李偉

(1.煤炭科學技術(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家重點實驗室， 北京 100013)

全斷面通道式自動風窗研究與應(yīng)用

李偉1,2

(1.煤炭科學技術(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家重點實驗室， 北京 100013)

針對傳統(tǒng)風窗調(diào)節(jié)周期長、精度低等問題，研發(fā)了由支撐框架、氣動馬達、推桿、門體、導流板和旋轉(zhuǎn)編碼器為主要組成部分的全斷面通道式自動風窗，介紹了風窗過風面積精確測控原理。該自動風窗在壓縮空氣的壓能作用下，氣動馬達高速旋轉(zhuǎn)，通過推桿傳動帶動門體和導流板運動，實現(xiàn)了風窗面積的快速調(diào)節(jié)；利用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該自動風窗過風面積調(diào)節(jié)最大誤差為0.385%，完成1次面積調(diào)節(jié)耗時小于60 s。

煤礦安全； 礦井通風； 自動風窗； 全斷面

0 引言

礦井通風是煤礦生產(chǎn)的一個重要環(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，工作面不斷推進和更替，巷道風阻、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及瓦斯等有害氣體濃度均在不斷變化，風量的自然分配往往不能滿足作業(yè)地點的風量需求，必須及時對通風系統(tǒng)進行風量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風窗過風面積是煤礦井下通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)風量的最基本手段[4-5]。

目前中國煤礦井下基本上還是依靠人工調(diào)節(jié)風窗過風面積[6]，不能遠程自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程費時費力，效率低，可靠性和穩(wěn)定性差；風窗調(diào)節(jié)范圍窄，不能實現(xiàn)全斷面調(diào)控；風窗的節(jié)流限流作用造成風窗處的風流紊亂，難以在風窗處準確測量風窗的過風量。針對上述問題，筆者研發(fā)了全斷面通道式自動風窗(以下簡稱自動風窗)，實現(xiàn)了風窗過風面積的遠程精確控制，風窗調(diào)節(jié)范圍寬，并能形成穩(wěn)定的風流通道，配合多點移動式平均風量測量裝置，實現(xiàn)了風窗過風量的快速、準確測量[7]。

1 自動風窗結(jié)構(gòu)與原理

1.1 自動風窗及其配套設(shè)施

自動風窗及其配套設(shè)施主要包括通道式自動風窗本體、氣閥箱和電控系統(tǒng)，如圖1所示。自動風窗本體作為執(zhí)行機構(gòu)，安裝在井下主要風量調(diào)節(jié)地點，以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)過風斷面的快速調(diào)控；氣閥箱輸入端接入井下壓縮空氣管網(wǎng)，輸出端連接自動風窗氣動馬達，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)與上位機軟件通信，遠程控制電磁閥，進而實現(xiàn)自動風窗過風面積的遠程精確調(diào)節(jié)。

圖1 自動風窗及其配套設(shè)施

1.2 自動風窗結(jié)構(gòu)

自動風窗由支撐框架、動力及傳動裝置、運動機構(gòu)3個部分組成，如圖2所示。

圖2 自動風窗組成

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

自動風窗以氣動馬達、推桿分別作為動力裝置和傳動裝置。如圖2所示，推桿一端通過鉸鏈與門體連接，另一端通過法蘭盤與氣動馬達相連。在壓縮空氣的壓力能作用下，氣動馬達高速旋轉(zhuǎn)，帶動推桿做直線運動。

風窗運動機構(gòu)安裝于支撐框架上，主要包括門體、連桿和導流板3個部分。

1.3 自動風窗運動過程

風窗調(diào)節(jié)過程中，在動力及傳動裝置的作用下，運動機構(gòu)做水平直線運動或旋轉(zhuǎn)運動，使得風窗過風面積發(fā)生變化，形成規(guī)則矩形斷面的風流通道。

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

(a) 風窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)

(b) 風窗處于完全打開狀態(tài)

2 自動風窗過風面積精確測控原理

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。編碼器每順時針旋轉(zhuǎn)1圈，都會有固定數(shù)量的A信號脈沖INA和B信號脈沖INB，逆時針旋轉(zhuǎn)則相反及輸出一個零信號脈沖INZ。隨著編碼器轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，不斷輸出相應(yīng)的INA，INB，INZ信號脈沖，從而實現(xiàn)多圈無限累加與測量[8]。

自動風窗開度和過風面積與氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)。為了實現(xiàn)自動風窗開度精確測量和控制，必須準確獲得氣動馬達和防爆電動機的轉(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與自動風窗旋轉(zhuǎn)編碼器通信，獲取氣動馬達的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)過換算得到自動風窗的過風面積。當需要調(diào)節(jié)風窗面積時，PLC發(fā)出電信號，使電磁閥接通氣路，氣動馬達運動。PLC通過檢測氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)，判斷調(diào)節(jié)是否到位，若到位則立即通過電磁閥切斷氣路，使氣動馬達停止轉(zhuǎn)動。

2.2 過風面積計算方法

為了實現(xiàn)風窗過風面積的精確測量與控制，必須找到氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)與風窗過風面積之間的計算關(guān)系。

如圖2所示，風窗左右2個部分沿虛線對稱，劃分為左右2個風窗。左右風窗結(jié)構(gòu)組成與功能原理均一致，以左風窗為例說明過風面積計算原理。A，B，C，O為4個鉸接點，此時自動風窗處于關(guān)閉狀態(tài)，氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)為0，推桿伸長量為0。對推桿、門體及4個鉸接點簡化抽象后得到如圖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，此時推桿前端處于B鉸接點；氣動馬達旋轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)后，推桿前端推進到B′位置，門體圍繞A鉸接點旋轉(zhuǎn)到線段AC′位置，點D為點C′在線段AC上的投影點，則線段CD長度即為左風窗開度。

圖4 簡化的左風窗幾何結(jié)構(gòu)

風窗完全關(guān)閉時，推桿伸長量為0，推桿長度即線段OB長度lOB。氣動馬達旋轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)后，推桿長度為

lOB′=lOB+nk

(1)

式中k為推桿旋轉(zhuǎn)1圈的推進或縮短量。

線段OA與線段AB′夾角為

(2)

式中：lOA為O鉸接點與A鉸接點距離；lAB′為A鉸接點與點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。

左風窗開度w和面積s計算公式為

式中:lAC為A鉸接點與C鉸接點距離;lAC′為A鉸接點與點C′距離;h為自動風窗調(diào)風高度。

2.3 面積測控誤差

自動風窗由左右2個風窗組成，每個風窗由各自的氣動馬達控制。其中1個風窗的程序計算面積為

sc=wch

(6)

式中wc為程序計算風窗開度。

1個風窗的實測面積為

st=wth

(7)

式中wt為實際測量風窗開度。

1個風窗面積測控絕對誤差為

e=|sc-st|

(8)

自動風窗調(diào)節(jié)過程中，風窗高度不變，只有左右風窗的開度發(fā)生變化，因此開度誤差直接反映了面積誤差。風窗面積測控相對誤差為

(9)

式中：stmax為實測風窗最大面積；wtmax為實測風窗最大開度。

左右風窗分開測試，以左風窗為例說明測試步驟。

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

(2) 啟動風窗，小幅度增大過風面積，然后停止。

(3) 上位機軟件自動記錄旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)數(shù)n、左風窗開度wc和調(diào)節(jié)時間t，使用盒尺、激光測距儀測量左風窗實際開度wt。

(4) 重復步驟(2)—步驟(4)，直到左風窗完全打開。

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

3 自動風窗現(xiàn)場應(yīng)用

在山西大同白洞煤礦開展了自動風窗現(xiàn)場應(yīng)用工作，在回風聯(lián)巷安裝了自動風窗，如圖5所示?；仫L聯(lián)巷凈斷面為11.8 m2，自動風窗過風面積調(diào)節(jié)范圍為0～10.4 m2。通過上位機軟件對8112回采工作面風量進行遠程控制，共進行了4次風量調(diào)節(jié)實驗。過風面積調(diào)節(jié)誤差(由式(9)計算)及消耗的時間統(tǒng)計見表1?？煽闯鲎詣语L窗面積調(diào)節(jié)最大誤差為0.385%，完成1次面積調(diào)節(jié)耗時小于60 s。

表1 自動風窗面積調(diào)節(jié)誤差及耗時統(tǒng)計

(a) 自動風窗安裝位置示意

(b) 自動風窗井下實物

4 結(jié)語

自動風窗以壓縮空氣為動力，通過旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)計算得出過風面積，配合電控系統(tǒng)和上位機軟件，實現(xiàn)了過風面積的遠程、快速、準確調(diào)節(jié)。實踐表明，自動風窗達到了較高的準確度，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了礦井通風管理的自動化水平，適用于井工開采的煤礦及非煤礦山通風系統(tǒng)遠程、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；責任編輯：李明。

科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金資助項目(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.全斷面通道式自動風窗研究與應(yīng)用[J].工礦自動化，2016,42(12)：15-18.