轉(zhuǎn)速對通風機振動的影響及其自動化控制

劉 琛

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用通風機是煤礦井下工作面安全生產(chǎn)的重要設備，為了減小通風機啟動時間與用電量，提高其使用壽命，需要采用變頻器對通風機電動機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，間接實現(xiàn)對井下的通風量進行控制。目前，礦井通風機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、機械觸點多、接線復雜，當出現(xiàn)故障時，存在排障困難等缺陷，嚴重制約了生產(chǎn)效率。在對通風機轉(zhuǎn)速控制時，為減小轉(zhuǎn)速增大對其振動的影響，需要預先確定其極限轉(zhuǎn)速，合理確定變頻調(diào)速范圍[1-3]。

1 通風機變頻調(diào)速及其振動響應

1.1 礦用通風機的變頻調(diào)速

離心式通風機依靠電機輸入的機械能，實現(xiàn)氣體的排送，應用于高壓強制通風領域，如礦井、隧道等領域。我國煤礦領域采用的通風機主要采用離心式通風機對巷道進行通風。

根據(jù)煤礦安全章程，瓦斯等有害氣體濃度達到一定值時，需要開啟動通風機進行強制通風，降低瓦斯?jié)舛取闇p小通風機的開啟時間，需要根據(jù)巷道內(nèi)的有害氣體濃度進行通風機適時調(diào)節(jié)。

通風機的速度主要通過變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)對風量的調(diào)節(jié)。電動機轉(zhuǎn)速滿足以下方程：

式中：n為異步電動機的額定轉(zhuǎn)速；f為異步電動機的工作頻率；s為異步電動機的轉(zhuǎn)差率；p為異步電動機的極對數(shù)。

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

1.2 諧響應分析

諧響應分析是結(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)的振動響應的方法。其標準方程為：

式（2）中：[M]、[C]、[K]分別為機械結(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)點的位移、速度和加速度矢量；{F（t）}為系統(tǒng)隨時間變化的載荷函數(shù)，包括各種不平衡力、壓力和位移等。

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

1.3 轉(zhuǎn)速對通風機振動的影響

受通風機整體結(jié)構(gòu)的影響，通常通風機結(jié)構(gòu)滿足的極限轉(zhuǎn)速不同于電動機的極限轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)速的增加，通風機葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對風機內(nèi)腔周期性的壓力作用增大，勢必會使通風機的振動增強，為此，提出一種根據(jù)振動響應確定通風機極限轉(zhuǎn)速的方法，為轉(zhuǎn)速的自動化調(diào)節(jié)范圍提供參考。

對系統(tǒng)的振動響應研究方法很多，一般的方法有結(jié)構(gòu)分析法，計算不同轉(zhuǎn)速條件下通風機所產(chǎn)生的風壓，以風壓為載荷，從而求解風機的振動響應。這種方法計算較為繁瑣，參考相關文獻[4]，不同的葉片轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生不同的激振動頻率，采用諧響應分析法，可以分析在不同轉(zhuǎn)速下，風機外殼的振動響應，從而確定其極限轉(zhuǎn)速。其主要計算流程為：根據(jù)通風機外殼尺寸，對其進行三維實體建模；根據(jù)葉片的轉(zhuǎn)速，計算其激振頻率；采用ANSYS對模型進行網(wǎng)格劃分，將通風機底部采用fixed固定約束，給通風機整體施加轉(zhuǎn)速對應激振頻率，以通風機的靜壓為載荷，獲取其振動響應；以軸承座處的極限振動不大于1mm為邊界，確定通風機的極限轉(zhuǎn)速。該通風機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與機殼有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

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

不同轉(zhuǎn)速得到不同的激振頻率，風機外殼的最大振動幅值隨著葉片轉(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，風機外殼的最大振動幅值明顯增大，且增大趨勢逐漸增大。所以，當對通風機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，通風機系統(tǒng)的最大振動幅度明顯增大，產(chǎn)生巨大噪音的同時，對驅(qū)動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)帶來嚴重影響，所以需合理確定其極限轉(zhuǎn)速。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對機殼的振動響應

當通風機轉(zhuǎn)速在375 r/min、1 500 r/min時，風機外殼的振動云圖如圖3所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，由于風機的機座固定于地基上，所以風機的最大變形位于出風口位置，但該區(qū)域的振動對風機的整體性能影響不大。當通風機轉(zhuǎn)速為375 r/min時，通風機的振動響應只發(fā)生在出風口位置，而風機的軸承座位置沒有明顯變化；當風機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，風機軸承座位置的變形明顯增大。風機外殼在軸承座處的振動變形會使在通風機工作過程中，使通風機的整體及電動驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的共振。速度為1 500 r/min時，軸承座處的振動為1 mm左右，根據(jù)相關資料表明，當軸承座處的振動大于1 mm時，通風機將會產(chǎn)生較大共振，同時會伴隨有較大的噪音，對通風機系統(tǒng)及其電機帶來較大的共振，從而縮短通風機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與驅(qū)動電動機的使用壽命，所以，該通風機的最大調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不大于1 500 r/min。

2 礦用通風機自動化集成

2.1 PLC特點及控制策略

PLC是工業(yè)領域廣泛的控制系統(tǒng)，對比其它控制系統(tǒng)如單片機等，PLC的最大優(yōu)點是能夠在極其惡劣的環(huán)境中運行，且具有極強的抗干擾能力，有極高的可靠性，便于后期維護[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。在當前任務中，PLC控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行對象為礦用通風機的電動機；執(zhí)行任務是電機的啟動與運行；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)，為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求：

圖3 不同葉片轉(zhuǎn)速對機殼的振動響應

1）在系統(tǒng)啟動后，因通風機的轉(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對通風機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)對巷道風量的調(diào)節(jié)。為延長風機壽命，當通風機累計運行時間達到設定值后，切換至另一臺通風機運行，實現(xiàn)兩臺通風機交替運行。

2）采用壓力傳感器測量巷道空氣壓力、濃度傳感器監(jiān)測瓦斯?jié)舛取鞲衅鞑杉慕Y(jié)果輸入到PLC系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，PLC將以上檢測到的數(shù)值與設定的標準值進行比較和處理。模擬量的壓力輸入值經(jīng)PID運算，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出信號，通過控制變頻器來控制通風機電動機的轉(zhuǎn)速，對巷道內(nèi)的通風量進行調(diào)節(jié)。改進后的通風系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 通風系統(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、停止，實現(xiàn)對電機的啟停和轉(zhuǎn)速控制。

3 結(jié)論

1）隨著通風機轉(zhuǎn)速的增大，其外殼的振動響應明顯增大，為減小軸承處的共振對轉(zhuǎn)子及驅(qū)動系統(tǒng)的影響，確定該通風機的極限轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2）采用PLC系統(tǒng)對礦用通風機的驅(qū)動電機和變頻器進行系統(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)，使通風機能夠按既定條件進行啟動、關閉和變頻調(diào)速，減小通風機啟動時間，不僅增強了節(jié)能效果，而且延長了通風機的使用壽命。