轉(zhuǎn)速對(duì)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響及其自動(dòng)化控制

劉 琛

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用通風(fēng)機(jī)是煤礦井下工作面安全生產(chǎn)的重要設(shè)備，為了減小通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與用電量，提高其使用壽命，需要采用變頻器對(duì)通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)井下的通風(fēng)量進(jìn)行控制。目前，礦井通風(fēng)機(jī)主要采用繼電器與接觸器控制系統(tǒng)，這種繼電器控制系統(tǒng)的質(zhì)量與體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，存在排障困難等缺陷，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。在對(duì)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制時(shí)，為減小轉(zhuǎn)速增大對(duì)其振動(dòng)的影響，需要預(yù)先確定其極限轉(zhuǎn)速，合理確定變頻調(diào)速范圍[1-3]。

1 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速及其振動(dòng)響應(yīng)

1.1 礦用通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速

離心式通風(fēng)機(jī)依靠電機(jī)輸入的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)氣體的排送，應(yīng)用于高壓強(qiáng)制通風(fēng)領(lǐng)域，如礦井、隧道等領(lǐng)域。我國煤礦領(lǐng)域采用的通風(fēng)機(jī)主要采用離心式通風(fēng)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行通風(fēng)。

根據(jù)煤礦安全章程，瓦斯等有害氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)，需要開啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，降低瓦斯?jié)舛?。為減小通風(fēng)機(jī)的開啟時(shí)間，需要根據(jù)巷道內(nèi)的有害氣體濃度進(jìn)行通風(fēng)機(jī)適時(shí)調(diào)節(jié)。

通風(fēng)機(jī)的速度主要通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足以下方程：

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；f為異步電動(dòng)機(jī)的工作頻率；s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電的頻率f有關(guān)，且成正比關(guān)系，只要改變供電頻率f即可以改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，且一般的頻率范圍在0～50 Hz變化時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)和速度調(diào)節(jié)范圍非常寬。

1.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在已知頻率的載荷作用下，求解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)的方法。其標(biāo)準(zhǔn)方程為：

式（2）中：[M]、[C]、[K]分別為機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)構(gòu)剛度矩陣分別為結(jié)構(gòu)件內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度矢量；{F（t）}為系統(tǒng)隨時(shí)間變化的載荷函數(shù)，包括各種不平衡力、壓力和位移等。

諧響應(yīng)分析是在已知頻率與載荷作用下，求解結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)。在諧響應(yīng)分析過程中，載荷F（t）與振動(dòng)響應(yīng)u（t）為諧函數(shù)，皆為時(shí)間的函數(shù)[4]。

1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

受通風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的影響，通常通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)滿足的極限轉(zhuǎn)速不同于電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)速的增加，通風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)腔周期性的壓力作用增大，勢(shì)必會(huì)使通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)增強(qiáng)，為此，提出一種根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)確定通風(fēng)機(jī)極限轉(zhuǎn)速的方法，為轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化調(diào)節(jié)范圍提供參考。

對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)研究方法很多，一般的方法有結(jié)構(gòu)分析法，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速條件下通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)壓，以風(fēng)壓為載荷，從而求解風(fēng)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)。這種方法計(jì)算較為繁瑣，參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]，不同的葉片轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生不同的激振動(dòng)頻率，采用諧響應(yīng)分析法，可以分析在不同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)外殼的振動(dòng)響應(yīng)，從而確定其極限轉(zhuǎn)速。其主要計(jì)算流程為：根據(jù)通風(fēng)機(jī)外殼尺寸，對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模；根據(jù)葉片的轉(zhuǎn)速，計(jì)算其激振頻率；采用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將通風(fēng)機(jī)底部采用fixed固定約束，給通風(fēng)機(jī)整體施加轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)激振頻率，以通風(fēng)機(jī)的靜壓為載荷，獲取其振動(dòng)響應(yīng)；以軸承座處的極限振動(dòng)不大于1mm為邊界，確定通風(fēng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速。該通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與機(jī)殼有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 礦用通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與機(jī)殼網(wǎng)格圖

不同轉(zhuǎn)速得到不同的激振頻率，風(fēng)機(jī)外殼的最大振動(dòng)幅值隨著葉片轉(zhuǎn)速（375～1 800 r/min）的變化如圖2所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，隨著葉片轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)機(jī)外殼的最大振動(dòng)幅值明顯增大，且增大趨勢(shì)逐漸增大。所以，當(dāng)對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的最大振動(dòng)幅度明顯增大，產(chǎn)生巨大噪音的同時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響，所以需合理確定其極限轉(zhuǎn)速。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)殼的振動(dòng)響應(yīng)

當(dāng)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在375 r/min、1 500 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)外殼的振動(dòng)云圖如圖3所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)機(jī)的機(jī)座固定于地基上，所以風(fēng)機(jī)的最大變形位于出風(fēng)口位置，但該區(qū)域的振動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)的整體性能影響不大。當(dāng)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為375 r/min時(shí)，通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)只發(fā)生在出風(fēng)口位置，而風(fēng)機(jī)的軸承座位置沒有明顯變化；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)軸承座位置的變形明顯增大。風(fēng)機(jī)外殼在軸承座處的振動(dòng)變形會(huì)使在通風(fēng)機(jī)工作過程中，使通風(fēng)機(jī)的整體及電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的共振。速度為1 500 r/min時(shí)，軸承座處的振動(dòng)為1 mm左右，根據(jù)相關(guān)資料表明，當(dāng)軸承座處的振動(dòng)大于1 mm時(shí)，通風(fēng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生較大共振，同時(shí)會(huì)伴隨有較大的噪音，對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及其電機(jī)帶來較大的共振，從而縮短通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，所以，該通風(fēng)機(jī)的最大調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不大于1 500 r/min。

2 礦用通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化集成

2.1 PLC特點(diǎn)及控制策略

PLC是工業(yè)領(lǐng)域廣泛的控制系統(tǒng)，對(duì)比其它控制系統(tǒng)如單片機(jī)等，PLC的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在極其惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，有極高的可靠性，便于后期維護(hù)[5]。所以，PLC控制系統(tǒng)特別適用于處于惡劣環(huán)境下的煤礦裝備。在當(dāng)前任務(wù)中，PLC控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行對(duì)象為礦用通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)；執(zhí)行任務(wù)是電機(jī)的啟動(dòng)與運(yùn)行；而系統(tǒng)的輸入是巷道內(nèi)空氣的壓力和瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求：

圖3 不同葉片轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)殼的振動(dòng)響應(yīng)

1）在系統(tǒng)啟動(dòng)后，因通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速受礦井瓦斯?jié)舛群偷V井氣壓的影響，所以將以上參數(shù)作為系統(tǒng)的輸入，通過控制變頻器自動(dòng)對(duì)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道風(fēng)量的調(diào)節(jié)。為延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命，當(dāng)通風(fēng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，切換至另一臺(tái)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)交替運(yùn)行。

2）采用壓力傳感器測(cè)量巷道空氣壓力、濃度傳感器監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?。傳感器采集的結(jié)果輸入到PLC系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，PLC將以上檢測(cè)到的數(shù)值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較和處理。模擬量的壓力輸入值經(jīng)PID運(yùn)算，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)，通過控制變頻器來控制通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)巷道內(nèi)的通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。改進(jìn)后的通風(fēng)系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)原理框圖

PLC的輸入量為經(jīng)傳感器獲取的空氣壓力和瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，輸出量為控制變頻器的啟動(dòng)、停止，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速控制。

3 結(jié)論

1）隨著通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，其外殼的振動(dòng)響應(yīng)明顯增大，為減小軸承處的共振對(duì)轉(zhuǎn)子及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，確定該通風(fēng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2）采用PLC系統(tǒng)對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變頻器進(jìn)行系統(tǒng)集成，以煤礦井下巷道內(nèi)的氣體壓力和瓦斯?jié)舛葹榭刂茀?shù)，使通風(fēng)機(jī)能夠按既定條件進(jìn)行啟動(dòng)、關(guān)閉和變頻調(diào)速，減小通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，不僅增強(qiáng)了節(jié)能效果，而且延長(zhǎng)了通風(fēng)機(jī)的使用壽命。