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家重點實驗室， 北京 100013)

全斷面通道式自動風(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家重點實驗室， 北京 100013)

針對傳統(tǒng)風(fēng)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(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風(fēng)窗，介紹了風(fēng)窗過風(fēng)面積精確測控原理。該自動風(fēng)窗在壓縮空氣的壓能作用下，氣動馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，通過推桿傳動帶動門體和導(dǎo)流板運(yùn)動，實現(xiàn)了風(fēng)窗面積的快速調(diào)節(jié)；利用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該自動風(fēng)窗過風(fēng)面積調(diào)節(jié)最大誤差為0.385%，完成1次面積調(diào)節(jié)耗時小于60 s。

煤礦安全； 礦井通風(fēng)； 自動風(fēng)窗； 全斷面

0 引言

礦井通風(fēng)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(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)地點的風(fēng)量需求，必須及時對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(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]。

目前中國煤礦井下基本上還是依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積[6]，不能遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程費(fèi)時費(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)確測量風(fēng)窗的過風(fēng)量。針對上述問題，筆者研發(fā)了全斷面通道式自動風(fēng)窗(以下簡稱自動風(fēng)窗)，實現(xiàn)了風(fēng)窗過風(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，配合多點移動式平均風(fēng)量測量裝置，實現(xiàn)了風(fēng)窗過風(fēng)量的快速、準(zhǔn)確測量[7]。

1 自動風(fēng)窗結(jié)構(gòu)與原理

1.1 自動風(fēng)窗及其配套設(shè)施

自動風(fēng)窗及其配套設(shè)施主要包括通道式自動風(fēng)窗本體、氣閥箱和電控系統(tǒng)，如圖1所示。自動風(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，以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)過風(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)，輸出端連接自動風(fēng)窗氣動馬達(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)而實現(xiàn)自動風(fēng)窗過風(fēng)面積的遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)。

圖1 自動風(fēng)窗及其配套設(shè)施

1.2 自動風(fēng)窗結(jié)構(gòu)

自動風(fēng)窗由支撐框架、動力及傳動裝置、運(yùn)動機(jī)構(gòu)3個部分組成，如圖2所示。

圖2 自動風(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(yùn)動機(jī)構(gòu)及各類傳感器提供安裝固定載體。

自動風(fēng)窗以氣動馬達(dá)、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(dá)相連。在壓縮空氣的壓力能作用下，氣動馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，帶動推桿做直線運(yùn)動。

風(fēng)窗運(yùn)動機(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個部分。

1.3 自動風(fēng)窗運(yùn)動過程

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

自動風(fēng)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(dǎo)流板，c為風(fēng)窗門體，d為動力及傳動裝置。2個導(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，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)閉到完全打開的過程中，在動力裝置作用下，推桿逐漸伸出，推動門體、連桿，與導(dǎo)流板繞門軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，風(fēng)窗開度逐漸增加，2個導(dǎo)流板之間形成的過風(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 自動風(fēng)窗過風(fēng)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(fēng)窗開度和過風(fēng)面積與氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)。為了實現(xiàn)自動風(fēng)窗開度精確測量和控制，必須準(zhǔn)確獲得氣動馬達(dá)和防爆電動機(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與自動風(fēng)窗旋轉(zhuǎn)編碼器通信，獲取氣動馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)過換算得到自動風(fēng)窗的過風(fēng)面積。當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積時，PLC發(fā)出電信號，使電磁閥接通氣路，氣動馬達(dá)運(yùn)動。PLC通過檢測氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，判斷調(diào)節(jié)是否到位，若到位則立即通過電磁閥切斷氣路，使氣動馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。

2.2 過風(fēng)面積計算方法

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

如圖2所示，風(fēng)窗左右2個部分沿虛線對稱，劃分為左右2個風(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)窗為例說明過風(fēng)面積計算原理。A，B，C，O為4個鉸接點，此時自動風(fēng)窗處于關(guān)閉狀態(tài)，氣動馬達(dá)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(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(fēng)窗開度。

圖4 簡化的左風(fēng)窗幾何結(jié)構(gòu)

風(fēng)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(dá)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(jìn)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(fēng)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(fēng)窗調(diào)風(fēng)高度。

2.3 面積測控誤差

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

sc=wch

(6)

式中wc為程序計算風(fēng)窗開度。

1個風(fēng)窗的實測面積為

st=wth

(7)

式中wt為實際測量風(fēng)窗開度。

1個風(fēng)窗面積測控絕對誤差為

e=|sc-st|

(8)

自動風(fēng)窗調(diào)節(jié)過程中，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)窗面積測控相對誤差為

(9)

式中：stmax為實測風(fēng)窗最大面積；wtmax為實測風(fēng)窗最大開度。

左右風(fēng)窗分開測試，以左風(fēng)窗為例說明測試步驟。

(1) 手動將左風(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，便于測量開度。

(2) 啟動風(fēng)窗，小幅度增大過風(fēng)面積，然后停止。

(3) 上位機(jī)軟件自動記錄旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)數(shù)n、左風(fēng)窗開度wc和調(diào)節(jié)時間t，使用盒尺、激光測距儀測量左風(fēng)窗實際開度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)窗面積誤差測試后，即可按照上述步驟進(jìn)行右風(fēng)窗面積誤差測試。最終得左風(fēng)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(fēng)窗由完全關(guān)閉到完全打開所需最短時間)為94.5 s；右風(fēng)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(fēng)窗現(xiàn)場應(yīng)用

在山西大同白洞煤礦開展了自動風(fēng)窗現(xiàn)場應(yīng)用工作，在回風(fēng)聯(lián)巷安裝了自動風(fēng)窗，如圖5所示?；仫L(fēng)聯(lián)巷凈斷面為11.8 m2，自動風(fēng)窗過風(fēng)面積調(diào)節(jié)范圍為0～10.4 m2。通過上位機(jī)軟件對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)實驗。過風(fēng)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(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)耗時小于60 s。

表1 自動風(fēng)窗面積調(diào)節(jié)誤差及耗時統(tǒng)計

(a) 自動風(fēng)窗安裝位置示意

(b) 自動風(fēng)窗井下實物

4 結(jié)語

自動風(fēng)窗以壓縮空氣為動力，通過旋轉(zhuǎn)編碼器記錄氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)計算得出過風(fēng)面積，配合電控系統(tǒng)和上位機(jī)軟件，實現(xiàn)了過風(fēng)面積的遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。實踐表明，自動風(fēng)窗達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了礦井通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程、定量、快速調(diào)節(jié)。

[1] 張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：100-101.

[2] 黃元平.礦井通風(fēng)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：200-203.

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[5] 李偉,張浪,王翰鋒,等.基于改進(jìn)節(jié)點位置法的角聯(lián)風(fēng)路識別[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(11):77-79.

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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(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(fēng)窗研究與應(yīng)用[J].工礦自動化，2016,42(12)：15-18.