1、礦用自動風門設計礦用自動風門設計第 1 章 緒論1.1 國內外礦井用風門的發展現狀1.1.1 國內礦井風門的發展現狀 風門是最主要的通風裝置之一， 風門安設在擋風墻上， 為了能保持該巷道的通行與運輸。 為 了防止風流短路使礦井一部分的即定通風系統遭到破壞， 風門的數目不應少于兩個； 各風門 間的距離應大于列車的最大長度。 如果巷道放設有鐵軌， 則必須設法防止經過門坎漏風。 連 接入風井與排風井的巷道， 應設置兩個混凝土擋風墻或磚擋風墻， 每道擋風墻上應設兩風門。 風門有木制的和鐵制的。 鐵風門在重要的地方采用， 例如，在入風井排風井間的聯絡巷道里， 該處空氣壓力很大，且有發生短路的危險。門板一

2、般是用厚不小于3mm勺鋼板覆蓋作門面。為了堅固門板上還要裝置角鐵。門框處了嚴密，在門框邊緣釘有毛氈或密封條。 目前我國礦井使用的木制風門的地點比較多。這種風門的優點是：1. 結構堅固、不易損壞、使用年限為 1.5 2年。2. 漏風少。3. 規格統一，可以在地面上做成成品在井下安裝，并可反復使用。4. 經濟，其制造與維修費的總和較一般形式的風門低。井中， 目前也常使用木材和鐵板混合制成的風門。 這種風門的使用年限更長， 其構造更加嚴 密。由于礦井通風管理， 向自動化方向發展， 要求風門能自動關閉。 尤其是在井下運輸頻繁的地 方，風門的自動化更顯得重要。下面介紹幾種典型的自動風門：1. 礦車撞桿式

3、自動風門。 種自動風門一面是靠拉桿連動裝置打開風門的，另一面， 則靠礦車撞擊緩沖器而打開風門。此風門多用于軌道上山和軌道下山中。2. 氣閥式自動風門。這種風門是靠壓縮空氣 （或壓力水）推動汽缸活塞，活塞帶動連桿；活塞的往復運動使風門開關，壓縮空氣（或壓力水）是靠礦車觸動開關控制的。3. 電動自動風門。這種自動風門的關閉是靠電動機傳動件速裝置來完成的。電動機的啟動和停止由設在軌道下面或巷道兩側的接觸點來控制。某些礦井利用光電繼電器自動控制電動機開閉風門。 當礦車（或電機車） 到達時， 由于光電的作用， 打開風門使礦車通過。 礦車過后風門自動關閉。1.1.2 國外礦井風門的發展現狀國外的風門系統較

4、我國起步早， 發展成熟。 早在八十年代， 國外就開始嘗試了礦井風門的自 動化研制。 到九十年代， 新型風門理論已相當完備， 其相應的風門產品已廣泛的投入到了市 場中。下面介紹幾種典型的自動風門：1.礦車撞桿式自動風門。 種自動風門一面是靠拉桿連動裝置打開風門的， 面，則靠礦車撞擊緩沖器而打開風門。此風門多用于軌道上山和軌道下山中。2. 氣閥式自動風門。這種風門是靠壓縮空氣（或壓力水）推動汽缸活塞，活塞帶動連桿；活塞的往復運動使風門開關，壓縮空氣（或壓力水）是靠礦車觸動開關控制的。3. 電動自動風門。 這種自動風門的關閉是靠電動機傳動件速裝置來完成的。電動機的啟動和停止由設在軌道下面或巷道兩側的

5、接觸點來控制。 某些礦井利用光電繼電器 自動控制電動機開閉風門。當礦車（或電機車）到達時，由于光電的作用，打開風門使礦車 通過。礦車過后風門自動關閉。4. 新興的“ PLC風門”。進入80年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展， 以16位和少數32位微處理器構成的微機化PLC得到了驚人的發展。與此同時，礦用風門系統也成此東風，展開了長足的發展。直至目前而言，由于其出色 的性假比及穩定的工作性能，“PLC風門”仍引領著國外礦用風門的潮流。1.1.3 通風系統概述而根據礦井安全規程， 可知礦井通風是必要的。 地面的大氣進入礦井以后， 在成分上會發生 一系列的變化。 這是因為煤

6、和其它物質的氧化、 人的呼吸會使氧氣減少和二洋化碳增加； 井 下煤和巖層中不斷放出沼氣（ CH4、二氧化碳等有害氣體在生產過程中也要生成巖塵，煤 塵和炮煙等。其中瓦斯（沼氣）和煤塵達到一定濃度遇火時就會引起爆炸。此外，井下空氣 由于地熱作用、 人體和機械的散熱， 水分的蒸發等原因， 溫度和濕度都會顯著增加，造成不 良的氣候條件。因此，對礦井必須進行通風。礦井通風的任務：1. 供給井下人員足夠的新鮮空氣。2. 把有害的氣體和礦塵稀釋到安全濃度以下，并排出礦外。3. 保證井下有適宜的氣候條件，以利于工人勞動和機器運轉。礦井通風工作， 對于保證礦井安全生產， 創造良好的氣候條件，提高勞動生產率， 具

7、有十分 重要的意義。此外， 危及礦井安全的重要一項就是瓦斯爆炸。 因此， 必須采取必要的措施來防止礦井中的 瓦斯爆炸。而瓦斯爆炸必須具備兩個條件。瓦斯濃度為56%的混和氣體和溫度為攝氏 650750的火源來引爆。 為此， 預防瓦斯爆炸必須從兩個方面考慮。 其中防止瓦斯積聚的措 施之一有加強通風。用足夠的風量把瓦斯稀釋到無害的程度。例如：1. 采用機械通風（在瓦斯礦井應采用抽出式通風）。2. 正確合理地計算與分配風量，使各采掘工作面，各巷道，各峒室都供給足夠 的風量，既不使瓦斯超限又能創造良好的氣候條件。3. 加強風扇管理和風筒的維護，防止漏風，避免循環風流。保證掘進工作面有 足夠的新鮮風流，嚴

8、禁用擴散通風。4. 正確的選擇通風構筑物的位置，加強其維護與管理，防止礦內大量漏風 在瓦斯礦井中，回采工作面，回風巷道都要采用上行通風。為此，礦井中必須建立比較完善的通風系統。其中礦井用風門就是礦井通風系統中的一個重要組成部分。它屬于通風構筑物（通風構筑物包括風門、密封閉墻、主風井巷口的密閉裝置及其它的通風構筑物）。由于風門有以上的作用和意義，實現礦用風門的自動化也就顯得勢在必行。1.2 本次畢業設計的主要內容本次畢業設計的對象就是礦用自動風門系統。主要的設計內容包括：1. 自動控制風門系統總體方案的設計2. PLC程序框圖設計3. 風門結構及機械傳動系統設計=1 * GB2 門體系統（包括門

9、體、上下軌道、導向輪及張緊裝置等）=2 * GB2 傳動系統（電機選型、減速器選型、摩擦傳動及手搖機構）4. 電器控制箱設計5. 自動風門系統電氣設計設計的重點是第三部分的內容。以下是設計對象的有關描述：主要技術參數及技術要求1. 風門有效斷面 5600mm X 3200mm2. 風門承受壓差1200mm水柱；3. 風門采用鋼絲繩牽引，摩擦驅動水平對拉式開關門方式；4. 來車檢測信號采用燈光脈沖照射檢測裝置；5. 風門要實現自動控制、手動控制且要相互自鎖；6. A B兩道門實現相互閉鎖；7. 電器要滿足防爆、隔爆等安全要求。1.3 礦用自動風門系統的組成及工作原理1.3.1 系統組成如圖1-1

10、所示，該系統主要由兩道門，來車識別裝置，狀態檢測裝置，電控，PLC控制箱等部分組成圖1-1自動控制風門系統組成圖學動冀盤 2沛悄柄銓亂力洋槍蜓合4-Off5 導軌樂律張輪裝置圖1-2自動控制風門結構圖而每道門又如圖1-2所示，由兩扇門體、道軌組合、滑輪組合、驅動裝置、牽引鋼絲繩、張緊裝置等組成。1.3.2工作原理風門系統為兩道門，每道門采用水平對拉式開閉，風門的開閉由驅動裝置通過鋼絲繩牽引兩扇門體實現。門扇通過滾輪吊裝在上軌道中，上軌道固定在巷道頂板上。門扇的下端處在下軌道槽內。門體的開閉狀態采用行程開關檢測，兩道風門相互閉鎖。風門可實現自動控制，手動按鈕開閉及人工通過手搖機構開閉。每道門在其

11、中的一扇門體上裝有人行便門，以便單人行走通過。風門開閉驅動是由防爆電動機、蝸輪蝸桿減速器、摩擦輪來實現。驅動鋼絲繩1-3所示:牽引門扇運動。通過電動機正反轉實現風門的開閉。如圖1 - 驅動電機2 -減速器3 -摩擦輪4 -導向輪5 -門體一 6-門體二7 -張緊重錘圖1-3風門驅動裝置原理圖控制系統由PLC控制器，各種傳感器，檢測裝置等組成。 風門的開啟操作申請信號來自光敏 傳感裝置，每道門設有兩套光敏傳感裝置。一套供頭燈照射申請開門，傳感裝置安裝在巷道側壁上；另一套供車燈脈沖照射申請開門，傳感裝置安裝在門體上。采用脈沖照射是為了避免其它非開門光源造成系統誤動作，并且通過PLC控制器編程實現。

12、風門的關閉靠PLC定時控制，即風門開啟后延時一段時間自動關閉。兩道風門相互閉鎖， 也就是說同一時刻只允許一道風門處于打開狀態， 而另一道風門無論是否有開門申請信號都處于關閉狀態。風門的開閉狀態采用接近開關檢測，信號傳輸給PLC控制器。在一些特殊情況下， 如自動控制系統出現故障；風門安裝調試過程中；檢修維護時等，也可以通過手動按鈕操作風門的開閉，或用人工開閉風門。每道風門的兩側還設有光電開關，其作用是在風門關閉過程中有人、車輛或其它物體時，由于產生了有障礙物信號，通過PLC控制使風門再次打開。這樣可防止風門夾住處于中間的行 人、車輛或其它物體。具體的風門系統的工作過程如下：1. 當上行或下行車輛

13、通過車燈脈沖照射申請開門時，系統均產生申請信號，A、B門申請開門信號以先得到者有效，后得到者保持。2. A門（或B門）申請開門信號有效時，執行開門操作，同時有燈光指示，門開后延時15-30秒，此期間若還有申請信號，再延時15秒，在檢測無障礙情況下，執行關門操作。A （或B）門關閉后，延時2秒，B門（或A門）執行開門操作，同時有燈光顯示，開門 后延時30秒，在檢測無障礙情況下執行關門操作。3. 當下行車輛通過 B門（或上行車輛通過 A門）期間，若有上行車輛申請B門開門信號（或下行車輛申請 A門開門信號）貝U B門（或A門）繼續延時30秒，上行（或下行） 車輛可進入B門（或A門），然后再執行后續程

14、序。第2章 礦用自動風門的門體及傳動系統設計2.1 門體設計風門門體及上下導軌的組成如圖2 - 1所示。兩扇風門通過滾輪組件吊裝在上導軌組合中，上導軌對門體起導向和承重作用，門體通過槽輪與下導軌結合，下導軌通過槽輪承受風壓作用在門體上的側向力。2-1風門門體及導軌簡圖風門門體要求整體剛度好， 不易變形，適合井下環境和條件。 風門門體采用輕型槽鋼焊接成 骨架。其結構為：先將槽鋼互相焊接如圖2-2所示的門架，用3mm厚的鋼板覆蓋作門面，骨架及門面板在制造時做防銹處理。在其中的一扇門上設有行人便門，因此其中一扇門在焊接過程中應當注意留有小門。在門體上、下及側面應安裝有密封壓板與密封條，門扇周邊采用橡

15、膠帶密封，以防發生漏風現象。在左門門體上裝有光電開關固定板2-4圖2-2右門門體上留有一小門，便于人行。其右門結構形式如圖用來固定光電開關。其左門結構形式如圖 2-3所示。在1-門體2 上密封條3 側密封條 4 光電開關 5 下密封條圖2-3左門體結構示意圖圖？1小門 2 門體 3 門架圖2-4右門體結構示意圖22上下導軌設計風門的上下軌道由工字鋼與連接板及端板焊接而成。工字鋼的材料使用Q235-A，其硬度、強度、鋼度均能滿足使用要求。上軌道采用20號槽鋼，并通過工字鋼固定在巷道頂板上。 下道軌采用18公斤道軌。門扇的 下端處在下軌道槽內， 通過滑輪與軌道槽鋼接觸限位， 防止門體與軌道接觸而增

16、加阻力， 且 滑輪又能起到導向的作用。 風門的這種結構形式可以使門體在受風壓時，通過側輪在上、下軌道側壁滾動接觸，因而減少了運行阻力，使風門開閉自如，不易卡死。O O圖25工字鋼的簡圖2.3傳動系統的設計2.3.1 驅動系統的設計計算風門開閉驅動裝置是由防爆電動機、蝸輪蝸桿減速器、 摩擦輪組成，驅動鋼絲繩牽引門扇作往復運動。1. 驅動方式采用摩擦驅動方式控制風門的動作。其主要的技術參數：功率：4KW拉力：8KN速度：210mm/s2. 電動機的選型電動機選擇時應綜合考慮的問題。=1 * GB2 根據機械的負載性質和生產工藝對電動機的起動、制動、反轉、調速等要 求來選擇。=2 * GB2 根據負

17、載轉矩、速度變化范圍和起動頻繁程度等要求，考慮根據負載轉矩、速度變化范圍和起動的溫升限制、過載能力和起動轉矩選擇電動機的容量。=3 * GB2 根據使用場所的環境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、腐蝕和易燃易爆 氣體等考慮必要的保護方式，選擇電動機的結構形式。=4 * GB2 根據企業的電網電壓標準和對功率因數的要求，確定的電壓等級和類型。=5 * GB2 根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統的過濾過程性能的要求，以及機械減速機構的復雜程度選擇電機的額定轉速。此外，選擇電動機還必須符合節能的要求。考慮運行可靠性、設備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易程度，以及產品價格、建設費用及

18、生產過程中前后期電動機容量變化等因素。由于是在礦井下工作的電機，故除了能達到傳動的功率要求之外，還應該作到符合礦山安全規則中的防爆要求。 為此，選用YBK系列隔爆型三相異步電動機。該系列電動機是軸向全封閉自扇冷鼠籠型隔爆型三相異步電動機，具有效率高，起動轉矩大，噪聲低，振動小，溫升 幅度大，性能優良，隔爆結構先進合理， 使用安全可靠，體積小，重量輕，外形美觀等特點。 一般制成隔爆型“ Di”，適用于有甲烷或煤塵爆炸性混和氣物的礦井中。(其中各符號的含義為：K礦用；d隔爆型電氣設備；I 煤礦井下用。)表 2-1、表2-2為所選電 機的基本尺寸及基本技術參數。表2-1YBK132M-6的外形尺寸機

19、座號級數AA/2BCD EE FGHKMN132M2216108178893880103313212265230表2-2 YBK系列隔爆型三相異步電動機技術數據型號功率(KW)電流(A)轉速(r/mi n)效率(%)功率因數(Cos $ )轉動慣量2(Kg m )YBK132M-649.4960840.770.203型號噪聲Db(A)外形尺寸長x寬x高重量(Kg)(mm)YBK132M-671550x380x47090+3. 減速機的選擇考慮到速度比較大（-，減速器使用單級軸向剖面圓弧齒圓柱蝸桿減速器。這種減速器適用于礦山、冶金、起重、化工及建筑等機械的各種減速裝置。輸入軸轉速一般不大于150

20、0rpm,工作環境溫度為-4045C，高速軸可正反轉。根據機械傳動設計手冊，這種減速器的裝配型式有四種：通用型、蝸桿下置型、蝸桿上 置型、蝸桿側置型。為便于與電機的安裝和考慮到減速器的輸出軸又要與附帶著的摩擦輪相 連接，選用了蝸桿下置型（代號為WHX又因為是不經常工作或間歇性工作，可選用不帶風扇型式。最后選用了型號為-160-9- I中心距為160mm公稱傳動比為50。如圖2-5所示為減速器的 外形及安裝圖。圖2-5表2-3減速器的外形基本尺寸4. 手搖機構的設計=1 * GB2手搖機構的基本結構手搖機構主要由繩輪、軸套、外銅套、內銅套、油杯、擋圈通過銷、與螺紋聯接。在設計結 構時應考慮到部件

21、需要油潤滑，便于安裝、使用與維護等因素。如圖2-6所示。圖2-6摩擦輪簡圖=2 * GB2 結構設計計算鋼絲繩的速度：1 = 210m/f=電動機的轉速：溝二105山經過一系列的試選，確定減速機的轉速比為：.-ij式中減速機的輸出轉速105r/tf50= 2Ar/svL =/ 2式中 摩擦輪的直徑m;紐二3伽嗎 2.1所以選摩擦輪的直徑為：200mm5. 聯軸器的選用在本設計的傳動系統中，電動機與減速器需要用聯軸器實現連接在某一特定條件下的傳動， 如何選擇比較恰當的聯軸器， 不僅影響聯軸器本身的性能和壽命， 也關系到整個機械的工作性能、 使用壽命、 維護和經濟性能等。 當選擇聯軸器類型時應考慮

22、 以下因素：= 1 * GB2 聯軸器傳遞的載荷和性質 不同結構和材料的聯軸器的承載能力差別很 大。通常彈性聯軸器都具有緩和沖擊的作用并且金屬彈性元件的聯軸器的承載能力要高于非 金屬彈性元件的聯軸器= 2 * GB2 聯軸器的工作轉速 不同類型的聯軸器適應的轉速范圍也不一樣。 尤其是 在變速下工作是，應選用能適應速度突變引起的慣性沖擊和振動的聯軸器。= 3 * GB2 聯軸器聯結兩軸的相對位移 這是由于種種原因， 聯軸器所聯結的兩軸是 難免要發生相對位移的。= 4 * GB2 聯軸器工作環境 在選擇類型時，必須考慮工作環境的影響。例如溫度、 濕度、 油、溶劑、陽光等對含有橡膠彈性元件的聯軸器的

23、影響較大， 易引起橡膠老化而改變 其物理性能和機械性能。有上述因素并考慮到聯軸器需承受一定的沖擊， 器。彈性聯軸器除了能夠補償兩軸的相對位移， 要的是能夠緩和沖擊，改變軸系的自振頻率，及井下安裝條件的復雜。 故而選用彈性聯軸 降低對聯軸器安裝的精確對中要求外， 更重 避免發生嚴重的危險性振動。 此外， 這種聯軸器還具有結構緊湊，裝配方便，減振吸振等的特點。由于比較常用的聯軸器已經系列化和標準化。 因此， 在選用標準的聯軸器類型后要確定聯軸 器的基本尺寸（型號）在選用聯軸器型號時，一般都是以聯軸器所傳遞的計算轉矩Tc 小于或等于所選聯軸器的額定轉矩Tn為準則。聯軸器實際需要傳遞的轉矩常用計算轉矩

24、Tc表示，它等于聯軸器的理論轉矩乘以大于1的工作情況系數K,即Tc=KTW Tn式中 T 理論轉矩 N?m；T n額定轉矩 N?m,在手冊中可查得；K 工作情況系數，其值與動力機和工作機的類型、工作條件、傳動軸系的轉動慣量有關。表2-2列出了幾種常用情況下的K值表2-2常用情況下的K值2.3.2 傳動系統的設計計算在風門的開閉過程之中，風門的受力情況如圖2-6 所示F3do圖2-6R 二 MiEWi式中 二一一上導軌摩擦力N;2-1 門體質量詁鋼與鑄鐵間的摩擦系數R 二 600igx9.8/s2 x0.17 = 1000M式中 P門體所受的壓差（由120mm水柱換算而來）Pa;S門體的面積 ：

25、丁 ;再=12146 刊心 6x3 加3 二 217652M& -再叫式中 = 217652x0.0024352/耳誌+E= 1000Af+43W=1435MPrl4352fx0.21ffi/s = 301w式中 -門體所受的總的摩擦力N;P二冊拖動門所需的最小功率W；r 門體運動的速度:：Prl435Vx0.2b/fi = 301w參見帶傳動中張緊力的計算方法來計算鋼絲繩的張緊力/J=l.lx0.301iw=0.33Wg式中名義傳動功率hr工作情況系數（交流異步電動機，工作平穩，根據 表11.5選得）=1,1x0.30 lb = 0.331hfA =500式中鋼絲繩受的張緊力N;鋼絲繩根數；

26、包角系數；單位長度鋼絲繩的質量kglm021 嘰 1= 10712.4張緊裝置的設計張緊裝置用來繃緊鋼絲繩，避免鋼絲繩與繩輪之間打滑。鋼絲繩的張緊是通過在鋼絲繩的一端懸掛水泥重錘利用重力的作用來實現。在設計結構時考慮到需用一個重錘來張緊兩端的鋼絲繩，故需通過一個張緊組件來實現，這一張緊組件結構如圖2-7所示：31-支架組件 2-張緊輪框架3-軸、卡板4-滑輪圖2-7張緊組件結構圖第3章礦用自動風門控制柜的設計3.1 控制柜的主要功能和技術參數3.1.1 性能要求1. 具有正反控制的兩個 660V輸出回路；2. 要求正反控制具有機械聯鎖；3. 具有漏電閉鎖、過載、短路、缺相跳閘保護功能；可編程控

27、制器輸入輸出信號采用九芯接線柱引入接線腔，交流110V與660V采用接線柱引入接線腔；4. 保護裝置除控制跳閘外，再為可編程控制器提供一對觸點；5. 具有觀察可編程控制器顯示狀態的觀察窗；6. 門體結構為快速開門機構；7. 控制柜的設計要滿足煤礦安全規程的要求，尤其是要隔爆。3.1.2 主要技術參數1. 額定電壓：660V2. 額定頻率：50HZ3. 控制總功率：4KW4. 工作制：交替運行。3.2 礦井隔爆概述在有瓦斯礦井中的動力設備，如電動機、開關等，由于火花或其他事故會引起瓦斯的爆炸，為了克服這種危險， 就將設備作成有隔爆結構參數的特制外殼，使其具有耐爆性和不傳爆性，我們稱這樣的外殼叫隔

28、爆外殼。8.07. 0H 05.0443.02.01.0、式中p 外殼的終壓力，大氣壓;隔爆外殼是由具有一定強度的鋼板或鑄鋼、鑄鐵制成的機械結構，并具有一定的抗爆能 力。隔爆外殼具有兩個作用。 一是 要有耐爆性，即內部瓦斯爆炸的壓力、 溫度不使外殼損壞， 也不變形，它是由材質的強度和外殼本身機械結構強度來保證的。二是要有不傳爆性，即內部爆炸后，傳出的火焰不使外部瓦斯發生爆炸，它是由隔爆面的間隙和寬度來達到的。根據試驗，隔爆面加工光潔度對于隔爆性能并不要求很高。世界各國也不統一，有的達到4的光潔度已足夠了，但間隙和寬度是極其重要的，隔爆面加工不平度一定要嚴格控制。3.2.1 耐爆性隔爆型電氣設備

29、的要求之一，是設備外殼必須具有耐爆性，實際就是外殼的強度問題。當隔爆外殼內部發生爆炸時，應使其不發生變形和損壞，不致使爆炸火焰直接點燃礦井中的瓦斯混合物，從而達到耐爆要求，它是由外殼的強度和機械結構來保證的。因此，外殼應有足夠的堅固性，以及外殼在熱源的作用下，經燒灼及過熱不會受到損傷。要保證外殼的 耐爆性，必須對不同條件下， 作用于外殼上的壓力進行研究，并從外殼的材質強度以及其它方面來保證，分述如下。=1 * Arabic 1. 外殼內部爆炸壓力和溫度。 由前所述，瓦斯爆炸時理論計算最大壓力為 8.38.5大氣壓，而實際為 7.4大氣壓。由于隔爆外殼并不是完全密閉的，它由兩個或幾 個外殼零件所

30、組成，其結合面之間存在間隙，所測得的爆炸壓力將隨其間隙、外殼形狀及容積等因素的變化而改變， 可從圖3-2看出，壓力隨間隙的增加而降低。 在間隙相同的情況下， 容積增大則爆炸壓力也有增大的趨勢。爆炸壓力同前所述為2200 C。所以，一般礦井防爆電氣設備均按8大氣壓和2200C加一安全系數來設計的，根據材料力學及試驗結果，對于 鋼板外殼，理論上最小厚度為34毫米，鑄鐵的應為 6毫米。0.2 0.4 0-6 0*8 1.0 1.2間隙d (毫米)圖3-1爆炸壓力與間隙的關系=2 * Arabic 2.外殼內絕緣油及有機絕緣物分解產生的壓力。外殼內之油類或有機絕緣物，在電弧作用下，要引起分解，而產生氫

31、、一氧化碳和其它氣體，使殼內氣體壓力增加, 這種氣體所產生的爆炸壓力由式3.1算出。(3.1)P=(CAgtg/Vc)+PoC 常數，它是單位弧光能量，單位時間內所分解生成氣體的容積（升 /千瓦*秒）；它與材質有關。如：油類C=0.06，有機塑料C 0.05 ;Ag 弧光短路容量，千瓦；Tg 弧光持續時間，秒；Vc 外殼凈容積，升；Po 外殼內混合物之初壓力，大氣壓。有機絕緣物分解可能發生在高壓開關油箱內，也有可能發生在切斷配電電纜的短路電流時， 或外殼內導體間弧光短路時， 它的爆炸壓力要比甲烷的爆炸壓力大。 如塑料 K-21-22 上發生 短路弧光，持續時間為 1 秒，則壓力可達 11 大氣

32、壓，能將外殼炸壞或變形。若高壓開關油 箱內發生短路而產生電弧，短路容量為 1 兆伏安，則油箱要產生 20 大氣壓。為此，油箱應 堅固可靠，并要承受 20 大氣壓的水壓試驗。至于油中分解出的氫、乙炔與空氣混和物，所 產生的爆炸壓力比甲烷爆炸壓力略高一些。3. 多空腔的過壓現象。當瓦斯起始壓力為 1 大氣壓時，如果發生爆炸， 產生 8 大氣壓； 若起 始壓力為 2大氣壓，則爆炸壓力將是原來爆炸壓力的 2倍，為 16大氣壓，所以爆炸壓力與 起始壓力成正比。防爆電氣設備，往往有兩個或兩個以上的空腔所組成，如磁力起動器及其接線盒、 電動機定子與端蓋間兩端空腔等， 其中用連通孔貫通。 當某一空腔里的瓦斯發

33、生爆炸時， 會 使另一空腔的氣體壓縮， 而使壓力增高， 如果此空腔再發生爆炸時， 由于壓力的疊加關系而 出現過壓現象。 對于較多空腔組成的防爆電氣設備， 則在其最后一個空腔內， 由于過壓現象 而產生較大的破壞性，造成空腔的損壞，失去其隔爆性能。如果空腔A內瓦斯發生爆炸，壓力波以聲速通過連通孔涌向B空腔，使其中瓦斯氣體壓縮，壓力可能增高至 34大氣壓，而甲烷爆炸的火焰速度一般為34厘米/秒，遠比聲速小，所以當B空腔再次發生爆炸時，則爆炸壓力為本身初壓時爆炸壓力的34倍，甚至可達 40 大氣壓，這是極其危險的。在細而長的管道中過壓現象更為嚴重。根據試驗，其過壓的大小與兩空腔的凈容積之比和連通孔的斷

34、面積大小有關，一般 兩空腔凈容積相差很大。 為了克服過壓現象， 我們設計隔爆外殼時， 其空腔間凈容積之差別 盡量縮小，一般應小于 4： 1。另外連通孔截面積應大于 750 平方毫米，一般要求越大越好。 連通孔是指隔爆外殼內放置電氣設備的空腔之間通道或接線空腔之間通道，而不是指外殼與接線盒之間的通道， 因為接線盒要作成獨立的隔爆空腔， 不允許有不隔爆的連通孔， 且其凈 容積與外殼凈容積之差也應盡量縮小。3.2.2 隔爆性 外殼的隔爆性，又稱不傳爆性。它是隔爆型電氣設備的另一個重要因素。所謂隔爆 型就是要求外殼各個部件的連接要符合一定的隔爆構造參數，而使其在下列情況下不能點燃周圍爆炸性介質：當電氣

35、過載或短路，引起殼內的油或有機絕緣物分解生成的可燃性氣體爆炸，其火 焰傳出外殼時。 由于隔爆構造參數對弧光短路目前還無法達到隔爆要求，因此只能在電氣方 面加強絕緣， 保證質量， 或采用迷宮式結構。 如電纜用電子管式的保護方法來達到防爆目的 或嚴格控制瓦斯的濃度。這些都是外殼內可能出現的最危險情況，如果把它限制在外殼內部，不讓它波及到 殼外， 或者雖然沖出了火焰和灼熱的金屬顆粒， 但已被冷卻， 就能有效地防止周圍的瓦斯爆 炸。隔爆外殼的隔爆性，一般只能用試驗得出，理論上是比較復雜的。 所謂不傳爆性，就是甲烷空氣混合物在外殼內部爆炸時，向外噴出的火焰，不會引 起殼外可燃性氣體的爆炸。 它是由外殼的

36、結構， 即通過外殼裝配結合面的寬度、 間隙和表面 加工光潔度來實現的。 這種結合面可以是法蘭盤對口式， 也可以是圓筒式， 或活動式的裝配。 隔爆電氣設備不僅要有耐爆性和防爆性，而且還要有與其他礦用設備不同的特殊基本要求。如對外殼材質、強度的要求以及進行水壓試驗都是為了達到耐爆性，而它的特殊結構及其參數乃是為了保證隔爆的可靠性。 如電纜接線盒必須作成獨立的隔爆空腔， 因為它是一個薄弱 環節， 與主空腔有所不同， 在設計制造和修理時應加以考慮。 更主要的是為了消除和減少外 殼內部不必要的電氣火花產生， 對空氣間隙和漏電路以及電氣和機械閉鎖都有與其它礦用電 氣設備不同的技術要求。從而達到隔爆安全的目

37、的。隔爆型電氣設備主要是由隔爆外殼和法蘭面所組成， 在瓦斯爆炸的情況下， 外殼內部和法蘭 面要受到危險的壓力和溫度的沖擊作用， 為了安全， 它應有足夠的機械強度來保證外殼的耐 爆性和法蘭面的隔爆性，一般情況下，它是用鋼板鑄鋼或抗拉強度和韌性較高的鑄鐵制成。3.2.3 外殼的強度1. 鋼板焊接的外殼：對于凈容積大于 2 升、易移動的、 且有可能受外力沖擊的隔爆外殼均應采用 A3 的低碳鋼板焊接而成，它的極限厚度是根據外 殼的形狀及凈容積的大小， 通過力學分析和試驗來確定的， 一般不得低于 34 毫米。焊條也 應采用低碳鋼的，焊后要進行回火處理，以消除焊接產生的內應力。2. 鑄鋼外殼：在容易受到外

38、力沖擊的采掘機械設備上，如截煤機、 聯合采煤機、 裝巖機等設備上的隔爆型電氣設備的外殼一般采用鑄鋼制成，其材質也是選用低碳鋼的， 因為鑄鋼強度比鋼板低， 所以外殼的厚度要比鋼板制成的大的多， 其 極限厚度不應小于 6 毫米才有足夠的機械強度， 但它還是要由外殼的機械形狀及凈容積的大 小來決定的。3. 鑄鐵外殼：對于凈容積小于2 升且不易受到外力沖擊的隔爆外殼，可用高強度的孕育鑄鐵制成，其抗拉強度應大于 28千克/ 平方毫米的 HT28-48 的孕育鑄鐵。對于特別不易受到外力沖擊的設備，其外殼可采用抗拉強度不小于15 千克/平方毫米的鑄鐵制成， 如固定安裝在井底車場、 中央變電所、 中央水泵房等

39、類似場所使用的 電氣設備外殼。外殼的厚度最低不小于6 毫米。4. 4. 鋁合金外殼：手持式或支架式電鉆及附屬插銷、攜 帶式儀器的外殼， 必須用非磁性材料制成的電氣設備的外殼， 可用抗拉強度不小于 12 千克/ 平方毫米的鋁合金制成，但它不應含有鎂的成分。3.2.4 法蘭面強度外殼的類型是由法蘭面的結構加以區分的， 它的強度也直接關系到外殼的隔爆性， 因為外殼 內部瓦斯爆炸的高壓高溫火焰要迅速的通過法蘭結合間隙噴向殼外， 同時受到高壓和高溫的 作用， 使外殼和法蘭要變形， 從而改變了法蘭結合面的間隙， 這對外殼的隔爆性是極其危險 的，為了克服間隙可能增大的現象， 一定要增加法蘭面的強度， 一般它

40、是由機械結構和材料 強度來保證的， 尤其是法蘭面的厚度應選大些， 以免爆炸后的變形。 但法蘭的厚度不是一個 孤立的數，而是與外殼空腔的凈容積、外殼形狀、尤其是法蘭的形狀，以及結合方式有關。 如電力裝巖機操作箱是長方的隔爆法蘭結合面， 就應厚些， 它是用螺釘連接結合面的， 因此 要考慮螺釘的大小、螺距尺寸、以及螺釘錐入深度， 同時法蘭面材質也是一個因素。 這些不 僅要通過力學分析， 選擇一個適當的安全系數 （通常為 2.5 倍左右）， 這要經過多次試驗和 反復實踐，才能獲得一個適用于一定外殼結構的法蘭面厚度。3.2.5 表面溫度礦用電氣設備表面可能堆積塵粉，其允許最高表面溫度為150 C ;采取

41、措施防止堆積時，則為 450C。限制電氣設備的表面溫度是為了保證設備運行中不致出現能夠點燃周圍可燃性混合物的危 險溫度， 防爆電氣設備的表面溫度允許值取決于周圍環境中的爆炸性混合物的自燃溫度。井下的爆炸性氣體主要是甲烷，它的溫度組別為T1,允許電氣設備表面的最高溫度為450C,但井下電氣設備的表面易堆積煤粉、巖粒等物。 當煤粉堆積到一定厚度， 設備表面溫度超過 200C時很易發生自燃。所以，對表面可能堆積粉塵的電氣設備，在留有20%勺裕量后，規定起最高表面溫度為 150 C。3.2.6 耐濕熱性能絕大多數礦井井下環境的溫度在 2030C之間，最高溫度可達 32.8 C；相對濕度在92%-9 8

42、%之間，最高相對濕度可達凝露點。礦用電氣設備使用的場所大體上等于或劣于濕熱環境。 為了保證防爆電氣設備在井下環境中長期使用，它們必須具有耐濕熱性能。3.3 隔爆設備的隔爆原理所謂隔爆， 就是當電氣設備外殼內部發生爆炸時， 火焰經各接合面噴出， 而不使外面的爆炸 性混合物爆炸。 隔爆的間隙隔爆機理與金屬網對火焰的熄滅作用相仿。 法蘭間隙能起隔爆作 用的機理現仍有兩種觀點： 一種觀點認為隔爆是由于法蘭間隙的熄火作用； 另一種觀點認為 隔爆是由于法蘭間隙的熄火作用和法蘭間隙對爆炸產物的冷卻共同作用的結果。從一些試驗來看，后一種觀點的理由更充分些。3.3.1 間隙的熄火作用 爆炸性氣體混合物火焰在狹小

43、間隙中熄滅的理論是建立在管道中火焰傳播界限的實驗研究基礎上的。對于不同的爆炸性氣體混合物，都有一個對應的臨界熄火直徑值dk。當管子的直徑超過臨界值時，這種爆炸性氣體混合物的火焰即可沿著這個管道傳播，否則火焰熄滅。3.3.2 間隙的冷卻作用 當接合面間隙小于臨界間隙時，殼內的爆炸火焰經過間隙即被熄滅，但是如果傳出間隙的爆炸產物的溫度達到引燃爆炸性氣體混合物所需要的高溫時，仍然能夠引起外殼周圍的爆炸性氣體混合物爆炸。例如一氧化氮的臨界熄火直徑是15mm試驗容器的間隙為 0.8mm當容器內的一氧化氮爆炸時，其火焰不可能穿過 0.8mm的間隙，但它卻使容器外的沼氣-空氣混合物引爆。這說明，間隙對爆炸產

44、物的冷卻作用與外殼的隔爆性能有直接的關系。 關于隔爆間隙的理論目前還不完善， 從理論上得到的數據與實際試驗得到的還有些差異。 因 此目前生產的隔爆型電氣設備所采用的結構參數仍然是以試驗得到的數據為依據。最大試驗安全間隙是制定隔爆外殼中隔爆結合面安全間隙的基礎， 明了其影響因素對隔爆外 殼的安全使用尤為重要。影響最大試驗安全間隙的主要因素有： 隔爆法蘭的長度和爆炸性氣體混合物的濃度等。 此外 爆炸性氣體混合物的初始壓力、初始溫度和試驗外殼的容積對最大試驗安全間隙也有影響。 需要說明的是，隔爆接合面加工的粗糙度，對于隔爆性能的影響不大。3.4 隔爆設備的參數選擇依據3.4.1 隔爆的結構類型 隔爆

45、外殼是由外殼和結合面組成，并由后者來區分隔爆外殼的結構類型。1. 靜止結合面： 它是用螺釘或其他方法將外殼的隔爆接合面固定住或在隔爆型電氣設備運行 狀態下不動的接合面稱為靜止結合面。它又可分為以下幾種：=1 * GB2 平面對口結合面：主要是螺釘固定的法蘭盤式結構。如電力裝巖機隔爆操 縱箱與箱蓋； 低壓防爆開關的接線箱與箱蓋； 防爆電動機的接線盒和中間隔板以及機座平面 的裝配等都屬于平面對口接合面。=2 * GB2 轉蓋式或插蓋式接合面：此種結構是采用轉蓋止口式配合。結構簡單、裝 卸方便、 不同于其它結構類型、 并有它的特殊要求， 如低壓防爆開關的外殼法蘭面與殼蓋的 配合就是屬于此類。=3 *

46、 GB2 圓柱式接合面：適用于一切設備不動部分的圓柱形接合面。如防爆電動機 的端蓋與機座外殼止口接合部分，防爆控制器的基座與圓筒形外殼的配合等都屬于此類。2. 活動接合面：設備在運行狀態下接合面是可以轉動或移動的稱為活動接合面。它可分為：= 1 * GB2 電動機軸與軸孔的隔爆接合面。= 2 * GB2 操縱桿與桿孔的隔爆接合面。= 3 * GB2 插銷與插銷套的隔爆接合面。以上三種統稱為活動接合面。3. 螺紋式接合面： 為了增加隔爆接合面長度， 在檢修時不經常拆卸的部分才允許用此結構（但緊固螺釘不允許作成隔爆結構），如圖 3-1 所示。圖3-1螺紋隔爆結構采用螺紋隔爆結構時，必須保證同種零件

47、間的互換性，還必須符合下列規定：=1 * GB2螺紋精度須不低于 3級，螺距須不小于 0.7毫米；=2 * GB2螺紋的最小嚙合扣數、最小擰入深度，須符合表3-3的規定；=3 * GB2螺紋結構須有防止自行脫落的措施。4. 迷宮式接合面：這種結構是為了增加隔爆接合面長度，使外殼內部瓦斯爆炸的高溫生成物,通過迷宮式通道向外噴出時溫度降低到安全點，如圖3-2所示。圖3-2迷宮式隔爆5. 疊片隔爆結構：疊片應用耐腐蝕材料制成的通氣部件組成并須有防止偶然機械損傷的措施。疊片小箱阻止火焰傳播的作用和法蘭隔爆作用大體上是一樣的，可以使火焰在狹窄的縫隙處熄滅并得到冷卻，從而消除點燃周圍可燃性混合物的危險。這

48、種隔爆結構多用在隔爆蓄電池箱上。它不僅能對沼氣 -空氣混合物的爆炸起隔爆作用，對于箱內的氫起爆炸也能起到 預防作用。這是因為氫氣的爆炸下限是4.0%。在疊片箱中，蓄電池正常運行中產生的氫氣可以通過疊片間間隙逸出，氫氣要積聚到這個濃度是很困難的。另一方面氫氣的最大實驗安全間隙與氫氣濃度的關系為U型曲線，4.0%氫氣-空氣混和物的最大實驗安全間隙大于0.5毫米。所以，在氫氣下限濃度發生爆炸時仍能保證實現隔爆。第4章自動風門的控制系統設計4.1 控制系統設計思路4.1.1 控制系統的組成控制系統由PLC控制器，各種傳感器，檢測裝置等組成。4.1.2 國外PC及其發展概況1. 國外PC產業發展概況PC

49、自問世以來，經過 20多年的發展，在美國、德國、日本等工業發達國家已形成為重要產 業。據不完全統計，世界 PC的總銷售額，1987年為25億美圓，1988年為31億美美圓，比 前意念增大 24%。 1989 年為 35 億美圓，比上一年增長16%。在一些工業發達國家，新的PC生產廠家不斷涌現，品種幾年翻一番，產量產值大幅度增長，價格普遍下降。以美國為例，1988年有70多個PC生產廠，共有300多個品種，與1983年的37個生產廠 和100多個品種相比，六年廠家增加了一倍，品種增加了兩倍。PC的銷售額，1987年為10.2億美圓， 1988年為 13.9 億美圓，增長了 36.2%。美國在 1

50、9821986年間，小型 P C( I/O 點w 128)每年降價 30%左右，19891990兩年，每年降低 10% 中型PC (I/O點128896) 每年降低 10%13%；大型 PC(I/O 點 896以上)每年降價 10%。據美國控制工程雜志統 計，1984年美國注冊生產 PC的廠家48家，其中著名的有 AB(Allen Bradly) 公司、GM(G eneral Electric )公司、西屋( Weaten House )電氣公司等。據日本自動化雜志統計， 1982年日本有40家工廠生產PC其中著名的有三菱、日立、立石、夏普、安川、東芝、富 士等公司。據德國工業電氣電子雜志統計

51、， 1984年歐洲有60家廠家生產PC其中著名 的有德國西門子公司、BBC公司，AEG公司、法國TE公司等。當前，PC在國際時常上已經成為倍受歡迎的暢銷產品。今后仍將維持增長勢頭，用PC設計自動控制系統已成為世界潮流。2. 國外PC應用概況在PC應用初期，即19701974年間，只有較大型的工廠有選擇地使用PC,以代替繼電器式順控器，規模很小。進入實用化階段，即 19751980年，開始用于大型冶金，化工設備和組 合機床生產線。PC的需求量急劇增加。特別是 19771980年出現的小型低成本的通用PC可用于控制普通機械，如機床，搬運裝備等，使用范圍進一步擴大。到了80年代前期，PC迅速普及,除

52、用于加工和裝備線的控制外, 還可控制高功能自動機械,如塑料成型機、食品包 裝機械、清掃機、游戲機等。1985年以后，隨著FMS FA和CIMS的發展，帶有網絡通信功能的PC,作為進一步的只能控制器，正式投入使用。從時常需求看，小型PC的需求量最多。例如日本1987年程序容量為1K字以下的小型 PC為40萬臺，占總銷售量的 68.24%當前PC 以廣泛用于機械、汽車、電力、冶金、石油、化工、交通、運輸、輕工、紡織、建材、采礦 以及家用電器等領域,其的了明顯的技術經濟效益。3. PC 技術發展動向= 1 * GB2 產品規模向大、 小兩個方面發展 出現了 I/O 點數達 14336點的超大型 P

53、C,使用32位微處理器，多 CPU并行工作和大容量存儲器，使PC的掃描速度高速化。如日本三菱公司的A3H的順序指令執行速度達 0.20.4卩S。不少PC每毫秒可掃描1024點，比許 多DCS(分散型控制系統)快 1020倍，為PC增加刀具精確定位、機床速度控制、閥門位 置控制以及PID過程控制等功能創造了條件。小型PC由整體結構向小型模塊化結構發展，增加了配置的靈活性。最小配置的 I/O 點為 816 點，可以用來代替最小的繼電器系統，例如日本三菱公司 FX系列PG=2 * GB2 PC向或成控制滲透與發展微電子技術迅速發展， 大大加強了 PC的數學運算、數據處理、圖形顯示、聯網通信等功能，使

54、PC得以向過程控制滲透和發展。美國一家煉金公司用一臺雙機熱備用的PC,控制由礦石到煉金的全部過程。該系統有20個PID模擬調節回路，450個模擬量，1000個開關量。所有的報警功能、PID調節功能和順序控制功能都有PC完成。該公司一反常規不采用功能強的分散控制系統（ DCS，而采用PC,是因 為整個系統有許多電控功能（如電機的連鎖）。如果采用，只能解決PID調節功能，而電控還要用PC不如選用PC系統解決所需的全部功能。結果，選用PC系統方案使投資降為 DCS加PCD1/2左右，其控制質量不但不遜于DCS加PC的方案，而且由于使用一種控制裝置便于解決順序控制、 PID 調節、連鎖保護的調節配合, 使金的回收率有原設計的 92%提高到 96%。=3 * GB2 PC加強了通信功能為了滿足柔性制造單元（FMS、柔性制造系統（FMS和工廠自動化（FA）的要求，今年來開發的PC都加強了通信功能。系列中最小的 PC也具備了與上位 PC及其它計算機通信聯網的功能。如著名的日本FANU（公司的PC-J型，用于FANU係統中作FMC控制器，它可以