龔曉燕， 崔小強(qiáng)， 雷可凡， 趙寬， 劉輝， 馮雄

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

隨著煤礦掘進(jìn)巷道深度不斷增加，當(dāng)前粗放式的通風(fēng)總量控制模式難以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)流[1]，極易因風(fēng)量不足或風(fēng)流分布不合理導(dǎo)致掘進(jìn)工作面局部瓦斯、粉塵積聚，增大掘進(jìn)作業(yè)安全隱患。為優(yōu)化掘進(jìn)工作面通風(fēng)量，降低工作面瓦斯及粉塵濃度，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬、井下實(shí)測(cè)等方法研究了掘進(jìn)過程中的瓦斯或粉塵分布規(guī)律。王曉珍[2]根據(jù)氣固兩相流理論及流體力學(xué)離散相模型，研究了巷道內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒出風(fēng)口至掘進(jìn)工作面距離及風(fēng)筒懸掛高度對(duì)粉塵濃度的影響。李雨成等[3]利用數(shù)值模擬方法，分析了掘進(jìn)工作面壓入式、抽出式及長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式下，風(fēng)筒出風(fēng)口至掘進(jìn)工作面距離變化過程中風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及粉塵分布規(guī)律，確定了長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式的風(fēng)筒出風(fēng)口合理位置。王春霞等[4-5]利用Fluent軟件對(duì)風(fēng)筒出風(fēng)口不同風(fēng)速條件下掘進(jìn)巷道內(nèi)的瓦斯及粉塵濃度進(jìn)行了模擬分析，通過對(duì)比井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口至掘進(jìn)工作面距離不同時(shí)，瓦斯及粉塵濃度均為風(fēng)筒出風(fēng)口處較低、工作面及巷道底板處較高。

筆者所在課題組通過大量數(shù)值模擬及井下實(shí)測(cè)分析[6-8]，認(rèn)為通過調(diào)控掘進(jìn)工作面風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)流狀態(tài)可以優(yōu)化風(fēng)速、瓦斯、粉塵分布，即通過調(diào)節(jié)出風(fēng)口距工作面距離及風(fēng)筒口徑、方向、角度，使風(fēng)速、瓦斯、粉塵與原始場(chǎng)相比達(dá)到最佳分布，有效降低瓦斯和粉塵濃度。本文在上述研究基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種安裝于風(fēng)筒出風(fēng)口的氣動(dòng)式風(fēng)流調(diào)控裝置，以實(shí)現(xiàn)在不同掘進(jìn)階段實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控出風(fēng)口風(fēng)流狀態(tài)，達(dá)到更高效、節(jié)能的通風(fēng)效果。

1 氣動(dòng)式風(fēng)流調(diào)控裝置功能需求分析

1.1 原始風(fēng)場(chǎng)存在的問題

為獲取掘進(jìn)工作面原始風(fēng)速場(chǎng)及粉塵場(chǎng)的實(shí)際分布情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)流的合理調(diào)節(jié)，以陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司(以下稱檸條塔礦)S1200-Ⅲ掘進(jìn)工作面為例進(jìn)行分析。檸條塔礦為低瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為0～0.02 m3/min。S1200-Ⅲ掘進(jìn)工作面巷道長(zhǎng)40 m，寬6.25 m，高3.75 m，風(fēng)筒直徑為1.0 m。采用EBZ-200型掘進(jìn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此在不影響原始風(fēng)場(chǎng)的情況下建立簡(jiǎn)化的掘進(jìn)機(jī)模型，并根據(jù)巷道幾何參數(shù)建立巷道模型。采用Fluent軟件對(duì)風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面距離l=5，10 m時(shí)，回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶和掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的風(fēng)速及粉塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

(a)行人呼吸帶(l=5 m)

(a)行人呼吸帶(l=5 m)

從圖1可看出：風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面5 m時(shí)，回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶風(fēng)速小于0.25 m/s，不滿足《煤礦安全規(guī)程》[9]要求；風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面5，10 m時(shí)，司機(jī)處均產(chǎn)生渦流區(qū)域，造成風(fēng)速分布不合理，粉塵積聚嚴(yán)重。

從圖2可看出：風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面10 m時(shí)，因風(fēng)流射程不足，工作面附近的粉塵濃度較出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面5 m時(shí)大；司機(jī)處因渦流問題導(dǎo)致粉塵濃度最高達(dá)1 000 mg/m3，遠(yuǎn)超出《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的范圍。

1.2 風(fēng)流調(diào)控裝置功能需求

針對(duì)掘進(jìn)工作面原始風(fēng)場(chǎng)存在的風(fēng)流分布不合理問題及各種狀況下的風(fēng)流調(diào)控需求，綜合考慮掘進(jìn)工作面通風(fēng)環(huán)境、通風(fēng)布局及驅(qū)動(dòng)源等因素，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)風(fēng)筒出風(fēng)口口徑、角度及前后距離的氣動(dòng)式風(fēng)流調(diào)控裝置。利用黑箱原理[10]求解該裝置的不同功能元，如圖3所示。

圖3 風(fēng)流調(diào)控裝置功能元

2 風(fēng)流調(diào)控裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)流調(diào)控裝置功能需求，將其機(jī)械系統(tǒng)劃分為角度偏轉(zhuǎn)(右偏和上偏)機(jī)構(gòu)、口徑開合機(jī)構(gòu)及前后位移機(jī)構(gòu)。裝置控制系統(tǒng)通過檢測(cè)風(fēng)流和粉塵濃度，根據(jù)控制規(guī)則發(fā)出控制信號(hào)，控制氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)流精準(zhǔn)調(diào)控。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

角度偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4(a)所示。將氣壓缸設(shè)置于裝置主體框架，通過各氣壓缸的活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)出風(fēng)口發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)。

(a)角度偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

口徑開合機(jī)構(gòu)如圖4(b)所示。安裝在主體框架上的氣壓缸通過拉桿驅(qū)動(dòng)風(fēng)流調(diào)控裝置前端葉片轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)口徑開合功能。氣壓缸所需行程為

Sm=[L1-Lcosα/(2cosβ)]cosβ

(1)

式中：L1為拉桿長(zhǎng)度；L為葉片長(zhǎng)度；α為口徑縮小到極限位置時(shí)與葉片原始狀態(tài)的夾角；β為拉桿與風(fēng)流調(diào)控裝置中心線的夾角。

本文中L1=592 mm，L=350 mm，α=25°，β=46°，代入式(1)得Sm=253 mm。

前后位移機(jī)構(gòu)主要包括滑移小車和工字梁導(dǎo)軌。將小車設(shè)置在導(dǎo)軌內(nèi)，通過氣動(dòng)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口前后位移。

2.2 氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)

在角度偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和口徑開合機(jī)構(gòu)中采用氣壓缸作為執(zhí)行部件，在前后位移機(jī)構(gòu)中采用氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源。通過電磁換向閥實(shí)現(xiàn)方向和角度控制，并設(shè)置手動(dòng)換向閥，用于在現(xiàn)場(chǎng)斷電情況下完成對(duì)風(fēng)流調(diào)控裝置的操作。氣壓缸及氣動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)分別見表1、表2。

表1 氣壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 氣動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)

角度右偏氣壓缸與口徑開合氣壓缸的實(shí)際輸出推力Fp、實(shí)際返回拉力Fd及平均耗氣量qc分別為

(2)

(3)

(4)

式中：p為氣壓缸工作壓力，MPa；D為缸筒直徑，mm；η為氣壓缸效率，為80%；d為活塞桿直徑，mm；N為1 min內(nèi)活塞往復(fù)次數(shù)，N=1；S為氣壓缸行程，mm。

將參數(shù)值代入式(2)—式(4),得Fp=201 N,Fd=211 N,qc=37.68 L/min。同理得角度上偏氣壓缸的實(shí)際輸出推力、實(shí)際返回拉力和平均耗氣量分別為129 N，138 N，16.88 L/min。

2.3 控制系統(tǒng)

風(fēng)流調(diào)控裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)以PLC為核心，通過三位五通電磁閥接收PLC指令完成對(duì)各氣壓缸及氣動(dòng)馬達(dá)的控制。PLC選用S7-200 Smart/CPU224CN[11]。

圖5 風(fēng)流調(diào)控裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的位移及角度信號(hào)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行不同距離下的角度偏轉(zhuǎn)和口徑調(diào)節(jié)。采用STEP 7 MicroWIN SMART軟件根據(jù)控制規(guī)則(表3)編寫控制程序，程序流程如圖6所示。

表3 風(fēng)流調(diào)控裝置控制規(guī)則

圖6 風(fēng)流調(diào)控裝置控制程序流程

3 風(fēng)流調(diào)控裝置虛擬樣機(jī)建立及仿真分析

3.1 虛擬樣機(jī)三維模型

根據(jù)風(fēng)流調(diào)控裝置功能需求及總體設(shè)計(jì)方案，建立了裝置虛擬樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 風(fēng)流調(diào)控裝置虛擬樣機(jī)

3.2 機(jī)械系統(tǒng)有限元分析

為驗(yàn)證風(fēng)流調(diào)控裝置機(jī)械系統(tǒng)的安全性，采用ANSYS Workbench有限元分析軟件計(jì)算裝置整體受力及變形情況。裝置主要部件的材料參數(shù)見表4。

表4 風(fēng)流調(diào)控裝置材料參數(shù)

將虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)不參與計(jì)算的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

(a)應(yīng)力云圖

由圖8(a)可知：風(fēng)流調(diào)控裝置的最大應(yīng)力為87.2 MPa，出現(xiàn)在伸縮風(fēng)筒頂部和葉片與主體框架連接處；裝置整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.69，滿足強(qiáng)度要求。

由圖8(b)可知：風(fēng)流調(diào)控裝置的最大變形量為0.84 mm，出現(xiàn)在葉片最前端和伸縮風(fēng)筒頂部位置；裝置整體結(jié)構(gòu)平均變形量為0.42 mm，變形程度低，對(duì)各零部件的影響較小。

3.3 氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證風(fēng)流調(diào)控裝置氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，采用FluidSIM軟件對(duì)口徑開合機(jī)構(gòu)和前后位移機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)回路進(jìn)行建模并仿真，如圖9所示。

(a)口徑開合機(jī)構(gòu)

對(duì)口徑開合機(jī)構(gòu)氣動(dòng)回路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：當(dāng)三位五通電磁閥通電時(shí)，氣壓缸可按照PLC控制指令動(dòng)作；當(dāng)風(fēng)流調(diào)控裝置斷電時(shí)，可通過手動(dòng)閥操作口徑開合機(jī)構(gòu)。裝置設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，可完成既定動(dòng)作。

對(duì)前后位移機(jī)構(gòu)氣動(dòng)回路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在空氣壓力為0.2 MPa情況下，可以手動(dòng)或PLC控制方式控制氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)前后位移機(jī)構(gòu)動(dòng)作，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后回路運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，未產(chǎn)生振動(dòng)等狀況。

4 風(fēng)流調(diào)控裝置測(cè)試

考慮到目前氣動(dòng)式風(fēng)流調(diào)控裝置物理樣機(jī)在井下安裝測(cè)試具有一定安全隱患，課題組研制了機(jī)械式風(fēng)流調(diào)控裝置，在檸條塔礦S1200-Ⅲ掘進(jìn)工作面測(cè)試其風(fēng)速及粉塵濃度調(diào)控效果，如圖10所示。

(a)裝置物理樣機(jī)

選取風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面5，10 m處的風(fēng)速與粉塵濃度進(jìn)行分析，結(jié)果見表5?？煽闯霾捎蔑L(fēng)流調(diào)控裝置后，工作面風(fēng)速和粉塵濃度得到不同程度的改善。風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面5 m時(shí)，司機(jī)處風(fēng)速由調(diào)控前的0.16 m/s提高至0.28 m/s，滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.25～4 m/s要求，粉塵濃度由調(diào)控前的532 mg/m3下降為291 mg/m3，降幅為45.3%；行人呼吸帶粉塵濃度由調(diào)控前的392.4 mg/m3下降至261.4 mg/m3，降幅為33.4%。出風(fēng)口距工作面10 m時(shí)，司機(jī)處粉塵濃度由調(diào)控前的277 mg/m3下降為165 mg/m3，降幅為40.4%；行人呼吸帶風(fēng)速由調(diào)控前的0.20 m/s上升至0.48 m/s，粉塵濃度由調(diào)控前的259.2 mg/m3下降為170.2 mg/m3，降幅為34.3%。

表5 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)通過分析檸條塔礦S1200-Ⅲ掘進(jìn)工作面原始風(fēng)場(chǎng)存在的問題及風(fēng)流調(diào)控需求，提出了一種氣動(dòng)式風(fēng)流調(diào)控裝置設(shè)計(jì)方案，通過PLC控制氣壓缸或氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口角度偏轉(zhuǎn)、口徑開合、前后位移，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)流調(diào)控。

(2)采用ANSYS Workbench軟件對(duì)風(fēng)流調(diào)控裝置機(jī)械系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了有限元分析，得到裝置最大應(yīng)力為87.2 MPa，安全系數(shù)為2.69，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；最大變形量為0.84 mm，平均變形量為0.42 mm，變形程度較低。采用FluidSIM軟件對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明風(fēng)流調(diào)控裝置可自動(dòng)或手動(dòng)完成既定動(dòng)作，且運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，未出現(xiàn)振動(dòng)等狀況。

(3)對(duì)風(fēng)流調(diào)控裝置進(jìn)行了井下測(cè)試，結(jié)果表明：在風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面5 m時(shí)，司機(jī)處與行人呼吸帶風(fēng)流分布更合理，粉塵濃度較調(diào)控前分別降低了45.3%和33.4%；出風(fēng)口距工作面10 m時(shí)，司機(jī)處與行人呼吸帶風(fēng)速均達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》要求，粉塵濃度較調(diào)控前分別降低了40.4%和34.3%。