掘進工作面氣動式風流調控裝置研究

龔曉燕， 崔小強， 雷可凡， 趙寬， 劉輝， 馮雄

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

隨著煤礦掘進巷道深度不斷增加，當前粗放式的通風總量控制模式難以動態調節風筒出風口風流[1]，極易因風量不足或風流分布不合理導致掘進工作面局部瓦斯、粉塵積聚，增大掘進作業安全隱患。為優化掘進工作面通風量，降低工作面瓦斯及粉塵濃度，許多學者采用數值模擬、井下實測等方法研究了掘進過程中的瓦斯或粉塵分布規律。王曉珍[2]根據氣固兩相流理論及流體力學離散相模型，研究了巷道內風速、風筒直徑、風筒出風口至掘進工作面距離及風筒懸掛高度對粉塵濃度的影響。李雨成等[3]利用數值模擬方法，分析了掘進工作面壓入式、抽出式及長壓短抽式通風方式下，風筒出風口至掘進工作面距離變化過程中風流運動規律及粉塵分布規律，確定了長壓短抽式通風方式的風筒出風口合理位置。王春霞等[4-5]利用Fluent軟件對風筒出風口不同風速條件下掘進巷道內的瓦斯及粉塵濃度進行了模擬分析，通過對比井下實測數據，發現出風口至掘進工作面距離不同時，瓦斯及粉塵濃度均為風筒出風口處較低、工作面及巷道底板處較高。

筆者所在課題組通過大量數值模擬及井下實測分析[6-8]，認為通過調控掘進工作面風筒出風口風流狀態可以優化風速、瓦斯、粉塵分布，即通過調節出風口距工作面距離及風筒口徑、方向、角度，使風速、瓦斯、粉塵與原始場相比達到最佳分布，有效降低瓦斯和粉塵濃度。本文在上述研究基礎上，研發了一種安裝于風筒出風口的氣動式風流調控裝置，以實現在不同掘進階段實時動態調控出風口風流狀態，達到更高效、節能的通風效果。

1 氣動式風流調控裝置功能需求分析

1.1 原始風場存在的問題

為獲取掘進工作面原始風速場及粉塵場的實際分布情況，進而實現對風流的合理調節，以陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司(以下稱檸條塔礦)S1200-Ⅲ掘進工作面為例進行分析。檸條塔礦為低瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為0～0.02 m3/min。S1200-Ⅲ掘進工作面巷道長40 m，寬6.25 m，高3.75 m，風筒直徑為1.0 m。采用EBZ-200型掘進機，其結構較復雜，因此在不影響原始風場的情況下建立簡化的掘進機模型，并根據巷道幾何參數建立巷道模型。采用Fluent軟件對風筒出風口距工作面距離l=5，10 m時，回風側行人呼吸帶和掘進機司機處的風速及粉塵濃度分布進行數值模擬分析，結果如圖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：風筒出風口距掘進工作面5 m時，回風側行人呼吸帶風速小于0.25 m/s，不滿足《煤礦安全規程》[9]要求；風筒出風口距掘進工作面5，10 m時，司機處均產生渦流區域，造成風速分布不合理，粉塵積聚嚴重。

從圖2可看出：風筒出風口距掘進工作面10 m時，因風流射程不足，工作面附近的粉塵濃度較出風口距掘進工作面5 m時大；司機處因渦流問題導致粉塵濃度最高達1 000 mg/m3，遠超出《煤礦安全規程》規定的范圍。

1.2 風流調控裝置功能需求

針對掘進工作面原始風場存在的風流分布不合理問題及各種狀況下的風流調控需求，綜合考慮掘進工作面通風環境、通風布局及驅動源等因素，設計了一種可調節風筒出風口口徑、角度及前后距離的氣動式風流調控裝置。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 風流調控裝置功能元

2 風流調控裝置設計

根據風流調控裝置功能需求，將其機械系統劃分為角度偏轉(右偏和上偏)機構、口徑開合機構及前后位移機構。裝置控制系統通過檢測風流和粉塵濃度，根據控制規則發出控制信號，控制氣動執行系統驅動機械系統運行，實現風流精準調控。

2.1 機械系統

角度偏轉機構如圖4(a)所示。將氣壓缸設置于裝置主體框架，通過各氣壓缸的活塞桿往復運動驅動出風口發生角度偏轉。

(a)角度偏轉機構

口徑開合機構如圖4(b)所示。安裝在主體框架上的氣壓缸通過拉桿驅動風流調控裝置前端葉片轉動來實現口徑開合功能。氣壓缸所需行程為

Sm=[L1-Lcosα/(2cosβ)]cosβ

(1)

式中：L1為拉桿長度；L為葉片長度；α為口徑縮小到極限位置時與葉片原始狀態的夾角；β為拉桿與風流調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。

前后位移機構主要包括滑移小車和工字梁導軌。將小車設置在導軌內，通過氣動馬達正反轉驅動小車運動，實現出風口前后位移。

2.2 氣動執行系統

在角度偏轉機構和口徑開合機構中采用氣壓缸作為執行部件，在前后位移機構中采用氣動馬達作為動力源。通過電磁換向閥實現方向和角度控制，并設置手動換向閥，用于在現場斷電情況下完成對風流調控裝置的操作。氣壓缸及氣動馬達設計參數分別見表1、表2。

表1 氣壓缸設計參數

表2 氣動馬達設計參數

角度右偏氣壓缸與口徑開合氣壓缸的實際輸出推力Fp、實際返回拉力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內活塞往復次數，N=1；S為氣壓缸行程，mm。

將參數值代入式(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際輸出推力、實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

風流調控裝置控制系統硬件設計方案如圖5所示。控制系統以PLC為核心，通過三位五通電磁閥接收PLC指令完成對各氣壓缸及氣動馬達的控制。PLC選用S7-200 Smart/CPU224CN[11]。

圖5 風流調控裝置控制系統硬件設計方案

控制系統根據反饋的位移及角度信號，對機械系統進行不同距離下的角度偏轉和口徑調節。采用STEP 7 MicroWIN SMART軟件根據控制規則(表3)編寫控制程序，程序流程如圖6所示。

表3 風流調控裝置控制規則

圖6 風流調控裝置控制程序流程

3 風流調控裝置虛擬樣機建立及仿真分析

3.1 虛擬樣機三維模型

根據風流調控裝置功能需求及總體設計方案，建立了裝置虛擬樣機，如圖7所示。

圖7 風流調控裝置虛擬樣機

3.2 機械系統有限元分析

為驗證風流調控裝置機械系統的安全性，采用ANSYS Workbench有限元分析軟件計算裝置整體受力及變形情況。裝置主要部件的材料參數見表4。

表4 風流調控裝置材料參數

將虛擬樣機模型導入ANSYS Workbench軟件進行計算，對不參與計算的零部件進行結構簡化，計算結果如圖8所示。

(a)應力云圖

由圖8(a)可知：風流調控裝置的最大應力為87.2 MPa，出現在伸縮風筒頂部和葉片與主體框架連接處；裝置整體結構的安全系數為2.69，滿足強度要求。

由圖8(b)可知：風流調控裝置的最大變形量為0.84 mm，出現在葉片最前端和伸縮風筒頂部位置；裝置整體結構平均變形量為0.42 mm，變形程度低，對各零部件的影響較小。

3.3 氣動執行系統仿真

為驗證風流調控裝置氣動執行系統的動態特性，采用FluidSIM軟件對口徑開合機構和前后位移機構的氣動回路進行建模并仿真，如圖9所示。

(a)口徑開合機構

對口徑開合機構氣動回路進行仿真，結果表明：當三位五通電磁閥通電時，氣壓缸可按照PLC控制指令動作；當風流調控裝置斷電時，可通過手動閥操作口徑開合機構。裝置設置相關參數后，可完成既定動作。

對前后位移機構氣動回路進行仿真，結果表明：在空氣壓力為0.2 MPa情況下，可以手動或PLC控制方式控制氣動馬達驅動前后位移機構動作，設置相關參數后回路運行平穩、可靠，未產生振動等狀況。

4 風流調控裝置測試

考慮到目前氣動式風流調控裝置物理樣機在井下安裝測試具有一定安全隱患，課題組研制了機械式風流調控裝置，在檸條塔礦S1200-Ⅲ掘進工作面測試其風速及粉塵濃度調控效果，如圖10所示。

(a)裝置物理樣機

選取風筒出風口距工作面5，10 m處的風速與粉塵濃度進行分析，結果見表5。可看出采用風流調控裝置后，工作面風速和粉塵濃度得到不同程度的改善。風筒出風口距工作面5 m時，司機處風速由調控前的0.16 m/s提高至0.28 m/s，滿足《煤礦安全規程》規定的0.25～4 m/s要求，粉塵濃度由調控前的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控前的392.4 mg/m3下降至261.4 mg/m3，降幅為33.4%。出風口距工作面10 m時，司機處粉塵濃度由調控前的277 mg/m3下降為165 mg/m3，降幅為40.4%；行人呼吸帶風速由調控前的0.20 m/s上升至0.48 m/s，粉塵濃度由調控前的259.2 mg/m3下降為170.2 mg/m3，降幅為34.3%。

表5 測試結果

5 結論

(1)通過分析檸條塔礦S1200-Ⅲ掘進工作面原始風場存在的問題及風流調控需求，提出了一種氣動式風流調控裝置設計方案，通過PLC控制氣壓缸或氣動馬達實現出風口角度偏轉、口徑開合、前后位移，從而實現風流調控。

(2)采用ANSYS Workbench軟件對風流調控裝置機械系統的安全性進行了有限元分析，得到裝置最大應力為87.2 MPa，安全系數為2.69，滿足結構強度要求；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軟件對氣動執行系統進行了仿真分析，結果表明風流調控裝置可自動或手動完成既定動作，且運行平穩、可靠，未出現振動等狀況。

(3)對風流調控裝置進行了井下測試，結果表明：在風筒出風口距工作面5 m時，司機處與行人呼吸帶風流分布更合理，粉塵濃度較調控前分別降低了45.3%和33.4%；出風口距工作面10 m時，司機處與行人呼吸帶風速均達到《煤礦安全規程》要求，粉塵濃度較調控前分別降低了40.4%和34.3%。