一种矿井巷道风量自动调控装置

1.一种矿井巷道风量自动调控装置，包括风窗机械液压部分与PLC自动监控部分；风窗机械液压部分包括风窗、油缸、电液推杆；PLC自动监控部分包括位移传感器、限位开关、声光报警器、风量传感器、风速传感器和PLC电控柜；其机械液压部分是通过连接PLC自动监控部分，实现其回风联巷巷道中风窗线性开度大小变化的实时自动控制；
所述风窗机械液压部分包括：风窗框(9)及其风窗框(9)内安设的风窗扇Ⅰ(12)和风窗扇Ⅱ(10)，在风窗扇Ⅰ(12)和风窗扇Ⅱ(10)下沿的风墙上分别固定有油缸座Ⅰ(20)和油缸座Ⅱ(23)及其油缸(21)，并通过连接杆(25)将油缸活塞杆与风窗座(11)相连接为一起，油缸(21)的有杆腔和无杆腔通过油管与相应的电液推杆(30)相连接，电液推杆(30)固定于所在巷道侧壁风洞(4)内；
所述PLC自动监控部分包括：油缸(21)上固定有位移传感器支架Ⅰ(19)和位移传感器支架Ⅱ(24)及其位移传感器(22)，位移拉杆(15)两端分别与连接杆(25)和位移传感器移动磁环(18)相连接；在油缸座Ⅰ(20)和油缸座Ⅱ(23)上固定有限位开关支架Ⅰ(14)和限位开关支架Ⅱ(27)及其限位开关Ⅰ(16)和限位开关Ⅱ(26)；风量传感器Ⅰ(34)、风量传感器Ⅱ(37)、风量传感器Ⅲ (39)、风速传感器Ⅰ(33)、风速传感器Ⅱ(35)和风速传感器Ⅲ(38)是悬挂在巷道位置(6)的上方；声光报警器(29)悬挂在PLC电控柜(28)上方的巷道侧壁(32)上；PLC电控柜(28)固定于PLC电控柜所在巷道侧壁风洞(3)内，并通过电缆连接。
2.如权利要求1所述的矿井巷道风量自动调控装置，所述巷道风量自动调控装置是用
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于煤矿井下风量为850m/min～1350 m/min的皮带回风联巷(7)中；并由皮带回风联巷(7)中的前后两扇风窗各自的机械液压部分连接同一PLC自动监控部分构成。
3.如权利要求1所述的矿井巷道风量自动调控装置，其所述油缸(21)的推力为：
p=F(L)/A；
其中， ；H为风窗扇Ⅱ(10)高；L为风窗扇Ⅱ(10)长度；u为
摩擦系数；p(x)为风窗任意开度下的风窗扇Ⅱ(10)两侧风压差；p(max)为风窗零开度时的风窗扇Ⅱ(10)两侧风压差；A为油缸活塞杆的面积；F(L)为风窗的风窗扇Ⅱ(10)从零开度到满开度(L)过程所受来自导轨摩擦力总和。
4.如权利要求1所述的矿井巷道风量自动调控装置，其所述位移传感器(22)设定有油缸活塞杆伸出的两个极限开度位移Xmin1和Xmax1，限位开关Ⅰ(16)和限位开关Ⅱ(26)分别固定于油缸活塞杆伸出开度位移为Xmin2和Xmax2的位置；其中，05.如权利要求1所述的矿井巷道风量自动调控装置，其所述电液推杆(30)由电机、齿轮泵和控制阀块集成为一体，电液推杆(30)动作时通过电机正反转带动油缸活塞杆伸出或收回的速度为：
；
其中，V1为油缸活塞杆伸出速度；A1为油缸无杆腔有效面积； V2为油缸活塞杆收回速度； A2为油缸有杆腔有效面积；n为电机转速；V为齿轮泵排量；ηV为齿轮泵容积效率。
6.如权利要求1所述的矿井巷道风量自动调控装置，其所述风量传感器Ⅰ(34)、风量传感器Ⅱ(37)、风量传感器Ⅲ (39)、风速传感器Ⅰ(33)、风速传感器Ⅱ(35)和风速传感器Ⅲ(38)的风速为：V=fd/St； 风量为：Q=V×A；其中，f为漩涡频率；St为常数=0.21；V为巷道风速；d为漩涡发生体线径；A为巷道截面积，Q为巷道风量。

一种矿井巷道风量自动调控装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种风量自动调控装置，尤其是一种用于矿井巷道通风系统中风量实时自动调控装置。\n背景技术\n[0002] 现有煤矿井下巷道风量调节风窗主要有数码刻度风窗、可调式百叶风窗、叶轮式精确刻度调节风窗、按键式精确刻度调节风窗和拨轮式风量可调节风窗。这些井下风量调节风窗是根据生产的需要经常需要通过手动调节风量，而且需要通风技术人员在检测到巷道风量不满足排风要求之后，再对风窗进行手动调节，每次调节风量时都要反复测量、反复调节多次方能符合要求，手动调节风窗风量不仅费时费力，关键是调节过程未能做到实时调节，不能及时有效的将巷道风量调节至安全范围，调节过程常常达不到预期效果。\n发明内容\n[0003] 为了解决上述现有技术未能及时有效的将巷道风量调节至安全范围的不足，本发明提供一种自动控制风窗窗扇开度大小，实现巷道风量大小实时自动调整的一种矿井巷道风量自动调控装置。\n[0004] 为了实现上述目的，本发明所提供的一种矿井巷道风量自动调控装置，包括风窗机械液压部分和PLC自动监控部分；风窗机械液压部分包括风窗、油缸、电液推杆；PLC自动监控部分包括位移传感器、限位开关、声光报警器、风量传感器、风速传感器和PLC电控柜；\n其机械液压部分是通过连接PLC自动监控部分，实现其回风联巷巷道中风窗线性开度大小变化的实时自动控制；\n[0005] 所述风窗机械液压部分是由风窗框及其风窗框内安设的风窗扇Ⅰ和风窗扇Ⅱ构成的风窗，在风窗扇Ⅰ和风窗扇Ⅱ下沿的风墙上分别固定有油缸座Ⅰ和油缸座Ⅱ及其油缸，并通过连接杆将油缸活塞杆与风窗座相连接为一起，油缸的有杆腔和无杆腔通过油管与相应的电液推杆相连接，电液推杆固定于所在巷道侧壁风洞内构成；\n[0006] 所述PLC自动监控部分是在油缸上固定有位移传感器支架Ⅰ和位移传感器支架Ⅱ及其位移传感器，位移拉杆两端分别与连接杆和位移传感器移动磁环相连接；在油缸座Ⅰ和油缸座Ⅱ上固定有限位开关支架Ⅰ和限位开关支架Ⅱ及其限位开关Ⅰ和限位开关Ⅱ；\n风量传感器Ⅰ、风量传感器Ⅱ、风量传感器Ⅲ、风速传感器Ⅰ、风速传感器Ⅱ和风速传感器Ⅲ是悬挂在风流稳定的巷道位置的上方；声光报警器悬挂在PLC电控柜上方的巷道侧壁上；PLC电控柜固定于PLC电控柜所在巷道侧壁风洞内，并通过电缆连接构成；\n[0007] 本发明上述的一种矿井巷道风量自动调控装置是用于煤矿井下风量为850 ～1350 的皮带回风联巷中；并由皮带回风联巷中的前后两扇风窗各自的\n机械液压部分连接同一PLC自动监控部分构成。\n[0008] 在上述技术方案中，其进一步的技术特征在于：\n[0009] 油缸的推力为： ；\n[0010] 其中， ；H为风窗扇Ⅱ高；L为风窗扇Ⅱ长度；u为摩擦系\n数；p(x)为风窗任意开度下的风窗扇Ⅱ两侧风压差；p(max)为风窗零开度时的风窗扇Ⅱ两侧风压差；A为油缸活塞杆的面积；F(L)为风窗的风窗扇Ⅱ从零开度到满开度(L)过程所受来自导轨摩擦力总和。\n[0011] 位移传感器设定有油缸活塞杆伸出的两个极限开度位移 和 ，限位开关Ⅰ和限位开关Ⅱ分别固定于油缸活塞杆伸出开度位移为 和 的位置。\n[0012] 风窗电液推杆由电机、齿轮泵和控制阀块集成为一体，风窗电液推杆动作时通过电机正反转带动油缸活塞杆伸出或收回的速度为：\n[0013] ； ；\n[0014] 其中， 为油缸活塞杆伸出速度； 为油缸无杆腔有效面积； 为油缸活塞杆收回速度； 为油缸有杆腔有效面积；n为电机转速；V为齿轮泵排量； 为齿轮泵容积效率。\n[0015] 风量传感器Ⅰ、风量传感器Ⅱ、风量传感器Ⅲ、风速传感器Ⅰ、风速传感器Ⅱ和风速传感器Ⅲ的风速为：V= ； 风量为：Q=V×A；其中，f为漩涡频率；St为常数=0.21；V为巷道风速；d为漩涡发生体线径；A为巷道截面积，Q为巷道风量。\n[0016] 实现本发明上述的一种矿井巷道风量自动调控装置，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：本发明装置通过设置同步控制两台电液推杆电机的正反转带动两台油缸活塞杆的伸出和收回来实现回风巷道前后两扇推拉式风窗的同步线性开启和关闭，实现了两扇风窗开度变化的实时自动同步控制，从而实现了实时调整整个巷道风量的功能，克服了单靠手动调节风窗进行风量调节的带来的费人力和财力，安全系数不高的缺点。本发明不仅能提高矿井通风系统的可靠性, 加强煤矿的安全生产，还具有很大的市场前景，将带来很大的社会和经济效益。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明装置在回风联巷巷道中位置的布局示意图。\n[0018] 图2是本发明图1的向视图A。\n[0019] 图3是本发明图2的局部放大视图Ⅰ。\n[0020] 图4是本发明图1的向视图B。\n[0021] 图5是本发明装置的电液推杆的结构示意图。\n[0022] 图6是本发明图1的向视图C。\n[0023] 图7是本发明装置的电气控制原理图。\n[0024] 图中：1：后风窗所在巷道位置；2：后风窗电液推杆所在巷道侧壁风洞；3：PLC电控柜所在巷道侧壁风洞；4：前风窗电液推杆所在巷道侧壁风洞；5：前风窗所在巷道位置；\n6：风量风速传感器所在巷道位置；7：皮带回风联巷；8：皮带回风联巷前风窗所在风墙；9：\n风窗框；10：风窗扇Ⅱ；11：风窗座；12：风窗扇Ⅰ；13：皮带回风联巷前风门；14：限位开关支架Ⅰ；15：位移拉杆；16：限位开关Ⅰ；17：尼龙套；18：位移传感器移动磁环；19：位移传感器支架Ⅰ；20：油缸座Ⅰ；21：油缸；22：位移传感器；23：油缸座Ⅱ；24：位移传感器支架Ⅱ；25：连接杆；26：限位开关Ⅱ；27：限位开关支架Ⅱ；28：PLC电控柜；29：声光报警器；\n30：前风窗电液推杆；31：后风窗电液推杆；32：巷道侧壁；33：风速传感器Ⅰ；34：风量传感器Ⅰ；35：风速传感器Ⅱ；36：粗铁丝；37：风量传感器Ⅱ；38：风速传感器Ⅲ；39：风量传感器Ⅲ。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。\n[0026] 实施本发明所提供的一种矿井巷道风量自动调控装置，包括两扇风窗、两台油缸、两台电液推杆、两台位移传感器、四个限位开关、一台声光报警器、三台风量传感器、三台风速传感器、一台PLC电控柜。巷道前后两扇调节风窗的风窗结构和风量调节原理相同，且前后两扇风窗线性开度大小变化控制过程为实时自动同步控制。本实施方式仅以一个风窗风量自动调节装置为例，说明本发明风窗风量自动调节装置的结构特征，以及本发明风窗风量自动调节装置在矿井巷道中的安设位置及其构成关系。\n[0027] 风窗框9及其风窗框9内安设的风窗扇Ⅰ12和风窗扇Ⅱ10构成的巷道前风窗，在风窗扇Ⅰ12和风窗扇Ⅱ10下沿的风墙上分别固定有油缸座Ⅰ20和油缸座Ⅱ23及其相应的油缸21，并通过连接杆25将油缸活塞杆与风窗座11相连接为一起，油缸21的有杆腔和无杆腔通过油管与前风窗电液推杆30相连接，前风窗电液推杆30固定于前风窗电液推杆所在巷道侧壁风洞4中。位移传感器支架Ⅰ19和位移传感器支架Ⅱ24固定在油缸21上，位移传感器22通过位移传感器支架Ⅰ19、位移传感器支架Ⅱ24和尼龙套17固定在油缸21上方，位移拉杆15两端分别与连接杆25和位移传感器移动磁环18相连接，限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26分别由限位开关支架Ⅰ14和限位开关支架Ⅱ27固定在油缸座Ⅰ20和油缸座Ⅱ23上，风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37、风量传感器Ⅲ 39和风速传感器Ⅰ33、风速传感器Ⅱ35、风速传感器Ⅲ38悬挂在风量风速传感器所在巷道位置6上方，声光报警器29悬挂在PLC电控柜28右上方的巷道侧壁32上，PLC电控柜28固定在PLC电控柜所在巷道侧壁风洞3内，并通过电缆连接构成。限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26、前风窗电液推杆30、位移传感器22、风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37、风量传感器Ⅲ 39、风速传感器Ⅰ33、风速传感器Ⅱ35、风速传感器Ⅲ38，声光报警器29通过矿用阻燃电缆与PLC电控柜28相连接，PLC电控柜28通过阻燃电缆连接660V总电源。PLC电控柜28内固定有PLC控制模块、变压器及继电器等一些控制电器元件，PLC电控柜28的正门面上设置有显示频和操作按钮，侧面设置有总开关旋转按钮，上部设置有足够用的信号线和电源线的出线接口。\n[0028] 风量的调节采用PID自动控制技术，PID(比例-积分-微分)控制器包括比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)。其输入e (t)与输出u (t)的关系为 ：\n[0029] u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]\n[0030] 式中积分的上下限分别是0和t。 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。输入e (t)为巷道实时风量，输出u(t)为风窗开口度需要的实时调整量。\n[0031] 巷道实时风量e (t)输入PID控制器，通过与初设范围进行比较，只要风量出现实时偏差，系统将输出u(t)，控制风窗开口度进行实时调整，调节过程系统不断输入、比较，然后执行风窗开口度的调整，直到风量调节至安全范围，调节过程结束。\n[0032] 鉴于现场风窗的推拉开度量程为一米(L=1)，选用行程为一米的油缸21。风窗扇Ⅱ10两侧存在风压差，风压差的存在使得风窗扇Ⅱ10在推拉过程中与窗扇导轨之间存在着摩擦力，这个摩擦力直接决定着风窗扇Ⅱ10推拉过程中所需要的油缸推力的大小，风窗扇Ⅱ10两侧的风压差如果很大，就会导致推动过程中的摩擦力很大，如果油缸的推力不够，风量调节过程就会出现风窗扇Ⅱ10卡死不动的现象，存在很大的安全隐患，所以油缸推力的正确计算是该矿井巷道风量自动调控装置能够顺利自动调节风量的前提保证。任意开度x下的风窗扇Ⅱ10与导轨之间的摩擦力与开度x的关系如下：\n[0033] \n[0034] 理论上来讲，油缸21的推力只需大于风窗风量自动调节过程的最大摩擦力即可避免风量调节过程中风窗扇Ⅱ10的卡死现象，但是考虑到煤矿井下这种特殊工况，计算过程应当强化安全因素，给定油缸21的推力等于风窗从零开度到满开度(L)过程摩擦力的总和，即：\n[0035] 》\n[0036] 为了进一步强化安全因素，从p(x)入手，p(x)为风窗任意开口度下的风窗扇Ⅱ10两侧风压差，整个风量调节过程中，风窗完全关闭时风窗扇Ⅱ10两侧风压差是最大的，此时的风压差为p(max)，在计算过程中将p(x)用p(max)所替代，即：\n[0037] 》\n[0038] 如此，油缸的推力：\n[0039] H为风窗扇Ⅱ10高，L为风窗扇Ⅱ10长度，u为摩擦系数，p(x)为风窗任意开度下的风窗扇Ⅱ10两侧风压差，p(max)为风窗零开度时的风窗扇Ⅱ10两侧风压差，A为油缸活塞杆的面积，F(L)为风窗的风窗扇Ⅱ10从零开度到满开度(L)过程所受来自导轨摩擦力的总和。\n[0040] 这种计算方法起着双安全保障的作用，计算出的油缸21推力为3MPA，能够有效避免风窗扇Ⅱ10卡死现象的发生。\n[0041] 位移传感器22和限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26组成该风量调节装置的双保险机构。风窗的开口度x量程虽然是零至一米，实际上风窗在自动调节风量的过程中开口度x始终在( - )这个范围内，矿井巷道风量自动调控装置有着精确的开口度范围，对其进行了精确计算，开口度x，煤矿井下巷道风量Q，巷道风速V，以及风窗开口面积A满足以下关系：\n[0042] Q=V×A 即 Q=V×[H×x]\n[0043] 式中：Q为巷道风量，V为窗口风速，A为风窗开口面积，H为风窗扇Ⅱ10高度，x为风窗开口度\n[0044] 各巷道都有一个实际风量范围( - )和一个实际风速范围( -\n)。 ， ， ， 都为矿上通风科所测得并提供，各巷道需要维持的安全风量范围在实际风量范围( - )内，开口度x始终在( - )这个范围内，为了精\n确求得( - )现进行如下计算：\n[0045] =H× = / , =H× = /\n[0046] 风窗开口度范围( - )求得后，风窗自动调节风量过程中风窗开口度的变化始终在开口度范围( - )内，偏离这个范围系统必定出现故障，必须设定程序立刻停止油缸活塞杆的伸出或收回，所以设定位移传感器22在检测到油缸活塞杆伸出位移为 和 两个位移时，根据设定程序，电液推杆电机停止转动，立刻停止油缸活塞杆的伸出或收回。为了强化安全因素，风窗系统还有分别固定在活塞杆伸出位移为和 两个位置的限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26，一旦位移传感器22出现故障，限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26将对系统起到二重保护的作用。\n[0047] 其中，0< < < < < < <(L=1)。\n[0048] 前风窗电液推杆30由电机、齿轮泵和控制阀块集成为一体，前风窗电液推杆30动作时通过电机正反转带动油缸活塞杆伸出或收回的速度为：\n[0049] ； ；\n[0050] 上式中， 为油缸活塞杆伸出速度， 为油缸无杆腔有效面积， 为油缸活塞杆收回速度， 为油缸有杆腔有效面积，n为电机转速，V为齿轮泵排量， 为齿轮泵容积效率。\n[0051] 风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37、风量传感器Ⅲ 39和风速传感器Ⅰ33、风速传感器Ⅱ35、风速传感器Ⅲ38都是根据卡曼涡街测流体速度的原理测风速，风速为：V= ；\n风量为：Q=V×A；其中：f为漩涡频率，St为常数(斯特拉哈尔数范围为0.21)，V为风速，d为漩涡发生体线径，A为巷道截面积，Q为风量。\n[0052] 由风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37、风量传感器Ⅲ 39和风速传感器Ⅰ33、风速传感器Ⅱ35、风速传感器Ⅲ38实现对巷道风量的实时监控和测量，将风量测量值实时反馈给PLC控制模块，PLC控制模块将实时风量测量值求平均后与预先风量设定范围进行对比，若所求均值与预先风量设定范围有偏差，则PLC控制模块控制声光报警器报警29并控制前风窗电液推杆30电机的正反转带动驱动油缸活塞杆的伸出和收回，实现推拉风窗线性开启和关闭来不断调节风量，直至实时所求均值在预先风量设定范围内，声光报警器29停止报警，风量调节结束。风量调节过程中位移传感器22不断将油缸活塞杆伸缩量反馈给PLC控制模块，实现风窗开度的监测。\n[0053] 自动控制：\n[0054] 自动方式下全过程无须人工干预。\n[0055] (1)当PLC模块对收到的来自风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ \n39的风量值计算出的平均值小于风量设定范围时，根据设定程序，由前风窗电液推杆30的电机正转带动油缸21的活塞杆伸出，实现调节风窗线性开启，直到风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ 39检测到的三个风量值的均值在PLC风量初始设定范围内时，根据设定程序，前风窗电液推杆30电机停止转动，调节风窗线性开启停止。风窗线性开启过程中，油缸21上安装的位移传感器22，将油缸活塞杆伸出的位移反馈给PLC模块，实现风窗开度的监测。\n[0056] (2)当PLC模块对收到的来自风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ \n39的风量值计算出的平均值大于风量设定范围时，根据设定程序，由前风窗电液推杆30的电机反转带动油缸21活塞杆收回，实现调节风窗线性关闭，直到风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ 39检测到的三个风量值的均值在PLC风量初始设定范围内时，根据设定程序，前风窗电液推杆30电机停止转动，调节风窗线性关闭停止。风窗线性关闭过程中，油缸21上安装位移传感器22，将油缸活塞杆收回的位移反馈给PLC模块，实现风窗开度监测。\n[0057] (3)当系统中传感器，传输电缆等设备出现故障或风量偏离设定范围时，根据设定程序，声光报警器29发出报警信号。\n[0058] (4)限位开关Ⅰ16、限位开关Ⅱ26限制了油缸活塞杆的最小和最大伸长量，对风窗系统起保护作用。\n[0059] 手动控制：\n[0060] 通过按钮控制实现矿井巷道风量自动调控装置风窗窗扇开度的自动调节，从而实现了巷道风量的自动调节。\n[0061] (1)当风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ 39测定风量小于要求风量范围时，人为按动开启按钮，前风窗电液推杆30电机正转带动驱动油缸活塞杆伸出，实现调节风窗线性开启，风量增大，风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ 39测定风量达到风量设定范围时，松开按钮。风窗线性开启过程中，油缸21上安装的位移传感器22，将油缸活塞杆伸出的位移反馈给PLC模块，实现风窗开度的监测。\n[0062] (2)当风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ39测定风量大于要求风量范围时，人为按动关闭按钮，前风窗电液推杆30电机反转带动驱动油缸活塞杆收回，实现调节风窗线性关闭，风量减小，风量传感器Ⅰ34、风量传感器Ⅱ37和风量传感器Ⅲ 39测定风量达到风量设定范围时，松开按钮。风窗线性关闭过程中，油缸21上安装的位移传感器22，将油缸活塞杆收回的位移反馈给PLC模块，实现风窗开度的监测。\n[0063] 本发明对巷道风量的调节过程可以实现完全无须人工干预，巷道风量的监测由之前的人为非实时监测变为本发明装置中的风量传感器对巷道风量的实时在线监控，只要风量传感器检测到风量偏离安全范围，PLC控制模块就会实时同步地通过控制风窗机械液压执行部分来自动调节风窗窗扇开度大小从而及时有效的将巷道风量调节至安全范围，克服了单靠手动调节风窗进行风量调节的带来的费人力和财力，安全系数不高的缺点。