趙媛媛

（中鐵十八局集團(tuán)泵業(yè)有限公司，河北 涿州 072750）

軸流風(fēng)機(jī)因體積小、結(jié)構(gòu)簡約、運(yùn)行效果良好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于煤礦、鐵路公路隧道工程通風(fēng)等領(lǐng)域。它可以把隧道施工時產(chǎn)生的有害粉塵以及有毒氣體及時排出，同時為隧道補(bǔ)給新鮮的空氣[1]。但傳統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)缺乏監(jiān)測系統(tǒng)，不能對故障進(jìn)行分析預(yù)測和超限報警，也不具備風(fēng)量自動調(diào)節(jié)功能，存在耗能大、智能化程度低、操作復(fù)雜等缺陷，不能滿足現(xiàn)代隧道施工智能化、信息化和自動化建設(shè)的需要[2]。

為確保隧道施工安全平穩(wěn)高效，對軸流風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化升級與改進(jìn)設(shè)計，通過相關(guān)軟件驗算軸流風(fēng)機(jī)最高效運(yùn)行數(shù)據(jù)，力求風(fēng)機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)行質(zhì)量，確保隧道施工安全。

1 軸流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計

通過軟件進(jìn)行建模能夠直接發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)各個零件的氣體流動和受力情況，從而分析計算及模擬出軸流風(fēng)機(jī)最高效運(yùn)行時的最佳參數(shù)。

1.1 設(shè)計思路

葉輪在軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行中起重要作用，其設(shè)計優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率產(chǎn)生重要影響，而輪轂設(shè)計效果也直接影響風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須考慮輪轂和葉片間的連接方法。目前軸流風(fēng)機(jī)有各式設(shè)計方案，本文參照北京建筑大學(xué)牛東霞《帶后導(dǎo)葉動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計》，采取“后導(dǎo)葉+葉輪”形式進(jìn)行設(shè)計，參數(shù)見表1[3]。

表1 軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)

1.2 建立三維模型

根據(jù)表1 參數(shù)，借助三維建模軟件Creo2.0 對其進(jìn)行建模。由圖1 可知，軸流風(fēng)機(jī)模型葉片數(shù)為10 片，在輪轂四周均勻布置，為確保軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)的穩(wěn)定性及安全性，在中心輪轂前后位置都進(jìn)行了一定厚度的突出設(shè)計。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)的三維模型

1.3 模擬計算結(jié)果分析

借助模擬進(jìn)行分析研究可見，無論輪轂比值大小，隨著變環(huán)量比值的變化，軸流風(fēng)機(jī)最大效率均先迅速增長、后逐漸下降，而且輪轂比值愈大，風(fēng)機(jī)最高效率愈大。由圖2 分析可知：變環(huán)量比值在1.1～1.3 區(qū)間時，軸流風(fēng)機(jī)最高效率漸漸趨緩,效率趨向峰值[4]。

圖2 輪轂比不同的軸流風(fēng)機(jī)最高效率-變環(huán)量曲線

分別對0.68、0.66、0.64、0.62 和0.60 等輪轂比不同的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，驗算出當(dāng)輪轂比為0.68 時可實現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)的最高效率。但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪轂比大于0.68 時，輪轂比越大葉片就越短，葉片流道中氣體流動的損失就越多，造成風(fēng)機(jī)綜合性能變差，不僅降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，還增加了風(fēng)機(jī)尾部擴(kuò)散筒的軸向直徑，加大了風(fēng)機(jī)體積和增加加工成本。因此，要提升軸流風(fēng)機(jī)的工作效率，應(yīng)適當(dāng)加大輪轂比，但不能過大。

要獲得軸流風(fēng)機(jī)的最大工作效率，變環(huán)量比值的選擇也很關(guān)鍵。當(dāng)設(shè)備滿足相關(guān)要求后，對變環(huán)量比值進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計才能確保風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn),獲得最佳通風(fēng)效果。通過研究不同輪轂比軸流風(fēng)機(jī)最高效率—變環(huán)量比值的驗算結(jié)果，可得出風(fēng)機(jī)最高效率隨變環(huán)量比值呈先迅速增長后逐漸下降的趨勢。盡管風(fēng)機(jī)效率在不同輪轂比時不盡相同，但當(dāng)變環(huán)量比值處于1.1～1.3 區(qū)間時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率最高，是最佳選擇。

按照軸流風(fēng)機(jī)工作原理，氣體流動壓力和速度在流體穿越葉輪后顯著增加且運(yùn)動方向立即出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。通過模擬風(fēng)機(jī)流場空間速度場，研究出適當(dāng)選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可對氣體流動的壓力、方向和速度有效提升，對運(yùn)行環(huán)境有效改善，從而使通風(fēng)效果達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為73.99 m3/min 時,經(jīng)過葉輪排出的氣體十分穩(wěn)定，不存在旋渦和回流等狀況，軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 監(jiān)控軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 安裝查詢模塊方便數(shù)據(jù)分析

為全面掌握軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，便于發(fā)生事故時能對風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)實時分析，在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置查詢模塊。通過曲線或數(shù)字顯示風(fēng)機(jī)所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，并借助計算機(jī)打印查詢結(jié)果。同時將風(fēng)機(jī)通風(fēng)量和通風(fēng)壓力作為查詢的關(guān)鍵詞之一，通過預(yù)設(shè)程序，可查詢所有歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)可對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動收集并及時故障報警。另外在監(jiān)控系統(tǒng)中安裝專家診斷軟件，依據(jù)參數(shù)變化對故障類型進(jìn)行判斷，把原有的人工定期檢修變?yōu)橄到y(tǒng)自動檢修，確保系統(tǒng)全天候安全運(yùn)行[5]。

2.2 安裝網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

軸流風(fēng)機(jī)與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，為滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，外接網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)連接遵循TCP 通訊協(xié)議，借助Winsock 控件組織編程，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)與監(jiān)控中心點對點通信，達(dá)到對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信號的傳送和遠(yuǎn)程監(jiān)控。操作人員可在調(diào)度大廳通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)操控風(fēng)機(jī)，且系統(tǒng)維護(hù)簡便，穩(wěn)定性好，可實時顯示各類參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，若風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，能在不停風(fēng)狀態(tài)下自動倒機(jī)維修。

3 智能優(yōu)化設(shè)計

3.1 配備負(fù)載傳感器

軸流風(fēng)機(jī)電動機(jī)工作時會產(chǎn)生很多熱能，消耗大量電能，為實時監(jiān)控耗能，選取穩(wěn)定、性價比高的 CTC123 型負(fù)載傳感器[6]，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 CTC123 型負(fù)載傳感器主要參數(shù)

3.2 配備溫度傳感器

當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)長時間處于開機(jī)狀態(tài)時，電機(jī)會長期處于高溫狀態(tài)，這對風(fēng)機(jī)工作性能會產(chǎn)生不良影響。借助PT100 型溫度傳感器采集風(fēng)機(jī)溫度變化，把信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測[7]。

3.3 配備壓力變送器

由軸流風(fēng)機(jī)工作環(huán)境可知,壓力值直接影響隧道施工安全和風(fēng)機(jī)工效。通過比選，在每個風(fēng)道配置2 個SMP2088 型壓力變送器。該壓力變送器檢測范圍廣、準(zhǔn)確率高，安裝在釆集柜內(nèi)，便于向傳感器電源供電，同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

3.4 變頻器控制設(shè)計

為便于隧道主軸流風(fēng)機(jī)的調(diào)速，增設(shè)變頻器監(jiān)測控制系統(tǒng)（見圖3）。該系統(tǒng)可滿足多種功能需求，能在控制面板顯示變頻器的相關(guān)信息。

圖3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)

3.5 抗干擾設(shè)計

為強(qiáng)化電機(jī)的抗干擾能力，可把LC 濾波電路設(shè)置在輸出、輸入端。系統(tǒng)實際運(yùn)行時，通過LC濾波電路，可有效降低干擾電磁感應(yīng)，確保變頻器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.6 應(yīng)用效果

傳感器測試時，該監(jiān)控系統(tǒng)可以精準(zhǔn)、靈敏、快速地采集到軸流風(fēng)機(jī)負(fù)載、震動、溫度等參數(shù)；同時在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了工作溫度、震動等臨界值，當(dāng)風(fēng)機(jī)超過臨界值時，系統(tǒng)會通過聲光報警來提示，同時將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障或異常情況的位置和原因顯示在顯示器中。

4 不停風(fēng)設(shè)計

4.1 改進(jìn)目的

為實現(xiàn)倒機(jī)維修不停風(fēng)，把軸流風(fēng)機(jī)入口處設(shè)計成水平對空風(fēng)門和立式掛網(wǎng)風(fēng)門，其中水平對空風(fēng)門借助四個百葉窗快速靈活切換的優(yōu)勢，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行迅速切換，確保風(fēng)機(jī)在倒機(jī)維修時保持通風(fēng)平穩(wěn)，防止維修期間隧道通風(fēng)不暢情況發(fā)生[8]。

4.2 改進(jìn)步驟

分析隧道實際情況后，首先對1 號軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，然后是2 號（見圖4）。

圖4 軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)改造示意

（1）拆除1 號軸流風(fēng)機(jī)水平對空風(fēng)門位置的基礎(chǔ)后，安裝就地控制裝置及一套水平對空風(fēng)門。（2）安裝自動倒機(jī)維修系統(tǒng)、各類控制單元和控制柜等。2 號風(fēng)機(jī)的安裝步驟與1 號一致。安裝時間約40 天，期間風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)不受影響。

4.3 應(yīng)用效果

此次改進(jìn)升級切實攻克了傳統(tǒng)主通風(fēng)系統(tǒng)無法實現(xiàn)倒機(jī)維修不停風(fēng)、故障檢測效果差等技術(shù)難題，大大延長主軸流風(fēng)機(jī)壽命，降低故障率，避免了倒主機(jī)時有害氣體的積聚，極大地提升了隧道通風(fēng)穩(wěn)定性，確保了隧道施工的安全高效。

5 防凍設(shè)計

不論是公路還是鐵路長大隧道，其溫度和濕度四季變化都非常明顯。在冬季，當(dāng)隧道的風(fēng)排到外面時，由于外部溫度較低，會讓風(fēng)流里攜帶的水蒸汽產(chǎn)生液化現(xiàn)象。當(dāng)隧道口風(fēng)機(jī)高程比隧道的通風(fēng)管高，特別是處于冬季高寒區(qū)域，每當(dāng)攜帶水蒸氣的流動氣體途經(jīng)引壓管最低點時，會不可避免產(chǎn)生凍結(jié)和堵塞，進(jìn)而影響隧道里的空氣向外排出，最終影響風(fēng)壓監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能[9]。為有效規(guī)避該現(xiàn)象，專門設(shè)計出風(fēng)壓接線盒裝置（見圖5）。該裝置借助電信號傳輸，管道實現(xiàn)有效縮短并保持水平，規(guī)避管道彎曲產(chǎn)生冰凍，同時還起到中轉(zhuǎn)集結(jié)作用，把各種信號連接在控制柜上，便于倒機(jī)維修人員集中管理、檢測電纜信號線。

圖5 接線盒機(jī)構(gòu)示意

6 結(jié)語

為使軸流風(fēng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，確保良好通風(fēng)效果的同時實現(xiàn)降本增效，對軸流風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了優(yōu)化升級與改進(jìn)設(shè)計。葉輪在軸流風(fēng)機(jī)所有結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程中都起到重要作用，參照牛東霞《帶后導(dǎo)葉動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計》，采取“后導(dǎo)葉+葉輪”的形式進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)風(fēng)機(jī)輪轂比為0.68、變環(huán)量比值為1.1～1.3 時，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率最高。

為全面掌握軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，通過安裝網(wǎng)絡(luò)通訊和查詢模塊優(yōu)化監(jiān)控軟件系統(tǒng)。通過配備負(fù)載傳感器、溫度傳感器等一系列智能化設(shè)計以及抗干擾、不停風(fēng)、防凍設(shè)計，不僅有效保證了隧道軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，還使其在節(jié)能、抗干擾能力、運(yùn)行安全性、運(yùn)行效率等方面得到有效提升，改善了通風(fēng)環(huán)境，提升了隧道施工作業(yè)條件。