風(fēng)門，在實(shí)現(xiàn)人車同行的基礎(chǔ)上，利用紅外線傳感器監(jiān)測人員和車輛位置，通過氣動箱里的電磁閥分別控制各部位的開閉，同時實(shí)現(xiàn)自動閉鎖，聲光語音箱可以對行人和車輛進(jìn)行提醒，配重吊桶可以減輕啟動裝置負(fù)荷。該風(fēng)門不用施工配套硐室，并利用高壓空氣作為動力，節(jié)省了電力成本；自動控制風(fēng)門實(shí)現(xiàn)了無人值守，節(jié)省了人工成本。為了進(jìn)一步降低風(fēng)阻，創(chuàng)新性地將風(fēng)門由鈍角式、平面式調(diào)整為半圓弧式，將風(fēng)流最大力矩控制在門扇中部，從而減小了門扇風(fēng)阻，更加有利于開閉。該系統(tǒng)在億隆煤礦運(yùn)行一年來，優(yōu)化風(fēng)門的開啟形式，大大提高通風(fēng)系統(tǒng)的自動化、智能化水平，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了工人勞動強(qiáng)度，提高了流動效率，杜絕了風(fēng)門傷人事故。

4 結(jié)論

1）針對風(fēng)門風(fēng)壓較大、風(fēng)門難以開啟的問題，設(shè)計(jì)風(fēng)門輔助開啟裝置。該裝置利用杠桿原理，能夠降低大壓差風(fēng)門的開啟難度，通過調(diào)整力臂長度適應(yīng)不同的風(fēng)壓情況，提高通行效率。

2）利用紅外線傳感器，設(shè)計(jì)了自動氣動風(fēng)門，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了半圓弧式風(fēng)門，能夠?qū)L(fēng)流的最大力矩控制在門扇的中部，從而降低風(fēng)門開啟的風(fēng)阻。該系統(tǒng)的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)人車通行互不影響的基礎(chǔ)上，降低了工程施工成本，節(jié)約了人力成本和電力成本，提高了礦井的智能化、自動化水平，使工作人員能夠更加便捷地通過，提高了生產(chǎn)效率。

3）電磁閥控制風(fēng)門的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動閉鎖裝置。該裝置能夠?qū)L(fēng)門聯(lián)鎖，避免同時開啟風(fēng)門造成風(fēng)流短路、危害通風(fēng)安全的隱患。