礦井風(fēng)門的選型優(yōu)化設(shè)計

■張海濱

（神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦 陜西榆林 719300）

礦井風(fēng)門的選型優(yōu)化設(shè)計

■張海濱

（神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦 陜西榆林 719300）

針對井下風(fēng)門的應(yīng)用現(xiàn)狀，這里主要介紹了一種新型的壓力平衡式自動風(fēng)門，該風(fēng)門采用的是壓力平衡原理，通過一個四連桿機(jī)構(gòu)，將風(fēng)門所受到的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)力，克服了以往單扇木制風(fēng)門開啟難、易損壞的缺點，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又是現(xiàn)條件下實現(xiàn)礦井快速反風(fēng)的有利保證。研究了自動風(fēng)門的組成和液壓系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，設(shè)計了應(yīng)用可編程控制器實現(xiàn)風(fēng)門自動控制的可行性方案，并給出了系統(tǒng)控制流程圖和參考程序。整個系統(tǒng)抗干擾能力顯著、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

煤礦井下風(fēng)門可編程控制器相應(yīng)程序

0 引言

在本次設(shè)計中，不僅要根據(jù)煤礦下的實際情況設(shè)計出一扇符合煤礦使用情況的風(fēng)門結(jié)構(gòu)，更要設(shè)計出一套自動控制電路來控制風(fēng)門的開啟和關(guān)閉，還要根據(jù)實際情況來選擇風(fēng)門的自鎖方式，是電路自鎖，還是選擇液壓自鎖，抑或是兩者同時控制，以保證風(fēng)門的正常工作。電路設(shè)計時還要考慮到電氣設(shè)備的選擇，都必須符合國家煤礦防爆標(biāo)準(zhǔn)，防止意外事故的產(chǎn)生。

針對井下風(fēng)門的應(yīng)用現(xiàn)狀，研究了自動風(fēng)門的組成和液壓系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，設(shè)計了可編程控制器實現(xiàn)風(fēng)門自動控制的可行性方案。

1 壓力平衡式自動方案設(shè)計

風(fēng)門屬于通風(fēng)構(gòu)建物的一種，作用是用于截斷風(fēng)流，不可避免的，無論是風(fēng)門的開啟還是關(guān)閉，都會受到風(fēng)流作用在門上風(fēng)壓的影響。特別是在過往的單扇木制風(fēng)門上，這一點表現(xiàn)的尤為明顯。當(dāng)風(fēng)門受到較大的壓力時，往往會出現(xiàn)開啟難，易發(fā)生變形，易損壞的諸多缺陷，容易造成一些意外事故。要想解決這些問題，首先要解決的是怎么克服因為風(fēng)流通過而作用在風(fēng)門上的壓力。

要克服風(fēng)壓，首先想到的是將風(fēng)門門扇上所受到的壓力轉(zhuǎn)化為整個風(fēng)門系統(tǒng)的內(nèi)力，風(fēng)門系統(tǒng)在受到風(fēng)流影響時保持一種動態(tài)的平衡。

分三種方案進(jìn)行論證設(shè)計：

（1）在原來單扇門的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改動設(shè)計，使之符合壓力平衡的要求。

設(shè)計方案如下：整個風(fēng)門由門框、門扇、門軸、門扇拉手和彈簧裝置組成，示意圖如圖1所示。

通風(fēng)方向如圖所示，△P為巷道內(nèi)風(fēng)壓。當(dāng)風(fēng)門上所受到的風(fēng)力矩與彈簧力矩平衡時，風(fēng)門的開啟或關(guān)閉將變的容易，上面所提到的問題就能夠解決。

（2）第二種設(shè)計是改變傳統(tǒng)風(fēng)門單扇門的設(shè)計，改為異向開啟的雙扇門設(shè)計，運用一個四連桿機(jī)構(gòu)，使得兩扇門上所受到的壓力互相抵消，達(dá)到平衡的目的。該風(fēng)門由門框立柱、門軸、門扇拉手、左支臂、平衡桿、橫梁、右支臂、滑輪就、鋼絲繩、關(guān)門重錘的組成，兩扇風(fēng)門通過左右兩支臂有平衡桿連接起來，形成四連桿反風(fēng)門系統(tǒng)，通過四連桿機(jī)構(gòu)，可以使兩扇門同時異向開啟，靠關(guān)門重錘的作用使得風(fēng)門能夠自動關(guān)閉。風(fēng)門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 單扇風(fēng)門設(shè)計圖

圖2

風(fēng)門的工作原理是在風(fēng)門開關(guān)時，作用在風(fēng)門上的風(fēng)力互相平衡。如圖所示，△P為巷道內(nèi)風(fēng)壓，S為單扇風(fēng)門的受力面積，L為單扇門的寬度，F(xiàn)1、F2為左右兩扇門所受的風(fēng)力，F(xiàn)3、F4為平衡桿在△P作用下所受的力，M1、M2門框上所受的力矩，Q左右支臂到門軸的垂直距離。

（3）第三種方案設(shè)計了以電液推桿為驅(qū)動裝置的自動風(fēng)門。風(fēng)門的結(jié)構(gòu)組成：如圖3所示，為風(fēng)門在巷道內(nèi)布置的俯視圖，該風(fēng)門由門體、平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)、電液推桿、機(jī)械觸動檢測開關(guān)、行程開關(guān)等部分組成，門體固定在巷道兩邦的砌墻上，門體上部的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)使左右門扇聯(lián)動，虛線對應(yīng)風(fēng)門打開時的位置。正常情況下，無車輛，機(jī)械觸動檢測開關(guān)SQ1、SQ3打開，沒有發(fā)出動作信號，風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，各部分不動作。當(dāng)車輛通過開關(guān)時，靠車輪壓動開關(guān)來獲取信號，既SQ1或SQ2動作，控制電液推桿的伸出，門扇1順時針轉(zhuǎn)動打開，門扇2靠平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與門扇1連動，也順時針轉(zhuǎn)動打開。

為了保證安全，在車輛通過時，兩扇風(fēng)門不能關(guān)閉，靠SQ1、SQ2、SQ3三組觸動檢測裝置實現(xiàn)，只要有任何一組發(fā)出信號，控制電液推桿保持伸出，并且，當(dāng)車輛通過后，在三組觸動檢測裝置都無信號發(fā)出的情況下，延時一定時間后方可關(guān)門，延時時間的長短可根據(jù)需要設(shè)定。此自動系統(tǒng)中兩扇風(fēng)門由一般的同向打開變?yōu)槟嫦虼蜷_，風(fēng)壓對兩扇風(fēng)門的作用力由平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的連動相互抵消，整個風(fēng)門受力平衡，大大降低開門所需動力，可以選擇尺寸重量較小的電液推桿，使整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，節(jié)約能源。

圖3

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)：自動風(fēng)門液壓系統(tǒng)原理圖如圖4。在控制信號作用下，泵站啟動，電磁鐵YA2通電，活塞伸出，風(fēng)門開啟，當(dāng)風(fēng)門完全打開時活塞縮回到位，壓下行程開關(guān)SQ4，電磁鐵YA2斷電，電磁閥恢復(fù)中位，風(fēng)門保持在打開位置。直到三組觸動檢測裝置SQ1、SQ2、SQ3都無信號發(fā)出時，延時到設(shè)定時間后，電磁鐵 YA1通電，活塞縮回，風(fēng)門關(guān)閉，當(dāng)風(fēng)門關(guān)閉到位壓下限位開關(guān)SQ5時，泵站停止，電磁鐵YA1斷電，電磁閥恢復(fù)中位，風(fēng)門保持在關(guān)閉位置。

綜合比較以上三種設(shè)計方案，可以得出，第三種方案明顯好于第一種和第二種方案，因為：

方案（1）理論上也能達(dá)到動態(tài)壓力平衡的目的，但是卻也存在著許多問題和不足，例如。在沒有風(fēng)力作用在門上是。如果沒有東西把沒卡住，門會被彈簧拉力拉開，在有風(fēng)時沒法其到阻風(fēng)的作用，而且風(fēng)門的布置一般是在一條巷道上分布幾道連續(xù)的門，中間的風(fēng)門在前后風(fēng)門開啟前不受風(fēng)力的影響，不容易設(shè)置自動風(fēng)門。風(fēng)流經(jīng)常不是恒定的，風(fēng)門的動態(tài)力矩平衡很容就被打破，而且在風(fēng)里較大時，還是會有開啟困難，關(guān)閉是沖擊大，易發(fā)生擠傷礦下工作人員的意外事故的諸多問題。

方案 （2）可以達(dá)到動態(tài)壓力平衡及風(fēng)門自動關(guān)閉和開啟的目的，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，需經(jīng)常維修。

方案（3）的設(shè)計就沒有這些問題，理論上說。無論在巷道中的風(fēng)流壓力有多大，只要風(fēng)門足夠的可靠堅固，壓力平衡都不會改變，風(fēng)門的開啟或關(guān)閉都不會受到影響，適用性明顯比第一種方案好，而且兩道風(fēng)門由同一臺可編程控制器控制，互鎖可靠，不會造成風(fēng)流短路；采用可編程序控制器，編程簡單，使用靈活、通用性強(qiáng)，而且可編程序控制器面向工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，在產(chǎn)品設(shè)計時就采用了屏蔽、隔離、濾波、聯(lián)鎖等安全防護(hù)措施，有效地抑制了外部干擾，防止誤動作?？煽啃愿?、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

綜上，選擇方案（3）而為此次壓力平衡是式風(fēng)門設(shè)計總體方案。

2 結(jié)論

壓力平衡式自動風(fēng)門是一種新型的風(fēng)門，是在原來單扇木制風(fēng)門的基礎(chǔ)上發(fā)展和完善起來的，該風(fēng)門的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)的單扇木制風(fēng)門所存在的風(fēng)門大、開啟難、易損壞等缺點，該風(fēng)門所具有的開啟和關(guān)閉不受風(fēng)壓影響的種種優(yōu)點決定它必然取代原有的單扇木制風(fēng)門，成為現(xiàn)階段礦用風(fēng)門的首選。配套上一套完整的自動控制電路，技能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)門開啟和關(guān)閉的自動控制，控制電路中的連鎖設(shè)計，又能夠保證整個通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。即使碰到停電，該風(fēng)門也能手動輕易開啟，不會影響煤礦下的正常工作和系統(tǒng)的通風(fēng)。

[1]李建新張志林風(fēng)門合理設(shè)置的幾點看法--煤礦開采第七卷第4期.

[2]張國強(qiáng)張榮華井下風(fēng)門的自動控制 淮南工業(yè)學(xué)院--煤礦現(xiàn)代化1999年 第3期.

[3]夏萬報 礦用無壓風(fēng)門的原理及其在通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用淮北礦業(yè)集團(tuán)公司海--煤礦現(xiàn)代化2007年第1期.

[4]齊占慶.機(jī)床電器控制技術(shù) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[5]陳紹華.機(jī)械設(shè)備電氣控制 [M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002.

[6]鄭運廷,王廣云.PLC控制自動風(fēng)門的設(shè)計.河南：平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,467000.

[7]郭新立，李曉雨新型自動無壓風(fēng)門 --煤炭科技2004年6月 第3卷第6期.

[8]曾金元王彪喻建壓力平衡式風(fēng)門的應(yīng)用--煤2007年增刊2.

[9]吳景明劉紅星夏彬一種新型的手動無壓風(fēng)門--煤礦安全2003年4月第34卷第4期.

[10]張衛(wèi)國 對煤礦井下風(fēng)門自動控制的構(gòu)想 淮南工業(yè)學(xué)院 礦業(yè)安全與環(huán)保 1999年第2期.

[11]維.部德雷克 礦井通風(fēng)學(xué) 中國工業(yè)出版社.

[12]趙世臣常用金屬材料手冊 (第2版鋼鐵產(chǎn)品部分) 冶金工業(yè)出版社.

[13]機(jī)械設(shè)計 第四版 高等教育出版社.

[14]機(jī)械工程手冊第5卷 機(jī)械設(shè)計㈡ 機(jī)械工業(yè)出版社.

[15]郝久清,肖立 PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計 遼寧石油化工大學(xué),撫順 113001

[16]Yunan Hu,Olga I.Koroleva,Miroslav Krsti.Nonlinear control of mine ventilation networks.Harbin Institute of Technology,Harbin 100051,People's Republic of China,University of California,San Diego,9500 Gilman Dr.MC0411,La Jolla,CA 92093-0411,USA:Systems &Control Letters 49 (2003)239-254.

TD72[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-16-2

張海濱，男，太原理工大學(xué)在職研究生，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，助理工程師，研究方向為機(jī)械設(shè)計。