礦井用智能化自復(fù)式泄爆門關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)1

礦井用智能化自復(fù)式泄爆門關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

摘要：本文闡述了礦井用智能化自復(fù)式泄爆門的關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)過程，成功研發(fā)的新型智能化自復(fù)式泄爆門克服了傳統(tǒng)泄爆門的缺點，爆炸時自動開門泄爆，爆炸后快速復(fù)位，有助于最大限度地減小瓦斯煤塵爆炸造成的人員傷亡，消滅重特大瓦斯煤塵爆炸事故。標(biāo)題)關(guān)鍵詞：礦井；自復(fù)式泄爆門；技術(shù)；研發(fā)引言：《煤礦安全規(guī)程》第121條規(guī)定：裝有主要通風(fēng)機的井口必須封閉嚴密；裝有主要通風(fēng)機的出風(fēng)井口應(yīng)安裝泄爆門。第124條規(guī)定：主要通風(fēng)機停止運行期間，必須打開井口泄爆門和有關(guān)風(fēng)門利用自然風(fēng)壓通風(fēng)。煤礦風(fēng)井泄爆門是保護主通風(fēng)機的重要安全設(shè)施。在本世紀以來的重大煤礦爆炸事故中，因風(fēng)井泄爆門設(shè)計缺陷造成事故擴大化的問題屢有發(fā)生，使得煤礦風(fēng)井泄爆門受到多方關(guān)注和重視，并獲得快速革新和發(fā)展。本次研究就是為了研發(fā)出適合礦井使用，又能達到《煤礦安全規(guī)程》的礦井用智能化自復(fù)式泄爆裝置。1研究內(nèi)容(文檔標(biāo)題)1.1具體研究開發(fā)內(nèi)容和要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題(2.1.1.1具體研究開發(fā)內(nèi)容（1）井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸后，泄爆門能及時卸壓（高溫高壓的沖擊波壓力）并及時復(fù)位；在很多過礦井災(zāi)變中，泄爆門體直接面對沖擊波，可以做到瞬間打開，但泄爆門也被沖擊波損壞，造成不能復(fù)位或復(fù)位后因漏風(fēng)過大，通風(fēng)系統(tǒng)不能向井下送風(fēng)。因此避免沖擊波對門體的破壞，泄爆后快速復(fù)位及時給井底送風(fēng)。開展泄爆門控制系統(tǒng)的算法和系統(tǒng)可靠性研究，以提高控制系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)系統(tǒng)所要求的控制效果及性能。對泄爆門進行系統(tǒng)化的總體設(shè)計。選用MSP430f149單片機作為微處理器，設(shè)計并實現(xiàn)PID算法的控制程序，根據(jù)無刷直流電機控制原理完成參數(shù)整定，并編寫控制算法程序。根據(jù)被控系統(tǒng)原理和模糊控制理論，在MATLAB軟件中使用模糊推理系統(tǒng)建立、編輯、觀察、分析和設(shè)計了模糊控制和模糊PID控制器，獲取控制規(guī)則表并編寫了基于單片機的控制算法程序。結(jié)合模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，在MATLAB中的自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)中，使用“反向傳播法”推理得到模糊控制規(guī)則和隸屬度參數(shù)，設(shè)計、訓(xùn)練并實現(xiàn)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因為泄爆門控制系統(tǒng)必須具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，需要對控制系統(tǒng)的軟件和硬件進行了可靠性設(shè)計，以減小甚至消除產(chǎn)品隱患和薄弱環(huán)節(jié)。通過上升時間、受擾動穩(wěn)定性等控制性能因素的比較，選用綜合控制效果最好的模糊PID控制算法，文實現(xiàn)泄爆門控制，獲得了較好的控制效果。（2）采用纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的連桿機構(gòu)，解決寬幅泄爆門同側(cè)門體，既要實現(xiàn)同步連桿驅(qū)動，又要避免金屬材料自身重量帶來的遲緩問檔題。無論是在泄爆前后，如同側(cè)門體不同步，必將使得門體變形，門體變形，就無法實現(xiàn)復(fù)位后的密封效果，增加漏風(fēng)率，形成空氣短路，送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)效果就會降低。項目產(chǎn)品是采用連桿機構(gòu)。隨著對生存性要求的提高以及復(fù)合材料在泄爆門結(jié)構(gòu)中使用的日益普遍,金屬連桿機構(gòu)也有被復(fù)合材料機構(gòu)取代的趨勢,一些要求有高損傷容限的部位更是如此。針對耐熱性和韌性對多官能團環(huán)氧進行改性,開發(fā)新型高溫高韌環(huán)氧樹脂體系,并對其澆注體和CF增強復(fù)合材料進行測試,同時模擬各種惡劣環(huán)境進行了人工加速老化試驗,研究改性環(huán)氧澆注體和CF增強復(fù)合材料的環(huán)境適應(yīng)性,并將CF改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為支撐增強體。采用苯并六元雜環(huán)和海島型增韌改性劑對多官能團環(huán)氧樹脂進行改性,苯并六元雜環(huán)結(jié)構(gòu)能夠提高樹脂的耐熱性能,并且固化時沒有小分子放出,使樹脂結(jié)構(gòu)致密,海島型增韌成分和環(huán)氧樹脂固化后形成兩相結(jié)構(gòu),能夠鈍化和抑制裂紋的擴展,起到提高環(huán)氧韌性的作用。經(jīng)過改性的高溫高韌環(huán)氧樹脂體系加工性能好,固化產(chǎn)物交聯(lián)密度高,力學(xué)性能好,拉伸強度為42.8MPa,模量為3.4GPa,斷裂伸長率達到4.2%,耐熱性能好,與碳纖維和玻璃纖維能夠良好地結(jié)合并有效地傳遞載荷,CF增強改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗拉強度達到2500MPa以上,經(jīng)過160℃加熱3h后,仍能夠保持96%以上的強度,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為155.5℃,強度高,耐熱性能好。標(biāo)改性環(huán)氧樹脂體系的固化反應(yīng)起始溫度、反應(yīng)峰值溫度和反應(yīng)結(jié)束溫度隨著酸酐固化劑含量的增多而有所提高。對CF增強改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的因索進行分析,并制備可能含有相應(yīng)缺陷的復(fù)合材料,研究其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對工藝的響應(yīng)。在纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材題料拉擠制備過程中,應(yīng)確保原材料的性能,調(diào)整好拉擠速度、溫區(qū)溫度和梯度等工藝參數(shù)。整個組件經(jīng)過了下述鑒定試驗與環(huán)境試驗:靜載試驗和交變載荷試驗。前者先進行靜力試驗,靜力試驗之后,材料在正常載荷條件下工作1M個循環(huán),完成交變載荷試驗。（3）選用高阻抗輸出的電荷型壓電式壓力傳感器，采取相應(yīng)的抑制措施以及補償方法，提升傳感器測量的準確性和反應(yīng)的靈敏性。沖擊波超壓峰值是衡量爆炸效果的一項重要指標(biāo)，通過傳感器實測最為直接和快捷。但沖擊波超壓值穩(wěn)定性及一致性差,需要分析爆炸沖擊波壓力測)試過程中常見的干擾因素，采取相應(yīng)的抑制措施以及補償方法。設(shè)計爆炸沖擊波無線存儲測試裝置，選用高阻抗輸出的電荷型壓電式壓力傳感器作為沖擊波測量傳感器，并設(shè)計對應(yīng)的信號調(diào)理電路,實現(xiàn)對傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換、濾波以及放大?；赟TM32芯片設(shè)計主控電路,基于NandFlash芯片設(shè)計存儲模塊,并設(shè)計USB通訊接口電路、觸發(fā)電路,集成4G無線模塊、定位授時模塊以及電源管理模塊。建立爆炸沖擊波壓力測試系統(tǒng)的誤差模型,分別計算各分項測量標(biāo)準不確定度,并給出該裝置總的測量不確定度。針對爆炸沖擊波超壓信號干擾嚴重問題,提出測量和剔除振動信號的方法,并驗證了其有效性。利用仿真得到的干凈沖擊波信號及噪聲信號模擬實測沖擊波信號,采用去噪效果較好的EMD去噪方法對實測沖擊波進行去噪處理,提高沖擊波壓力峰值提取和比沖量計算的準確性。（4）采取泄爆門與方形密封池之間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，以橢圓形和月形相結(jié)合的密封方式，以保證直徑4米以上泄爆門密封效果。泄爆門一直采用圓錐形，由于直徑過大，平面度很難控制，現(xiàn)實使用中增加了水槽結(jié)構(gòu)，使用了液體密封。盡管如此，液體夏季揮發(fā)，冬季會結(jié)冰，水槽內(nèi)的雜物和液體給門體直接造成腐蝕，縮短泄爆門的使用壽命。泄爆門與方形密封池之間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)密封圈截面的不同，目前的密封方式通常有矩形、橢圓形、骨形、塔形、月形和O形橡膠密封圈6種。經(jīng)過對密封件的壓縮過程和應(yīng)力分布分析，幾種異型密封件無論在裝配狀態(tài)下還是大開縫時均可滿足一定的密封要求。異型密封件可在較大開縫時(5mm以上)保證良好的氣密性，彌補了傳統(tǒng)O形圈的不足。經(jīng)有限元分析和試驗驗證，密封結(jié)構(gòu)確定采用橢圓形和月形相結(jié)合的密封方式，確保了備用立風(fēng)井泄爆門封閉立風(fēng)井后的有效風(fēng)量大于90%。泄爆門底盤密封設(shè)計。底盤的上平面與大氣環(huán)境相通，為了減少漏風(fēng)，當(dāng)備用泄爆門推至原風(fēng)井蓋上方時，要求與外界應(yīng)有可靠的密封。采用的密封辦法是在底盤上平面槽鋼位置處粘接厚度20～30mm的橡膠海綿密封條，當(dāng)泄爆門的處于備用狀態(tài)時，由于泄爆門自重而壓緊橡膠海綿使其緊貼底盤上平面，當(dāng)泄爆門處于工作狀態(tài)時，壓在槽鋼位置處的海綿條起到密封作用。底盤下平面密封比較復(fù)雜，一方面是底盤在行走進入混凝土方箱位置時側(cè)邊始終要處于密封狀態(tài)，另一方面是底盤到位時其前后端面也要處于密封狀態(tài)，這樣才能滿足泄爆門的密封要求，有效防止漏風(fēng)。采用的密封方案是在活動槽鋼上粘接厚度6×60mm，長7640mm的密封條，當(dāng)活動槽鋼到達指定位置時通過緊貼密封條接觸，保證活動槽鋼和固定槽鋼之間的可靠密封，以防氣體從此位置泄露，達到密封效果。圖3本項目泄爆門的配重及曲柄雙連桿機構(gòu)示意圖1.1.2需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（1）提前開啟和快速復(fù)位問題泄爆門在沖擊波到達前就開啟，避免對泄爆門本體的沖擊減少門體的變形，對復(fù)位后泄爆門的密封效果有很大的影響。本項目采用熱感技術(shù)和程序控制，實現(xiàn)了提前打開泄爆門盡量減少沖擊；泄爆后電機驅(qū)動快速關(guān)閉的方案。根據(jù)泄爆門所要求的控制效果及性能對系統(tǒng)進行總體設(shè)計，重點研究泄爆門控制算法，包括傳統(tǒng)的PID控制、模糊控制、參數(shù)自整定模糊PID控制和自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。選用MSP430f149單片機作為微處理器，設(shè)計并實現(xiàn)PID算法的控制程序，根據(jù)無刷直流電機控制原理完成參數(shù)整定，并編寫了控制算法程序。根據(jù)被控系統(tǒng)原理和模糊控制理論，在MATLAB軟件中使用模糊推理系統(tǒng)建立、編輯、觀察、分析和設(shè)計了模糊控制和模糊PID控制器，獲取控制規(guī)則表并編寫基于單片機的控制算法程序。結(jié)合模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，在MATLAB中的自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)中，使用“反向傳播法”推理得到模糊控制規(guī)則和隸屬度參數(shù)，設(shè)計、訓(xùn)練并實現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于泄爆門控制系統(tǒng)要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，因此需要對控制系統(tǒng)的軟件和硬件進行了可靠性設(shè)計，以減小甚至消除產(chǎn)品隱患和薄弱環(huán)節(jié)。通過上升時間、受擾動穩(wěn)定性等控制性能因素的比較，選用綜合控制效果最好的模糊PID控制算法，實現(xiàn)了自動門控制，獲得了較好的控制效果。（2）寬幅泄爆門同側(cè)門板同步啟閉的問題寬幅在4米以上的門板，如果僅僅是采用一個驅(qū)動點，無論放在哪個位置，在重量和驅(qū)動力以及慣性作用下造成門板變形，最后無法到達復(fù)位后的要求。因此在兩側(cè)均設(shè)置驅(qū)動點，同步又會是問題。使用同一軸來完成兩側(cè)驅(qū)動，用鋼制材料制作，材料的自重就會造成軸本身的變形，最終可能會被卡死。通過多方對比和試驗，選用某種有高損傷容限的玻璃纖維加強的環(huán)氧基復(fù)合材料，并通過靜載試驗和交變載荷試驗。試驗程序為:先進行靜力試驗,靜力試驗之后,材料在正常載荷條件下工作1M循環(huán),完成交變載荷試驗。該材料的選用，能夠在降低自重影響前提下，實現(xiàn)寬幅門體兩側(cè)的同步。（3）選用高阻抗輸出的電荷型壓電式壓力傳感器，采取相應(yīng)的抑制措施以及補償方法，提升傳感器測量的準確性和反應(yīng)的靈敏性。沖擊波超壓峰值是衡量爆炸效果的一項重要指標(biāo)，通過傳感器實測最為直接和快捷。但沖擊波超壓值穩(wěn)定性及一致性差,需要分析爆炸沖擊波壓力測試過程中常見的干擾因素，采取相應(yīng)的抑制措施以及補償方法。設(shè)計爆炸沖擊波無線存儲測試裝置，選用高阻抗輸出的電荷型壓電式壓力傳感器作為沖擊波測量傳感器，并設(shè)計對應(yīng)的信號調(diào)理電路,實現(xiàn)對傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換、濾波以及放大?；赟TM32芯片設(shè)計主控電路,基于NandFlash芯片設(shè)計存儲模塊,并設(shè)計USB通訊接口電路、觸發(fā)電路,集成4G無線模塊、定位授時模塊以及電源管理模塊。建立爆炸沖擊波壓力測試系統(tǒng)的誤差模型,分別計算各分項測量標(biāo)準不確定度,并給出該裝置總的測量不確定度。針對爆炸沖擊波超壓信號干擾嚴重問題,提出測量和剔除振動信號的方法,并驗證了其有效性。利用仿真得到的干凈沖擊波信號及噪聲信號模擬實測沖擊波信號,采用去噪效果較好的EMD去噪方法對實測沖擊波進行去噪處理,提高沖擊波壓力峰值提取和比沖量計算的準確性。1.2項目的特色和創(chuàng)新之處(文（1）泄爆門啟閉使用控制系統(tǒng)，提前開啟和快速復(fù)位。利用熱能感應(yīng)技術(shù)和程序控制，實現(xiàn)了在爆炸波到達之前，用電機驅(qū)動連桿機構(gòu)開啟泄爆門，讓破壞性的沖擊波直接沖向天空，達到無損泄爆。泄爆完成后，電機反轉(zhuǎn)立刻關(guān)閉泄爆門，恢復(fù)系統(tǒng)工作，以便開展搶救工作。（2）寬幅泄爆門實現(xiàn)同步啟閉控制，自動鎖緊操作時間少。利用雙連桿機構(gòu)在擺動時能完成圓弧運動軌跡，在寬幅泄爆門兩端均設(shè)置兩組雙連桿機構(gòu)，實現(xiàn)泄爆門的同步打開和關(guān)閉動作，避免同側(cè)不同步造成的變形，減少漏風(fēng)形成的空氣短路。（3）泄爆門密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計，避免使用液體密封，克服了液體對密封腐蝕，使密封不受季節(jié)影響，解決了使用中漏風(fēng)后形成空氣短路的問題。1.3要達到的主要技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)及社會、經(jīng)濟效益(1.3.1主要技術(shù)指標(biāo)（1）反風(fēng)時間≤10min（2）反風(fēng)時鎖緊時間≤10s（3）泄爆后復(fù)位時間≤10s（4）抗爆強度≥1.0Mpa（5）爆炸前漏風(fēng)率≤5%（6）爆炸后漏風(fēng)率≤20%（7）泄爆門最大位移≤6mm1.3.2社會經(jīng)濟效益煤炭是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的主要能源，隨著可再生能源的上升，國產(chǎn)煤炭占我國一次能源消費總量的比例將會逐漸下降，但煤炭消費的絕對量仍呈增加趨勢。然而我國煤礦安全生產(chǎn)潛在危險源多、災(zāi)害形勢非常嚴峻，煤礦百萬噸死亡率與國外相比，差距仍很大。在礦難中，一部分人是因為爆炸的沖擊波致死，但更多的人是因瓦斯爆炸產(chǎn)生大量有毒有害氣體，窒息而死。因而發(fā)生事故后應(yīng)及時進行通風(fēng)排毒，然而瓦斯爆炸后，由于礦井泄爆門發(fā)生嚴重變形或被高壓拋出，井下氣流與地面空氣發(fā)生風(fēng)流短路，CO等有毒氣體無法有效排出而引起大量人員傷亡。另外，由于井下救援的需要，通常應(yīng)對礦井進行反風(fēng)，而此時由于泄爆門通常不能及時關(guān)閉，同樣造成風(fēng)流短路，從而影響井下救援工作。因而發(fā)生瓦斯爆炸后，如何最大限度發(fā)揮泄爆門的安全作用十分重要。然而目前保證泄爆門安全的措施僅是對現(xiàn)有泄爆門的結(jié)構(gòu)進行改造。由于礦井發(fā)生瓦斯爆炸的當(dāng)量無法預(yù)計，僅對現(xiàn)有泄爆門的結(jié)構(gòu)進行改造實際上無法保證礦井發(fā)生瓦斯爆炸時泄爆門不被破壞。據(jù)此，提出采用全新泄爆門，在礦井井，保證礦井正常通風(fēng)，防止瓦斯爆炸災(zāi)害事故擴大，最大限度減少損失。發(fā)生瓦斯爆炸、原有泄爆門遭到破壞時備用泄爆門能及時復(fù)位、密封風(fēng)井，保證礦井正常通風(fēng)，防治瓦斯爆炸災(zāi)害事故擴大，最大限度較少損失。2研究試驗方法、技術(shù)路線以及工藝流程(文檔2.1試驗方法本項目先后通過揚州大學(xué)爆炸狀態(tài)受力有限元數(shù)值模擬分析，中煤科工集團重慶研究院的管道爆炸試驗，以及安標(biāo)國家中心的安全技術(shù)評議；此外，原型樣機在山西晉煤集團寺河礦使用2.2技術(shù)路線礦井用智能化自復(fù)式泄爆門調(diào)研市場上同類型產(chǎn)品立項提出研發(fā)背景、必要性及市場需求分