全断面通道式自动风窗研究与应用.pdf

第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 6年 1 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo l _ 4 2 No ． 1 2 De c ．2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 0 0 1 5 0 4 D0 I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 0 4 李伟． 全断面通道式 自动风窗研究与应用E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 1 5 1 8 ． 全断面通道式自动风窗研究与应用 李伟h 1 ． 煤 炭 科学技 术研 究 院有 限公 司 ，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 1 0 0 0 1 3 摘要 针对传统风 窗调节周期长、 精度低等问题 ， 研发 了由支撑框 架、 气动马达、 推杆 、 门体、 导流板和旋 转 编码 器 为主要 组成部 分 的全 断 面通道 式 自动风 窗 ， 介 绍 了风 窗过 风 面积 精确 测 控 原理 。该 自动 风 窗在 压 缩空气的压能作用下， 气动马达 高速旋转， 通过推杆传动带动 门体和导流板运动 ， 实现 了风窗面积的快速调 节； 利用旋转编码 器记录气动马达转数 。现场应用表 明， 该 自动风 窗过风 面积调节最大误差为 0 ． 3 8 5 ， 完 成 1次 面积 调 节耗 时 小于 6 0 8 。 关 键词 煤 矿安 全 ；矿 井通风 ；自动 风 窗 ； 全 断 面 中图分类 号 T D7 2 4 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 0 1 1 0 1 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 1 7 ． 0 0 6 ． h t ml Re s e a r c h o f a u t o ma t i c pa s s a g e wa y t y p e a i r r e g ul a t o r wi t h f ul l s e c t i o n a nd i t s a p p l i c a t i o n LI W e i 0 1． C h i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ；2． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Co a l Mi n i n g a n d C l e a n Ut i l i z a t i o n，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t F o r p r o b l e ms o f l o n g a d j u s t me n t t i me a n d l o w a d j u s t me n t p r e c i s i o n o f t r a d i t i o n a l a i r r e gu l a t o r ， a n a u t o m a t i c p a s s a ge wa y a i r r e g ul a t or wi t h f ul l s e c t i o n wa s de ve l op e d， a nd a c c ur a t e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l p r i n c i p l e o f a i r s e c t i o n o f t h e a i r r e g u l a t o r wa s i n t r o d u c e d．Th e a i r r e g u l a t o r i s c ompo s e d o f a s up po r t i ng f r a me，a pn e u m a t i c mot or ，a pu s h r o d，a d o o r bo d y，a gu i d e p l a t e a n d a r o t a r y e n c o d e r ．Un d e r t h e p r e s s u r e o f c o mp r e s s e d a i r ，t h e p n e u ma t i c mo t o r r o t a t e s a t h i g h s p e e d a n d d r i v e s t h e p u s h r o d t o p u s h t h e d o o r b o d y a n d t h e g u i d e p l a t e t o mo v e ，S O a s t o r e a l i z e r a p i d a d j u s t me n t o f a i r r e gu l a t o r a r e a．The r o t a r y e n c o de r r e c o r ds r e v o l u t i o ns o f t he p ne u ma t i c mot o r ．The f i e l d a pp l i c a t i o n s ho ws t h a t t h e ma x i mu m e r r o r o f a i r a r e a a d j u s t me n t i S 0 ． 3 8 5 9 ／ 6 ， a n d a r e a a d j u s t me n t t i me i S 1 e s s t h a n 6 0 S ． Ke y wo r ds c o a l m i n e s a f e t y；m i ne v e n t i l a t i o n；a u t o ma t i c a i r r e gu l a t o r；f u l l s e c t i o n 0 引 言 矿 井 通风 是 煤 矿 生产 的一 个 重要 环 节 ， 是 煤矿 安全 的基础 ， 是“ 一通三防” 的重 中之重口 ] 。随着采 掘变化 ， 工作面不 断推进和更替 ， 巷道风阻、 网络结 构及瓦斯等有害气体浓度均在不断变化 ， 风量的 自 然分配往往不能满足作业地 点的风量需求 ， 必须及 时对通风系统进行风量调节。调节风窗过风面积是 煤矿井下通风系统调节风量的最基本手段[ 4 ] 。 目前 中国煤矿 井下 基本 上还 是依靠 人 工调节 风 窗过 风 面积[ 6 ] ， 不能 远程 自动 调节 ， 调节过 程 费时 费 力 ， 效率 低 ， 可靠性 和稳 定性 差 ； 风窗调 节范 围窄 ， 不 能实 现 全断 面调 控 ； 风 窗 的节 流 限流作 用 造 成 风 窗 处的风流紊乱 ， 难 以在风窗处准确测量风窗的过风 量 。针 对上述 问 题 ， 笔 者研 发 了全 断 面 通道 式 自动 风窗 以下简称 自动风窗 ， 实现 了风窗过风面积的 收稿 日期 2 0 1 6 0 7 1 3 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 0 2 0 f 责任编辑 李明 。 基金项 目 科研 院所技术开发研究专项资金资助项 目 2 0 1 4 E G1 2 2 1 9 2 。 作者简 介 李 伟 1 9 8 3 一 ， 男 ， 黑龙江木兰人 ， 助理研究员 ， 硕 士 ， 从事矿井 通风 与煤矿安全方面 的研究工作 ， E ma i l 1 i we i 7 7 9 2 1 6 3 ． c o m。 1 6 工 矿 自动化 2 1 6年 第 4 2卷 远 程精 确控 制 ． 窗 调 范 宽 ． j { 能形 成 惚定的 风 流通 道 ． 配 食 多点移动 式 甲均 量洲 最装 ， 脱 r 风 窗过 的快 速 、 准确测 量 。 1 自动 风 窗结构 与原 理 1 ． 1 自动 风 窗及其 配 套设 施 n动J x L 商 肢J 配套 没施 卞 包插迎 道 n动 窗 夺 休 、 C 箱 干 电控 系统 ， 如 【欠 1 1 所 ， J 。 [ I 动 风窗 本体 作为执 f 机 构 ． 安装 外下 量 州 1 地 t_． 以 缩 空气 为动 J ． 实现过 风 断面 的伙述 州控 ； 闷 箱 输 入端接 入 J I 下 压 缩 空 气 管 I 刎． 输 ⋯端 连 接 r 1 动 风 窗 气动 马达 ． 阀箱 内部封 装 r矿川 隔爆 电 磁 ． 控 制 缩 气 的接通 与 关闭 ； 电控 系统 以 I I ’ 作 为 核心控 制 元 ． 利 H j F C P 1 P协 议接 入 J 卜 下 环 l 位 机软 件通 信 ， 远程控 制 电磁 ． 进 实 现 I 1 动 街过 风 而积 的远 精确 洲节 庀 风窗气 阀箝 电控柜 右胍窗气 阀箱通道式 自 动 』x l 窗奉休 1 自动 J x 【 窗 及 设施 1 ． 2 自动 风 窗结 构 n动风 窗 『 } 1 支撑 框架 、 动 力 及传 动装 、 运 动 机 构 3个部分 组 成 ． 如罔 2所示 。 1 导 流 板 板 日 气 墨 l达 H 1 推 杆 I l 1 日 、吕 傩 什 l 闸 r 昂 口1 一一 - ] 蛘 早 兰 广 1 r _ f目 【 fJ I lI l i I 1 同 。 0 o 旺 罔 2 自动风窗组 成 支撑 框 卞 嘤m 住 、 磺梁 、 挡 板组 成 。 支撑 架 为长 方休结 构 ． 符部 分 螺 栓连 接 成 为 一 个 整体 框 架 。该框 架 辛婴起 『 占 I 定 史撑 J 1 J ． 为动 力及 传 动 装 、 运动 机 构 及各类传 感 提供 安装 定载 体 。 自动 风 商 以气 动 马达 、 推 杆 分 驯作 为动 力装 置 和 传动装 。 』 冬 I 2所 ． f f { 川。 。 一端 通过 铰 链 与 休连 接 ， 一端 通 过 法 僦 ‘ ．j 气 动 马达 相 连 。 压 缩 夺气 的爪 力能作 刚下 ， 气 动 0 达 尚速 旋转 ． 带 动 推 杆 做血 线运 动 。 风 窗 运 动 机构 安 装 于 艾撑 架 l ． 主要包 括 体 、 连 f f 不 1 1 导流 饭 3个部分 。 1 ． 3 自动 风窗运 动过 程 风窗训 节过 I } I ． 动 力忮传动装 置 的作 片 j 下 ， 运 动机 构做 水 平血线 运 动或 旋 转 运 动 ． 使得 风 窗 过 风 面积 发 生变化 ， 形 成规 则砸 彤断 的风 流通道 。 自动风 窗完 伞 天闭 ， 1 乏 宠令 打开这 2个极限状 态 时 的 效果 罔 3所 示 。 为 2个连 杆 ， h为 导 流板 ． C为风 窗 休 ． c l 为 动 及 动装 置 。2个 导 流 板之 州 的距离 为风 简 的 。风窗 处 于完伞 父闭 状 态 时 ， 连 杆 干 体 导流板 l十 【 I 1 直 ． 推 杆伸 j l J 距 离 最矩 ， 风 窗开 度 最 小 。 窗 f { 1 完 全 关 闭 刮 完 令 打 开的过 程 f I 1 ， 动 力装 作 』 } 。 推 杆 逐渐 伸 Ⅲ ， 推 动 门体 、 连 十 丁 ． 与 流板绕 轴 做旋转 运动 。随 着 旋转 角度 的增 大 ． 风窗 开 逐 渐 增 J J I 1 。 2个导 流 板 之 问 形成 的过 Jx l 断 面逐渐增 大 。 b风 简 处 r ‘ I 引 ” 状 图 3 商 处 _ J 。定个 足川 、 个 极 状 怠时 的俯 视 效 2 自动风 窗过 风面 积精 确测控 原理 2 ． 1 增 量 式 旋 转 编 码 器 增 量式 旋转 编 r 将 旋 转 的角度 位移量 转 换成 周 期性 的 脉 冲 电 号 。编 5 ；} 每 顺 时 针 旋 转 l ． 都 会有 【 占 1 定 数 的 人 脉 冲 I NA 干 B信 号 脉 冲 I NB． 逆时 针旋 转 lJ { 1 相 反 及输 f } J 一 个零 信 号 脉 冲 I NZ。随 着编 码 ； } } } 转 轴 的 旋转 ． 不 断输 j 相 应 的 2 0 1 6年第 1 2期 李伟 全断面通道式 自动风窗研 究与应用 1 7 I NA， I NB， I NZ信号脉 冲， 从 而实现多圈无限累加 与测 量 。 自动风窗开度和过风面积与气动马达转数直接 相关 。为了实现 自动风窗开度精确测量和控制 ， 必 须准 确获 得气 动 马达和 防爆 电动 机 的转 数 。该 功能 由增量式旋转编码器完成。 电控系统的 P L C与 自动风窗旋转编码器通信， 获取气动马达的旋转转数 ， 经过换算得 到 自动风窗 的过 风面 积 。当需 要 调节 风 窗 面 积 时 ， P L C发 出 电 信号 ， 使电磁阀接通气路 ， 气 动马达运动 。P L C通 过检测气动马达转数， 判断调节是否到位 ， 若到位则 立 即通过电磁阀切断气路， 使气动马达停止转动 。 2 ． 2过风 面积 计 算方 法 为 了实 现 风 窗 过风 面 积 的精 确 测 量 与控 制 ， 必 须找到气动 马达转 数与风窗过风面积之 间的计算 关 系 。 如图 2 所示 ， 风窗左右 2个部分沿虚线对称 ， 划 分为 左右 2 个 风 窗 。左 右风 窗结 构组 成与 功能原 理 均一致 ， 以左风窗为例说 明过风面积计算原理。A， B， C， O 为 4个铰 接点， 此 时 自动风窗处 于关 闭状 态 ， 气动马达转数为 0 ， 推杆伸长量为 0 。对推杆 、 门 体及 4个铰接点简化抽象后得到如图 4所示的几何 结构 。线段 AC所在位置为门体处于完全关闭状态 的位置 ， 此时推杆前 端处于 B铰接点 ； 气动 马达旋 转 转后 ， 推杆前端推进到 B 位置 ， 门体围绕 A铰 接点旋转到线段 AC 位置 ， 点 D为点 C 在线段 AC 上的投影点 ， 则线段 C D长度即为左风窗开度 。 D ， - n 图 4简 化 的左 风 窗 几 何 结 构 风窗完全关 闭时 ， 推杆伸长量为 0 ， 推杆长度 即 线段 OB长度 z ∞。气 动马达旋转 转后 ， 推杆长 度为 l O B 一 l o b n k 1 式 中 k为推杆 旋 转 1圈 的推进或 缩短 量 。 线 段 OA 与线段 AB 夹 角为 a a r c c o s [ z z z ／ 2 l o A A ] 2 式 中 ／ O A 为 O铰接点与 A铰接点距离 ； z 为 A铰 接 点 与点 B 距离 。 门体旋转角度为 a一 3 式 中 为 线段 OA 与线 段 AB夹角 。 左风窗开度 叫和面积 s 计算公式为 叫 一 Z A c I A C ， C O S口 4 S wh 5 式 中 z 为 A 铰 接点 与 C铰接 点 距 离 ； Z 为 A 铰 接 点 与点 C 距 离 ； h为 自动风 窗调风 高度 。 2 ． 3面 积 测 控 误 差 自动 风 窗 由左 右 2个 风 窗 组成 ， 每 个 风 窗 由各 自的气动马达控制 。其 中 1个风 窗的程序计算面 积 为 S 一 W h 6 式 中 为程序计算风窗开度 。 1 个 风窗 的实 测面 积为 5 一 Wt h 7 式 中 叫 为实际测量风窗开度。 1 个 风 窗面积 测控 绝对 误差 为 P I 5 一 s t l 8 自动风窗调节过程中， 风窗高度不变 ， 只有左右 风窗 的开 度发 生变 化 ， 因此 开 度误 差 直 接 反 映 了 面 积误 差 。风窗 面积测 控 相对误 差 为 ￡一 L 1 0 0 ％ 一 1 0 0 ％ 9 式 中 为实 测 风 窗最 大面 积 ； 叫 为 实 测风 窗最 大 开度 。 左 右风 窗 分 开 测 试 ， 以 左 风 窗 为 例 说 明 测 试 步骤 。 1 手 动将 左 风 窗 面 积 关 到 最 小 ， 将 右 风 窗 开 到最大 ， 以形成充足的空间， 便于测量开度。 2 启 动 风 窗 ， 小 幅 度 增 大 过 风 面 积 ， 然 后 停 止 。 3 上 位机软 件 自动记 录旋转 编码 器转 数 n 、 左 风窗开度 硼 和调节 时间 t ， 使用盒尺、 激光测距仪 测 量左 风 窗实 际开度 W 。 4 重复 步 骤 2 ～ 步骤 4 ， 直 到左 风 窗 完 全 打开 。 1 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 完 成 风 窗 面 积误 差 测 试 后 ． 即 | 可按 照 l 述 步 骤进 行 风 窗面 积误 差测试 。最 终 左风 窗 积洲 控最 大 绝 对 误 差 为 0 ． 0 4 6 I l l 。 。 ．T- 均 绝 埘 误 差 O ． O 2 6 n 1 。。 ． 最大 相对 误 差 为 0 ． 8 9 ． 平 均 相 对 误 为 0 ． 3 9 。 令 程 渊 节 时 『 口 J J x l 窗 『 f ] 完 令 炎 闭 到 完令 打 开所 需最 艇时 问 为 9 4 ． j ； 彳 窗 测 控最 人 绝 对误 蔗 为 0 ． 0 4 3 m ． 平 均绝 对 差 为 0 ． 1 9 m。 ． 最 大 相 对 误 差 为 0 ． 8 3 。 平 均 卡 H 刘 误 差 为 0 ． 3 7 ． 全程洲 时m j 为 9 5 ． 8 5 。 3 自动风 窗现 场应 用 红 山 大 1 洞煤矿 开 J f J 动风 窗现 场应 J f J T作 ， 同风联 巷安 装 了 自动 J x l 窗 ． 如 『 殳 1 5所 爪 。 『 l f l 风 联 巷净 断 面 为 1 1 ． 8 m ， 『 I 动风 窗 过 风 面积 心 1 4 结语 a n动 风窗 奠装 化 意 自动 J x L 窗 以压 缩 空气 为动 力 ． 通 过旋 转 编 码 器 记 录气 动 马达转 数 ． 经计算 得 ⋯过 风 积 ， 合 电 系统 和 l 位 机软 件 ， 实现 _ r过 风 而 币 j J 的远 程 、 快 速 、 准 确训 。实践 表 ， 自动 J x l 窗 达 剑 J 较 高 的准 确 度 ， 缩 短 r删节 时 间 ， 提 高 了矿 外通 风管 理 的 自动化 水 平 ． 适 川 于 外丁 开采 的煤 矿 攻 煤 矿 山通 风 系 统 远 程 、 定量 、 快速 调节 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张 f q 愀． 通风安个学l M 2 1 1 l 1 01 ． [ 2 ] 黄 凡 ． 矿 外通 风[ M] 池 为 0 ～1 0 ． 4 I I 1 。通过 I 位机 软 件对 8 l 1 2同采 J 作 呖J x 【 量进 远 控 制 ， 共进 行 _ r 4 7 欠风 测 1 ， 实验 。过 风 面积 i JlIlJ 1 误差 『 f 1 式 9 计 歧消 耗 的 时 I“ 1 J 统 汁 见表 叮看 ⋯ f t 动 风 街面 积 训节 最 大误 筹 为 0 ． 3 8 5 ． 完成 1 次 面积渊 节耗时 小 J 6 O s 表 1 自动 风 窗 J “ I 羁{ 凋 蓐 及耗 l I I f 统 汁 风 衡 ff JI 私 { ／ [ 3 E从陆， 吴超． 矿 l 邋 及其系统 可靠 M J ． 』 匕 化 学 I 业 f i j 版 } l ． 2 0 0 7 2 3 0 2 31 ． L 1 王海 宁． 矿扑 流 流动 L j 控制 L M ． 北 5 冶 金 I 业 出 版 社 ， 2 0 0 7 71 7 5 ． 徐州 矿业 人学 ⋯版 ． L 8 ． j 李 伟 ， 张 浪 ， 翰 仵 ． 等 ． 牲 于改 进 节 点 f 法 的 r f 】 联 风 路 识别[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 O l 2 ， 4 o 1 】 7 7 7 _ 俞 品， 李军霞． ‘ r“ F J x 【 窗风 自动 装鼹 的 巷 道 量 渊 技 术 研 究 L J ．矿 I 【 I 机 械 ． 1 1 1 ． 1 21 2 1 28． E恩 ， 张浪 ， 仲 ． 等． 多点移动武测 装 及 火键技术 [ J ] ． 煤矿安个 ． 2 1 6 ． 一1 7 6 9 7 9 9 ． 杨 颂 ． 叶 f 1月越 ．I ． 增 情 式 旋 转 编 即 } 器 零 脉 ／ q 信 号 电 子计数装 『 『1 的心 川 t [ J j ． 数字技 术 j J 川 ， 2 1 2 81 6 61 ． 风 ～ 动 ， 物 文 l上 街 虬 动 O 2 2 川 一 场 眦 钎 曲 笨 、